پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی word – مهندس امیرمسعود شکری

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

پایان­ نامه برای دریافت درجه­ی کارشناسی ارشد

در رشته­ ی فیزیک گرایش حالت جامد

عنوان: مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

اساتید راهنما: دکتر فرهاد ستاری ، دکتر صغری میرارشادی

استاد مشاور: دکتر یاشار عزیزیان

پژوهشگر: امیرمسعود شکری

تاریخ ارائه : شهریور 96

نوع فایل : word – ورد

حجم فایل :

تعداد صفحات : 88

همراه با فایل پاورپوینت ارائه دفاع

تمامی حقوق مادّی و معنوی مترتب بر نتایج، ابتکارات، اختراعات و نوآوری­هایِ ناشی از انجام این پژوهش، متعلق به دانشگاه محقق اردبیلی می­باشد. نقل مطلب از این اثر، با رعایت مقرّرات مربوطه و با ذکر نام دانشگاه محقق اردبیلی، نام استاد راهنما و دانشجو بلامانع است.

چكيده:

در سال­های اخیر بهره سلول­های خورشیدی بر پایه نیمرساناهای پروسکایتی، رشد چشمگیری را نشان داده است، که بسیار نزدیک به بهره سلول­های خورشیدی سیلیکونی است. اما دلیل پیشرفت این ادوات نوری به طور واضح مشخص نیست. با توجه به اهمیت بکارگیری ساختارهای پروسکایتی در نسل جدید سلول­های خورشیدی، مطالعه بر روی خواص الکترونیکی و اپتیکی این ساختارها ضروری به نظر می­رسد. بنابراین در این پایان­نامه ابتدا ساختار پروسکایتی آلی-معدنی CH₃NH₃PbX₃ با هالوژن­های مختلف Clو Br ،I X= سنتز شده و سپس تاثیر نوع هالوژن در ساختار مذکور بر روی خواص الکترونیکی آنها به طور تجربی مطالعه شده است. نتایج بدست آمده نشان می­دهد که با تغییر نوع هالوژن، به راحتی گاف انرژی این ساختارها را می­توان کنترل کرد. از اینرو امید می­رود که بتوان از این ساختارها در ادوات الکترونیکی و اپتیکی بهره برد.

می­دانیم نیمرساناهای

مرسوم دارای جذب و طول عمر بالای حامل­ها در حالت باند گاف مستقیم، یا جذب و طول عمر پایین حامل­ها در حالت باندگاف غیرمستقیم هستند. پروسکایت­های هیبریدی به دلیل جذب و طول عمر بالای حامل­ها، کارایی خوبی را از خود نشان می­دهند. در این پایان­نامه نشان دادیم که در ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbCl₃ ،گاف انرژی غیرمستقیم در فشارهای بالا، در حدود (GPa 2/1) ظاهر می‌شود و این گاف انرژی با افزایش فشار، افزایش می­یابد. همچنین در ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbBr₃ باند گاف مستقیم در فشارهای بالا (GPa 2/1) ظاهر می­شود و این گاف انرژی با افزایش فشار کاهش می­یابد. علاوه بر این گاف انرژی ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbI₃ ، با افزایش فشار، کاهش یافته و در فشار GPa 11/0 به کمترین مقدار خود می­رسد و در ادامه با افزایش فشار، تغییر چندانی نمی‌کند. پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

کليد واژه­ها: پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی، گاف انرژی و نورزایی

فهرست مطالب

فصل اول: کليات پژوهش

1-1- مقدمه ……………………………………………………….2

2-1- پروسکایت هیبریدی آلی –معدنی ………………………….2

1-2-1- ساختارهای سه بعدی آلی –معدنی ………………………2

2-2-1- خواص ساختارهای سه بعدی ……………………………6

3-2-1- ساختارهای دو بعدی …………………………………….7

4-2-1- خواص ساختارهای دو بعدی …………………………..9

3-1- گاف انرژی و عوامل موثر بر گاف انرژی ……………..12

1-3-1- نیمرسانای گاف انرژی مستقیم ………………………..13

2-3-1- نیمرسانای گاف انرژی غیرمستقیم ……………………14

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

فصل دوم: مبانی نظری پژوهش

1-2- مقدمه …………………………………………….16

2-2- روش‌های مختلف سنتز و ساخت لایه‌ نازک ساختارهای پروسکایتی………….17

3-2- مروری برکاربردهای ساختارهای پروسکایتی ……………21

1-3-2 سلول‌های خورشیدی ………………………………………21

2-3-2- دیودهای نور گسیل (LED) ……………………………..26

4-2- مروری برتحقیقات انجام شده برگاف انرژی ساختارهای پروسکایتی …………………….28

1-4-2-تغییر باند گاف نوری مستقیم به غیرمستقیم در فیلم‌های پروسکایتیCH₃NH₃PbI₃ با تغییر مقدار ماده آلی….28

2-4-2- اثر فشار بر انتقال باند گاف غیرمستقیم به مستقیم در پروسکایت‌ها MAPI ………………….34

3-4-2- خاصیت باند گاف مستقیم و غیرمستقیم در پروسکایت یدیدسرب‌متیل‌امینیوم ………….37

4-4-2- تنظیم باند گاف MoS₂ دو لایه و تک لایه در اثر کشش …………………37

فصل سوم: مواد و روش پژوهش

3-1- مقدمه ………………………42

3-2- روش سنتز ساختار پروسکایتی………………..42

3-3- ساخت قالب جهت تهیه قرص و اعمال فشار برآن……………..44

3-4- روش‌های مشخصه یابی……………………………….45

1-4-3- پراش پرتو ایکس _XRD)) …………………………..46

3-4-2- طیف سنجی جذبی فرابنفش -مرئی…………………47

3-4-3- طیف سنجی فوتولومینسانس………………………..49

4-4-3- طیف سنجی بازتابی پخشی ……………………….51

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

فصل چهارم: تحقیقات انجام شده و یافته‌های پژوهش

4-1- مقدمه …………………………………………………..53

4-2- بررسی اثر نوع هالوژن بر تغییر گاف انرژی در ساختارهای پروسکایتی…………53

4-3- بررسی اثر فشار در ساختار پروسکایتیCH₃NH₃PbCl₃ ……………..58

4-4- بررسی اثر فشار در ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbBr₃ ……………60

5-4- بررسی اثر فشار در ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbI₃ …………….63

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

فصل پنجم: نتیجه‌گیری و بحث

1-5- مقدمه………………………….66

2-5- نتایج…………………………..66

3-5- در نهایت پیشنهاداتی در راستای ادامه این پایان‌نامه اراه می‌گردد…………….67

فهرست منابع و مآخذ…………………………68

فهرست جدول­ها

جدول1–1: سیستم‌های کریستالی و دمای گذار فازهای پروسکایت CH₃NH₃PbX₃ ……………….5

جدول2-1: تعدادی از فیلم‌هایMAPbI₃ ………………………………………30

جدول2-2 : باند گاف نوری فیلم‌های MAPbI₃ …………………………33

فهرست شکل­ها

شکل 1-1: ساختار اساسی پروسکایت سه بعدی و توسعه ساختار شبکه با اتصال اکتاهدرال در گوشه‌ها………3

شکل 1-2: نتایج تجربی طیف جذبی فیلم‌های پروسکایتی با هالوژن های مختلف برحسب طول موج …………7

شکل1-3: پروسکایت لایه‌ای دوبعدی با الف) تک کاتیون آمینیوم آلی ب) دو کاتیون آمینیوم آلی …….8

شکل1-4: طرح پروسکایت هالیدی سرب‌دار دو بعدی (R-NH₃)₂MX₄ ……..9

شکل1-5: طرح ساختار الکترونیکی پروسکایت‌های لایه‌ای دو بعدی…………..10

شکل 1-6: الف) طیف فوتولومینسانس هیبریدهای (C₄H₉NH₃)₂MI₄ با M= Ge, Sn, Pb وnm9/457= _exλ

ب) طیف جذب فیلم نازک هیبریدهای (C₄H₉NH₃)₂PbX₄ با X= Cl, Br, I …………………….12

شکل 1-7: ساختار نوار انرژی رسانا و نیمرسانا و نارسانا ………………………….13

شکل1-8: الف) گاف انرژی مستقیم و ب) غیرمستقیم نیمرسانا ………………………14

شکل 2-1: چهار روش اصلی برای ایجاد لایه فعال پروسکایتی

الف) لایه‌نشانی محلول تک مرحله ای، ب) لایه‌نشانی دو مرحله ای، ج) نشست بخار دو منبعی،

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

د) دو مرحله ای به کمک فاز بخار………………….17

شکل 2-2: طرح تبخیر حرارتی تک چشمه‌ای……………20

شکل2-3: طرح سلول خورشیدی ………………………..23

شکل 2-4: طیف امواج الکترومغناطیسی خورشید …………………24

شکل 2-5: الف) ساختار لایه‌های مختلف قطعه نورتاب، ب) ساختار مولکولی OXD7 و

ج) طیف الکترولومینسانس قطعه نورتاب در کنار طیف فوتولومینسانس لایه نازک هیبرید آلی- معدنی ……..27

شکل 2-6: الف) ساختار لایه‌های مختلف قطعه نورتاب، ب) طیف الکترولومینسانس قطعه نورتاب با هالوژن­های مختلف

a: کلر، b: برم و c: ید ………………………..28

شکل 2-7: طرح پراش پرتوهای x از فیلم‌های MAPbI₃ ……………………31

شکل 2-8 : تصاویر SEM و عکس فیلم‌های MAPbI₃ ………………….31

شکل2-9: طیف جذب فرابنفش-مرئی فیلم‌های MAPbI₃ ……………….32

شکل2-10: طیف جذب و فوتولومینسانس MAPI با اعمال فشارهای مختلف …………….36

شکل 2-11: تغییر طیف رامان برای ساختار تک لایه MoS₂ …….39

شکل 2-12:a) شدت طیف PL مولیبیدینیوم‌‌دی‌سولفید تحت کشش بر حسب انرژی

b) شدت طیفPL مولیبیدینیوم‌دی‌سولفید دو لایه تحت کشش بر حسب انرژی ………………….40

شکل 3-1: انواع هیبریدهای سنتز شده ؛ الف) CH₃NH₃PbBr₃ ب) CH₃NH₃PbCl₃

ج) CH₃NH₃PbI₃…………………………43

شکل 3-2: قطعات قالب ساخته شده برای تولید قرص و اعمال فشار برآن………………………44

شکل 3-3: دستگاه پرس هیدرولیکی روغنی برای اعمال فشار بر قرص‌ها………………45

شکل3-4: قرص‌های تولید شده در فشارهای مختلف……………………………..45

شکل 3-5: شکل شماتیک از دستگاه XRD………………………………47

شکل3-6: شکل شماتیک از دستگاه طیف سنج جذبی فرابنفش-مرئی…………………………….49

شکل 3-7: شمایی ازطیف سنجی فوتولومینسانس……………………………50

شکل 3-8: طرحی از چیدمان بکار گرفته شده جهت اندازه­گیری فوتولومینسانس برای نمونه CH₃NH₃PbI₃………………..50

شکل 3-9: شکل شماتیک از دستگاه بازتابی پخشی……………….51

شکل 4-1: طیف XRD ساختارهای پروسکایتی ؛

الف) CH₃NH₃PbCl₃ ب) CH₃NH₃PbBr₃ ج) CH₃NH₃PbI₃………..54

شکل4-2: طیف جذبی ساختارهای پروسکایتی

الف) CH₃NH₃PbCl₃ ب) CH₃NH₃PbBr₃ ج) CH₃NH₃PbI₃………..55

شکل 4-3: طیف بازتابشی انتشاری ساختارهای پروسکایتی الف) CH₃NH₃PbCl₃

ب) CH₃NH₃PbBr₃ ج) CH₃NH₃PbI₃……………………………….56

شکل 4-4: منحنی تغییرات (αhν)² بر حسب انرژی فوتون فرودی (hν) در ساختارهای پروسکایتی

الف) CH₃NH₃PbCl₃ ، ب) CH₃NH₃PbBr₃ ج) H₃NH₃PbI₃…………………..57

شکل 4-5: نمودارطیف فوتولومینسانسPL ساختارهای پروسکایتی

الف) CH₃NH₃PbCl₃ ب) CH₃NH₃PbBr₃ ج) CH₃NH₃PbI₃……………58

شکل 4-6: نمودار DRS پودر و قرص‌های پروسکایت CH₃NH₃PbBr₃ در فشارهای مختلف و تعیین گاف انرژی آن‌ها………59

شکل 4-7: نمودار طیف فوتولومینسانس پروسکایت CH₃NH₃PbCl₃ بر حسب طول موج در فشارهای مختلف…….59

شکل 4-8: الف) طیف فوتولومینسانس ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbBr₃ تحت فشارهای مختلف و

ب) منحنی تغییرات شدت طیف فوتولومینسانس (بر حسب الکترون ولت) به صورت تابعی از فشار…………….61

شکل 4-9: طیف بازتابی انتشاری ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbBr₃ تحت فشارهای مختلف………….62

شکل 4-10: طیف فوتولومینسانس ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbI₃ تحت فشارهای مختلف…………..63

شکل 4-11: طیف بازتابی انتشاری ساختار پروسکایتی CH₃NH₃PbI₃ تحت فشارهای مختلف………….64

ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

1-1- مقدمه

در این فصل ابتدا تاریخچه­ای از ساختارهای پروسکایتی را آورده و سپس مطالبی را درباره­ی مواد هیبریدی آلی-معدنی و ساختارکریستالی ترکیبات پروسکایتی ذکر می­کنیم. در ادامه ساختارهای سه ‌بعدی و فرمول کلی آن‌‌ها و خواص ساختارهای سه ‌بعدی مانند جذب، نورزایی و گاف انرژی آن‌ها را مطرح می‌کنیم. همچنین چگونگی تشکیل پروسکایت‌های کریستالی دو بعدی و انواع آن‌‌‌ها را مورد بررسی قرار می­دهیم. علاوه بر این، خصوصیات نوری و ویژگی‌های الکترونیکی پروسکایت‌های دو بعدی را معرفی خواهیم کرد. در ادامه گاف انرژی پروسکایت‌ها و عوامل موثر بر آن و گاف‌های مستقیم و غیرمستقیم را مطرح می‌کنیم.

2-1- پروسکایت هیبریدی آلی- معدنی

نام پروسکایت برگرفته شده از نام نوعی کانی به نام تیتانات کلسیم (CaTiO₃) می‌باشد که اولین بار توسط یک معدن شناس آلمانی به نام گوستاو رز¹ در سال 1839 در معادن روسیه کشف شد. او این ماده معدنی را به افتخار یک معدن شناس روسی، به نام لئو آلکسویچ وان پروسکی²، پروسکایت نامید.

1-2-1- ساختارهای سه بعدی آلی -معدنی

به طور کلی مواد نورزا با توجه به ترکیبات شیمیایی آن‌ها می­توانند به صورت آلی، معدنی و هیبریدی آلی-معدنی دسته‌بندی شوند. تنوع و تطبیق‌پذیری پروسکایت­ها باعث می­شوند که این ساختارها بتوانند ساختارهای چند بعدی با فرمول شیمیایی مختلف و با استفاده از ترکیب­های مختلف و از اجزای متفاوت بسازند. ساختارهای سه ‌بعدی پروسکایتی، دارای فرمول کلیAMX₃ هستند، که در آن‌ها A کاتیون تک ظرفیتی و عموما Li, Na, K, Rb, Cs و یا کاتیون آمینی آلی با اندازه مناسب و M بیانگر فلزات دو ظرفیتی جدول تناوبی مانند (Cu²⁺، Ni²⁺، Co²⁺، Fe²⁺، Mn²⁺، Pd²⁺، Cd²⁺، Ge²⁺،Sn²⁺ ،Pb²⁺, Eu²⁺) و X از عناصر هالوژنی می‌باشد (میتزی و همکاران، 2001). در شکل 1-1 ساختار شماتیک این هیبریدها نشان داده شده است. در پروسکایت‌های هالیدی سرب‌دار، اندازه کاتیون A، تاثیر زیادی روی ثبات و استحکام ساختار پروسکایت‌ها و ابعاد آن و خصوصیات اپتوالکترونیک آن دارد. همان‌طوری که در شکل 1-1دیده می‌شود کاتیونA ، فضای بین اکتاهدرا‌ل[1] را پر می‌کند.

¹ Gustav Rose.

² Lev Alekseevich Von Peroski.

[1] Octahedral.

ساختار پروسکایتی آلی-معدنی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی

پایان نامه مطالعه تنظیم گاف انرژی ساختار پروسکایتی آلی-معدنی