اکسید روی و نانو ساختارهای آن به دلیل خواص منحصر به فرد اپتیکی، گاف انرژی مناسب و در نتیجه کاربردهای متنوع از چند دههی گذشته موضوع تحقیق پژوهشگران بسیاری بوده است. ناگفته نماند نانوساختارهای اکسید روی کیفیت و کارایی بسیار بالایی نسبت به اکسید روی معمولی دارند. در این پژوهش از روشهای الکتروانباشت و هیدروترمال استفاده و نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی را در دماهای مختلف تولید شده است. خواص ساختاری و مورفولوژی ساختارهای تولید شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف پراش اشعه ایکس مشخصه یابی شدهاند. نتایج حاصل نشان دادند که نانو ساختارهای تولید شده بدون هیچگونه ناخالصی و با مورفولوژیهای بسیار متنوع تولید شدهاند که نشاندهندهی زیاد شدن نسبت سطح به حجم میباشد. نکته قابل توجه در اینجا تولید نانوساختارهای ترکیبی اکسیدروی میباشد و نشان داده شده است که ساختار تولید شده بر روی سطح صاف به شدت متفاوت از نانوساختارهای تولید شده بر روی یک ساختار دیگر است. این نکته قابل توجه قرار گرفته و خصوصیات اپتیکی این نانوساختارها مورد بررسی قرار گرفته و سپس به بررسی ساخت سلول خورشیدی پرداخته و استفاده از فناوری نانو در ساخت سلول خورشیدی را مورد مطالعه قرار میدهیم. کلید واژه: نانوساختار، اکسیدروی، الکتروانباشت، روش هیدروترمال، سلول خورشیدیفهرست مطالبعنوان صفحه فصل اول : مقدمه1- 1- مقدمه ای بر نانو فناوری.. 21-2- فناوری نانو و همگرايي علمي.. 31-2-1- نانو فناوری مرطوب... 31-2-2- نانو فناوری خشك.... 31-2-3- نانو فناوری تخميني (محاسبهاي)41- 3- لزوم توجه به مقياس نانوساختار41- 4- نانوساختارهای اکسیدروی.. 51- 5- معرفی فصلهای آینده7 فصل دوم: طبقه بندی و روشهای سنتر نانو مواد 2-1- مقدمه. 92-2- طبقهبندی نانو مواد از نظر ابعاد. 92-2-1- نانو مواد صفر بعدی.. 102-2-2- نانو مواد یک بعدی.. 102-2-3- نانو مواد دو بعدی.. 112-2-4-نانو مواد سه بعدی.. 112-3- روشهای سنتر عناصر پایه. 122-3-1- روش بالا به پایین.. 132-3-1-1- تغییر شکلدهی پلاستیکی شدید (SPD)13 عنوان صفحه 2-3-1-2- آسيابهاي پرانرژي.. 142-3-1-3- لیتوگرافی.. 152-3-1-4- سونش.... 162-3-2- روش پایین به بالا. 162-3-2-1- روشهاي فيزيكي تبخیری.. 192-3-2-1-1- روش تبخیر گرمایی.. 202-3-2-1- 2- روش تبخیر توسط باریکهی الکترونی.. 212-3-2-1- 3- روش برآرایی توسط باریکه مولکولی (MBE)232-3-2-1- 4 - روش لیزری پالسی (PLD)242-3-2-1-5 – روش تبخیر به کمک شعاع یونی (IBAD)252-3-2-2 - روش کندوپاش.... 262-3-2-2 - 1- روش کندوپاش با جریان مستقیم (DC)272-3-2-2 -2-روش کندوپاش با امواج رادیویی (RF)282-3-2-2 -3-روش کندوپاش با شتابدهنده مغناطیسی.. 292-3-2-3- روش چرخشی ( اسپینی )302-3-2-4- سل – ژل.. 302-3-2-5- هیدروترمال.. 322-3-2-6- آندایزکردن.. 322-3-2-7- روش صفحه گذاری.. 332-3-2-7- 1- روش صفحه گذاری با الکتریسیته ( الکترولیز )332-3-2-7- 2- صفحه گذاری بدون الکتریسیته. 342-3-2-8- روشهاي شیمیایی تبخیری.. 35عنوان صفحه فصل سوم: خواص و ویژگیهای نیمهرساناها 3-1 - مقدمه. 383-2 - خواص اساسی نیمهرساناها393-2-1- ساختار نواری.. 393-2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمهرساناها403-2-3- انتقال حامل در نیمهرسانا413-3 - اکسید روی.. 443-3-1- ساختار بلوری اکسید روی.. 463-3-2- خواص مهم اکسید روی.. 503-4- روشهای ساخت نانوساختارهای اکسید روی.. 513-4-1- ساخت نانوسیمهای اکسید روی.. 523-4-1- 1- رشد فاز بخار523-4-1- 2- رشد فاز مایع.. 53الف - روش هیدروترمال.. 53الف - 1- تأثیر روش بذر گذاری بر روش هیدروترمال.. 55الف - 2- تأثیر مدت زمان رشد بر روش هیدروترمال.. 57الف - 3- تأثیر PH محلول اولیهبر روش هیدروترمال.. 58الف - 4- تأثیر جنس زیرلایه بر روش هیدروترمال.. 59الف - 5- تأثیر دمای رشد بر روش هیدروترمال.. 59الف - 6- تأثیر مواد افزودنی بر روش هیدروترمال.. 60الف - 7- تأثیر HTMA در شکلگیری نانوسیمهادر روش هیدروترمال.. 60الف -8- تأثیر عوامل دیگر بر روش هیدروترمال.. 61ب - سایر روشهای سنتز فاز محلول.. 613-4-2- ساخت نانوحفرههای اکسیدروی.. 62عنوان صفحه 3-4-2- 1- ساخت به روش سلول الکتروشیمیایی52فصل چهارم: کاربردهای اکسیدروی 4-1 - مقدمه. 694-2 -حسگرها704-2-1-حسگرگازی.. 704-2-2- زیستحسگرها714-3 - خاصيت فوتوكاتاليستي.. 714-4 - سلولهای خورشیدی رنگدانهای.. 724-4-1- اجزای تشکیل دهندهی سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 734-4-1-1- زیرلایه. 734-4-1-2- فوتو آند. 744-4-1-3- الکترولیت... 744-4-1-4- الکترود شمارشگر (کاتد)754-4-1-5- جاذب نور754-4-2- اصول عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای.. 76فصل پنجم: تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی 5-1 - مقدمه. 785-2- تمیزکاری.. 775-3- تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی.. 79 عنوان صفحه 5-3-1- رشد نانوسیم اکسیدروی بر روی نانوحفره اکسیدروی.. 805-3-1-1- تولید نانوحفره805-3-1-2- تولید نانوسیم.. 815-3-1-2- 1- تولید پوشش دانهای.. 825-3-1-2- 2- رشد آرایههای نانوسیمی به روش هیدروترمال.. 825-3-1-3- بررسی اثر ولتاژ بر روی شکلگیری نانوساختارها855-3-2- رشد نانوحفرهها بر روی لایه نازک از نانوسیم اکسیدروی.. 875-4- ساختار بلوری.. ............895-5- بررسی خواص نوری.. 905-6 - ساخت سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 935-6-1- آماده سازی الکترود کار در سلول خورشیدی رنگدانهای.. 395-6-2- آماده سازی الکترود مقابل در سلول خورشیدی رنگدانهای.. 935-6-3- آماده سازی الکترولیت در سلول خورشیدی رنگدانهای.. 935-6-4- بستن سلول خورشیدی رنگدانهای.. 945-6-5- مشخصهیابی سلول خورشیدی رنگدانهای.. 94 فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات..........................................................................96 مراجع...........................................................................................................................................................100چکیده و صفحه عنوان به انگلیسیفهرست جدولهاعنوان صفحهجدول (3-1) خواص مهم اکسید روی50جدول (3-2) قطر و طول نانومیلههای اکسیدروی متناسب با ضخامت لایه بذرگذاری شده.56جدول (3-3) میانگین قطر نانوسیمها در زمانهای مختلف58 فهرست شکلها عنوان صفحه شکل (2-1) مقایسه روش بالا به پایین و روش پایین به بالاتولید نانو ذرات............................................12شکل (2-2) نمودار درختی روشهای فیزیکی لایهنشانی .............................................................................18شکل (2-3) نمودار درختی روشهای شیمیایی لایهنشانی.............................................................................19شکل (2-4) طرحوارهای از روش لایهنشانی تبخیری ...................................................................................21شکل (2-5) طرحوارهای از دستگاه لایه نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی.................................22شکل (2-6) طرحوارهای از لایهگذاری منظم پرتوی مولکولی.....................................................................23شکل (2-7) طرحوارهای از از دستگاه لایه نشانی لیزری پالسی .................................................................24شکل (2-8) طرحوارهای از از لایهنشانی به روش کندوپاش ........................................................................26شکل (2-9) طرحوارهای از دستگاه لایهنشانی کندوپاش RF......................................................... 28شکل (2-10) طرحوارهای از روش لایهنشانی سل – ژل ...........................................................................36شکل (3-1) نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی...............................................................................40شکل (3-2) ساختار بلوری اکسید روی.............................................................................................................46شکل (3-3) ساختار ورتسایت اکسید روی ......................................................................................................48شکل (3-4) ساختارهای مختلف اکسید روی ................................................................................................51شکل (3-5) طرح واره ای از بذر گذاری استات روی بر روی بستر شیشه با لایه نشانی چرخشی ..........................................................................................................................................57شکل (3-6) تصویری از یک سلول الکتروشیمیایی را برای رسوب دادن یک فلز، روی یکالکترود جامد ....................................................................................................................................62عنوان صفحه شکل (3-7) طرحوارهای از یک دستگاه پتانسیواستات با سل الکتروشیمیایی که با دو امپدانس جایگزین شده است ......................................................................................................................67شکل (3-8) سلول الکتروشیمیایی سه الکترودی با منبع تغذیه.................................................................67شکل (4-1) طرحواره و نحوه عملکرد سلولهای خورشیدی رنگدانهای....................................................76شکل (5-1)شستشوی زیرلایه با استفاده از التراسونیک .............................................................................79شکل (5-2) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی .............................................................81شکل (5-3) طرحوارهی راکتور طراحی شده جهت روش هیدروترمال......................................................83شکل (5-4) سامانه استفاده شده برای رشد آرایههای نانوسیمی، به روش هیدروترمال........................83شکل (5-5) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال..................83شکل (5-6) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال بر روی زیرلایه صاف و خام FTO.........................................................................................................84شکل (5-7) نانوپروسهای تولید شده توسط الکتروانباشت الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در ولتاژ 1.0 ولت، ج) در ولتاژ 1.5ولت و د) در ولتاژ 2.0ولت ................................................................85شکل (5-8) نانومیلهها و نانوکلوخههای شکل گرفته بر روی زیرلایههای تولید شده به روش الکتروانباشت در الف) ولتاژ 5/0 ولت، ب) ولتاژ 1.0 ولت ج) ولتاژ 5/1 ولت و د) ولتاژ 2.0 ولت..................................................................................................................................86شکل (5-9) تصویرSEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی که بصورت نانومیله هستند درمرحلهی هیدروترمال.........................................................................................................................87شکل (5-10) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی الکتروانباشتالف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در ولتاژ 1.0 ولت ج) در ولتاژ 1.5 ولتو د) در ولتاژ 2.0 ولت ..............................................................................................................88عنوان صفحه شکل (5-11) الگوی پراش پرتو ایکس از نانو دیسکها ی اکسید روی تولید شده به روشالکترو انباشت...................................................................................................................88شکل (5-12) منحنی جذب نانو سیمهای اکسید روی، تک مرحلهای.......................................................90شکل (5-13) منحنی جذب نانو پروسهای اکسید روی، تک مرحلهای ..................................................91شکل (5-14) منحنی جذب نانوساختار ترکیبی ZnO ...............................................................................92شکل (5-15) منحنی جریان – ولتاژ سلول خورشیدی حساس شده به رنگ با لایه اکسیدروی...... 95 فصل اول 1- 1- مقدمه ای بر نانوفناوری نانو فناوری محدودهاي از فناوری است كه در اين محدوده انسان ميتواند انواع مواد، وسايل و ابزارها و بطور كلي، سيستمها و سازههاي گوناگون را در مقياس يك ميلياردم متر طراحي كرده و به مرحله ساخت برساند. بطور دقیق مشخص نیست که بشر اولین بار در چه زمانی استفاده از مواد در ابعاد نانو را آغاز کرده است. اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن[1] طی یك سخنرانی با عنوان « فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد » ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد كه در آیندهای نزدیك میتوانیم مولكولها و اتمها را به صورت مسقیم دستكاری كنیم. سخنرانی او شامل این مطلب بود كه میتوان تمام دایرهالمعارف بریتانیا را بر روی یك سنجاق نگارش كرد [1[.واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتانیگوچی[2] استاد دانشگاه علوم توكیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی كه محدودیت ابعادی آنها در حد نانومتر میباشد، به كار برد. در سال 1986 این واژه توسط كی اریك دركسلر [3] در کتابی تحت عنوان « موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو » بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شكل عمیقتری در رساله دكترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آن را در کتابی تحت عنوان « نانوسیستمها، ماشینهای مولكولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها » توسعه داد [2[.فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه ۱۹۸۰ با تولد علم خوشهها و اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فولرین در سال ۱۹۸۶ و نانولولههای کربنی در چند سال بعد شد. تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانو بلورهای نیمههادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی و نقاط کوانتومی گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی ۵ سال بعد از میکروسکوپ تونلی روبشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان آرایش اتمها را بررسی کرد. 1-2- فناوری نانو و همگرايي علمي فناوری نانو به سه شاخه جدا و در عين حال مرتبط با يكديگر تقسيم ميشود که بر اساس ساختارهاي زير تعريف ميشوند: 1-2-1- نانو فناوری مرطوب اين شاخه به مطالعه سيستمهاي زيست محيطي که اساساً در محيطهاي آبي پيرامون وجود دارند، ميپردازد و چگونگي مقياس نانو متري ساختمان مواد ژنتيكي، غشاها و ساير ترکيبات سلولي را مورد مطالعه قرار ميدهد. موفقيت اين رشته بوسيله ساختارهاي حياتي فراواني که تشکيل شدهاند و نحوه عملكرد آنها در مقياس نانويي نظارت ميشود، به اثبات رسيده است. اين شاخه دربرگيرنده علوم پزشكي، دارويي، زيست محيطي و کلاً علوم مرتبط به موجود زنده ميباشد. 1-2-2- نانو فناوری خشك این بحث از علوم پايه شيمي و فيزيك مشتق ميشود و به تمرکز روي تشکيل ساختمانهاي کربني، سیليکون و ديگر مواد غير آلي ميپردازد. قابل تأمل است که فناوري خشک- مرطوب، استفاده از مواد و نيمههاديها را نيز دربرمیگیرد. الكترونهاي آزاد و انتقال دهنده در اين مواد آنها را براي محيط مرطوب سودمند ميسازد. اما همين الكترونها شرایط فيزيكي لازم را فراهم ميکنند طوری که ساختارهاي خشك آنها، در الکترونيک، مغناطيس و ابزارهاي نوري استفاده ميکنند. اثر ديگر که باعث پيشرفت ساختارهاي خشک ميشود اين است که قسمتهاي خود تکثيرکننده مشابه ساختارهاي مرطوب را دارا هستند. 1-2-3- نانو فناوری تخميني (محاسبهاي) این مبحث به مطالعهی مدلسازي و تولید ساختارهاي پيچيده در مقياس نانو توجه دارد. توانايي پيشبيني و تجزيه و تحليل محاسبهاي در موفقيت نانو تکنولوژي بسیار حائز اهمیت است زيرا طبيعت به تنهایی ميليونها سال وقت لازم دارد که نانو فناوری مرطوب را بصورت کاربردي درآورد. شناختي که بوسيله محاسبه بدست ميآيد و به ما اجازه ميدهد که زمان پيشرفت نانو فناوری خشک را به چند دهه کاهش دهيم که اين تأثير مهمي در نانو فناوری مرطوب نيز دارد. نانو فناوری تخميني، پلي است براي ارتباط بين علوم مهندسي، محاسباتي، کامپيوتر و فناوري جديد. با توجه به ساختارهاي عنوان شده براي نانو فناوری ، تأثير متقابل آنها بر يكديگر و لزوم مشارکت هر سه ساختار براي خلق و توسعه اکثر محصولات نانويي، واضح است که فناوري برتر آينده نقطه تلاقي تفکر و عمل تمامي دانشمندان و محققان علوم مختلف است. 1- 3- لزوم توجه به مقياس نانوساختارخواص کوانتومي الکترون هاي داخل ماده و اثر متقابل اتم ها با يکديگر، درمقياس نانو اهميت ويژهاي دارد. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتي مواد از جمله دماي ذوب، خواص مغناطيسي، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در ترکيب شيميايي وجود دارد. از اين رودرسالهاي اخير توجه زيادي به بررسي نحوه توليد انبوه و خصوصيات نانوسيم ها[4] و نانولولهها [5] که از مهمترين مواد نانوساختار ميباشند، صورت گرفته است که ميتوان گفت توسعه الکترونيک و گسترش آن، بستگي به پيشرفت مداوم در توليد اين نانومواد دارد. نانوسيمها، نانو ساختارهايي ميباشند که عمدتاً براي ساختن مدارهای الكتريكي در اندازههاي كوچك، بکار ميروند و باتوجه به خواص ذاتي آنها، زمينه استفاده از آنها را، در کاربردهاي نظير آشکارسازهاي نوري جديد، تصوير برداري ، ذخيره دادهها وکاربردهاي ديگر، فراهم کرده است. مهمترين ويژگي نانوسيمها وابسته به اندازه آنها ميباشد و بطور کلي ساختار نانوسيم را با طول و قطرش مورد ارزيابي قرار ميدهند. نسبت طول به قطر نانو سيم از مهمترين خصوصياتي است که همواره در توليد نانوسيمها بايد مورد توجه قرار گيرد. بطوريکه هرچه قطرنانوسيم کوچکتر باشد، نسبت فوق بزرگتر بوده، که اين مسئله باعث افزايش خاصيت اصلي سيم ميشود که آن را از مواد تودهاي جدا ميسازد]3[. بطور مثال اگر نانوسيمي از جنس نيمه رسانا يا فلز بسازيم، رسانايي الکتريکي و گرمايي متفاوتی خواهد داشت و يا اگر از جنس مواد فرومغناطيس ساخته شود، نانو سيم وادارندگي مغناطيسي بالايي را، از خود نشان ميدهد]4[. در مورد نانوساختارهای ديگر يعني نانولوله هاي کربني هم کنترل قطر و اندازه و نظم نانولوله ها ميتواند ما را به سمت ساخت انواع حسگرهاي گازي سوق دهد]5[. پس ميتوان نتيجه گرفت که همواره بايد در توليد نانوساختارها، به قطر و طول آنها دقت کنيم]6[.
تولید نانو ساختار های ترکیبی اکسید روی و بررسی خواص نوری و کاربردهای آنword
اکسید روی و نانو ساختارهای آن به دلیل خواص منحصر به فرد اپتیکی، گاف انرژی مناسب و در نتیجه کاربردهای متنوع از چند دههی گذشته موضوع تحقیق پژوهشگران بسیاری بوده است. ناگفته نماند نانوساختارهای اکسید روی کیفیت و کارایی بسیار بالایی نسبت به اکسید روی معمولی دارند. در این پژوهش از روشهای الکتروانباشت و هیدروترمال استفاده و نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی را در دماهای مختلف تولید شده است. خواص ساختاری و مورفولوژی ساختارهای تولید شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف پراش اشعه ایکس مشخصه یابی شدهاند. نتایج حاصل نشان دادند که نانو ساختارهای تولید شده بدون هیچگونه ناخالصی و با مورفولوژیهای بسیار متنوع تولید شدهاند که نشاندهندهی زیاد شدن نسبت سطح به حجم میباشد. نکته قابل توجه در اینجا تولید نانوساختارهای ترکیبی اکسیدروی میباشد و نشان داده شده است که ساختار تولید شده بر روی سطح صاف به شدت متفاوت از نانوساختارهای تولید شده بر روی یک ساختار دیگر است. این نکته قابل توجه قرار گرفته و خصوصیات اپتیکی این نانوساختارها مورد بررسی قرار گرفته و سپس به بررسی ساخت سلول خورشیدی پرداخته و استفاده از فناوری نانو در ساخت سلول خورشیدی را مورد مطالعه قرار میدهیم. کلید واژه: نانوساختار، اکسیدروی، الکتروانباشت، روش هیدروترمال، سلول خورشیدیفهرست مطالبعنوان صفحه فصل اول : مقدمه1- 1- مقدمه ای بر نانو فناوری.. 21-2- فناوری نانو و همگرايي علمي.. 31-2-1- نانو فناوری مرطوب... 31-2-2- نانو فناوری خشك.... 31-2-3- نانو فناوری تخميني (محاسبهاي)41- 3- لزوم توجه به مقياس نانوساختار41- 4- نانوساختارهای اکسیدروی.. 51- 5- معرفی فصلهای آینده7 فصل دوم: طبقه بندی و روشهای سنتر نانو مواد 2-1- مقدمه. 92-2- طبقهبندی نانو مواد از نظر ابعاد. 92-2-1- نانو مواد صفر بعدی.. 102-2-2- نانو مواد یک بعدی.. 102-2-3- نانو مواد دو بعدی.. 112-2-4-نانو مواد سه بعدی.. 112-3- روشهای سنتر عناصر پایه. 122-3-1- روش بالا به پایین.. 132-3-1-1- تغییر شکلدهی پلاستیکی شدید (SPD)13 عنوان صفحه 2-3-1-2- آسيابهاي پرانرژي.. 142-3-1-3- لیتوگرافی.. 152-3-1-4- سونش.... 162-3-2- روش پایین به بالا. 162-3-2-1- روشهاي فيزيكي تبخیری.. 192-3-2-1-1- روش تبخیر گرمایی.. 202-3-2-1- 2- روش تبخیر توسط باریکهی الکترونی.. 212-3-2-1- 3- روش برآرایی توسط باریکه مولکولی (MBE)232-3-2-1- 4 - روش لیزری پالسی (PLD)242-3-2-1-5 – روش تبخیر به کمک شعاع یونی (IBAD)252-3-2-2 - روش کندوپاش.... 262-3-2-2 - 1- روش کندوپاش با جریان مستقیم (DC)272-3-2-2 -2-روش کندوپاش با امواج رادیویی (RF)282-3-2-2 -3-روش کندوپاش با شتابدهنده مغناطیسی.. 292-3-2-3- روش چرخشی ( اسپینی )302-3-2-4- سل – ژل.. 302-3-2-5- هیدروترمال.. 322-3-2-6- آندایزکردن.. 322-3-2-7- روش صفحه گذاری.. 332-3-2-7- 1- روش صفحه گذاری با الکتریسیته ( الکترولیز )332-3-2-7- 2- صفحه گذاری بدون الکتریسیته. 342-3-2-8- روشهاي شیمیایی تبخیری.. 35عنوان صفحه فصل سوم: خواص و ویژگیهای نیمهرساناها 3-1 - مقدمه. 383-2 - خواص اساسی نیمهرساناها393-2-1- ساختار نواری.. 393-2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمهرساناها403-2-3- انتقال حامل در نیمهرسانا413-3 - اکسید روی.. 443-3-1- ساختار بلوری اکسید روی.. 463-3-2- خواص مهم اکسید روی.. 503-4- روشهای ساخت نانوساختارهای اکسید روی.. 513-4-1- ساخت نانوسیمهای اکسید روی.. 523-4-1- 1- رشد فاز بخار523-4-1- 2- رشد فاز مایع.. 53الف - روش هیدروترمال.. 53الف - 1- تأثیر روش بذر گذاری بر روش هیدروترمال.. 55الف - 2- تأثیر مدت زمان رشد بر روش هیدروترمال.. 57الف - 3- تأثیر PH محلول اولیهبر روش هیدروترمال.. 58الف - 4- تأثیر جنس زیرلایه بر روش هیدروترمال.. 59الف - 5- تأثیر دمای رشد بر روش هیدروترمال.. 59الف - 6- تأثیر مواد افزودنی بر روش هیدروترمال.. 60الف - 7- تأثیر HTMA در شکلگیری نانوسیمهادر روش هیدروترمال.. 60الف -8- تأثیر عوامل دیگر بر روش هیدروترمال.. 61ب - سایر روشهای سنتز فاز محلول.. 613-4-2- ساخت نانوحفرههای اکسیدروی.. 62عنوان صفحه 3-4-2- 1- ساخت به روش سلول الکتروشیمیایی52فصل چهارم: کاربردهای اکسیدروی 4-1 - مقدمه. 694-2 -حسگرها704-2-1-حسگرگازی.. 704-2-2- زیستحسگرها714-3 - خاصيت فوتوكاتاليستي.. 714-4 - سلولهای خورشیدی رنگدانهای.. 724-4-1- اجزای تشکیل دهندهی سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 734-4-1-1- زیرلایه. 734-4-1-2- فوتو آند. 744-4-1-3- الکترولیت... 744-4-1-4- الکترود شمارشگر (کاتد)754-4-1-5- جاذب نور754-4-2- اصول عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای.. 76فصل پنجم: تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی 5-1 - مقدمه. 785-2- تمیزکاری.. 775-3- تولید نانو ساختارهای ترکیبی اکسید روی.. 79 عنوان صفحه 5-3-1- رشد نانوسیم اکسیدروی بر روی نانوحفره اکسیدروی.. 805-3-1-1- تولید نانوحفره805-3-1-2- تولید نانوسیم.. 815-3-1-2- 1- تولید پوشش دانهای.. 825-3-1-2- 2- رشد آرایههای نانوسیمی به روش هیدروترمال.. 825-3-1-3- بررسی اثر ولتاژ بر روی شکلگیری نانوساختارها855-3-2- رشد نانوحفرهها بر روی لایه نازک از نانوسیم اکسیدروی.. 875-4- ساختار بلوری.. ............895-5- بررسی خواص نوری.. 905-6 - ساخت سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه. 935-6-1- آماده سازی الکترود کار در سلول خورشیدی رنگدانهای.. 395-6-2- آماده سازی الکترود مقابل در سلول خورشیدی رنگدانهای.. 935-6-3- آماده سازی الکترولیت در سلول خورشیدی رنگدانهای.. 935-6-4- بستن سلول خورشیدی رنگدانهای.. 945-6-5- مشخصهیابی سلول خورشیدی رنگدانهای.. 94 فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات..........................................................................96 مراجع...........................................................................................................................................................100چکیده و صفحه عنوان به انگلیسیفهرست جدولهاعنوان صفحهجدول (3-1) خواص مهم اکسید روی50جدول (3-2) قطر و طول نانومیلههای اکسیدروی متناسب با ضخامت لایه بذرگذاری شده.56جدول (3-3) میانگین قطر نانوسیمها در زمانهای مختلف58 فهرست شکلها عنوان صفحه شکل (2-1) مقایسه روش بالا به پایین و روش پایین به بالاتولید نانو ذرات............................................12شکل (2-2) نمودار درختی روشهای فیزیکی لایهنشانی .............................................................................18شکل (2-3) نمودار درختی روشهای شیمیایی لایهنشانی.............................................................................19شکل (2-4) طرحوارهای از روش لایهنشانی تبخیری ...................................................................................21شکل (2-5) طرحوارهای از دستگاه لایه نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی.................................22شکل (2-6) طرحوارهای از لایهگذاری منظم پرتوی مولکولی.....................................................................23شکل (2-7) طرحوارهای از از دستگاه لایه نشانی لیزری پالسی .................................................................24شکل (2-8) طرحوارهای از از لایهنشانی به روش کندوپاش ........................................................................26شکل (2-9) طرحوارهای از دستگاه لایهنشانی کندوپاش RF......................................................... 28شکل (2-10) طرحوارهای از روش لایهنشانی سل – ژل ...........................................................................36شکل (3-1) نحوه قرارگیری ترازها، نوارها و گاف انرژی...............................................................................40شکل (3-2) ساختار بلوری اکسید روی.............................................................................................................46شکل (3-3) ساختار ورتسایت اکسید روی ......................................................................................................48شکل (3-4) ساختارهای مختلف اکسید روی ................................................................................................51شکل (3-5) طرح واره ای از بذر گذاری استات روی بر روی بستر شیشه با لایه نشانی چرخشی ..........................................................................................................................................57شکل (3-6) تصویری از یک سلول الکتروشیمیایی را برای رسوب دادن یک فلز، روی یکالکترود جامد ....................................................................................................................................62عنوان صفحه شکل (3-7) طرحوارهای از یک دستگاه پتانسیواستات با سل الکتروشیمیایی که با دو امپدانس جایگزین شده است ......................................................................................................................67شکل (3-8) سلول الکتروشیمیایی سه الکترودی با منبع تغذیه.................................................................67شکل (4-1) طرحواره و نحوه عملکرد سلولهای خورشیدی رنگدانهای....................................................76شکل (5-1)شستشوی زیرلایه با استفاده از التراسونیک .............................................................................79شکل (5-2) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی .............................................................81شکل (5-3) طرحوارهی راکتور طراحی شده جهت روش هیدروترمال......................................................83شکل (5-4) سامانه استفاده شده برای رشد آرایههای نانوسیمی، به روش هیدروترمال........................83شکل (5-5) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال..................83شکل (5-6) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی هیدروترمال بر روی زیرلایه صاف و خام FTO.........................................................................................................84شکل (5-7) نانوپروسهای تولید شده توسط الکتروانباشت الف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در ولتاژ 1.0 ولت، ج) در ولتاژ 1.5ولت و د) در ولتاژ 2.0ولت ................................................................85شکل (5-8) نانومیلهها و نانوکلوخههای شکل گرفته بر روی زیرلایههای تولید شده به روش الکتروانباشت در الف) ولتاژ 5/0 ولت، ب) ولتاژ 1.0 ولت ج) ولتاژ 5/1 ولت و د) ولتاژ 2.0 ولت..................................................................................................................................86شکل (5-9) تصویرSEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی که بصورت نانومیله هستند درمرحلهی هیدروترمال.........................................................................................................................87شکل (5-10) تصویر SEM از رشد نانو ساختارهای اکسید روی در مرحله ی الکتروانباشتالف) در ولتاژ 0.5 ولت، ب) در ولتاژ 1.0 ولت ج) در ولتاژ 1.5 ولتو د) در ولتاژ 2.0 ولت ..............................................................................................................88عنوان صفحه شکل (5-11) الگوی پراش پرتو ایکس از نانو دیسکها ی اکسید روی تولید شده به روشالکترو انباشت...................................................................................................................88شکل (5-12) منحنی جذب نانو سیمهای اکسید روی، تک مرحلهای.......................................................90شکل (5-13) منحنی جذب نانو پروسهای اکسید روی، تک مرحلهای ..................................................91شکل (5-14) منحنی جذب نانوساختار ترکیبی ZnO ...............................................................................92شکل (5-15) منحنی جریان – ولتاژ سلول خورشیدی حساس شده به رنگ با لایه اکسیدروی...... 95 فصل اول 1- 1- مقدمه ای بر نانوفناوری نانو فناوری محدودهاي از فناوری است كه در اين محدوده انسان ميتواند انواع مواد، وسايل و ابزارها و بطور كلي، سيستمها و سازههاي گوناگون را در مقياس يك ميلياردم متر طراحي كرده و به مرحله ساخت برساند. بطور دقیق مشخص نیست که بشر اولین بار در چه زمانی استفاده از مواد در ابعاد نانو را آغاز کرده است. اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن[1] طی یك سخنرانی با عنوان « فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد » ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد كه در آیندهای نزدیك میتوانیم مولكولها و اتمها را به صورت مسقیم دستكاری كنیم. سخنرانی او شامل این مطلب بود كه میتوان تمام دایرهالمعارف بریتانیا را بر روی یك سنجاق نگارش كرد [1[.واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتانیگوچی[2] استاد دانشگاه علوم توكیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی كه محدودیت ابعادی آنها در حد نانومتر میباشد، به كار برد. در سال 1986 این واژه توسط كی اریك دركسلر [3] در کتابی تحت عنوان « موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو » بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شكل عمیقتری در رساله دكترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آن را در کتابی تحت عنوان « نانوسیستمها، ماشینهای مولكولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها » توسعه داد [2[.فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه ۱۹۸۰ با تولد علم خوشهها و اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فولرین در سال ۱۹۸۶ و نانولولههای کربنی در چند سال بعد شد. تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانو بلورهای نیمههادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی و نقاط کوانتومی گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی ۵ سال بعد از میکروسکوپ تونلی روبشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان آرایش اتمها را بررسی کرد. 1-2- فناوری نانو و همگرايي علمي فناوری نانو به سه شاخه جدا و در عين حال مرتبط با يكديگر تقسيم ميشود که بر اساس ساختارهاي زير تعريف ميشوند: 1-2-1- نانو فناوری مرطوب اين شاخه به مطالعه سيستمهاي زيست محيطي که اساساً در محيطهاي آبي پيرامون وجود دارند، ميپردازد و چگونگي مقياس نانو متري ساختمان مواد ژنتيكي، غشاها و ساير ترکيبات سلولي را مورد مطالعه قرار ميدهد. موفقيت اين رشته بوسيله ساختارهاي حياتي فراواني که تشکيل شدهاند و نحوه عملكرد آنها در مقياس نانويي نظارت ميشود، به اثبات رسيده است. اين شاخه دربرگيرنده علوم پزشكي، دارويي، زيست محيطي و کلاً علوم مرتبط به موجود زنده ميباشد. 1-2-2- نانو فناوری خشك این بحث از علوم پايه شيمي و فيزيك مشتق ميشود و به تمرکز روي تشکيل ساختمانهاي کربني، سیليکون و ديگر مواد غير آلي ميپردازد. قابل تأمل است که فناوري خشک- مرطوب، استفاده از مواد و نيمههاديها را نيز دربرمیگیرد. الكترونهاي آزاد و انتقال دهنده در اين مواد آنها را براي محيط مرطوب سودمند ميسازد. اما همين الكترونها شرایط فيزيكي لازم را فراهم ميکنند طوری که ساختارهاي خشك آنها، در الکترونيک، مغناطيس و ابزارهاي نوري استفاده ميکنند. اثر ديگر که باعث پيشرفت ساختارهاي خشک ميشود اين است که قسمتهاي خود تکثيرکننده مشابه ساختارهاي مرطوب را دارا هستند. 1-2-3- نانو فناوری تخميني (محاسبهاي) این مبحث به مطالعهی مدلسازي و تولید ساختارهاي پيچيده در مقياس نانو توجه دارد. توانايي پيشبيني و تجزيه و تحليل محاسبهاي در موفقيت نانو تکنولوژي بسیار حائز اهمیت است زيرا طبيعت به تنهایی ميليونها سال وقت لازم دارد که نانو فناوری مرطوب را بصورت کاربردي درآورد. شناختي که بوسيله محاسبه بدست ميآيد و به ما اجازه ميدهد که زمان پيشرفت نانو فناوری خشک را به چند دهه کاهش دهيم که اين تأثير مهمي در نانو فناوری مرطوب نيز دارد. نانو فناوری تخميني، پلي است براي ارتباط بين علوم مهندسي، محاسباتي، کامپيوتر و فناوري جديد. با توجه به ساختارهاي عنوان شده براي نانو فناوری ، تأثير متقابل آنها بر يكديگر و لزوم مشارکت هر سه ساختار براي خلق و توسعه اکثر محصولات نانويي، واضح است که فناوري برتر آينده نقطه تلاقي تفکر و عمل تمامي دانشمندان و محققان علوم مختلف است. 1- 3- لزوم توجه به مقياس نانوساختارخواص کوانتومي الکترون هاي داخل ماده و اثر متقابل اتم ها با يکديگر، درمقياس نانو اهميت ويژهاي دارد. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتي مواد از جمله دماي ذوب، خواص مغناطيسي، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در ترکيب شيميايي وجود دارد. از اين رودرسالهاي اخير توجه زيادي به بررسي نحوه توليد انبوه و خصوصيات نانوسيم ها[4] و نانولولهها [5] که از مهمترين مواد نانوساختار ميباشند، صورت گرفته است که ميتوان گفت توسعه الکترونيک و گسترش آن، بستگي به پيشرفت مداوم در توليد اين نانومواد دارد. نانوسيمها، نانو ساختارهايي ميباشند که عمدتاً براي ساختن مدارهای الكتريكي در اندازههاي كوچك، بکار ميروند و باتوجه به خواص ذاتي آنها، زمينه استفاده از آنها را، در کاربردهاي نظير آشکارسازهاي نوري جديد، تصوير برداري ، ذخيره دادهها وکاربردهاي ديگر، فراهم کرده است. مهمترين ويژگي نانوسيمها وابسته به اندازه آنها ميباشد و بطور کلي ساختار نانوسيم را با طول و قطرش مورد ارزيابي قرار ميدهند. نسبت طول به قطر نانو سيم از مهمترين خصوصياتي است که همواره در توليد نانوسيمها بايد مورد توجه قرار گيرد. بطوريکه هرچه قطرنانوسيم کوچکتر باشد، نسبت فوق بزرگتر بوده، که اين مسئله باعث افزايش خاصيت اصلي سيم ميشود که آن را از مواد تودهاي جدا ميسازد]3[. بطور مثال اگر نانوسيمي از جنس نيمه رسانا يا فلز بسازيم، رسانايي الکتريکي و گرمايي متفاوتی خواهد داشت و يا اگر از جنس مواد فرومغناطيس ساخته شود، نانو سيم وادارندگي مغناطيسي بالايي را، از خود نشان ميدهد]4[. در مورد نانوساختارهای ديگر يعني نانولوله هاي کربني هم کنترل قطر و اندازه و نظم نانولوله ها ميتواند ما را به سمت ساخت انواع حسگرهاي گازي سوق دهد]5[. پس ميتوان نتيجه گرفت که همواره بايد در توليد نانوساختارها، به قطر و طول آنها دقت کنيم]6[.