22591

مطالعه تجربي اثر ميدان الكتريكي در فرآيند كندگي ليزري در مايعات به‌منظور بررسي خواص نانو ذرات فلزي

دكتري

فيزيك - اتمي و مولكولي

1393

1398/12/04

دكتر محمد حسين مهديه

فيزيك

نانو ذرات فلزي و نانو ذراتي كه بر پايه فلز توليد مي‌شوند به دليل ويژگي زيست سازگاري عالي و داشتن خواص الكترونيكي، نوري و مكانيكي منحصربه‌فرد، به‌طور فزاينده‌اي براي كاربردهاي اپتوالكترونيكي و همچنين ساخت كاتاليزگرها، حسگرها، باطري‌سازي و علوم پزشكي قابل‌استفاده مي‌باشند. در سال‌هاي اخير به سبب ويژگي¬هايي همانند سادگي فرآيند توليد، خواص ضد ميكروبي، خاصيت رسانندگي الكتريكي بالا، خواص اپتيكي و همچنين ويژگي‌هايي همانند اندازه، شكل و خصوصيات سطحي، توليد اين نانو ذرات با استفاده از ماده برداري ليزري در محيط مايع بسيار موردتوجه بوده است. براي به‌كارگيري كارآمدتر تكنيك ماده برداري ليزري در توليد نانو ذرات لازم است، اصول اصلي مؤثر در اين فرآيند به‌خوبي مطالعه شود. اين موضوع ازاين‌رو مهم است كه بدانيم بازده توليد نانو ذرات و خواص آن‌ها (همانند كنترل دقيق اندازه) با تغيير پارامترهاي آزمايشگاهي قابل‌كنترل است. هدف اصلي اين كار پژوهشي، بررسي تأثير ميدان الكتريكي بر روي خواص نانو ذرات و آهنگ ماده برداري ليزري است. بدين منظور، نانو ذرات كلوئيدي بر پايه آلومينيم در محيط آب دو بار تقطير و اتانول و نانو ذرات كلوئيدي بر پايه مس در محيط آب دو بار تقطير با استفاده از تابش‌دهي ليزر پالسي نانوثانيه در حضوروغياب ميدان الكتريكي توليد شد. تأثير ميدان الكتريكي بر آهنگ ماده برداري ليزري و خصوصيات نانو ذرات در دو حالت اعمال ميدان الكتريكي موازي و عمود با توجه به راستا پرتو ليزر موردبررسي قرار گرفته است. در قسمتي ديگر از پژوهش نيز تأثير ميدان الكتريكي و شار انرژي ليزر بر آهنگ ماده برداري ليزري موردتحقيق قرار گرفت. نتايج اين پژوهش بيانگر آن است كه، براي هر دو فلز آلومينيم و مس بدون توجه به اين موضوع كه چه نوع چيدماني از ميدان الكتريكي (موازي و عمود) در حين ماده برداري ليزري استفاده شود، اندازه ميانگين نانو ذرات با افزايش بزرگي ميدان الكتريكي كاهش مي‌يابد. بااين‌حال ماده برداري ليزري از اهداف فلزي در حالت اعمال ميدان عمودي نسبت به حالت اعمال ميدان موازي سبب توليد نانو ذرات با اندازه ميانگين كوچك‌تر خواهد شد. همچنين نتايج حاصل از طيف‌سنجي UV-Vis نشان مي‌دهد غلظت نانو ذرات با افزايش بزرگي ميدان الكتريكي بيشتر شده است. نتايج XRD نيز نشان داد، ساختار نانو ذرات توليدشده در حضوروغياب ميدان الكتريكي از نوع بوهميت (AlOOH) است. علاوه بر اين، توليد نانو ذرات در حضور ميدان الكتريكي سبب مي‌شود، كريستال بوهميت در يك راستاي خاص تشكيل گردد. همچنين نتايج نشان داد، با به‌كارگيري هم‌زمان تكنيك افزايش شار ليزر و ميدان الكتريكي مي‌توان بازدهي بيشتري از آهنگ ماده برداري در فرآيند ماده برداري ليزري به دست آورد. درواقع ماده برداري ليزري در حضور ميدان الكتريكي به‌واسطه وجود بار الكتريكي بر روي سطح ماده هدف در حالت اعمال ميدان موازي و تأثير اين ميدان بر روي ديناميك ذرات باردار پلاسما براي هر دو ميدان عمودي و موازي سبب مي‌شود انرژي بيشتري توسط ماده هدف جذب‌شده و ماده برداري ليزري با آهنگ بيشتري صورت گيرد.

1399/08/11

Experimental Study of the Effect of Electric Field on the Metal Based Nanoparticles Properties Produced by Laser Ablation in Liquids

2/23/2020 12:00:00 AM

Metal and metal-based nanoparticles (NPs) e.g. metal oxides and hydroxides are being increasingly used for optoelectronic devices as well as catalysts, sensors, storage, and medical fields due to excellent biocompatibility, unique electronic, optical and mechanical properties. In recent years, production of such NPs by using Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) have been particularly interested because of their ease of synthesis, antimicrobial activity, high electrical conductivity as well as size, shape and surface modifications. To utilize PLAL in fabricating NPs efficiently, it is essentially important to understand the fundamental aspects of PLAL. This issue important as the process including the production efficiency of NPs and their characteristics (such as precise size control) can be controlled by changing the experimental parameters. In this thesis, our goal is to analyses the effect of External Electric Field (EEF) on characteristics of nanoparticles and ablation rate. For this purpose, the colloidal Al-based NPs in deionized water and ethanol and Cu-based NPs in deionized water have been prepared by the nanosecond pulsed laser ablation processes under two different conditions, with and without the electric field. The effect of electric field strength on the material removal rate, the nanoparticles characteristics and its mechanisms were investigated both in the electric field parallel and perpendicular to the laser beam path schemes. In another part of this study, the effect of external electric field and laser fluence on ablation rate were investigated. Our results indicate that for both aluminum and copper targets, regardless of the type of the electric field scheme, the average size of the NPs decreases with increasing the electric field strength. However, the interaction of laser beam with metal targets (in perpendicular condition) leads to formation of smaller size NPs than those in parallel condition. Moreover, the UV–Vis spectra show that the nanoparticles production efficiency increases with increasing the electric field strength. The XRD patterns show that the structure of produced NPs with and without presence of electric field is Boehmite (AlOOH). In addition, under an applied electric field, synthesized NPs with Boehmite crystal (grown along a specific direction) are formed. According to the results, it can be concluded that the ablation rate enhanced by applying electric field and increasing laser pulse energy. The results explain that more efficient laser energy absorption on the target may occur in PLAL with an external electric field due to the effects of the external electric field on the population of seed electrons on the target surface (in parallel condition) and the dynamic of charged-particle in the plasma plume (in both parallel and perpendicular conditions).