Yn dizze stúdzje ûndersochten wy Cu / Ni nanopartikels synthesized yn mikrocarbon boarnen tidens co-deposysje troch RF sputtering en RF-PECVD, lykas ek lokale oerflak plasmon resonânsje foar detectie fan CO gas mei Cu / Ni nanopartikels. Morfology fan dieltsjes. Surface morfology waard studearre troch analysearjen 3D atomic force micrographs mei help fan ôfbylding ferwurkjen en fraktale / multifractal analyse techniken. Statistyske analyze waard útfierd mei MountainsMap® Premium software mei twa-wei analyze fan fariânsje (ANOVA) en minste signifikante ferskil test. Surface nanostructures hawwe lokale en globale spesifike ferdieling. De eksperimintele en simulearre Rutherford backscattering spektra befêstige de kwaliteit fan 'e nanopartikels. De nij taret samples waarden doe bleatsteld oan in koalstofdiokside skoarstien en harren gebrûk as in gas sensor waard ûndersocht mei help fan de metoade fan pleatslike oerflak plasmon resonânsje. It tafoegjen fan in nikkellaach boppe op de koperlaach liet nijsgjirrige resultaten sjen, sawol yn termen fan morfology as gasdeteksje. De kombinaasje fan avansearre stereo analyze fan tinne film oerflak topografy mei Rutherford backscattering spektroskopy en spektroskopyske analyze is unyk op dit mêd.
Snelle loftfersmoarging yn 'e ôfrûne pear desennia, benammen troch rappe yndustrialisaasje, hat ûndersikers frege om mear te learen oer it belang fan it opspoaren fan gassen. Metalen nanopartikels (NP's) binne oantoand dat se belofte materialen binne foar gassensors1,2,3,4, sels yn fergeliking mei tinne metalen films dy't yn steat binne fan pleatslike oerflakplasmonresonânsje (LSPR), wat in stof is dy't resonearret mei sterke en sterk beheinde elektromagnetyske fjilden5,6,7,8. As in goedkeap, leech-giftige en alsidige oergongsmetaal wurdt koper beskôge as in wichtich elemint troch wittenskippers en yndustry, benammen sensorfabrikanten9. Oan 'e oare kant prestearje nikkel-transysjemetaalkatalysatoren better dan oare katalysatoren10. De bekende tapassing fan Cu/Ni op 'e nanoskaal makket se noch wichtiger, benammen om't har strukturele eigenskippen net feroarje nei fúzje11,12.
Wylst metalen nanopartikels en har ynterfaces mei it dielektryske medium signifikante feroaringen yn pleatslike oerflakplasmonresonânsjes sjen litte, binne se dus brûkt as boustiennen foar gasdeteksje13. Wannear't de absorption spektrum feroaret, dit betsjut dat de trije faktoaren fan resonânsjefel golflingte en / of absorption peak yntinsiteit en / of FWHM kin feroarje troch 1, 2, 3, 4. Op nanostructured oerflakken, dy't direkt ferbân hâlde mei dieltsje grutte, lokalisearre oerflak plasmonresonânsje yn nanopartikels, ynstee fan yn tinne films, is in effektive faktor foar it identifisearjen fan molekulêre absorption14, lykas ek oanjûn troch Ruiz et al. toande de relaasje tusken fyne dieltsjes en deteksje-effisjinsje15.
Wat de optyske deteksje fan CO-gas oanbelanget, binne guon gearstalde materialen lykas AuCo3O416, Au-CuO17 en Au-YSZ18 yn 'e literatuer rapportearre. Wy kinne tinke oan goud as in aadlik metaal aggregearre mei metaaloksiden om gasmolekulen te ûntdekken dy't chemysk adsorbearre binne op it oerflak fan 'e gearstalde, mar it wichtichste probleem mei sensors is har reaksje by keamertemperatuer, wêrtroch't se net tagonklik binne.
Yn 'e ôfrûne pear desennia is atoomkrêftmikroskopie (AFM) brûkt as in avansearre technyk om trijediminsjonale oerflakmikromorfology te karakterisearjen by hege resolúsje op nanoskaal 19,20,21,22. Dêrnjonken binne stereo, fraktale / multifraktale analyze23,24,25,26, power Spectral Density (PSD)27 en Minkowski28-funksjonele state-of-the-art ark foar it karakterisearjen fan de oerflaktopografy fan tinne films.
Yn dizze stúdzje, basearre op lokale oerflak plasmon resonânsje (LSPR) absorption, acetylene (C2H2) Cu / Ni NP spoaren waarden dellein by keamertemperatuer foar gebrûk as CO gas sensoren. Rutherford-backscatter-spektroskopy (RBS) waard brûkt om komposysje en morfology te analysearjen fan AFM-ôfbyldings, en 3D topografyske kaarten waarden ferwurke mei MountainsMap® Premium-software om oerflakisotropy te studearjen en alle ekstra mikromorfologyske parameters fan oerflakmikrotekstueren. Oan 'e oare kant wurde nije wittenskiplike resultaten oantoand dy't tapast wurde kinne op yndustriële prosessen en fan grut belang binne yn applikaasjes foar gemyske gasdeteksje (CO). De literatuer rapportearret foar it earst de synteze, karakterisearring en tapassing fan dit nanopartikel.
In tinne film fan Cu / Ni nanopartikels waard taret troch RF sputtering en RF-PECVD co-deposition mei in 13.56 MHz Netzteil. De metoade is basearre op in reaktor mei twa elektroden fan ferskillende materialen en maten. De lytsere is metaal as in bekrêftige elektrode, en de gruttere wurdt grûn troch in roestfrij stiel keamer op in ôfstân fan 5 sm fan elkoar. Plak it SiO 2-substraat en it Cu-doel yn 'e keamer, evakuearje dan de keamer nei 103 N / m 2 as de basisdruk by keamertemperatuer, yntrodusearje acetyleengas yn 'e keamer, en druk dan nei ambient druk. D'r binne twa haadredenen foar it brûken fan acetyleengas yn dizze stap: as earste tsjinnet it as dragergas foar plasmaproduksje, en twad foar de tarieding fan nanopartikels yn spoarmjittingen fan koalstof. It ôfsettingsproses waard foar 30 min útfierd by in earste gasdruk en RF-krêft fan respektivelik 3,5 N / m2 en 80 W. Brek dan it fakuüm en feroarje it doel nei Ni. It ôfsettingsproses waard werhelle by in earste gasdruk en RF-krêft fan respektivelik 2,5 N/m2 en 150 W. Uteinlik foarmje koper- en nikkelnanopartikels dy't yn in acetyleenatmosfear ôfset binne koper / nikkel nanostruktueren. Sjoch tabel 1 foar sample tarieding en identifiers.
3D-ôfbyldings fan nij tariede samples waarden opnommen yn in 1 μm × 1 μm fjouwerkant scangebiet mei in nanometer multimode atoomkrêftmikroskoop (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) yn net-kontaktmodus by in skennensnelheid fan 10-20 μm / min . Mei. MountainsMap® Premium software waard brûkt om de 3D AFM topografyske kaarten te ferwurkjen. Neffens ISO 25178-2: 2012 29,30,31 wurde ferskate morfologyske parameters dokumintearre en besprutsen, hichte, kearn, folume, karakter, funksje, romte en kombinaasje wurde definiearre.
De dikte en gearstalling fan nij tariede samples waarden rûsd op de folchoarder fan MeV mei help fan hege-enerzjy Rutherford backscattering spectroscopy (RBS). Yn it gefal fan gasûndersyk waard LSPR-spektroskopy brûkt mei in UV-Vis-spektrometer yn it golflingteberik fan 350 oant 850 nm, wylst in represintative stekproef yn in sletten roestfrij stiel kuvette wie mei in diameter fan 5,2 sm en in hichte fan 13,8 sm by in suverens fan 99,9% CO-gasstreamrate (neffens Arian Gas Co. IRSQ-standert, 1,6 oant 16 l/h foar 180 sekonden en 600 sekonden). Dizze stap waard útfierd by keamertemperatuer, ambient vochtigheid 19% en dampkap.
Rutherford backscattering spektroskopy as in ion ferstruit technyk sil brûkt wurde om te analysearjen de gearstalling fan tinne films. Dizze unike metoade lit kwantifikaasje mooglik meitsje sûnder it brûken fan in referinsjestandert. RBS-analyze mjit hege enerzjy (He2+-ionen, dat wol sizze alfa-dieltsjes) yn 'e folchoarder fan MeV op it stekproef en He2+-ionen weromferspraat op in bepaalde hoeke. De SIMNRA-koade is nuttich by it modelleren fan rjochte linen en bochten, en syn korrespondinsje mei de eksperimintele RBS-spektra toant de kwaliteit fan 'e tariede samples. It RBS-spektrum fan 'e Cu/Ni NP-probe wurdt werjûn yn figuer 1, wêr't de reade line it eksperimintele RBS-spektrum is, en de blauwe line is de simulaasje fan it SIMNRA-programma, kin sjoen wurde dat de twa spektrale rigels goed binne oerienkomst. In ynfallende beam mei in enerzjy fan 1985 keV waard brûkt om de eleminten yn 'e stekproef te identifisearjen. De dikte fan de boppeste laach giet oer 40 1E15Atom / cm2 containing 86% Ni, 0,10% O2, 0,02% C en 0,02% Fe. Fe is ferbûn mei ûnreinheden yn it Ni-doel by sputterjen. Peaks fan ûnderlizzende Cu en Ni binne sichtber op 1500 keV, respektivelik, en peaks fan C en O2 by 426 keV en 582 keV, respektivelik. De Na-, Si- en Fe-stappen binne respektivelik 870 keV, 983 keV, 1340 keV en 1823 keV.
Fjouwerkante 3D topografyske AFM bylden fan Cu en Cu / Ni NP film oerflakken wurde werjûn yn Fig. 2. Dêrnjonken lit de 2D-topografy presintearre yn elke figuer sjen dat de NP's dy't op 'e filmoerflak beoardiele binne gearwurkje yn bolfoarmige foarmen, en dizze morfology is fergelykber mei dy beskreaun troch Godselahi en Armand32 en Armand et al.33. Us Cu NP's waarden lykwols net agglomerearre, en de stekproef dy't allinich Cu befette liet in signifikant flüssigere oerflak sjen mei fynere peaks as de rûger (figuer 2a). Krektoarsom, de iepen peaks op 'e CuNi15 en CuNi20 samples hawwe in dúdlik sfearyske foarm en hegere yntinsiteit, lykas werjûn troch de hichte ferhâlding yn Fig. 2a en b. De skynbere feroaring yn filmmorfology jout oan dat it oerflak ferskate topografyske romtlike struktueren hat, dy't beynfloede wurde troch nikkelôfsettingstiid.
AFM-ôfbyldings fan Cu (a), CuNi15 (b), en CuNi20 (c) tinne films. Passende 2D-kaarten, hichteferdielingen en Abbott Firestone-kurven binne yn elke ôfbylding ynbêde.
De gemiddelde nôtgrutte fan 'e nanopartikels waard rûsd út' e diameterferdielingshistogram krigen troch it mjitten fan 100 nanopartikels mei in Gaussian fit lykas werjûn yn FIG. It kin sjoen wurde dat Cu en CuNi15 deselde gemiddelde korrelgrutte hawwe (27,7 en 28,8 nm), wylst CuNi20 lytsere korrels hat (23,2 nm), dy't tichtby de wearde is rapportearre troch Godselahi et al. 34 (sawat 24 nm). Yn bimetallyske systemen kinne de peaks fan 'e pleatslike oerflakplasmonresonânsje ferskowe mei in feroaring yn' e korrelgrutte35. Yn dit ferbân kinne wy konkludearje dat in lange Ni-ôfsettingstiid de oerflak plasmonyske eigenskippen fan Cu / Ni tinne films fan ús systeem beynfloedet.
Partikelgrutte ferdieling fan (a) Cu, (b) CuNi15, en (c) CuNi20 tinne films krigen fan AFM topografy.
Bulkmorfology spilet ek in wichtige rol yn 'e romtlike konfiguraasje fan topografyske struktueren yn tinne films. Tabel 2 listet de hichte-basearre topografyske parameters ferbûn mei de AFM-kaart, dy't kinne wurde beskreaun troch tiidwearden fan gemiddelde rûchheid (Sa), skewness (Ssk), en kurtosis (Sku). De Sa-wearden binne respektivelik 1.12 (Cu), 3.17 (CuNi15) en 5.34 nm (CuNi20), wat befêstiget dat de films rûger wurde mei tanimmende Ni-ôfsettingstiid. Dizze wearden binne fergelykber mei dy earder rapporteare troch Arman et al.33 (1-4 nm), Godselahi et al.34 (1-1.05 nm) en Zelu et al.36 (1.91-6.32 nm), wêr't in ferlykbere sputtering waard útfierd mei help fan dizze metoaden te deponearje films fan Cu / Ni NPs. Lykwols, Ghosh et al.37 deponearre Cu / Ni multilayers troch electrodeposition en rapportearre hegere rûchheid wearden, blykber yn it berik fan 13,8 oan 36 nm. Dêrby moat opmurken wurde dat ferskillen yn de kinetika fan oerflak formaasje troch ferskillende ôfsetting metoaden kinne liede ta de foarming fan oerflakken mei ferskillende romtlike patroanen. Dochs kin it sjoen wurde dat de RF-PECVD-metoade effektyf is foar it krijen fan films fan Cu / Ni NP's mei in rûchheid fan net mear as 6.32 nm.
Wat it hichteprofyl oanbelanget, binne de statistyske mominten fan hegere oarder Ssk en Sku relatearre oan respektivelik de asymmetry en normaliteit fan 'e hichteferdieling. Alle Ssk-wearden binne posityf (Ssk> 0), wat oanjout op in langere rjochtersturt38, wat kin wurde befêstige troch it hichteferdielingsplot yn ynset 2. Derneist waarden alle hichteprofilen dominearre troch in skerpe peak 39 (Sku> 3) , oantoand dat de kromme De hichteferdieling minder flak is as de Gaussyske klokkromme. De reade line yn it plot fan 'e hichteferdieling is de Abbott-Firestone 40-kromme, in gaadlike statistyske metoade foar it evaluearjen fan' e normale ferdieling fan gegevens. Dizze line wurdt krigen út de kumulative som oer de hichte histogram, dêr't de heechste pyk en djipste trough binne relatearre oan harren minimum (0%) en maksimum (100%) wearden. Dizze Abbott-Firestone-kurven hawwe in glêde S-foarm op 'e y-as en litte yn alle gefallen in foarútstribjende ferheging fan it persintaazje materiaal dat oerstutsen wurdt oer gebiet bedekt, begjinnend fan 'e rûchste en meast yntinsive peak. Dit befêstiget de romtlike struktuer fan it oerflak, dat wurdt benammen beynfloede troch de nikkel deposition tiid.
Tabel 3 listet de spesifike ISO-morfologyparameters dy't ferbûn binne mei elk oerflak krigen fan 'e AFM-ôfbyldings. It is goed bekend dat de oerflak-to-materiaal-ferhâlding (Smr) en de counter-gebiet oant materiaal-ferhâlding (Smc) oerflakfunksjonele parameters binne29. Bygelyks, ús resultaten litte sjen dat de regio boppe it mediaanflak fan it oerflak folslein peak is yn alle films (Smr = 100%). De wearden fan Smr wurde lykwols krigen fan ferskate hichten fan 'e draachflakkoëffisjint fan it terrein41, om't de parameter Smc bekend is. It gedrach fan Smc wurdt ferklearre troch de ferheging fan rûchheid fan Cu → CuNi20, wêr't kin wurde sjoen dat de heechste rûchheidswearde dy't foar CuNi20 wurdt krigen Smc ~ 13 nm jout, wylst de wearde foar Cu sawat 8 nm is.
Blending parameters RMS gradient (Sdq) en ûntwikkele ynterface gebiet ratio (Sdr) binne parameters yn ferbân mei textuur flatness en kompleksiteit. Fan Cu → CuNi20 fariearje de Sdq-wearden fan 7 oant 21, wat oanjout dat de topografyske ûnregelmjittichheden yn 'e films tanimme as de Ni-laach foar 20 min wurdt dellein. It moat opmurken wurde dat it oerflak fan CuNi20 net sa flak is as dat fan Cu. Dêrnjonken waard fûn dat de wearde fan 'e parameter Sdr, ferbûn mei de kompleksiteit fan' e oerflakmikrotekstuer, ferheget fan Cu → CuNi20. Neffens in stúdzje fan Kamble et al.42 nimt de kompleksiteit fan 'e oerflakmikrotekstuer ta mei tanimmende Sdr, wat oanjout dat CuNi20 (Sdr = 945%) in komplekser oerflakmikrostruktuer hat yn ferliking mei Cu-films (Sdr = 229%). . Yn feite spilet de feroaring yn 'e mikroskopyske kompleksiteit fan' e tekstuer in wichtige rol yn 'e ferdieling en foarm fan rûge peaks, dy't kinne wurde waarnommen út' e karakteristike parameters fan 'e peak tichtens (Spd) en de arithmetyske gemiddelde peak curvature (Spc). Yn dit ferbân nimt Spd ta fan Cu → CuNi20, wat oanjout dat de toppen tichter wurde organisearre mei tanimmende Ni-laachdikte. Dêrnjonken nimt Spc ek ta fan Cu→CuNi20, wat oanjout dat de peakfoarm fan it oerflak fan it Cu-monster mear rûn is (Spc = 612), wylst dy fan CuNi20 skerper is (Spc = 925).
It rûge profyl fan elke film toant ek ûnderskate romtlike patroanen yn 'e peak-, kearn- en trogregio's fan it oerflak. De hichte fan 'e kearn (Sk), ôfnimmende pyk (Spk) (boppe de kearn), en trough (Svk) (ûnder de kearn) 31,43 binne parameters mjitten loodrecht op it oerflakflak30 en tanimme fan Cu → CuNi20 troch de oerflak rûchheid Signifikante ferheging. Lykas, peak materiaal (Vmp), kearn materiaal (Vmc), trough leechte (Vvv), en kearn leechte folume (Vvc) 31 litte deselde trend as alle wearden tanimme fan Cu → CuNi20. Dit gedrach jout oan dat it CuNi20-oerflak mear flüssigens kin hâlde dan oare samples, wat posityf is, wat suggerearret dat dit oerflak makliker te smarjen is44. Dêrom moat it opmurken wurde dat as de dikte fan 'e nikkellaach tanimt fan CuNi15 → CuNi20, de feroaringen yn it topografyske profyl efter de feroaringen yn hegere-order morfologyske parameters, dy't de oerflakmikrotekstuer en it romtlike patroan fan 'e film beynfloedzje.
In kwalitative beoardieling fan 'e mikroskopyske tekstuer fan it filmflak waard krigen troch it bouwen fan in AFM topografyske kaart mei de kommersjele MountainsMap45-software. De rendering wurdt werjûn yn figuer 4, dat toant in represintative groove en in polar plot mei respekt foar it oerflak. Tabel 4 jout it slot en romte opsjes. De bylden fan 'e grooves litte sjen dat de stekproef wurdt dominearre troch in ferlykber systeem fan kanalen mei in útsprutsen homogeneity fan de grooves. Lykwols, de parameters foar sawol maksimale groove djipte (MDF) en gemiddelde groove djipte (MDEF) tanimme fan Cu to CuNi20, befêstiget eardere waarnimmings oer de lubricity potinsjeel fan CuNi20. It moat opmurken wurde dat de Cu (Fig. 4a) en CuNi15 (Fig. 4b) samples hawwe praktysk deselde kleur skalen, wat oanjout dat de mikrotekstuer fan de Cu film oerflak net ûndergien wichtige feroarings neidat de Ni film waard dellein foar 15 min. Yn tsjinstelling, de CuNi20-monster (fig. 4c) eksposearret rimpels mei ferskate kleurskalen, dy't relatearre is oan har hegere MDF- en MDEF-wearden.
Grooves en oerflak isotropy fan mikrotekstueren fan Cu (a), CuNi15 (b), en CuNi20 (c) films.
It polêre diagram yn fig. 4 lit ek sjen dat it oerflak mikrotekstuer is oars. It is opmerklik dat de ôfsetting fan in Ni-laach it romtlike patroan signifikant feroaret. De berekkene mikroteksturale isotropy fan 'e samples wie 48% (Cu), 80% (CuNi15), en 81% (CuNi20). It kin sjoen wurde dat de delsetting fan de Ni laach bydraacht oan de foarming fan in mear isotropic microtexture, wylst de single laach Cu film hat in mear anisotropic oerflak microtexture. Derneist binne de dominante romtlike frekwinsjes fan CuNi15 en CuNi20 leger troch har grutte autokorrelaasjelingten (Sal)44 yn ferliking mei Cu-monsters. Dit wurdt ek kombinearre mei de ferlykbere nôt oriïntaasje útstald troch dizze samples (Std = 2,5 ° en Std = 3,5 °), wylst in hiel grutte wearde waard opnomd foar de Cu stekproef (Std = 121 °). Op grûn fan dizze resultaten fertoane alle films romtlike fariaasjes op lange berik fanwege ferskillende morfology, topografyske profilen en rûchheid. Sa, dizze resultaten litte sjen dat de Ni laach deposition tiid spilet in wichtige rol yn de foarming fan CuNi bimetallic sputtered oerflakken.
Om it LSPR-gedrach fan Cu / Ni NP's yn loft by keamertemperatuer en by ferskate CO-gasfluxen te studearjen, waarden UV-Vis-absorptionsspektra tapast yn it golflingteberik fan 350-800 nm, lykas werjûn yn figuer 5 foar CuNi15 en CuNi20. Troch it ynfieren fan ferskate CO-gasstreamdensiteiten sil de effektive LSPR CuNi15-peak breder wurde, de absorption sil sterker wêze, en de peak sil ferskowe (redshift) nei hegere golflingten, fan 597.5 nm yn luchtstream nei 16 L / h 606.0 nm. CO-stream foar 180 sekonden, 606,5 nm, CO-stream 16 l/h foar 600 sekonden. Oan 'e oare kant lit CuNi20 in oar gedrach sjen, sadat in ferheging fan CO-gasstream resulteart yn in fermindering fan' e LSPR-peakgolflingteposysje (blueshift) fan 600.0 nm by luchtstream nei 589.5 nm by 16 l / h CO-stream foar 180 s . 16 l/h CO-stream foar 600 sekonden by 589.1 nm. Lykas by CuNi15, kinne wy in bredere peak en ferhege absorptionintensiteit foar CuNi20 sjen. It kin wurde rûsd dat mei in tanimming fan 'e dikte fan' e Ni-laach op Cu, en ek mei in tanimming fan 'e grutte en oantal CuNi20 nanopartikels ynstee fan CuNi15, Cu- en Ni-dieltsjes elkoar benaderje, de amplitude fan elektroanyske oscillaasjes nimt ta , en dêrtroch nimt de frekwinsje ta. wat betsjut: de golflingte nimt ôf, der komt in blauwe ferskowing foar.
Post tiid: Aug-16-2023