En ĉi tiu studo, ni esploris Cu/Ni nanopartiklojn sintezitaj en mikrokarbonaj fontoj dum kundemetado per RF-sputtering kaj RF-PECVD, same kiel lokalizitan surfacan plasmon-resonancon por detekto de CO-gaso uzante Cu/Ni nanopartiklojn. Morfologio de partikloj. Surfaca morfologio estis studita analizante 3D atomfortmikrografojn uzante bildprilaboradon kaj fraktal/multifraktalajn analizteknikojn. Statistika analizo estis farita uzante MountainsMap® Premium-programaron kun dudirekta analizo de varianco (ANOVA) kaj malplej signifa diferenco-testo. Surfacaj nanostrukturoj havas lokan kaj tutmondan specifan distribuon. La eksperimentaj kaj simulitaj Rutherford-retrodisvastaj spektroj konfirmis la kvaliton de la nanopartikloj. La ĵus pretaj provaĵoj tiam estis eksponitaj al karbondioksida kamentubo kaj ilia uzo kiel gassensilo estis esplorita uzante la metodon de lokalizita surfaca plasmonresonanco. La aldono de nikela tavolo super la kupra tavolo montris interesajn rezultojn kaj laŭ morfologio kaj gasdetekto. La kombinaĵo de progresinta stereoanalizo de maldika filmsurfaca topografio kun Rutherford-retrodisvaga spektroskopio kaj spektroskopa analizo estas unika en ĉi tiu kampo.
Rapida aerpoluo dum la lastaj jardekoj, precipe pro rapida industriiĝo, instigis esploristojn lerni pli pri la graveco de detektado de gasoj. Metalaj nanopartikloj (NPs) pruviĝis esti esperigaj materialoj por gassensiloj1,2,3,4 eĉ se komparite kun maldikaj metalaj filmoj kapablaj je lokalizita surfaca plasmonresonanco (LSPR), kiu estas substanco kiu resonas kun forta kaj forte limigita elektromagneta. kampoj5,6,7,8. Kiel malmultekosta, malalt-toksa kaj diverstalenta transira metalo, kupro estas konsiderata grava elemento de sciencistoj kaj industrio, precipe de sensilproduktantoj9. Aliflanke, nikelaj transirmetalaj kataliziloj funkcias pli bone ol aliaj kataliziloj10. La konata apliko de Cu/Ni ĉe la nanoskala igas ilin eĉ pli gravaj, precipe ĉar iliaj strukturaj trajtoj ne ŝanĝiĝas post fuzio11,12.
Dum metalaj nanopartikloj kaj iliaj interfacoj kun la dielektrika medio elmontras signifajn ŝanĝojn en lokalizitaj surfacaj plasmonresonancoj, ili estis tiel utiligitaj kiel konstrubriketoj por gasdetekto13. Kiam la sorbada spektro ŝanĝiĝas, tio signifas, ke la tri faktoroj de resonanca ondolongo kaj/aŭ sorbada pintintenseco kaj/aŭ FWHM povas ŝanĝiĝi je 1, 2, 3, 4. Sur nanostrukturitaj surfacoj, kiuj rekte rilatas al partikla grandeco, lokalizita surfaco plasmonresonanco en nanopartikloj, prefere ol en maldikaj filmoj, estas efika faktoro por identigi molekulan sorbadon14, kiel ankaŭ atentigita de Ruiz et al. montris la rilaton inter fajnaj partikloj kaj detekta efikeco15.
Koncerne la optikan detekton de CO-gaso, kelkaj kompozitaj materialoj kiel ekzemple AuCo3O416, Au-CuO17 kaj Au-YSZ18 estis raportitaj en la literaturo. Ni povas pensi pri oro kiel nobla metalo kunigita kun metaloksidoj por detekti gasmolekulojn kemie adsorbitajn sur la surfaco de la kunmetaĵo, sed la ĉefa problemo kun sensiloj estas ilia reago ĉe ĉambra temperaturo, igante ilin nealireblaj.
Dum la lastaj jardekoj, atomfortmikroskopio (AFM) estis utiligita kiel progresinta tekniko por karakterizi tridimensian surfacmikromorfologion ĉe alta nanoskala rezolucio19,20,21,22. Krome, stereo, frakta/multifrakta analizo23,24,25,26, potenco-spektra denseco (PSD)27 kaj Minkowski28-funkciaj estas pintnivelaj iloj por karakterizado de la surfaca topografio de maldikaj filmoj.
En ĉi tiu studo, surbaze de lokalizita surfaca plasmonresonanco (LSPR) sorbado, acetileno (C2H2) Cu/Ni NP-spuroj estis deponitaj ĉe ĉambra temperaturo por uzo kiel CO-gassensiloj. Rutherford-retrodisvaga spektroskopio (RBS) estis uzata por analizi kunmetaĵon kaj morfologion de AFM-bildoj, kaj 3D topografiaj mapoj estis prilaboritaj uzante MountainsMap® Premium-programaron por studi surfacan izotropion kaj ĉiujn kromajn mikromorfologiajn parametrojn de surfacaj mikroteksturoj. Aliflanke, novaj sciencaj rezultoj estas pruvitaj kiuj povas esti aplikitaj al industriaj procezoj kaj estas de granda intereso en aplikoj por kemia gasdetekto (CO). La literaturo raportas unuafoje la sintezon, karakterizadon kaj aplikon de ĉi tiu nanopartiklo.
Maldika filmo de Cu/Ni nanopartikloj estis preparita per RF-ŝprucado kaj RF-PECVD kundemetado kun 13.56 MHz elektroprovizo. La metodo baziĝas sur reaktoro kun du elektrodoj de malsamaj materialoj kaj grandecoj. La pli malgranda estas metalo kiel energiigita elektrodo, kaj la pli granda estas surgrundigita tra neoksidebla ŝtala kamero je distanco de 5 cm unu de la alia. Metu la SiO 2-substraton kaj la Cu-celon en la ĉambron, tiam evakuu la ĉambron al 103 N/m 2 kiel la baza premo ĉe ĉambra temperaturo, enkonduku acetilenan gason en la ĉambron, kaj poste premu al ĉirkaŭa premo. Estas du ĉefaj kialoj por uzi acetilengason en ĉi tiu paŝo: unue, ĝi funkcias kiel portanta gaso por plasma produktado, kaj due, por la preparado de nanopartikloj en spurkvantoj de karbono. La deponprocezo estis efektivigita dum 30 minutoj ĉe komenca gaspremo kaj RF-potenco de 3.5 N/m2 kaj 80 W, respektive. Tiam rompu la vakuon kaj ŝanĝu la celon al Ni. La deponprocezo estis ripetita ĉe komenca gaspremo kaj RF-potenco de 2.5 N/m2 kaj 150 W, respektive. Finfine, kupro kaj nikelo nanopartikloj deponitaj en acetilena atmosfero formas kuprajn/nikelaj nanostrukturoj. Vidu Tabelon 1 por specimena preparado kaj identigiloj.
3D bildoj de ĵus pretaj provaĵoj estis registritaj en kvadrata skana areo de 1 μm × 1 μm uzante nanometran plurmodan atomfortmikroskopon (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) en ne-kontakta reĝimo kun skanada rapideco de 10-20 μm/min. . Kun. MountainsMap® Premium-programaro estis uzata por prilabori la 3D AFM-topografiajn mapojn. Laŭ ISO 25178-2:2012 29,30,31, pluraj morfologiaj parametroj estas dokumentitaj kaj diskutitaj, alteco, kerno, volumeno, karaktero, funkcio, spaco kaj kombinaĵo estas difinitaj.
La dikeco kaj kunmetaĵo de ĵus pretaj provaĵoj estis taksitaj laŭ la ordo de MeV uzante alt-energian Rutherford-retrodisvastigan spektroskopion (RBS). Koncerne gassondi, LSPR-spektroskopio estis uzita uzante UV-Vis-spektrometron en la ondolongointervalo de 350 ĝis 850 nm, dum reprezenta provaĵo estis en fermita rustorezistaŝtala kuveto kun diametro de 5.2 cm kaj alteco de 13.8 cm. je pureco de 99,9 % CO-gasfluo (laŭ Arian Gas Co. IRSQ-normo, 1,6 ĝis 16 l/h dum 180 sekundoj kaj 600 sekundoj). Ĉi tiu paŝo estis efektivigita ĉe ĉambra temperaturo, ĉirkaŭa humideco 19% kaj fumkapuĉo.
Rutherford-retrodisvaga spektroskopio kiel jona disvastigtekniko estos uzata por analizi la kunmetaĵon de maldikaj filmoj. Tiu unika metodo permesas kvantigon sen la uzo de referencnormo. RBS-analizo mezuras altajn energiojn (He2+-jonoj, t.e. alfa-partikloj) sur la ordo de MeV sur la specimeno kaj He2+-jonoj retrodisvastigitaj laŭ antaŭfiksita angulo. La SIMNRA-kodo estas utila en modeligado de rektaj kaj kurboj, kaj ĝia korespondado al la eksperimentaj RBS-spektroj montras la kvaliton de la pretaj provaĵoj. La RBS-spektro de la specimeno Cu/Ni NP estas montrita en Figuro 1, kie la ruĝa linio estas la eksperimenta RBS-spektro, kaj la blua linio estas la simulado de la programo SIMNRA, oni povas vidi, ke la du spektraj linioj estas en bona. interkonsento. Okazanta trabo kun energio de 1985 keV estis uzita por identigi la elementojn en la provaĵo. La dikeco de la supra tavolo estas proksimume 40 1E15Atom/cm2 enhavanta 86% Ni, 0,10% O2, 0,02% C kaj 0,02% Fe. Fe estas rilata al malpuraĵoj en la Ni-celo dum ŝprucado. Pintoj de subesta Cu kaj Ni estas videblaj je 1500 keV, respektive, kaj pintoj de C kaj O2 je 426 keV kaj 582 keV, respektive. La ŝtupoj Na, Si, kaj Fe estas 870 keV, 983 keV, 1340 keV, kaj 1823 keV, respektive.
Kvadrataj 3D topografiaj AFM-bildoj de Cu kaj Cu/Ni NP-filmsurfacoj estas montritaj en Figoj. 2. Krome, la 2D topografio prezentita en ĉiu figuro montras, ke la NP-oj observitaj sur la filmsurfaco kunfluas en sferajn formojn, kaj ĉi tiu morfologio estas simila al tiu priskribita de Godselahi kaj Armand32 kaj Armand et al.33. Tamen, niaj Cu NP-oj ne estis aglomerataj, kaj la specimeno enhavanta nur Cu montris signife pli glatan surfacon kun pli fajnaj pintoj ol la pli malglataj (Fig. 2a). Male, la malfermaj pintoj sur la specimenoj CuNi15 kaj CuNi20 havas evidentan sferan formon kaj pli altan intensecon, kiel montras la altecoproporcio en Fig. 2a kaj b. La ŝajna ŝanĝo en filmmorfologio indikas ke la surfaco havas malsamajn topografiajn spacajn strukturojn, kiuj estas trafitaj per nikeldemettempo.
AFM-bildoj de Cu (a), CuNi15 (b), kaj CuNi20 (c) maldikaj filmoj. Taŭgaj 2D mapoj, altecdistribuoj kaj Abbott Firestone-kurboj estas enigitaj en ĉiu bildo.
La meza grajngrandeco de la nanopartikloj estis taksita de la diametra distribuhistogramo akirita per mezurado de 100 nanopartikloj uzante gaŭsan konvenon kiel montrite en FIG. Povas esti vidite ke Cu kaj CuNi15 havas la samajn mezajn grajngrandecojn (27.7 kaj 28.8 Nm), dum CuNi20 havas pli malgrandajn grajnojn (23.2 Nm), kiu estas proksima al la valoro raportita fare de Godselahi et al. 34 (ĉirkaŭ 24 nm). En bimetalaj sistemoj, la pintoj de la lokalizita surfaca plasmonresonanco povas ŝanĝiĝi kun ŝanĝo en la grajngrandeco35. Ĉi-rilate, ni povas konkludi ke longa Ni-demettempo influas la surfacajn plasmoniajn trajtojn de Cu/Ni maldikaj filmoj de nia sistemo.
Partikla grandeco distribuo de (a) Cu, (b) CuNi15, kaj (c) CuNi20 maldikaj filmoj akiritaj de AFM-topografio.
Groca morfologio ankaŭ ludas gravan rolon en la spaca konfiguracio de topografiaj strukturoj en maldikaj filmoj. Tablo 2 listigas la altec-bazitajn topografiajn parametrojn asociitajn kun la AFM-mapo, kiuj povas esti priskribitaj per tempaj valoroj de averaĝa malglateco (Sa), deformeco (Ssk) kaj kurtozo (Sku). La valoroj de Sa estas 1.12 (Cu), 3.17 (CuNi15) kaj 5.34 nm (CuNi20), respektive, konfirmante, ke la filmoj fariĝas pli malglataj kun pliiĝanta Ni-demettempo. Ĉi tiuj valoroj estas kompareblaj al tiuj antaŭe raportitaj de Arman et al.33 (1–4 nm), Godselahi et al.34 (1–1,05 nm) kaj Zelu et al.36 (1,91–6,32 nm), kie similas ŝprucado estis farita uzante tiujn metodojn por deponi filmojn de Cu/Ni NPs. Tamen, Ghosh et al.37 deponis Cu/Ni plurtavolojn per elektrodemetado kaj raportis pli altajn malglatajn valorojn, ŝajne en la intervalo de 13,8 ĝis 36 nm. Devus notiĝi ke diferencoj en la kinetiko de surfacformado per malsamaj demetmetodoj povas konduki al la formado de surfacoj kun malsamaj spacaj padronoj. Tamen, povas esti vidite ke la RF-PECVD-metodo estas efika por akiri filmojn de Cu/Ni NPs kun malglateco de ne pli ol 6.32 nm.
Koncerne la altecprofilon, la pli alta-ordaj statistikaj momentoj Ssk kaj Sku rilatas al la malsimetrio kaj normaleco de la altecdistribuo, respektive. Ĉiuj Ssk-valoroj estas pozitivaj (Ssk> 0), indikante pli longan dekstran voston38, kiu povas esti konfirmita per la alteca distribua intrigo en enmeto 2. Krome, ĉiuj altecaj profiloj estis regataj de akra pinto 39 (Sku> 3) , montrante ke la kurbo La alteca distribuo estas malpli plata ol la gaŭsa sonorilkurbo. La ruĝa linio en la alteca distribua intrigo estas la Abbott-Firestone 40 kurbo, taŭga statistika metodo por taksi la normalan distribuadon de datumoj. Tiu linio estas akirita de la akumula sumo super la altechistogramo, kie la plej alta pinto kaj plej profunda trogo estas rilataj al siaj minimumaj (0%) kaj maksimumaj (100%) valoroj. Tiuj Abbott-Firestone-kurboj havas glatan S-formon sur la y-akso kaj en ĉiuj kazoj montras progreseman pliiĝon en la procento de materialo krucita super areo kovrita, komencante de la plej malglata kaj plej intensa pinto. Tio konfirmas la spacan strukturon de la surfaco, kiu estas plejparte trafita per la nikeldemettempo.
Tablo 3 listigas la specifajn ISO-morfologiajn parametrojn asociitajn kun ĉiu surfaco akirita de la AFM-bildoj. Estas konate, ke la areo al materiala rilatumo (Smr) kaj la kontraŭareo al materiala rilatumo (Smc) estas surfacaj funkciaj parametroj29. Ekzemple, niaj rezultoj montras, ke la regiono super la meza ebeno de la surfaco estas tute pinta en ĉiuj filmoj (Smr = 100%). Tamen, la valoroj de Smr estas akiritaj de malsamaj altecoj de la portanta areokoeficiento de la tereno41, ĉar la parametro Smc estas konata. La konduto de Smc estas klarigita per la pliiĝo en krudeco de Cu → CuNi20, kie povas esti vidite ke la plej alta krudecvaloro akirita por CuNi20 donas Smc ~ 13 nm, dum la valoro por Cu estas proksimume 8 nm.
Miksaj parametroj RMS-gradiento (Sdq) kaj evoluinta interfaca areoproporcio (Sdr) estas parametroj rilataj al tekstura plateco kaj komplekseco. De Cu → CuNi20, la Sdq-valoroj varias de 7 ĝis 21, indikante, ke la topografiaj neregulaĵoj en la filmoj pliiĝas kiam la Ni-tavolo estas deponita dum 20 minutoj. Devus notiĝi ke la surfaco de CuNi20 ne estas same plata kiel tiu de Cu. Krome, oni trovis, ke la valoro de la parametro Sdr, asociita kun la komplekseco de la surfaca mikroteksturo, pliiĝas de Cu → CuNi20. Laŭ studo de Kamble et al.42, la komplekseco de la surfaca mikroteksturo pliiĝas kun kreskanta Sdr, indikante ke CuNi20 (Sdr = 945%) havas pli kompleksan surfacmikrostrukturon kompare kun Cu-filmoj (Sdr = 229%). . Fakte, la ŝanĝo en la mikroskopa komplekseco de la teksturo ludas ŝlosilan rolon en la distribuo kaj formo de malglataj pintoj, kiuj povas esti observitaj de la karakterizaj parametroj de la pintdenseco (Spd) kaj la aritmetika averaĝa pintkurbeco (Spc). Ĉi-rilate, Spd pliiĝas de Cu → CuNi20, indikante ke la pintoj estas pli dense organizitaj kun kreskanta Ni-tavoldikeco. Krome, Spc ankaŭ pliiĝas de Cu→CuNi20, indikante ke la pintformo de la surfaco de la Cu-provaĵo estas pli rondeta (Spc = 612), dum tiu de CuNi20 estas pli akra (Spc = 925).
La malglata profilo de ĉiu filmo ankaŭ montras apartajn spacajn padronojn en la pinto, kerno, kaj trogregionoj de la surfaco. La alteco de la kerno (Sk), malkreskanta pinto (Spk) (super la kerno), kaj trogo (Svk) (sub la kerno)31,43 estas parametroj mezuritaj perpendikulare al la surfaca ebeno30 kaj pliiĝo de Cu → CuNi20 pro la surfaca malglateco Signifa pliiĝo. Simile, pinta materialo (Vmp), kernmaterialo (Vmc), trogo-malpleno (Vvv) kaj kerna malplena volumeno (Vvc)31 montras la saman tendencon, ĉar ĉiuj valoroj pliiĝas de Cu → CuNi20. Ĉi tiu konduto indikas, ke la surfaco de CuNi20 povas teni pli da likvaĵo ol aliaj specimenoj, kio estas pozitiva, sugestante ke ĉi tiu surfaco estas pli facile ŝmirebla44. Tial, oni devas rimarki, ke ĉar la dikeco de la nikel-tavolo pliiĝas de CuNi15 → CuNi20, la ŝanĝoj en la topografa profilo postrestas malantaŭ la ŝanĝoj en pli alt-ordaj morfologiaj parametroj, influante la surfacan mikroteksturon kaj la spacan padronon de la filmo.
Kvalita takso de la mikroskopa teksturo de la filmsurfaco estis akirita konstruante AFM-topografian mapon uzante la komercan MountainsMap45-softvaron. La bildigo estas montrita en Figuro 4, kiu montras reprezentan sulkon kaj polusan intrigon kun respekto al la surfaco. Tablo 4 listigas la fendo- kaj spacopciojn. La bildoj de la sulkoj montras, ke la specimeno estas dominata de simila sistemo de kanaloj kun okulfrapa homogeneco de la sulkoj. Tamen, la parametroj por kaj maksimuma kanelo profundo (MDF) kaj meza kanelprofundo (MDEF) pliiĝas de Cu ĝis CuNi20, konfirmante antaŭajn observaĵojn pri la lubricpotencialo de CuNi20. Oni devas rimarki, ke la specimenoj Cu (Fig. 4a) kaj CuNi15 (Fig. 4b) havas preskaŭ la samajn kolorskalojn, kio indikas, ke la mikroteksturo de la Cu-filmsurfaco ne spertis signifajn ŝanĝojn post kiam la Ni-filmo estis deponita por 15. min. Kontraste, la specimeno CuNi20 (Fig. 4c) montras sulkojn kun malsamaj kolorskaloj, kiuj rilatas al siaj pli altaj MDF kaj MDEF-valoroj.
Kaneloj kaj surfacizotropeco de mikroteksturoj de Cu (a), CuNi15 (b), kaj CuNi20 (c) filmoj.
La polusa diagramo en fig. 4 ankaŭ montras ke la surfaca mikroteksturo estas malsama. Estas rimarkinde ke la atestaĵo de Ni-tavolo signife ŝanĝas la spacan padronon. La kalkulita mikrotekstura izotropeco de la provaĵoj estis 48% (Cu), 80% (CuNi15), kaj 81% (CuNi20). Videblas, ke la atestaĵo de la Ni-tavolo kontribuas al la formado de pli izotropa mikroteksturo, dum la ununura tavola Cu-filmo havas pli anizotropan surfacmikroteksturon. Krome, la dominaj spacaj frekvencoj de CuNi15 kaj CuNi20 estas pli malaltaj pro siaj grandaj aŭtokorelaciaj longoj (Sal)44 kompare kun Cu-provaĵoj. Ĉi tio ankaŭ estas kombinita kun la simila grenorientiĝo elmontrita per ĉi tiuj specimenoj (Std = 2.5° kaj Std = 3.5°), dum tre granda valoro estis registrita por la Cu-provaĵo (Std = 121°). Surbaze de tiuj rezultoj, ĉiuj filmoj elmontras longdistancajn spacajn variojn pro malsama morfologio, topografiaj profiloj, kaj krudeco. Tiel, tiuj rezultoj pruvas ke la Ni-tavola depontempo ludas gravan rolon en la formado de CuNi-dumetalaj ŝprucitaj surfacoj.
Por studi la LSPR-konduton de Cu/Ni NPs en aero ĉe ĉambra temperaturo kaj ĉe malsamaj CO-gasfluoj, UV-Vis-sorbadspektroj estis aplikitaj en la ondolongointervalo de 350-800 nm, kiel montrite en Figuro 5 por CuNi15 kaj CuNi20. Enkondukante malsamajn CO-gasfluajn densecojn, la efika LSPR CuNi15-pinto fariĝos pli larĝa, la sorbado estos pli forta, kaj la pinto ŝanĝiĝos (ruĝenŝoviĝo) al pli altaj ondolongoj, de 597.5 nm en aerfluo ĝis 16 L/h 606.0 nm. CO-fluo dum 180 sekundoj, 606,5 nm, CO-fluo 16 l/h dum 600 sekundoj. Aliflanke, CuNi20 elmontras malsaman konduton, do pliiĝo en CO-gasfluo rezultigas malkreskon en la LSPR-pinta ondolongopozicio (bluŝoviĝo) de 600.0 Nm ĉe aerfluo ĝis 589.5 Nm ĉe 16 l/h CO-fluo dum 180 s. . 16 l/h CO-fluo dum 600 sekundoj je 589,1 nm. Kiel ĉe CuNi15, ni povas vidi pli larĝan pinton kaj pliigitan sorban intensecon por CuNi20. Oni povas taksi, ke kun pliiĝo en la dikeco de la Ni-tavolo sur Cu, same kiel kun pliiĝo en la grandeco kaj nombro de CuNi20 nanopartikloj anstataŭ CuNi15, Cu kaj Ni-partikloj alproksimiĝas unu al la alia, la amplitudo de elektronikaj osciladoj pliiĝas. , kaj, sekve, la frekvenco pliiĝas. kio signifas: la ondolongo malpliiĝas, okazas blua movo.
Afiŝtempo: Aŭg-16-2023