(2010) SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF NANO- STRUCTURE METAL OXIDES AND PEROXIDES PREPARED BY LASER ABLATION IN LIQUIDS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF g200505850.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

تهدف هذة الدراسة الى إنتاج وفحص مواد نانوية البنية من أكسيد وفوق أكسيد الزنك وثنائي اكسيد القصدير بواسطة الإستئصال الليزري في السوائل وذلك بإرسال نبضات ليزرية من الأشعة فوق البنفسجية لليزر النادميوم ياج والذي يعمل عند الطول الموجي 355 نانو متر الى سطح معادن عالية النقاوة. لغرض انتاج اكسيد زنك نانوي البنية تم وضع عينة صلبة ونقية من معدن الزنك داخل انبوبة زجاجية تحتوي على ماء مقطربعد ذلك تم تشعيعة بشعاع ليزري لمدة 40 دقيقة و لغرض دراسة تأثير طاقة الليزر على خصائص المواد المنتجة تم تغيير طاقة نبضات اليزر كما يلي: (40-80-100) مللي جول/ نبضة بعد ذلك تم فحص العينات المنتجة عند هذة الطاقات بإستخدام عدة أجهزة حيث تم إستخدام جهاز حيود الأشعة السينية(XRD) لدراسة حجم حبيبات العينات المنتجة وابعاد خلايا الوحدة المرافقة لها ولقد اظهر أن كلاًً من حجم الحبيبات وأبعاد خلية الوحدة لم يتغير بتغير طاقة الليزر أما جهاز الماسح الالكتروني(SEM) فقد أظهر جسيمات نانوية مختلفة الشكل حيث تغير شكل الحبيبات من اسلاك نانوية عند الطاقات الواطئة الى جسيمات كروية عند الطاقات العالية. جهاز مطياف الالكترون الضوئي (XPS) تم استخدامة لدراسة مكونات الحبيبات المنتجة والذي بين وجود مركب اكسيد الزنك مع وجود زيادة في نسبة الزنك داخل المركب. أما طيف اللمعان الضوئي فقد أظهر وجود قمتين بارزتين الأولى تقع في منطقة الأشعة فوق البفسجية والتي فسرت على أنها ناتجة من إعادة إلتحام الأكترونات القادمة من منطقة التوصيل مع فجوات منطقة التكافؤ اما القمة الثانية والأضعف مقارنة مع القمة الاولى فقد وجدت في المنطقة البفسجية وفسرت على انها بسبب وجود ذرات الزنك الزائدة في المركب. ولغرض دراسة تاثير طبيعة السائل الموجود تم إضافة مواد خافضة للشد السطحي ( Surfactants) الى الماء المقطر وتم إرسال النبضات الليزرية لمدة 40 دقيقة ولقد أظهرت نتائج جهاز حيود الأشعة السينية ان جميع المركبات الناتجة هي اوكسيد زنك وان حجم الحبيبات قد تغير من 38 نانو متر في حالة الماء المقطر فقط الى 29 و17 نانو متر عند استخدام مادتي CTAB, OGM على التوالي. اما طيف اللمعان الضوئي فقد اوضح إختفاء قمة الإنبعاث في منطقة البنفسجية وظهور طيف واسع من الضوء المرئي والذي يمتد من المنطقة الصفراء حتى المنطقة الخضراء. تم في هذة الدراسة ايضا ً ولإول مرة إنتاج مادة بيرواكسيد الزنك بإستخدام طريقة الأستئصال الليزري في سائل يحتوي على 3 % من فوق اكسيد الهيدروجين وبحجم صغير جدا يصل الى 4 نانو متر كما تم ايضا ً انتاج هذة المادة ايضا في حالة وجود مواد خافضة للتوتر السطحي CTAB, OGM, SDS. بين جهز إنحراف الأشعة السينية وجود مركب بيرواكسيد الزنك في جميع العينات المحضرة كما بين ان حجم الحبيبات قد تناقص من 4.7 في حالة الماء المقطر الى 3.7 و 3.3 و 2.8 نانو متر عند استخدام مواد OGM, CTAB, SDS على التوالي. بين كلا ً من جهار الإمتصاص الضوئي وجهاز نفاذ الأشعة تحت الحمراء وجود إزاحة في الأطياف نحو الأطوال الموجية الأقل والذي يفسر غالبا على إنة بسبب خاصية النقاط الكمية. كما ان جهازطيف نفاذ الأشعة تحت الحمراء قد وضح وجود كميات قليلة جدا من المواد الخافضة للشد السطحي مترسبة فوق المادة النانوية المنتجة في حالة استخدام مادتي OGM , CTAB إلا إن هذا الترسب كان كبيرا ً وواضحا ً في حال إستخدام مادةSDS . هدفت هذة الدراسة ايضا الى التعرف على مدى تأثير درجة الحرارة على مادة بيرواكسيد الزنك المنتجة بإستخدام الإستصال الليزري حيث تم وضع 5 عينات من المادة في فرن كهربائي لمدة 8 ساعات وتم تغيير درجات الحرارة من 100 درجة مئوية الى 600 درجة مئوية. ولقد أظهرت النتائج ان مادة بيرواكسيد الزنك تحولت الى مادة اكسيد الزنك عند درجة حرارة 200 درجة مئوية من جهة اخرى وجد إنة بزيادة الحرارة من 200 الى 600 درجة مئوية فإن بعض الخصائص الفيزياية مثل ابعاد خلية الوحدة وطاقة الفجوة وحجم الحبيبات والخصائص الضوئية تتغير بتغير درجات الحرارة المطبقة على المادة فحجم الحبيبة مثلا تغير من 5 نانو متر الى 6, 9, 15, 19 نانو متر عند إستخدام درجات الحرارة 200, 300, 400, 500, 600 درجة مئوية على التوالي, اما قمم الانبعاث الضوئي فقد أزيحت بإتجاة الأطوال الموجية الأكبر بزيادة درجة الحرارة ولقد خلصنا الى ان سبب التغير في كل هذة الخواص الفيزيائية يعود الى التغير في ابعاد الحبيبة عندما تكون هذة الحبيبة في أبعاد النانو متر. هدفت هذة الدراسة ايضا َ الى إنتاج ثنائي اكسيد القصدير بإستخدام نبضات عالية الطاقة 190 مللي جول /نبضة من ليزر النادميوم ياج على معدن القصدير النقي المغموس داخل طبقة رقيقة من الماء ولقد أوضحت نتائج جهاز إنحراف الاشعة السينية(XRD) ان متوسط حجم الحبيبات المنتجة هو 3 نانو متر كما درست بقية الخصائص الضوئية بإستخدام اللمعان الضوئي (PL) وجهاز نفاذ الاشعة تحت الحمراء(FTIR).

English Abstract

Pulsed laser ablation technique was applied for synthesize of ZnO, ZnO2 and SnO2 nanostructure using metallic target in different liquids. For this purpose, a laser emitting pulsed UV radiations generated by the third harmonic of Nd:YAG (λ= 355 nm) was applied. For the synthesis of ZnO nanoparticles (NPs), a high-purity metallic plate of Zn was fixed at the bottom of a glass cell in the presence of deionized water and was irradiated at different laser energies (80- 100- 120) mJ per pulse. The average sizes and lattice parameters of ZnO produced by this method were estimated by X-ray diffraction (XRD). The morphology of ZnO was studied by scanning electron microscopy (SEM) which illustrated the change in shape of synthesized structure from nanowires at low energy to spherical at high laser energy. The optical absorbance of the ZnO nanoparticles showed an absorption peak at 350 nm (3.37 eV) which is blue shifted relative to the bulk absorption (at 380 nm). This confirms the property nanostructure of ZnO. The photoluminescence (PL) spectra of ZnO nanoparticles showed two peaks: the first is a strong peak centered at 375 nm which is due to the recombination of electron from valence band with hole in the conduction band. The second PL peak centering at violet luminescence around 420 nm is due to zinc defects. ZnO nanoparticles were also produced by ablation of zinc target in the presence of deionized water mixed with two types of surfactants: cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) and octaethylene glycol monododecyl (OGM). The results showed that the average grain sizes decreased from 38 nm in the case of deionized water to 27 nm and 19 nm in CTAB and OGM respectively. The PL emission in CTAB and OGM showed two peaks: the sharp UV emission at 380 nm and a broad visible peak ranging from 450 nm to 600 nm. Zinc peroxide (ZnO2) nanoparticles having grain size less than 5 nm were also synthesized using pulsed laser ablation in aqueous solution in the presence of different surfactants and solid zinc target in 3 % hydrogen peroxide H2O2 for the first time. The effect of surfactants on the optical and structure of ZnO2 was studied by applying different spectroscopic techniques. The presence of the cubic phase of zinc peroxide in all samples was confirmed with XRD, and the grain sizes were 4.7 nm, 3.7 nm, 3.3 nm and 2.8 nm in pure H2O2; and H2O2 mixed with SDS, CTAB and OGM respectively. For optical characterization, FTIR transmittance spectra of ZnO2 nanoparticles prepared with and without surfactants showed characteristic peaks of ZnO2 absorption at 435-445 cm-1. FTIR spectrum also revealed that the adsorbed surfactants on zinc peroxide disappeared in case of CTAB and OGM while it appears in case of SDS. Both FTIR and UV-Vis spectra showed a red shift in the presence of SDS and blue shift in presence of CTAB and OGM. The effect of post annealing temperature on dry ZnO2 nanoparticles prepared by PLA technique of solid zinc target in 3% H2O2 was studied by variation of the annealing temperatures from 100 to 600 ºC for 8 hours under 1 atmospheric pressure. The XRD showed the phase transition from ZnO2 to ZnO at 200 ºC. Based on XRD data, both the average grain size and lattice parameters of ZnO increased by post annealing of ZnO2 higher than 200 ºC. In contrast, the band gap of ZnO nanoparticles decreased when the annealing temperature increased. The average sizes were 5, 6, 9, 15 and 19 nm at 200, 300, 400, 500 and 600 ºC respectively. The PL emission spectra for ZnO showed strong UV emission peaks in all samples. In addition, the UV emission peaks were shifted to longer wavelength (red shifting) as the annealing temperature increase from 200 to 600 °C. From the above findings, we concluded that the grain size, lattice parameters, PL and band gap were size dependent as predicted by theoretical studies. Tin dioxide (SnO2) nanoparticles having size of approximately 3 nm were produced by irradiating a high purity Sn metal using high power Nd:YAG laser in deionized water. Formation of nano crystallites of SnO2 was confirmed by XRD study. The UV–visible absorption showed a blue shift in the absorption edge which indicates the quantum confinement property of nanoparticles. The band gap of the prepared sample was 4.4 eV compared to 3.7 eV in the bulk. FTIR transmittance spectrum of SnO2 nanoparticles showed characteristic Sn-O absorption at 400-700 cm-1. The fitting of peaks from PL spectra showed three emission peaks centered at 391, 427 and 475 nm respectively.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Gondal, M. A.
Committee Members:	Yamani, Z. H. and Ziq, K. A.
Depositing User:	Qasem Drmosh (g200505850)
Date Deposited:	19 Jun 2010 07:51
Last Modified:	01 Nov 2019 14:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/136290