Synthesis of Nanostructured Semiconductors via Pulsed Laser Ablation in Liquids and their Characterization. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Ms_Thesis_200902690.pdf - Published Version Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

تهدف هذه الدراسة إلى تحضير وتوصيف اشباه موصلات ذات بنية نانوية من أكاسيد النحاس ( أكسيد النحاسيك والنحاسوز) وسيلينايد الكادميوم بواسطة الإستئصال الليزري في السوائل. لهذا الغرض تم استخدام ليزر نادميوم ياج يعمل عند الطول الموجي 532 نانومتر لإرسال نبضات ليزرية الى مادة عالية النقاوة مغمورة في سائل مناسب. لغرض دراسة تأثيرالوسط المؤكسد على خواص أكاسيد النحاس النانوية تم وضع قطعة من معدن النحاس عالي النقاوة داخل خلية زجاجية تحتوي على ماء مقطر ممزوج بمحلول بيروكسيد الهيدروجين بتراكيز مختلفة (صفر، واحد، ثلاثة وخمسة في المائة من الحجم). بعد فحص الجسيمات النانوية المحضرة أشارت التحاليل الناتجة من جهاز حيود الأشعة السينية وتقنية المجهر الألكتروني النافذ عالي الدقة إلى تكون جسيمات كروية الشكل من النحاس/أكسيد النحاسوز في حالة التركيز الصفري وجسيمات ذات شكل عصوي من النحاس/أكسيد النحاسيك في حالة التراكيز الاخرى. كما أظهرت تحاليل الخواص البصرية للعينات المنتجة بان قيمة طاقة الفجوة في حالة التركيزالصفري حوالي 3.3 الكترون فولت بينما تساوي 2.5 في حالة التراكيز الاخرى. كما ان جهاز طيف نفاذ الأشعة الحمراء قد اكد تكون أكسيد النحاسوز في حالة التركيز الصفري وأكسيد النحاسيك في حالة التراكيز الاخرى. هدفت هذه الدراسة أيضاً الى التعرف على مدى تأثير درجة الحرارة على جسيمات النحاس/أكسيد النحاسوز النانوية المحضرة بواسطة الإستئصال الليزري للنحاس في الماء المقطر. لهذا الغرض تم تحضير اربع عينات ومن ثم تم تجفيفها ووضعها في فرن كهربائي لمدة ثلاث ساعات عند ثلاث درجات حرارية مختلفة (300، 600 و 900 درجة مئوية). لوحظ ان أغلبية الجسيمات النانوية المتكونة من النحاس وأكسيد النحاسوز تبدأ بالتحويل الى أكسيد النحاسيك عند درجة حرارة 300 درجة مئوية ويستمر هذا التحول بزيادة درجة الحرارة من 600 الى 900 درجة مئوية مع زيادة حجم الجسيمات. تضمنت هذه الدراسة أيضاً إستخدام تقنية الإستئصال الليزري في السوائل لتحضير نقاط كمية لسلينايد الكادميوم من جسيمات ميكرومترية لسلينايد الكادميوم في الأسيتون بإستخدام شعاع ليزر غير مركز طاقتة 250 ميجا جول. باستخدام تقنية حيود الأشعة السينية، تقنية المجهر الألكتروني النافذ و تحليل الخواص البصرية للنقاط الكمية المنتجة وجد انها تمتلك حجم متوسط مقداره 3 نانومتر وطاقة فجوة في المنطقة المرئية ( 2.4 الكترون فولت) مما يجعل هذه المواد مفيدة في تطبيقات الخلايا الشمسية.

English Abstract

This work is related with the development of a cost effective, novel and one-step process, called pulsed laser ablation in liquids (PLAL) technique, for the synthesis of high purity, stable and less agglomeration nanostructured semiconductors. Nanostructured copper oxides (cupric and cuprous oxides) and CdSe were synthesized using the pulsed laser ablation in liquids technique. In order to synthesize nanostructured copper oxides, a high purity copper target was fixed at the bottom of a glass cell in the presence of deionized water mixed with hydrogen peroxide in different concentrations (0, 1, 3 and 5 %). The effect of the oxidizing media (deionized water and hydrogen peroxide) on the composition, morphology and optical properties of the synthesized nanomaterial produced by PLAL were studied. XRD and TEM studies indicate that in the absence of hydrogen peroxide, the synthesized nanoparticles were in two phases (Cu/Cu2O) with the spherical nanoparticle structure, whereas in the presence of hydrogen peroxide, the synthesized nanoparticles exhibited two other phases (Cu/CuO) with nanorod-like structure. The optical studies of the material prepared in the presence of hydrogen peroxide revealed considerable red shift (0.8 eV) in the band gap energy compared to the one prepared in the absence of it. Also, the synthesized nanoparticles in the presence of hydrogen peroxide showed a reduced photoluminescence intensity indicating reduced electron hole recombination rate. The red shift in the band gap energy and the reduced electron hole recombination rate make the synthesized nanoparticles an effecient photocatalyst to harvest solar radiation. The most relevant spectral lines on the FTIR spectrum for the samples were the absorption bands in the region between 450 and 700 cm-1 which are the characteristic bands of copper-oxygen bonds. The laser ablation approach for the synthesis of Cu2O and CuO nanoparticles have unique advantages of being a clean method with controlled optical and morphological properties. The effect of annealing temperature on synthesized nanostructured copper oxides in deionized water was also studied. In the initial unannealed colloidal suspension, the nanoparticles of Copper (Cu) and Cuprous oxide (Cu2O) were identified. Further the suspension was dried and annealed at different temperatures and we noticed the product (Cu/Cu2O) was converted predominantly into CuO at annealing temperature of 300 ºC for 3 hours. As the annealing temperature was raised from 300 to 900 ºC, the grain size of CuO increased from 9 ±1 to 26 ± 1 nm. The structure and the morphology of the prepared samples were investigated using X-ray diffraction and Transmission Electron Microscopy. Photoluminescence and UV absorption spectrometry studies revealed that the band gap and other optical properties of nanostructured Cu/Cu2O were changed due to post annealing. Fourier transform IR spectrometry also confirmed the transformation of Cu/Cu2O into CuO which is very encouraging result. To the best of our knowledge, such transformation has not been reported in earlier publications. Pulsed laser ablation in liquids was also applied to synthesize cadmium selenide quantum dots from the commercially available micron sized cadmium selenide powder in acetone medium using the pulsed laser radiation with 250 mJ energy. The thermal agglomeration due the nanosecond pulse duration of the laser was successfully eliminated by using unfocussed laser beam and thereby providing a favorable condition for the synthesis of quantum dots. It is worth mentioning that there is no report of synthesis of quantum dots using nanosecond pulsed laser. All previous studies were conducted using very expensive and too sophisticated femtosecond lasers. The morphological and optical characterization by XRD, HRTEM, optical absorption of the synthesized cadmium selenide quantum dots reveal that the material possesses similar characteristics to the one synthesized using femtosecond laser pulse. Relative to the cadmium selenide bulk material, the synthesized cadmium selenide quantum dots of average size 3 nm showed a blue shift in the band gap energy from near infrared spectral region to visible region, making this material capable and beneficial for solar energy harvesting applications like photocatalysis and solar cells.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Gondal, M.A.
Committee Members:	Yamani, Z.H. and Faiz, M.M.
Depositing User:	QAHTAN TAL FARHAN AHMED (g200902690)
Date Deposited:	06 Jan 2014 16:24
Last Modified:	01 Nov 2019 15:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139037