Dina ulikan ieu, urang nalungtik Cu / Ni nanopartikel disintésis dina sumber mikrokarbon salila ko-déposisi ku RF sputtering na RF-PECVD, kitu ogé résonansi plasmon permukaan localized pikeun deteksi gas CO maké Cu / Ni nanopartikel. Morfologi partikel. Morfologi permukaan diulik ku cara nganalisis micrographs gaya atom 3D ngagunakeun ngolah gambar jeung téhnik analisis fraktal/multifractal. Analisis statistik dilaksanakeun nganggo parangkat lunak MountainsMap® Premium kalayan analisis varian dua arah (ANOVA) sareng uji bédana anu paling signifikan. Struktur nano permukaan ngagaduhan distribusi khusus lokal sareng global. Spéktra backscattering Rutherford ékspérimén sareng simulasi dikonfirmasi kualitas nanopartikel. Sampel anu énggal-énggal didamel teras kakeunaan kana liang haseup karbon dioksida sareng panggunaanana salaku sénsor gas ditalungtik nganggo metode résonansi plasmon permukaan anu dilokalkeun. Penambahan lapisan nikel dina luhureun lapisan tambaga némbongkeun hasil metot boh tina segi morfologi jeung deteksi gas. Kombinasi analisis stereo canggih topografi permukaan pilem ipis sareng spéktroskopi backscattering Rutherford sareng analisis spéktroskopi unik dina widang ieu.
Polusi hawa anu gancang dina sababaraha dasawarsa katukang, khususna kusabab industrialisasi anu gancang, nyababkeun panaliti pikeun diajar langkung seueur ngeunaan pentingna ngadeteksi gas. Nanopartikel logam (NPs) parantos kabuktian janten bahan anu ngajangjikeun pikeun sensor gas1,2,3,4 sanajan dibandingkeun sareng film logam ipis anu sanggup résonansi plasmon permukaan lokal (LSPR), nyaéta zat anu resonates sareng éléktromagnétik anu kuat sareng kawates pisan. widang5,6,7,8. Salaku logam transisi murah, low-toksik, jeung serbaguna, tambaga dianggap unsur penting ku élmuwan jeung industri, utamana pabrik sensor9. Di sisi anu sanés, katalis logam transisi nikel langkung saé tibatan katalis10 anu sanés. Aplikasi well-dipikawanoh tina Cu / Ni dina nanoscale ngajadikeun aranjeunna malah leuwih penting, utamana kusabab sipat struktural maranéhna teu robah sanggeus fusion11,12.
Bari nanopartikel logam jeung interfaces maranéhanana jeung sedeng diéléktrik némbongkeun parobahan signifikan dina localized résonansi plasmon permukaan, aranjeunna geus sahingga geus dipaké salaku blok wangunan pikeun detection gas13. Nalika spéktrum nyerep robah, ieu ngandung harti yén tilu faktor panjang gelombang résonansi jeung / atawa inténsitas puncak nyerep jeung / atawa FWHM bisa robah ku 1, 2, 3, 4. Dina surfaces nanostructured, nu langsung patali jeung ukuran partikel, permukaan localized. résonansi plasmon dina nanopartikel, tinimbang dina film ipis, mangrupa faktor mujarab pikeun ngaidentipikasi nyerep molekular14, sakumaha ogé nunjuk kaluar ku Ruiz et al. némbongkeun hubungan antara partikel halus jeung efisiensi deteksi15.
Ngeunaan deteksi optik gas CO, sababaraha bahan komposit sapertos AuCo3O416, Au-CuO17 sareng Au-YSZ18 parantos dilaporkeun dina literatur. Urang bisa nganggap emas salaku logam mulia aggregated kalawan oksida logam pikeun ngadeteksi molekul gas kimia adsorbed dina beungeut komposit, tapi masalah utama sensor nyaéta réaksi maranéhanana dina suhu kamar, sahingga inaccessible.
Sapanjang sababaraha dekade katukang, mikroskop gaya atom (AFM) parantos dianggo salaku téknik canggih pikeun ngacirian mikromorfologi permukaan tilu diménsi dina résolusi nanoskala luhur19,20,21,22. Salaku tambahan, stereo, analisis fraktal / multiractal23,24,25,26, kapadetan spéktral kakuatan (PSD)27 sareng Minkowski28 mangrupikeun alat-alat canggih pikeun ngacirian topografi permukaan pilem ipis.
Dina ulikan ieu, dumasar kana localized permukaan plasmon résonansi (LSPR) nyerep, acetylene (C2H2) Cu / Ni NP ngambah disimpen dina suhu kamar pikeun dipaké salaku sensor gas CO. Rutherford backscatter spéktroskopi (RBS) ieu dipaké pikeun nganalisis komposisi jeung morfologi tina gambar AFM, sarta peta topographic 3D diolah ngagunakeun software MountainsMap® Premium pikeun diajar isotropi permukaan jeung sagala parameter micromorphological tambahan tina microtextures permukaan. Di sisi anu sanés, hasil ilmiah anyar nunjukkeun yén tiasa dilarapkeun kana prosés industri sareng dipikaresep pisan pikeun aplikasi pikeun deteksi gas kimia (CO). Literatur ngalaporkeun pikeun kahiji kalina sintésis, karakterisasi sareng aplikasi nanopartikel ieu.
Film ipis nanopartikel Cu / Ni disiapkeun ku RF sputtering sareng RF-PECVD co-deposition sareng catu daya 13,56 MHz. Metoda ieu dumasar kana hiji reaktor jeung dua éléktroda tina bahan jeung ukuran béda. Anu leutik nyaéta logam salaku éléktroda energized, sareng anu langkung ageung didasarkeun kana kamar stainless steel dina jarak 5 cm ti unggal anu sanés. Teundeun substrat SiO 2 jeung udagan Cu kana chamber, teras évakuasi chamber ka 103 N / m 2 salaku tekanan dasar dina suhu kamar, ngenalkeun gas asetilena kana chamber, lajeng pressurize kana tekanan ambient. Aya dua alesan utama pikeun ngagunakeun gas asetilena dina hambalan ieu: kahiji, éta boga fungsi minangka gas pembawa pikeun produksi plasma, sarta kadua, pikeun persiapan nanopartikel dina jumlah renik karbon. Prosés déposisi dilaksanakeun salila 30 mnt dina tekanan gas awal jeung kakuatan RF masing-masing 3,5 N/m2 jeung 80 W. Lajeng megatkeun vakum sarta ngarobah udagan pikeun Ni. Prosés déposisi diulang dina tekanan gas awal sareng kakuatan RF masing-masing 2,5 N / m2 sareng 150 W. Ahirna, nanopartikel tambaga jeung nikel disimpen dina atmosfir asetilena ngabentuk struktur nano tambaga/nikel. Tempo Table 1 pikeun persiapan sampel sarta identifiers.
Gambar 3D tina sampel anu nembé disiapkeun dirékam dina daérah scan kuadrat 1 μm × 1 μm nganggo mikroskop gaya atom multimode nanometer (Instrumén Digital, Santa Barbara, CA) dina modeu non-kontak dina laju scanning 10-20 μm / mnt. . Jeung. Parangkat lunak MountainsMap® Premium dipaké pikeun ngolah peta topografi 3D AFM. Numutkeun ISO 25178-2: 2012 29,30,31, sababaraha parameter morfologis didokumentasikeun sareng dibahas, jangkungna, inti, volume, karakter, fungsi, rohangan sareng kombinasi ditetepkeun.
Ketebalan sareng komposisi sampel anu énggal ditaksir dina urutan MeV nganggo spéktroskopi backscattering Rutherford (RBS) énergi tinggi. Dina kasus probing gas, spéktroskopi LSPR dipaké maké spéktrométer UV-Vis dina rentang panjang gelombang ti 350 nepi ka 850 nm, sedengkeun sampel wawakil aya dina cuvette stainless steel katutup kalayan diaméter 5,2 cm sarta jangkungna 13,8 cm. dina purity of 99,9 % laju aliran gas CO (nurutkeun Arian Gas Co. IRSQ baku, 1,6 nepi ka 16 l / h pikeun 180 detik sareng 600 detik). Léngkah ieu dilaksanakeun dina suhu kamar, kalembaban ambient 19% sareng tiung fume.
Rutherford backscattering spéktroskopi salaku téhnik scattering ion bakal dipaké pikeun nganalisis komposisi film ipis. Metoda unik ieu ngamungkinkeun kuantifikasi tanpa ngagunakeun standar rujukan. Analisis RBS ngukur énérgi anu luhur (ion He2+, nyaéta partikel alfa) dina urutan MeV dina sampel sareng ion He2+ sumebar ka tukang dina sudut anu ditangtukeun. Kode SIMNRA mangpaat dina modeling garis lempeng tur kurva, sarta susuratan na kana spéktra RBS eksperimen nembongkeun kualitas sampel disiapkeun. Spéktrum RBS tina sampel Cu / Ni NP ditémbongkeun dina Gambar 1, dimana garis beureum spéktrum RBS ékspérimén, sarta garis biru mangrupa simulasi program SIMNRA, éta bisa ditempo yén dua garis spéktral dina alus. perjangjian. Beam insiden kalawan énergi 1985 keV dipaké pikeun ngaidentipikasi elemen dina sampel. Ketebalan lapisan luhur kira 40 1E15Atom/cm2 ngandung 86% Ni, 0,10% O2, 0,02% C jeung 0,02% Fe. Fe pakait sareng pangotor dina target Ni salila sputtering. Puncak-puncak dasar Cu jeung Ni katempona masing-masing dina 1500 keV, sarta puncak C jeung O2 dina 426 keV jeung 582 keV, masing-masing. Lengkah Na, Si, jeung Fe masing-masing 870 keV, 983 keV, 1340 keV, jeung 1823 keV.
Gambar AFM topographic 3D pasagi tina permukaan pilem Cu sareng Cu / Ni NP dipidangkeun dina Gbr. 2. Sajaba ti éta, topografi 2D dibere dina unggal inohong nunjukeun yen NPs observasi dina beungeut pilem coalesce kana wangun buleud, sarta morfologi ieu sarupa jeung nu digambarkeun ku Godselahi na Armand32 na Armand et al.33. Sanajan kitu, Cu NPs urang teu agglomerated, sarta sampel ngandung ukur Cu némbongkeun permukaan nyata smoother kalawan puncak finer ti leuwih rougher (Gbr. 2a). Sabalikna, puncak kabuka dina sampel CuNi15 na CuNi20 boga bentuk buleud atra jeung inténsitas luhur, sakumaha ditémbongkeun ku rasio jangkungna dina Gbr. 2a jeung b. Parobahan katempo dina morfologi pilem nunjukkeun yén beungeut boga struktur spasial topografis béda, nu kapangaruhan ku waktu déposisi nikel.
Gambar AFM tina Cu (a), CuNi15 (b), sareng CuNi20 (c) film ipis. Peta 2D anu pas, distribusi élévasi sareng kurva Abbott Firestone dipasang dina unggal gambar.
Ukuran butir rata-rata nanopartikel diperkirakeun tina histogram distribusi diaméterna diala ku cara ngukur 100 nanopartikel nganggo pas Gaussian sapertos anu dipidangkeun dina Gbr. Ieu bisa ditempo yén Cu jeung CuNi15 boga ukuran sisikian rata sarua (27,7 jeung 28,8 nm), sedengkeun CuNi20 boga séréal leutik (23,2 nm), nu deukeut jeung nilai dilaporkeun ku Godselahi et al. 34 (kira-kira 24 nm). Dina sistem bimetallic, puncak résonansi plasmon permukaan anu dilokalkeun tiasa bergeser kalayan parobihan ukuran butir35. Dina hal ieu, urang tiasa nyimpulkeun yén waktos déposisi Ni anu panjang mangaruhan sipat plasmonik permukaan pilem ipis Cu / Ni tina sistem urang.
Sebaran ukuran partikel tina (a) Cu, (b) CuNi15, jeung (c) CuNi20 film ipis dicandak tina topografi AFM.
Morfologi bulk ogé maénkeun peran penting dina konfigurasi spasial struktur topografi dina film ipis. Méja 2 daptar parameter topografi dumasar jangkungna pakait sareng peta AFM, nu bisa digambarkeun ku nilai waktu rata roughness (Sa), skewness (Ssk), jeung kurtosis (Sku). Nilai Sa nyaéta 1.12 (Cu), 3.17 (CuNi15) sareng 5.34 nm (CuNi20), masing-masing, mastikeun yén film janten langkung kasar kalayan ningkatna waktos déposisi Ni. Nilai-nilai ieu dibandingkeun sareng anu dilaporkeun ku Arman dkk.33 (1-4 nm), Godselahi dkk.34 (1-1.05 nm) sareng Zelu dkk.36 (1.91-6.32 nm), dimana sputtering ieu dipigawé ngagunakeun métode ieu pikeun deposit film Cu / Ni NPs. Sanajan kitu, Ghosh et al.37 disimpen Cu / Ni multilayers ku electrodeposition sarta dilaporkeun nilai roughness luhur, tétéla dina rentang 13,8 mun 36 nm. Ieu kudu dicatet yén béda dina kinétika formasi permukaan ku métode déposisi béda bisa ngakibatkeun formasi surfaces kalawan pola spasial béda. Sanajan kitu, éta bisa ditempo yén métode RF-PECVD éféktif pikeun meunangkeun pilem tina Cu / Ni NPs kalawan roughness teu leuwih ti 6,32 nm.
Sedengkeun pikeun profil jangkungna, momen statistik tingkat luhur Ssk jeung Sku patali jeung asimétri jeung normalitas sebaran jangkungna, masing-masing. Sadaya nilai Ssk positip (Ssk> 0), nunjukkeun buntut katuhu anu langkung panjang38, anu tiasa dikonfirmasi ku plot distribusi jangkungna dina inset 2. Salaku tambahan, sadaya profil jangkungna didominasi ku puncak anu seukeut 39 (Sku> 3) , demonstrating yén kurva Sebaran jangkungna kirang datar ti kurva bel Gaussian. Garis beureum dina plot distribusi jangkungna nyaéta kurva Abbott-Firestone 40, métode statistik anu cocog pikeun ngévaluasi distribusi normal data. Garis ieu dicandak tina jumlah kumulatif dina histogram jangkungna, dimana puncak pangluhurna sareng palung anu paling jero aya hubunganana sareng nilai minimum (0%) sareng maksimum (100%). Kurva Abbott-Firestone ieu ngagaduhan bentuk S anu mulus dina sumbu-y sareng dina sadaya kasus nunjukkeun paningkatan progresif dina persentase bahan anu meuntas daérah anu katutupan, mimitian ti puncak anu paling kasar sareng paling sengit. Ieu confirms struktur spasial beungeut, nu utamana kapangaruhan ku waktu déposisi nikel.
meja 3 mangrupa daptar parameter morfologi ISO husus pakait sareng unggal permukaan dicandak ti gambar AFM. Perlu dipikanyaho yén rasio aréa pikeun bahan (Smr) jeung rasio aréa kontra bahan (Smc) mangrupakeun parameter fungsional permukaan29. Salaku conto, hasil kami nunjukkeun yén daérah di luhur bidang median permukaan parantos puncak dina sadaya pilem (Smr = 100%). Sanajan kitu, nilai Smr dicandak ti jangkungna béda tina koefisien aréa bearing tina rupa bumi nu41, saprak parameter Smc dipikawanoh. Paripolah Smc dijelaskeun ku ngaronjatna roughness ti Cu → CuNi20, dimana eta bisa ditempo yén nilai roughness pangluhurna diala pikeun CuNi20 méré Smc ~ 13 nm, sedengkeun nilai pikeun Cu nyaéta ngeunaan 8 nm.
Blending parameter RMS gradién (Sdq) jeung rasio aréa panganteur dimekarkeun (Sdr) mangrupakeun parameter patali tékstur flatness sarta pajeulitna. Tina Cu → CuNi20, nilai Sdq dibasajankeun 7 dugi ka 21, nunjukkeun yén irregularities topografi dina film ningkat nalika lapisan Ni disimpen salami 20 mnt. Ieu kudu dicatet yén beungeut CuNi20 henteu datar sakumaha anu Cu. Sajaba ti éta, kapanggih yén nilai parameter Sdr, pakait sareng pajeulitna microtexture permukaan, naek ti Cu → CuNi20. Numutkeun studi Kamble et al.42, pajeulitna microtexture permukaan naek kalawan ngaronjatna Sdr, nunjukkeun yén CuNi20 (Sdr = 945%) ngabogaan mikrostruktur permukaan leuwih kompleks dibandingkeun jeung pilem Cu (Sdr = 229%). . Kanyataanna, parobahan pajeulitna mikroskopis tékstur muterkeun hiji peran konci dina distribusi jeung wangun puncak kasar, nu bisa dititénan tina parameter karakteristik dénsitas puncak (Spd) jeung arithmetic mean curvature puncak (Spc). Dina hal ieu, Spd naek tina Cu → CuNi20, nunjukkeun yén puncak leuwih padet diatur kalayan ngaronjatna ketebalan lapisan Ni. Sajaba ti éta, Spc ogé ngaronjat tina Cu → CuNi20, nunjukkeun yén bentuk puncak beungeut sampel Cu leuwih rounded (Spc = 612), sedengkeun nu CuNi20 leuwih seukeut (Spc = 925).
Profil kasar unggal pilem ogé nembongkeun pola spasial béda dina puncak, inti, jeung wewengkon trough tina beungeut cai. Jangkungna inti (Sk), puncak turun (Spk) (luhureun inti), sareng palung (Svk) (handap inti) 31,43 mangrupikeun parameter anu diukur sajajar sareng bidang permukaan30 sareng ningkat tina Cu → CuNi20 kusabab roughness permukaan ngaronjat signifikan. Sarupa oge, bahan puncak (Vmp), bahan inti (Vmc), kekosongan palung (Vvv), sareng volume kekosongan inti (Vvc)31 nunjukkeun tren anu sami sareng sadaya paningkatan nilai tina Cu → CuNi20. Paripolah ieu nunjukkeun yén permukaan CuNi20 tiasa nahan langkung cair tibatan conto anu sanés, anu positip, nunjukkeun yén permukaan ieu langkung gampang diolesan44. Ku alatan éta, éta kudu dicatet yén salaku ketebalan tina lapisan nikel naek ti CuNi15 → CuNi20, parobahan dina profil topographic lag balik parobahan parameter morfologis-urutan luhur, mangaruhan microtexture permukaan jeung pola spasial pilem.
A assessment kualitatif tina tékstur mikroskopis tina beungeut pilem dicandak ku ngawangun hiji peta topographic AFM ngagunakeun software MountainsMap45 komérsial. Rendering ditémbongkeun dina Gambar 4, nu nembongkeun alur wawakil sarta plot polar nu aya kaitannana ka beungeut cai. meja 4 daptar pilihan slot jeung spasi. Gambar alur nunjukkeun yén sampel didominasi ku sistem saluran anu sami sareng homogénitas alur anu diucapkeun. Sanajan kitu, parameter pikeun duanana jero alur maksimum (MDF) jeung rata-rata jero alur (MDEF) kanaékan tina Cu mun CuNi20, confirming observasi saméméhna ngeunaan poténsi lubricity of CuNi20. Ieu kudu dicatet yén Cu (Gbr. 4a) jeung CuNi15 (Gbr. 4b) sampel boga praktis skala warna anu sarua, nu nunjukkeun yén microtexture tina beungeut pilem Cu teu ngalaman parobahan signifikan sanggeus pilem Ni ieu disimpen pikeun 15. min. Kontras, sampel CuNi20 (Gbr. 4c) némbongkeun wrinkles kalawan skala warna béda, nu patali jeung nilai MDF na MDEF na luhur.
Alur sareng isotropi permukaan mikrotekstur Cu (a), CuNi15 (b), sareng CuNi20 (c) pilem.
Diagram polar dina Gbr. 4 ogé nunjukkeun yén microtexture permukaan béda. Éta noteworthy yén déposisi lapisan Ni nyata ngarobah pola spasial. Isotropi microtextural anu diitung tina sampel nyaéta 48% (Cu), 80% (CuNi15), sareng 81% (CuNi20). Ieu bisa ditempo yén déposisi lapisan Ni nyumbang kana kabentukna hiji microtexture leuwih isotropik, sedengkeun lapisan tunggal Cu film ngabogaan microtexture permukaan leuwih anisotropic. Sajaba ti éta, frékuénsi spasial dominan CuNi15 na CuNi20 leuwih handap alatan panjangna autocorrelation badag (Sal) 44 dibandingkeun sampel Cu. Ieu ogé digabungkeun jeung orientasi sisikian sarupa exhibited ku sampel ieu (Std = 2,5 ° jeung Std = 3,5 °), bari nilai anu kacida gedéna kacatet pikeun sampel Cu (Std = 121 °). Dumasar kana hasil ieu, sadaya pilem nunjukkeun variasi spasial jarak jauh kusabab béda morfologi, profil topografi, sareng kasarna. Ku kituna, hasil ieu nunjukkeun yén waktu déposisi lapisan Ni maénkeun peran penting dina formasi permukaan sputtered bimetallic CuNi.
Pikeun ngulik paripolah LSPR Cu / Ni NPs dina hawa dina suhu kamar sareng dina fluks gas CO anu béda, spéktra nyerep UV-Vis diterapkeun dina rentang panjang gelombang 350-800 nm, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5 pikeun CuNi15 sareng CuNi20. Ku ngawanohkeun kapadetan aliran gas CO béda, puncak LSPR CuNi15 éféktif baris jadi lega, nyerep bakal kuat, sarta puncak bakal mindahkeun (redshift) kana panjang gelombang luhur, ti 597,5 nm dina airflow ka 16 L / h 606,0 nm. Aliran CO salila 180 detik, 606,5 nm, aliran CO 16 l/jam salila 600 detik. Di sisi anu sanés, CuNi20 nunjukkeun paripolah anu béda, janten paningkatan aliran gas CO nyababkeun panurunan dina posisi panjang gelombang puncak LSPR (blueshift) tina 600.0 nm dina aliran hawa kana 589.5 nm dina aliran CO 16 l / h salami 180 detik. . Aliran CO 16 l/h salila 600 detik dina 589,1 nm. Sapertos sareng CuNi15, urang tiasa ningali puncak anu langkung lega sareng inténsitas nyerep pikeun CuNi20. Bisa diperkirakeun yén kalayan paningkatan dina ketebalan lapisan Ni on Cu, kitu ogé kalawan paningkatan dina ukuran jeung jumlah nanopartikel CuNi20 tinimbang CuNi15, Cu jeung partikel Ni ngadeukeutan silih, amplitudo osilasi éléktronik naek. , jeung, akibatna, frékuénsi nambahan. nu hartina: panjang gelombang nurun, a shift biru lumangsung.
waktos pos: Aug-16-2023