دانلود مقاله بررسی تاثیر ضخامت لایه ی کاتالیست و آهنگ ورود جریان بخار اتانول به محفظه واکنش، در رشد نانولوله های کربنی موازی به روش رسوب شیمیایی

word قابل ویرایش
4 صفحه
9700 تومان
97,000 ریال – خرید و دانلود

چکیده

نانو لوله های کربنی موازی با روش رسوب شیمیایی بخار و با استفاده از لایه نشانی کاتالیست کبالت بر روی لایه ی محافظ اکسید آلومینیوم، سنتز گردیدند. در

حین رشد ترکیبی از گازهای آرگون و بخار اتانول مورد استفاده قرار گرفت. تاثیر آهنگ ورود جریان گاز هیدروکربن (اتانول)، بر روی طول و چگالی نانولوله های کربنی مورد بررسی قرار گرفت. به دست آمد که در فشار ثابت ۲۰ mmHg ، با افزایش نرخ ورود بخار اتانول به محفظه تا مقدار حدود mol.min-1 1/6، چگالی و

همچنین طول نانولوله ها افزایش، و سپس برای مقادیر بیشتر آهنگ ورود جریان اتانول، کاهش می یابد. همچنین قطر، طول و چگالی نانولوله های کربنی با تغییر ضخامت لایه ی کاتالیست قابل کنترل است. میکروسکوپ الکترونی روبشی( (SEM برای بدست آوردن اطلاعاتی از طول، چگالی و قطر نانولوله ها تحت شرایط مختلف مورد استفاده قرار گرفت.

.

مقدمه

نانولوله های کربنی دارای خواص و کاربردهای بسیار و منحصر به فردی می باشند، از آن جمله: در تصفیه ی آب با حذف آلاینده های آلی آب، جذب و جداسازی گازهای مختلف،

حسگرهای شیمیایی، در سلول های خورشیدی با جایگزینی لایه ی نازک ITO به عنوان الکترود شفاف، و به عنوان پذیرنده ی الکترون و یا حفره۴]،۳،۲،.[۱ در بسیاری از این کاربردها، نیاز است که طول و چگالی نانولوله های کربنی کنترل شود. به عنوان مثال در الکترودهای

۹۱

ساخته شده با نانولوله های کربنی چند دیواره برای سلول های خورشیدی آلی، به چگالی کمی از آن ها نیاز است. [۵ ]

سنتز نانولوله های کربنی عمدتاً به سه روش صورت می پذیرد: تخلیه ی قوس الکتریکی، کند و پاش لیزری، و رسوب شیمیایی بخار . [۶](CVD ) رسوب شیمیایی بخار معمول ترین روش برای رشد نانولوله ی کربنی می باشد. در این روش، ذرات کاتالیست که به صورت لایه ی نازکی تحت خلاء بالا رسوب داده شده اند، به عنوان مراکز رشد نانولوله های کربنی عمل می کنند.

در حالت کلًی، مقداری آمورف کربنی نیز در طی فرایند رسوب شیمیایی بخار بر روی ذرات کاتالیست رسوب می کنند. در رسوب شیمیایی بخار اتانول، به علًت وجود میزان کمی اکسیژن در مولکول های آن، اتم های اکسیژن به عنوان اکسیدکننده های ضعیفی عمل کرده و باعث حذف لایه ی کربن آمورف رسوب یافته بر روی ذرات کاتالیست می شوند. [۷ ] بنابراین، نانولوله های تولید شده با بخار این ماده دارای میزان ناخالصی کمتری نسبت به سایر هیدروکربن ها می باشند.

فرایند رشد نانولوله های کربنی به پارامترهای متعددی وابسته است. از جمله: فشار محفظه واکنش، دما، نرخ ورود گازها به محفظه، ضخامت لایه ی کاتالیست و زمان رشد. در این تحقیق، طول و چگالی نانولوله های کربنی موازی تک دیواره ی سنتز شده، به صورت تابعی از ضخامت لایه ی کاتالیست و همچنین آهنگ ورود جریان اتانول به محفظه، تحت فشار ۲۰ میلیمتر جیوه بررسی شد.

روش آزمایش

نانولوله های کربنی موازی، به روش رسوب شیمیایی بخار اتانول رشد یافتند. در مرحله ی اول، لایه ی نازک آلومینیوم به ضخامت ۲۰ نانومتر به روش رسوب فیزیکی بخار (PVD) در خلاء حدود ۲×۱۰-۶ mmHg بر روی زیرلایه ی سیلیکون تک کریستال نوع p با جهت بلوری (۱۰۰) لایه نشانی شد. با شکستن خلاء و ورود اکسیژن به محفظه، لایه ی اکسید آلومینیوم تشکیل شده و سپس مجدداً شرایط خلاء در طی دو مرحله توسط پمپ های روتاری (تا خلاء ۱۰-۲ mmHg )، و پمپ دیفوژن (تا خلاء

حدود ۲×۱۰-۶ mmHg برقرار شد. با رسوب فیزیکی بخار کبالت، لایه ی نازکی از این کاتالیست به ضخامت های ۱/۳ nm بر روی لایه ی اکسید آلومینیوم، که نقش محافظ را برای ذرات کاتالیست ایفا می کند، لایه نشانی شد. ضخامت لایه های رسوب یافته در هر مرحله توسط ضخامت سنج کریستال کوارتز اندازه گیری شده و در نمایشگر دیجیتالی نمایش داده شد. پس از لایه نشانی کاتالیست و شکستن خلاء دستگاه PVD ، زیر لایه ها به درون لوله ی کوارتز با قطر داخلی ۲/۱ cm انتقال داده شده و وارد کوره ی

CVD شدند. سیستم، تحت خلاء ایجاد شده با پمپ روتاری قرار گرفت و در حین افزایش دمای کوره تا دمای سنتز نانولوله های کربنی، گاز آرگون با نرخ ۱۰۰ Sccm وارد محفظه شد. به منظور شکل گیری جزایر کاتالیستی، پس از رسیدن به دمای رشد °C

۱۰۰، لایه ها به مدت ۱۵ دقیقه و درحضور جریان آرگون در همین دما نگه داشته شدند و سپس رشد نانولوله های کربنی با ورود بخار اتانول و در حضور آرگون، تحت فشار ۲۰ mmHg به مدت ۲۵ min انجام شد.

از تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (SEM) برای بررسی اندازه ی جزایر کاتالیستی، طول، چگالی و قطر نانولوله های کربنی، و همچنین از اسپکتروسکپی رامان جهت سنجش میزان ناخالصی نانولوله های کربنی و تک دیواره بودن آن ها استفاده شد.

بحث و نتایج

شکل ۱ تشکیل جزایر کاتالیستی را پس از ۱۵ دقیقه عملیات حرارتی در دمای ۶۰۰ °C نشان می دهد. به علت تنش سطحی ناشی از اختلاف ضریب انبساط گرمایی Si وCo ، لایه ی کبالت تشکیل جزایر کوچکی می دهد.[ ۸] این جزایر محل های مناسب برای شکل گیری نانولوله های کربنی را تشکیل خواهند داد و ابعاد این جزایر وابستگی مستقیم به ضخامت لایه ی کاتالیست دارد. به طوری که برای لایه ی کبالت به ضخامت۱ نانومتر، حدود ۲۰ nm، و برای ضخامت ۳ nm، در حدود ۴۰ nm می باشد.

۹۲

تولید شده در شرایط کاملاً یکسان برروی کبالت ۳ nm کوتاه تر از ۱ nm باشد. مقایسه ی تصاویر شکل ۲ برای آهنـگ جریـان هـای اتانول یکسان و ضخامت های مختلف، موید این مطلب است.

شکل.۱ تصاویر SEM با بزرگنمایی ۱۰۰۰۰۰ برابر، از تشکیل نانوجزایر کبالت

پس از ۱۵ min عملیات حرارتی در دمای ۶۰۰ °C و فشار (a) . 20 mmHg

۱ nm Co، .۳ nm Co ( b)

جهت بررسی تاثیر آهنگ ورود جریان بخار اتانول در رشد نانولوله های کربنی، ۴ نرخ گوناگون در فشار ثابت ۲۰ mmHg و به همراه جریان آرگون ۱۰۰ Sccm، و با دو ضخامت ۱/۳ nm

مورد آزمایش قرار گرفت. شکل ۲ وابستگی طول نانولوله های کربنی سنتز شده را به آهنگ ورود اتانول به محفظه نشان می دهد. به وضوح مشخص است که تا نرخ ۱/۶ mmHg برای هر یک از ضخامت ها، طول نانولوله های کربنی با ازیاد نرخ ورود اتانول افزایش می یابد. همچنین با افزایش تعداد اتم های کربن موجود در محفظه، هر جایگاه کاتالیستی شانس بیشتری برای برخورد با اتم های کربن، تشکیل پیوند و شکل گیری مرکزی برای رشد نانولوله ی کربنی خواهد داشت. بنابراین با ازیاد جریان ورود اتانول به محفظه در فشار ثابت ۲۰ mmHg، چگالی نانولوله ها نیز افزایش می یابد. اما با افزایش بیشتر نرخ اتانول به مقدار ۲/۶ mol.min-1

کاهش قابل ملاحظه ای در طول و چگالی نانولوله های کربنی مشاهده می شود. این امر می تواند به علًت ازیاد بیش از حد میزان اکسیژن موجود در محفظه و اکسید شدن قسمتی از نانولوله ها باشد.

همان طور که در شکل۳ بـه وضـوح دیـده مـی شـود، بـا افزایش ضخامت لایه ی کاتالیست از مقـدار ۱ nm بـه ۳ nm ، بـه علًت اندازه ی بزرگتر جزایر کاتالیستی، قطر نانولولـه هـای کربنـی افزایش پیدا می کند. بنابراین انتظار داریم به دلیل قطر بیشتر، نـرخ رشد نانولوله ها برای ضخامت کاتالیست ۳ nm، کمتر از نرخ رشد آن ها برای ضخامت ۱ nm باشد و در نتیجه طـول نانولولـه هـای

شکل.۲ تصاویر SEM نانولوله های کربنی موازی سنتز شده در فشار ۲۰mmHg و زمان رشد ۲۵ min، با آهنگ ورود اتانول mol.min-1 (a)

۰/۳، ۱/۶ mol.min-1 (c) 1 mol.min-1 (b)، mol .min-1 (d) 2/6، برای ضخامت ۰/۳ mol.min-1 (e) 0/1 nm، mol.min-1 (f) 1، ۱/۶ mol.min-1 (g) ، ۲/۶ mol.min-1 (h)، برای ضخامت nm

۰/۳

۹۳

شکل .۳ تصویر SEM با بزرگنمایی ۱۰۰۰۰۰ برابر، از نانولوله های کربنی رشد یافته در فشار ۲۰ mmHg و نرخ ورود اتانول ۱/۶mol.min-1 با
کاتالیست کبالت به ضخامت ۱nm (a) ، .۳ nm (b)

نتیجه گیری

با توجه به کاربرد های متنوع نانولوله های کربنی، کنترل طول و چگالی آن ها نیازی بدیهی به نظر می رسد. تاثیر نرخ ورود بخار اتانول و ضخامت کاتالیست بر رشد نانولوله های کربنی موازی روی زیرلایه ی سیلیکون مورد بررسی قرار گرفت. در یک فشار ثابت، ضخامت کاتالیست و در نتیجه اندازه ی جزایر عامل تاثیر گذار بر نرخ رشد نانولوله ها و قطر آن ها می باشد. در فشار ثابت ۲۰ mmHg، طول نانولوله های کربنی با افزایش آهنگ ورود اتانول به طور نسبی بیشتر شده و در حالت بهینه برای کاتالیست کبالت ۱ nm به حدود ۹ میکرومتر رسید.

مرجعها

] K. Balasubramanian, M. Burghard, ‘Biosensors based on١[

carbon nanotubes’, Anal Bioanal. Chem, 385, (2006) 452 . ] P. G. Collins, K . Bradley, M. Ishigami et al., ‘Extreme oxygen٢[ sensitivity of electronic properties of carbon nanotubes’,

Science, 287 (2000) 1801. ] C. H. P. Poa, S. J. Henley, G. Y. Chen, A. A. D. T. Adikaari,٣[ C. E. Giusca, and S. R. P. Silvaa, ‘Growth and field emission properties of vertically aligned carbon nanofibers’ , Appl. Phys,

۹۷ (۲۰۰۵) ۱۱۴۳۰۸ . ] http://www.persian-ab.com/?paged=8۴[

[۵] Anthony J. Miller , Ross A. Hatton, G . Y. Chen , and S.Ravi

P.Silva, ‘Carbon nanotubes grown on In2O3:Sn glass as large area electrodes for organic photovoltaics’, Appl. Phys, 90

( ۲۰۰۷) ۰۲۳۱۰۵ .

] M. L. Terranova, V. Sessa and M. Rossi, ‘The world of carbon۶[ nanotubes: an overview of CVD growth methodologies’,

Chem. Vapor Deposition, 12 (2006) 315. ] Myung Gwan Hahm, Young-Kyun Kwon, Eunah Lee, Chi٧[ Won Ahn, and Yung Joon Jung, ‘Diameter Selective Growth of Vertically Aligned Single Walled Carbon Nanotubes and Study on Their Growth Mechanism’, J. Phys. Chem. C, 44

(۲۰۰۸) ۱۱۲

] A. V. Melechko, V. I. Merkulov, T. E. McKnight, M. A .٨[ Guillorn, K. L. Klein, D. H. Lowndes, and M. L. Simpson, ‘Vertically aligned carbon nanofibers and related structures: Controlled synthesis and directed assembly’ , Appl. Phys, 97

( ۲۰۰۵) ۰۴۱۳۰۱ .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 9700 تومان در 4 صفحه
97,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد