ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

ΤΟΥ ΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΨΕΥΔΑΡΓΥΡΟΥ (ZnO)

ΘΟΥΛΙΩΤΗΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚ. ΚΑΘ. Δ. ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ

ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ

1. ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ZnO2. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ZnO3. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟY ZnO4. ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ

ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ

1.ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ZnOΟνομασίεςChinese white, zinc white, flowers of zinc, philosopher’s wool

Προέλευση

Ορυκτό του ZnO: Ψευδαργυρίτης (zincite) Άμορφο

Παραγωγή του Οξειδίου του Ψευδαργύρου

Ευρείας Κλίμακας Βιομηχανική Παραγωγή

Τύποι επεξεργασίας του ψευδαργυρίτη για την παραγωγή του ZnO:

Θέρμανση ψευδαργυρίτη με κωκ (άνθρακα) σε πλεόνασμα αέρα

Zn + ½ O2 ZnO + 348.5 kJ

2. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ZnO

1. α) Αδιάλυτο στο νερό. β) Διαλυτό σε οξέα και βάσεις.

2. Παραμένει λευκό παρά την έκθεσή του στο υδρόθειο ή στην υπεριώδη ακτινοβολία.

3. Στην κρυσταλλική του μορφή παρουσιάζεται το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

4. Φωτοθερμική ένωση.

5. Επικίνδυνο για το περιβάλλον.

Θέση στον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων

ZnOΤο οξείδιο του ψευδαργύρου είναι μία ένωση των ομάδων II & VI

II III IV V VI

. B C N O

. Al Si P S

Zn Ga Ge As Se

Cd In Sn Sb Te

Hg . . . .

Zn 30 ηλεκτρόνια

Κατανομή 30 Zn :1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

4 4η περίοδος

5 2η δευτερεύουσα ομάδα

d Τομέας d

Ο 8 ηλεκτρόνια

Κατανομή 8Ο :1s2 2s2 2p4

2 2η περίοδος

2+4=6 6η κύρια ομάδα

p Τομέας p

Θέση στον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων

ZnO

Μελέτη του ομοιοπολικού δεσμού του ZnO

Ηλεκτρονική θεωρία σθένους

Zn

Ηλεκτρονικοί Τύποι των στοιχείων κατά Lewis

Χρώμα: ΛευκόΦάση: ΣτερεάΜοριακό Βάρος: 81,41 g/mol Πυκνότητα: 5.606 g/cm3 Σημείο τήξης: 1975 οC Σημείο βρασμού: ; οC Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού ΔHf

0 solid -348,0 kJ/mol

Πρότυπη μοριακή εντροπία S0 solid

43,9 J/(Κ*mol)

Φυσικά Χαρακτηριστικά Μεγέθη του ZnO

Κρυσταλλική Δομή

(a) Δομή χλωριούχου νατρίου(εδροκεντρωμένη κυβική)

(b) Δομή Σφαλερίτη (εδροκεντρωμένη κυβική)

(c) Δομή Βουρτσίτη (εξαγωνική)

Δομή Βουρτσίτη

Πλεγματικές σταθερές: a0 = 0.32495 nm c0 = 0.52069 nm

Το ZnO ως Ημιαγωγός

•Μονωτές Κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού

•Ημιαγωγοί Αγωγοί του ηλεκτρισμού υπό προϋποθέσεις

•Μέταλλα Καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού

Ηλεκτρονική διάταξη ημιαγωγού σε Τ=0 Κ (αριστερά) και σε Τ>0 Κ (δεξιά)

Το οξείδιο του ψευδαργύρου έχει άμεσο ενεργειακό χάσμα 3,4 eV

Άμεσο ενεργειακό χάσμα: EC= EC (k=0)

Έμμεσο ενεργειακό χάσμα: EC= EC (k#0)

Ενεργειακό Χάσμα

3. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟY ZnO

α) Συμπαγής (bulk): >100nm (3 διαστάσεις)

β) Λεπτού υμενίου (thin film): 50-2000nm (2,3 διαστάσεις)

γ) Χαμηλοδιάστατη (low dimensional): <20nm

0 διαστάσεις: κβαντικό σημείο (quantum dot)

1 διάσταση:κβαντικό καλώδιο (quantum wire)

2 διαστάσεις:κβαντικό πηγάδι (quantum well)

δ) Σκόνη (powder)

ΕΛΑΣΤΙΚΑ

Βιομηχανία ελαστικών

•Συνεισφορά στη χημική ενδυνάμωση των ελαστικών και στην αποτροπή της γήρανσης λόγω υπερθέρμανσης και πίεσης.

•Επιτάχυνση της διαδικασίας σκλήρυνσης των ελαστικών.

• Απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την προστασία των ελαστικών από την μακρόχρονη έκθεσή τους στον ήλιο.

ΠΛΑΣΤΙΚΑΠαροχή ποικιλίας ιδιοτήτων στον τομέα των πλαστικών

•Βελτίωση μηχανικής αντοχής των πλαστικών Αύξηση της ανθεκτικότητας

•Βελτίωση θερμικής αντοχής των πλαστικών Αύξηση της αντοχής στη φωτιά

•Προστασία πλαστικών από τη φθορά του χρόνου και την υπεριώδη ακτινοβολία

 

ΚΕΡΑΜΙΚΑ

Συνεισφορά ενός μοναδικού συνδυασμού ιδιοτήτων στην επεξεργασία του γυαλιού

• Μείωση του συντελεστή θερμικής διαστολής του γυαλιού.

• Απόδοση υψηλής λαμπρότητας και στιλπνότητας στο γυαλί.

• Απόδοση υψηλής σταθερότητας στο γυαλί απέναντι στην παραμόρφωση κάτω από πίεση.

ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΦΑΡΜΑΚΩΝ ΚΑΙ ΚΑΛΛΥΝΤΙΚΩΝ

Οπτικές και βιοχημικές ιδιότητες του ZnO Ειδικά χαρακτηριστικά σε μια ποικιλία φαρμάκων και

καλλυντικών

•Απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίαςΠροστασία δέρματος και προσώπου από τον ήλιο

και αποφυγή εγκαυμάτων.

•Απόδοση στυπτικών ιδιοτήτων για τον έλεγχο του δέρματος.

•Απόδοση μυκητοκτόνων ιδιοτήτων.

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΦΩΤΟΤΥΠΙΩΝ

• Συνεισφορά των φωτοαγώγιμων και ημιαγώγιμων ιδιοτήτων του ZnO (μέσω της ειδικής θερμότητας ή/ και

του εμπλουτισμού του με διάφορα ξένα στοιχεία) στην αύξηση της αγωγιμότητας.

•Τροποποίηση των οπτικών ιδιοτήτων του ZnO (με την προσθήκη συγκεκριμένων χρωστικών ουσιών, οι οποίες

απορροφούνται από την επιφάνεια του ZnO ) για την αύξηση της απορροφητικότητας της ακτινοβολίας φωτός

στην ορατή περιοχή του φάσματος.

ΛΙΠΑΝΤΙΚΑΣυνεισφορά του ZnO και των παραγώγων του στην

ανάπτυξη της ποιότητας των λιπαντικών

• Χρήση του ZnO στα λιπαντικά λάδια των μηχανών αυτοκινήτου με σκοπό την μείωση της οξείδωσης και της

φθοράς.

• Απόδοση ειδικών ιδιοτήτων σε πολλούς τύπους λιπαντικών και γράσων (βελτιωμένη προσκόλληση).

ΜΠΟΓΙΕΣZnO σε οργανικές στρώσεις Ευρύ φάσμα χημικών,

βιοχημικών, οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων Βελτίωση προϊόντων στη βιομηχανία χρωμάτων.

• Καλύτερη επικάλυψη, λευκότητα, καθαρότεροι χρωματικοί τόνοι

• Ανθεκτικότητα Εξαιρετική προστασία των ατσάλινων κατασκευών από τη διάβρωση σε κανονικές ατμοσφαιρικές

συνθήκες αλλά και σε υδάτινες συνθήκες.

• Διατήρηση της φωτεινότητας των χρωμάτων παρά την παρουσία καυσαερίων του θείου.

ΦΙΛΤΡΑ ΤΣΙΓΑΡΩΝΤο ZnO ως συστατικό στα φίλτρα τσιγάρων

Απομάκρυνση συγκεκριμένων ουσιών από τον καπνό του τσιγάρου.

•Απομάκρυνση σημαντικών ποσοτήτων υδροκυανίου και υδρόθειου από τον καπνό του τσιγάρου χωρίς να επηρεάζεται η

γεύση του.

ΕΠΙΒΡΑΔΥΝΤΙΚΑ ΠΥΡΟΣ Το ZnO και τα παράγωγά του Αντικείμενο εκτενούς

έρευνας για προπαρασκευή ουσιών επιβραδυντικών φωτιάς.

• Χρήση του ZnO στον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο ως επιβραδυντικό φωτιάς.

• Περιεκτικότητα διαφόρων αναλογιών του ZnO, του βορικού οξέος και της αμμωνίας σε πυρασφαλή υφάσματα.

ZnO VARISTORSZnO Varistors Σημαντικό ρόλο στην προστασία

κυκλωμάτων που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες ή υψηλές τάσεις (10 volt-εκατομμύρια volt) λόγω της κεραμικής

του φύσης

• Προστασία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (Κομπιούτερς)

• Προστασία κυκλωμάτων από υπερφόρτωση σε βιομηχανίες διανομής ηλεκτρικής ενέργειας και μετάδοσης πληροφοριών.

• Διευκόλυνση σε μεγάλο βαθμό της ευελιξίας του χρήστη λόγω της κεραμικής του φύσης (διάφορα μεγέθη και σχήματα).

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ

• Γυαλί, υπόστρωμαΓυαλί, υπόστρωμα• Μολυβδαίνιο, πίσω επαφήΜολυβδαίνιο, πίσω επαφή• Απορροφητής (Απορροφητής (absorberabsorber) )

υμένιο τύπου υμένιο τύπου pp--• CdSCdS επιφάνεια επιφάνεια

υποστρώματος (υποστρώματος (BufferBuffer layerlayer) ) υμένιο τύπου υμένιο τύπου nn--

• ZnOZnO, παράθυρο (, παράθυρο (window window layer)layer) υμένιο τύπου υμένιο τύπου nn--

Το ηλιακό κύτταρο είναι μια ημιαγώγιμη διάταξη που μετατρέπει τα φωτόνια από τον Ήλιο σε ηλεκτρισμό.

4. ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ

Α) Κατασκευή τρανζίστορ λεπτών διαφανών φίλμ (Transparent thin film transistor).

TTFT βασισμένο σε ZnO

Β) Κατασκευή Διόδων εκπομπής φωτός(Light Emitting Diode) που θα εκπέμπουν στην υπεριώδη περιοχή του

φάσματος.

http://www.reade.com/Products/Oxides/zinc_oxide.html, Zinc Oxide Power

http://www.navbharat.co.in/clients.htm. http://www.azom.com/details.asp, Zinc Oxide (ZnO) – Properties and Applications 

http://www.en.wikipedia.org/wiki/ZnO , Zinc Oxide.

http://www.en.wikipedia.org/wiki/ZnO , Zincite.

  http://www.en.wikipedia.org/wiki/ZnO , The Mineral Zincite.

http://www.VaristorTechnologyConsulting.htm,Zinc Oxide Varistor Technology

  http://www.answers.com/topic/zinc-oxide-ointment, Zinc-oxide –ointment.

  http://www.answers.com/main, zinc-oxide.   http://www.answers.com/topic/, zinc-oxide.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ΤΕΛΟΣ