Ing panliten iki, kita nyelidiki nanopartikel Cu / Ni sing disintesis ing sumber mikrokarbon sajrone co-deposition dening RF sputtering lan RF-PECVD, uga resonansi plasmon permukaan lokal kanggo deteksi gas CO nggunakake nanopartikel Cu / Ni.Morfologi partikel.Morfologi lumahing ditliti kanthi nganalisa mikrograf gaya atom 3D nggunakake teknik pangolahan gambar lan analisis fraktal/multifraktal.Analisis statistik ditindakake nggunakake piranti lunak MountainsMap® Premium kanthi analisis varian loro (ANOVA) lan uji prabédan paling ora signifikan.Struktur nano permukaan duwe distribusi spesifik lokal lan global.Spektrum backscattering Rutherford eksperimen lan simulasi dikonfirmasi kualitas nanopartikel.Sampel sing anyar disiapake banjur kapapar ing cerobong asep karbon dioksida lan panggunaane minangka sensor gas diselidiki kanthi nggunakake metode resonansi plasmon permukaan sing dilokalisasi.Penambahan lapisan nikel ing ndhuwur lapisan tembaga nuduhake asil sing menarik ing babagan morfologi lan deteksi gas.Kombinasi analisis stereo canggih topografi permukaan film tipis karo spektroskopi backscattering Rutherford lan analisis spektroskopi unik ing lapangan iki.
Polusi udara sing cepet sajrone sawetara dekade kepungkur, utamane amarga industrialisasi kanthi cepet, nyebabake para peneliti sinau luwih akeh babagan pentinge ndeteksi gas.Nanopartikel logam (NPs) wis ditampilake minangka bahan sing njanjeni kanggo sensor gas1,2,3,4 sanajan dibandhingake karo film logam tipis sing nduweni resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR), yaiku zat sing resonates karo elektromagnetik sing kuwat lan winates banget. kothak5,6,7,8.Minangka logam transisi sing murah, kurang beracun, lan serbaguna, tembaga dianggep minangka unsur penting dening para ilmuwan lan industri, utamane manufaktur sensor9.Ing sisih liya, katalis logam transisi nikel nindakake luwih apik tinimbang katalis liyane10.Aplikasi Cu / Ni sing kondhang ing skala nano ndadekake dheweke luwih penting, utamane amarga sifat strukture ora owah sawise fusi11,12.
Nalika nanopartikel logam lan antarmuka karo medium dielektrik nuduhake owah-owahan sing signifikan ing resonansi plasmon lumahing lokal, mula digunakake minangka blok bangunan kanggo deteksi gas13.Nalika owah-owahan spektrum panyerepan, iki tegese telung faktor dawa gelombang resonansi lan / utawa intensitas puncak panyerepan lan / utawa FWHM bisa diganti dening 1, 2, 3, 4. Ing lumahing nanostructured, kang langsung related kanggo ukuran partikel, lumahing lokal. resonansi plasmon ing nanopartikel, tinimbang ing film tipis, minangka faktor efektif kanggo ngenali panyerepan molekul14, uga dituduhake dening Ruiz et al.nuduhake hubungan antarane partikel alus lan efisiensi deteksi15.
Babagan deteksi optik gas CO, sawetara bahan komposit kayata AuCo3O416, Au-CuO17 lan Au-YSZ18 wis dilaporake ing literatur.Kita bisa mikir emas minangka logam mulia sing dikumpulake karo oksida logam kanggo ndeteksi molekul gas sing diserap sacara kimia ing permukaan komposit, nanging masalah utama sensor yaiku reaksi ing suhu kamar, saengga ora bisa diakses.
Sajrone sawetara dekade kepungkur, mikroskopi gaya atom (AFM) wis digunakake minangka teknik canggih kanggo menehi ciri mikromorfologi permukaan telung dimensi kanthi resolusi nanoscale dhuwur19,20,21,22.Kajaba iku, stereo, analisis fraktal / multiractal23,24,25,26, kapadhetan spektral daya (PSD)27 lan Minkowski28 minangka piranti canggih kanggo menehi ciri topografi permukaan film tipis.
Ing panliten iki, adhedhasar penyerapan resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR), jejak asetilena (C2H2) Cu / Ni NP disimpen ing suhu kamar kanggo digunakake minangka sensor gas CO.Rutherford backscatter spectroscopy (RBS) digunakake kanggo nganalisa komposisi lan morfologi saka gambar AFM, lan peta topografi 3D diproses nggunakake piranti lunak MountainsMap® Premium kanggo nyinaoni isotropi permukaan lan kabeh paramèter mikromorfologis tambahan saka microtextures lumahing.Ing sisih liya, asil ilmiah anyar dituduhake sing bisa ditrapake kanggo proses industri lan menarik banget kanggo aplikasi deteksi gas kimia (CO).Literatur nglaporake kanggo pisanan sintesis, karakterisasi lan aplikasi nanopartikel iki.
Film tipis saka nanopartikel Cu / Ni disiapake kanthi sputtering RF lan co-deposition RF-PECVD kanthi sumber daya 13,56 MHz.Cara kasebut adhedhasar reaktor kanthi rong elektroda saka bahan lan ukuran sing beda.Sing luwih cilik yaiku logam minangka elektroda energized, lan sing luwih gedhe dilebokake ing kamar stainless steel kanthi jarak 5 cm saka saben liyane.Selehake substrat SiO 2 lan target Cu menyang kamar, banjur evakuasi kamar menyang 103 N / m 2 minangka tekanan basa ing suhu kamar, introduce gas asetilena menyang kamar, lan banjur pressurize kanggo meksa lingkungan.Ana rong alasan utama kanggo nggunakake gas asetilena ing langkah iki: pisanan, iku dadi gas pembawa kanggo produksi plasma, lan kapindho, kanggo preparation saka nanopartikel ing jumlah tilak karbon.Proses deposisi ditindakake sajrone 30 menit kanthi tekanan gas awal lan daya RF masing-masing 3,5 N / m2 lan 80 W.Banjur break vakum lan ngganti target kanggo Ni.Proses deposisi diulang kanthi tekanan gas awal lan daya RF masing-masing 2,5 N / m2 lan 150 W.Pungkasan, nanopartikel tembaga lan nikel sing disimpen ing atmosfer asetilena mbentuk struktur nano tembaga / nikel.Waca Tabel 1 kanggo preparation sampel lan pengenal.
Gambar 3D saka sampel sing anyar disiapake direkam ing area pindai persegi 1 μm × 1 μm kanthi nggunakake mikroskop gaya atom multimode nanometer (Instrumen Digital, Santa Barbara, CA) ing mode non-kontak kanthi kacepetan mindhai 10-20 μm / min. .karo.Piranti lunak MountainsMap® Premium digunakake kanggo ngolah peta topografi 3D AFM.Miturut ISO 25178-2: 2012 29,30,31, sawetara parameter morfologis didokumentasikan lan dibahas, dhuwur, inti, volume, karakter, fungsi, spasi lan kombinasi ditetepake.
Kekandelan lan komposisi sampel sing anyar disiapake dikira miturut urutan MeV nggunakake spektroskopi backscattering Rutherford (RBS) energi dhuwur.Ing kasus probing gas, spektroskopi LSPR digunakake nggunakake spektrometer UV-Vis ing kisaran dawa gelombang saka 350 nganti 850 nm, nalika sampel perwakilan ana ing kuvet baja tahan karat tertutup kanthi diameter 5,2 cm lan dhuwure 13,8 cm. ing kemurnian 99,9 % laju aliran gas CO (miturut standar Arian Gas Co. IRSQ, 1,6 kanggo 16 l / h kanggo 180 detik lan 600 detik).Langkah iki ditindakake ing suhu kamar, asor sekitar 19% lan hood asap.
Rutherford backscattering spectroscopy minangka teknik hamburan ion bakal digunakake kanggo nganalisis komposisi film tipis.Cara unik iki ngidini kuantifikasi tanpa nggunakake standar referensi.Analisis RBS ngukur energi dhuwur (ion He2+, yaiku partikel alfa) miturut urutan MeV ing sampel lan ion He2+ sing kasebar ing sudut tartamtu.Kode SIMNRA migunani kanggo model garis lurus lan kurva, lan korespondensi karo spektrum RBS eksperimen nuduhake kualitas sampel sing disiapake.Spektrum RBS sampel Cu/Ni NP ditampilake ing Gambar 1, ing ngendi garis abang minangka spektrum RBS eksperimen, lan garis biru minangka simulasi program SIMNRA, bisa dideleng yen rong garis spektral kasebut apik. persetujuan.Beam insiden kanthi energi 1985 keV digunakake kanggo ngenali unsur ing sampel.Ketebalan lapisan ndhuwur kira-kira 40 1E15Atom/cm2 ngemot 86% Ni, 0,10% O2, 0,02% C lan 0,02% Fe.Fe digandhengake karo impurities ing target Ni nalika sputtering.Pucuk dhasar Cu lan Ni katon ing 1500 keV, lan puncak C lan O2 ing 426 keV lan 582 keV, mungguh.Langkah Na, Si, lan Fe masing-masing 870 keV, 983 keV, 1340 keV, lan 1823 keV.
Gambar AFM topografi 3D persegi saka permukaan film Cu lan Cu / Ni NP ditampilake ing Fig.2. Kajaba iku, topografi 2D ditampilake ing saben tokoh nuduhake yen NPs diamati ing lumahing film coalesce menyang wangun bunder, lan morfologi iki padha karo sing diterangake dening Godselahi lan Armand32 lan Armand et al.33.Nanging, Cu NPs kita padha ora agglomerated, lan sampel ngemot mung Cu nuduhake lumahing Ngartekno Gamelan karo pucuk apik saka sing atos (Fig. 2a).Kosok baline, puncak mbukak ing sampel CuNi15 lan CuNi20 duwe wangun bunder sing jelas lan intensitas sing luwih dhuwur, kaya sing dituduhake ing rasio dhuwur ing Fig. 2a lan b.Owah-owahan sing katon ing morfologi film nuduhake yen permukaan nduweni struktur spasial topografi sing beda-beda, sing kena pengaruh wektu deposisi nikel.
Gambar AFM saka film tipis Cu (a), CuNi15 (b), lan CuNi20 (c).Peta 2D sing cocog, distribusi elevasi lan kurva Abbott Firestone ditempelake ing saben gambar.
Ukuran butir rata-rata nanopartikel dikira saka histogram distribusi diameter sing dipikolehi kanthi ngukur 100 nanopartikel nggunakake pas Gaussian kaya sing dituduhake ing Gbr.Bisa dideleng yen Cu lan CuNi15 nduweni ukuran butir rata-rata sing padha (27,7 lan 28,8 nm), dene CuNi20 nduweni butir sing luwih cilik (23,2 nm), sing cedhak karo nilai sing dilapurake dening Godselahi et al.34 (udakara 24 nm).Ing sistem bimetallic, puncak resonansi plasmon permukaan sing dilokalisasi bisa owah kanthi owah-owahan ukuran butir35.Ing babagan iki, kita bisa nyimpulake yen wektu deposisi Ni sing dawa mengaruhi sifat plasmonik permukaan film tipis Cu / Ni saka sistem kita.
Distribusi ukuran partikel (a) Cu, (b) CuNi15, lan (c) film tipis CuNi20 sing dipikolehi saka topografi AFM.
Morfologi massal uga nduweni peran penting ing konfigurasi spasial struktur topografi ing film tipis.Tabel 2 nampilake paramèter topografi adhedhasar dhuwur sing digandhengake karo peta AFM, sing bisa diterangake kanthi nilai wektu rata-rata kasar (Sa), skewness (Ssk), lan kurtosis (Sku).Nilai Sa yaiku 1,12 (Cu), 3,17 (CuNi15) lan 5,34 nm (CuNi20), sing mbuktekake manawa film dadi luwih kasar kanthi nambah wektu deposisi Ni.Nilai-nilai kasebut bisa dibandhingake karo sing sadurunge dilapurake dening Arman et al.33 (1–4 nm), Godselahi et al.34 (1–1.05 nm) lan Zelu et al.36 (1.91–6.32 nm), sing padha sputtering iki dileksanakake nggunakake cara iki kanggo simpenan film Cu / Ni NPs.Nanging, Ghosh et al.37 setor Cu / Ni multilayers dening electrodeposition lan kacarita nilai roughness luwih, ketoke ing sawetara saka 13,8 kanggo 36 nm.Perlu dicathet yen beda-beda ing kinetika pambentukan permukaan kanthi cara deposisi sing beda bisa nyebabake pambentukan permukaan kanthi pola spasial sing beda.Nanging, bisa dideleng manawa metode RF-PECVD efektif kanggo njupuk film Cu / Ni NP kanthi kekasaran ora luwih saka 6,32 nm.
Kanggo profil dhuwur, momen statistik urutan dhuwur Ssk lan Sku ana hubungane karo asimetri lan normalitas distribusi dhuwur.Kabeh nilai Ssk positif (Ssk> 0), nuduhake buntut tengen sing luwih dawa38, sing bisa dikonfirmasi dening plot distribusi dhuwur ing inset 2. Kajaba iku, kabeh profil dhuwur didominasi dening puncak sing cetha 39 (Sku> 3) , nuduhake yen kurva Distribusi dhuwur kurang rata tinimbang kurva lonceng Gaussian.Garis abang ing plot distribusi dhuwur yaiku kurva Abbott-Firestone 40, cara statistik sing cocok kanggo ngevaluasi distribusi normal data.Garis iki dipikolehi saka jumlah kumulatif ing histogram dhuwur, ing ngendi puncak paling dhuwur lan trough paling jero ana hubungane karo nilai minimal (0%) lan maksimum (100%).Kurva Abbott-Firestone iki nduweni wangun S sing mulus ing sumbu y lan ing kabeh kasus nuduhake paningkatan progresif ing persentase materi sing dilintasi ing area sing ditutupi, wiwit saka puncak sing paling kasar lan paling kuat.Iki nandheske struktur spasial lumahing, sing utamané kena pengaruh wektu deposisi nikel.
Tabel 3 nampilake paramèter morfologi ISO tartamtu sing digandhengake karo saben permukaan sing dipikolehi saka gambar AFM.Dikawruhi manawa rasio area kanggo material (Smr) lan rasio area lawan bahan (Smc) minangka parameter fungsional permukaan29.Contone, asil kita nuduhake yen wilayah ing sadhuwure bidang rata-rata permukaan wis rampung ing kabeh film (Smr = 100%).Nanging, nilai Smr dipikolehi saka macem-macem dhuwur saka koefisien area bantalan saka terrain41, amarga parameter Smc dikenal.Prilaku Smc diterangake kanthi nambah kekasaran saka Cu → CuNi20, ing ngendi nilai kekasaran sing paling dhuwur sing dipikolehi kanggo CuNi20 menehi Smc ~ 13 nm, dene nilai kanggo Cu kira-kira 8 nm.
Paramèter campuran gradièn RMS (Sdq) lan rasio area antarmuka sing dikembangaké (Sdr) minangka paramèter sing ana hubungane karo flatness lan kerumitan tekstur.Saka Cu → CuNi20, nilai Sdq kisaran saka 7 nganti 21, nuduhake yen irregularities topografi ing film mundhak nalika lapisan Ni setor kanggo 20 menit.Perlu dicathet yen permukaan CuNi20 ora rata kaya Cu.Kajaba iku, ditemokake yen nilai parameter Sdr, sing digandhengake karo kerumitan mikrotekstur permukaan, mundhak saka Cu → CuNi20.Miturut panaliten dening Kamble et al.42, kerumitan mikrotekstur permukaan mundhak kanthi nambah Sdr, nuduhake yen CuNi20 (Sdr = 945%) nduweni struktur mikro permukaan sing luwih rumit dibandhingake karo film Cu (Sdr = 229%)..Ing kasunyatan, owah-owahan ing kerumitan mikroskopis saka tekstur muter peran tombol ing distribusi lan wangun saka puncak kasar, kang bisa diamati saka paramèter karakteristik saka Kapadhetan puncak (Spd) lan aritmetika rata-rata lengkungan puncak (Spc).Ing babagan iki, Spd mundhak saka Cu → CuNi20, nuduhake yen puncak luwih padhet diatur kanthi nambah ketebalan lapisan Ni.Kajaba iku, Spc uga mundhak saka Cu→CuNi20, nuduhake yen wangun puncak saka permukaan sampel Cu luwih bunder (Spc = 612), nalika CuNi20 luwih cetha (Spc = 925).
Profil kasar saben film uga nuduhake pola spasial sing béda ing wilayah puncak, inti, lan trough ing permukaan.Dhuwur inti (Sk), puncak mudhun (Spk) (ndhuwur inti), lan palung (Svk) (ing ngisor inti)31,43 minangka paramèter sing diukur tegak karo bidang permukaan30 lan mundhak saka Cu → CuNi20 amarga roughness lumahing Tambah pinunjul.Kajaba iku, materi puncak (Vmp), materi inti (Vmc), void palung (Vvv), lan volume void inti (Vvc)31 nuduhake tren sing padha karo kabeh kenaikan nilai saka Cu → CuNi20.Prilaku iki nuduhake yen permukaan CuNi20 bisa nahan cairan luwih akeh tinimbang conto liyane, sing positif, nuduhake yen permukaan iki luwih gampang diolesi44.Mulane, kudu dicathet yen kekandelan lapisan nikel mundhak saka CuNi15 → CuNi20, owah-owahan ing profil topografi ketinggalan owah-owahan ing paramèter morfologis sing luwih dhuwur, sing mengaruhi mikrotekstur permukaan lan pola spasial film.
A Assessment kualitatif saka tektur mikroskopis saka lumahing film dijupuk dening mbangun peta topografi AFM nggunakake piranti lunak MountainsMap45 komersial.Rendering ditampilake ing Figure 4, kang nuduhake alur wakil lan plot kutub bab lumahing.Tabel 4 nampilake pilihan slot lan papan.Gambar saka alur nuduhake yen sampel didominasi dening sistem saluran sing padha karo homogenitas alur sing diucapake.Nanging, paramèter kanggo ambane alur maksimum (MDF) lan ambane alur rata-rata (MDEF) mundhak saka Cu kanggo CuNi20, konfirmasi pengamatan sadurungé babagan potensial lubricity saka CuNi20.Perlu dicathet yen sampel Cu (Gambar 4a) lan CuNi15 (Gambar 4b) duwe skala warna sing padha, sing nuduhake yen mikrotekstur permukaan film Cu ora ngalami owah-owahan sing signifikan sawise film Ni disimpen ing 15. min.Ing kontras, sampel CuNi20 (Fig. 4c) nampilake kerutan kanthi skala warna sing beda-beda, sing ana hubungane karo nilai MDF lan MDEF sing luwih dhuwur.
Alur lan isotropi permukaan mikrotekstur film Cu (a), CuNi15 (b), lan CuNi20 (c).
Diagram polar ing anjir.4 uga nuduhake yen microtexture lumahing beda.Wigati dicathet yen deposisi lapisan Ni sacara signifikan ngganti pola spasial.Isotropi mikrotekstur sing diitung saka sampel yaiku 48% (Cu), 80% (CuNi15), lan 81% (CuNi20).Bisa dideleng yen deposisi lapisan Ni nyumbang kanggo pembentukan mikrotekstur sing luwih isotropik, dene film Cu lapisan tunggal nduweni mikrotekstur permukaan anisotropik.Kajaba iku, frekuensi spasial dominan CuNi15 lan CuNi20 luwih murah amarga dawa autokorelasi gedhe (Sal)44 dibandhingake karo sampel Cu.Iki uga digabungake karo orientasi gandum sing padha sing dituduhake dening conto kasebut (Std = 2,5 ° lan Std = 3,5 °), nalika nilai sing gedhe banget dicathet kanggo sampel Cu (Std = 121 °).Adhedhasar asil kasebut, kabeh film nuduhake variasi spasial jarak adoh amarga beda morfologi, profil topografi, lan kasar.Mangkono, asil iki nduduhake yen wektu deposisi lapisan Ni nduweni peran penting ing pambentukan permukaan sputtered bimetallic CuNi.
Kanggo nyinaoni prilaku LSPR Cu / Ni NPs ing udhara ing suhu kamar lan ing fluks gas CO beda, spektrum panyerepan UV-Vis diterapake ing sawetara dawa gelombang 350-800 nm, minangka ditampilake ing Figure 5 kanggo CuNi15 lan CuNi20.Kanthi ngenalake kapadhetan aliran gas CO sing beda-beda, puncak LSPR CuNi15 sing efektif bakal dadi luwih jembar, panyerepan bakal luwih kuat, lan puncak bakal ngalih (redshift) menyang dawa gelombang sing luwih dhuwur, saka 597,5 nm ing aliran udara dadi 16 L / h 606,0 nm.Aliran CO 180 detik, 606,5 nm, aliran CO 16 l/jam suwene 600 detik.Ing sisih liya, CuNi20 nuduhake prilaku sing beda, mula paningkatan aliran gas CO nyebabake nyuda posisi gelombang puncak LSPR (blueshift) saka 600.0 nm ing aliran udara dadi 589.5 nm ing aliran CO 16 l / h sajrone 180 detik. .16 l/jam CO aliran kanggo 600 detik ing 589,1 nm.Kaya CuNi15, kita bisa ndeleng puncak sing luwih akeh lan intensitas panyerepan sing tambah kanggo CuNi20.Bisa dikira yen kanthi nambah kekandelan lapisan Ni ing Cu, uga kanthi nambah ukuran lan jumlah nanopartikel CuNi20 tinimbang partikel CuNi15, Cu lan Ni nyedhaki saben liyane, amplitudo osilasi elektronik mundhak. , lan, akibate, frekuensi mundhak.tegese: dawane gelombang mudhun, owah-owahan biru dumadi.
Wektu kirim: Aug-16-2023