Во оваа студија, ги истражувавме наночестичките Cu/Ni синтетизирани во извори на микројаглерод при ко-таложење со RF прскање и RF-PECVD, како и локализирана површинска плазмонска резонанца за откривање на CO гас со користење на наночестички Cu/Ni.Морфологија на честички.Морфологијата на површината беше проучувана со анализа на микрографи на 3D атомска сила користејќи обработка на слики и техники на фрактална/мултифрактална анализа.Статистичката анализа беше изведена со користење на софтверот MountainsMap® Premium со двонасочна анализа на варијанса (ANOVA) и тест со најмалку значајна разлика.Површинските наноструктури имаат локална и глобална специфична дистрибуција.Експерименталните и симулирани спектри на назад расејување на Радерфорд го потврдија квалитетот на наночестичките.Свежо подготвените примероци потоа беа изложени на оџак со јаглерод диоксид и нивната употреба како сензор за гас беше испитана со користење на методот на локализирана површинска плазмонска резонанца.Додавањето на слој од никел на врвот на бакарниот слој покажа интересни резултати и во однос на морфологијата и во однос на откривањето на гасот.Комбинацијата на напредна стерео анализа на топографијата на површината на тенок филм со спектроскопија за назад расејување на Радерфорд и спектроскопска анализа е единствена во оваа област.
Брзото загадување на воздухот во изминатите неколку децении, особено поради брзата индустријализација, ги поттикна истражувачите да научат повеќе за важноста на откривање на гасови.Металните наночестички (НП) се покажаа како ветувачки материјали за сензорите за гас1,2,3,4 дури и кога се споредуваат со тенки метални фолии способни за локализирана површинска плазмонска резонанца (LSPR), која е супстанца која резонира со силна и силно ограничена електромагнетна полиња5,6,7,8.Како ефтин, ниско-токсичен и разноврсен преоден метал, бакарот се смета за важен елемент од страна на научниците и индустријата, особено производителите на сензори9.Од друга страна, катализаторите на никел преодни метали работат подобро од другите катализатори10.Добро познатата примена на Cu/Ni во наноскала ги прави уште поважни, особено затоа што нивните структурни својства не се менуваат по фузијата11,12.
Додека металните наночестички и нивните интерфејси со диелектричниот медиум покажуваат значителни промени во локализираните површински плазмонски резонанции, тие на тој начин се користени како градежни блокови за детекција на гасови13.Кога се менува спектарот на апсорпција, тоа значи дека трите фактори на резонантна бранова должина и/или јачина на апсорпција и/или FWHM може да се променат за 1, 2, 3, 4. На наноструктурните површини, кои се директно поврзани со големината на честичките, локализирана површина плазмонската резонанца во наночестичките, наместо во тенки филмови, е ефективен фактор за идентификување на молекуларната апсорпција14, како што исто така истакна Руиз и сор.ја покажа врската помеѓу фините честички и ефикасноста на детекција15.
Во однос на оптичкото откривање на CO гас, во литературата се пријавени некои композитни материјали како AuCo3O416, Au-CuO17 и Au-YSZ18.Можеме да го замислиме златото како благороден метал агрегиран со метални оксиди за откривање на молекули на гас хемиски адсорбирани на површината на композитот, но главниот проблем со сензорите е нивната реакција на собна температура, што ги прави недостапни.
Во текот на изминатите неколку децении, микроскопијата со атомска сила (AFM) се користеше како напредна техника за карактеризирање на тридимензионална микроморфологија на површината со висока резолуција на нано размери19,20,21,22.Покрај тоа, стерео, фрактална/мултифрактална анализа23,24,25,26, спектрална густина на моќност (PSD)27 и Minkowski28 функционалности се најсовремени алатки за карактеризирање на површинската топографија на тенките филмови.
Во оваа студија, врз основа на локализирана апсорпција на површинска плазмонска резонанца (LSPR), трагите од ацетилен (C2H2) Cu/Ni NP беа депонирани на собна температура за употреба како сензори за гас на CO.За да се анализира составот и морфологијата од AFM сликите се користеше Радерфорд спектроскопија назад расејување (RBS), а 3D топографските карти беа обработени со помош на софтверот MountainsMap® Premium за проучување на изотропијата на површината и сите дополнителни микроморфолошки параметри на површинските микротекстури.Од друга страна, се демонстрираат нови научни резултати кои можат да се применат во индустриските процеси и се од голем интерес во апликациите за детекција на хемиски гасови (CO).Литературата за прв пат известува за синтезата, карактеризацијата и примената на оваа наночестичка.
Тенок филм од наночестички Cu/Ni беше подготвен со RF распрскување и RF-PECVD ко-таложење со напојување од 13,56 MHz.Методот се базира на реактор со две електроди од различни материјали и големини.Помалата е метална како електрода под напон, а поголемата е заземјена преку комора од нерѓосувачки челик на растојание од 5 cm една од друга.Ставете ја подлогата SiO 2 и целта Cu во комората, а потоа евакуирајте ја комората на 103 N/m 2 како основен притисок на собна температура, внесете ацетилен гас во комората и потоа притиснете до амбиенталниот притисок.Постојат две главни причини за користење на гасот ацетилен во овој чекор: прво, тој служи како гас-носител за производство на плазма, и второ, за подготовка на наночестички во трагови на јаглерод.Процесот на таложење беше спроведен 30 мин при почетен притисок на гас и моќност на RF од 3,5 N/m2 и 80 W, соодветно.Потоа скршете го вакуумот и сменете ја целта во Ni.Процесот на таложење се повтори при почетен притисок на гас и моќност на RF од 2,5 N/m2 и 150 W, соодветно.Конечно, наночестичките од бакар и никел депонирани во ацетиленска атмосфера формираат наноструктури од бакар/никел.Видете Табела 1 за подготовка на примерокот и идентификатори.
3D слики од свежо подготвени примероци беа снимени во квадратна површина од 1 μm × 1 μm со помош на нанометарски мултимоден микроскоп за атомска сила (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) во режим без контакт со брзина на скенирање од 10-20 μm/min. .Со.Софтверот MountainsMap® Premium се користеше за обработка на 3D AFM топографските карти.Според ISO 25178-2:2012 29,30,31, неколку морфолошки параметри се документирани и дискутирани, висина, јадро, волумен, карактер, функција, простор и комбинација се дефинирани.
Дебелината и составот на свежо подготвените примероци беа проценети по редослед на MeV со користење на високоенергетска спектроскопија на назад расејување на Радерфорд (RBS).Во случај на испитување на гас, спектроскопија LSPR беше користена со употреба на спектрометар UV-Vis во опсег од 350 до 850 nm, додека репрезентативен примерок беше во затворена кивета од нерѓосувачки челик со дијаметар од 5,2 cm и висина од 13,8 cm. со чистота од 99,9 % стапка на проток на гас CO (според Arian Gas Co. IRSQ стандардот, 1,6 до 16 l/h за 180 секунди и 600 секунди).Овој чекор беше изведен на собна температура, влажност на околината 19% и аспиратор.
Спектроскопијата на назад расејување Радерфорд како техника на јонско расејување ќе се користи за анализа на составот на тенките слоеви.Овој единствен метод овозможува квантификација без употреба на референтен стандард.RBS анализата мери високи енергии (He2+ јони, т.е. алфа честички) по редослед на MeV на примерокот и He2+ јони назад расејани под даден агол.Кодот SIMNRA е корисен за моделирање прави линии и криви, а неговата кореспонденција со експерименталните RBS спектри го покажува квалитетот на подготвените примероци.Спектарот RBS на примерокот Cu/Ni NP е прикажан на слика 1, каде што црвената линија е експерименталниот RBS спектар, а сината линија е симулација на програмата SIMNRA, може да се види дека двете спектрални линии се во добра договор.За да се идентификуваат елементите во примерокот се користеше инцидентен зрак со енергија од 1985 keV.Дебелината на горниот слој е околу 40 1E15Atom/cm2 што содржи 86% Ni, 0,10% O2, 0,02% C и 0,02% Fe.Fe е поврзан со нечистотии во целта Ni за време на распрскување.Врвовите на основните Cu и Ni се видливи на 1500 keV, соодветно, и врвовите на C и O2 на 426 keV и 582 keV, соодветно.Чекорите на Na, Si и Fe се 870 keV, 983 keV, 1340 keV и 1823 keV, соодветно.
Квадратни 3D топографски AFM слики од Cu и Cu/Ni NP филм површини се прикажани на сл.2. Дополнително, 2Д топографијата претставена на секоја слика покажува дека НП забележани на површината на филмот се спојуваат во сферични форми и оваа морфологија е слична на онаа опишана од Годселахи и Арманд32 и Арманд и сор.33.Сепак, нашите Cu NP не беа агломерирани, а примерокот што содржи само Cu покажа значително помазна површина со пофини врвови од погрубите (сл. 2а).Напротив, отворените врвови на примероците CuNi15 и CuNi20 имаат очигледна сферична форма и поголем интензитет, како што е прикажано со односот на висината на сл. 2а и б.Очигледната промена во морфологијата на филмот покажува дека површината има различни топографски просторни структури, кои се под влијание на времето на таложење на никелот.
AFM слики од Cu (a), CuNi15 (b) и CuNi20 (c) тенки филмови.Во секоја слика се вградени соодветни 2D мапи, распределби на висините и криви на Abbott Firestone.
Просечната големина на зрната на наночестичките беше проценета од хистограмот на дистрибуција на дијаметарот добиен со мерење на 100 наночестички со помош на Гаусово одговарање како што е прикажано на Сл.Може да се види дека Cu и CuNi15 имаат исти просечни големини на зрната (27,7 и 28,8 nm), додека CuNi20 има помали зрна (23,2 nm), што е блиску до вредноста што ја пријавиле Godselahi et al.34 (околу 24 nm).Во биметалличните системи, врвовите на локализираната површинска плазмонска резонанца може да се поместат со промена на големината на зрната35.Во овој поглед, можеме да заклучиме дека долгото време на таложење на Ni влијае на површинските плазмонски својства на тенките филмови Cu/Ni на нашиот систем.
Дистрибуција на големина на честички на (а) Cu, (б) CuNi15 и (в) CuNi20 тенки филмови добиени од AFM топографија.
Масовната морфологија, исто така, игра важна улога во просторната конфигурација на топографските структури во тенки филмови.Во Табела 2 се наведени топографските параметри засновани на висина поврзани со картата AFM, кои можат да се опишат со временски вредности на средна грубост (Sa), искривување (Ssk) и куртоза (Sku).Вредностите на Sa се 1,12 (Cu), 3,17 (CuNi15) и 5,34 nm (CuNi20), соодветно, што потврдува дека филмовите стануваат погруби со зголемување на времето на таложење Ni.Овие вредности се споредливи со оние претходно пријавени од Arman et al.33 (1-4 nm), Godselahi et al.34 (1-1.05 nm) и Zelu et al.36 (1.91-6.32 nm), каде што е слична прскањето беше изведено со користење на овие методи за депонирање на филмови од Cu/Ni NPs.Сепак, Ghosh et al.37 депонираа повеќеслојни Cu/Ni со електродепозиција и пријавија повисоки вредности на грубост, очигледно во опсег од 13,8 до 36 nm.Треба да се забележи дека разликите во кинетиката на формирање на површината со различни методи на таложење може да доведат до формирање на површини со различни просторни обрасци.Сепак, може да се види дека методот RF-PECVD е ефикасен за добивање филмови од Cu/Ni NP со грубост не поголема од 6,32 nm.
Што се однесува до висинскиот профил, статистичките моменти од повисок ред Ssk и Sku се поврзани со асиметријата и нормалноста на висинската дистрибуција, соодветно.Сите вредности на Ssk се позитивни (Ssk > 0), што укажува на подолга десна опашка38, што може да се потврди со графикот за распределба на висината во влезот 2. Покрај тоа, на сите висински профили доминираше остар врв 39 (Sku > 3) , покажувајќи дека кривата Распределбата на висината е помалку рамна од Гаусовата ѕвона крива.Црвената линија во заплетот за распределба на висината е кривата Abbott-Firestone 40, соодветен статистички метод за евалуација на нормалната дистрибуција на податоците.Оваа линија се добива од кумулативната сума над хистограмот на висината, каде што највисокиот врв и најдлабокото корито се поврзани со нивните минимални (0%) и максимални (100%) вредности.Овие криви на Abbott-Firestone имаат мазна S-облик на y-оската и во сите случаи покажуваат прогресивно зголемување на процентот на вкрстен материјал на покриената површина, почнувајќи од најгрубиот и најинтензивниот врв.Ова ја потврдува просторната структура на површината, на која главно влијае времето на таложење на никелот.
Во Табела 3 се наведени специфичните ISO морфолошки параметри поврзани со секоја површина добиена од AFM сликите.Добро е познато дека односот површина на материјалот (Smr) и соодносот на површината на материјалот (Smc) се површински функционални параметри29.На пример, нашите резултати покажуваат дека регионот над средната рамнина на површината е целосно изведен во сите филмови (Smr = 100%).Сепак, вредностите на Smr се добиваат од различни висини на коефициентот на носивоста на теренот41, бидејќи е познат параметарот Smc.Однесувањето на Smc се објаснува со зголемувањето на грубоста од Cu → CuNi20, каде што може да се види дека највисоката вредност на грубоста добиена за CuNi20 дава Smc ~ 13 nm, додека вредноста за Cu е околу 8 nm.
Параметрите за мешање RMS градиент (Sdq) и развиениот однос на површината на интерфејсот (Sdr) се параметри поврзани со плошноста и сложеноста на текстурата.Од Cu → CuNi20, вредностите на Sdq се движат од 7 до 21, што покажува дека топографските неправилности во филмовите се зголемуваат кога слојот Ni се депонира 20 мин.Треба да се забележи дека површината на CuNi20 не е толку рамна како онаа на Cu.Дополнително, беше откриено дека вредноста на параметарот Sdr, поврзана со сложеноста на микротекстурата на површината, се зголемува од Cu → CuNi20.Според студијата на Kamble et al.42, сложеноста на површинската микротекстура се зголемува со зголемување на Sdr, што покажува дека CuNi20 (Sdr = 945%) има посложена површинска микроструктура во споредба со Cu филмовите (Sdr = 229%)..Всушност, промената на микроскопската сложеност на текстурата игра клучна улога во распределбата и обликот на грубите врвови, што може да се забележи од карактеристичните параметри на врвната густина (Spd) и аритметичката средна врвна кривина (Spc).Во овој поглед, Spd се зголемува од Cu → CuNi20, што покажува дека врвовите се погусто организирани со зголемување на дебелината на слојот Ni.Покрај тоа, Spc исто така се зголемува од Cu→CuNi20, што покажува дека обликот на врвот на површината на примерокот Cu е позаоблен (Spc = 612), додека оној на CuNi20 е поостар (Spc = 925).
Грубиот профил на секој филм, исто така, покажува различни просторни обрасци во областите на врвот, јадрото и коритото на површината.Висината на јадрото (Sk), опаѓачкиот врв (Spk) (над јадрото) и коритото (Svk) (под јадрото)31,43 се параметри измерени нормално на површинската рамнина30 и се зголемуваат од Cu → CuNi20 поради грубост на површината Значително зголемување .Слично на тоа, врвниот материјал (Vmp), материјалот на јадрото (Vmc), празнината на корито (Vvv) и волуменот на празнината на јадрото (Vvc)31 го покажуваат истиот тренд како и сите вредности што се зголемуваат од Cu → CuNi20.Ваквото однесување покажува дека површината на CuNi20 може да содржи повеќе течност од другите примероци, што е позитивно, што укажува на тоа дека оваа површина полесно се размачкува44.Затоа, треба да се забележи дека со зголемување на дебелината на слојот од никел од CuNi15 → CuNi20, промените во топографскиот профил заостануваат зад промените во морфолошките параметри од повисок ред, што влијае на површинската микротекстура и просторната шема на филмот.
Добиена е квалитативна проценка на микроскопската текстура на површината на филмот со конструирање на топографска карта AFM со помош на комерцијалниот софтвер MountainsMap45.Рендерирањето е прикажано на слика 4, која покажува репрезентативен жлеб и поларна парцела во однос на површината.Табелата 4 ги наведува опциите за слот и простор.Сликите на жлебовите покажуваат дека во примерокот доминира сличен систем на канали со изразена хомогеност на жлебовите.Сепак, параметрите и за максималната длабочина на жлебот (MDF) и за просечната длабочина на жлебот (MDEF) се зголемуваат од Cu до CuNi20, потврдувајќи ги претходните набљудувања за потенцијалот за подмачкување на CuNi20.Треба да се забележи дека примероците Cu (слика 4а) и CuNi15 (сл. 4б) имаат практично исти скали на боја, што покажува дека микротекстурата на површината на филмот Cu не претрпе значителни промени откако филмот Ni беше депониран 15 мин.Спротивно на тоа, примерокот CuNi20 (слика 4в) покажува брчки со различни размери на бои, што е поврзано со неговите повисоки вредности на MDF и MDEF.
Жлебови и површинска изотропија на микротекстури на Cu (a), CuNi15 (b) и CuNi20 (c) филмови.
Поларниот дијаграм на сл.4, исто така, покажува дека микротекстурата на површината е различна.Вреди да се одбележи дека таложењето на Ni слој значително ја менува просторната шема.Пресметаната микротекстурална изотропија на примероците беше 48% (Cu), 80% (CuNi15) и 81% (CuNi20).Може да се види дека таложењето на слојот Ni придонесува за формирање на поизотропна микротекстура, додека еднослојниот Cu филм има поанизотропна површинска микротекстура.Дополнително, доминантните просторни фреквенции на CuNi15 и CuNi20 се пониски поради нивните големи должини на автокорелација (Sal)44 во споредба со примероците Cu.Ова е исто така комбинирано со сличната ориентација на зрната што ја покажуваат овие примероци (Std = 2,5° и Std = 3,5°), додека за примерокот Cu е забележана многу голема вредност (Std = 121°).Врз основа на овие резултати, сите филмови покажуваат просторни варијации на долг дострел поради различната морфологија, топографските профили и грубоста.Така, овие резултати покажуваат дека времето на таложење на Ni слој игра важна улога во формирањето на биметалличните распрскани површини CuNi.
За да се проучи однесувањето на LSPR на Cu/Ni NP во воздухот на собна температура и на различни флуксови на CO гас, UV-Vis апсорпционите спектри беа применети во опсегот на бранова должина од 350-800 nm, како што е прикажано на слика 5 за CuNi15 и CuNi20.Со воведување на различни густини на проток на гас на CO, ефективниот врв LSPR CuNi15 ќе стане поширок, апсорпцијата ќе биде посилна, а врвот ќе се префрли (црвено поместување) на повисоки бранови должини, од 597,5 nm во проток на воздух до 16 L/h 606,0 nm.Проток на CO 180 секунди, 606,5 nm, проток на CO 16 l/h за 600 секунди.Од друга страна, CuNi20 покажува различно однесување, така што зголемувањето на протокот на гас на CO резултира со намалување на позицијата на врвната бранова должина на LSPR (сино поместување) од 600,0 nm при проток на воздух до 589,5 nm при 16 l/h проток на CO за 180 секунди .Проток од 16 l/h CO за 600 секунди на 589,1 nm.Како и кај CuNi15, можеме да видиме поширок врв и зголемен интензитет на апсорпција за CuNi20.Може да се процени дека со зголемување на дебелината на слојот Ni на Cu, како и со зголемување на големината и бројот на наночестичките CuNi20 наместо CuNi15, честичките Cu и Ni се приближуваат една кон друга, се зголемува амплитудата на електронските осцилации. , и, следствено, фреквенцијата се зголемува.што значи: брановата должина се намалува, настанува сино поместување.
Време на објавување: 16-ти август 2023 година