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

بخشی از مقاله

چکیده

نانو لوله هاي کربنی موازي با روش رسوب شیمیایی بخار و با استفاده از لایه نشانی کاتالیست کبالت بر روي لایه ي محافظ اکسید آلومینیوم، سنتز گردیدند. در

حین رشد ترکیبی از گازهاي آرگون و بخار اتانول مورد استفاده قرار گرفت. تاثیر آهنگ ورود جریان گاز هیدروکربن (اتانول)، بر روي طول و چگالی نانولوله هاي کربنی مورد بررسی قرار گرفت. به دست آمد که در فشار ثابت 20 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 براي مقادیر بیشتر آهنگ ورود جریان اتانول، کاهش می یابد. همچنین قطر، طول و چگالی نانولوله هاي کربنی با تغییر ضخامت لایه ي کاتالیست قابل کنترل است. میکروسکوپ الکترونی روبشی( (SEM براي بدست آوردن اطلاعاتی از طول، چگالی و قطر نانولوله ها تحت شرایط مختلف مورد استفاده قرار گرفت.

.

مقدمه

نانولوله هاي کربنی داراي خواص و کاربردهاي بسیار و منحصر به فردي می باشند، از آن جمله: در تصفیه ي آب با حذف آلاینده هاي آلی آب، جذب و جداسازي گازهاي مختلف،

حسگرهاي شیمیایی، در سلول هاي خورشیدي با جایگزینی لایه ي نازك ITO به عنوان الکترود شفاف، و به عنوان پذیرنده ي الکترون و یا حفره4]،3،2،.[1 در بسیاري از این کاربردها، نیاز است که طول و چگالی نانولوله هاي کربنی کنترل شود. به عنوان مثال در الکترودهاي

91

ساخته شده با نانولوله هاي کربنی چند دیواره براي سلول هاي خورشیدي آلی، به چگالی کمی از آن ها نیاز است. [5 ]

سنتز نانولوله هاي کربنی عمدتاً به سه روش صورت می پذیرد: تخلیه ي قوس الکتریکی، کند و پاش لیزري، و رسوب شیمیایی بخار . [6](CVD ) رسوب شیمیایی بخار معمول ترین روش براي رشد نانولوله ي کربنی می باشد. در این روش، ذرات کاتالیست که به صورت لایه ي نازکی تحت خلاء بالا رسوب داده شده اند، به عنوان مراکز رشد نانولوله هاي کربنی عمل می کنند.

در حالت کلًی، مقداري آمورف کربنی نیز در طی فرایند رسوب شیمیایی بخار بر روي ذرات کاتالیست رسوب می کنند. در رسوب شیمیایی بخار اتانول، به علًت وجود میزان کمی اکسیژن در مولکول هاي آن، اتم هاي اکسیژن به عنوان اکسیدکننده هاي ضعیفی عمل کرده و باعث حذف لایه ي کربن آمورف رسوب یافته بر روي ذرات کاتالیست می شوند. [7 ] بنابراین، نانولوله هاي تولید شده با بخار این ماده داراي میزان ناخالصی کمتري نسبت به سایر هیدروکربن ها می باشند.

فرایند رشد نانولوله هاي کربنی به پارامترهاي متعددي وابسته است. از جمله: فشار محفظه واکنش، دما، نرخ ورود گازها به محفظه، ضخامت لایه ي کاتالیست و زمان رشد. در این تحقیق، طول و چگالی نانولوله هاي کربنی موازي تک دیواره ي سنتز شده، به صورت تابعی از ضخامت لایه ي کاتالیست و همچنین آهنگ ورود جریان اتانول به محفظه، تحت فشار 20 میلیمتر جیوه بررسی شد.

روش آزمایش

نانولوله هاي کربنی موازي، به روش رسوب شیمیایی بخار اتانول رشد یافتند. در مرحله ي اول، لایه ي نازك آلومینیوم به ضخامت 20 نانومتر به روش رسوب فیزیکی بخار (PVD) در خلاء حدود 2×10-6 mmHg بر روي زیرلایه ي سیلیکون تک کریستال نوع p با جهت بلوري (100) لایه نشانی شد. با شکستن خلاء و ورود اکسیژن به محفظه، لایه ي اکسید آلومینیوم تشکیل شده و سپس مجدداً شرایط خلاء در طی دو مرحله توسط پمپ هاي روتاري (تا خلاء 10-2 mmHg )، و پمپ دیفوژن (تا خلاء

حدود 2×10-6 mmHg برقرار شد. با رسوب فیزیکی بخار کبالت، لایه ي نازکی از این کاتالیست به ضخامت هاي 1/3 nm بر روي لایه ي اکسید آلومینیوم، که نقش محافظ را براي ذرات کاتالیست ایفا می کند، لایه نشانی شد. ضخامت لایه هاي رسوب یافته در هر مرحله توسط ضخامت سنج کریستال کوارتز اندازه گیري شده و در نمایشگر دیجیتالی نمایش داده شد. پس از لایه نشانی کاتالیست و شکستن خلاء دستگاه PVD ، زیر لایه ها به درون لوله ي کوارتز با قطر داخلی 2/1 cm انتقال داده شده و وارد کوره ي

CVD شدند. سیستم، تحت خلاء ایجاد شده با پمپ روتاري قرار گرفت و در حین افزایش دماي کوره تا دماي سنتز نانولوله هاي کربنی، گاز آرگون با نرخ 100 Sccm وارد محفظه شد. به منظور شکل گیري جزایر کاتالیستی، پس از رسیدن به دماي رشد °C

100، لایه ها به مدت 15 دقیقه و درحضور جریان آرگون در همین دما نگه داشته شدند و سپس رشد نانولوله هاي کربنی با ورود بخار اتانول و در حضور آرگون، تحت فشار 20 mmHg به مدت 25 min انجام شد.

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

بحث و نتایج

شکل 1 تشکیل جزایر کاتالیستی را پس از 15 دقیقه عملیات حرارتی در دماي 600 °C نشان می دهد. به علت تنش سطحی ناشی از اختلاف ضریب انبساط گرمایی Si وCo ، لایه ي کبالت تشکیل جزایر کوچکی می دهد.[ 8] این جزایر محل هاي مناسب براي شکل گیري نانولوله هاي کربنی را تشکیل خواهند داد و ابعاد این جزایر وابستگی مستقیم به ضخامت لایه ي کاتالیست دارد. به طوري که براي لایه ي کبالت به ضخامت1 نانومتر، حدود 20 nm، و براي ضخامت 3 nm، در حدود 40 nm می باشد.

92

تولید شده در شرایط کاملاً یکسان برروي کبالت 3 nm کوتاه تر از 1 nm باشد. مقایسه ي تصاویر شکل 2 براي آهنـگ جریـان هـاي اتانول یکسان و ضخامت هاي مختلف، موید این مطلب است.

شکل.1 تصاویر SEM با بزرگنمایی 100000 برابر، از تشکیل نانوجزایر کبالت

پس از 15 min عملیات حرارتی در دماي 600 °C و فشار (a) . 20 mmHg

1 nm Co، .3 nm Co ( b)

جهت بررسی تاثیر آهنگ ورود جریان بخار اتانول در رشد نانولوله هاي کربنی، 4 نرخ گوناگون در فشار ثابت 20 mmHg و به همراه جریان آرگون 100 Sccm، و با دو ضخامت 1/3 nm

مورد آزمایش قرار گرفت. شکل 2 وابستگی طول نانولوله هاي کربنی سنتز شده را به آهنگ ورود اتانول به محفظه نشان می دهد. به وضوح مشخص است که تا نرخ 1/6 mmHg براي هر یک از ضخامت ها، طول نانولوله هاي کربنی با ازیاد نرخ ورود اتانول افزایش می یابد. همچنین با افزایش تعداد اتم هاي کربن موجود در محفظه، هر جایگاه کاتالیستی شانس بیشتري براي برخورد با اتم هاي کربن، تشکیل پیوند و شکل گیري مرکزي براي رشد نانولوله ي کربنی خواهد داشت. بنابراین با ازیاد جریان ورود اتانول به محفظه در فشار ثابت 20 mmHg، چگالی نانولوله ها نیز افزایش می یابد. اما با افزایش بیشتر نرخ اتانول به مقدار 2/6 mol.min-1

کاهش قابل ملاحظه اي در طول و چگالی نانولوله هاي 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 شکل3 بـه وضـوح دیـده مـی شـود، بـا افزایش ضخامت لایه ي کاتالیست از مقـدار 1 nm بـه 3 nm ، بـه علًت اندازه ي بزرگتر جزایر کاتالیستی، قطر نانولولـه هـاي کربنـی افزایش پیدا می کند. بنابراین انتظار داریم به دلیل قطر بیشتر، نـرخ رشد نانولوله ها براي ضخامت کاتالیست 3 nm، کمتر از نرخ رشد آن ها براي ضخامت 1 nm باشد و در نتیجه طـول نانولولـه هـاي

شکل.2 تصاویر SEM نانولوله هاي کربنی موازي سنتز شده در فشار 20mmHg و زمان رشد 25 min، با آهنگ ورود اتانول mol.min-1 (a)

0/3، 1/6 mol.min-1 (c) 1 mol.min-1 (b)، mol .min-1 (d) 2/6، براي ضخامت 0/3 mol.min-1 (e) 0/1 nm، mol.min-1 (f) 1، 1/6 mol.min-1 (g) ، 2/6 mol.min-1 (h)، براي ضخامت nm

0/3

93

شکل .3 تصویر SEM با بزرگنمایی 100000 برابر، از نانولوله هاي کربنی رشد یافته در فشار 20 mmHg و نرخ ورود اتانول 1/6mol.min-1 با
کاتالیست کبالت به ضخامت 1nm (a) ، .3 nm (b)

نتیجه گیري

با توجه به کاربرد هاي متنوع نانولوله هاي کربنی، کنترل طول و چگالی آن ها نیازي بدیهی به نظر می رسد. تاثیر نرخ ورود بخار اتانول و ضخامت کاتالیست بر رشد نانولوله هاي کربنی موازي روي زیرلایه ي سیلیکون مورد بررسی قرار گرفت. در یک فشار ثابت، ضخامت کاتالیست و در نتیجه اندازه ي جزایر عامل تاثیر گذار بر نرخ رشد نانولوله ها و قطر آن ها می باشد. در فشار ثابت 20 mmHg، طول نانولوله هاي کربنی با افزایش آهنگ ورود اتانول به طور نسبی بیشتر شده و در حالت بهینه براي کاتالیست کبالت 1 nm به حدود 9 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,

97 (2005) 114308 . ] http://www.persian-ab.com/?paged=8۴[

[5] 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

( 2007) 023105 .

] M. L. Terranova, V. Sessa and M. Rossi, ‘The world of carbon٦[ 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

(2008) 112

] 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

( 2005) 041301 .