Nan etid sa a, nou te envestige Cu/Ni nanopartikul sentèz nan sous mikwokarbone pandan ko-depozisyon pa RF sputtering ak RF-PECVD, osi byen ke lokalize sifas plasmon sonorite pou deteksyon gaz CO lè l sèvi avèk nanopartikil Cu/Ni. Mòfoloji patikil yo. Mòfoloji sifas yo te etidye pa analiz 3D mikwofòn fòs atomik lè l sèvi avèk pwosesis imaj ak teknik analiz fraktal / miltifractal. Analiz estatistik yo te fèt lè l sèvi avèk lojisyèl MountainsMap® Premium ak analiz de-fason nan divèjans (ANOVA) ak tès diferans pi piti enpòtan. Nanoestrikti sifas yo gen distribisyon espesifik lokal ak mondyal. Eksperimantal ak simulation Rutherford backscattering spectre konfime bon jan kalite a nan nanopartikil yo. Lè sa a, echantiyon frèch prepare yo te ekspoze a yon chemine gaz kabonik ak itilizasyon yo kòm yon Capteur gaz yo te envestige lè l sèvi avèk metòd la nan sonorite plasmon sifas lokalize. Anplis de sa nan yon kouch nikèl sou tèt kouch kwiv la te montre rezilta enteresan tou de an tèm de mòfoloji ak deteksyon gaz. Konbinezon an nan analiz stéréo avanse nan topografi sifas fim mens ak espektroskopi Rutherford backscattering ak analiz espektroskopik se inik nan jaden sa a.
Polisyon lè rapid nan dènye deseni ki sot pase yo, sitou akòz endistriyalizasyon rapid, te pouse chèchè yo aprann plis sou enpòtans detekte gaz yo. Nanopartikul metal (NPs) yo te montre yo dwe materyèl pwomèt pou detèktè gaz1,2,3,4 menm lè yo konpare ak fim metal mens ki kapab lokalize sifas plasmon sonorite (LSPR), ki se yon sibstans ki rezonans ak elektwomayetik fò ak fòtman limite. jaden 5,6,7,8. Kòm yon metal tranzisyon pa chè, ba-toksik, ak versatile, kòb kwiv mete konsidere kòm yon eleman enpòtan pa syantis ak endistri, espesyalman manifaktirè Capteur9. Nan lòt men an, katalis metal tranzisyon nikèl fè pi bon pase lòt katalis10. Aplikasyon ki byen koni nan Cu/Ni nan nanoskal la fè yo menm pi enpòtan, espesyalman paske pwopriyete estriktirèl yo pa chanje apre fusion11,12.
Pandan ke nanopartikul metal yo ak koòdone yo ak medyòm dyelèktrik la montre chanjman enpòtan nan rezonans plasmon sifas lokalize, yo te konsa yo te itilize kòm blòk bilding pou deteksyon gaz13. Lè spectre absòpsyon chanje, sa vle di ke twa faktè longèdonn sonan ak / oswa entansite pik absòpsyon ak / oswa FWHM ka chanje pa 1, 2, 3, 4. Sou sifas nanostructured, ki gen rapò dirèkteman ak gwosè patikil, sifas lokalize. sonorite plasmon nan nanopartikil, olye ke nan fim mens, se yon faktè efikas pou idantifye absòpsyon molekilè14, menm jan tou vize pa Ruiz et al. te montre relasyon ki genyen ant patikil amann ak efikasite deteksyon15.
Konsènan deteksyon optik CO gaz, gen kèk materyèl konpoze tankou AuCo3O416, Au-CuO17 ak Au-YSZ18 yo te rapòte nan literati a. Nou ka panse a lò kòm yon metal nòb agrégées ak oksid metal yo detekte molekil gaz chimikman adsorbed sou sifas la nan konpoze an, men pwoblèm nan prensipal ak detèktè se reyaksyon yo nan tanperati chanm, ki fè yo inaksesib.
Pandan kèk deseni ki sot pase yo, yo te itilize mikwoskopi fòs atomik (AFM) kòm yon teknik avanse pou karakterize mikromorfoloji sifas ki genyen twa dimansyon nan rezolisyon nanokal segondè 19,20,21,22. Anplis de sa, stereo, fractal/multifractal analiz23,24,25,26, pouvwa dansite spectral (PSD)27 ak Minkowski28 fonksyonèl yo se zouti dènye modèl pou karakterize topografi sifas fim mens.
Nan etid sa a, ki baze sou lokalize sifas plasmon sonorite (LSPR) absòpsyon, asetilèn (C2H2) Cu/Ni NP tras yo te depoze nan tanperati chanm pou itilize kòm detèktè gaz CO. Rutherford backscatter spectroscopy (RBS) te itilize pou analize konpozisyon ak mòfoloji nan imaj AFM, epi yo te trete kat topografik 3D lè l sèvi avèk lojisyèl MountainsMap® Premium pou etidye izotropi sifas ak tout paramèt mikromòfolojik adisyonèl nan mikrotèkstur sifas yo. Nan lòt men an, nouvo rezilta syantifik yo demontre ki ka aplike nan pwosesis endistriyèl epi yo gen gwo enterè nan aplikasyon pou deteksyon gaz chimik (CO). Literati a rapòte pou premye fwa sentèz, karakterizasyon ak aplikasyon nanopartikul sa a.
Yon fim mens nan Cu / Ni nanopartikul te prepare pa RF sputtering ak RF-PECVD ko-depozisyon ak yon ekipman pou pouvwa 13.56 MHz. Metòd la baze sou yon raktor ak de elektwòd diferan materyèl ak gwosè. Yon sèl ki pi piti a se metal kòm yon elektwòd kouran, ak youn nan pi gwo se tè nan yon chanm asye pur nan yon distans 5 cm youn ak lòt. Mete substra SiO 2 la ak sib Cu a nan chanm lan, Lè sa a, evakye chanm lan nan 103 N/m 2 kòm presyon baz la nan tanperati chanm, prezante gaz asetilèn nan chanm lan, ak Lè sa a, presyon an presyon anbyen. Gen de rezon prensipal pou itilize gaz asetilèn nan etap sa a: premyèman, li sèvi kòm yon gaz konpayi asirans pou pwodiksyon plasma, ak dezyèmman, pou preparasyon nan nanopartikil nan kantite tras nan kabòn. Pwosesis depo a te pote soti pou 30 min nan yon presyon gaz inisyal ak pouvwa RF nan 3.5 N / m2 ak 80 W, respektivman. Lè sa a, kraze vakyòm lan epi chanje sib la nan Ni. Pwosesis depo a te repete nan yon presyon gaz inisyal ak pouvwa RF nan 2.5 N / m2 ak 150 W, respektivman. Finalman, kòb kwiv mete ak nikèl nanopartikul depoze nan yon atmosfè asetilèn fòme nanoestrikti kòb kwiv mete / nikèl. Gade Tablo 1 pou preparasyon echantiyon ak idantifyan yo.
Imaj 3D echantiyon frèch prepare yo te anrejistre nan yon zòn eskanè kare 1 μm × 1 μm lè l sèvi avèk yon mikwoskòp fòs atomik nanomèt multimode (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) nan mòd ki pa kontak ak yon vitès optik 10-20 μm / min. . Avèk. Yo te itilize lojisyèl MountainsMap® Premium pou trete kat topografik 3D AFM yo. Dapre ISO 25178-2:2012 29,30,31, plizyè paramèt mòfolojik yo dokimante ak diskite, wotè, nwayo, volim, karaktè, fonksyon, espas ak konbinezon yo defini.
Epesè ak konpozisyon echantiyon frèch prepare yo te estime sou lòd MeV lè l sèvi avèk espektroskopi segondè-enèji Rutherford backscattering (RBS). Nan ka sonde gaz, yo te itilize espektroskopi LSPR lè l sèvi avèk yon espektromèt UV-Vis nan ranje longèdonn ki soti nan 350 a 850 nm, pandan y ap yon echantiyon reprezantan te nan yon kivèt fèmen asye pur ak yon dyamèt 5.2 cm ak yon wotè 13.8 cm. nan yon pite 99.9% CO koule gaz (dapre Arian Gas Co. IRSQ estanda, 1.6 16 l/h pou 180 segonn ak 600 segonn). Etap sa a te pote soti nan tanperati chanm, imidite anbyen 19% ak Hood lafimen.
Rutherford backscattering spèktroskopi kòm yon teknik gaye ion yo pral itilize pou analize konpozisyon fim mens. Metòd inik sa a pèmèt quantification san yo pa itilize yon estanda referans. Analiz RBS mezire gwo enèji (He2 + iyon, sa vle di patikil alfa) sou lòd MeV sou echantiyon an ak iyon He2 + backscattered nan yon ang bay yo. Kòd SIMNRA itil nan modèl liy dwat ak koub, ak korespondans li ak espèk RBS eksperimantal yo montre bon jan kalite echantiyon yo prepare. Yo montre spectre RBS echantiyon Cu/Ni NP nan Figi 1, kote liy wouj la se spectre RBS eksperimantal, ak liy ble a se simulation pwogram SIMNRA, li ka wè de liy espèk yo an bon. akò. Yo te itilize yon gwo bout bwa ensidan ak yon enèji 1985 keV pou idantifye eleman yo nan echantiyon an. Epesè kouch anwo a se apeprè 40 1E15Atom / cm2 ki gen 86% Ni, 0.10% O2, 0.02% C ak 0.02% Fe. Fe asosye ak enpurte nan sib Ni a pandan sputtering. Pik nan Cu ak Ni ki kache yo vizib nan 1500 keV, respektivman, ak pik nan C ak O2 nan 426 keV ak 582 keV, respektivman. Etap Na, Si, ak Fe yo se 870 keV, 983 keV, 1340 keV, ak 1823 keV, respektivman.
Imaj kare 3D topografik AFM nan sifas fim Cu ak Cu/Ni NP yo montre nan Fig. 2. Anplis de sa, topografi 2D ki prezante nan chak figi montre ke NP yo obsève sou sifas fim nan kole nan fòm esferik, ak mòfoloji sa a sanble ak sa ki dekri pa Godselahi ak Armand32 ak Armand et al.33. Sepandan, Cu NPs nou yo pa te aglomere, ak echantiyon an ki gen sèlman Cu te montre yon sifas siyifikativman douser ak pik pi rafine pase sa yo ki pi graj (Fig. 2a). Okontrè, pik yo louvri sou echantiyon CuNi15 ak CuNi20 yo gen yon fòm esferik evidan ak pi wo entansite, jan yo montre rapò wotè nan Figi 2a ak b. Chanjman aparan nan mòfoloji fim endike ke sifas la gen diferan estrikti topografik espasyal, ki afekte pa tan depozisyon nikèl.
Imaj AFM nan Cu (a), CuNi15 (b), ak CuNi20 (c) fim mens. Kat 2D apwopriye, distribisyon elevasyon ak koub Abbott Firestone entegre nan chak imaj.
Gwosè an mwayèn grenn nanopartikul yo te estime apati istogram distribisyon dyamèt yo te jwenn nan mezire 100 nanopartikul lè l sèvi avèk yon anfòm Gaussian jan yo montre nan FIG. Li ka wè ke Cu ak CuNi15 gen menm gwosè grenn mwayèn yo (27.7 ak 28.8 nm), pandan y ap CuNi20 gen pi piti grenn (23.2 nm), ki se tou pre valè a rapòte pa Godselahi et al. 34 (apeprè 24 nm). Nan sistèm bimetalik, pik yo nan sonorite plasmon sifas lokalize yo ka chanje ak yon chanjman nan gwosè grenn nan35. Nan sans sa a, nou ka konkli ke yon tan long depozisyon Ni afekte pwopriyete plasmonik sifas Cu / Ni fim mens nan sistèm nou an.
Distribisyon gwosè patikil nan (a) Cu, (b) CuNi15, ak (c) CuNi20 fim mens yo jwenn nan topografi AFM.
Mòfoloji esansyèl tou jwe yon wòl enpòtan nan konfigirasyon espasyal estrikti topografik nan fim mens. Tablo 2 bay lis paramèt topografik ki baze sou wotè ki asosye ak kat jeyografik AFM, ki ka dekri pa valè tan nan brutality vle di (Sa), skewness (Ssk), ak kurtosis (Sku). Valè Sa yo se 1.12 (Cu), 3.17 (CuNi15) ak 5.34 nm (CuNi20), respektivman, ki konfime ke fim yo vin pi gra ak ogmante tan depozisyon Ni. Valè sa yo konparab ak sa yo te rapòte deja pa Arman et al.33 (1-4 nm), Godselahi et al.34 (1-1.05 nm) ak Zelu et al.36 (1.91-6.32 nm), kote yon menm jan an. sputtering te fèt lè l sèvi avèk metòd sa yo depoze fim nan Cu/Ni NPs. Sepandan, Ghosh et al.37 te depoze Cu/Ni multicouches pa electrodeposition ak rapòte pi wo valè brut, aparamman nan a ranje 13.8 pou 36 nm. Li ta dwe remake ke diferans ki genyen nan sinetik fòmasyon sifas pa metòd depo diferan ka mennen nan fòmasyon nan sifas ki gen diferan modèl espasyal. Men, li ka wè ke metòd RF-PECVD efikas pou jwenn fim Cu/Ni NPs ak yon brutality ki pa plis pase 6.32 nm.
Kòm pou pwofil la wotè, pi wo-lòd moman estatistik Ssk ak Sku yo gen rapò ak asimetri ak nòmal distribisyon wotè a, respektivman. Tout valè Ssk yo pozitif (Ssk> 0), ki endike yon pi long ke dwat38, ki ka konfime pa trase distribisyon wotè a nan ensèk 2. Anplis de sa, tout pwofil wotè yo te domine pa yon pik byen file 39 (Sku> 3) , ki demontre koub la Distribisyon wotè a mwens plat pase koub klòch Gaussiyen an. Liy wouj la nan konplo distribisyon wotè a se koub Abbott-Firestone 40, yon metòd estatistik apwopriye pou evalye distribisyon nòmal done yo. Liy sa a jwenn nan sòm kimilatif sou istogram wotè a, kote pik ki pi wo a ak depresyon ki pi pwofon an gen rapò ak valè minimòm (0%) ak maksimòm (100%) yo. Koub Abbott-Firestone sa yo gen yon fòm S lis sou aks y a epi nan tout ka yo montre yon ogmantasyon pwogresif nan pousantaj materyèl travèse sou zòn ki kouvri, kòmanse nan pik ki pi gra ak pi entans. Sa a konfime estrikti nan espasyal nan sifas la, ki se sitou afekte pa tan an depo nikèl.
Tablo 3 bay lis paramèt mòfoloji ISO espesifik ki asosye ak chak sifas yo jwenn nan imaj AFM yo. Li se byen li te ye ke zòn nan rapò materyèl (Smr) ak zòn nan vann san preskripsyon nan rapò materyèl (Smc) se paramèt fonksyonèl sifas29. Pou egzanp, rezilta nou yo montre ke rejyon an pi wo a plan medyàn sifas la konplètman pik nan tout fim (Smr = 100%). Sepandan, valè Smr yo jwenn nan diferan wotè nan koyefisyan zòn kote yo pote nan tèren an41, depi paramèt Smc la li te ye. Konpòtman Smc eksplike pa ogmantasyon nan brutality soti nan Cu → CuNi20, kote li ka wè ke valè ki pi wo a brutality jwenn pou CuNi20 bay Smc ~ 13 nm, pandan y ap valè a pou Cu se apeprè 8 nm.
Melanje paramèt RMS gradyan (Sdq) ak rapò zòn koòdone devlope (Sdr) se paramèt ki gen rapò ak platite teksti ak konpleksite. Soti nan Cu → CuNi20, valè Sdq yo varye ant 7 ak 21, sa ki endike iregilarite topografik yo nan fim yo ogmante lè kouch Ni a depoze pou 20 minit. Li ta dwe remake ke sifas la nan CuNi20 se pa tankou plat tankou sa yo ki nan Cu. Anplis de sa, li te jwenn ke valè a nan paramèt Sdr, ki asosye ak konpleksite nan mikrotèkstur sifas la, ogmante soti nan Cu → CuNi20. Dapre yon etid pa Kamble et al.42, konpleksite nan microtexture sifas la ogmante ak ogmante Sdr, ki endike ke CuNi20 (Sdr = 945%) gen yon mikrostruktur sifas ki pi konplèks konpare ak fim Cu (Sdr = 229%). . An reyalite, chanjman nan konpleksite mikwoskopik teksti an jwe yon wòl kle nan distribisyon ak fòm pik ki graj, ki ka obsève nan paramèt karakteristik dansite pik la (Spd) ak koub pik aritmetik vle di (Spc). Nan sans sa a, Spd ogmante soti nan Cu → CuNi20, ki endike ke pik yo òganize pi peman ak ogmante epesè kouch Ni. Anplis de sa, Spc tou ogmante soti nan Cu → CuNi20, ki endike ke fòm nan pik nan sifas la nan echantiyon Cu a gen plis awondi (Spc = 612), pandan y ap sa ki nan CuNi20 se pi file (Spc = 925).
Pwofil ki graj chak fim montre tou modèl espasyal distenk nan rejyon pik, nwayo ak depresyon sifas la. Wotè nwayo a (Sk), pik diminye (Spk) (pi wo pase nwayo a), ak depresyon (Svk) (anba nwayo a)31,43 se paramèt ki mezire pèpandikilè ak plan sifas la30 ak ogmantasyon soti nan Cu → CuNi20 akòz la sifas brutality Ogmantasyon enpòtan. Menm jan an tou, materyèl pik (Vmp), materyèl debaz (Vmc), anile depresyon (Vvv), ak volim anile nwayo (Vvc)31 montre menm tandans kòm tout valè ogmante soti nan Cu → CuNi20. Konpòtman sa a endike ke sifas CuNi20 a ka kenbe plis likid pase lòt echantiyon, ki pozitif, sijere ke sifas sa a pi fasil pou smear44. Se poutèt sa, li ta dwe remake ke kòm epesè nan kouch nikèl la ogmante soti nan CuNi15 → CuNi20, chanjman ki fèt nan pwofil la topografik lag dèyè chanjman ki fèt nan pi wo-lòd paramèt mòfolojik, ki afekte mikrotèkstur sifas la ak modèl la espasyal nan fim nan.
Yo te jwenn yon evalyasyon kalitatif nan teksti mikwoskopik sifas fim nan nan konstwi yon kat topografik AFM lè l sèvi avèk lojisyèl komèsyal MountainsMap45 la. Rann nan montre nan Figi 4, ki montre yon renur reprezantan ak yon trase polè ki gen rapò ak sifas la. Tablo 4 bay lis opsyon yo plas ak espas. Imaj yo nan genyen siyon yo montre ke echantiyon an domine pa yon sistèm menm jan an nan chanèl ak yon omojeneite pwononse nan siyon yo. Sepandan, paramèt yo pou tou de pwofondè maksimòm Groove (MDF) ak pwofondè Groove mwayèn (MDEF) ogmante soti nan Cu rive CuNi20, ki konfime obsèvasyon anvan yo sou potansyèl la lubricity nan CuNi20. Li ta dwe remake ke echantiyon Cu (Fig. 4a) ak CuNi15 (Fig. 4b) yo gen pratikman menm echèl koulè, ki endike ke mikrotèkstur nan sifas fim Cu a pa t 'sibi chanjman enpòtan apre fim nan Ni te depoze pou 15. min. Kontrèman, echantiyon CuNi20 a (figi 4c) montre ondilasyon ak echèl koulè diferan, ki gen rapò ak pi wo MDF ak MDEF valè li yo.
Grooves ak izotropi sifas nan mikrotèkstur nan fim Cu (a), CuNi15 (b), ak CuNi20 (c).
Dyagram polè a nan fig. 4 montre tou ke microtexture sifas la diferan. Li enpòtan pou remake ke depozisyon an nan yon kouch Ni siyifikativman chanje modèl la espasyal. Izotropi mikrotèkstur kalkile echantiyon yo te 48% (Cu), 80% (CuNi15), ak 81% (CuNi20). Li ka wè ke depozisyon an nan Ni kouch kontribye nan fòmasyon nan yon mikrotèkstik plis izotwòp, pandan y ap fim nan yon sèl kouch Cu gen yon mikrotèks sifas ki pi anisotrop. Anplis de sa, frekans espasyal dominan nan CuNi15 ak CuNi20 yo pi ba akòz gwo longè otokorrelasyon yo (Sal)44 konpare ak echantiyon Cu. Sa a se tou konbine avèk oryantasyon grenn jaden ki sanble ekspoze pa echantiyon sa yo (Std = 2.5 ° ak Std = 3.5 °), pandan y ap yon valè trè gwo te anrejistre pou echantiyon Cu a (Std = 121 °). Dapre rezilta sa yo, tout fim montre varyasyon espasyal alontèm akòz diferan mòfoloji, pwofil topografik, ak brutality. Kidonk, rezilta sa yo demontre ke tan an depo kouch Ni jwe yon wòl enpòtan nan fòmasyon nan sifas CuNi bimetalik sputtered.
Pou etidye konpòtman LSPR Cu/Ni NPs nan lè nan tanperati chanm ak nan diferan flux gaz CO, yo te aplike spectre absòpsyon UV-Vis nan seri longèdonn 350-800 nm, jan yo montre nan Figi 5 pou CuNi15 ak CuNi20. Lè w entwodwi diferan dansite koule gaz CO, pik efikas LSPR CuNi15 la ap vin pi laj, absòpsyon an pral pi fò, epi pik la ap chanje (redshift) nan pi wo longèdonn, ki soti nan 597.5 nm nan koule lè a 16 L / h 606.0 nm. Koule CO pou 180 segonn, 606.5 nm, koule CO 16 l/h pou 600 segonn. Nan lòt men an, CuNi20 montre yon konpòtman diferan, kidonk yon ogmantasyon nan koule gaz CO rezilta nan yon diminisyon nan pozisyon nan longèdonn pik LSPR (blueshift) soti nan 600.0 nm nan koule lè a 589.5 nm nan 16 l / h CO koule pou 180 s. . 16 l/h CO koule pou 600 segonn nan 589.1 nm. Menm jan ak CuNi15, nou ka wè yon pik pi laj ak ogmante entansite absòpsyon pou CuNi20. Li ka estime ke ak yon ogmantasyon nan epesè nan kouch Ni sou Cu, osi byen ke ak yon ogmantasyon nan gwosè a ak kantite nanopartikil CuNi20 olye pou yo CuNi15, Cu ak Ni patikil apwoche youn ak lòt, anplitid la nan osilasyon elektwonik ogmante. , epi, kidonk, frekans lan ogmante. ki vle di: longèdonn an diminye, yon chanjman ble rive.
Tan pòs: Out-16-2023