In questu studiu, avemu investigatu nanoparticelle Cu/Ni sintetizzate in fonti di microcarboni durante a co-deposizione da RF sputtering è RF-PECVD, è ancu a risonanza di plasmoni di superficie localizzata per a rilevazione di gas CO cù nanoparticelle Cu/Ni.Morfologia di particeddi.A morfologia di a superficia hè stata studiata analizendu micrografie di forza atomica 3D utilizendu tecniche di trasfurmazioni di l'imaghjini è analisi frattali / multifrattali.L'analisi statistiche hè stata realizata cù u software MountainsMap® Premium cù l'analisi bidirezionale di a varianza (ANOVA) è a prova di differenza minima significativa.Nanostrutture di superficia anu una distribuzione specifica locale è glubale.I spettri di retroscattering Rutherford sperimentali è simulati cunfirmanu a qualità di e nanoparticule.I campioni appena preparati sò stati dopu esposti à una caminetta di diossidu di carbonu è u so usu cum'è sensore di gas hè statu investigatu cù u metudu di risonanza di plasmoni di superficia localizata.L'aghjunzione di una capa di nichel nantu à a capa di ramu hà mostratu risultati interessanti in quantu à a morfologia è a deteczione di gas.A cumminazione di l'analisi stereo avanzata di a topografia di a superficia di film sottile cù a spettroscopia di retroscattering Rutherford è l'analisi spettroscopica hè unica in questu campu.
A rapida contaminazione di l'aria in l'ultimi decennii, soprattuttu per via di a rapida industrializazione, hà incitatu i circadori à amparà di più nantu à l'impurtanza di detectà i gasi.Nanoparticule metalliche (NP) sò state dimustrate cum'è materiali promettenti per i sensori di gas1,2,3,4 ancu paragunate à i filmi metallichi sottili capaci di risonanza di plasmoni di superficia localizata (LSPR), chì hè una sustanza chì risona cù un elettromagneticu forte è assai limitatu. campi 5,6,7,8.Cum'è un metallu di transizione pocu prezzu, pocu tossicu è versatile, u ramu hè cunsideratu un elementu impurtante da i scientisti è l'industria, in particulare i pruduttori di sensori9.Per d 'altra banda, i catalizzatori di metalli di transizione di nichel funzionanu megliu cà altri catalizzatori10.L'applicazione ben cunnisciuta di Cu/Ni à a nanoscala li rende ancu più impurtanti, soprattuttu perchè e so proprietà strutturali ùn cambianu micca dopu a fusion11,12.
Mentre chì e nanoparticelle metalliche è e so interfacce cù u mediu dielettricu mostranu cambiamenti significativi in e risonanze di plasmoni di a superficia localizata, sò state cusì aduprate cum'è blocchi di costruzione per a rilevazione di gas13.Quandu u spettru di l'absorzione cambia, questu significa chì i trè fatturi di a lunghezza d'onda resonant è / o l'intensità di u piccu di l'assorbimentu è / o FWHM ponu cambià da 1, 2, 3, 4. Nantu à e superfici nanostrutturate, chì sò direttamente ligati à a dimensione di particella, a superficia localizata. A risonanza di plasmoni in nanoparticelle, piuttostu chè in filmi sottili, hè un fattore efficace per identificà l'absorzione moleculare14, cum'è ancu indicatu da Ruiz et al.hà dimustratu a relazione trà particelle fini è efficienza di rilevazione15.
In quantu à a rilevazione ottica di gas CO, certi materiali compositi cum'è AuCo3O416, Au-CuO17 è Au-YSZ18 sò stati riportati in a literatura.Pudemu pensà à l'oru cum'è un metallu nobile aggregatu cù l'ossidi di metalli per detectà e molécule di gas adsorbite chimicamente nantu à a superficia di u compostu, ma u prublema principali cù i sensori hè a so reazione à a temperatura di l'ambienti, chì li rende inaccessibili.
In l'ultime decennii, a microscopia di forza atomica (AFM) hè stata aduprata cum'è una tecnica avanzata per caratterizà a micromorfologia di a superficia tridimensionale à una alta risoluzione nanometrica19,20,21,22.Inoltre, l'analisi stereo, frattale / multifrattale23,24,25,26, a densità spettrale di putenza (PSD)27 è i funziunali Minkowski28 sò strumenti di punta per caratterizà a topografia di a superficia di filmi sottili.
In questu studiu, basatu annantu à l'assorbimentu di risonanza di plasmoni di superficia localizata (LSPR), tracce di acetilene (C2H2) Cu/Ni NP sò state dipositate à a temperatura di l'ambienti per l'utilizazione cum'è sensori di gas CO.A spettroscopia Rutherford backscatter (RBS) hè stata aduprata per analizà a cumpusizioni è a morfologia da l'imaghjini AFM, è e carte topografiche 3D sò state trattate cù u software MountainsMap® Premium per studià l'isotropia di a superficia è tutti i parametri micromorfologici supplementari di microtextures di superficia.Per d 'altra banda, novi risultati scientifichi sò dimustrati chì ponu esse appiicati à i prucessi industriali è sò di grande interessu in l'applicazioni per a rilevazione di gas chimichi (CO).A littiratura riporta per a prima volta a sintesi, a carattarizazione è l'applicazione di sta nanoparticella.
Un film sottile di nanoparticelle Cu/Ni hè stata preparata da RF sputtering è RF-PECVD co-depositu cù una alimentazione di 13,56 MHz.U metudu hè basatu annantu à un reattore cù dui elettrodi di diversi materiali è dimensioni.U più chjucu hè di metallu cum'è un elettrodu energizatu, è u più grande hè in terra per una camera d'acciaio inox à una distanza di 5 cm l'una di l'altru.Pone u sustrato di SiO 2 è u target Cu in a camera, dopu evacuate a camera à 103 N / m 2 cum'è a prissioni di basa à a temperatura di l'ambienti, introduci gasu di acetilene in a camera, è poi pressurize à a pressione ambientale.Ci hè dui motivi principali per l'usu di u gasu di l'acetilene in questu passu: prima, serve cum'è gasu trasportatore per a produzzione di plasma, è in segundu, per a preparazione di nanoparticuli in tracce di carbone.U prucessu di deposizione hè stata realizata per 30 min à una pressione di gasu iniziale è a putenza RF di 3,5 N / m2 è 80 W, rispettivamente.Allora rompe u vacuum è cambia u mira à Ni.U prucessu di deposizione hè stata ripetuta à una pressione di gasu iniziale è a putenza RF di 2,5 N / m2 è 150 W, rispettivamente.Infine, i nanoparticuli di rame è di nichel dipositu in una atmosfera di acetilene formanu nanostrutture di rame/nichel.Vede a Table 1 per a preparazione di mostra è identificatori.
L'imaghjini 3D di campioni appena preparati sò stati registrati in una zona di scansione quadrata di 1 μm × 1 μm utilizendu un microscopiu di forza atomica multimodale nanometru (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) in modu senza cuntattu à una velocità di scansione di 10-20 μm/min. .Cù.U software MountainsMap® Premium hè statu utilizatu per processà e carte topografiche 3D AFM.Sicondu ISO 25178-2: 2012 29,30,31, parechji paràmetri morfologichi sò documentati è discututi, altezza, core, voluminu, caratteru, funzione, spaziu è cumminazione sò definiti.
U grossu è a cumpusizioni di i campioni appena preparati sò stati stimati nantu à l'ordine di MeV utilizendu spettroscopia di retroscattering Rutherford d'alta energia (RBS).In u casu di sonda di gas, a spettroscopia LSPR hè stata aduprata cù un spettrometru UV-Vis in a gamma di lunghezze d'onda da 350 à 850 nm, mentre chì una mostra rappresentativa era in una cuvette d'acciaio inox chjusa cù un diametru di 5,2 cm è una altezza di 13,8 cm. à una purità di 99,9 % CO gas flow rate (sicondu u standard Arian Gas Co. IRSQ, 1,6 à 16 l/h per 180 seconde è 600 seconde).Stu passu hè stata fatta à a temperatura di l'ambienti, l'umidità ambientale 19% è a cappa di fume.
A spettroscopia di retroscattering Rutherford cum'è una tecnica di scattering di ioni serà aduprata per analizà a cumpusizioni di filmi sottili.Stu metudu unicu permette a quantificazione senza l'usu di un standard di riferimentu.L'analisi RBS misura l'energie alte (ioni He2+, vale à dì particelle alfa) nantu à l'ordine di MeV nantu à a mostra è i ions He2+ retrodispersi in un angulu datu.U codice SIMNRA hè utile in a modellazione di linee dritte è curve, è a so currispundenza à l'spettri sperimentali RBS mostra a qualità di i campioni preparati.U spettru RBS di u campionu Cu / Ni NP hè mostratu in a Figura 1, induve a linea rossa hè u spettru RBS sperimentale, è a linea blu hè a simulazione di u prugramma SIMNRA, si pò vede chì e duie linee spettrali sò in bonu. accordu.Un fasciu incidente cù una energia di 1985 keV hè stata utilizata per identificà l'elementi in a mostra.U gruixu di a capa superiore hè di circa 40 1E15Atom/cm2 chì cuntene 86% Ni, 0.10% O2, 0.02% C è 0.02% Fe.Fe hè assuciatu cù impurità in u target Ni durante sputtering.I picchi di Cu è Ni sottostanti sò visibili à 1500 keV, rispettivamente, è i picchi di C è O2 à 426 keV è 582 keV, rispettivamente.I passi Na, Si è Fe sò 870 keV, 983 keV, 1340 keV è 1823 keV, rispettivamente.
L'imaghjini AFM topografiche 3D quadrate di superfici di film Cu è Cu/Ni NP sò mostrate in Figs.2. Inoltre, a topografia 2D presentata in ogni figura mostra chì i NPs osservati nantu à a superficia di a film s'uniscenu in forme sferiche, è sta morfologia hè simile à quella descritta da Godselahi è Armand32 è Armand et al.33.In ogni casu, i nostri Cu NPs ùn sò micca agglomerati, è a mostra chì cuntene solu Cu dimustrava una superficia significativamente più liscia cù picchi più fini chì i più grossi (Fig. 2a).À u cuntrariu, i picchi aperti nantu à i campioni CuNi15 è CuNi20 anu una forma sferica evidenti è intensità più altu, cum'è mostratu da a ratio d'altitudine in Fig. 2a è b.U cambiamentu apparente in a morfologia di u film indica chì a superficia hà diverse strutture spaziali topografiche, chì sò affettate da u tempu di depositu di nichel.
Immagini AFM di film sottili Cu (a), CuNi15 (b) e CuNi20 (c).Carte 2D appropritate, distribuzioni di elevazione è curve Abbott Firestone sò incrustate in ogni imagine.
A dimensione di granu mediu di e nanoparticule hè stata stimata da l'istogramma di distribuzione di diametru ottenuta da a misurazione di 100 nanoparticule cù una misura gaussiana cum'è mostra in FIG.Si pò vede chì Cu è CuNi15 anu a stessa granulometria media (27,7 è 28,8 nm), mentri CuNi20 hà grani più chjuchi (23,2 nm), chì hè vicinu à u valore riportatu da Godselahi et al.34 (circa 24 nm).In i sistemi bimetallici, i picchi di a risonanza di u plasmone di a superficia localizata ponu cambià cù un cambiamentu di a grana di granu35.In questu sensu, pudemu cuncludi chì un longu tempu di depositu Ni affetta e proprietà plasmoniche di a superficia di i filmi sottili Cu / Ni di u nostru sistema.
Distribuzione di granulometria di (a) Cu, (b) CuNi15 è (c) CuNi20 film sottili ottenuti da topografia AFM.
A morfologia di massa ghjoca ancu un rolu impurtante in a cunfigurazione spaziale di strutture topografiche in filmi sottili.A Tabella 2 elenca i paràmetri topografichi basati in l'altitudine assuciati à a mappa AFM, chì ponu esse descritti da i valori di u tempu di rugosità media (Sa), skewness (Ssk) è curtosi (Sku).I valori di Sa sò 1,12 (Cu), 3,17 (CuNi15) è 5,34 nm (CuNi20), rispettivamente, cunfirmendu chì i filmi diventanu più ruvidi cù l'aumentu di u tempu di depositu Ni.Questi valori sò paragunabili à quelli rappurtati prima da Arman et al.33 (1-4 nm), Godselahi et al.34 (1-1.05 nm) è Zelu et al.36 (1.91-6.32 nm ), induve un simili. La pulvérisation cathodique a été effectuée en utilisant ces méthodes pour déposer des films de Cu/Ni NPs.In ogni casu, Ghosh et al.37 dipositu multilayers Cu/Ni per l'elettrodepositu è anu riportatu valori di rugosità più altu, apparentemente in a gamma di 13,8 à 36 nm.Semu devi esse nutatu chì e sferenze in a cinetica di a furmazione di a superficia per diversi metudi di depositu pò purtà à a furmazione di superfici cù mudelli spaziali diffirenti.Tuttavia, si pò vede chì u metudu RF-PECVD hè efficace per ottene filmi di Cu/Ni NPs cù una rugosità di micca più di 6,32 nm.
In quantu à u prufilu di l'altitudine, i mumenti statistici di l'ordine più altu Ssk è Sku sò ligati à l'asimetria è a normalità di a distribuzione di l'altitudine, rispettivamente.Tutti i valori Ssk sò pusitivi (Ssk> 0), chì indicanu una cuda più longa di dritta38, chì pò esse cunfirmata da a trama di distribuzione di l'altitudine in l'inseritu 2. Inoltre, tutti i profili d'altitudine eranu duminati da un piccu forte 39 (Sku> 3) , dimustrendu chì a curva A distribuzione di l'altitudine hè menu piatta cà a curva di campana gaussiana.A linea rossa in a trama di distribuzione di l'altitudine hè a curva Abbott-Firestone 40, un metudu statisticu adattatu per evaluà a distribuzione normale di dati.Questa linea hè ottenuta da a somma cumulativa annantu à l'histogramma di l'altezza, induve u piccu più altu è u minimu più prufondu sò in relazione cù i so valori minimi (0%) è massimi (100%).Queste curve Abbott-Firestone anu una forma S liscia nantu à l'assi Y è in tutti i casi mostranu un aumentu progressiu di u percentualità di materiale attraversatu nantu à a zona coperta, partendu da u piccu più russu è intensu.Questu cunferma a struttura spaziale di a superficia, chì hè principalmente affettata da u tempu di depositu di nichel.
A Tabella 3 elenca i parametri specifichi di morfologia ISO assuciati à ogni superficia ottenuta da l'imaghjini AFM.Hè ben cunnisciutu chì u rapportu area à materiale (Smr) è u rapportu area à u materiale (Smc) sò parametri funziunali di a superficia29.Per esempiu, i nostri risultati mostranu chì a regione sopra à u pianu medianu di a superficia hè cumplettamente cullata in tutti i filmi (Smr = 100%).Tuttavia, i valori di Smr sò ottenuti da diverse altezze di u coefficientu di l'area portante di u terrenu41, postu chì u paràmetru Smc hè cunnisciutu.U cumpurtamentu di Smc hè spiegatu da l'aumentu di rugosità da Cu → CuNi20, induve si pò vede chì u più altu valore di rugosità ottenutu per CuNi20 dà Smc ~ 13 nm, mentre chì u valore per Cu hè di circa 8 nm.
I paràmetri di mistura RMS gradient (Sdq) è u rapportu di l'area di l'interfaccia sviluppata (Sdr) sò parametri ligati à a piattezza è a cumplessità di a struttura.Da Cu → CuNi20, i valori Sdq varianu da 7 à 21, chì indicanu chì l'irregularità topografiche in i filmi aumentanu quandu a capa di Ni hè dipositata per 20 min.Si deve esse nutatu chì a superficia di CuNi20 ùn hè micca piatta cum'è quella di Cu.Inoltre, hè statu truvatu chì u valore di u paràmetru Sdr, assuciatu cù a cumplessità di a microtexture di a superficia, aumenta da Cu → CuNi20.Sicondu un studiu di Kamble et al.42, a cumplessità di a microstruttura di a superficia aumenta cù l'aumentu di Sdr, chì indica chì CuNi20 (Sdr = 945%) hà una microstruttura di superficia più cumplessa cumparatu à i film Cu (Sdr = 229%)..In fatti, u cambiamentu in a cumplessità microscòpica di a struttura ghjoca un rolu chjave in a distribuzione è a forma di picchi rugosi, chì ponu esse osservati da i paràmetri caratteristici di a densità di piccu (Spd) è di a curvatura di piccu media aritmetica (Spc).In questu sensu, Spd aumenta da Cu → CuNi20, chì indica chì i picchi sò più densamente organizzati cù l'aumentu di u spessore di a capa di Ni.Inoltre, Spc aumenta ancu da Cu→CuNi20, chì indica chì a forma di piccu di a superficia di u campione Cu hè più arrotondatu (Spc = 612), mentre chì quella di CuNi20 hè più nitida (Spc = 925).
U prufilu grossu di ogni film mostra ancu mudelli spaziali distinti in e regioni di a cima, di u core è di a valle di a superficia.L'altezza di u core (Sk), u piccu decrescente (Spk) (sopra à u core), è a depressione (Svk) (sottu u core)31,43 sò parametri misurati perpendicularmente à u pianu di a superficia30 è aumentanu da Cu → CuNi20 per via di u rugosità di a superficia Aumentu significativu.In u listessu modu, u materiale di piccu (Vmp), u materiale di core (Vmc), u vuotu di valle (Vvv) è u voluminu di vuoti di core (Vvc)31 mostranu a stessa tendenza chì tutti i valori aumentanu da Cu → CuNi20.Stu cumpurtamentu indica chì a superficia CuNi20 pò cuntene più liquidu chì altri campioni, chì hè pusitivu, chì suggerenu chì sta superficia hè più faciule per smear44.Per quessa, deve esse nutatu chì cum'è u gruixu di a strata di nichel aumenta da CuNi15 → CuNi20, i cambiamenti in u prufilu topograficu lag daretu à i cambiamenti in i paràmetri morfologichi di ordine superiore, affettendu a microtexture di a superficia è u mudellu spaziale di a film.
Una valutazione qualitativa di a struttura microscòpica di a superficia di a film hè stata ottenuta da a custruzzione di una mappa topografica AFM utilizendu u software cummerciale MountainsMap45.U rendering hè mostratu in a Figura 4, chì mostra un groove rappresentativu è una trama polare in quantu à a superficia.A Tabella 4 elenca l'opzioni di slot è spaziu.L'imaghjini di i grooves mostranu chì a mostra hè duminata da un sistema simili di canali cù una homogeneità pronunciata di i grooves.Tuttavia, i parametri per a prufundità massima di groove (MDF) è a prufundità media di groove (MDEF) aumentanu da Cu à CuNi20, cunfirmendu osservazioni precedenti nantu à u potenziale di lubricità di CuNi20.Semu devi esse nutatu chì i campioni di Cu (Fig. 4a) è CuNi15 (Fig. 4b) anu praticamenti i stessi scale di culore, chì indicanu chì a microtexture di a superficia di film Cu ùn hà micca sottumessu cambiamenti significativi dopu chì a film Ni hè stata dipositata per 15. min.In cuntrastu, l'esemplariu CuNi20 (Fig. 4c) exhibwrinkles with different color scales, chì hè in relazione cù i so valori MDF è MDEF più altu.
Grooves e isotropia superficiale di microtextures di film Cu (a), CuNi15 (b) e CuNi20 (c).
U diagramma polare in fig.4 mostra ancu chì a microtexture di a superficia hè diversa.Hè nutate chì a deposizione di una capa di Ni cambia significativamente u mudellu spaziale.L'isotropia microtextural calculata di i campioni era 48% (Cu), 80% (CuNi15) è 81% (CuNi20).Pò esse vistu chì a dipositu di a capa di Ni cuntribuisci à a furmazione di una microtexture più isotropica, mentre chì a film Cu unica capa hà una microtexture di superficia più anisotropica.Inoltre, e frequenze spaziali dominanti di CuNi15 è CuNi20 sò più bassi per via di e so grandi lunghezze d'autocorrelazione (Sal) 44 cumparatu cù i campioni di Cu.Questu hè ancu cumminatu cù l'orientazione simili di granu esibita da questi campioni (Std = 2,5 ° è Std = 3,5 °), mentre chì un valore assai grande hè statu registratu per u campione Cu (Std = 121 °).Basatu nantu à questi risultati, tutti i filmi mostranu variazioni spaziali à longu andà per via di morfologia, profili topografichi è rugosità differenti.Cusì, sti risultati dimustranu chì u tempu di depositu di a strata Ni ghjoca un rolu impurtante in a furmazione di superfici sputtered bimetalliche CuNi.
Per studià u cumpurtamentu LSPR di Cu/Ni NPs in l'aria à a temperatura ambiente è à diversi flussi di gas CO, spettri di assorbimentu UV-Vis sò stati applicati in a gamma di lunghezze d'onda di 350-800 nm, cum'è mostra in Figura 5 per CuNi15 è CuNi20.Intruducendu diverse densità di flussu di gas CO, u piccu efficace LSPR CuNi15 diventerà più largu, l'assorbimentu serà più forte, è u piccu si sposterà (redshift) à lunghezze d'onda più elevate, da 597.5 nm in flussu d'aria à 16 L / h 606.0 nm.Flussu di CO per 180 seconde, 606,5 nm, flussu di CO 16 l/h per 600 seconde.Per d 'altra banda, CuNi20 mostra un cumpurtamentu diversu, cusì un aumentu di u flussu di gas CO si traduce in una diminuzione di a pusizione di lunghezza d'onda di punta LSPR (bluesshift) da 600,0 nm à u flussu d'aria à 589,5 nm à 16 l / h di flussu di CO per 180 s. .Flussu di CO 16 l/h per 600 seconde à 589,1 nm.Cum'è cù CuNi15, pudemu vede un piccu più largu è una intensità di assorbimentu aumentata per CuNi20.Pò esse stimatu chì cù un incrementu di u gruixu di a capa di Ni nantu à Cu, è ancu cù un incrementu di a dimensione è u numeru di nanoparticuli CuNi20 invece di CuNi15, i particeddi Cu è Ni si avvicinanu l'un à l'altru, l'amplitude di l'oscillazioni elettroniche aumenta. , è, in cunseguenza, a frequenza aumenta.chì significa: a lunghezza d'onda diminuisce, si verifica un shift blu.
Tempu di post: Aug-16-2023