بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های  …

بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های …

جمعبندی کلی نتایج و پیشنهادها ارائه شده است.
فصل دوم
مروری بر منابع مطالعاتی
و
مبانی نظری

۲-۱ ویژگیهای نیمهرساناها
نیمهرساناها گروهی از مواد هستند که رسانایی الکتریکی آنها بین فلزات و عایقها قرار دارد. ویژگی مهم این مواد این است که رسانایی آنها با تغییر دما، تحریک نوری و میزان ناخالصی، به نحو قابل ملاحظهای تغییر
میکند. ساختار الکترونی نیمهرساناها شامل دو نوار انرژی است، نوار بالایی موسوم به نوار هدایت و نوار پایینی موسم به نوار ظرفیت است، شکاف میانی فاقد هرگونه تراز انرژی مجاز برای اشغال الکترونهاست و نوار ممنوعه[۱] نامیده میشود [۴]. مواد نیمهرسانا در صفر کلوین اساساً همان ساختار عایقها را دارند. تفاوت بین نیمهرساناها در اندازه نوار ممنوعه Eg است که در نیمهرساناها خیلی کوچکتر از عایقهاست. شکاف انرژی نسبتاً کوچک در نیمهرساناها امکان تحریک الکترونها را از نوار پایینی (ظرفیت) به نوار بالایی (هدایت) با مقدار کافی از انرژی نوری یا گرمایی فراهم میسازد. مثلاً در دمای معمولی یک نیمهرسانا با شکاف نوار eV1 دارای تعداد قابل توجهی الکترون است که با تحریک گرمایی از طریق شکاف انرژی به نوار هدایت رفتهاند. در حالیکه یک عایق باeV 10=Eg دارای تعداد ناچیزی از اینگونه برانگیختگیها خواهد بود. بنابراین اختلاف مهم بین مواد
نیمهرسانا و عایق این است که الکترونهای موجود برای هدایت جریان را میتوان بهمیزان زیادی به وسیله انرژی گرمایی یا نوری در نیمهرساناها افزایش داد [۵].
۲-۱-۱ حاملهای بار در نیمهرساناها
با تابش نور به یک نیمهرسانا برخی از الکترونهای نوار ظرفیت، انرژی لازم را برای برانگیخته شدن به نوار هدایت بدست میآورند. حاصل، مادهای با تعدادی الکترون در یک نوار هدایت تقریبا خالی و تعدادی حالت اشغال نشده در نوار ظرفیت تقریبا پر است. برای سهولت، از یک حالت خالی در نوار ظرفیت به نوار هدایت به وجود آیند، آنها را زوج الکترون- حفره مینامند. در مطالعه نیمهرساناها، از این الکترونها و حفرهها بهعنوان حاملهای بار یاد میشود [۶].
۲-۱-۲ انواع نیمهرساناها
باتوجه به مکان تراز فرمی و میزان حامل های بار آزاد، این دسته از مواد را میتوان به دو گروه زیر تقسیم کرد:
نیمهرساناهای ذاتی[۲]
نیمهرساناهای غیر ذاتی[۳]
۲-۱-۲-۱ نیمهرساناهای ذاتی
یک بلور نیمهرسانای کامل و فاقد ناخالصی یا نقص بلوری به نام نیمهرسانای ذاتی شناخته میشود. در چنین مادهای هیچگونه حاملی در صفر کلوین وجود ندارد، زیرا نوار ظرفیت از الکترونها پر شده و نوار هدایت خالی است. در دماهای بالاتر با تحریک گرمایی الکترونهای نوار ظرفیت به نوار هدایت، زوج الکترون-حفره تولید
میشود. این حاملها تنها حاملهای موجود در نیمهرساناهای ذاتی هستند [۶].
۲-۱-۲-۲ نیمهرساناهای غیر ذاتی
علاوه بر حاملهای ذاتی تولید شده به کمک حرارت میتوان با وارد کردن ناخالصی به شبکه بلور، حاملهای اضافی در نیمهرساناها بهوجود آورد. این فرآیند موسوم به آلایش[۴]، متداولترین روش برای تغییر رسانایی در نیمهرساناها است. با عمل آلایش میتوان ساختار بلور را طوری تغییر داد که دارای تعداد زیادی الکترون و حفره شوند. بنابراین در اثر آلایش، دو نوع نیمهرسانا بهوجود میآید: نیمهرسانای نوع n و نیمهرسانای نوعp ، در نیمه رسانای نوعn ، غلظت حاملهای الکترونی بیشتر از حفره هاست (nn np).
در شکاف انرژی این نیمهرسانا، یک تراز مجاز اضافی ایجاد شده است که درست در زیر نوار هدایت قرار
میگیرند و تراز دهنده[۵] با انرژی Ed نامیده میشود. همانطور که در شکل ۲-۱ سمت چپ نشان داده شده است، تراز فرمی در این نیمهرساناها بین تراز دهنده و نوار هدایت قرار دارد.
در نیمهرسانای نوع p، غلظت حاملهای حفره بیشتر از الکترون هاست (nn np). تراز مجاز اضافی در بالای نوار ظرفیت تشکیل میشود و در نوار ممنوعه انرژی بهصورت یک تراز پذیرنده[۶] با انرژی مشخص Ea قرار
میگیرد. تراز فرمی در وسط تراز پذیرنده الکترون و نوار ظرفیت قرار دارد. ترازهای انرژی نیمهرسانای مورد نظر در این پروژه، تیتانیا، مطابق شکل سمت چپ میباشد که یک نیمهرسانای نوعn است [۶].
شکل ۲-۱: نیمه رسانای نوعn و نیمه رسانای نوع p [6].
۲-۲ خواص یک فتوکاتالیست مناسب
علاوه بر شکاف انرژی، یک فتوکاتالیست خوب باید خواص زیر را داشته باشد:
از نظر نوری فعال باشد.
قابل استفاده در ناحیه نور مرئی و نزدیک به نور UV باشد.
پایدار نوری باشد.
غیر سمی باشد.
گران نباشد.
از نظر بیولوژیکی و شیمیایی خنثی باشد [۱۱-۷].
از بین نیمهرساناهای مختلف، بهدلیل خواص ذاتی[۷]TiO2 به عنوان بهترین فتوکاتالیست مورد توجه قرار گرفته است.
۲-۲-۱ فتوکاتالیستهای بررسی شده
جدول زیر انرژی فاصله ترازهای برخی نیمههادیهای استفاده شده بهعنوان فتوکاتالیست را نشان میدهد بسیاری از مواد از جملهTiO2 ، ZnO، ZrO2، CdS، MoS2، Fe2O3، WO3 و … همچنین ترکیبی از آنها به عنوان فتوکاتالیست برای تجزیه آلایندههای آلی و غیر آلی بهکار گرفته شدهاند.
جدول ۲-۱: انرژی فاصله ترازهای برخی از فتوکاتالیست های بررسی شده در برخی مقالات.

این مطلب را هم بخوانید :  سایت مقالات فارسی - بررسی رابطه بین مسئولیت‌پذیری و کمال‌گرایراندمان حذف دو ماده زایلن(C6H4CH3)2و تولوئن C6H5CH3 که جز هیدروکربن ...

برای دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت  jemo.ir  مراجعه نمایید.