20758

۲۰۷۵۸

مطالعه ويزگي هاي نوري، ساختاري، مورفولوژيكي، الكتريكي و فوتوكاتاليتيكي نانوساختارهاي ZnS:Cu/SnS؛تهيه شده به روش حمام شيميايي

دكتري

شيمي فيزيك

۱۳۹۱/۰۷/۰۱

۱۳۹۸/۲/۱۶

دكتر بهشته سهرابي

دكتر محمدرضا واعظي

شيمي

چكيده در اين رساله لايه‌هاي نازك ZnS:Cu/SnS با به كاربردن روش لايه نشاني حمام شيميايي به طور غيرمستقيم روي زيرلايه‌هاي شيشه‌اي و پليمري انعطاف‌پذير (پلي‌استايرن) تهيه شدند. براي اين كار ابتدا لايه‌هاي نازك با كيفيت ZnS از نظر بلورينگي و تراكم بالا، يكنواخت و هموار بودن سطح لايه، خلوص بالا و چسبندگي قوي به زيرلايه و هم‌چنين شفافيت زياد در ناحيه مرئي با روش ساده و دوستدار محيط زيست حمام شيميايي با مدت زمان‌هاي لايه‌نشاني 2، 4 و 6 ساعت روي زيرلايه‌هاي شيشه و پلي‌استايرن نشست داده شدند. ويژگي‌هاي نوري، ساختاري، ريخت‌شناسي و كاتاليزگري نوري لايه‌هاي نازك ZnS تهيه شده با استفاده از طيف‌سنجي مرئي₋فرابنفش، طيف‌سنجي رامان، پراش پرتو ايكس، طيف سنجي فوتوالكترون پرتو ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي₋نشر ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ نيروي اتمي، طيف سنجي فوتولومينسانس مورد بررسي قرار گرفتند. با توجه به بررسي‌هاي انجام شده نتيجه گرفته شدكه لايه‌هايZnS به دليل عبور نوري بيش از 80% در ناحيه مرئي، شكاف انرژي پهن در حدود 3/1، 3/2 و 8/4 الكترون ولت و بازتابش كم‌تر از 5 % مي‌توانند به عنوان لايه‌هاي بافر و پوشش‌هاي ضد بازتابش انعطاف‌پذير در پيل‌هاي خورشيدي انعطاف‌پذير، دستگاه‌هاي فوتوولتايي و اپتوالكترونيك به كار روند. هم‌چنين لايه‌هاي انعطاف‌پذير ZnS خصلت آب‌دوستي دارند. لايه‌ نازك ZnS در معرض نور مرئي فعاليت كاتاليزگري نوري خيلي كمي در تخريب رنگدانه‌هاي رودامين بي از خود نشان داد. لايه‌هاي نازك ZnS:CuS از طريق غوطه‌ورسازي لايه‌هاي نازك ZnS با مدت زمان‌هاي غوطه‌ورسازي 5/0، 1 و 5 دقيقه در محلول حاوي يون‌هاي مس تهيه شدند. ويژگي‌هاي نوري، ساختاري، ريخت‌شناسي، الكتريكي و كاتاليزگري نوري لايه‌هاي نازك ZnS:CuS تهيه شده با استفاده از طيف سنجي مرئي₋فرابنفش، طيف سنجي رامان، پراش پرتو ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي₋نشر ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ نيروي اتمي، طيف‌سنجي فوتولومينسانس، دستگاه اندازه گيري جريان ₋ ولتاژ و مقاومت‌سنج چهار نقطه‌اي مورد بررسي قرار گرفتند. پراش پرتو ايكس و رامان وجود دو فاز ZnS مكعبي وCuS هگزاگونال را در لايه‌هاي ZnS:CuS حاصل تاييد كردند. هم‌چنين تصوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري تاييد كننده تشكيل نانوكامپوزيت ZnS:CuS در لايه تهيه شده بود. لايه‌هاي ZnS:CuS تهيه شده داراي تركيب‌هاي شيميايي 49/0S 03/0 Cu48/0 Zn و 49/0S 06/0 Cu45/0 Zn و 47/0S 48/0 Cu05/0 Zn بودند و به ترتيب عبور نوري 74-57، 70-56 و 47-38 % در محدوده 700 ـ 500 نانومتر و مقاومت سطحي 103×7/7، 103×5/5، و 103×8/3 اهم/سطح مربع داشتند. لايه‌هاي با تركيب شيميايي 49/0S 06/0 Cu45/0 Zn به دليل شفافيت بالا و مقاومت سطحي پايين قابليت كاربرد در دستگاه‌هاي فوتوولتايي و اپتوالكترونيك انعطاف‌پذير را دارند. هم‌چنين لايه‌هاي تهيه شده فعاليت كاتاليزگري نوري در معرض نور مرئي از خود نشان داده و با افزايش مقدار مس در آن‌ها اثر كاتاليزگري نوري در تخريب رنكدانه‌هاي رودامين بي افزايش يافت به طوري كه لايه‌هاي حاصل از 5/0، 1 و 5 دقيقه غوطه‌ورسازي، به ترتيب در حدود 10% ، 20% و 40% از رنگدانه آلاينده آب (رودامين بي) را تخريب كردند. در ادامه، براي تهيه لايه‌هاي نازك ZnS:Cu/SnS به روش حمام شيميايي، لايه‌هاي نازك ZnS:CuS تهيه شده روي زيرلايه‌هاي شيشه و پلي‌استايرن در محلول حاوي يون‌هاي2+ Sn و2- S قرار داده شدند. ويژگي‌هاي نوري، ساختاري، ريخت‌شناسي و الكتريكي لايه‌هاي نازك ZnS:Cu/SnS با استفاده از طيف‌سنجي مرئي₋فرابنفش، طيف‌سنجي رامان، پراش پرتو ايكس، طيف سنجي فوتوالكترون پرتو ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي₋نشر ميداني، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ نيروي اتمي، طيف سنجي فوتولومينسانس، دستگاه اندازه‌گيري جريان- ولتاژ و دستگاه مقاومت سنج چهار نقطه‌اي مورد بررسي قرار گرفتند. نتيجه تجزيه عنصري پرتو ايكس (EDX) وجود عناصر Zn، Cu، Sn و S را در لايه ZnS:Cu/SnS تشكيل شده تأييد كرد. در الگوي پراش پرتو ايكس ₋گريزينگ دو پيك مشخص در زاويه‌هاي °49/28 و° 47 كه به ترتيب با صفحات (112) و (220) مطابقت دارند به ساختار كسترايت Cu2ZnSnS4(CZTS) تتراگونال نسبت داده شدند. الگوي پراش پرتو‌ايكس تأييد كننده تشكيل CZTS بلوري روي زيرلايه پلي‌استايرن بود. اندازه نانوبلورهاي ذرات CZTS با به كار بردن معادلۀ ويليامسون- هال در حدود 2/33 نانومتر تخمين زده شدند. شكاف انرژي لايه‌ها در حدود 71/1 الكترون ولت به‌دست آمد كه نسبت به شكاف انرژي CZTS توده‌اي (69/1-45/1 الكترون ولت) بيش‌تر بود كه مي‌توان آن را به اثر اندازه نانو‌بلورها نسبت داد. مطالعه ريخت‌شناسي سطح لايه‌ها حاكي از تشكيل لايه‌هاي متراكم، بدون ترك و خلل و فرج روي زيرلايه انعطاف پذير بود. در اين مورد نتايج حاصل از ميكروسكوپ نيروي اتمي و ميكروسكوپ الكتروني روبشي ₋ نشر ميداني در توافق خوبي با يكديگر بودند. مقاومت سطحي لايه‌هاي CZTS در حدود 103×1/1 اهم‌/ سطح مربع به‌دست آمد و اندازه‌گيري زاويه تماسي لايه‌هاي جاذب CZTS با قطره آب نشان داد كه لايه‌ها خصلت آبدوستي دارند. واژه‌هاي كليدي: لايه نازك ZnS، انعطاف‌پذير، لايه نازك ZnS:CuS، كاتاليزگري نوري، آبدوستي، لايه نازك CZTS.

1398/02/28

Study on optical, structural, morphological, electrical and photocatalitic properties of ZnS:Cu/SnS nanostructures; prepared by chemical bath method

5/6/2019 12:00:00 AM

Abstract: ZnS:Cu/SnS thin films were prepared on glass and flexible polymeric substrates (polystyrene) by using an indirect chemical bath deposition (CBD) method. For this purpose, first high quality ZnS thin films from the point of view high crystallinity, compactness, hemogenity, adhesion to the substrates and high transparency in the visible region, were deposited onto glass and polystyren substrates with 2, 4 and 6 hours deposition times by a facile and environmentally friendly CBD method. Optical, structural, morphological and electrical properties of the ZnS thin films were studied by ultraviolet -visible light (UV-vis) spectroscopy, Raman pectroscopy, X-ray diffractometer (XRD), X₋ ray photoelectron spectroscopy (XPS), field emission₋ scanning electron microscopy (FE₋SEM), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) spectroscopy. According to the investigations, because of the high optical transmittance in the visible regions (> 80%), wide band gaps around 3.77, 3.73 and 3.69 correspond to 2, 4 and 6h deposition time and very low reflection of light (< 5%), as₋ deposited ZnS thin films can be employed as flexible buffer layers and anti₋ reflecting coatings in the flexible solar cells and other photovoltaic and optoelectronic devices. Also, deposited ZnS thin films exhibited a hydrophilic nature. On the other hand, ZnS thin films showed a slight photocatalitic properties in the degradation of rhodamine B (water pollutant). ZnS:CuS thin films were prepared by immersing ZnS thin films into the Cu ions solution for 0.5, 1 and 5 min. Optical, structural, morphological, electrical and photocatalitic properties of the prepared ZnS:CuS thin films were investigated by ultraviolet -visible light (UV-vis) spectroscopy, Raman pectroscopy, X-ray diffractometer (XRD), field emission₋ scanning electron microscopy (FE₋SEM), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), I-V mesurment and four point probe systems. ZnS:CuS films had chemical compositions of Zn0.48Cu0.03S0.49, Zn0.45Cu0.06S0.49 and Zn0.05Cu0.48S0.47, light transmittance of 57-74, 56-70 and 38-47% in the 500 -700 nm and Sheet resistance of 7.7×103, 5.5×103 and 3.8×103 Ω/sq correspond to 0.5, 1 and 5 min immersion times, respectively. Sample with chemical composition of Zn0.45Cu0.06S0.49 showed a high optical transmittance (56₋70%) in the range 500₋700 nm and low sheet resistance (5.5×103 Ω/sq) with p₋ type electrical conductivity. TEM image of a typical ZnS:CuS sample proved formation of the ZnS:CuS nanocomposite.The prepared ZnS:CuS nanocomposite thin films showed a photocatalitic activity in the degradation of rhodamine B dyes (water pollutant). By increasing amount of Cu in the films and exposure time in the visible light, degradation percentage of the rhodamine B dyes were increased, so that the films obtained with o.5, 1 and 5 min immersion times, degradaded about 10%, 20% and 40% of rhodamine B dyes after 5h exposure time in the visible light because of the decrease in recombination of the electron – hole pairs. For preparing ZnS:Cu/SnS thin films by CBD, ZnS:CuS thin films were placed into the solution containing Sn2+ and S2- ions. Optical, structural, morphological and electrical properties of the ZnS:Cu/SnS thin films were studied by ultraviolet-visible light (UV-vis) spectroscopy, Raman pectroscopy, X-ray diffractometer (XRD), field emission- scanning electron microscopy (FE₋SEM), atomic force microscopy (AFM), I-V measurement and four point probe systems. Energy-dispersive X-ray spectrometer (EDX) proved existence of Zn, Cu, Sn and S elements in the obtained CZTS films. The grazing incident X-ray diffractometer (GIXRD) pattern of the prepared flexible CZTS thin film showed two characteristic peaks at 2θ = 28.49 and 47° correspond to the (112) and (220) lattice planes of the tetragonal type kesterite structure of the Cu2CZTS4 (CZTS). The nanocrystalline size of the CZTS particles was estimated to be 33.2 nm by using Williamson-Hall formula. Flexible CZTS films had a high optical absorbance in the visible region and the bandgap energy of the films were estimated to be 1.71 eV which was higher than that of the bulk CZTS. Investigation of the CZTS film surface morphology showed formation of compact layer with no cracks and pinholes. AFM and FE₋ SEM results were in good agreement. Sheet resistant (Rsh) and resistivity of the CZTS thin films with 800 nm thickness were obtained 1.1×103 Ω/sq and 8.0×10-2 Ω.cm, respectively and the CZTS films had a p₋ type conductivity. Contact angle measurement showed a hydrophilic nature for the CZTS absorber layers. Keywords: ZnS thin film, Flexible, ZnS:CuS thin film, Photocatalist , hydrophilicity, CZTS thin film.