سنتز نانو ذرات نیمه رسانای اکسید روی،جلسه پنجم
هدف:آنالیز نانو ذرات اکسید روی تولید شده (گرفتن طیف جذبی نانو ذرات با دستگاه طیف سنج مرئی-فرابنفش (UV - Visible))
فعالیت: انجام آنالیز نانو ذرات اکسید روی و تحلیل نتایج
وسایل: دستگاه اسپکتروفتومتر(طیف سنجی مرئی ٓ فرابنفش)
ما در جلسه گذشته نانو ذرات اکسید روی را سنتز کردیم حال می خواهیم از نمونه تولید شده طیف جذبی بگیریم تا در مورد اندازه آن اطلاعاتی به دست بیاوریم. قبل از هر چیز بهتر است با عملکرد دستگاه دستگاه طیف سنجی مرئی ٓ فرابنفش (UV - Visible) آشنا شوید.
یکی از دستگاهایی که نمونه را به صورت محلول آنالیز میکند، دستگاه طیف سنجی مرئی ٓ فرابنفش (UV - Visible)می باشد طیف سنجی مرئی-فرابنفش یکی از تکنیکهای مورد استفاده در علوم تجربی برای دریافت اطلاعات علمی و عملی، با استفاده از برهمکنش نور و ماده می باشد. در طیف سنجی باریکه ای از نور (پرتو) به ماده مورد نظر تابانده می شود و با بررسی نور بازتابشی یا جذبی یا نشری به دریافت اطلاعات می پردازیم . طیف الکترو مغناطیس حاوی گستره ی از طول موج هاست. هر ناحیه از این طیف نام ویژه ای دارد. مانند رادیویی، فروسرخ ، مرئی، فرابنفش و تابش ایکس. گستره ی nm ۴۰۰-۸۰۰ به گستره مرئی و nm ۲۰۰ - ۴۰۰ به گستره فرابفنش (بسامد بیشتر از نور بنفش) نامیده می شود.
جذب (Absorbance) فرآیندی است که در آن یک ماده به طور گزینشی، انرژی فرکانس های خاصی از تابش الکترومغناطیسی را جذب نموده و در نتیجه پرتو تابشی اولیه را تضعیف می کند. طیف سنجی فرابنفش و مرئی، جذب تابش الکترومغناطیسی توسط ماده در ناحیه فرابنفش / مرئی است.
در فلزات نجیب، زمانى كه اندازه ى ذره به چند ده نانو مى رسد، یك جذب خیلى قوى مشاهده مى شود كه منشأ آن، نوسان الكترون ها در نوار هدایت از سطح یك ذره به ذره دیگر است. به این نوسان كه یك جذب قوى در ناحیه مرئى دارد، جذب پلاسمون سطح گفته مى شود، به طور ساده می توان گفت که دریایی از الکترون های غیر مستقر بر سطح یک نانوذره فلزی شناورند ، جذب نور منجر به تشدید نوسان این الکترون های سطحی می شود.
رنگ محلول های کلوئیدی طلا و نقره با اندازه ذرات نانو به همین پدیده ربط داده می شود. مثلا نانو ذرات طلا، رنگ قرمز بسیار درخشانى را ایجاد مى كند كه در گذشته از آن ها در رنگ آمیزی پنجره هاى كلیساها استفاده می شده است، در یك جام رومى موسوم به جام لیكرگوس نیز از نانوذرات طلاو نقره استفاده شده است تا رنگ هاى متفاوتى از آن جام بر حسب نحوه ى تابش نور از جلو یا عقب پدید آید؛ البته علت چنین اثراتى براى سازندگان این جام، در آن زمان ناشناخته بوده است. این اختلاف رنگ در مقیاس نانو نسبت به مقیاس هاى بزرگ تر، ناشى از وابستگى خواص نورى نانوذرات به اندازه ى آنهاست.
محلول كلوئیدى از نانوذرات طلا به دلیل جذب پلاسمون سطحى، رنگ قرمز شدیدى را از خود نشان مى دهند. وجود یك فصل مشترك بین مواد با ثابت دى الكتریك مختلف، ممكن است به فرایندهاى تحریك ویژه ى سطحى منجر شود. فصل مشترك میان ماده اى با ثابت دى الكتریك مثبت و ماده اى با ثابت دى الكتریك منفى مثل فلزات، مى تواند باعث انتشار امواج الكترومغناطیسى ویژه اى شود كه امواج پلاسمون سطحى خوانده مى شود و در محدوده ى نزدیك سطح باقى مى ماند.
این تشدید پلاسمون سطحى، به وسیله ى حركت همدوس الكترون هاى باند هدایت، كه با میدان الكترومغناطیس برهم كنش مى كند، به وجود مى آید. فركانس و عرض جذب پلاسمون وابسته به شكل و اندازه ى نانوذرات فلزى است، و به همان نسبت به ثابت دى الكتریك محیط و فلز هم وابسته است. فلزات نجیب مثل مس، نقره و طلا داراى یك رزونانس پلاسمون مرئى بسیار قوى هستند، این در حالى است كه بسیارى از دیگر فلزات واسطه، فقط یك باند جذبى ضعیف و پهن در ناحیه ى فرابنفش دارند.
تکلیف: در مورد جذب اپتیکی نانو ذرات اکسید روی تحقیق کنید و اینکه این جذب در چه محدوده ای میباشد.
تکلیف: نمونه ها را توسط دستگاه اسپکتروفتومتر یا طیف سنج مورد بررسی قرار دهید. در مورد اینکه این دستگاه چه اطلاعاتی در زمینه ساختار مواد می دهد، تحقیق کنید.
خروجی اسپکتروفتومتر نموداری از شدت نور نسبت به طول موج است. با گرفتن طیف جذبی نانو ذرات ما می توانیم خواص اپتیکی نانو ذرات را بررسی کنیم. اگر ذرات ما در گستره نانو متری باشند داری یک پیک جذبی مشخصی میباشند، بر خلاف مواد توده ای نانو ذرات دارای خواص اپتیکی منحصر به فردی می باشند، پارامتر هایی نظیر اندازه و ثابت دی الکتریک محیط به شدت بر جابجایی قله جذب نانو ذرات تاثیر گذارند. برای مثال پیک جذبی نانو ذرات طالا حدودا در طول موج 520 نانومتر می باشد که بسته به شرایط و سایز ذرات و جنس آنها محل پیک جذبی تغییر میکند.
مثلا نانو ذرات اکسید روی قله جذب اصلی در طول موج حدودا 380 نانومتر دارند، البته همانطور که گفته شد برای نمونهای مختلف این طول موج متفاوت میباشد، در واقع دانستن محدوده پیک جذبی به ما اطلاعاتی در مورد سایز ذرات می دهد.
خروجی دستگاه نموداری از میزان جذب نسبت به طول موج میباشد مانند آنچکه در شکل زیر میبینید.
پس از اینکه از نمونه بدست آمده توسط دستگاه طیف سنج مرئی ٓ فرابنفش طیف جذبی گرفتید همان طور که گفته شد بر اساس محل پیک نمودار، ما می توانیم در مورد سایز ذرات اطلاعاتی به دست بیاوریم. مثلا اگر محل پیک جذبی به سمت طول موج های کوچکتر باشد یعنی نانو ذرات تولید شده دارای اندازه کوچکی می باشند ولی هر چه محل پیک جذبی به سمت طول موج های بلند تر باشد سایز ذرات بزرگتر بوده است البته با گذشت زمان ذرات میل به هم چسبیدن دارند و سایز ذرات بزرگتر می شود، برای اثبات این قضیه شما می توانید چندین روز پس از تولید نانو ذرات نیز از آنها طیف جذبی بگیرید و اینکه قله جذب اپتیکی در چه طول موجی می باشد را از روی نمودار به دست آورید و با طیف جذبی که در زمان زودتری گرفته اید مقایسه کنید اگر در طول موج بلندتری باشد این به آن معنا است که ذرات بزرگتر شده و به اصطلاح ذرات به هم چسبیدن، و اگر قله جذب اپتیکی در همان محل قبلی باشد یعنی با گذشت زمان سایز ذرات تغییر نکرده است ونانو ذرات پایدار مانده اند.
پس از گرفتن طیف جذبی برای تحلیل نتایج حاصل، به سوال های زیر پاسخ دهید:
پرسش1: پیک جذبی نانو ذرات نیمه رسانای روی در چه طول موجی است؟
پرسش2: نانو ذرات سنتز شده دارای چه سایزی می باشند؟
پرسش3:در صورت گرفتن طیف جذبی در زمان طولانی تر، چه تغییری در نمودار ایجاد شده است و سایز ذرات چه تغییری کرده اند؟
