17487

17487

مطالعه تجربي خواص نوري نانوذرات سيليكن توليد شده با استفاده از فرآيند ماده‌برداري ليزري دو‌پالسي نانوثانيه در محيط‌هاي آب و اتانول

دكتري

اتمي و مولكولي

دي 1395

دكتر محمد حسين مهديه

فيزيك

نانومواد سيليكن به‌دليل ويژگي زيستسازگاري عالي و داشتن خواص الكترونيكي، نوري و مكانيكي منحصربه‌فرد بطور فزآينده‌اي براي كاربردهاي اپتوالكترونيكي و همچنين زيستپزشكي قابل استفاده مي‌باشند. در سال‌هاي اخير، مشاهده طيف گسترده‌اي از تابش‌هاي كوك‌پذير مرئي و مادون قرمز از نانوذرات سيليكن علاقه‌مندي فراواني را براي تهيه وسايل گسيل نوري كارآمد بر اساس اين نانوذرات به منظور استفاده در برنامه‌هاي كاربرديِ كم هزينه برانگيخته است. از اين رو، مطالعه خواص نوري نانوذرات سيليكن به منظور استفاده در كاربردهاي اپتوالكترونيكي و همچنين زيست پزشكي داراي اهميت است. به‌خصوص، كنترل مشخصات اكسيد سطحي يكي از چالش‌هاي باقي‌مانده اصلي در اين زمينه است كه داراي اثرات مهمي بر روي خواص نوري نانوذرات سيليكن مي‌باشد و نيازمند تحقيقات بيشتري است. هدف اصلي اين كار پژوهشي، بررسي نقش پارامترهاي موثر در فرآيند ماده‌برداري ليزري به‌منظور توليد نانوذرات كلوئيدي سيليكن با توزيع اندازه‌ها و اثرات سطحي مختلف و نيز مطالعه خواص فوتولومينسانس نوري متفاوت از كلوئيدهاي حاصل است. بدين منظور، نانوذرات سيليكن در محيط‌هاي مايع آب و اتانول بطور جداگانه و با استفاده از فرآيند ماده‌برداري ليزر پالسي نانوثانيه تحت شرايط آزمايشي متفاوت توليد شده است. به‌عنوان تغييرات اصلي مد نظر در پارامترهاي ليزر، انجام اين فرآيندهاي ماده‌برداري با استفاده از باريكه‌هاي ليزري دو‌پالسي متشكل از يك پيش- پالس كم شدت و يك پالس اصلي تاخيري با مقادير اختلاف زماني تقريبا 5، 10، 15 و 20 نانوثانيه صورت گرفته است. نتايج اين تحقيق بيانگر آن است كه فرآيند تابش‌دهي با ليزر دو‌پالسي (DPLA)، در شرايط انرژي تابشي يكسان با فرآيند تك‌پالس، سبب ماده‌برداري با آهنگ بيشتر از سطح ويفر سيليكن شده و توليد كلوئيدهاي از نانوذرات سيليكن با اندازه‌هاي غالبا كمتر از 10 نانومتر و مشخصات سطحي متفاوت را به همراه داشته است. براي نانوذرات كلوئيدي سيليكن در آب، نتايج تجربي بدست آمده نشان مي‌دهد كه فرآيند DPLA از طريق تغيير مشخصات مرتبط با اكسيد در سطح نانوذرات سيليكن، سبب توليد كلوئيدهايي با تابش‌هاي نسبتا شديدتر در ناحيه سبز- قرمز از طيف مرئي (بازه طول موجي650-550 نانومتر) شده است. بررسي اين نتايج با استفاده از مدل‌هاي نظري حاكي از وجود يك رقابت بين سازوكارهاي اثر محصور شدن كوانتومي و حالت‌هاي اكسيد سطحي در خواص تابشي مشاهده شده از نانوذرات سيليكن در محيط آب است. همچنين براي نانوذرات سيليكن توليد شده در اتانول با فرآيند DPLA در زمان‌هاي تاخيري مختلف، گسيل طيف‌هاي فوتولومينسانس با شدت‌هاي تابشي متفاوتي در محدوده طول موجي 600-300 نانومتر مشاهده شده است. تجزيه و تحليل اين نتايج بيانگر آن است كه طيف‌هاي فوتولومينسانس مشاهده شده ناشي از پراكندگي رامان در اتانول مي‌باشد كه در اثر حضور نانوذرات سيليكن، با مشخصات سطحي متفاوتِ مرتبط با تركيبات هيدروكسيل، شدت آن افزايش يافته است. در اين مورد، با تهيه فيلم‌هاي نازك از نانوذرات سيليكن و حذف سهم مربوط به پراكندگي رامان اتانول، طيف‌هاي تابشي با بيشنه‌هاي واقع در محدوده طول موجي 550-350 نانومتر ناشي از پديده محصور شدن كوانتومي مشاهده شده است.

1396/03/27

1/14/2017 12:00:00 AM

Silicon nanomaterials are being increasingly used for optoelectronic devices as well as biomedical applications due to excellent biocompatibility, unique electronic, optical and mechanical properties. In recent years, observation of size tunable visible to near IR emissions from quantum confined silicon nanoparticles (Si NPs) has stimulated worldwide interest in obtaining efficient nanoparticle Si-based light emitting devices for low cost applications. Thus, it is of great scientific effort to study the optical properties of Si NPs for potential application in optoelectronics and biological fields. Especially, control of oxide related surface characteristics is one of the main remaining challenges having important effects on the optical properties of Si NPs, which should be investigated further. In this thesis, our goal is to analyse the role of effective parameters in the laser ablation process in liquids to produce colloidal Si NPs with different size distributions and surface characteristics which can result in different photoluminescence (PL) properties. For this purpose, the colloidal Si NPs in water and ethanol have been prepared by the nanosecond pulsed laser ablation processes under different experimental conditions. As a main change in the laser parameters, the ablation processing has been performed by irradiating the silicon wafer with collinear double laser beams consisting of a low intensity pre-pulse and second main pulse delayed for some specific times i.e. 5, 10, 15 and 20 ns. Our results indicate that the double-pulse laser ablation (DPLA) of silicon leads to a higher rate of production of colloidal Si NPs with size distributions less than 10 nm and different surface characteristics compared to the more common single-pulse processing under the same experimental conditions. For colloidal Si NPs in water, the experimental results show that the DPLA can synthesize Si NP colloids with greater PL intensities at the visible spectral range of 550-650 nm through the direct oxide related surface engineering of the nanoparticles. A detailed analysis of the PL emissions using the stochastic quantum confinement model explained that there is a competition between the mechanisms of quantum confinement and surface effects in the emission properties of Si NPs. For the colloidal Si NPs in ethanol prepared by the DPLA at diffrrent delay times, luminescence spectra with similar PL behaviors but different intensities have been observed at the spectral range of 300–600 nm. A detailed analysis of the PL emissions explained that the excitation-dependent luminescence spectra of the colloids are associated with the Raman scattering of pure ethanol which is enhanced due to the presence of Si NPs with different hydroxyl related surface characteristics. In this case, with drying out ethanol and preparation of the Si NP thin films, PL spectra with emission maxima at the wavelength range of the 350-550 nm have been observed due to the quantum confinement effect.