مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

1. مقدمه

             استراتژی فراگیر برای ساخت رنگ های آلی  برای کاربردهای سلول خورشیدی، اتصال بخش های اهداکننده الکترون (D) را در حالت زمین، از طریق یک واحد لینکر به بخش تقسیم کننده (A) که الکترون- کمبود در حالت زمین، که به عنوان استراتژی کشش-فشار شناخته می شود [1-5]. پس از تحریک نور، یک فرآیند انتقال بار بین مولکولی (ICT) از بخش D به A القا می شود، جایی که الکترون بیشتر به باند هدایت (CB) نیمه هادی منتقل می شود [1،6،7] . برای جذب حداکثری نور خورشید، خواص نوری و الکترونیکی رنگ های استفاده شده بوسیله تغییر قسمت های D یا A و همچنین تغییر طول واحد لینکر رخ می دهد[8]. چندین واحد پذیرنده برای این منظور از جمله قطعات سایانواکریلیک و رودانین استفاده شده است [1،8]. این دو بخش به شدت در رنگ های مختلف آلی استفاده می شود [1،9]. هر یک از این بخش ها دارای دلایل(منافع و مضرات) خود هستند و بسته به شرایط کار دارد [10]. با این حال، تأثیر تنوع واحدهای پذیرنده عمدتا به تغییر پاسخ طیفی رنگ مورد استفاده و / یا نیروی موثر ترمودینامیکی بین LUMO رنگ تحریک شده و CB است که به نوبه خود متاثر از تراکم فوتوگرام و ولتاژ مدار باز مقادیر در سلول های خورشیدی است[1،9،11،12]. گزارش های بسیار کمی در مورد تغییرات پارامترهای جنبشی، بویژه تزریق الکترون و بازترکیب، به محض تغییر واحد های D یا A مورد بحث قرار گرفته است [6]. با این وجود، این مقاله نشان دهنده دینامیک تزریق الکترونی برای چهار رنگ  با عملکرد خوب، بدون فلز و اندولین اما با چهار واحد پذیرنده شناخته شده به نامهای D131، D102، D149 و D205 است که واحد D را به اشتراک می گذارد (ساختار شیمیایی در شکل 1 را ببینید.) همانطور که در شکل 1 دیده می شود، D131 یک گروه سینوآکریلیک دارد، D102 دارای یک مولکول رودانین است، D149 دارای دو مولکول رودانین است و D205 دارای زنجیره اکتیل اضافی در بالای دو بخش ردانین است. سلول های خورشیدی مبتنی بر D131، D102 و D149 با استفاده از ZnO، کارایی بالایی را در بین رنگ های دیگر اندولین نشان داده اند که به حدود 5٪ می رسد [13]. در نانومواد TiO2، سلول خورشیدی مبتنی بر D131 دارای راندمان بالاتر (حدود 1/5 درصد)، نسبت به سایر بر اساس D149 و D102 است که بالاترین میزان جریان تولید شده را به علت اتصال قوی الکترونیک بین گروه سینوآکریلیک حمل می کند، که در آن LUMO مستقر شده و TiO2 روی سطح است [14-16]. با توسعه طراحی ساختاری، در شرایط مشابه زنجیرۀ طولانی Octyl در D205  در مقایسه با D149 و D102  با توجه به تاخیر فرایند بازترکیب الکترون منجر به بهبود بهره وری 7.1٪ می شود [17].  با کمک عامل ضد تجمع، کارایی حدود  9.5٪ و 9.0٪ بر روی نانوکریستالین-TiO2 می تواند به ترتیب توسط D205 و D149 به دست آید [18]. لازم به ذکر است که اولین پیشرفت رنگ های اندولین که جذب این رنگ ها می شود، توسط D149 به دست آمد که در آن مقدار بهره وری 8.2٪ می تواند به دست آید [19]. از اطلاعات فوق می توان دید که بهره وری بدون درک عمیق از دینامیک الکترونی مرتبط با ساختار رنگ قابل اندازه گیری است. بنابراين، رابطه بین ساختار بنیادی اين رنگها با آروماتيك و ديناميك الكترون، عمدتا تزريق الكترون، قطعا دانش ما را به سمت ترکیب كردن رنگها بیشتر خواهدکرد. برای انجام این کار، جذب گذرا فوق العاده ای در محدوده میانی اشعه مادون قرمز (fs-IR) در این مطالعه مورد استفاده قرار می گیرد تا پویایی الکترون را در رنگ های جذب شده اندولین در CB TiO2 دنبال کند. پروب fsIR از قبل برای سیستم های مختلف برای مشاهده تزریق الکترون استفاده شده است [20-24]. جذب حالت گذرای الکترون به طور معمول از 3333 تا 111111 نانومتر با شکل بدون حالت خاص متغیر است [25]. اخیرا حساسیت fs-IR نسبت به الکترونهای تزریقی در CB در نیمه هادی ها به دلیل عدم جذب الکترونیک از سایر گونه ها مانند رنگ های آلی کاتیونی [26-28] بیشتر شده است. این مزیت منحصر به فرد از پروب MID-IN برای استفاده از فرایند تزریق الکترون برای چهار رنگ جذب شده روی TiO2، D131، D102، D149 و D205 استفاده می شود. دینامیک fs-IR نشان می دهد در اینجا تغییرات شدیدی در حرکت الکترون  در طول تغییر قسمت پذیرنده برای رنگ مورد مطالعه وجود دارد. 

2. نتایج و بحث

            رنگ های اندولین شامل واحد D، D131، D102 و D149 در تولوئن است. ماهیت حالت برانگیختگی D یک حالت محلی برانگیخه (LE) است که پس از اتصال واحدهای پذیرنده در رنگ های در حال ظهور به حالت انتقال بار داخل مولکولی (ICT) تبدیل می¬شود[16،19،29،30]. همانطور که مشاهده می شود، با افزایش قدرت واحدهای پذیرنده متصل به واحد D (λmax abs ≈ 375 نانومتر)، از سینوآکریل (D131، λmax abs ≈ 460 نانومتر) تا قسمت های ردانین (λmax abs ≈ 500, D102 نانومتر، λmax abs ≈ 535 ,D149 نانومتر و ,D205 λmax 535 نانومتر)، جابجایی باتوکرومیک قابل مشاهده است. این توانایی های پذیرنده قبل از آن در تئوری کار Tangui [16] نشان داده شده است، که در آن لحظه دوقطبی شدن توسط ca  فاکتور دو قسمتی طی رفتن از گروه سینوآکریلیک در D131 به دو بخش Rhodanine در D149 افزایش می یابد. این طیف جذبی احتمالا به دلیل اثر تجمع، پس از جذب این رنگها در TiO2 گسترش یافته است، که در شکل 2B برای D149 در TiO2 نشان داده شده است. گسترش های مشابه برای رنگ های دیگر گزارش شده است [31-34]. با این حال، همانطور که قبلا در ناحیه مرئی نشان داده نشده است با استفاده از پروب fs-IR در اندازه گیری ها، مسئله تجمع بر روی تحرکات مشاهده شده ، تحت تاثیر قرار نمی گیرد [32]، از این رو منطقه طیف کاری تنها به الکترون های مرتعش در  CB از TiO2 حساس اند[26،27]. 

             همانطور که در شکل 3 نشان داده شده، رنگ های جذب شده روی TiO2 در ناحیه مرئی با 410 نانومتر برانگیخته شده اند و در ناحیه میانی IR در 4900 نانومتر مورد بررسی قرار می گیرند، جایی که نشانه دینامیک الکترون در CB در TiO2 می تواند دنبال گردد، پروفیل های جنبشی مختلف را می توان بسته به ساختار رنگ مشاهده کرد. در زمان صفر، سیگنال تزریق الکترون در 4900 نانومتر تولید می شود، که نشان دهنده فرآیند انتقال الکترون از رنگ برانگیخته به CB TiO2 است، به شکل 3 نگاه کنید. خارج از زمان صفر، ثابت های زمان تزریق آهسته برای D102، D149 و D205، به جز D131، می تواند تشخیص داده شود. بعدها، سیگنال به دلیل فرآیند بازترکیب الکترون بین الکترونها در CB از TiO2 به رنگهای اکسیده شده بر روی سطح، شروع به محو شدن می کند، اما بازسازی کامل الکترون ها فراتر از زمان مطلوب ما از اندازه گیری های جاری است،حدود 5 نانوثانیه. بنابراین، تجزیه و تحلیل دقیق برای فرآیند بازترکیب الکترونی انجام نشده است. جدول 1 خلاصه ثابت های زمانی به دست آمده از تطابق مسیرهای جنبش با استفاده از اجزای چند گانه را نشان میدهد. برای بهترین دانش در حال حاضر، ثابت زمانی تزریق الکترون، به ترتیب در مقیاس زمانی پیکوثانیه، برای رنگ های بنیادی به ندرت مشاهده شد و به طور کامل شناخته نشد [6]. حتی برای رنگ D149 که به شکل اسپکتروسکوپی در نیمه رساناها مورد مطالعه قرار گرفته است، فقط اجزای تزریق الکترون از 100-250 fs مشاهده شد [35-37]. به احتمال زیاد فرآیند تزریق آهسته به دلیل استفاده از پروب قابل مشاهده برای تشخیص این فرایند حیاتی مشاهده نشده است که در آن همپوشانی بین سیگنال های جذب الکترون، رنگ اکسید شده و حالت تحریک رنگ های  تزریق نشده بر روی سطوح، انجام تجزیه و تحلیل داده ها را کاملا چالش برانگیز کرده است. با این وجود، قبلا، فرآیند تزریق الكترون D149 در سراسرسلول خورشیدی  كه توسط طیف mid-IR مورد بررسی قرار گرفت، نتایج مشابهی با نتایج این كار داشت [23]. 

            داده های تطبیق داده شده  رفتار دو بعدی برای رنگ های مورد بررسی به جز رنگ D131  نشان می دهد , تنها یک دوره تعریف شده استفاده می شود (جدول 1). ظاهرا، تمام رنگ ها با بخش رودانین (D102، D149 و D205)  تزریق آهسته تر الکترون را بر حسب پیکوثانیه نشان می دهند و پس از جایگزینی بخش رودانین توسط گروه سینوآکریل، در D131 تنها یک مولفه تزریق سریع 150fs نشان داده شده است (جدول 1 ) به نظر می رسد مقدار دومین ثابت زمانی تزریق با تعداد بخشهای موجود رودانین افزایش می یابد ، D149> D102 (جدول 1).  برای توضیح بیشتر، D102، با یک بخش ردانین ، ثابت زمانی دوم را در حدود 1.7 ps و برای D149، با دو بخش ردانین، دارای یک مولفه  30ps با دامنه بالا 50٪ است (جدول 1). با این حال، برای D205 که مشابه D149 است (شکل 1 را ببینید)، ثابت زمانی دوم تزریق پایین تر از D149 است، اگرچه آنها تعداد برابر از بخشهای رودانین را به اشتراک می گذارند، این می تواند به دلیل وجود زنجیره ای اضافی  alkyl در D205 باشد که مانع از حرکت پیچشی در حالت برانگیخته میشود (شکل 1). انتظار می رود که حضور مولفه دوم تزریق آهسته الكترون در D102، D149 و D205 به علت وجود گروه پذیرنده قوی توسط بخش رودانین باشد كه در D131 قوی تر از واحد سایانوكریك در D131 است [16]. وجود یک گروه پذیرنده قوی می تواند منجر به انتقال بار بین مولکولی پیچیده (TICT) / ایزومری شده در سطوح نیمه هادی شود که به نوبه خود می تواند به علت تزویج ضعیف بین رنگ کاتیونی و سطوح مرتعش CB در TiO2 منجر به روند تزریق آهسته و روند بازترکیب آهسته گردد [26،38،39]. برای تأیید وجود وضعیت TICT / ایزومریز روی TiO2، محاسبات تئوری سختی لازم است که در حال حاضر در حال ساخت هستند. با این حال، برای تأیید سهم تحرکات بزرگ در سطوح نیمه هادی با یک ترفند ساده ی تجربی، یک لایه پلیمر PMMA به صورت فیزیکی بر روی D205 جذب شده روی TiO2 توزیع میشود. PMMA به عنوان مانع تحرکات بزرگ مشاهده شده در رنگ ها و مولکول های محلول می شود، شناخته شده است [32]. پس از استفاده از PMMA، پروفیل تزریق الکترون به طور قابل توجهی تغییر کرده است، در حالی که طول عمر تزریق D205 / TiO2 حدودا 1.2ps است که با استفاده از PMMA در بالای لایه D205 سریعتر شده به 0.7  پیکوثانیه میرسد. (شکل 3B و جدول 1) این تغییرات در نرخ تزریق الکترون با استفاده از PMMA، وجود تحرکات گسترده ای از رنگ های جذب شده قبل از تزریق را تایید می کند. حضور حالت TICT یا یک حالت ایزومری شده روی سطوح نیمه هادی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است و قبلا برای سایر رنگهای آلی [26،29،32،38،40،41] نشان داده شده است. مهمتر از همه، حضور حالت تزریق TICT / ایزومری شده منجر به کاهش سرعت فرآیند بازترکیب الکترون می شود [26،38،41]. این نیز در شکل 3B نشان داده شده است، که برای همان مقدار الکترون های تزریقی (تحرکات نرمالیزه شده)، بازترکیب الکترون برای D131 به علت تزویج قوی بین ICT از D131 کاتیونی و CB از TiO2سریع تر از سایر رنگ ها با بخش های رودانین است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، برای همان مقدار الکترون های تزریق شده، بازترکیب الکترون برای D149 و D205 در زمان فعلی بسیار مشابه است که می تواند عملکرد مشابه دو رنگ را در شرایط استاندارد نشان دهد [18]. به عنوان مثال، سلول های خورشیدی بر اساس هر دو رنگ، D149 و D205، کارایی مشابهی را به ترتیب 8.2 و 8.4 درصد نشان داد [18]. اگرچه زنجيره اکتيل در D205 مقدار الكترون تزريق شده از حالت TICT / ايزومري را به دليل دامنه پایینتر از اجزاي تزريق الكترون هاي كوچك (جدول 1) كاهش مي دهد، زنجيره اكتيل همچنان براي كاهش تجمع موجود در سطوح نيمه هادي و عملکرد بالا را در سلول های خورشیدی حائز اهمیت است [18]. بنابراین، خواص شناخته شده برای رودانین به عنوان یک گروه پذیرنده قوی که طیف رنگ جذب شده روی سطح را به سمت منطقه IR جذب می کند، اجازه می دهد که رنگ، جذب فوتون بیشتری داشته باشد، همچنین می تواند باعث شکل گیری وضعیت TICT /ایزومری شود که تاثیر مستقیمی روی فرآیندهای تزریق الکترون و فرایند بازترکیب دارد. 

3. نتایج
به طور خلاصه، مقايسه ديناميك هاي الكتروني با استفاده از حسگر پروب mid-IR، به ويژه فرآيند تزريق الكترون، براي رنگ هاي اندولين شناخته شده D131، D102، D149 و D205، روند تزريق آهسته الكترون را براي رنگ هاي حاوي مولكول رودانين نشان مي دهد. این فرآیند تزریق آهسته به علت شکل گیری وضعیت TICT / ایزومری است که تاثیر مستقیمی روی فرآیند بازترکیب الکترون و عملکرد این رنگ ها در سلول های خورشیدی دارد که قبلا نشان داده شده است [19،30،42،43]. همچنین بر خلاف دیدگاه سنتی که تزریق فوق سریع الکترون ها برای رنگهایی که در سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرند، تمام تحرکات را تحت تأثیر قرار می دهد، نرخ های تزریق آهسته نیز می تواند به کارایی بالا در سلول های خورشیدی روی این رنگها کمک کند. در نهایت، این مقاله راه را برای طراحی هوشمندانه تر رنگ های آلی با توجه به فرایندهای تصویری فیزیکی واقع شده روی سطوح نیمه هادی هموار می کند.

پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی بین 1،4- بنزوکوینون ها و مولکول های HF: اثرات هم افزایی، پتانسیل‌های کاهش (احیاء) و الکترون خواهی

Intermolecular hydrogen bonds between 1,4-benzoquinones and HF molecule: Synergetic effects, reduction potentials and electron affinities

Abstract

Some biological activities of quinones can be attributed to the H-bonding ability of acceptor oxygen atoms. According to the results obtained from the quantum mechanical calculations performed on a wide variety of complexes between the 1,4-benzoquinone (BQ) derivatives and HF molecules, the interplay between H-bonds and individual H-bond interaction energies (EHB) can be affected by the substituents placed on the six-membered ring of BQ. The total binding energies of complexes become more negative by the electron donating substituents (EDSs) while the changes are reversed by the electron withdrawing substituents (EWSs). The mutual interplay between the X-BQ∙∙∙)HF)n (n= 1-3) interactions has been investigated using the geometrical parameters, synergetic energies (SE) and the EHB values. Hydrogen bonding decreases the reduction potentials (E0 red) and increases the electron affinities (EA) of X-BQ derivatives. Linear relationships have been observed between the E 0 red (and EA) values and the Hammett constants of substituents.

1. Introduction

The quinone compounds are important in a wide variety of biological processes, such as cellular respiration, photosynthesis, blood coagulation, and tumor growth [1-4]. The quinone family, including anthraquinone, napthoquinone and benzoquinone, can readily be converted to the hydroquinone anion, via reaction with a hydride anion in a reversible process. They are also capable to accept one or two electrons to form a radical anion (Q •¯ ) or hydroquinone dianion (Q2−). So, they can inhibit the growth of tumors due to the high electron affinities and low redox potentials [5-7]. In addition to biological activity [8-10], the electron-accepting ability of quinones has a very important role in the organic and inorganic syntheses [11-16]. Benzoquinone derivatives have been specified as electron and proton carriers in photosynthetic and respiratory electron transport chains and as a redox component in the regulation of mitochondrial electron transport [17-22]. These act as primary and secondary electron acceptors in photosynthetic centers [23]. It has been shown that the hydrogen bond formation has an important effect on the structure and activity of quinone compounds in the biological systems [24-27]. The effects of molecular structure and environment on the equilibrium of electron transfer coupled with the H-bonding were obtained from investigation on the reduction potential of quinone systems [28]. The role of each H-bond can be modified by other H-bonds in many chemical and biological systems [29-31]. Recently, the interplay between two or more important non-covalent interactions has been studied in different systems experimentally and theoretically [9,19-33]. Investigation of this effect can be helpful for understanding many biological processes such as binding a drug to the active site of protein. 1,4-benzoquinone (BQ) derivatives are frequently used in many of drug structures. These compounds with four lone pairs of electrons on two oxygen atoms can potentially contribute in four H-bonds as acceptor. The study of synergetic effects can give valuable insights to drug designers when several H-bonds coexist in the BQ complexes. In this work, the active sites of BQ and its derivatives (X-BQ) were investigated by the quantum mechanical calculations on the quinones and hydrogen bonded complexes illustrated in Scheme 1. The HF molecule is small with one H bond donor, so the O∙∙∙HF interactions can be studied without additional unsuitable interactions. On the other hand, high electronegativity of F atom makes the mentioned H-bond interaction suitably strong. As can be seen, D1-D3 are binary complexes, T4-T6 are ternary complexes and Q7 is a quaternary complex. Comparison between the results of calculations obtained for three categories of complexes can be used to investigate the synergetic effects of interactions, the effect of each interaction on the electronic properties of remaining active sites, and the effects of substituents on the active sites of BQ skeleton.

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

مقدمه
تکنولوژی های متداول مانند تکنولوژی CMOS با مشکلاتی مانند جذب بالای نویز، مصرف انرژی بالا، اثرات اتصال کوتاه [1] و کاهش کنترل مدخل [2] مواجه شده اند. در نتیجه، امکان ساخت VLSI با مصرف کم توان، سرعت بالا، چگالی بالا و ساخت آسان، دشوارتر شده است. به این ترتیب، محققان مجبور هستند تا از تکنولوژی های جایگزین استفاده کنند. ترانزیستورهای الکترون تک {3}، دستگاه های مولکولی {4}، اسپین ترونیکس (چرخش انتقال الکترونیک) [5]، اتوماتای سلولی کوانتومی (QCA) {1،6،7} و ترانزیستورهای اثر میدان مغناطیسی لوله کربن-نانو (CNTFETs) {8،9} به عنوان تکنولوژی جایگزین در نظر گرفته شده اند {10 ، 11}.
بر اساس سه ضریب توان، مساحت و تاخیرزمانی، QCA می تواند به عنوان یک جایگزین برای تکنولوژی CMOS مورد توجه قرار گیرد.
در این مقاله، یک گیت سه داده کارمد QCA XOR با استفاده از تعامل صریح بین سلول های QCA پیشنهاد می کنیم. علاوه بر این، ما از نیم فاصله استفاده می کنیم. برای نشان دادن عملکرد مناسب مدخل پیشنهادی XOR، QCA 4 بیتی جمع کننده با بیت نقلی موج گونه (RCA) بر اساس پیشنهاد مدخلQCA XOR ساخته شده است.
معماری پیشنهادی با استفاده از طرح QCAD شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که معماری های پیشنهادی در مقایسه با دیگر معماری QCA دارای مزایایی هستند.
بقیه این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است: در قسمت “پیشینه تحقیق”، مرورکلی QCA و آثار مربوطه ارائه شده است.

مدخل سه داده جدید QCA XOR در بخش ” معماری پیشنهادی ” پیشنهاد شده است. علاوه بر این، ما یک سلول جمع کننده کامل تک بیتی QCA جدید و یک RCA 4 بیتی جدید بر اساس این دروازه XOR جدید ایجاد می کنیم. بخش «نتایج شبیه سازی و مقایسه» معماری پیشنهادی را با معماری دیگر از QCA مقایسه می کنیم. در نهایت بخش «نتیجه» این مقاله، نتیجه گیری می کند.
پیشینه تحقیق
سلول های کوانتومی
سلول های کوانتومی عناصر تونلی هستند که بر مبادلات و تعامل بین نقاط کوانتومی عمل می کند. سلول های کوانتومی به عنوان بلوک های مربعی شکل می گیرند که دو الکترون در آنها هستند. برخلاف ساختارهای متعارف، مقادیر منطقی در این ساختار با استفاده از سطوح ولتاژ نمایش داده نمی شوند، بلکه بر اساس موقعیت الکترون ها در نقاط کوانتومی تعیین می شود. این مفهوم در سال 1993 توسط لنت و همکاران ارائه شد. [6] با استفاده از QCA، ناحیه تراشه و مصرف برق به طور قابل توجهی کاهش می یابد و عملکرد فرکانس بطورقابل توجهی افزایش می یابد. شکل 1 یک سلول کوانتومی ساده را نشان می دهد.
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، یک فضای مربع با دو الکترون آزاد، سلول کوانتومی را تشکیل می دهد. یک نقطه در هر گوشه به نام نقاط کوانتومی وجود دارد. جفت الکترون در هر سلول می تواند با نقاط کوانتومی تونل حرکت کند، اما به دلیل برهم کنش کولنی بین آنها، که همیشه در قطر قرار دارند، موقعیت الکترون ها در سلول، قطب سلولی را تعیین می کند. این قطبی شدن دارای دو مقدار 1 و _1 است که در منطق باینری 1 و صفر تفسیر می شوند. بنابراین، اگر
یک سلول با قطب 1 در نزدیکی سلول های دیگر قرار گیرد، به علت انفجار بین الکترونها از دو سلول مجاور، قطب سلولی نیز به 1 تغییر می کند.
سیم های تماس QCA

شکل 2 روش های عبور سیم در تکنولوژی QCA را نشان می دهد.
در این تکنولوژی، سیم ها که از سلول های کوانتومی مشابه تشکیل می شوند، برای انتقال اطلاعات با یکدیگر همکاری می کنند. این بدان معنی است که پلاریزاسیون سلول های مجاور در طول سیم به علت تعاملات کولون انتقال داده می شود.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Introduction

The conventional technologies such as CMOS technology have faced with problems such as high-noise absorption, high-power consumption, short circuit effects [1], and reducing gate control [2]. As a result, the possibility of constructing VLSI with lowpower consumption, high-speed, high-density and easily build has become more difficult. Thus, the researchers are required to use the substitute technologies. Single electron transistors [3], molecular devices [4], Spintronics [5], Quantum-dot cellular automata (QCA) [1,6,7] and Carbon-Nano-Tube Field Effect Transistors (CNTFETs) [8,9] are considered as replaced technologies [10,11]. Based on three criteria power, area and delay time, QCA can be considered as an alternative for CMOS technology. In this paper, we propose an efficient 3-input QCA XOR gate using explicit interactions between QCA cells. In addition, we have use a half distance. To show the suitable functionality of the proposed XOR gate, a one-bit full adder and a 4-bit QCA Ripple Carry Adder (RCA) is constructed based on the proposed QCA XOR gate. The proposed architectures are simulated using QCADesigner. The simulation results show that the proposed architectures have advantages compared to other QCA architectures. The rest of this paper is organized as follows. In Section ‘‘Back ground”, an over view of the QCA and related works are presented. A novel 3-input QCA XOR gate is proposed in Section ‘‘The proposed architectures”. In addition, we construct a new QCA onebit full adder cell and a new 4-bit RCA based on this novel XOR gate. Section ‘‘Simulation and Comparison Results” compares the proposed architectures to other QCA architectures. Finally, Sectio n ‘‘Conclusion” concludes this paper.

Back ground

Quantum

cells Quantum cells are tunneling elements that act on the transaction and interaction between quantum dots. Quantum cells form as square blocks that are two electrons within them. Unlike conventional structures, the logical values in this structure are not displayed using voltage levels, but they are determined according to the position of electrons in quantum dots. This notion was proposed in 1993 by Lent et al. [6]. Using QCA, the chip area and powerconsumption are significantly reduced and the operating frequency are considerably increased. Fig. 1 shows a simplified quantum cell. As it is shown in Fig. 1, a square space with two free electrons constitute quantum cell. There is a point in every corner called quantum dots. Electron pairs in each cell can move by the tunneling quantum dots, but due to coulomb interaction between them, that are always located in diameter, position of electrons in the cell determines the cell polarity. This polarization has two values +1 and
1, which are interpreted in binary logic one and zero. So, if one cell with polarity +1 is placed near other cells, due to the repulsion between the electrons of two adjacent cells, the cell polarity also changes to +1.

QCA contact wires

Fig. 2 shows wire crossing methods in the QCA technology. In this technology, wires which are formed from the same quantum cells, interact with each other to transmit information. This means that the polarization of adjacent cells is transmitted along the wire due to coulomb interactions.

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده
1. مقدمه
2. تئوری
3. آزمایش
3.1. آماده سازی فیلم های a-Si:H
3.2 اندازه گیری های جریان نوری و تله
3.3 مشخص نمودن حالت شکاف
3.4 سلول های خورشیدی A-Si:H p-i-n
4. نتایج و بررسی
4.1 اشغال تله ها
4.2 منشا حاملان به دام افتاده
4.3 حمل و نقل و به دام افتادن حامل
4.4 توزیع حالت شکاف
4.5 دروازه های شکاف و به دام افتادن حامل
4.6 به دام افتادن حامل و عملکردهای سلول خورشیدی
5. نتایج

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1. مقدمه
به دام افتادن حامل, یک عامل کلیدی است که حمل و نقل حامل را در ادوات نیمه هادی بی نظم [1-5] محدود می کند. زمانی که حامل ها در آن ادوات به دام می افتند, به خصوص در لایه فعال, حاملان به دام افتاده منجر به بازترکیب Shockley–Read–Hall (SRH) می شود [6] و از اینرو طول عمر حامل کاهش می یابد. در کنار اینها, یک تجمع از حاملان به دام افتاده, شیفت سطح شبه-فرمی را همراه با حمش باند القا می کند [7,8], که می تواند موجب تنزل جمع آوری حامل شود. بنابراین به دام افتادن حامل روی بازترکیب و جمع آوری حامل تاثیر می گذارد به طوری که مطالعات در مورد به دام افتادن حامل برای درک حمل و نقل حامل و بهبود عملکرد وسیله سودمند هستند.
در نیمه هادی های بی نظم مانند سیلیکون بی نظم هیدروژنه (a-Si:H), حاملان ممکن است در حالات شکاف (که حالات موضعی نامیده می شوند) همراه با نقایص مختلف به دام بیافتند. حالات شکاف معمولاً به دو گروه طبقه بندی می شوند: حالات دم باند و حالات نیمه-شکاف [9,10]. حالات دم باند, مرتبط با اختلال شبکه از لبه های باند هدایت و ظرفیت (CB و VB) گسترش می یابند. حالات دم CB, تله های الکترون را نشان می دهند, در حالیکه حالات دم VB, تله های حفره را نشان می دهند [6]. به دلیل وجود این تله ها, تحرک حامل, u, به شدت محدود می شود. از سوی دیگر, حالات میان-شکاف که از پیوندهای آویزان (DBها) نشات می گیرند, نزدیک میانه باندگپ تشکیل می شوند. آنها به صورت مراکز بازترکیب برای حاملان رفتار می کنند. بنابراین, طول عمر حامل, T, اغلب تحت حاکمیت چگالی این حالات میان-شکاف است [6].
در میان نیمه هادی های بی نظم, a-Si:H به طور گسترده برای کاربردهای مختلف وسیله استفاده می شود. به طور مثال, در سلول های خورشیدی Si فیلم-نازک [11,12], یک فیلم a-Si:H به عنوان لایه فتوولتائیک استفاده می شود که نقش های مهمی را در حمل و نقل حاملان و جذب نور ایفا می کند. در سلول های خورشیدی پیوند-ناهمگون (c-Si) بلوری/بی نظم [13,14], یک لایه نازک a-Si:H برای رویینگی سطح c-Si به کار گرفته می شود و نیز به طور انتخابی حاملان را انتقال می دهد, یعنی الکترون ها یا حفره ها تا الکترودها. مشخص شده است که رویینگی و انتقال انتخابی برای این نوع سلول های خورشیدی با بازده-بالا مورد نیاز است [15].
تا به حال, به دام افتادن حامل در یک فیلم a-Si:H به خوبی توسط زمان تکنیک پرواز مطالعه شده است [2-5]. حالات شکاف, یعنی, منشا به دام افتادن حامل توسط چندین روش مانند روش جریان نوری ثابت (CPM) [16-19], طیف بینی جریان نوری تبدیل فوریه (FTPS) [20,21], طیف بینی (MPC) جریان نوری مدوله شده و طیف بینی گذرای سطح عمیق (DLTS) [23-25] مشخص شده است. به طور خاص, چگالی حالات میان-شکاف, مرتبط با DBها توسط رزونانس اسپین الکترون (ESR) [26,27] تعیین کمیت شده است. علاوه بر این, توزیع حالات میان-شکاف توسط هدایت-نوری پرتوی-دوگان (DBP) مطالعه شده است که در آن نور بایاس برای کنترل دقیق سطح شبه-فرمی [28] استفاده می شود. هرچند, تاثیر توزیع حالت شکاف روی به دام افتادن حامل و عملکرد وسیله به طور نظام مند بررسی شده است.
در این مقاله, ما به دام افتادن حامل در فیلم های ذاتی a-Si:H از نقطه نظر توزیع دم باند بررسی می کنیم. چگالی (الکترون) حامل به دام افتاده در دم CB, به طور کمیتی با استفاده از یک تکنیک پمپ-پروب نوری تعیین می شود. این تکنیک قبلاً برای نظارت آزمایشگاهی بر فرآیندهای رشد فیلم در a-Si:H [29] به کار برده شده است. به دلیل حساسیت و راحتی بالای آن, ما این تکنیک را به مشخص نمودن خارج از آزمایشگاهی a-Si:H در این مقاله گسترش دادیم. یک مزیت این تکنیک اینست که می توان چگالی تله های الکترون ها در نمونه ها با ضخامت حدود چند صد نانومتر را ارزیابی نمود [29] که شامل ضخامت نوعی در سلول های خورشیدی a-Si:H مدرن می شود [11,12]. این متضاد با مورد تکنیک زمان پرواز است که در آن نمونه های دارای ضخامت چندین میکرومتر لازم هستند [2-5]. با استفاده از این تکنیک پمپ-پروب و CPM, یک همبستگی بین چگالی الکترون به دام افتاده و گسترش دم VB مطالعه شده است. اثرات به دام افتادن حامل روی عملکردهای وسیله در سلول های خورشیدی a-Si:H p-i-n بررسی شده است.
این مقاله شامل بخش های زیر می شود. در بخش بعدی (بخش 2), یک تئوری برای تولید و بازترکیب حامل به طور خلاصه به منظور به دست آوردن چگالی حامل به دام افتاده توصیف شده است. در بخش آزمایشی (بخش 3), ما تهیه نمونه, تکنیک های مشخص نموده تله و ساختار سلول خورشیدی a-Si:H را توضیح می دهیم. در نتایج و بررسی (بخش 4), چگالی حامل به دام افتاده, توزیع دم حالت و عملکرد وسیله گزارش شده است. سپس, کار, منشا تله ها, حمل و نقل حامل و به دام افتادن مورد بررسی قرار می گیرند. نهایتاً, عملکردهای سلول خورشیدی از نظر حمل و نقل حامل و به دام افتادن آن بررسی می شوند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Carrier trapping is a key factor that restricts carrier transport in amorphous semiconductor devices [1–5]. Once carriers are trapped in those devices, particularly in the active layer, the trapped carriers result in the Shockley–Read–Hall (SRH) recombination [6], and thereby the carrier lifetime is reduced. Besides, an accumulation of trapped carriers induces the quasi-Fermi level shift accompanying band bending [7,8], which may degrade the carrier collection. The carrier trapping thus impacts on the carrier recombination and collection so that studies on carrier trapping are beneficial for understanding the carrier transport and improving the device performance. In amorphous semiconductors such as hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), carriers can be trapped at gap states (also called localized states) associated with various defects. The gap states are usually classified into two groups: the band tail states and the mid-gap states [9,10]. The band tail states, related to the network disorder, are extended from the conduction and valence band (CB and VB) edges. The CB tail states exhibit electron traps whereas the VB tail states exhibit hole traps [6]. Because of the existence of these traps, the carrier mobility, μ, is strongly limited. On the other hand, the mid-gap states, originating from dangling bonds (DBs), are formed near the middle of bandgap. They behave as recombination centers for carriers. So, the carrier lifetime, τ, is often governed by the density of these mid-gap states [6]. Among amorphous semiconductors, a-Si:H is widely used for various device applications. For example, in thin-film Si solar cells [11,12], an a-Si:H film is used as a photovoltaic layer that plays important roles in carrier transport as well as light absorption. In amorphous/crystalline Si (c-Si) hetero-junction solar cells [13,14], a thin layer of a-Si:H is employed to passivate the c-Si surface and also selectively transfer carriers, i.e., either electrons or holes to electrodes. The passivation and selective transfer are known to be required for this kind of highefficiency solar cells [15]. So far, carrier trapping in an a-Si:H film has been well studied by time of flight technique [2–5]. The gap states, i.e., the origin of carrier trapping, have been characterized by several methods such as constant photocurrent method (CPM) [16–19], Fourier transform photocurrent spectroscopy (FTPS) [20,21], modulated photocurrent (MPC) spectroscopy [22], and deep level transient spectroscopy (DLTS) [23–25]. Particularly, the density of mid-gap states, related to DBs, have been quantified by electron spin resonance (ESR) [26,27]. Furthermore, the distribution of the mid-gap states is studied by dual-beam photoconductivity (DBP), in which the bias light is used to precisely control the quasi-Fermi level [28]. Nevertheless, the impact of the gap state distribution on carrier trapping and the device performance have not been investigated systematically. In this paper, we investigate carrier trapping in intrinsic a-Si:H films from the viewpoint of the band tail distribution. The trapped carrier (electron) density at the CB tail are determined quantitatively, using an optical pump-probe technique. This technique has been already applied to in-situ monitoring of film growth processes in a-Si:H [29]. Because of its high sensitivity and convenience, we extend this technique to ex-situ characterization of a-Si:H in this article. One advantage of this technique is that one can evaluate the density of electron traps in the samples with a thickness of up to several hundred nm [29], which includes the typical thickness in the state-of-art a-Si:H solar cells [11,12]. This is in contrast with the case of time-of-flight technique, where the samples having a thickness of several micron meters are necessary [2–5]. Using this pump-probe technique and CPM, a correlation between the trapped electron density and the VB tail broadening is studied. The effects of carrier trapping on the device performances are examined in a-Si:H p-i-n solar cells. The paper consists of the following parts. In the next section (Section 2), a theory for carrier generation and recombination is briefly described to derive the trapped carrier density. In experimental section (Section 3), we explain sample preparation, trap characterization techniques, and a-Si:H solar cell structure. In results and discussion (Section 4), the trapped carrier density, the tail state distribution and the device performance are reported. The occupation, the origin of traps, carrier transport and trapping are then discussed. Finally, the solar cell performances are examined in terms of carrier transport and trapping.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) (ترجمه به صورت ناقص انجام شده است)

به منظور بررسی تغییرات سطح مقطع ساختار و ترکیب فیلم های حرارت دهی شده، سطح مقطع عای TEM، خطوط اسکن EDS و پروفایل های عمق کندوپاش XPS به ترتیب در شکل های 2a، b و c نشان داده شده است. در تصویر 2a از راست به چپ SiO2 اکسید شده روی Si، فیلم ZCAN حرارت دهی شده به مدت 60 دقیقه در 300 درجه و لایه های نامنظم کربنی که برای جلوگیری از آسیب نمونه در حین فرایند FIB استفاده می شود نشان داده شده است. همان طور که در شکل 2a نشان داده شده فیلم ZCAN فاقد نواحی بلوری است و این نشان می دهد که فیلم پس از حرارت دهی 300 درجه در هوا، غیربلوری باقی می‌ماند. به نظر می‌رسد فیلم دارای یک لایه سطح یکنواخت با دانسیته الکترونی پایین و ضخامت 20 نانومتر است. درجه هایی از زبری سطح که منجر به تغییر ضخامت می گردد مشاهده شده است (شکل 1c). یک خط اسکن EDS از شکل 2a در شکل 2b نشان داده شده است. این خط اسکن که لایه سطحی دیده شده را تایید می کند می تواند به تشکیل اکسید نسبت داده شود. در لایه سطحی اکسید نیز غلظت Zr و Al افزایش و غلظت Cu و Ni کاهش می یابد که به تغییر مشاهده شده در شکل 1d مربوط می شود. این نتایج دلالت بر این موضوع دارد که لایه ای حاوی اکسیدهای Zr و Al در حین حرارت دهی برروی سطح فیلم ایجاد می شود. افزایش اکسیدهای Zr و Al بعد از حرارت دهی در 300 درجه، مطالعات قبلی اکسیداسیون ZCAN BMG را تایید می کند اما فقدان اکسید Cu روی سطح با برخی از مطالعات قبلی تطابق دارد [17] و با برخی مغایرت دارد [18]. به علاوه در نزدیکی فصل مشترک لایه اکسید و فیلم ZCAN به ترتیب در عمق 23 و 30 نانومتر دو ناحیه غنی از Cu و Vi دیده می شود. یک پروفایل عمق XPS از همان نمونه نیز در شکل 2c نشان داده شده و روند مشابهی از نظر ترکیب و ضخامت فیلم دارد.
یک لایه نازک روشن تر که در تصویر BFTEM (شکل2a) در فصل مشترکSiO2 دیده می شود و سیگنال انتهاییZr در فصل مشترک SiO2 نشان دهنده این است که یک لایه اکسید در فصل مشترک بین فیلم ZCAN و لایه SiO2 تشکیل می شود که با گزارشات قبلی تطبیق دارد [13].
برای دستیابی به چشم اندازه درمورد تغییراتی که در حین فرایند حرارت دهی رخ می دهد پروفایل های عمق کندوپاش XPS حالت شیمیایی در شکل 3 برای نمونه های لایه نشانی شده و نمونه های حرارت دهی شده در بازه های مختلف نشان داده شده است. مشاهده شده که (شکل 3a) فیلم، دارای توزیع نسبتا یکنواختی از فلزات است و محتوی Zr و Ni آن به آرامی افزایش و در مقابل Cu و Ni در همان مناطق کاهش می یابد [19]. مقدار کمی اکسیژن، که در طول لایه نشانی پیوند می دهد، در طول ضخامت فیلم دیده می شود. ترکیب اتمی توده فیلم ها با استفاده از مقدار غلظت متوسط در منطقه تخمین زده شد. ترکیب اتمی فیلم حدود 47 at% Zr، 32 at% Cu، 5 at% Al، 11 at% Ni و 5 at% O است. نمونه های قبلی که در شرایط مشابه لایه نشانی شدند تطابق بهتری با ترکیب هدف داشتند و این امر نشان می دهد کندوپاش حرفه ای ممکن است منجر به کاهش محتوی Al شود [8]. تخمین زده شده غلظت اکسیژن در فیلم 5 at% است در صورتی که بعد از حرارت دهی در 300 درجه به مدت 5 دقیقه (شکل 3b) سیگنال اکسیژن در ضخامت فیلم تا 2 at% کاهش یافت. این داده ها نشان می دهد اکسیژن پیوندی در طی مراحل ابتدایی حرارت دهی از داخل فیلم نفوذ می‌کند. تغییرات اندک محتوی اکسیژن (1.6+0.6 at%) در فیلم نازک ZCAN با حرارت دهی اضافی از 15 تا 120 دقیقه مشاهده گردید.
علاوه بر نفوذ اکسیژن از توده فیلم، در فصل مشترک لایه اکسید و فیلم فلزی ZCAN جدایی Cu و Ni نیز اتفاق می افتد که منجر به ایجاد مناطق غنی از Cu و Ni می گردد. این موضوع در پروفایل های عمق کندوپاش XPS حرارت دهی 60 دقیقه ای (شکل2) نیز دیده می شود. نفوذ فلز Ni و Cu در مرز اکسید نیز در حین اکسیداسیون ZCAN BMG مشاهده شد [20]. در مطالعه فعلی، پدیده مشابهی مشاهده گردید اما هندسه فیلم نازک منجر به غنی شدن این گونه ها در فصل مشترک اکسید می شود. این روند با افزایش زمان حرارت دهی افزایش می یابد (شکل 3c-f) و تا جایی که مناطق غنی از Cu و Ni در طول رشد سطح لایه اکسید Zr و Al از هم جدا می شود. این فرایند در شکل4 خلاصه شده است. همان طور که در شکل 4a دیده می شود ماکسیمم غلظت Cu از 5 تا 15 دقیقه از مقدار 38 تا 3/54 افزایش می یابد و با افزایش زمان حرارت دهی تغییرات اندکی می کند (53 تا 56%). افزایش ماکسیمم غلظت Ni به صورت تدریجی رخ می دهد به صورتی که ماکسیمم از 1/11 تا 5/19 درصد در 5 تا 30 دقیقه با افزایش مینیممی کمتر از 1 at% بین 30 تا 120 دقیقه زمان حرارت دهی اتفاق می افتد. همان طور که در شکل 4b نشان داده شده مکان نواحی غنی از Cu و غنی از Ni حتی با رشد سطح اکسید با افزایش زمان حرارت دهی نسبتا ثابت باقی می ماند. در نواحی غنی از Cu که در حین حرارت دهی ایجاد می شود (شکل 3c-f) محتوی zr کاهش می یابدو این امر با مشاهدات قبلی درمورد جدایی این گونه ها در حین حرارت دهی دمای پایین در فیلم نازک [13] و توده ZCAN [21] تطابق دارد.
همان طور که در شکل 4b دیده می شود غلظت اکسید پس از 5 تا 30 دقیقه حرارت دهی به ترتیب به طور چشمگیری 2 تا 15 نانومتر افزایش می یابد و سپس بعد از 120 دقیقه به آرامی تا 17 نانومتر افزایش می یابد. بررسی های قبلی ZCAN BMG نشان می دهد اکسیداسیون سطحی در شرایط مورد مطالعه، از یک الگوی سهموی پیروی می کند [23]. یک خط‌چین در شکل 4b نشان داده شده که طول نفوذی سهموی d=√4Dt را تعیین می کند به طوریکه D ضریب نفوذ و t رمان نفوذ است. با تقریب مناسبی D=2.9e-20 m2/s داده های تجربی زمان حرارت دهی بین 0 تا 30 دقیقه را نوجیه می کند. این مقدار یک درجه بزرگی مقداری است که برای نفوذ Ni در ZCAN BMGبه دست آمد [24]. ارتباط نزدیک بین رشد اکسید و نفوذهای تجربی به دست آمده نشان می دهد همان طور که تحقیقات قبلی تایید کرده بود، اکسیداسیون سطحی در ابتدا به وسیله نفوذ معکوس Ni و یا Cu درZCAN BMG محدود می شود. باید دقت شود که طول نفوذ متناظر D=2.9e-20 در زمان 60 دقیقه برای گستره وسیعی از منطقه اکسید شده (تاریک) که در آنالیز HAADF در بالا وجود دارد (شکل 1C) سازگار است و نشان می دهد اکسیداسیون جانبی نیز ممکن است با نفوذ Ni و یا Cu در فیلم کمترل شود.
در زمان های حرارت دهی بین 30 تا 120 دقیقه رشد ضخامت اکسید از حالت سهموی منحرف می شود که نشان دهنده این است که اکسیداسیون ممکن است به وسیله نفوذ یک ماده دیگر مانند Zr محدود شده باشد. رشد اکسید بین 30 تا 120 دقیقه را می توان به خوبی با رابطه خطی تقریب زد و در نتیجه یک نرخ رشد اکسید برابر 0.032 nm/min به دست می دهد. این نرخ رشد با مطالعات قبلی اکسیداسیون فلز Zrتطابق دارد [25]. در مطالعات قبلی اکسیداسیون Zr را می توان به دو رژیم سریع ابتدایی و به دنبال آن یک رژیم آرام تر نسبتا خطی تقسیم کرد. برای 30 درجه این انتقال در نزدیکی 40 دقیقه رخ داد و نرخ رشد برای زمان بیشتر از 40 دقیقه حدود 0.03 nm/min بود [25]. هم زمان انتقال و هم نرخ رشد با مطالعه حاضر تطابق دارد و نشان می دهد رشد اکسید در زمان های حرارت دهی بیشتر (30 تا 120 دقیقه) ممکن است با نفوذ بیشتر Zr کنترل شود.
براساس تئوری های رشد اکسید کنترل شده میدان الکتریکی می توان رفتار اکسیداسیون دده شده را بیشتر توصیف کرد [26]. می توان گفت اختلاف پتانسیلی در لایه بین اکسیژن سطحی جذب شده و فلز یجاد می شود و این میدان الکتریکی به وجود آمده موجب نفوذ کاتیون ( در این مورد Zr) در اکسید در حال رشد می گردد. نیروی محرکه این رشد موجب حفره الکترونی در طول لایه اکسید می شود که تا رسیدن به یک ضخامت بحرانی مه درآن افت رشد اکسید رخ می دهد، به صورت نمایی با فاصله کاهش می یابد. بزرگ تر بودن ضخامت اکسید در این مطالعه (15 نانومتر) در مقایسه با مطالعه قبلی فلز Zr(2.5 نانومتر) را می توان با کمتر بودن فشار اکسیژن در مطالعه قبلی (PO2=2e-6 pa) و یا تفاوت ترکیب فلز توجیه کرد [25]
حال مشاهدات خود درمورد ناهمگونی ترکیبی که در طول مراحل ابتدایی اکسیداسیون حرارتی فیلم های نازک ZCAN مشاهده شد را به طور خلاصه بیان می کنیم. حرارت دهی در دمای 300 درجه موجب مهاجرت اکسیژن پیوندی در طول لایه نشانی توده فیلم ZCAN حتی در زمان های کوتاه می شود. به طور مشابه ضخامت لایه اکسید زیاد می شود. در ابتدا Zr و Al در سطح فیلم در دسترس است در نتیجه تشکیل اکسید توسط نفوذ معکوس Cu و Ni محدود شده و منجر به رشد سریع اکسید در زمان کمتر از 30 ذقیقه می شود. رشد در این رژیم ممکن است با مهاجرت کاتیون های zr به سطح اکسید از طریق میدان الکتریکی لایه اکسید بیشتر شود. جابجایی Cu و Ni منجر به افزایش این گونه ها در سطح مشترک اکسید- فیلم می شود. Ni به علت نفوذ بهتر نسبت به Cu راحت تر جابجا می شود [27] و این امر موجب ایجاد لایه اکسید مجاور می شود. در زمان های بیشتر از 30 دقیقه مقدار بیشتری از فلز Zr در نزدیکی سطح فیلم اکسید می شود و رشد توسط نفوذ Zr محدود می شود که در نتیجه نرخ رشد با اکسیداسیون فلز Zr کنترل می شود [25]. پیشنهاد شده با اکسیداسیون که لایه چگالی از ZrO2 تشکیل می شود و همان طور که فلز Zr در اکسیداسیون مصرف می شود لایه ای غنی از مس در زیر تشکیل می شود. از آن جا که این مطالعات در دمای اتاق انجام شد رشد چشمگیری در لابه ZrO2 دیده شد.

4. نتیجه گیری
اکسیداسیون حرارتی فیلم نامتبلور فلزیZCAN برای زمان های کوتاه (کمتر از 60 دقیقه) و دماهای پایین (300 درجه) منجر به ناهمگونی های چشمگیری در دو جهت عمودی و افقی می گردد. ما دریافتیم که بدون توجه به شرایط اکسیداسیون مورد مطالعه فیلم ها نامتبلور باقی می ماند. پیوند اکسیداسیون حین لایه نشانی می تواند به پایداری فاز نامتبلور کمک کند اما ما دریافتیم که حتی در مراحل ابتدایی حرارت دهی، اکسیژن بسیار متحرک است. نفوذ سریع اکسیژن در فیلم ZCAN ممکن است منجر به ناپایداری خواص ماده و دستگاه شود. مراحل ابتدایی اکسیداسیون سطحی با مطالعات قبلی تطابق دارد اما ما مشاهده کردیم که شرایط مرزی منحصر به فرد فیلم های نازک منجر به تفاوت هایی در خواص اکسیداسیون فیلم های ZCAAN می شود. این بررسی جزئی نقش نفوذ هرگونه فلزی، چشم اندازی درمرد مراحل ابتدایی فرایند اکسیداسیون سطحی به دست می دهد که انتظار می رود در تعیین پایداری فیلم های نازک ZCAAN برای بسیاری از کاربردها مفید واقع شود.

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده
1- مقدمه
2 آزمایش
2-1 دستگاه ها و معرف ها
2-2 تعیین مشخصات
2-3 تهیه نانوذرات مغناطیسی
آزمایشات جذب
آزمایشات دفع
نتایج و بحث
3-2-2 سینتیک جذب
3-2-3 ایزوترم های جذب سطحی
3-2-4 بازیافت جاذب
4-نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1- مقدمه
رنگ یکی از مهم ترین آلاینده های شناسایی شده در میان آلاینده های فاضلاب حاصل از نساجی می باشد. در عین حال،رنگ های آلی یا ارگانیک به طور گسترده ای در صنایع نساجی، کاغذ، چاپ، عکاسی رنگی،دارویی،چرم،محصولات آرایشی،پلاستیک وسایر صنایع استفاده می شود.بسیاری از این رنگ ها سرطان زا، موتاژنیک و تتراژنیک هستند و از این روی برای انسان، میکرو ارگانیسم ها و ماهی ها سمی هستند. حذف رنک ها از فاضلاب از نظر محیط زیستی اهمیت دارد(2). تا کنون فناوری مختلف از جمله جذب، انعقاد، فلوکوله شدن، فرایند اکسیداسیون پیشرفته،اوزوناسیون، فیلتراسیون ممبران و تصفیه بیولوژیک برای حذف رنگ ها از فاضلاب پیشنهاد شده اند(3-4). جذب یک روش جذاب برای حذف رنگ آلی به دلیل هزینه پایین آن است. از این روی بسیاری از جاذب ها نظیر کربن فعال، کائولین، رس مونت موریلونیت، گل قرمز، رس آجر پزی و. غیره قادر به رنگ زدایی فاضلاب می باشند. به عنوان یک جاذب، نانو مواد مغناطیسی با سطوح بزرگ ، خواص مغناطیسی منحصر به فرد و هزینه پایین، به یک ابزار مهم در زمینه های مختلف تبدیل شده اند. چون نانوذرات Fe3O4 زیست سازگار، با سمیت کم تر، به آسانی قابل سنتز، اقتصادی و سازگار با محیط زیست هستند، بسیاری از جاذب ها از طریق اصلاح نانوذرات Fe3O4 با ترکیبات الی متنوع تولید شده اند. با این حال تعداد کمی از مقاله هاجذب رنگ ها را با ذرات مغناطیسی کراس لینک شده با اسید آمینه نشان داده اند.
در این مطالعه ما به بررسی سنتز و رفتار جذب نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 اصلاح شده با پلی لیزین و 3-گلیکوزید اکسی پروپیل تری متوکسیلین پرداختیم. نانوذرات مغناطیسی با طیف های مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی عبوری، انکسار اشعه ایکس، تحلیل ترموگراویمتری و طیف سنج فوتوالکترون اشعه ایکس مشخص شدند. برای درک مکانیسم جذب MNP، ما به بررسی ظرفیت جذب آنیونی Fe3O4@GPTMS@P-Lys به صورت تابعی از زمان، غلظت رنگ و اسیدیته پرداختیم.MNP می تواند به طور موثری رنگ های آمیونی از جمله متیل بلو، اورانژ، آمارانث و قرمز اسیدی 18 از محلول آبی حذف کرد.
آزمایش
2-1 دستگاه ها و معرف ها
همه معرف ها دارای گرید تحلیلی بودند و بر اساس توصیه های کارخانه استفاده شدند. فریک کلرید، فروز سولفات، پلی لیزین، انیدروز سدیم کربنات و چهار رنگ آلی شامل قرمز اسیدی18، اورانژ، متیل بلو، آمارانث از سینوپرهام خریدتری شد. سدیم هیدروکسید و تولوئن از شرکت نیامچین خریداری شد.
2-2 تعیین مشخصات
اندازه ذرات و ویژگی های ریخت شناسی MNP ها با TEM مشخص شد. طیف های مادون قرمز با طیف سنج مادون قرمز نزدیک Bruker VERTEX 70 FT-IR تشخیص داده شدند. خواص مغناطیسی MNP با یک مغناطیس سنج تحلیل شدند. آنالیز گراویمتری در دمای 10 درجه در دقیقه زیر چریان نیتروژن انجام شد. آنالیزور انکسار اشعه ایکس Bruker D8 Advance با تابش Cu Ka برای اندازه گیری انکسار اشعه ایکس استفاده شد. مقادیر اسیدیته با پی اچ سنج PHS-3C اندازه گیری شد. طیف سنج UV-4100 برای تعیین غلظت رنگ های آلی در محلول استفاده شد. پتانسیل زتای مواد با PALS اندازه گیری شد. سطح مقطع ویژه و توزیع ذرات منفذی با نالیزور سطح مقطع و تخلخل اندازه گیری شد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Dye is one of the most significant identified contaminant among the various pollutants of wastewater because of its high toxicity and possible accumulation in the environment. At the same time, organic dyes are extensively used in various branches such as textile, paper, printing, color photography, pharmaceutical, leather, cosmetics, plastic and other industries [1]. Many of these dyes are carcinogenic, mutagenic and teratogenic, so they are toxic to human, microorganisms and fish species. Removal of dyes from wastewater becomes environmentally important [2]. So far, several technologies, including adsorption, coagulation, flocculation, advanced oxidation processes, ozonation, membrane filtration and biological treatment, have been developed and implemented for the purpose of removing the dyes from wastewater [3,4]. Adsorption is an attractive method for the removal of organic dye because of its low cost [5]. Therefore, many adsorbents such as activated carbon [6], kaolin [7], montmorillonite clay [8], waste red mud [9], fullers earth and fired clay [10], were reported to decolorize wastewater. As adsorbent, magnetic nanomaterial possessing large surface areas, unique magnetic properties and low cost, has become an increasingly popular tool in various fields. Because Fe3O4 nanoparticles are biocompatible, low toxic, easily synthesized, particularly economic and environmental friendly [11], many adsorbents were synthesized through surface modification of Fe3O4 nanoparticles with diverse organic compounds. However, a few papers have reported on the adsorption of dyes by the magnetic particles cross-linked with amino acid until now. In our previous work, we reported four kinds of magnetic adsorbents for removing organic dyes [12–15]. The magnetic adsorbent modified with lysine (Fe3O4@GPTMS@Lys) could remove cationic and anionic dyes. However, the maximum adsorption quantity (qm) for anionic dye is below 100 mg/g [15]. In this work, Fe3O4 nanoparticles modified with poly-lysine (Fe3O4@GPTMS@P-Lys) could enhance the maximum adsorption capacity for various anionic dyes including methyl blue (MB), orange I (OR-I), amaranth (AM) and acid red 18 (AR-18) (Fig. 1), because the number of amino group influences qm for anionic dyes and poly-lysine contains much more amino groups than lysine. We have studied the adsorption isotherms, kinetics, desorption and reuse of the MNPs. Furthermore, the Fe3O4@GPTMS@P-Lys MNPs possess high surface areas which lead to higher adsorption capacity and strong superparamagnetic properties that can be handled in an external magnetic field [16].

2. Experimental

2.1. Apparatus and reagents All reagents were of analytical reagent-grade and were used as supplied. Ferric chloride (FeCl36H2O), ferrous sulfate (FeSO47H2O), poly-lysine, anhydrous sodium carbonate (Na2CO3) and four organic dyes acid red 18 (AR-18), orange I (OR-I), methyl blue (MB), amaranth (AM) were purchased from Sinopharm Chemical. Sodium hydroxide (NaOH) and toluene were from Tianjin Guangcheng Chemical. 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) was from J&K Chemical. Aqueous solutions of organic dyes were prepared with deionized water. 2.2. Characterization The particle size and morphological characteristics of the MNPs were detected with a transmission electron microscope (TEM, JEM-1011). Infra-red (IR) spectra were recorded with an IR spectrophotometer Bruker VERTEX 70 FT-IR (Germany). The magnetic properties of the MNPs were analyzed by a vibrating sample magnetometer (VSM, JDM-13E). Thermo gravimetric analysis (TGA) involved use of an SDTQ600 thermo gravimetric analyzer (USA) at 10 C/min under nitrogen flow. A Bruker D8 Advance X-ray diffraction analyzer (Germany) with Cu Ka radiation was used for Xray diffraction (XRD) measurements. pH values were measured with a PHS-3C pH-meter (Tianyou, Shanghai). A UV-4100 spectro photometer (Hitachi) was used to determine organic dyes concentration in solution. Zeta potential of synthesized materials was measured with Zeta PALS (USA). The specific surface area and pore size distribution were performed with Surface Area and Porosity Analyzer (ASAP 2020 HD88). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was recorded on ESCALAB 250 (ThermoFisher SCIENTIFIC).

ترانزیستور بدون پیوند گیت-دوبل دی الکتریک-گیت-گوناگون (HGJLT) با اثرات تونل باند-به-باند کاهش یافته در رژیم زیرآستانه

Hetero-gate-dielectric double gate junctionless transistor (HGJLT) with reduced band-to-band tunnelling effects in subthreshold regime

Abstract

We propose a hetero-gate-dielectric double gate junctionless transistor (HGJLT), taking high-k gate insulator at source side and low-k gate insulator at drain side, which reduces the effects of band-to-band tunnelling (BTBT) in the sub-threshold region. A junctionless transistor (JLT) is turned off by the depletion of carriers in the highly doped thin channel (device layer) which results in a significant band overlap between the valence band of the channel region and the conduction band of the drain region, due to off-state drain bias, that triggers electrons to tunnel from the valence band of the channel region to the conduction band of the drain region leaving behind holes in the channel.These effects of band-to-band tunnelling increase the sub-threshold leakage current, and the accumulation of holes in the channel forms a parasitic bipolar junction transistor (n–p–n BJT for channel JLT) in the lateral direction by the source (emitter), channel (base) and drain (collector) regions in JLT structure in off-state. The proposed HGJLT reduces the subthreshold leakage current and suppresses the parasitic BJT action in off-state by reducing the band-to-band tunnelling probability.

1 Introduction

Recently, junctionless transistors (JLT)Œ1, based on Lilienfeld’s device, are being studied to overcome the scaling limitation of MOSFETs due to the simple fabrication steps of JLTs compared with those in conventional MOSFETs. Junctionless transistors do not have any metallurgical p–n junction unlike MOSFETs. They have NCN CN C or PCP CP C structures with thin body and highly doped channel and the source, channel and drain have uniform doping. A JLT is turned off by the depletion of carriers in the channel by a suitable work function difference of gate material and channel and turned on by bulk conduction of current through the thin highly doped channel. Different types of structures for junctionless transistor have also been proposed and fabricated, such as, junctionless nanowire gate-all-around (GAA) architectures, multi-gated nanowire architectures with silicon-on-insulator (SOI) and with bulk substrate, planar junctionless transistor on bulk substrate, planar junctionless transistor with non-uniform doping etc.

Many research works explore the physics of the junctionless transistorŒ4; 5; 8; 9 and the effect of band-to-band tunnelling (BTBT) on their characteristics has been studied in Refs. [10– 15]. The effect of band-to-band tunnelling, in off-state of JLT, has been studied in detail in Ref. [10]. In off-state, the suitable off current is maintained by the depletion of carriers in the channel on applying the work function difference in between the gate metal and the channel (MS/ and on application of drain bias, the conduction band of drain overlaps the valence band of the channel that triggers the electron to tunnel from the valence band of the channel to the conduction band of the drain (n-channel JLT). When an electron tunnels from the valence band of the channel to the conduction band of the drain, it creates holes in the channel and due to accumulation of holes in the channel, a parasitic bipolar junction transistor (n–p–n BJT for channel JLT) is formed in the lateral direction by the source (emitter), channel (base) and drain (collector) regions in JLT structure in off-state.The accumulation of holes increases the potential of a floating-body channel (base of parasitic BJT) and turns on the parasitic BJT by forward biasing the base-emitter junction, resulting in a large drain current (collector current of the BJT) in off-state of JLT. In this context, large static power dissipation due to large leakage current in off-state, which increases with the decrease of gate length from one technological node to the next one, has become a big problem for low standby power (LSTP) applications. Here, band-to-band tunnelling (BTBT) in off-state significantly affects the sub-threshold leakage current, and has to be handled carefully to reduce the static power dissipation.

Recently, the hetero-gate-dielectric tunnel field effect transistors (HGTFETs) have been theoretically proposed16; 17 and also experimentally investigatedŒ18 to improve electrical characteristics. It has been shown that the hetero-gate-dielectric tunnel field effect transistors (HGTFETs) have higher on current, lower ambipolar leakage current and smaller subthreshold slope without sacrificing chip density. The physics of ambipolar leakage current in TFETs is the same as the effect of bandto-band tunnelling in JLTs. Hence, combining the advantages of the hetero-gate-dielectric structure and junctionless transistor, we propose a hetero-gate-dielectric double gate junction- less transistor (HGJLT) to optimize electrical characteristics by reducing the band-to-band tunnelling (BTBT) current in sub threshold regimes. It has been shown that HGJLT has lower sub threshold leakage current and it suppresses the parasitic BJT action.

دیودهای ساطع کننده نور با چند چاه-کوانتوم با یک ترکیب InN درجه بندی برای حذف نوترکیبی Auger

InGaN/GaN multiple-quantum-well light-emitting diodes with a grading InN composition suppressing the Auger recombination

In conventional InGaN/GaN light-emitting diodes (LEDs), thin InGaN quantum wells are usually adopted to mitigate the quantum confined Stark effect (QCSE), caused due to strong polarization induced electric field, through spatially confining electrons and holes in small recombination volumes. However, this inevitably increases the carrier density in quantum wells, which in turn aggravates the Auger recombination, since the Auger recombination scales with the third power of the carrier density. As a result, the efficiency droop of the Auger recombination severely limits the LED performance. Here, we proposed and showed wide InGaN quantum wells with the InN composition linearly grading along the growth orientation in LED structures suppressing the Auger recombination and the QCSE simultaneously. Theoretically, the physical mechanisms behind the Auger recombination suppression are also revealed. The proposed LED structure has experimentally demonstrated significant improvement in optical output power and efficiency droop, proving to be an effective solution to this important problem of Auger recombination.

Both electrically and optically, InGaN/GaN light-emitting diodes (LEDs) have promised higher efficiency and reliability as the blue light sources for white light generation. Hence, they are regarded as excellent candidates for artificial lighting to replace the incumbent conventional fluorescent and incandescent lighting sources. For that a significant progress has been made for InGaN/GaN LEDs in the past several decades.1 However, the LED efficiency has been so far still limited and especially high levels of efficiency droop have commonly been observed at high current density, caused by several factors including electron overflow,2,3 Shockley-Read-Hall (SRH) recombination,4,5 and Auger recombination.6 Among them, the Auger recombination is more severe under a high injection current level, since the Auger recombination scales with the third power of the carrier density (n3 with n denoted as the density of the captured carriers in quantum wells). Therefore, it is very important to suppress the Auger recombination to improve the LED performance. To address the Auger-related issues and enhance the LED performance, one can consider increasing the quantum well thickness and homogenizing the carrier distribution within the quantum wells to reduce the carrier density. Nevertheless, InGaN/GaN LEDs grown along the [0001] orientation suffer from the strong polarization induced electric field in the quantum wells.7 Consequently, a tilted energy band alignment is produced, which in turn causes electron and hole separation and carrier accumulation at the opposite interfaces of the polarization mismatched quantum well and quantum barrier heterojunction. A more homogeneous carrier distribution can be realized by the LED structures based on nonpolar and semipolar growth planes.8,9 Moreover, even in the case of the [0001] orientation, the polarization matched condition can be realized by embedding InGaN quantum wells between the properly alloyed quaternary AlGaInN quantum barriers.10 However, the cost of the nonpolar/semipolar substrates and the limited freedom of epitaxial growth for the quaternary AlGaInN compounds hinder the wide adoption of these solutions. On the other hand, due to the mobility and doping asymmetry for electrons and holes, the electron density is normally higher than the hole density in the quantum wells, and hence the Auger recombination can be effectively reduced if the electrons are evenly distributed in the quantum wells under high current injection level.

In this work, we proposed and demonstrated a LED architecture grown along the [0001] orientation with wide quantum well thickness of grading InN composition in the InGaN/GaN quantum wells. We achieved an enhanced level of optical power and a reduced efficiency droop both in numerical simulations and experimental measurements, which is well attributed to the Auger recombination rate suppression by the proposed structure. The computations show a more flattened conduction band and a more even electron distribution profile in the quantum wells for the proposed LED. The Auger recombination is found to be less supported in the proposed LED structure according to our calculations.

پلیمریزاسیون مونومرهای مایع یونی در دمای اتاق با تابش پرتوی الکترونی با هدف ساخت ساختارهای میکروپلیمر/ نانوپلیمر سه بعدی

Polymerization of Room-Temperature Ionic Liquid Monomers by Electron Beam Irradiation with the Aim of Fabricating ThreeDimensional Micropolymer/Nanopolymer Structures

چکیده
چکیده:
روش جدیدی برای ساخت ساختارهای پلیمری با اندازه های میکرو ونانو از مایع یونی در دمای اتاق (RTIL) روی سوبسترای Si با تابش الگودار یک پرتوی الکترونی (EB) توسعه یافت. یک فشار بخار بی نهایت پائین RTIL، 1- آلیل-3- اتیل ایمیدازولیوم بیس (تری فلورومتان) سولفونیل آمید، امکان ورود به محفظه خلاء بالای تجهیزات پرتو الکترونی برای اجرای پلیمریزاسیون تحریک شده با تابش در منطقه نانو را فراهم می آورد. دراینجا ساختارهای میکرو/نانوپلیمری سه بعدی مختلفی (3D) با نسبت های دید بالای 5 با رزولوشن (وضوح و شفافیت) زیر 100nm تهیه کردیم. به علاوه، اثرات دوز تابش و جریان پرتو بر خصوصیات فیزیکی شیمیایی پلیمرهای ته نشین شده با ثبت طیف های FT-IR و مدول یانگ مورد پژوهش قرار گرفت. نکته جالب توجه اینکه اشکال کلی ساختارهای بدست آمده با استفاده از پرتو یونی متمرکز (FIB)، با اشکال تهیه شده در مطالعه اخیر تفاوت داشت حتی اگر نمونه ها به شیوه ای مشابه تابیده شده بودند. علت این امر می تواند انتقال متفاوت بین دونوع پرتو باشد که براساس محاسبات نظری خطوط سیر پرتو کوانتومی، راجع به آن بحث شد. ادراکات بدست آمده در این مطالعه روشهای تهیه و آماده سازی آسانی برای میکرو/ نانوساختارها فراهم می نمایند.
.
1. مقدمه
مایعات یونی در دمای اتاق (RTIL)، که نمک های مایع که فقط متشکل ازکاتیون ها و آنیون هاهستند، به خاطر خصوصیات فیزیکی شیمیایی منحصر به فردشان نظیر احتراق ناپذیری، رسانایی و هدایت یونی بالا، پایداری حرارتی بالا و پنجره الکتروشیمیایی، محققین زیادی را در رشته های مختلف جذب کرده اند. در میان این خصوصیات، فشار بخار ناچیز RTIL یکی از مهمترین ویژگیها در تحقیق اخیر با استفاده از RTIL تحت شرایط خلاء می باشد. گروه تحقیق چندین تکنولوژی جدید توسعه داد که به صورت تکنولوژی خلاء RTIL طبقه بندی می شوند. به طور مثال، یک تکنیک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) درجا برای پژوهش واکنش های الکتروشیمیایی در RTIL همزمان با قطبش الکترودها توسعه داده ایم. در سری پژوهشها، به این مسئله توجه کردیم که انواع خاصی از واکنش های شیمیایی، به عبارتی کاهش یونهای فلز، با تابش پرتو الکترون تحریک والقاء می شوند. یافته اول آن بود که ذرات طلا در یک RTIL تولید شدند که در طول مشاهده RTIL با SEM مشخص گردید که محتوی یونهای طلا بود. براساس این ادراکات، روشی کاملاً جدید برای ساخت ساختارهای پلیمری با اندازه میکرو/ نانو با ترسیم الگوهای اختیاری روی RTIL قابل پلیمر شدن، 1- آلیل-3- اتیل ایمیدازولیوم بیس (تری فلورومتان)- (سولفونیل) آمید ، طرح 1)، با ابزار پرتو یون متمرکز (FIB)، ارائه کرده ایم. در این تکنولوژی، در زمینه ساخت ساختارهای پلیمری میکروسکوپی سه بعدی مختلف (3D) موفق شدیم که ساخت آنها بااستفاده از تکنیک های FIB متداول سخت و دشوار است. ساخت ساختارهای سه بعدی پیچیده با مکانیسم شکل گیری متمایزی صورت گرفت که شبیه به مکانیسم چاپگرهای 3 بعدی می باشد. نکته کلیدی در این روش آن است که قطبش یا پلیمریزاسیون در سطح میانی یا واسط RTIL/ خلاء به وقوع پیوسته و اینکه سازماندهی مجدد هلال مایع سبب می شود موقعیت واکنش ساختار پلیمر در سطح بالاتری از ضخامت اصلی لایه RTIL قرار داشته باشد.

Abstract

A novel method for fabricating microsized and nanosized polymer structures from a room-temperature ionic liquid (RTIL) on a Si substrate was developed by the patterned irradiation of an electron beam (EB). An extremely low vapor pressure of the RTIL, 1-allyl-3-ethylimidazolium bis((trifluoromethane)sulfonyl)amide, allows it to be introduced into the high-vacuum chamber of an electron beam apparatus to conduct a radiation-induced polymerization in the nanoregion. We prepared various three-dimensional (3D) micro/nanopolymer structures having high aspect ratios of up to 5 with a resolution of sub-100 nm. In addition, the effects of the irradiation dose and beam current on the physicochemical properties of the deposited polymers were investigated by recording the FT-IR spectra and Young’s modulus. Interestingly, the overall shapes of the obtained structures were different from those prepared in our recent study using a focused ion beam (FIB) even if the samples were irradiated in a similar manner. This may be due to the different transmission between the two types of beams as discussed on the basis of the theoretical calculations of the quantum beam trajectories. Perceptions obtained in this study provide facile preparation procedures for the micro/ nanostructures.

1. Introduction

Room-temperature ionic liquids (RTILs), which are liquid salts consisting only of cations and anions, have fascinated many researchers in various fields because of their unique physicochemical properties such as incombustibility, high ionic conductivity, high thermal stability, and wide electrochemical window.1−7 Among these properties, the negligible vapor pressure of RTILs is one of the most important features in recent research using RTILs under vacuum conditions.8,9 Our research group developed several new technologies that can be categorized as RTIL-vacuum technology.10,11 For example, we have developed an in situ scanning electron microscopy (SEM) technique to investigate electrochemical reactions in RTIL concurrently with the polarization of electrodes.12,13 In a series of investigations, we further noticed that certain types of chemical reactions, i.e., the reduction of metal ions, are induced by electron beam irradiation.14,15 The first finding was that gold particles were produced in an RTIL that contained gold ions during the observation of the RTIL by SEM. On the basis of these perceptions, we have established a completely new method to fabricate micro/nanosized polymer structures by drawing arbitrary patterns on a polymerizable RTIL, 1-allyl-3-ethylimidazolium bis((trifluoromethane)- sulfonyl)amide ([AllylEtIm][Tf2N], Scheme 1), with a focused ion beam (FIB) instrument.16 In this technique, we succeeded in fabricating various three-dimensional (3D) microscopic polymer structures that are difficult to build using conventional FIB techniques. The fabrication of complicated 3D structures was achieved by a distinctive formation mechanism that resembles the mechanism of 3D printers. The key point in this method is that the polymerization takes place at the RTIL/ vacuum interface and that the reorganization of the liquid meniscus raises the reaction position for the polymer structure to grow higher than the original thickness of the RTIL layer.

پلیمریزاسیون مونومرهای مایع یونی در دمای اتاق با تابش پرتوی الکترونی با هدف ساخت ساختارهای میکروپلیمر/ نانوپلیمر سه بعدی

Polymerization of Room-Temperature Ionic Liquid Monomers by Electron Beam Irradiation with the Aim of Fabricating ThreeDimensional Micropolymer/Nanopolymer Structures

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

خلاصه روش ها
روش ها

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

 درون یک سلول خورشیدی، بسیاری از اجزای متفاوت با کارکرد ها و نقش های مختلف برای خواص الکترونیک نوری و خلوص وجود دارند. مفهوم سلول خورشیدی هیبریدی آلی-معدنی ” یک مفهوم چند منظوره است” به طوری که هدف آن استفاده از مواد بهینه برای عملکرد بهتر تک تک اجزاء می باشد. هر ماده ای که به آسانی قابل فراوری، ارزان و فراوان باشدرامی توان با هدف تولید یک سلول خورشید با کارایی بالا استفاده کرد.سلول های خورشیدی هیبریدی در ترکیبات پلیمری مزدوج حاوی نانو کریستال های نیمه هادی نظیر CdSe (12),
CuInS2 (13) and PbS (14) موثر بوده اند.سلول های خورشیدی رنگ-حساس ،سلولهای خورشیدی هیبریدی حاوی یک اکسید نوعnغیر آلی( معدنی)با ساختار مزو( نظیر تیتانیوم اکسید)حساس با یک رنگ کمپلکس فلزی یا آلی و یک و یکرساننده حفره ای آلی نوع p(4) می باشند. اخیرا، جاذب های پروسکایت تری هالید ارگانومتال بافرمول عمومی (RNH3)BX3( که R ،X هالوژن I،Br-Cl و Bسرب یا استرانسیوم می باشد) به جای رنگ در سلول های خورشیدی رنگ-حساس برای تولید سلول های خورشیدی حالت جامد با ضریب تبدیل توان بیش از 10 درصد(منابع8،11 و 16) استفاده شده اند.
با استفاده از سلول های خورشیدی رنگ-حساس، نتایج نشان داد که جایگزینی تیتانیوم اکسید مزوپور با آلومینیوم اکسید مزوپور منجر به افزایش معنی داری در ضریب تبدیل توان( کارایی) شده و تولید ولتاژ مدار باز 1.1ولت در یک دستگاه موسوم به سلول خورشیدی ابرساختار- مزو ساختارمی کند.استدلال ما این است که این بهبود در ولتاژ مدار باز،ناشی از محصور شدن الکترون های ابرنگیخته با نور در فاز پروسکایتمی باشد و این موجب افزایش تفکیک تراز شبکه فرمی برای الکترون هاو حفره های تحت روشنایی میشودکه عامل اصلی تولید ولتاژ مدار باز است.حذف بیشتر لایه الومینیوم اکسید مزوپور با پخت حرارتی و بهینه سازی بهتر فراوری منجر به تولید سلول های خورشیدی با ابر ساختار-مزو ساحتاربا ضریب تبدیل بیش از 12 درصد می شود(17).به علاوه،CH3NH3PbI3 2 xClx می تواند عملکرد موثری به عنوان جاذب فیلم نازک(لایه نازک) در یک پیکر بندیسلول خورشیدی ناجور پیوند مسطح و دووجهی(فراوری شده با محلول) داشته و وقتی که هیچ گونه مزوساختاری استفاده نشود، کارایی آن حدود 5 درصد خواهد بود(17). این مطالعه پیشین نشان می دهد که جاذب پروسکایت دریک معماری دوجهی ساده تر عملکرد بهتری داردولی سوالی که مطرح می شود این است که آیا مزوساختار برای دست یابی به بالاترین کارکرد ضروری است یاخیر و این که آیا پیوند ناهمگون دو وجهی فیلم نازک منجربه ایجاد یک فناوری برتر می شود یا خیر.
در این مطالعه، ما از انباشت بخار( رسوب بخار)دو منبعی به عنوان ابزاری برای تولید فیلم های مسطح یکنواخت پروسکایت هالید ترکیبی CH3NH3PbI3 2 xClx, استفاده می کنیم. شکل 1، تصویری از دستگاه رسوب بخار همراه با نمای سلول خورشید p-i-n ناجورپیوند دووجهی و مسطح(شکل 1پ) را نشانمی دهد. از قسمت زیرین( قسمتی که به آن نور برخورد می کند)، دستگاه بر روی شیشه پوشش دهی شده(FTO) با اکسید قلع آلاییده ‌شده با فلوئور و نیز پوشش دهی شدهبا یک لایه متراکمی ازتیتانیوم اکسید نوع n که به عنوان رابط الکتروسلکتیو عمل می کند قرارمی گیرد. لایه پروسکایت بر روی لایه فشرده و متراکم نوع n و سپس رساننده حفره ای نوع p، 2,29,7,79-تتراکیس(N-N-di- p- متوکسی فنیلامین)- 9,99- اسپیروبیوفلورن( اسپیرو-OMeTAD) رسوب یافته و موجب اطمینان از جمع اوری انتخابی حفره ها در کاتد نقره می شود. با توجه به این که هدف این مطالعه درک و بهینه سازی خواص لایه جاذب پروسکایت رسوب دهی شده با بخار است، تیتانیوم اکسید متراکم و انتقال دهنده حفره اسپیرو- OMeTAD تحت فراوری محلول قرار گرفتند( فرایندی که در سلول های خورشیدی مزوساختار- ابر ساختار معمول است).
در شکل1 ب،الگوی انکسار اشعه ایکس فیلم های CH3NH3PbI3 2 xClxرسوب دهی شده با بخار یا ریخته گری شده با محلول بر روی شیشه با پوشش FTO و تیتانیوم اکسید متراکم مقایسه شده است. پیک های انکسار اصلی، که به ترتیب 110،220 و 330 پیک در °14.12،° 28.44و°43.23می باشند، درموقعیت های مشابه برای هر دو فیلم های ریخته گری شده با محلول و رسوب دهی شده با بخار قرار دارند، این نشان می دهد که هر دو روش تولید پروکسایت هالید ترکیبی مشابه و یکسان با ساختار بلور ارترومبیک کرده است(8). پر واضح است که با نگاهی دقیق به منطقه پیک انکسار(110) در °14.12، یک پیک کوچک در 12.65 ( پیک انکسار(001) برای PbI2) وجود دارد و هیچ گونه پیک قابل اندازه گیری در 15.68( پیک انکسار(110) برای CH3NH3PbCl3) وجود نداردو این نشان دهنده سطوح بالایی از خلوص فازی است. نمودار ساختار بلورین در شکل 1 ت نشان داده شده است. کوچک شدن محور c نشان دهنده تفاوت اصلی بین CH3NH3PbI3 و پروسکایت هالید ترکیبی می باشد. این مطابق با اتم های Clدر پروسکایت هالید ترکیبی می باشد که در نقاط محوری خارج از صفحه PbI4 قرار داشته و نقطه مقابل آن مکان های اکتاهدرال استوایی می باشد که قبلا به طور نظری پیش بینی شده بود(18).

بخشی از مقاله انگلیسی:

Within a solar cell there are many different components with discrete roles and having different tolerances for purity and optoelectronic properties. The hybrid inorganic–organic solar cell concept is ‘material agnostic’ in that it aims to use the optimum material for each individual function. Any material that is easy to process, inexpensive and abundant can be used, with the aim of delivering a high-efficiency solar cell. Hybrid solar cells have been demonstrated in p-conjugated polymer blends containing semiconductor nanocrystals such as CdSe (ref. 12), CuInS2 (ref. 13) and PbS (ref. 14). Dye-sensitized solar cells are hybrid solar cells containing a mesostructured inorganic n-type oxide (such as TiO2) sensitized with an organic or metal complex dye, and infiltrated with an organic p-type hole-conductor4 . Recently, organometal trihalide perovskite absorbers with the general formula (RNH3)BX3 (where R is CnH2n 1 1, X is the halogen I, Br or Cl, and B is Pb or Sn)15, have been used instead of the dye in dye-sensitized solar cells to deliver solid-state solar cells with a power conversion efficiency of over 10% (refs 8, 11, 16). Evolving from the dye-sensitized solar cells, we found that replacing the mesoporous TiO2 with mesoporous Al2O3 resulted in a significant improvement in efficiency, delivering an open-circuit voltage of over 1.1 V in a device which we term a ‘meso-superstructured solar cell’8 . We reason that this observed enhancement in open-circuit voltage is due to confinement of the photo-excited electrons within the perovskite phase, thereby increasing the splitting of the quasi-Fermi levels for electrons and holes under illumination, which is ultimately responsible for generating the open-circuit voltage. Further removal of the thermal sintering of the mesoporous Al2O3 layer, and better optimization of processing, has led to meso-superstructured solar cells with more than 12% efficiency17. In addition, CH3NH3PbI3 2 xClx can operate relatively efficiently as a thin-film absorber in a solution-processed planar heterojunction solar cell configuration, delivering around 5% efficiency when no mesostructure is involved17. This previous work demonstrates that the perovskite absorber is capable of operating in a much simpler planar architecture, but raises the question of whether mesostructure is essential for the highest efficiencies, or whether the thin-film planar heterojunction will lead to a superior technology. Here, as a means of creating uniform flat films of the mixed halide perovskite CH3NH3PbI3 2 xClx, we use dual-source vapour deposition. In Fig. 1 we show an illustration of the vapour-deposition set-up, along with an illustration of a planar heterojunction p–i–n solar cell (see Fig. 1c). From the bottom (the side from which the light is incident), the device is constructed on fluorine-doped tin oxide (FTO)-coated glass, coated with a compact layer of n-type TiO2 that acts as the electronselective contact. The perovskite layer is then deposited on the n-type compact layer,followed by the p-type hole conductor, 2,29,7,79-tetrakis- (N,N-di-p-methoxyphenylamine)9,99-spirobifluorene (spiro-OMeTAD), which ensures the selective collection of holes at the silver cathode. Given that the purpose of this study was to understand and optimize the properties of the vapour-deposited perovskite absorber layer, the compact TiO2 and the spiro-OMeTAD hole transporter were solutionprocessed, as is usual in meso-superstructured solar cells17. In Fig. 1b, we compare the X-ray diffraction pattern of films of CH3NH3PbI3 2 xClx either vapour-deposited or solution-cast onto compact TiO2-coated FTO-coated glass. The main diffraction peaks, assigned to the 110, 220 and 330 peaks at 14.12u, 28.44u and, respectively, 43.23u, are in identical positions for both solution-processed and vapour-deposited films, indicating that both techniques have produced the same mixed-halide perovskite with an orthorhombic crystal structure8 . Notably, looking closely in the region of the (110) diffraction peak at 14.12u, there is only a small signature of a peak at 12.65u (the (001) diffraction peak for PbI2) and no measurable peak at 15.68u (the (110) diffraction peak for CH3NH3PbCl3), indicating a high level of phase purity. A diagram of the crystal structure is shown in Fig. 1d. The main difference between CH3NH3PbI3 and the mixed-halide perovskite presented here is evident in a slight contraction of the c axis. This is consistent with the Cl atoms in the mixed-halide perovskite residing in the apical positions, out of the PbI4 plane, as opposed to in the equatorial octahedral sites, as has been theoretically predicted18. We now make a comparison between the thin-film topology and crosssectional structure of devices fabricated by either vapour deposition or solution processing. The top-view scanning electron microscope (SEM) images in Fig. 2a, b highlight the considerable differences between the film morphologies produced by the two deposition processes. The vapour-deposited films are extremely uniform, with what appear to be crystalline features on the length scale of hundreds of nanometres. In contrast, the solution-processed films appear to coat the substrate only partially, with crystalline ‘platelets’ on the length scale of tens of micrometres. The voids between the crystals in the solution-processed films appear to extend directly to the compact TiO2-coated FTOcoated glass.