I denne studien undersøkte vi Cu/Ni-nanopartikler syntetisert i mikrokarbonkilder under samdeponering ved RF-sputtering og RF-PECVD, samt lokalisert overflateplasmonresonans for påvisning av CO-gass ved bruk av Cu/Ni-nanopartikler.Morfologi av partikler.Overflatemorfologi ble studert ved å analysere 3D atomkraftmikrografer ved bruk av bildebehandling og fraktal/multifraktale analyseteknikker.Statistisk analyse ble utført ved bruk av MountainsMap® Premium-programvare med toveis variansanalyse (ANOVA) og minst signifikant forskjellstest.Overflatenanostrukturer har lokal og global spesifikk distribusjon.De eksperimentelle og simulerte Rutherford-spredningsspektrene bekreftet kvaliteten på nanopartikler.De nylagde prøvene ble deretter eksponert for en karbondioksidskorstein og deres bruk som en gasssensor ble undersøkt ved å bruke metoden med lokalisert overflateplasmonresonans.Tilsetningen av et nikkellag på toppen av kobberlaget viste interessante resultater både når det gjelder morfologi og gassdeteksjon.Kombinasjonen av avansert stereoanalyse av tynnfilmoverflatetopografi med Rutherford tilbakespredningsspektroskopi og spektroskopisk analyse er unik på dette feltet.
Rask luftforurensning de siste tiårene, spesielt på grunn av rask industrialisering, har fått forskere til å lære mer om viktigheten av å oppdage gasser.Metallnanopartikler (NP-er) har vist seg å være lovende materialer for gasssensorer1,2,3,4 selv sammenlignet med tynne metallfilmer som er i stand til lokalisert overflateplasmonresonans (LSPR), som er et stoff som resonerer med sterk og sterkt begrenset elektromagnetisk felt5,6,7,8.Som et billig, lite giftig og allsidig overgangsmetall anses kobber som et viktig element av forskere og industri, spesielt sensorprodusenter9.På den annen side yter nikkel-overgangsmetallkatalysatorer bedre enn andre katalysatorer10.Den velkjente anvendelsen av Cu/Ni på nanoskala gjør dem enda viktigere, spesielt fordi deres strukturelle egenskaper ikke endres etter fusjon11,12.
Mens metallnanopartikler og deres grensesnitt med det dielektriske mediet viser betydelige endringer i lokaliserte overflateplasmonresonanser, har de dermed blitt brukt som byggesteiner for gassdeteksjon13.Når absorpsjonsspekteret endres, betyr dette at de tre faktorene for resonansbølgelengde og/eller absorpsjonstoppintensitet og/eller FWHM kan endres med 1, 2, 3, 4. På nanostrukturerte overflater, som er direkte relatert til partikkelstørrelse, lokalisert overflate Plasmonresonans i nanopartikler, snarere enn i tynne filmer, er en effektiv faktor for å identifisere molekylær absorpsjon14, som også påpekt av Ruiz et al.viste forholdet mellom fine partikler og deteksjonseffektivitet15.
Når det gjelder optisk deteksjon av CO-gass, er noen komposittmaterialer som AuCo3O416, Au-CuO17 og Au-YSZ18 rapportert i litteraturen.Vi kan tenke på gull som et edelmetall aggregert med metalloksider for å oppdage gassmolekyler kjemisk adsorbert på overflaten av kompositten, men hovedproblemet med sensorer er deres reaksjon ved romtemperatur, noe som gjør dem utilgjengelige.
I løpet av de siste tiårene har atomkraftmikroskopi (AFM) blitt brukt som en avansert teknikk for å karakterisere tredimensjonal overflatemikromorfologi ved høy nanoskalaoppløsning19,20,21,22.I tillegg er stereo, fraktal/multifraktal analyse23,24,25,26, effektspektraltetthet (PSD)27 og Minkowski28 funksjoner toppmoderne verktøy for å karakterisere overflatetopografien til tynne filmer.
I denne studien, basert på lokalisert overflateplasmonresonans (LSPR) absorpsjon, ble acetylen (C2H2) Cu/Ni NP-spor avsatt ved romtemperatur for bruk som CO-gasssensorer.Rutherford backscatter-spektroskopi (RBS) ble brukt til å analysere komposisjon og morfologi fra AFM-bilder, og 3D-topografiske kart ble behandlet med MountainsMap® Premium-programvare for å studere overflateisotropi og alle ytterligere mikromorfologiske parametere for overflatemikroteksturer.På den annen side demonstreres nye vitenskapelige resultater som kan brukes på industrielle prosesser og er av stor interesse i applikasjoner for kjemisk gassdeteksjon (CO).Litteraturen rapporterer for første gang syntesen, karakteriseringen og anvendelsen av denne nanopartikkelen.
En tynn film av Cu/Ni nanopartikler ble fremstilt ved RF sputtering og RF-PECVD co-deponering med en 13,56 MHz strømforsyning.Metoden er basert på en reaktor med to elektroder av forskjellige materialer og størrelser.Den minste er metall som en energisert elektrode, og den større er jordet gjennom et rustfritt stålkammer i en avstand på 5 cm fra hverandre.Plasser SiO 2-substratet og Cu-målet inn i kammeret, evakuer deretter kammeret til 103 N/m 2 som basistrykk ved romtemperatur, introduser acetylengass i kammeret, og trykk deretter til omgivelsestrykk.Det er to hovedgrunner for å bruke acetylengass i dette trinnet: For det første tjener den som bæregass for plasmaproduksjon, og for det andre for fremstilling av nanopartikler i spormengder av karbon.Deponeringsprosessen ble utført i 30 minutter ved et startgasstrykk og RF-effekt på henholdsvis 3,5 N/m2 og 80 W.Bryt deretter vakuumet og endre målet til Ni.Avsetningsprosessen ble gjentatt ved et innledende gasstrykk og RF-effekt på henholdsvis 2,5 N/m2 og 150 W.Til slutt danner kobber og nikkel nanopartikler avsatt i en acetylenatmosfære kobber/nikkel nanostrukturer.Se tabell 1 for prøveklargjøring og identifikatorer.
3D-bilder av nylagde prøver ble tatt opp i et 1 μm × 1 μm kvadratisk skanneområde ved bruk av et nanometer multimodus atomkraftmikroskop (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) i berøringsfri modus med en skannehastighet på 10–20 μm/min. .Med.MountainsMap® Premium-programvare ble brukt til å behandle 3D AFM topografiske kart.I henhold til ISO 25178-2:2012 29,30,31 er flere morfologiske parametere dokumentert og diskutert, høyde, kjerne, volum, karakter, funksjon, rom og kombinasjon er definert.
Tykkelsen og sammensetningen av nylagde prøver ble estimert i størrelsesorden MeV ved bruk av høyenergi Rutherford backscattering spektroskopi (RBS).Ved gassondering ble LSPR-spektroskopi brukt ved bruk av et UV-Vis-spektrometer i bølgelengdeområdet fra 350 til 850 nm, mens en representativ prøve var i en lukket rustfri stålkyvette med en diameter på 5,2 cm og en høyde på 13,8 cm. ved en renhet på 99,9 % CO-gassstrøm (i henhold til Arian Gas Co. IRSQ-standard, 1,6 til 16 l/t i 180 sekunder og 600 sekunder).Dette trinnet ble utført ved romtemperatur, luftfuktighet 19 % og avtrekksskap.
Rutherford tilbakespredningsspektroskopi som en ionespredningsteknikk vil bli brukt for å analysere sammensetningen av tynne filmer.Denne unike metoden tillater kvantifisering uten bruk av en referansestandard.RBS-analyse måler høye energier (He2+-ioner, dvs. alfapartikler) i størrelsesorden MeV på prøven og He2+-ioner tilbakespredt i en gitt vinkel.SIMNRA-koden er nyttig for å modellere rette linjer og kurver, og dens korrespondanse til de eksperimentelle RBS-spektrene viser kvaliteten på de forberedte prøvene.RBS-spekteret til Cu/Ni NP-prøven er vist i figur 1, der den røde linjen er det eksperimentelle RBS-spekteret, og den blå linjen er simuleringen av SIMNRA-programmet, det kan sees at de to spektrallinjene er i god stand. avtale.En innfallende stråle med en energi på 1985 keV ble brukt for å identifisere elementene i prøven.Tykkelsen på det øvre laget er ca. 40 1E15Atom/cm2 som inneholder 86 % Ni, 0,10 % O2, 0,02 % C og 0,02 % Fe.Fe er assosiert med urenheter i Ni-målet under sputtering.Topper av underliggende Cu og Ni er synlige ved henholdsvis 1500 keV, og topper av C og O2 ved henholdsvis 426 keV og 582 keV.Na-, Si- og Fe-trinnene er henholdsvis 870 keV, 983 keV, 1340 keV og 1823 keV.
Firkantede 3D topografiske AFM-bilder av Cu og Cu/Ni NP-filmoverflater er vist i fig.2. I tillegg viser 2D-topografien presentert i hver figur at NP-ene observert på filmoverflaten smelter sammen til sfæriske former, og denne morfologien er lik den som er beskrevet av Godselahi og Armand32 og Armand et al.33.Våre Cu-NP-er var imidlertid ikke agglomerert, og prøven som bare inneholdt Cu viste en betydelig jevnere overflate med finere topper enn de grovere (fig. 2a).Tvert imot har de åpne toppene på CuNi15- og CuNi20-prøvene en åpenbar sfærisk form og høyere intensitet, som vist av høydeforholdet i fig. 2a og b.Den tilsynelatende endringen i filmmorfologi indikerer at overflaten har forskjellige topografiske romlige strukturer, som påvirkes av nikkelavsetningstid.
AFM-bilder av Cu (a), CuNi15 (b) og CuNi20 (c) tynne filmer.Passende 2D-kart, høydefordelinger og Abbott Firestone-kurver er innebygd i hvert bilde.
Den gjennomsnittlige kornstørrelsen til nanopartikler ble estimert fra diameterfordelingshistogrammet oppnådd ved å måle 100 nanopartikler ved å bruke en Gaussisk tilpasning som vist i FIG.Man kan se at Cu og CuNi15 har samme gjennomsnittlige kornstørrelser (27,7 og 28,8 nm), mens CuNi20 har mindre korn (23,2 nm), som er nær verdien rapportert av Godselahi et al.34 (omtrent 24 nm).I bimetalliske systemer kan toppene av den lokaliserte overflateplasmonresonansen skifte med en endring i kornstørrelsen35.I denne forbindelse kan vi konkludere med at en lang Ni-avsetningstid påvirker overflateplasmoniske egenskaper til Cu/Ni-tynne filmer i systemet vårt.
Partikkelstørrelsesfordeling av (a) Cu, (b) CuNi15 og (c) CuNi20 tynne filmer hentet fra AFM-topografi.
Bulkmorfologi spiller også en viktig rolle i den romlige konfigurasjonen av topografiske strukturer i tynne filmer.Tabell 2 viser de høydebaserte topografiske parameterne knyttet til AFM-kartet, som kan beskrives ved tidsverdier for gjennomsnittlig ruhet (Sa), skjevhet (Ssk) og kurtosis (Sku).Sa-verdiene er henholdsvis 1,12 (Cu), 3,17 (CuNi15) og 5,34 nm (CuNi20), noe som bekrefter at filmene blir grovere med økende Ni-avsetningstid.Disse verdiene er sammenlignbare med de tidligere rapportert av Arman et al.33 (1–4 nm), Godselahi et al.34 (1–1,05 nm) og Zelu et al.36 (1,91–6,32 nm ), der en lignende sputtering ble utført ved å bruke disse metodene for å deponere filmer av Cu/Ni NP-er.Imidlertid avsatte Ghosh et al.37 Cu/Ni-flerlag ved elektroavsetning og rapporterte høyere ruhetsverdier, tilsynelatende i området 13,8 til 36 nm.Det skal bemerkes at forskjeller i kinetikken til overflatedannelse ved forskjellige avsetningsmetoder kan føre til dannelse av overflater med forskjellige romlige mønstre.Likevel kan det sees at RF-PECVD-metoden er effektiv for å oppnå filmer av Cu/Ni NP-er med en ruhet på ikke mer enn 6,32 nm.
Når det gjelder høydeprofilen, er de høyere ordens statistiske momentene Ssk og Sku relatert til henholdsvis asymmetrien og normaliteten til høydefordelingen.Alle Ssk-verdier er positive (Ssk > 0), noe som indikerer en lengre høyre hale38, noe som kan bekreftes av høydefordelingsplottet i innfelt 2. I tillegg ble alle høydeprofiler dominert av en skarp topp 39 (Sku > 3) , som viser at kurven Høydefordelingen er mindre flat enn den Gaussiske klokkekurven.Den røde linjen i høydefordelingsplottet er Abbott-Firestone 40-kurven, en passende statistisk metode for å evaluere normalfordelingen av data.Denne linjen er hentet fra den kumulative summen over høydehistogrammet, der den høyeste toppen og den dypeste bunnen er relatert til deres minimum (0 %) og maksimum (100 %) verdier.Disse Abbott-Firestone-kurvene har en jevn S-form på y-aksen og viser i alle tilfeller en progressiv økning i prosentandelen av materiale som krysses over dekket areal, med utgangspunkt i den groveste og mest intense toppen.Dette bekrefter den romlige strukturen til overflaten, som hovedsakelig påvirkes av nikkelavsetningstiden.
Tabell 3 viser de spesifikke ISO-morfologiparametrene knyttet til hver overflate hentet fra AFM-bildene.Det er velkjent at forholdet mellom areal og material (Smr) og forholdet mellom areal og material (Smc) er overflatefunksjonelle parametere29.For eksempel viser resultatene våre at området over medianplanet til overflaten er fullstendig toppet i alle filmer (Smr = 100%).Imidlertid er verdiene til Smr hentet fra forskjellige høyder av bærearealkoeffisienten til terrenget41, siden parameteren Smc er kjent.Oppførselen til Smc forklares av økningen i ruhet fra Cu → CuNi20, hvor det kan sees at den høyeste ruhetsverdien oppnådd for CuNi20 gir Smc ~ 13 nm, mens verdien for Cu er ca. 8 nm.
Blandingsparametere RMS-gradient (Sdq) og utviklet grensesnittarealforhold (Sdr) er parametere relatert til teksturflathet og kompleksitet.Fra Cu → CuNi20 varierer Sdq-verdiene fra 7 til 21, noe som indikerer at de topografiske uregelmessighetene i filmene øker når Ni-laget avsettes i 20 minutter.Det skal bemerkes at overflaten til CuNi20 ikke er så flat som den til Cu.I tillegg ble det funnet at verdien av parameteren Sdr, assosiert med kompleksiteten til overflatemikroteksturen, øker fra Cu → CuNi20.I følge en studie av Kamble et al.42 øker kompleksiteten til overflatemikroteksturen med økende Sdr, noe som indikerer at CuNi20 (Sdr = 945%) har en mer kompleks overflatemikrostruktur sammenlignet med Cu-filmer (Sdr = 229%)..Faktisk spiller endringen i den mikroskopiske kompleksiteten til teksturen en nøkkelrolle i fordelingen og formen til grove topper, som kan observeres fra de karakteristiske parametrene for topptettheten (Spd) og den aritmetiske gjennomsnittlige toppkurvaturen (Spc).I denne forbindelse øker Spd fra Cu → CuNi20, noe som indikerer at toppene er tettere organisert med økende Ni-lagtykkelse.I tillegg øker Spc også fra Cu→CuNi20, noe som indikerer at toppformen på overflaten til Cu-prøven er mer avrundet (Spc = 612), mens den til CuNi20 er skarpere (Spc = 925).
Den grove profilen til hver film viser også distinkte romlige mønstre i topp-, kjerne- og bunnområdene på overflaten.Høyden på kjernen (Sk), avtagende topp (Spk) (over kjernen) og bunn (Svk) (under kjernen)31,43 er parametere målt vinkelrett på overflateplanet30 og øker fra Cu → CuNi20 pga. overflateruhet Betydelig økning.Tilsvarende viser toppmateriale (Vmp), kjernemateriale (Vmc), bunnhull (Vvv) og kjernehulromsvolum (Vvc)31 den samme trenden ettersom alle verdier øker fra Cu → CuNi20.Denne oppførselen indikerer at CuNi20-overflaten kan inneholde mer væske enn andre prøver, noe som er positivt, noe som antyder at denne overflaten er lettere å smøre44.Derfor bør det bemerkes at når tykkelsen på nikkellaget øker fra CuNi15 → CuNi20, henger endringene i den topografiske profilen etter endringene i høyere ordens morfologiske parametere, noe som påvirker overflatemikroteksturen og det romlige mønsteret til filmen.
En kvalitativ vurdering av den mikroskopiske teksturen til filmoverflaten ble oppnådd ved å konstruere et AFM topografisk kart ved å bruke den kommersielle MountainsMap45-programvaren.Gjengivelsen er vist i figur 4, som viser et representativt spor og et polart plott i forhold til overflaten.Tabell 4 viser spor- og plassalternativene.Bildene av sporene viser at prøven er dominert av et lignende system av kanaler med en uttalt homogenitet av sporene.Imidlertid øker parametrene for både maksimal rilledybde (MDF) og gjennomsnittlig rilledybde (MDEF) fra Cu til CuNi20, noe som bekrefter tidligere observasjoner om smøreevnen til CuNi20.Det skal bemerkes at Cu (fig. 4a) og CuNi15 (fig. 4b) prøvene har praktisk talt samme fargeskalaer, noe som indikerer at mikroteksturen til Cu-filmoverflaten ikke gjennomgikk vesentlige endringer etter at Ni-filmen ble avsatt i 15 min.Derimot viser CuNi20-prøven (fig. 4c) rynker med forskjellige fargeskalaer, noe som er relatert til dens høyere MDF- og MDEF-verdier.
Riller og overflateisotropi av mikroteksturer av Cu (a), CuNi15 (b) og CuNi20 (c) filmer.
Polardiagrammet i fig.4 viser også at overflatemikroteksturen er forskjellig.Det er bemerkelsesverdig at avsetningen av et Ni-lag endrer det romlige mønsteret betydelig.Den beregnede mikroteksturiske isotropien til prøvene var 48 % (Cu), 80 % (CuNi15) og 81 % (CuNi20).Det kan sees at avsetningen av Ni-laget bidrar til dannelsen av en mer isotrop mikrotekstur, mens enkeltlags Cu-filmen har en mer anisotrop overflatemikrotekstur.I tillegg er de dominerende romlige frekvensene til CuNi15 og CuNi20 lavere på grunn av deres store autokorrelasjonslengder (Sal)44 sammenlignet med Cu-prøver.Dette er også kombinert med den lignende kornorienteringen som disse prøvene viser (Std = 2,5° og Std = 3,5°), mens det ble registrert en veldig stor verdi for Cu-prøven (Std = 121°).Basert på disse resultatene viser alle filmer langdistanse romlige variasjoner på grunn av forskjellig morfologi, topografiske profiler og ruhet.Dermed demonstrerer disse resultatene at Ni-lagavsetningstiden spiller en viktig rolle i dannelsen av CuNi bimetalliske sputterede overflater.
For å studere LSPR-oppførselen til Cu/Ni NP-er i luft ved romtemperatur og ved forskjellige CO-gassstrømmer, ble UV-Vis-absorpsjonsspektra brukt i bølgelengdeområdet 350–800 nm, som vist i figur 5 for CuNi15 og CuNi20.Ved å introdusere forskjellige CO-gassstrømtettheter vil den effektive LSPR CuNi15-toppen bli bredere, absorpsjonen vil bli sterkere, og toppen vil skifte (rødforskyve) til høyere bølgelengder, fra 597,5 nm i luftstrøm til 16 L/t 606,0 nm.CO-strøm i 180 sekunder, 606,5 nm, CO-strøm 16 l/t i 600 sekunder.På den annen side viser CuNi20 en annen oppførsel, så en økning i CO-gassstrøm resulterer i en reduksjon i LSPR-toppbølgelengdeposisjonen (blåforskyvning) fra 600,0 nm ved luftstrøm til 589,5 nm ved 16 l/t CO-strøm i 180 s .16 l/t CO-strøm i 600 sekunder ved 589,1 nm.Som med CuNi15, kan vi se en bredere topp og økt absorpsjonsintensitet for CuNi20.Det kan anslås at med en økning i tykkelsen av Ni-laget på Cu, samt med en økning i størrelsen og antallet CuNi20 nanopartikler i stedet for CuNi15, nærmer Cu- og Ni-partikler seg hverandre, øker amplituden til elektroniske svingninger , og følgelig øker frekvensen.som betyr: bølgelengden avtar, det oppstår et blått skifte.
Innleggstid: 16. august 2023