دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد رشته فیزیک حالت جامد
رشد نانولوله های کربنی بر پایه نانوکاتالیست اکسیدهای فلزی به روش پلاسما CVD؛ PECVD
چکیده
در
این تحقیق، ابتدا طراحی، ساخت و راهاندازی دستگاه PECVD DC- (رسوبدهی
شیمیایی بخار به کمک پلاسمای جریان مستقیم) انجام شد و پس از دستیابی به
شرایط بهینه رشد، نانولولههایکربنی با کیفیت و خلوص و بازدهی بالا روی
نانوکاتالیست اکسیدهای فلزی همچون Co-Mo/MgO در دمای 700 ودر مدت زمان
واکنش 40 دقیقه و همچنین روی نانوکاتالیستNi/KCl در دمای 550 و در مدت
زمان 5 دقیقه رشد داده شد.
در
این روش از گازهای استیلن (C2H2) و هیدروژن (H2)، به ترتیب به نسبت 1 به 6
استفاده شده است. در این تحقیق، اثر تغییر پارامترهای مختلف همچون تأثیر
شدت پلاسما در مرحله آمادهسازی کاتالیست، اثر شدت پلاسما در مرحله واکنش،
تأثیر گاز رقیقکننده، اثر شکل کاتالیست و غلظت کاتالیست روی کیفیت، خلوص و
بازدهی رشد نانولولهها مورد بررسی قرار گرفته است.
آنالیزهای
مورد استفاده در این تحقیق، عبارتند از آنالیز SEM،Raman وXRD. نتایج
نشان داد که مزیت استفاده از این نانوکاتالیستها، نسبت به کاتالیستهای
لایهنشانی شده این است که نیازی به عملیات وقتگیر و پرهزینه لایهنشانی
کاتالیست وجود ندارد. به علت وجود جزایرنانومتری روی سطح این
نانوکاتالیستها، مرحله آمادهسازی کاتالیست ضرورتی ندارد. رشد
نانولولههایکربنی روی سه غلظت مختلف 2% ، 5% و 10% نانوکاتالیست Ni/KCl
مورد بررسی قرار گرفت. مطابق نتایج حاصل از آنالیز XRD و طیف رامان،
نانولولههای تکدیواره و دودیواره روی نانوکاتالیست با دو غلظت 2% و 5% سنتز
شد. نانولولههای چنددیواره روی نانوکاتالیست با غلظت 10% بهدستآمد. تصاویر
SEM، آنالیز XRD و طیف رامان، سندی است بر اینکه با افزایش غلظت کاتالیست،
قطر و چگالی نانولولهها افزایش مییابد.
با
افزایش شدت پلاسما، در فرایند سنتز نانولولهها روی نانوکاتالیست
Co-Mo/MgO، ساختار گرافیتی منظمتری بهدست-آمد. ولی با افزایش بیشتر شدت
پلاسما در حدود w5/3، یونهای کربن و هیدروژن در ماده نفوذ کرده و ساختار
آمورف بیشتری تشکیل شد. در مورد نانوکاتالیست Ni/KCl در پلاسمای با شدتw
12، در فرایند سنتز نانولوله ها روی غلظت 5%، نانولولههای تقریباً هم جهت و
با کیفیت خوب بهدست آمد. افزایش شدت پلاسما، تا حد w14 و افزایش بیشترآن
به اندازهw 18 منجر به افزایش بینظمی در ساختار شبکه گرافیت و کاهش چگالی
نانولوله ها شد.
کلمات کلیدی:
نانولوله های کربنی
پلاسما CVD؛ PECVD
میکروسکوپ الکترونی
نانوکاتالیست اکسیدهای فلزی
مقدمه
ایده
نانوتکنولوژی اولین بار توسط فاینمن در سال 1359 مطرح شد. جمله معروفی از
این دانشمند نقل شده است که میگوید به لحاظ نظری هر ساختار مولکولی پایداری
که قوانین فیزیک و شیمی را نقض نکند، قابل پیادهسازی می-باشد. در واقع
نانوتکنولوژی فنآوری پیادهسازی ساختار مولکولی موردنظر با دقت اتمی میباشد.
با کشف نانولوله-هایکربنی در سال 1991، مقالات زیادی در دنیا در زمینه
ساخت و بررسی این مواد گزارش شده است. به دلیل خواص الکتریکی، مکانیکی و
شیمیایی بینظیر این نانو مواد، روشهای مختلفی برای رشد آنها بسته به
کاربردشان توسط محققین ارائه شده است که یکی از این روشها، روش انباشت بخار
شیمیایی پلاسمایی (PECVD) میباشد.
در
این تحقیق، ابتدا دستگاه DCPECVD، با دو طرح متفاوت tip-plate و
plate-plate طراحی و ساخته شد. برای طرح اول، یک کوره با توان kw3 ساخته شد
که تقریباً سرتاسر راکتور را دربرمیگرفت. در این طرح، به علت شکل خاص
الکترودها (نوک و صفحه)، میدان بین الکترودها به صورت مخروطیشکل بود و در
ضمن، به علت ایجاد تخلیه الکتریکی، امکان افزایش توان پلاسما وجود نداشت.
بنابراین سیستم PECVD با الکترودهایی به شکل صفحه دایرهایشکل طراحی شد که
میدان کاملاً عمودی را برای رشد همجهت و عمودی نانولولهها فراهم میکرد که
افزایش توان پلاسما با این طرح جدید امکانپذیر بود. در این طرح به جای
کوره، یک هیتر به منظور گرم کردن زیرلایه به همراه کنترلکنندههای دمای
راکتور و مدارات مربوط به آن، طراحی و ساخته شد.
تاکنون
از کاتالیستهای مختلفی مانند نیکل، مس، آهن و... که روی زیرلایهای از جنس
سیلیکون، کوارتز و... در حد چند نانومتر لایهنشانی شدهاند، به عنوان بستری
جهت رشد نانولوله هایکربنی استفاده شده است. ولی نوآوری این تحقیق، این است
که از نانوکاتالیستهای جدید Co-Mo/MgO و Ni/KCl استفاده شده که تاکنون هیچ
گزارشی مبنی بر استفاده از این نانوکاتالیستها به منظور سنتز
نانولوله-هایکربنی در سیستم PECVD در جایی مشاهده نشده است. این
نانوکاتالیستها در پژوهشگاه صنعت نفت و در اشکال مختلف ساخته شدند که نیازی
به انجام عملیات پرهزینه و وقتگیر لایه نشانی روی زیرلایه ندارند. علاوه
بر این، نتایج نشان داد که این نانوکاتالیستها، نیازی به عملیات احیا
کاتالیست نیز ندارند. این عملیات عبارتست از حکاکی سطح کاتالیست به کمک
پلاسما به منظور جزیره بندی سطح کاتالیست.
این
جزایرنانومتری محل هسته بندی نانولوله ها هستند؛ به علت اینکه
نانوکاتالیستهای حاضر خود در ابعاد نانو بوده و حاوی این جزایرنانومتری
هستند، هیچ ضرورتی برای انجام این عملیات نیز روی این نانوکاتالیستها وجود
ندارد. درضمن نانولولههای سنتز شده روی این نانوکاتالیستها در این تحقیق،
دارای چگالی بسیار زیادی هستند و حتی بدون فرایند خالصسازی دارای خلوص و
کیفیت بسیار بالایی میباشند و البته به دلیل اینکه پایه این نانوکاتالیستها
به راحتی حذف میشوند، خالصسازی آسان و کمهزینه صورت میگیرد. پایه
نانوکاتالیست Co-Mo/MgO و Ni/KCl به ترتیب در اسید و در آب حل میشوند و یک
ورقهای از نانولولهها روی سطح آب میماند که پس از خشک شدن آماده آنالیز
خواهد بود.
در
این تحقیق، در طرح اولیه سیستم، تأثیر شدت پلاسما در مرحله احیا
نانوکاتالیست و در مرحله واکنش، اثر شکل نانوکاتالیست بررسی و شرایط بهینه
برای رشد نانولوله-هایی با کیفیت و خلوص بالا روی نانوکاتالیست Co-Mo/MgO
یافت شد. همچنین در طرح ثانویه سیستم، نانولولههایی تقریباً همجهت در جهت
میدان و با چگالی و خلوص بالا روی نانوکاتالیست Ni/KCl بهدست آمد. تأثیر
احیا سطح نانوکاتالیست، اثر گاز رقیق کننده، اثر شدت پلاسما در مرحله واکنش
روی این نانوکاتالیست مورد بررسی قرار گرفت. همچنین نانولولههای سنتز شده
در سیستم PECVD و سیستم CVD از لحاظ کیفی با هم مقایسه شدند و در نهایت
شرایط بهینه برای رشد نانولولهها روی نانوکاتالیست Ni/KClبهدست آمد. مطابق
گزارشات ارائه شده از مقالات که در بخش مروری بر مقالات نیز آورده شده
است، مدت زمان واکنش به طور متوسط، 15 تا 60 دقیقه و دمای واکنش در حضور
کاتالیست نیکل، در حدود 700 الی 750 گزارش شده است؛ ولی در تحقیق حاضر،
رشد نانولولهها روی نانوکاتالیست Ni/KCl در دمای پایین 550 و به مدت
زمان بسیار پایین 5 دقیقه انجام شد که به منظور افزایش مقیاس، اقتصادی است.
در
فصل اول این پایان نامه به بررسی تاریخچه نانولوله-هایکربنی، خواص و
کاربرد آنها پرداخته میشود. در فصل دوم، علاوه بر اینکه روشهای مختلف سنتز
نانولوله هایکربنی مورد بررسی قرار گرفته، مروری بر مقالات نیز ارائه شده
است. کار تجربی پایاننامه از فصل 3 شروع میشود. در این فصل، پس از طراحی،
ساخت و راهاندازی دستگاه DC-PECVD (رونشست بخار شیمیایی به کمک پلاسمای
جریان مستقیم) و پس از یافتن شرایط بهینه رشد، روش سنتز نانولولههایکربنی
با کیفیت و خلوص و بازدهی بالا مورد بررسی قرار گرفته است. دستگاه PECVD
ساخته شده، دارای دو طرح متفاوت tip-plate و plate-plate است که در این فصل
در مورد جزئیات آن بیشتر بحث میشود و در پایان این فصل نیز دستگاههای
آنالیز مورد استفاده آورده شده و نحوه کار آنها، مورد مطالعه قرار گرفته
است. بحث و نتیجه گیری روی شرایط مختلف سنتز نانولوله هایکربنی انجام شده و
عوامل مؤثر روی رشد نانولوله هایی با کیفیت، بازدهی و خلوص بالا، روی دو
نانوکاتالیست جدید Co-Mo/MgO و Ni/KCl مورد بررسی قرار می گیرد.
فهرست
چکیده
مقدمه
فصل اول: معرفی نانولوله هایکربنی و خواص و کاربرد آنها
تاریخچه
مقدمه -
- گرافیت یکی از نرمترین مواد با پیوند sp
- الماس(سخت ترین کانی شناخته شده( با پیوندsp
- فولرین: (Fullerene) با پیوند sp
- نانولوله های کربنی
-- ساختار نانولوله های-کربنی
--- نانولوله هایکربنی تک دیواره ( SWNTS)
--- نانولوله هایکربنی چند دیواره (MWNT)
--- ساختارهای غیرتعادلی
-- خواص نانولوله های-کربنی
--- خواص الکتریکی
--- خواص مغناطیسی
--- خواص مکانیکی
--- خواص حرارتی
--- خواص اپتیکی
--- رسانایی الکتریکی
-- نواقص
-- جمع بندی خواص فیزیکی
-- کاربرد های نانولوله های-کربنی
--- ذخیره سازی انرژی و هیدروژن
--- ذخیره سازی لیتیوم
--- کاربرد به عنوان حسگرهای گازی
--- کاربرد در پروب میکروسکوپهای پیمایشگر روبشی
--- کاربرد نانولوله هایکربنی در کامپوزیتها
فصل دوم: روشهای سنتز نانولوله های کربنی و مروری بر مقالات
- روشهای سنتز نانولوله های-کربنی
-- روش تخلیه قوس الکتریکی
-- روش تبخیر لیزری
-- روش رسوبدهی شیمیایی بخار هیدروکربن ها(CVD)
--- روش رسوبگذاری بخار شیمیایی به کمک فیلامان داغ (HFCVD)
---- روش HFCVD به منظور رشد نانولوله های-کربنی
--- روش رسوبگذاری بخار شیمیایی به کمک حرارت (TCVD)
-- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به کمک پلاسما ((PECVD
--- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به کمک پلاسمای جریان مستقیم (DCPECVD)
--- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به کمک پلاسمای فرکانس رادیویی (RFPECVD)
--- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به کمک پلاسمای ماکروویو (MWPECVD)
- مروری بر مقالات
- فصل سوم: سیستم آزمایشگاهی و آزمایشات
- مقدمه
- معرفی نانوکاتالیست-ها
- طراحی و ساخت دستگاهDC-PECVD (Tip-Plate)
-- تهیه نانوکاتالیست
-- سنتز نانولوله های کربنی
- طراحی و ساخت دستگاه DC PECVD (Plate-Plate)
-- تهیه نانوکاتالیست
-- سنتز نانولولههای-کربنی
- دستگاههای آنالیز مورد استفاده در این تحقیق
-- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
-- میکروسکوپ الکترونی (TEM)
-- آنالیز پراش اشعهX (XRD)
-- طیف نگاری رامان
-- آنالیز سوزاندن با برنامه دمایی TGA
فصل 4:بحث و نتایج
4-1 نتایج حاصل از آنالیز نانولوله هایکربنی سنتز شده با استفاده از سیستم PECVD (tip-plate)
4-1-1 بررسی عوامل مؤثر بر رشد نانولوله هایکربنی
4-1-1-1 تأثیر عملیات احیا (pretreatment) و اثر افزایش شدت پلاسما روی رشد در مرحله احیا نانوکاتالیست
4-1-1-2 تأثیر شدت پلاسما در مرحله رشد
4-1-1-3 تأثیر شکل کاتالیست
4-2 نتایج حاصل از آنالیز نانولولههایکربنی سنتز شده با استفاده از سیستم PECVD (plate-plate)
4-2-1 تأثیر عملیات احیا (pretreatment) روی نانوکاتالیستNi/KCl
4-2-3 تأثیر غلظت نانوکاتالیست
4-2-4 تأثیر شدت پلاسما
4-2-5 بررسی کیفیت رشد نانولولهها در سیستم PECVD و CVD
فصل 5:نتیجه گیری و پیشنهادات
نتیجه گیری
