Bu gözlegimizde, RF tüýkürmek we RF-PECVD bilen bilelikde çökdürilende mikro uglerod çeşmelerinde sintez edilen Cu / Ni nanopartikullaryny, şeýle hem Cu / Ni nanopartiklleri ulanyp CO gazyny tapmak üçin lokal ýerüsti plazmon rezonansyny derňedik.Bölejikleriň morfologiýasy.Faceerüsti morfologiýa şekili gaýtadan işlemek we fraktal / multifraktal derňew usullaryny ulanyp, 3D atom güýji mikrograflaryny seljermek arkaly öwrenildi.Statistik derňew, iki taraplaýyn seljerme (ANOVA) we iň az tapawut synagy bilen MountainsMap® Premium programma üpjünçiligi arkaly geçirildi.Faceerüsti nanostruktura ýerli we global aýratyn paýlanyşa eýe.Synag we simulirlenen Ruterfordyň arkaýyn spektri, nanobölejikleriň hilini tassyklady.Soňra täze taýýarlanan nusgalar kömürturşy gazyna sezewar edildi we olaryň gaz datçigi hökmünde ulanylmagy ýerüsti plazmon rezonansynyň usuly bilen derňeldi.Mis gatlagynyň üstünde bir nikel gatlagynyň goşulmagy morfologiýa we gaz kesgitlemek nukdaýnazaryndan gyzykly netijeleri görkezdi.Inçe filmiň üstki topografiýasynyň ösen stereo derňewiniň Ruterfordyň arkaýyn spektroskopiýa we spektroskopiki derňew bilen utgaşmasy bu ugurda özboluşlydyr.
Soňky birnäçe onýyllygyň dowamynda howanyň çalt hapalanmagy, esasanam çalt senagatlaşma sebäpli gözlegçiler, gazlary tapmagyň ähmiýeti barada has köp zat öwrenmäge itergi berdi.Metal nanobölejikler (NP), güýçli we güýçli çäklendirilen elektromagnit bilen rezonans berýän madda bolan lokal ýerüsti plazmon rezonansyna (LSPR) ukyply inçe metal filmler bilen deňeşdirilende, gaz datçikleri üçin geljegi uly materiallardygy görkezildi. meýdanlary 5,6,7,8.Arzan, pes zäherli we köpugurly geçiş metal hökmünde mis alymlar we senagat, esasanam datçik öndürijiler tarapyndan möhüm element hasaplanýar9.Beýleki tarapdan, nikel geçiş metal katalizatorlary beýleki katalizatorlardan has gowy ýerine ýetirýär10.“Cu / Ni” -niň nanoskale ulanylyşy olary has möhüm edýär, esasanam birleşmekden soň gurluş aýratynlyklary üýtgemeýär11,12.
Metal nanobölejikler we olaryň dielektrik serişdesi bilen interfeýsleri lokallaşdyrylan ýerüsti plazmon rezonanslarynda düýpli üýtgeşmeleri görkezýän bolsa-da, olar gaz tapmak üçin gurluş hökmünde ulanyldy13.Siňdiriş spektri üýtgese, bu rezonans tolkun uzynlygynyň we / ýa-da siňdiriş pik intensiwliginiň we / ýa-da FWHM-iň üç faktorynyň 1, 2, 3, 4 üýtgäp biljekdigini aňladýar. Ruiz we başgalaryň belläp geçişi ýaly, inçe filmlerde däl-de, nanobölejiklerde plazmon rezonansy molekulýar siňdirişi kesgitlemek üçin täsirli faktor14.inçe bölejikler bilen kesgitlemegiň netijeliliginiň arasyndaky baglanyşygy görkezdi15.
CO gazynyň optiki tapylmagy barada edebiýatda AuCo3O416, Au-CuO17 we Au-YSZ18 ýaly käbir birleşdirilen materiallaryň bardygy habar berildi.Altyn, birleşmäniň üstünde himiki taýdan adsorirlenen gaz molekulalaryny ýüze çykarmak üçin metal oksidleri bilen birleşdirilen asylly metal diýip pikir edip bileris, ýöne datçikler bilen baglanyşykly esasy mesele, otag temperaturasynda reaksiýa bolup, olary elýeterli bolmaz.
Soňky onýyllyklaryň dowamynda atom güýji mikroskopiýasy (AFM) ýokary nanoskale çözgüdi 19,20,21,22 derejesinde üç ölçegli ýerüsti mikromorfologiýany häsiýetlendirmek üçin ösen usul hökmünde ulanyldy.Mundan başga-da, stereo, fraktal / köpugurly derňew23,24,25,26, güýç spektral dykyzlygy (PSD) 27 we Minkowski28 funksiýalary inçe filmleriň üst topografiýasyny häsiýetlendirmek üçin iň häzirki zaman gurallarydyr.
Lokallaşdyrylan ýerüsti plazmon rezonansynyň (LSPR) siňdirilmegine esaslanan bu gözlegde, asetilen (C2H2) Cu / Ni NP yzlary, CO gaz datçigi hökmünde ulanmak üçin otag temperaturasynda goýuldy.AFM şekillerindäki kompozisiýany we morfologiýany seljermek üçin Ruterford arka görnüşli spektroskopiýa (RBS) ulanyldy we 3D topografiki kartalar ýerüsti izotropiýany we ýerüsti mikrotekstleriň goşmaça mikromorfologiki parametrlerini öwrenmek üçin MountainsMap® Premium programma üpjünçiligi arkaly gaýtadan işlenildi.Beýleki tarapdan, senagat proseslerine ulanylyp bilinjek we himiki gazy tapmak (CO) üçin ýüz tutmalarda uly gyzyklanma döredýän täze ylmy netijeler görkezilýär.Edebiýat bu nanopartikulyň sintezi, häsiýetnamasy we ulanylyşy ilkinji gezek hasabat berýär.
Cu / Ni nanopartikullarynyň inçe filmi, RF tüýdügi we 13.56 MGs elektrik üpjünçiligi bilen RF-PECVD bilelikde çökdürilmegi bilen taýýarlandy.Usul dürli materiallardan we ululykdaky iki elektrodly reaktora esaslanýar.Kiçisi energiýa bilen işleýän elektrod ýaly metal, ulusy bolsa biri-birinden 5 sm uzaklykda poslamaýan polat kameranyň üsti bilen topraklanýar.SiO 2 substratyny we Cu nyşanyny kamera salyň, soňra otag temperaturasynda esasy basyş hökmünde kamerany 103 N / m 2 ewakuasiýa ediň, kamera asetilen gazyny giriziň we daşky gurşaw basyşyna basyş ediň.Bu ädimde asetilen gazyny ulanmagyň iki esasy sebäbi bar: birinjiden, plazma öndürmek üçin daşaýjy gaz, ikinjiden, uglerodyň mukdaryndaky nanobölejikleri taýýarlamak üçin hyzmat edýär.Depolasiýa prosesi başlangyç gaz basyşynda we degişlilikde 3,5 N / m2 we 80 W güýji bolan 30 minutda geçirildi.Soňra wakuumy döwüň we nyşany Ni-e üýtgediň.Çökdürmek prosesi başlangyç gaz basyşynda we degişlilikde 2,5 N / m2 we 150 Wt güýji bilen gaýtalandy.Ahyrynda asetilen atmosferasynda goýlan mis we nikel nanopartikullary mis / nikel nanostrukturalaryny emele getirýär.Mysal taýýarlamak we kesgitleýjiler üçin 1-nji tablisa serediň.
Täze taýýarlanan nusgalaryň 3D şekilleri, nanometr multimodly atom güýç mikroskopyny (Sanly gurallar, Santa Barbara, CA) 10–20 μm / min tizlik bilen kontakt däl re inimde 1 μm × 1 inedördül skaner meýdanynda ýazga alyndy. .Bilen.“MountainsMap® Premium” programma üpjünçiligi 3D AFM topografiki kartalaryny gaýtadan işlemek üçin ulanyldy.ISO 25178-2: 2012 29,30,31 laýyklykda birnäçe morfologiki parametrler dokumentleşdirilýär we ara alnyp maslahatlaşylýar, beýiklik, ýadro, göwrüm, häsiýet, funksiýa, giňişlik we kombinasiýa kesgitlenýär.
Täze taýýarlanan nusgalaryň galyňlygy we düzümi, ýokary energiýaly Ruterford arkaýyn spektroskopiýa (RBS) ulanyp, MeV-iň tertibi boýunça bahalandyryldy.Gaz barlanylanda, LSPR spektroskopiýa tolkun uzynlygy 350-den 850 nm aralygyndaky UV-Vis spektrometrini ulanyp, wekilçilikli nusga diametri 5,2 sm we beýikligi 13,8 sm bolan ýapyk poslamaýan polatdan ybaratdy. arassalygynda 99,9% CO gaz akymynyň tizligi (Arian Gas Co. IRSQ standartyna görä, 1,6-16 l / sag 180 sekunt we 600 sekunt).Bu ädim otag temperaturasynda, daşky gurşawyň çyglylygy 19% we ýangyç kapotynda geçirildi.
Ion dargatmak usuly hökmünde Ruterfordyň arkaýyn spektroskopiýasy inçe filmleriň düzümini seljermek üçin ulanylar.Bu üýtgeşik usul, salgylanma standartyny ulanmazdan bahalandyrmaga mümkinçilik berýär.RBS derňewi, nusgadaky MeV tertibi boýunça ýokary energiýalary (He2 + ionlary, ýagny alfa bölejikleri) we belli bir burçda yza çekilen He2 + ionlaryny ölçýär.SIMNRA kody göni çyzyklary we egrileri modellemekde peýdalydyr we eksperimental RBS spektrine laýyklygy taýýarlanan nusgalaryň hilini görkezýär.Cu / Ni NP nusgasynyň RBS spektri 1-nji suratda görkezilýär, bu ýerde gyzyl çyzyk eksperimental RBS spektri, gök çyzyk bolsa SIMNRA programmasynyň simulýasiýasy, iki spektral çyzygyň gowydygyny görmek bolýar şertnamasy.Mysaldaky elementleri kesgitlemek üçin 1985 keV energiýasy bolan waka şöhlesi ulanyldy.Upperokarky gatlagyň galyňlygy 40% 1E15Atom / cm2 bolup, düzüminde 86% Ni, 0.10% O2, 0.02% C we 0.02% Fe bar.Fe tüýkürmek wagtynda Ni nyşanyndaky hapalar bilen baglanyşykly.“Cu” we “Ni” -niň iň ýokary derejeleri degişlilikde 1500 kW, C we O2 pikleri bolsa degişlilikde 426 kW we 582 kW.Na, Si we Fe ädimleri degişlilikde 870 keV, 983 kW, 1340 kW we 1823 kW.
Cu we Cu / Ni NP film ýüzleriniň kwadrat 3D topografiki AFM şekilleri Şekillerde görkezilýär.2. Mundan başga-da, her suratda görkezilen 2D topografiýasy, filmiň üstünde synlanan NP-leriň sferik şekillere birleşýändigini görkezýär we bu morfologiýa Godselahi we Armand32 we Armand et al.33 tarapyndan beýan edilişine meňzeýär.Şeýle-de bolsa, “Cu NP” -lerimiz aglomerasiýa edilmedi we diňe “Cu” -y öz içine alýan nusgada has gödek piklere garanyňda has ýumşak görnüşleri görkezdi (2a surat).Munuň tersine, CuNi15 we CuNi20 nusgalarynda açyk pikler, 2a we b suratlaryň beýiklik gatnaşygyndan görnüşi ýaly, açyk sferik görnüşe we has ýokary intensiwlige eýe.Film morfologiýasynyň göze görnüp duran üýtgemegi, nikeliň çökdüriliş wagtyna täsir edýän ýeriň dürli topografiki giňişlik gurluşlarynyň bardygyny görkezýär.
Cu (a), CuNi15 (b) we CuNi20 (c) inçe filmleriň AFM şekilleri.Her bir surata degişli 2D kartalar, beýiklik paýlamalary we Abbott Firestone egrileri ýerleşdirilýär.
Nanoparticles-iň ortaça däne ululygy, FIG-de görkezilişi ýaly 100 sany nanobölejigi ölçemek arkaly alnan diametr paýlanyş gistogrammasyndan hasaplanyldy.Cu we CuNi15-iň ortaça däne ululyklarynyň (27,7 we 28,8 nm) bardygyny görmek bolýar, CuNi20-de bolsa ownuk däneler (23.2 nm), bu Godselahi we başgalaryň habar beren bahasyna ýakyn.34 (takmynan 24 nm).Bimetal ulgamlarda lokallaşdyrylan ýerüsti plazmon rezonansynyň iň ýokary derejeleri däne ululygynyň üýtgemegi bilen üýtgäp biler35.Şunuň bilen baglylykda, uzyn Ni çökdürme wagty ulgamymyzyň Cu / Ni inçe filmleriniň ýerüsti plazmoniki häsiýetlerine täsir edýär diýen netijä gelip bileris.
AFM topografiýasyndan alnan (a) Cu, (b) CuNi15 we (c) CuNi20 inçe filmleriň bölejikleriniň paýlanyşy.
Köplük morfologiýasy inçe filmlerde topografiki gurluşlaryň giňişlik konfigurasiýasynda hem möhüm rol oýnaýar.2-nji tablisada AFM kartasy bilen baglanyşykly beýiklige esaslanýan topografiki parametrler sanalandyr, olary ortaça gödeklik (Sa), gödeklik (Ssk) we kurtoz (Sku) wagt bahalary bilen düşündirip bolýar.Sa bahalary degişlilikde 1,12 (Cu), 3.17 (CuNi15) we 5.34 nm (CuNi20) bolup, filmleriň Ni depozit wagtynyň köpelmegi bilen has kynlaşýandygyny tassyklaýar.Bu bahalar Arman et al.33 (1–4 nm), Godselahi et al.34 (1–1.05 nm) we Zelu et al.36 (1.91–6.32 nm) tarapyndan öň habar berlenler bilen deňeşdirilýär. tüýkürmek Cu / Ni NP filmlerini goýmak üçin bu usullary ulanyp amala aşyryldy.Şeýle-de bolsa, Ghosh et al.37 Cu / Ni köp gatlakly elektrodepozisiýa arkaly goýdy we has ýokary gödeklik bahalarynyň 13,8-36 nm aralygynda bolandygyny habar berdi.Dürli çöketlik usullary bilen ýerüsti emele geliş kinetikasyndaky tapawutlaryň dürli giňişlik nagyşlary bilen ýüzleriň emele gelmegine sebäp bolup biljekdigini bellemelidiris.Şeýle-de bolsa, RF-PECVD usulynyň takmynan 6.32 nm-den köp bolmadyk Cu / Ni NP filmlerini almak üçin täsirli bolandygyny görmek bolýar.
Boý profiline gelsek, has ýokary tertipli statistiki pursatlar Ssk we Sku degişlilikde beýiklik paýlanyşynyň assimetriýasy we kadalylygy bilen baglanyşyklydyr.Shli Ssk bahalary polo areiteldir (Ssk> 0), has uzyn sag guýrugy görkezýär, muny 2-nji setirde beýikligi paýlamak meýilnamasy bilen tassyklap bolýar. Mundan başga-da, ähli beýiklik profillerinde ýiti pik 39 agdyklyk edýärdi (Sku> 3) egriniň beýikligi paýlanyşynyň Gauss jaň egrisinden has azdygyny görkezýär.Boýy paýlamak meýdançasyndaky gyzyl çyzyk Abbott-Firestone 40 egrisi bolup, maglumatlaryň adaty paýlanyşyna baha bermek üçin amatly statistiki usuldyr.Bu çyzyk, iň ýokary pik we iň çuň çukuryň iň pes (0%) we iň ýokary (100%) bahalary bilen baglanyşykly bolan beýiklik gistogrammasyndan jemlenen jemden alynýar.Bu Abbott-Firestone egrileri, y okunda tekiz S şekilli we ähli ýagdaýlarda iň kyn we iň güýçli depeden başlap, örtülen meýdanyň üstünden göterimiň yzygiderli ýokarlanýandygyny görkezýär.Bu, esasan, nikeliň çökýän wagtyna täsir edýän ýeriň giňişlik gurluşyny tassyklaýar.
3-nji tablisada AFM şekillerinden alnan her bir ýer bilen baglanyşykly ISO morfologiýa parametrleri görkezilýär.Meýdanyň gatnaşyga (Smr) we hasap meýdanynyň material gatnaşygyna (Smc) ýerüsti funksional parametrlerdigi mälimdir29.Mysal üçin, netijelerimiz ýeriň orta tekizliginden ýokary sebitiň ähli filmlerde iň ýokary derejä ýetendigini görkezýär (Smr = 100%).Şeýle-de bolsa, Smr bahalary, ýeriň koeffisiýentiniň dürli belentliklerinden alynýar41, sebäbi Smc parametri belli.Smc-iň özüni alyp barşy, Cu → CuNi20-den gödekligiň ýokarlanmagy bilen düşündirilýär, bu ýerde CuNi20 üçin alnan iň ýokary gödeklik bahasy Smc ~ 13 nm, Cu bahasy bolsa 8 nm töweregi bolýar.
Garyşyk parametrleri RMS gradienti (Sdq) we ösen interfeýs meýdany gatnaşygy (Sdr) dokumanyň tekizligi we çylşyrymlylygy bilen baglanyşykly parametrlerdir.Cu → CuNi20-den Sdq bahalary 7-den 21-e çenli bolup, Ni gatlagy 20 minut goýlanda filmlerdäki topografiki näsazlyklaryň artýandygyny görkezýär.CuNi20-iň ýüzüniň Cu ýaly tekiz däldigini bellemelidiris.Mundan başga-da, ýerüsti mikrotekturanyň çylşyrymlylygy bilen baglanyşykly Sdr parametriniň bahasynyň Cu → CuNi20-den ýokarlanýandygy anyklandy.Kamble we başg..Aslynda, dokumanyň mikroskopiki çylşyrymlylygynyň üýtgemegi, pik dykyzlygynyň (Spd) häsiýetli parametrlerinden we arifmetiki orta pik egrilikden (Spc) göze ilýän gödek pikleriň paýlanyşynda we görnüşinde möhüm rol oýnaýar.Bu nukdaýnazardan, Spd Cu → CuNi20-den ýokarlanýar we Ni gatlagynyň galyňlygynyň ýokarlanmagy bilen pikleriň has dykyzdygyny görkezýär.Mundan başga-da, Spc Cu → CuNi20-den köpelýär, bu Cu nusgasynyň üstki görnüşiniň has tegelekdigini görkezýär (Spc = 612), CuNi20-iň bolsa has ýiti (Spc = 925).
Her filmiň gödek görnüşi, ýeriň iň ýokary, ýadro we çukur sebitlerinde aýratyn giňişlik nagyşlaryny görkezýär.Coreadro beýikligi (Sk), peselýän pik (Spk) (ýadrodan ýokarda) we çukur (Svk) (ýadrosyň aşagy) 31,43 ýerüsti tekizlige perpendikulýar ölçelýän parametrlerdir we Cu → CuNi20-den ýokarlanýar ýerüsti çişlik ep-esli ýokarlanmak.Şonuň ýaly-da, iň ýokary material (Vmp), esasy material (Vmc), boşluk (Vvv) we ýadro boşluk göwrümi (Vvc) 31 Cu → CuNi20-den ähli bahalaryň ýokarlanmagy bilen birmeňzeş tendensiýany görkezýär.Bu özüňi alyp barmak, CuNi20 ýüzüniň beýleki nusgalara garanyňda has köp suwuklygy saklap biljekdigini görkezýär, bu polo positiveitel bolup, bu ýüzüň ýuwulmagynyň has aňsatdygyny görkezýär44.Şonuň üçin, nikel gatlagynyň galyňlygynyň CuNi15 → CuNi20-den ýokarlanmagy bilen, topografiki profildäki üýtgeşmeleriň has ýokary tertipli morfologiki parametrleriň üýtgemeginden yza galýandygyny, ýeriň mikrotekturasyna we filmiň giňişligine täsir edýändigini bellemelidiris.
Filmiň üstündäki mikroskopiki gurluşyna hil taýdan baha bermek täjirçilik MountainsMap45 programma üpjünçiligini ulanyp AFM topografiki kartasyny gurmak arkaly alyndy.Görkeziş 4-nji suratda görkezilýär, üstünde wekil çukury we polýar çyzgy görkezilýär.4-nji tablisada ýer we giňişlik görnüşleri görkezilýär.Çukurlaryň şekilleri, nusganyň çukurlaryň birmeňzeşligi bilen meňzeş kanallar ulgamynyň agdyklyk edýändigini görkezýär.Şeýle-de bolsa, iň ýokary çukur çuňlugy (MDF) we ortaça çukur çuňlugy (MDEF) Cu-dan CuNi20-e çenli ýokarlanýar, bu bolsa CuNi20-iň çalgy potensialy baradaky öňki synlamalary tassyklaýar.Cu (4a surat) we CuNi15 (4b surat) nusgalarynyň birmeňzeş reňk terezisine eýedigini bellemelidiris, bu Ni filminiň 15-e goýlandan soň Cu filminiň üstündäki mikrotekturanyň düýpli üýtgeşmeleriň bolmandygyny görkezýär. min.Munuň tersine, CuNi20 nusgasy (4-nji surat) has ýokary MDF we MDEF bahalary bilen baglanyşykly dürli reňkli terezilerdäki gyrmalary görkezýär.
Cu (a), CuNi15 (b) we CuNi20 (c) filmleriniň mikrotekturalarynyň çukurlary we ýerüsti izotropiýasy.
Injiriň polýar diagrammasy.4 şeýle hem ýerüsti mikrotekturanyň başgaçadygyny görkezýär.Ni gatlagynyň çökmegi giňişlik görnüşini ep-esli üýtgedýär.Nusgalaryň hasaplanan mikrotekstural izotropiýasy 48% (Cu), 80% (CuNi15) we 81% (CuNi20) boldy.Ni gatlagynyň çökmeginiň has izotrop mikrotekturanyň emele gelmegine goşant goşýandygyny görmek bolýar, Cu gatlagynyň bir gatlagy has anizotrop ýerüsti mikrotektura eýe.Mundan başga-da, CuNi15 we CuNi20-iň agdyklyk edýän giňişlik ýygylyklary, Cu nusgalary bilen deňeşdirilende uly awtokorrelýasiýa uzynlygy (Sal) 44 sebäpli pesdir.Bu, bu nusgalarda görkezilen şuňa meňzeş däne ugry (Std = 2,5 ° we Std = 3,5 °) bilen utgaşdyrylýar, Cu nusgasy üçin (Std = 121 °) gaty uly baha hasaba alyndy.Bu netijelere esaslanyp, ähli filmler dürli morfologiýa, topografiki profiller we gödeklik sebäpli uzak aralyk giňişlik üýtgemelerini görkezýär.Şeýlelik bilen, bu netijeler Ni gatlagynyň çökdüriliş wagtynyň CuNi bimetal tüýdükli ýüzleriň emele gelmeginde möhüm rol oýnaýandygyny görkezýär.
Cu / Ni NP-leriň LSPR häsiýetini otag temperaturasynda we dürli CO gaz akymlarynda öwrenmek üçin, CuNi15 we CuNi20 üçin 5-nji suratda görkezilişi ýaly tolkun uzynlygy 350–800 nm aralygynda UV-Vis siňdiriş spektri ulanyldy.Dürli CO gaz akymynyň dykyzlygyny girizmek bilen, täsirli LSPR CuNi15 pikiri has giňelder, siňdiriş has güýçli bolar we iň ýokary tolkun uzynlygyna, howa akymynyň 597,5 nm-den 16 L / h 606.0 nm-e geçer.CO akymy 180 sekuntda, 606,5 nm, CO akymy 16 sekuntda 600 sekuntda.Beýleki tarapdan, CuNi20 başga bir häsiýeti görkezýär, şonuň üçin CO gaz akymynyň köpelmegi LSPR iň ýokary tolkun uzynlygynyň ýagdaýynyň (gök öwrülişi) howa akymynda 600.0 nm-den 589.5 nm-e çenli 180 s / s CO akymynda 180 s. .16 l / sag CO 589.1 nm-de 600 sekuntda akýar.CuNi15-de bolşy ýaly, CuNi20 üçin has giň pik we siňdiriş intensiwligini görüp bileris.Cu üstündäki Ni gatlagynyň galyňlygynyň ýokarlanmagy, şeýle hem CuNi15 ýerine CuNi20 nanopartikullarynyň ululygynyň we sanynyň köpelmegi bilen Cu we Ni bölejikleriniň biri-birine ýakynlaşmagy bilen elektron yrgyldamalaryň amplitudasy ýokarlanýar diýip çaklamak bolar. we netijede ýygylyk ýokarlanýar.diýmek: tolkun uzynlygy azalýar, gök üýtgeşiklik bolýar.
Iş wagty: Awgust-16-2023