بخشی از مقاله
چکیده
با استفاده از روش الکتروشیمی لایه هاي نانومتري از نیکل باضخامت تقریبی5،10و20 نانومتر روي زیرلایه هاي مسی پولیش شده رشد داده شد. فرآیند رشد نانولوله هاي کربنی با روش CVD حرارتی واستفاده از گازهاي هیدروکربنی متان و گازمایع سوختنی دردماي 800 °C انجام شد. رشد با استفاده از متان موفق نبوده است، اما با استفاده از گاز مایع سوختنی در هر سه ضخامت، نانولوله هاي کربنی باچگالی و کیفیت خوبی رشد کرده اند. بهترین رشد از نظرچگالی تعداد نانولوله ها روي لایه نیکلی با ضخامت 20 nm بدست آمده است. با افزایش ضخامت لایه کاتالیستی نشانده شده، بر متوسط قطر نانولولههاي رشد یافته افزوده شده است. این رفتار را میتوان به افزایش اندازه ذرات کاتالیستی در اثر افزایش ضخامت لایه مربوط کرد. از نظر میزان گرافیتیزه شدن و کریستالینیتی ،نانولوله هاي رشدیافته روي لایه 10 nm از نواقص کمتري برخوردارند.
مقدمه
نانولوله هاي کربنی به سه روش عمده تاکنون تولیدشده اند:قوس الکتریکی ،کندوپاش لیزري و نشست بخار شیمیاییدر. میان این روشها،روش نشست بخار شیمیایی بدلیل آنکه نانولوله ها رادر دماي بسیار پایین تري نسبت به دو روش دیگر تولید میکندوهمچنین امکان رشد گزینشی نانولوله هارا روي طرحواره هاو اشکال از پیش آماده شده بوسیله نانوذرات کاتالیستی فراهم میکند توجه بسیار بیشتري را بخود جلب کرده است. نشست بخار شیمیایی یک نام مشترك براي خانواده گسترده اي از روشهاست که تحت سه عنوان کلی نشست بخار شیمیایی حرارتی، نشست بخار شیمیایی در حضورپلاسماو نشست بخار شیمیایی فیلامان گرم قابل دسته بندي است. مطالعات زیادي در زمینه پارامترهاي مؤثربر رشد نانولوله هاي کربنی به روش نشست بخارشیمیایی انجام شده است. ازجمله مهمترین این پارامترها دمايعبارتنداز:
رشد،فشار کار، نوع گاز هیدروکربنی و ترکیب آن با گازهاي حامل واحیاکننده وپارامترهاي مؤثر بر فعالیت کاتالیستی از قبیل نوع فلز واسط یا ترکیبات فلزي مورداستفاده، روش تهیه کاتالیست وانتخاب زیرلایه .[1] در این مقاله از روش الکتروشیمی براي تولید لایههاي نانومتري از نیکل روي ویفرهاي مسی بعنوان زیرلایه استفاده شده است. گرچه روش الکتروشیمی یک روش جاافتاده براي پوشش دهی روي سطوحهاي رساناست، گزارش بسیار کمی درباره استفاده از آن براي تهیه پایه کاتالیستی لازم جهت رشد نانولوله هاي کربنی وجود دارد 2]اثر.[ در مقاله حاضر ضخامت لایه نیکلی تولیدشده به روش الکتروشیمی بر رشد نانولوله هاي کربنی بررسی شده است. علاوه بر متان از گاز مایع سوختنی نیز بعنوان منبع کربنی استفاده کردهایم تا پاسخ لایه نیکلی تولید شده در حضور گازهاي هیدروکربنی مختلف تا حدي بررسی شود.نتایج نشان میدهد که فعالیت کاتالیستی لایه نیکلی مورد اشاره در حضور این دو گاز بسیار متفاوت است.
گزارش هاي بسیاري در زمینه استفاده از منابع هیدروکربنی با خلوص بالا مانند متان، استیلن واتیلن براي تولید نانولوله هاي کربنی وجود دارد .[3] این منابع در مقایسه با گاز مایع سوختنی گرانترند و تهیه آنها بادشواري بیشتري همراه است. گزارش هاي بسیارکمی وجود دارند که از گاز مایع سوختنی بعنوان منبع کربنی براي تولید نانولوله ها استفاده کرده اند.[4] گرچه انتظار میرودمقداراندکیکهبدلیل وجود گوگرد در گاز مایع سوختنی ،کاتالیست به شدت مسموم شده و از کاربیفتد[5]،نتایج ما نشان میدهد که این گازبه انتخاب مناسبی عنوان منبع کربنی براي تولید نانولوله هاي کربنی به روش نشست بخار شیمیایی است. یکی دیگر ازویژگیهاي کار حاضر آنست که در آن گازي بعنوان گاز حامل یا احیاکننده بهمراه گاز هیدروکربنی استفاده نشده است. این امر روش ارائه شده براي تولید نانولوله هاي کربنی را ساده تر و کم هزینه تر میکند.
شرح آزمایش
ویفرهاي مسی پولیش شده به ابعاد 1×2 سانتیمتر بعنوان زیرلایه در دستگاه الکتروشیمی براي نشاندن لایه هاي کاتالیستی نیکلی بکارگرفته شدند. حمام مورد استفاده، حمام نیکلی خالص است.
ولتاژ لایه نشانی روي 3ر1 تنظیم گردید. لایه نشانی در زمانهاي 25ر1، 5ر2 و5 ثانیه انجام شد که به ترتیب منجر به لایه هایی با ضخامت 5، 10 و 20 نانومتر گردید. کاتالیست هاي تهیه شده به روش فوق به دستگاه نشست بخار شیمیایی حرارتی منتفل شدند. هر ضخامت تولید شده از لایه کاتالیستی نیکلی بطور جداگانه در معرض جریانی از گازهاي متان و گاز مایع سوختنی دردماي 800 درجه سانتیگراد قرار گرفتدر. مورد متان از فلوي 300 سیسی بردقیقه بمدت 45 دقیقه و در مورد گاز مایع سوختنی از فلوي 180 سیسی بر دقیقه به مدت 15 دقیقه استفاده شد. آنالیز کروماتوگرافی گاز از گاز مایع سوختنی مشخص کرده است که این منبع کربنی شامل 54٪ پروپان ،45٪ بوتان و1٪ پنتان است.همچنین به میزان 10 ppm، گوگرد در این گاز موجوداست. بعد از زمانهاي داده شده براي رشد نانولوله ها، فلوي گازهاي هیدروکربنی قطع و گاز آرگن وارد سیستم میشود تا در حضور آن محصولات بدست آمده سرد شوند. از ابزارهاي تصویربرداريمیکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ نیروي اتمی و طیف سنجی رامان براي مشخصه یابی کاتالیست ها و نانولوله هاي بدست آمده استفاده شده است.
نتایج و بحث
منحنی هاي کرونوآمپرمتري عملیات لایه نشانی انجام شده بوسیله الکتروشیمی در تطابق با عکس برداري SEM و AFM از لایههاي نشانده شده، رشد موفق لایه هاي نانومتري نیکلی روي ویفرهاي مسی را نشان میدهد. به منظور رعایت اختصاراز ارائه دیتاي موجود در این زمینه عبور میکنیم و به هدف اصلی مقاله که رشد نانولوله ها روي لایه هاي نیکلی بدست آمده است، میپردازیم. شکل 1 تصویرSEM نانولوله هاي کربنی رشدیافته را روي ضخامت هاي مختلف لایه کاتالیستی نیکلی با استفاده از گاز مایع سوختنی بعنوان منبع کربنی نشان میدهد. همچنانکه از تصاویر این شکل برمیĤید در هر سه ضخامت نانولوله ها بخوبی رشد کرده اند.
نانولوله هاي تولید شده اعوجاج زیادي دارند. این میتواند بدلیل استفاده از روش نشست بخار شیمیایی حرارتی باشد زیرا در این روش معمولا مستقل از گاز هیدروکربنی مورد استفاده وروش تهیه کاتالیست، نانولوله ها به صورت پر پیچ و خم و معوج رشد میکنند. ازمقایسه نانو لوله هاي رشد کرده در ضخامت هاي مختلف لایه نیکلی پیداست که با افزوده شدن بر ضخامت لایه کاتالیستی قطر نانولوله هاافزایش یافته است. این نتیجه ناشی از افزایش اندازه ذرات کاتالیستی ایجاد شده با افزایش ضخامت لایه نیکلی است زیرا قطر نانولوله رابطه مستقیمی با اندازه ذره کاتالیستی پایه براي رشد آن دارد. متوسط قطر نانولوله هاي بدست آمده، تقریبا 70، 80و 100nm بترتیب براي ضخامتهاي لایه نیکلی 5، 10و 20 nm است. همچنین از تصاویر SEM با بزرگنمایی کم در شکل 1 دیده میشود که با افزوده شدن بر ضخامت لایه نیکلی، چگالی سطحی نانولوله هاي تولید شده بهبود یافته است. به منظور بررسی فعالیت کاتالیستی لایه هاي نیکلی تهیه شده در حضور گازهاي هیدروکربنی مختلف، این لایه ها بطور جداگانه در سیستم نشست بخار شیمیایی حرارتی در معرض جریانی از گاز متان نیز قرار گرفتند.
در این حالت، نتایج با حالت استفاده از گاز مایع سوختنی کاملا متفاوت است. در این حالت در هیچکدام ازضخامتهاي ایجاد شده براي لایه نیکلی، رشد قابل ملاحضه اي از نانولوله ها مشاهده نشده است. شکل 2 تصویر SEM سطح لایه نیکلی به ضخامت 20 nm را بعد از عملیات نشست بخار شیمیایی با استفاده از گاز متان بعنوان منبع کربنی، نشان میدهد. شکل :1تصاویر SEM نانولوله هاي رشدیافته با استفاده از گاز مایع سوختنی روي ضخامت هاي مختلف نیکلی 5 - a - ، 10 - b - ، 20 - c - نانومتر. - - a، - b - و - c - تصاویربا بزرگنمایی بالا از بترتیب - - d، - e - و - f - اند. با دقت در این شکل بنظر میرسد که در این حالت ذرات مس از زیرلایه به لایه کاتالیستی نفوذ کرده و ذرات نیکلی را ازکار انداخته اند. تعداد کمی ساختارهاي رشته مانند در این بستر مسموم دیده میشود که احتمالا نانولوله اند. متان در مقایسه با هیدرو کربنهاي سنگینی مانند پروپان و بوتان که در گاز مایع سوختنی وجود دارند
