بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق امکان رشد نانولولههای کربنی بر روی زیرلایهای از جنس سیلیسیم به روش نشست بخار شیمیایی - CVD - بررسی شده است. از گاز استیلن - C2H2 - به عنوان منبع کربنی، گاز آرگون - Ar - به عنوان گاز حامل، گاز هیدروژن - - H2 جهت احیای نانوذرات و از نانوذرات آهن- مولیبدن به عنوان منبع کاتالیستی در دمای 750℃ جهت رشد نانولولههای کربنی استفاده شده است. واکنش درون یک راکتور استوانهای کوارتز که محفظهی اصلی است، انجام شده و گازها با آهنگ شارش مشخص به درون آن تزریق میشوند. زیرلایههای مورد استفاده از جنس سیلیسیم انتخاب شدهاند. زیرلایه ابتدا توسط لایهی نازکی از نانوذرات آهن- مولیبدن با عمل خیساندن پوشش داده میشوند. در این تحقیق اثر سرعت گرمایش در مرحله اولیه فرایند نشست بخار شیمیایی جهت همسو کردن نانولولهها مورد بررسی قرار میگیرد. جهت مشاهده نمونهها از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و جهت بررسی ترکیب آنها از آنالیز طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس - EDX - استفاده میشود. مشاهدات نشان دادند که افزایش دمای کوره تا دمای رشد در مدت زمان کوتاه طی مرحله اولیه باعث رشد نانولولههای کربنی در یک جهت مشخص خواهد شد.
مقدمه
نانولولههای کربنی استوانههای توخالی هستند که از تک ورقه های کربنی ساخته شدهاند، قطرشان در اندازه چند نانومتر وطولشان در اندازه میکرومتر وگاهی قابل رشد تا سانتیمتر هستند.
نانولولههای کربنی برای اولین بار در سال 1991میلادی توسط ایجیما به روش قوس الکتریکی تولید شدند.[1] نانولولههای کربنی از زمان کشفشان به دلیل کاربردهای گستردهشان از جمله به عنوان قطعاتی در دیودهای نوری، گسیلندههای میدان الکترونی برای صفحه نمایشگرهای اپتیکی، مواد الکترود برای سلولهای سوختی[2]، الکترودهایی برایخازنهای الکتروشیمایی دولایه، منبع الکترون در لولههای اشعه Xو دستگاههای نانوالکترونیک[3] توجه زیادی را به خود جلب کردهاند .ویژگیهای جالب توجه الکتریکی، گرمایی و مکانیکی نانولولههای کربنی، آنها رابه مواد خاصی تبدیل نموده است. سه روش عمده رشد نانولولههای کربنی عبارتند از: تخلیه قوس الکتریکی، تبخیر لیزری و نشست بخار شیمیایی.
دو روش اول به دلیل سختی کنترل و عدم پیوستگی فرایند و نیز گران بودن ابزار مورد نیاز نسبت به نشست بخار شیمیایی مناسب نمیباشند. همچنین در این روشها رشد نانولولهها در یک جهت مشخص میسر نیست. در روش نشست بخار شیمیایی گرمایی یک نوع گاز هیدروکربن مانند متان، استیلن وغیره - به عنوان منبع کربن - در اثر گرما و در حضور یک نوع کاتالیست شکسته میشودو کربن حاصل روی یک زیرلایه به صورت نانولولههای کربنی مینشیند.[4] تعداد زیادی از فلزات از جمله آهن، مولیبدن، کبالت، نیکل، مس، منگنز و آلومینیوم به عنوان کاتالیست برای رشد لولهمانند در درجه حرارت بالا مورد استفاده قرار گرفتهاند.[5] مطالعات زیادی در خصوص رشد نانولولههای درهم و تصادفی،صورت گرفته اما آنچه در این بررسی اهمیت دارد علاوه بر رشدبه صورت تصادفی، رشد جهتمند نانولولهها بر روی زیرلایهسیلیسیم پوشیده شده از نانوذرات آهن- مولیبدن میباشد.
مراحل آزمایشگاهی
در این تحقیق روش نشست بخار شیمیایی جهت تولیدنانولولههای کربنی مورد استفاده قرار گرفت. دستگاه طراحی شدهبه این منظور شامل یک کورهی الکتریکی استوانهای با قطر داخلی3 سانتیمتر و منطقه حرارتی حدود 20 سانتیمتر است. محفظهیاصلی واکنش که لولهای از جنس کوارتز بود، درون کوره قرار گرفته و گازهای واکنش به درون آن وارد شدند. منبع کربنی مورداستفاده در این تحقیق گاز استیلن - - C2H2 بود. از گاز آرگون نیز بهعنوان گاز حامل و از گاز هیدروژن جهت احیای نانوذرات استفادهشد. این گازها با استفاده از جریانسنجهای مکانیکی که در مسیرشان قرار گرفته بود با آهنگ شارش مشخص به درون لولهیکوارتز تزریق شدند. باتوجه به تحقیقات انجام شده بهترین نمونه نانولولههای کربنی با آهنگ شارش 50 sccm استیلن، sccm100 آرگون، 60 sccm هیدروژن و در دمای 750℃ در مدتزمان واکنش 30 دقیقه بدست آمدند. جهت سنتز نانولولههایکربنی، مراحل انجام آزمایش به دو بخش تقسیم شد.
بخش اول: تولید لایهای نازک از نانوذرات آهن- مولیبدن
در این آزمایش نانوذرات آهن- مولیبدن با استفاده از تجزیهی حرارتی ترکیبهای کربونیل آنها در محلول دیفنیلاتر تحت اتمسفر آرگون بدست آمدند. به طور معمول 0/196گرم 1 - میلیمول - پنتاکربونیلآهن و 0/053 گرم 0/2 - میلیمول - از هگزاکربونیلمولیبدن را با 0/144 گرم 0/1 - میلیمول - روغن زیتونو0/242 گرم 0/1 - میلیمول - هگزادسیلآمین در 5 میلیلیتر دیفنیلاتر مخلوط میشوند. محلول تحت آرگون با خلوص بالابه مدت 30 دقیقه رفلاکس شد تا نانوذرات آهن- مولیبدن به دست آید. قطر متوسط نانوذرات تولید شده 30 نانومتر بدست آمد. رسوبات بدست آمده در مقداری سیکلوهگزان پخش شدند و برروی زیرلایه سیلیسیم تمیز شده با روش خیساندن بارگذاریشدند. و سپس به مدت 15 دقیقه در دمای 700℃ تحت حرارتقرار گرفتند. شکل1 تصویر نانوذرات آهن- مولیبدن که بروی بستر سیلیسیم بارگذاری شدهاند را نشان میدهد. جهت شستوشوی زیرلایههای سیلیسیم میتوان آنها را به ترتیب در استون، آب دیونیزه و ایزوپروپانول، هرکدام به مدت 15 دقیقه در معرض امواجآلتراسونیک قرار داد. و سپس جهت خشک کردن آنها از گازنیتروژن استفاده کرد.
بخش دوم: رشد نانولولههای کربنی به روش گرمایش سریع
برای تشکیل نانولولههای کربنی لازم است که این زیرلایهها درون کوره ودر دمای بهینه رشد آنها - 750℃ - قرار گیرد و سپس گازهای استیلن، آرگون و هیدروژن با آهنگ شارش مشخص وارد محفظه واکنش شوند. بدین منظور ابتدا زیرلایهی پوشیده از نانوذرات درون بوته سرامیکی در وسط کوره قرار داده شد. پس از اینکه دمای کوره تحت شارش 100 sccm آرگون به 700℃
رسید، 60 sccm گاز هیدروژن به مدت 25 دقیقه وارد کوره وسپس گاز هیدروژن دوباره با گاز آرگون تعویض شد. زمانیکه دمای کوره به دمای بهینه رسید در این لحظه جهت رشد نانولولههای کربنی مخلوطی از گاز آرگون و استیلن به ترتیب باآهنگ شارش 150 sccm و 50 sccm به مدت زمان 30 دقیقهاز سیستم عبور داده شد. و سپس کوره تا دمای اتاق تحت گاز آرگون خنک خواهد شد. آهنگ گرمایش کوره در تمام مدت زمان انجام آزمایش به صورت 15 ℃/min میباشد. شکل2 و 3 به ترتیب تصاویر SEM و آنالیز EDX این نمونه را نشان میدهند.
بحث و بررسی
شکل4 رشد نانولولههای غیرجهتمند را نشان میدهد که تنهاتفاوت در شرایط انجام آزمایش این نمونه با نمونهای که در شکل2 مشاهده میشود، در سرعت گرم کردن کوره طی مرحله اولیه میباشد در نمونه اولی آهنگ گرم کردن به صورت 15 C /min و در دومی 5 œC/min بوده است که این افزایش آهنگ حرارت درنمونهی اولی باعث همراستا شدن و افزایش طول نانولولهها شده است. زیرا در سرعت گرمایش کم نه تنها نانولولهها کوتاهتر بلکه تمایل بیشتری برای برهمکنش با سطح دارند و سختتر برای
