Dalam kajian ini, kami menyiasat nanozarah Cu / Ni yang disintesis dalam sumber mikrokarbon semasa pemendapan bersama oleh RF sputtering dan RF-PECVD, serta resonans plasmon permukaan setempat untuk pengesanan gas CO menggunakan nanopartikel Cu / Ni.Morfologi zarah.Morfologi permukaan dikaji dengan menganalisis mikrograf daya atom 3D menggunakan pemprosesan imej dan teknik analisis fraktal/multifraktal.Analisis statistik dilakukan menggunakan perisian MountainsMap® Premium dengan analisis varians dua hala (ANOVA) dan ujian perbezaan paling ketara.Struktur nano permukaan mempunyai pengedaran khusus tempatan dan global.Spektrum hamburan belakang Rutherford eksperimen dan simulasi mengesahkan kualiti zarah nano.Sampel yang baru disediakan kemudiannya didedahkan kepada cerobong karbon dioksida dan penggunaannya sebagai sensor gas telah disiasat menggunakan kaedah resonans plasmon permukaan setempat.Penambahan lapisan nikel di atas lapisan kuprum menunjukkan hasil yang menarik baik dari segi morfologi mahupun pengesanan gas.Gabungan analisis stereo lanjutan bagi topografi permukaan filem nipis dengan spektroskopi hamburan belakang Rutherford dan analisis spektroskopi adalah unik dalam bidang ini.
Pencemaran udara yang pesat sejak beberapa dekad yang lalu, terutamanya disebabkan oleh perindustrian yang pesat, telah mendorong para penyelidik untuk mengetahui lebih lanjut tentang kepentingan mengesan gas.Nanozarah logam (NPs) telah terbukti sebagai bahan yang menjanjikan untuk sensor gas1,2,3,4 walaupun dibandingkan dengan filem logam nipis yang mampu resonans plasmon permukaan setempat (LSPR), iaitu bahan yang bergema dengan elektromagnet yang kuat dan terhad. medan5,6,7,8.Sebagai logam peralihan yang murah, toksik rendah dan serba boleh, tembaga dianggap sebagai elemen penting oleh saintis dan industri, terutamanya pengeluar sensor9.Sebaliknya, pemangkin logam peralihan nikel berprestasi lebih baik daripada pemangkin lain10.Aplikasi terkenal Cu/Ni pada skala nano menjadikannya lebih penting, terutamanya kerana sifat strukturnya tidak berubah selepas pelakuran11,12.
Walaupun nanozarah logam dan antara mukanya dengan medium dielektrik mempamerkan perubahan ketara dalam resonans plasmon permukaan setempat, ia telah digunakan sebagai blok bangunan untuk pengesanan gas13.Apabila spektrum penyerapan berubah, ini bermakna bahawa tiga faktor panjang gelombang resonan dan/atau keamatan puncak penyerapan dan/atau FWHM boleh berubah sebanyak 1, 2, 3, 4. Pada permukaan berstruktur nano, yang berkaitan secara langsung dengan saiz zarah, permukaan setempat resonans plasmon dalam nanopartikel, dan bukannya dalam filem nipis, adalah faktor yang berkesan untuk mengenal pasti penyerapan molekul14, seperti yang juga ditunjukkan oleh Ruiz et al.menunjukkan hubungan antara zarah halus dan kecekapan pengesanan15.
Mengenai pengesanan optik gas CO, beberapa bahan komposit seperti AuCo3O416, Au-CuO17 dan Au-YSZ18 telah dilaporkan dalam kesusasteraan.Kita boleh menganggap emas sebagai logam mulia yang diagregatkan dengan oksida logam untuk mengesan molekul gas yang terjerap secara kimia pada permukaan komposit, tetapi masalah utama dengan penderia ialah tindak balasnya pada suhu bilik, menjadikannya tidak boleh diakses.
Sejak beberapa dekad yang lalu, mikroskopi daya atom (AFM) telah digunakan sebagai teknik termaju untuk mencirikan mikromorfologi permukaan tiga dimensi pada resolusi skala nano yang tinggi19,20,21,22.Selain itu, fungsi stereo, analisis fraktal/multifraktal23,24,25,26, ketumpatan spektrum kuasa (PSD)27 dan Minkowski28 ialah alat terkini untuk mencirikan topografi permukaan filem nipis.
Dalam kajian ini, berdasarkan penyerapan resonans plasmon permukaan setempat (LSPR), jejak asetilena (C2H2) Cu/Ni NP telah didepositkan pada suhu bilik untuk digunakan sebagai penderia gas CO.Rutherford backscatter spectroscopy (RBS) digunakan untuk menganalisis komposisi dan morfologi daripada imej AFM, dan peta topografi 3D telah diproses menggunakan perisian MountainsMap® Premium untuk mengkaji isotropi permukaan dan semua parameter mikromorfologi tambahan mikrotekstur permukaan.Sebaliknya, hasil saintifik baharu ditunjukkan yang boleh digunakan untuk proses perindustrian dan sangat menarik dalam aplikasi untuk pengesanan gas kimia (CO).Literatur melaporkan buat pertama kalinya sintesis, pencirian dan penggunaan zarah nano ini.
Filem nipis nanozarah Cu/Ni telah disediakan oleh RF sputtering dan pemendapan bersama RF-PECVD dengan bekalan kuasa 13.56 MHz.Kaedah ini berdasarkan reaktor dengan dua elektrod bahan dan saiz yang berbeza.Yang lebih kecil adalah logam sebagai elektrod bertenaga, dan yang lebih besar dibumikan melalui ruang keluli tahan karat pada jarak 5 cm antara satu sama lain.Letakkan substrat SiO 2 dan sasaran Cu ke dalam ruang, kemudian kosongkan ruang kepada 103 N/m 2 sebagai tekanan asas pada suhu bilik, masukkan gas asetilena ke dalam ruang, dan kemudian tekan kepada tekanan ambien.Terdapat dua sebab utama untuk menggunakan gas asetilena dalam langkah ini: pertama, ia berfungsi sebagai gas pembawa untuk pengeluaran plasma, dan kedua, untuk penyediaan nanopartikel dalam jumlah surih karbon.Proses pemendapan telah dijalankan selama 30 minit pada tekanan gas awal dan kuasa RF masing-masing 3.5 N/m2 dan 80 W.Kemudian pecahkan vakum dan tukar sasaran kepada Ni.Proses pemendapan diulang pada tekanan gas awal dan kuasa RF masing-masing 2.5 N/m2 dan 150 W.Akhirnya, nanopartikel kuprum dan nikel yang dimendapkan dalam suasana asetilena membentuk struktur nano kuprum/nikel.Lihat Jadual 1 untuk penyediaan sampel dan pengecam.
Imej 3D sampel yang baru disediakan telah direkodkan dalam kawasan imbasan persegi 1 μm × 1 μm menggunakan mikroskop daya atom multimod nanometer (Instrumen Digital, Santa Barbara, CA) dalam mod bukan hubungan pada kelajuan imbasan 10-20 μm / min .Dengan.Perisian MountainsMap® Premium telah digunakan untuk memproses peta topografi 3D AFM.Menurut ISO 25178-2:2012 29,30,31, beberapa parameter morfologi didokumenkan dan dibincangkan, ketinggian, teras, isipadu, watak, fungsi, ruang dan gabungan ditakrifkan.
Ketebalan dan komposisi sampel yang baru disediakan dianggarkan mengikut susunan MeV menggunakan spektroskopi hamburan belakang (RBS) bertenaga tinggi Rutherford.Dalam kes probing gas, spektroskopi LSPR digunakan menggunakan spektrometer UV-Vis dalam julat panjang gelombang dari 350 hingga 850 nm, manakala sampel yang mewakili adalah dalam kuvet keluli tahan karat tertutup dengan diameter 5.2 cm dan ketinggian 13.8 cm. pada ketulenan 99.9 % kadar aliran gas CO (mengikut piawaian IRSQ Arian Gas Co., 1.6 hingga 16 l/j selama 180 saat dan 600 saat).Langkah ini dijalankan pada suhu bilik, kelembapan ambien 19% dan hud wasap.
Spektroskopi hamburan belakang Rutherford sebagai teknik penyebaran ion akan digunakan untuk menganalisis komposisi filem nipis.Kaedah unik ini membenarkan kuantifikasi tanpa menggunakan piawai rujukan.Analisis RBS mengukur tenaga tinggi (ion He2+, iaitu zarah alfa) pada susunan MeV pada sampel dan ion He2+ diserakkan ke belakang pada sudut tertentu.Kod SIMNRA berguna dalam memodelkan garis lurus dan lengkung, dan kodnya dengan spektrum RBS eksperimen menunjukkan kualiti sampel yang disediakan.Spektrum RBS sampel Cu/Ni NP ditunjukkan dalam Rajah 1, di mana garis merah adalah spektrum RBS eksperimen, dan garis biru adalah simulasi program SIMNRA, dapat dilihat bahawa dua garis spektrum berada dalam keadaan baik. perjanjian.Rasuk kejadian dengan tenaga 1985 keV digunakan untuk mengenal pasti unsur-unsur dalam sampel.Ketebalan lapisan atas adalah kira-kira 40 1E15Atom/cm2 yang mengandungi 86% Ni, 0.10% O2, 0.02% C dan 0.02% Fe.Fe dikaitkan dengan kekotoran dalam sasaran Ni semasa sputtering.Puncak asas Cu dan Ni boleh dilihat pada 1500 keV, masing-masing, dan puncak C dan O2 pada 426 keV dan 582 keV, masing-masing.Langkah Na, Si, dan Fe ialah 870 keV, 983 keV, 1340 keV, dan 1823 keV, masing-masing.
Imej AFM topografi 3D persegi bagi permukaan filem Cu dan Cu/Ni NP ditunjukkan dalam Rajah.2. Selain itu, topografi 2D yang dibentangkan dalam setiap rajah menunjukkan bahawa NP yang diperhatikan pada permukaan filem bergabung menjadi bentuk sfera, dan morfologi ini serupa dengan yang diterangkan oleh Godselahi dan Armand32 dan Armand et al.33.Walau bagaimanapun, NP Cu kami tidak diaglomerasi, dan sampel yang mengandungi hanya Cu menunjukkan permukaan yang lebih licin dengan puncak yang lebih halus daripada yang lebih kasar (Rajah 2a).Sebaliknya, puncak terbuka pada sampel CuNi15 dan CuNi20 mempunyai bentuk sfera yang jelas dan keamatan yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan oleh nisbah ketinggian dalam Rajah 2a dan b.Perubahan ketara dalam morfologi filem menunjukkan bahawa permukaan mempunyai struktur spatial topografi yang berbeza, yang dipengaruhi oleh masa pemendapan nikel.
Imej AFM filem nipis Cu (a), CuNi15 (b), dan CuNi20 (c).Peta 2D yang sesuai, taburan ketinggian dan lengkung Abbott Firestone dibenamkan dalam setiap imej.
Saiz butiran purata nanozarah dianggarkan daripada histogram taburan diameter yang diperolehi dengan mengukur 100 nanozarah menggunakan padanan Gaussian seperti yang ditunjukkan dalam FIG.Dapat dilihat bahawa Cu dan CuNi15 mempunyai saiz butiran purata yang sama (27.7 dan 28.8 nm), manakala CuNi20 mempunyai butiran yang lebih kecil (23.2 nm), yang hampir dengan nilai yang dilaporkan oleh Godselahi et al.34 (kira-kira 24 nm).Dalam sistem dwilogam, puncak resonans plasmon permukaan setempat boleh beralih dengan perubahan dalam saiz butiran35.Dalam hal ini, kita boleh membuat kesimpulan bahawa masa pemendapan Ni yang panjang mempengaruhi sifat plasmonik permukaan filem nipis Cu / Ni sistem kita.
Taburan saiz zarah (a) Cu, (b) CuNi15, dan (c) filem nipis CuNi20 yang diperoleh daripada topografi AFM.
Morfologi pukal juga memainkan peranan penting dalam konfigurasi spatial struktur topografi dalam filem nipis.Jadual 2 menyenaraikan parameter topografi berasaskan ketinggian yang dikaitkan dengan peta AFM, yang boleh diterangkan oleh nilai masa bagi kekasaran purata (Sa), kecondongan (Ssk), dan kurtosis (Sku).Nilai Sa adalah 1.12 (Cu), 3.17 (CuNi15) dan 5.34 nm (CuNi20), masing-masing, mengesahkan bahawa filem menjadi lebih kasar dengan peningkatan masa pemendapan Ni.Nilai-nilai ini adalah setanding dengan yang dilaporkan sebelum ini oleh Arman et al.33 (1–4 nm), Godselahi et al.34 (1–1.05 nm) dan Zelu et al.36 (1.91–6.32 nm ), di mana nilai yang serupa sputtering dilakukan menggunakan kaedah ini untuk mendepositkan filem Cu/Ni NPs.Walau bagaimanapun, Ghosh et al.37 mendepositkan berbilang lapisan Cu/Ni dengan elektrodeposisi dan melaporkan nilai kekasaran yang lebih tinggi, nampaknya dalam julat 13.8 hingga 36 nm.Perlu diingatkan bahawa perbezaan dalam kinetik pembentukan permukaan dengan kaedah pemendapan yang berbeza boleh membawa kepada pembentukan permukaan dengan corak spatial yang berbeza.Namun begitu, dapat dilihat bahawa kaedah RF-PECVD berkesan untuk mendapatkan filem Cu/Ni NPs dengan kekasaran tidak lebih daripada 6.32 nm.
Bagi profil ketinggian, momen statistik peringkat tinggi Ssk dan Sku adalah berkaitan dengan asimetri dan normaliti taburan ketinggian, masing-masing.Semua nilai Ssk adalah positif (Ssk > 0), menunjukkan ekor kanan yang lebih panjang38, yang boleh disahkan oleh plot taburan ketinggian dalam inset 2. Selain itu, semua profil ketinggian didominasi oleh puncak tajam 39 (Sku > 3) , menunjukkan bahawa lengkung Taburan ketinggian kurang rata daripada lengkung loceng Gaussian.Garis merah dalam plot taburan ketinggian ialah lengkung Abbott-Firestone 40, kaedah statistik yang sesuai untuk menilai taburan normal data.Garis ini diperoleh daripada jumlah terkumpul di atas histogram ketinggian, di mana puncak tertinggi dan palung terdalam dikaitkan dengan nilai minimum (0%) dan maksimum (100%)nya.Lengkung Abbott-Firestone ini mempunyai bentuk S licin pada paksi-y dan dalam semua kes menunjukkan peningkatan progresif dalam peratusan bahan yang melintasi kawasan yang diliputi, bermula dari puncak yang paling kasar dan paling sengit.Ini mengesahkan struktur spatial permukaan, yang dipengaruhi terutamanya oleh masa pemendapan nikel.
Jadual 3 menyenaraikan parameter morfologi ISO khusus yang dikaitkan dengan setiap permukaan yang diperoleh daripada imej AFM.Telah diketahui umum bahawa nisbah kawasan kepada bahan (Smr) dan nisbah kawasan kepada bahan (Smc) adalah parameter fungsi permukaan29.Sebagai contoh, keputusan kami menunjukkan bahawa kawasan di atas satah median permukaan adalah memuncak sepenuhnya dalam semua filem (Smr = 100%).Walau bagaimanapun, nilai Smr diperoleh daripada ketinggian berbeza bagi pekali kawasan galas bagi rupa bumi41, kerana parameter Smc diketahui.Tingkah laku Smc dijelaskan oleh peningkatan kekasaran daripada Cu → CuNi20, di mana dapat dilihat bahawa nilai kekasaran tertinggi yang diperolehi untuk CuNi20 memberikan Smc ~ 13 nm, manakala nilai untuk Cu adalah kira-kira 8 nm.
Parameter gabungan kecerunan RMS (Sdq) dan nisbah kawasan antara muka yang dibangunkan (Sdr) adalah parameter yang berkaitan dengan kerataan tekstur dan kerumitan.Daripada Cu → CuNi20, nilai Sdq berjulat dari 7 hingga 21, menunjukkan bahawa ketidakteraturan topografi dalam filem meningkat apabila lapisan Ni dimendapkan selama 20 minit.Perlu diingatkan bahawa permukaan CuNi20 tidak rata seperti Cu.Di samping itu, didapati bahawa nilai parameter Sdr, yang dikaitkan dengan kerumitan mikrotekstur permukaan, meningkat daripada Cu → CuNi20.Menurut kajian oleh Kamble et al.42, kerumitan mikrotekstur permukaan meningkat dengan peningkatan Sdr, menunjukkan bahawa CuNi20 (Sdr = 945%) mempunyai struktur mikro permukaan yang lebih kompleks berbanding filem Cu (Sdr = 229%)..Malah, perubahan dalam kerumitan mikroskopik tekstur memainkan peranan penting dalam taburan dan bentuk puncak kasar, yang boleh diperhatikan daripada parameter ciri ketumpatan puncak (Spd) dan kelengkungan puncak purata aritmetik (Spc).Dalam hal ini, Spd meningkat daripada Cu → CuNi20, menunjukkan bahawa puncak lebih tersusun padat dengan peningkatan ketebalan lapisan Ni.Selain itu, Spc juga meningkat daripada Cu→CuNi20, menunjukkan bahawa bentuk puncak permukaan sampel Cu adalah lebih bulat (Spc = 612), manakala CuNi20 lebih tajam (Spc = 925).
Profil kasar setiap filem juga menunjukkan corak spatial yang berbeza di kawasan puncak, teras dan palung permukaan.Ketinggian teras (Sk), puncak menurun (Spk) (di atas teras), dan palung (Svk) (di bawah teras)31,43 adalah parameter yang diukur berserenjang dengan satah permukaan30 dan peningkatan daripada Cu → CuNi20 disebabkan oleh kekasaran permukaan Peningkatan yang ketara .Begitu juga, bahan puncak (Vmp), bahan teras (Vmc), lompang palung (Vvv), dan isipadu lompang teras (Vvc)31 menunjukkan trend yang sama seperti semua peningkatan nilai dari Cu → CuNi20.Tingkah laku ini menunjukkan bahawa permukaan CuNi20 boleh menampung lebih banyak cecair daripada sampel lain, yang positif, menunjukkan bahawa permukaan ini lebih mudah untuk dicalit44.Oleh itu, perlu diperhatikan bahawa apabila ketebalan lapisan nikel meningkat daripada CuNi15 → CuNi20, perubahan dalam profil topografi tertinggal di belakang perubahan dalam parameter morfologi peringkat tinggi, yang mempengaruhi mikrotekstur permukaan dan corak spatial filem.
Penilaian kualitatif tekstur mikroskopik permukaan filem diperoleh dengan membina peta topografi AFM menggunakan perisian MountainsMap45 komersial.Rendering ditunjukkan dalam Rajah 4, yang menunjukkan alur perwakilan dan plot kutub berkenaan dengan permukaan.Jadual 4 menyenaraikan pilihan slot dan ruang.Imej alur menunjukkan bahawa sampel didominasi oleh sistem saluran yang serupa dengan kehomogenan alur yang jelas.Walau bagaimanapun, parameter untuk kedua-dua kedalaman alur maksimum (MDF) dan kedalaman alur purata (MDEF) meningkat daripada Cu kepada CuNi20, mengesahkan pemerhatian sebelumnya tentang potensi pelinciran CuNi20.Perlu diingatkan bahawa sampel Cu (Rajah 4a) dan CuNi15 (Rajah 4b) mempunyai skala warna yang hampir sama, yang menunjukkan bahawa mikrotekstur permukaan filem Cu tidak mengalami perubahan ketara selepas filem Ni dimendapkan selama 15. min.Sebaliknya, sampel CuNi20 (Rajah 4c) mempamerkan kedutan dengan skala warna yang berbeza, yang berkaitan dengan nilai MDF dan MDEF yang lebih tinggi.
Alur dan isotropi permukaan mikrotekstur filem Cu (a), CuNi15 (b), dan CuNi20 (c).
Gambar rajah kutub dalam rajah.4 juga menunjukkan bahawa mikrotekstur permukaan adalah berbeza.Perlu diperhatikan bahawa pemendapan lapisan Ni dengan ketara mengubah corak spatial.Isotropi mikrotekstur sampel yang dikira ialah 48% (Cu), 80% (CuNi15), dan 81% (CuNi20).Dapat dilihat bahawa pemendapan lapisan Ni menyumbang kepada pembentukan mikrotekstur yang lebih isotropik, manakala filem Cu lapisan tunggal mempunyai mikrotekstur permukaan yang lebih anisotropik.Di samping itu, frekuensi spatial dominan CuNi15 dan CuNi20 adalah lebih rendah disebabkan oleh panjang autokorelasi yang besar (Sal)44 berbanding sampel Cu.Ini juga digabungkan dengan orientasi butiran yang serupa yang ditunjukkan oleh sampel ini (Std = 2.5° dan Std = 3.5°), manakala nilai yang sangat besar direkodkan untuk sampel Cu (Std = 121°).Berdasarkan keputusan ini, semua filem mempamerkan variasi spatial jarak jauh disebabkan oleh morfologi, profil topografi dan kekasaran yang berbeza.Oleh itu, keputusan ini menunjukkan bahawa masa pemendapan lapisan Ni memainkan peranan penting dalam pembentukan permukaan bimetallic CuNi terpercik.
Untuk mengkaji kelakuan LSPR Cu / Ni NPs dalam udara pada suhu bilik dan pada fluks gas CO yang berbeza, spektrum penyerapan UV-Vis digunakan dalam julat panjang gelombang 350-800 nm, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5 untuk CuNi15 dan CuNi20.Dengan memperkenalkan ketumpatan aliran gas CO yang berbeza, puncak LSPR CuNi15 berkesan akan menjadi lebih luas, penyerapan akan lebih kuat, dan puncak akan beralih (anjakan merah) kepada panjang gelombang yang lebih tinggi, daripada 597.5 nm dalam aliran udara kepada 16 L/j 606.0 nm.Aliran CO selama 180 saat, 606.5 nm, aliran CO 16 l/j selama 600 saat.Sebaliknya, CuNi20 mempamerkan tingkah laku yang berbeza, jadi peningkatan aliran gas CO mengakibatkan penurunan kedudukan panjang gelombang puncak LSPR (pergeseran biru) daripada 600.0 nm pada aliran udara kepada 589.5 nm pada aliran CO 16 l/j selama 180 s. .Aliran CO 16 l/j selama 600 saat pada 589.1 nm.Seperti CuNi15, kita dapat melihat puncak yang lebih luas dan peningkatan intensiti penyerapan untuk CuNi20.Ia boleh dianggarkan bahawa dengan peningkatan dalam ketebalan lapisan Ni pada Cu, serta dengan peningkatan dalam saiz dan bilangan nanozarah CuNi20 dan bukannya CuNi15, Cu dan zarah Ni mendekati satu sama lain, amplitud ayunan elektronik meningkat. , dan, akibatnya, kekerapan meningkat.yang bermaksud: panjang gelombang berkurangan, anjakan biru berlaku.
Masa siaran: 16 Ogos 2023