Polymer based films embedded with high content of ZnSe

nanoparticles

M. Soliman Selim, R. Seoudi,

A.A Shabaka ,Materials Letters, 2005

Abstract:

nanoparticlesבמחקר זה נבדקה השפעת תוספים ותנאי הכנת

על תכונותיהם האופטיות PVA המפוזרים ב-ZnSeהומוגניים של

והמבניות.

.TEM, XRD נחקר ע"י nanoparticlesמבנה ה-

. FT-IR ו- UV-VIS-NIRהתכונות האלקטרוניות והאופטיות נחקרו ע"י

החומרים המורכבים יכולים לשמש בהתקנים אופטי-אלקטרוניים שונים

וכמו כן במכשור בו נעשה שימוש בחומרים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה.

ZnSe – Zinc Selenide:

הוא חומר רב-גבישי שאינו סופג אי ניקיונות חיצוניים. חומר זה הוא מוליך למחצה מסוג

direct bandgap .

הוא משמש לעדשות, מראות, פריזמות, אמצעי IRכיוון שהוא מעביר היטב קרני . IRראיית לילה, ובמיוחד עבור יישומי

תזכורת – מוליכים למחצה

( שלהם מלא valance bandניתן להגדיר מ"מ כמוצקים אשר באפס המוחלט פס הערכיות )לגמרי.

band gap בטמפ' החדר למעט אלקטרונים יש אנרגיה מספקת כדי לעבור דרך ה-. מקורם של אלקטרונים אלה בקשרים קוולנטים בין אטומי מוצק conduction bandל-

, "חור". כך נוצרת תנועת valance bandסמוכים. בהשתחררם מהקשר נוצר מטען חיובי ב-אלקטרונים חופשיים ותנועה מדומה של חורים.

(Eg)

conduction ל-valance bandהקלות בה אלקטרונים במ"מ מעוררים מה-band-תלויה ב band gap .שביניהם

.מ"מ נחשבים בד"כ ל3eV פחותה מכ- band gapחומרים בעלי אנרגיית

נחשבים בד"כ 3eV גבוהה מכ- band gapחומרים בעלי אנרגיית .מבודדיםל

.2.7eV בטמפ' החדר: ZnSe של band gapה-

מוליך למחצה

.indirect band gap ו – direct band gapניתן לחלק את המ"מ ל

Direct band gap

, ב- valance band נמצא ממש מעל ה- conduction bandבמקרה זה ה-momentum space מ"מ עם .direct band gap.יכול לשמש לפליטת אור

Indirect band gap

, k-vector מוזזת ע"י conduction band בו האנרגיה המינימלית ב- band gapזהו שנקבע ע"י המבנה הגבישי של החומר. מ"מ כאלה אינם יכולים לשמש לפליטת

אור.

PVA

הוא פולימר בעל תכונות אדהזיה, אמולסיפיקציה ויצירת שכבות.

היא קטנה OHהוא פולימר א-טאקטי, אך בעל תכונות גבישיות, כיוון שקבוצת ה-ומשתלבת היטב בסריג.

.fully hydrolyzedכמו כן קיים

partially hydrolyzed grades

Experimental details

:ZnSeהכנת אבקת א.

הכנת תמיסת סלניום אלקלית מאבקת סלניום שהומסה בתמיסה מרוכזת 1.של נתרן הידרוקסיד.

hydrazine hydrate( ו- C4H6O6 )EDTA ,tartaric acid. הוספת ליגנד כ- 2.EDTAנוצר קומפלקס אבץ עם . ZnCl2לתמיסה מימית של אבקת

. שתי התמיסות הוספו לסיר לחץ מטפלון שנאטם בתוך מיכל נירוסטה 3 שעות ללא ניעור.12 למשך 1800Cב-

נוצר משקע:

800C. המשקע שנוצר סונן ונשטף במים מזוקקים ואתנול ויובש בוואקום ב-4 שעות.4למשך

PVA-ZnSeיצירת משטחי ב.

תוך כדי ערבוב.C700 ב-DI WATER ב-PVA המסת •

.ZnSe. כנ"ל לגבי אבקת 2

. ערבוב שתי התמיסות.3

. הכנסה לצלחת פטרי לייבוש מספר ימים.4

. הסרת המשטחים וביצוע המדידות.5

בדיקות – אפיון החומרים

ZnSe

PVA

ZnSe-PVA

TEM

XRD

FT-IR

UV-VIS

FT-IR

ZnSe - XRD

התקבלה "טביעת אצבע" של ZnSe הקסאגונלי. מבנה

פולי-גבישי עם כיווניות רנדומלית.

" לא מזוהים כ- Nהפיקים "ZnSe יתכן כי אלה .

.Znקומפלקסים של

ZnSe - TEM

ניתן לראות את microstructureה-

ואת התפלגות החלקיקים של אבקת

.ZnSeה-

בדוגמאות רבות היו ננו חלקיקים בצורת

ספרות קטנות.

ZnSe – TEM Histogram

מספרי החלקיקים הוצגו כנגד קטרי החלקיק

הממוצעים.

דבר זה נעשה תוך תרגום הקוטר בתמונה לקוטר

האמיתי, לפי:

MXX /'

הקוטר בתמונה

קוטר הדוגמ

ה האמית

י

הגדלה

ננומטר15החציון לקוטר:

FT-IR

Fourier transform Infrared spectroscopy

. במקום לתעד את כמות האנרגיה IRזוהי טכניקת מדידה לאיסוף ספקטרה של )מונוכרומטור(, הקרינה מועברת דרך IRשנקלטה עם שינוי בתדירות קרינת ה-interferometer.)מד התאבכות(

. לאחר ביצוע interferogramלאחר מעבר בדוגמה הסיגנל שנמדד הוא ה-mathematical Fourier Transform על סיגנל זה מתקבל ספקטרום זהה לזה

רגילה. IRהמתקבל מספקטרוסקופיית

זולה יותר מייצור interferometerספקטרומטרים מסוג זה זולים יותר כיוון שבניית מונוכרומטור.

בנוסף, מדידת ספקטרום יחיד מהירה יותר בטכניקה זו כיוון שהמידע על כל התדירויות נאסף סימולטנית. זה מאפשר מדידה ומיצוע על מספר דוגמאות ביחד, תוך שיפור ברגישות.

.FT-IRלמעשה כל הספקרומטרים המודרניים הם מסוג

מד התאבכות )אינטרפרומטר(

זהו מכשיר למדידת התאבכות המבוסס על פיצול קרן ואיחודה מחדש לאחר שאחת הקרניים עברה דרך )ניתנת לשינוי( שונה )או זהה( באורכה מהשנייה.

התמונה שתתקבל לבסוף מהאינטרפרומטר נותנת לנו מידע על הפרש הדרכים של הקרניים ביחס לאורך הגל וכך ניתן לדעת את אורך הגל, דבר

שהופך את האינטרפרומטר לאחד ממכשירי מדידת המרחק המדויקים ביותר.

דוגמה –

אינטרפרומטר מיכלסון

פיצול הקרן

החזרת הקרניים

החזרת הקרניים

PVA – FT-IR

Wavenumber )cm-1(

PVA \ ZnSe – FT-IR

Absorbance

-PVA מול PVA של IR השוואה בין ספקטרום ZnSe:

PVA-ZnSePVA

Split for 1446+1417 cm-11423 cm-1

2911 cm-1 )shoulder(2911 cm-1)sharp peak(

1139 cm-1 less intense1139 cm-1

.1139נראה שינוי ברור בחוזק הפיק של

.PVA-ZnSe מעידים על מידת גבישיות נמוכה עבור הנמוכים יותרהפיקים

,מדידת צפיפויות,מדידות XRDדרגת גבישיות יכולה להיקבע במספר שיטות: :IR. להלן הנוסחה לחישוב ע"פ FTIRקלורימטריות ו-

הדוגמאצפיפות-עובי שכבה נמדדת,lמקדם בליעה מולרי,ac-כאשר :

עובדות אלה תומכות בהנחה כי הוספת הננו חלקיקים תוריד את דרגת -PVA עבור2.72 ו-PVA עבור 3.69.הערכים שנמדדו בניסוי:PVAהגבישיות של

ZnSe

PVA \ ZnSe – UV-VIS

ניתן לראות בברור לבין PVAהבדל בין

PVA-ZnSe כאשר ים החדים הפיקשני

עים נובמשמאלמצימוד אלקטרוני

ב- PVAפאי של PVA-ZnSe, π-π.*

שאר הפיקים נובעים * n-πממעברי

204nm

218nm

230nm 270nm

:בדיקות אחוז העברה מול אורך גל

כאשר בקרוב טוב עבור PVA-ZnSeאחוז העברה הרבה יותר נמוך עבור • .PVA-ZnSe ו-PVAאותו אורך גל יש קפיצה גדולה באחוז ההעברה ב-

Absorbance coefficient v.s h

ברור band gap,מקדם הבליעה ,רואים α מול hνבבדיקה של אנרגיית פוטון • ובעזרת אקסטרפולציה קיבלו את ערכיו, ורואים PVA-ZnSe ו-PVAל-

.SC כ-PVA שיפרה את תכונות ZnSeשהוספת חלקיקי

materialBand gap )eV(Dielectric constant

PVA5.16.9

PVA-ZnSe4.810

אכן משפר את יכולת ההולכה PVA-ZnSeניתן לראות בברור שהשימוש בחלקיקי אם כי לא בצורה משמעותית.....PVAלמחצה של

מה שמעיד על אופיו כמבודד....3eV גבוה מ-Band gapכמו כן ערך ה-

והתקבל:

Band gaps and dielectric values for common SC

SemiconductorEnergy gap )eV( at 273 KDielectric constant

Ge0.6716

Si1.1412

InSb0.1618

InAs0.3314.5

InP1.2914

GaSb0.6715

ZnS3.688.1

ZnSe2.718.8

GaAs1.3913

Source: Sze, S.M., Physics of Semiconductor Device, New York, Wiley Interscience Publication, 1981, pp. 848-849.

.ZnSe אומת החומר שיוצר כ- X-Rayבבדיקת • נ"מ.15 ונקבע כ- TEM נבדק ע"י ZnSeקוטר אבקת ה-• לעומת הפולימר לבדו : PVA במטריצת ZnSeבניסוי הראו וחישבו בצורה גרפית קבועים פיזיקליים ואלקטרוניים של חלקיקי •

materialBand gap )eV(Dielectric constant

PVA5.16.9

PVA-ZnSe4.810

Poole–Frenkel effect )field-assistedthermal detrapping of carriers(

The dielectric constant )e( is also estimated from the Poole- Frenkel equation:

Tartaric Acid =hydrazine hydrate

N2H4*H2O )strong base(

EDTA