У овој студији смо истраживали наночестице Цу/Ни синтетизоване у изворима микроугљеника током кодепозиције РФ распршивањем и РФ-ПЕЦВД, као и локализовану површинску плазмонску резонанцу за детекцију ЦО гаса коришћењем наночестица Цу/Ни. Морфологија честица. Морфологија површине проучавана је анализом микрографа 3Д атомске силе коришћењем обраде слике и техника фракталне/мултифракталне анализе. Статистичка анализа је извршена коришћењем МоунтаинсМап® Премиум софтвера са двосмерном анализом варијансе (АНОВА) и тестом најмање значајне разлике. Површинске наноструктуре имају локалну и глобалну специфичну дистрибуцију. Експериментални и симулирани спектри Рутхерфордовог повратног расејања потврдили су квалитет наночестица. Свеже припремљени узорци су затим изложени димњаку угљен-диоксида и испитана је њихова употреба као сензора гаса методом локализоване површинске плазмонске резонанце. Додавање слоја никла на врх слоја бакра показало је занимљиве резултате иу погледу морфологије и детекције гаса. Комбинација напредне стерео анализе топографије површине танког филма са Ратерфордовом спектроскопијом повратног расејања и спектроскопском анализом је јединствена у овој области.
Брзо загађење ваздуха у последњих неколико деценија, посебно због брзе индустријализације, подстакло је истраживаче да сазнају више о важности откривања гасова. Показало се да су металне наночестице (НП) обећавајући материјали за гасне сензоре1,2,3,4 чак и у поређењу са танким металним филмовима способним за локализовану површинску плазмонску резонанцу (ЛСПР), која је супстанца која резонује са јаким и јако ограниченим електромагнетним поља 5,6,7,8. Као јефтин, ниско токсичан и свестран прелазни метал, бакар се сматра важним елементом од стране научника и индустрије, посебно произвођача сензора9. С друге стране, катализатори прелазног метала никла имају боље перформансе од других катализатора10. Добро позната примена Цу/Ни на наноразмери их чини још важнијим, посебно зато што се њихова структурна својства не мењају након фузије11,12.
Док металне наночестице и њихови интерфејси са диелектричним медијумом показују значајне промене у локализованим површинским плазмонским резонанцијама, оне су стога коришћене као грађевински блокови за детекцију гаса13. Када се апсорпциони спектар промени, то значи да се три фактора резонантне таласне дужине и/или интензитета апсорпционог максимума и/или ФВХМ могу променити за 1, 2, 3, 4. На наноструктурираним површинама, које су директно повезане са величином честица, локализована површина плазмонска резонанца у наночестицама, а не у танким филмовима, је ефикасан фактор за идентификацију молекуларних апсорпција14, као што су истакли и Руиз ет ал. показао однос између финих честица и ефикасности детекције15.
Што се тиче оптичке детекције гаса ЦО, неки композитни материјали као што су АуЦо3О416, Ау-ЦуО17 и Ау-ИСЗ18 су пријављени у литератури. Злато можемо замислити као племенити метал агрегиран са металним оксидима за детекцију молекула гаса хемијски адсорбованих на површини композита, али главни проблем са сензорима је њихова реакција на собној температури, што их чини недоступним.
Током последњих неколико деценија, микроскопија атомске силе (АФМ) је коришћена као напредна техника за карактеризацију тродимензионалне микроморфологије површине при високој резолуцији наноразмера19,20,21,22. Поред тога, стерео, фрактална/мултифрактална анализа23,24,25,26, спектрална густина снаге (ПСД)27 и функције Минковски28 су најсавременији алати за карактеризацију површинске топографије танких филмова.
У овој студији, на основу апсорпције локализоване површинске плазмонске резонанце (ЛСПР), трагови ацетилена (Ц2Х2) Цу/Ни НП су депоновани на собној температури за употребу као сензори гаса ЦО. Ратхерфордова спектроскопија повратног расејања (РБС) је коришћена за анализу састава и морфологије са АФМ слика, а 3Д топографске карте су обрађене коришћењем МоунтаинсМап® Премиум софтвера за проучавање површинске изотропије и свих додатних микроморфолошких параметара површинских микротекстура. Са друге стране, демонстрирани су нови научни резултати који се могу применити на индустријске процесе и од великог су интересовања у применама за детекцију хемијских гасова (ЦО). Литература по први пут извештава о синтези, карактеризацији и примени ове наночестице.
Танак филм Цу/Ни наночестица је припремљен РФ распршивањем и РФ-ПЕЦВД ко-таложењем са напајањем од 13,56 МХз. Метода се заснива на реактору са две електроде различитих материјала и величина. Мања је метална као електрода под напоном, а већа је уземљена кроз комору од нерђајућег челика на удаљености од 5 цм једна од друге. Ставите СиО 2 супстрат и Цу мету у комору, затим евакуишите комору до 103 Н/м 2 као основног притиска на собној температури, уведите гас ацетилен у комору, а затим доведите притисак до притиска околине. Постоје два главна разлога за коришћење гаса ацетилена у овом кораку: прво, он служи као гас носач за производњу плазме, и друго, за припрему наночестица у траговима угљеника. Процес таложења је спроведен 30 мин при почетном притиску гаса и РФ снази од 3,5 Н/м2 и 80 В, респективно. Затим разбијте вакуум и промените циљ у Ни. Процес таложења је поновљен при почетном притиску гаса и РФ снази од 2,5 Н/м2 и 150 В, респективно. Коначно, наночестице бакра и никла депоноване у атмосфери ацетилена формирају наноструктуре бакра/никла. Видети табелу 1 за припрему узорака и идентификаторе.
3Д слике свеже припремљених узорака снимљене су у квадратном подручју скенирања величине 1 μм × 1 μм коришћењем нанометарског мултимодног микроскопа атомске силе (Дигитал Инструментс, Санта Барбара, Калифорнија) у бесконтактном режиму при брзини скенирања од 10–20 μм/мин. . Витх. За обраду 3Д АФМ топографских карата коришћен је софтвер МоунтаинсМап® Премиум. Према ИСО 25178-2:2012 29,30,31, неколико морфолошких параметара је документовано и дискутовано, висина, језгро, запремина, карактер, функција, простор и комбинација су дефинисани.
Дебљина и састав свеже припремљених узорака процењени су реда МеВ применом високоенергетске Ратерфордове спектроскопије повратног расејања (РБС). У случају сондирања гаса коришћена је ЛСПР спектроскопија коришћењем УВ-Вис спектрометра у опсегу таласних дужина од 350 до 850 нм, док је репрезентативни узорак био у затвореној кивети од нерђајућег челика пречника 5,2 цм и висине 13,8 цм. са чистоћом од 99,9% протока гаса ЦО (према стандарду Ариан Гас Цо. ИРСК, 1,6 до 16 л/х за 180 секунди и 600 секунди). Овај корак је изведен на собној температури, влажности околине 19% и хауби.
Ратерфордова спектроскопија повратног расејања као техника расејања јона биће коришћена за анализу састава танких филмова. Ова јединствена метода омогућава квантификацију без употребе референтног стандарда. РБС анализа мери високе енергије (Хе2+ јоне, тј. алфа честице) реда МеВ на узорку и Хе2+ јоне повратно расејане под датим углом. СИМНРА код је користан у моделовању правих линија и кривих, а његова кореспонденција са експерименталним РБС спектрима показује квалитет припремљених узорака. РБС спектар Цу/Ни НП узорка је приказан на слици 1, где је црвена линија експериментални РБС спектар, а плава линија је симулација СИМНРА програма, може се видети да су две спектралне линије у добром стању. споразум. За идентификацију елемената у узорку коришћен је упадни сноп са енергијом од 1985 кеВ. Дебљина горњег слоја је око 40 1Е15Атом/цм2 и садржи 86% Ни, 0,10% О2, 0,02% Ц и 0,02% Фе. Фе је повезан са нечистоћама у Ни мети током распршивања. Врхови Цу и Ни испод су видљиви на 1500 кеВ, респективно, а пикови Ц и О2 на 426 кеВ и 582 кеВ, респективно. Кораци На, Си и Фе су 870 кеВ, 983 кеВ, 1340 кеВ и 1823 кеВ, респективно.
Квадратне 3Д топографске АФМ слике површина Цу и Цу/Ни НП филма приказане су на сл. 2. Поред тога, 2Д топографија представљена на свакој слици показује да се НП уочени на површини филма спајају у сферне облике, а ова морфологија је слична оној коју су описали Годселахи и Арманд32 и Арманд ет ал.33. Међутим, наши Цу НП нису били агломерисани, а узорак који је садржао само Цу показао је значајно глатку површину са финијим врховима од грубијих (слика 2а). Напротив, отворени пикови на узорцима ЦуНи15 и ЦуНи20 имају очигледан сферни облик и већи интензитет, као што показује однос висина на сликама 2а и б. Очигледна промена у морфологији филма указује да површина има различите топографске просторне структуре, на које утиче време таложења никла.
АФМ слике танких филмова Цу (а), ЦуНи15 (б) и ЦуНи20 (ц). Одговарајуће 2Д карте, дистрибуције надморске висине и Абботт Фирестоне криве су уграђене у сваку слику.
Просечна величина зрна наночестица је процењена из хистограма расподеле пречника добијеног мерењем 100 наночестица коришћењем Гаусовог уклапања као што је приказано на Сл. Може се видети да Цу и ЦуНи15 имају исте просечне величине зрна (27,7 и 28,8 нм), док ЦуНи20 има мања зрна (23,2 нм), што је близу вредности коју наводе Годселахи ет ал. 34 (око 24 нм). У биметалним системима, врхови локализоване површинске плазмонске резонанце могу се померити са променом величине зрна35. С тим у вези, можемо закључити да дуго време таложења Ни утиче на површинска плазмонска својства Цу/Ни танких филмова нашег система.
Расподела величине честица (а) Цу, (б) ЦуНи15 и (ц) ЦуНи20 танких филмова добијених из АФМ топографије.
Булк морфологија такође игра важну улогу у просторној конфигурацији топографских структура у танким филмовима. У табели 2 наведени су топографски параметри засновани на висини повезани са АФМ мапом, а који се могу описати временским вредностима средње храпавости (Са), нагиба (Сск) и куртозиса (Ску). Вредности Са су 1,12 (Цу), 3,17 (ЦуНи15) и 5,34 нм (ЦуНи20), респективно, што потврђује да филмови постају грубљи са повећањем времена таложења Ни. Ове вредности су упоредиве са онима које су раније изнели Арман ет ал.33 (1–4 нм), Годселахи ет ал.34 (1–1,05 нм) и Зелу ет ал.36 (1,91–6,32 нм), где је сличан распршивање је извршено овим методама за депоновање филмова Цу/Ни НП. Међутим, Гхосх ет ал.37 су депоновали вишеслојне слојеве Цу/Ни електродепозицијом и пријавили веће вредности храпавости, очигледно у опсегу од 13,8 до 36 нм. Треба напоменути да разлике у кинетици формирања површине различитим методама таложења могу довести до формирања површина са различитим просторним обрасцима. Ипак, може се видети да је РФ-ПЕЦВД метода ефикасна за добијање филмова Цу/Ни НП са храпавошћу не већом од 6,32 нм.
Што се тиче висинског профила, статистички моменти вишег реда Сск и Ску су повезани са асиметријом и нормалношћу дистрибуције висине, респективно. Све вредности Сск су позитивне (Сск > 0), што указује на дужи десни реп38, што се може потврдити дијаграмом расподеле висине на уметку 2. Поред тога, свим профилима висине доминира оштар врх 39 (Ску > 3) , показујући да је крива Расподела висине мање равна од Гаусове звонасте криве. Црвена линија на графикону расподеле висине је Абботт-Фирестоне 40 крива, погодна статистичка метода за процену нормалне дистрибуције података. Ова линија се добија из кумулативног збира преко хистограма висине, при чему су највиши врх и најдубље удубљење повезани са њиховим минималним (0%) и максималним (100%) вредностима. Ове Абботт-Фирестоне криве имају глатки С-облик на и-оси и у свим случајевима показују прогресивно повећање процента материјала пређеног преко покривене површине, почевши од најгрубљег и најинтензивнијег врха. Ово потврђује просторну структуру површине на коју углавном утиче време таложења никла.
Табела 3 наводи специфичне ИСО морфолошке параметре повезане са сваком површином добијеном из АФМ слика. Добро је познато да су однос површине према материјалу (Смр) и однос површине према материјалу (Смц) површински функционални параметри29. На пример, наши резултати показују да је област изнад средње равни површине потпуно вршна у свим филмовима (Смр = 100%). Међутим, вредности Смр се добијају из различитих висина коефицијента носиве површине терена41, пошто је познат параметар Смц. Понашање Смц се објашњава повећањем храпавости од Цу → ЦуНи20, при чему се може видети да највећа вредност храпавости добијена за ЦуНи20 даје Смц ~ 13 нм, док је вредност за Цу око 8 нм.
Параметри мешања РМС градијент (Сдк) и развијени однос површине интерфејса (Сдр) су параметри који се односе на равност и сложеност текстуре. Од Цу → ЦуНи20, вредности Сдк се крећу од 7 до 21, што указује да се топографске неправилности у филмовима повећавају када се слој Ни таложи 20 мин. Треба напоменути да површина ЦуНи20 није тако равна као Цу. Поред тога, утврђено је да вредност параметра Сдр, повезана са сложеношћу микротекстуре површине, расте од Цу → ЦуНи20. Према студији Камбла ет ал.42, сложеност површинске микротекстуре расте са повећањем Сдр, што указује да ЦуНи20 (Сдр = 945%) има сложенију површинску микроструктуру у поређењу са Цу филмовима (Сдр = 229%). . У ствари, промена микроскопске сложености текстуре игра кључну улогу у дистрибуцији и облику грубих врхова, што се може посматрати из карактеристичних параметара густине пикова (Спд) и средње аритметичке кривине пика (Спц). С тим у вези, Спд расте од Цу → ЦуНи20, што указује да су врхови гушће организовани са повећањем дебљине слоја Ни. Поред тога, Спц такође расте од Цу→ЦуНи20, што указује да је облик врха површине узорка Цу заобљенији (Спц = 612), док је ЦуНи20 оштрији (Спц = 925).
Груби профил сваког филма такође показује различите просторне обрасце у областима врха, језгра и корита површине. Висина језгра (Ск), опадајући врх (Спк) (изнад језгра) и корито (Свк) (испод језгра)31,43 су параметри мерени окомито на раван површине30 и расту од Цу → ЦуНи20 због храпавост површине Значајно повећање . Слично томе, вршни материјал (Вмп), материјал језгра (Вмц), празнина у дну (Ввв) и запремина шупљине језгра (Ввц)31 показују исти тренд јер све вредности расту од Цу → ЦуНи20. Ово понашање указује да површина ЦуНи20 може задржати више течности од других узорака, што је позитивно, што сугерише да је ову површину лакше размазати44. Због тога треба напоменути да како дебљина слоја никла расте од ЦуНи15 → ЦуНи20, промене у топографском профилу заостају за променама морфолошких параметара вишег реда, утичући на микротекстуру површине и просторни образац филма.
Квалитативна процена микроскопске текстуре површине филма добијена је конструисањем АФМ топографске карте коришћењем комерцијалног софтвера МоунтаинсМап45. Приказ је приказан на слици 4, која приказује репрезентативни жлеб и поларни дијаграм у односу на површину. Табела 4 наводи опције слота и простора. Слике жљебова показују да узорком доминира сличан систем канала са израженом хомогеношћу жљебова. Међутим, параметри за максималну дубину жлеба (МДФ) и просечну дубину жлеба (МДЕФ) се повећавају од Цу до ЦуНи20, потврђујући претходна запажања о потенцијалу подмазивања ЦуНи20. Треба напоменути да узорци Цу (Сл. 4а) и ЦуНи15 (Сл. 4б) имају практично исте скале боја, што указује да микротекстура површине Цу филма није претрпела значајне промене након што је Ни филм депонован 15. мин. Насупрот томе, узорак ЦуНи20 (слика 4ц) показује боре са различитим скалама боја, што је повезано са већим вредностима МДФ и МДЕФ.
Жлебови и изотропија површине микротекстура филмова Цу (а), ЦуНи15 (б) и ЦуНи20 (ц).
Поларни дијаграм на сл. 4 такође показује да је микротекстура површине различита. Важно је напоменути да таложење слоја Ни значајно мења просторни образац. Израчуната микротекстурна изотропија узорака износила је 48% (Цу), 80% (ЦуНи15) и 81% (ЦуНи20). Може се видети да таложење Ни слоја доприноси формирању изотропније микротекстуре, док једнослојни Цу филм има анизотропнију површинску микротекстуру. Поред тога, доминантне просторне фреквенције ЦуНи15 и ЦуНи20 су ниже због њихових великих аутокорелационих дужина (Сал)44 у поређењу са узорцима Цу. Ово је такође комбиновано са сличном оријентацијом зрна коју показују ови узорци (Стд = 2,5° и Стд = 3,5°), док је за узорак Цу забележена веома велика вредност (Стд = 121°). На основу ових резултата, сви филмови показују велике просторне варијације због различите морфологије, топографских профила и храпавости. Дакле, ови резултати показују да време таложења слоја Ни игра важну улогу у формирању ЦуНи биметалних распршених површина.
Да би се проучавало ЛСПР понашање Цу/Ни НП у ваздуху на собној температури и при различитим токовима гаса ЦО, примењени су УВ-Вис апсорпциони спектри у опсегу таласних дужина од 350–800 нм, као што је приказано на слици 5 за ЦуНи15 и ЦуНи20. Увођењем различитих густина протока ЦО гаса, ефективни ЛСПР ЦуНи15 пик ће постати шири, апсорпција ће бити јача, а врх ће се померити (црвени помак) на веће таласне дужине, од 597,5 нм у протоку ваздуха до 16 Л/х 606,0 нм. Проток ЦО 180 секунди, 606,5 нм, проток ЦО 16 л/х 600 секунди. Са друге стране, ЦуНи20 показује другачије понашање, тако да повећање протока ЦО гаса доводи до смањења положаја вршне таласне дужине ЛСПР-а (плави помак) са 600,0 нм при протоку ваздуха на 589,5 нм при протоку ЦО од 16 л/х за 180 с. . Проток ЦО од 16 л/х у трајању од 600 секунди на 589,1 нм. Као и код ЦуНи15, можемо видети шири врх и повећан интензитет апсорпције за ЦуНи20. Може се проценити да се повећањем дебљине слоја Ни на Цу, као и повећањем величине и броја наночестица ЦуНи20 уместо ЦуНи15, честице Цу и Ни приближавају једна другој, повећава амплитуда електронских осцилација. , и, последично, фреквенција расте. што значи: таласна дужина се смањује, јавља се плави помак.
Време поста: 16.08.2023