دانلود پایان نامه كارشناسی ارشد رشته فیزیك حالت جامد
رشد نانولوله های كربنی بر پایه نانوكاتالیست اكسیدهای فلزی به روش پلاسما CVD؛ PECVD
چكیده
در این تحقیق، ابتدا طراحی، ساخت و راهاندازی دستگاه PECVD DC- (رسوبدهی شیمیایی بخار به كمك پلاسمای جریان مستقیم) انجام شد و پس از دستیابی به شرایط بهینه رشد، نانولولههایكربنی با كیفیت و خلوص و بازدهی بالا روی نانوكاتالیست اكسیدهای فلزی همچون Co-Mo/MgO در دمای 700 ودر مدت زمان واكنش 40 دقیقه و همچنین روی نانوكاتالیستNi/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 كاتالیست، اثر شدت پلاسما در مرحله واكنش، تأثیر گاز رقیقكننده، اثر شكل كاتالیست و غلظت كاتالیست 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 كه مزیت استفاده از این نانوكاتالیستها، نسبت به كاتالیستهای لایهنشانی شده این است كه نیازی به عملیات وقتگیر و پرهزینه لایهنشانی كاتالیست وجود ندارد. به علت وجود جزایرنانومتری روی سطح این نانوكاتالیستها، مرحله آمادهسازی كاتالیست 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 اینكه با افزایش غلظت كاتالیست، قطر و چگالی نانولولهها افزایش مییابد.
با افزایش شدت پلاسما، در فرایند سنتز نانولولهها روی نانوكاتالیست Co-Mo/MgO، ساختار گرافیتی منظمتری بهدست-آمد. ولی با افزایش بیشتر شدت پلاسما در حدود w5/3، یونهای كربن و هیدروژن در ماده نفوذ كرده و ساختار آمورف بیشتری تشكیل شد. در مورد نانوكاتالیست Ni/KCl در پلاسمای با شدتw 12، در فرایند سنتز نانولوله ها روی غلظت 5%، نانولولههای تقریباً هم جهت و با كیفیت خوب بهدست آمد. افزایش شدت پلاسما، تا حد w14 و افزایش بیشترآن به اندازهw 18 منجر به افزایش بینظمی در ساختار شبكه گرافیت و كاهش چگالی نانولوله ها شد.
کلمات کلیدی:
نانولوله های كربنی
پلاسما CVD؛ PECVD
میکروسکوپ الکترونی
نانوكاتالیست اكسیدهای 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، یك كوره با توان kw3 ساخته شد كه تقریباً سرتاسر راكتور را دربرمیگرفت. در این طرح، به علت شكل خاص الكترودها (نوك و صفحه)، میدان بین الكترودها به صورت مخروطیشكل بود و در ضمن، به علت ایجاد تخلیه الكتریكی، امكان افزایش توان پلاسما وجود نداشت. بنابراین سیستم PECVD با الكترودهایی به شكل صفحه دایرهایشكل طراحی شد كه میدان كاملاً عمودی را برای رشد همجهت و عمودی نانولولهها فراهم میكرد كه افزایش توان پلاسما با این طرح جدید امكانپذیر بود. در این طرح به جای كوره، یك هیتر به منظور گرم كردن زیرلایه به همراه كنترلكنندههای دمای راكتور و مدارات مربوط به آن، طراحی و ساخته شد.
تاكنون از كاتالیستهای مختلفی مانند نیكل، مس، آهن و... كه روی زیرلایهای از جنس سیلیكون، كوارتز و... در حد چند نانومتر لایهنشانی شدهاند، به عنوان بستری جهت رشد نانولوله هایكربنی استفاده شده است. ولی نوآوری این تحقیق، این است كه از نانوكاتالیستهای جدید Co-Mo/MgO و Ni/KCl استفاده شده كه تاكنون هیچ گزارشی مبنی بر استفاده از این نانوكاتالیستها به منظور سنتز نانولوله-هایكربنی در سیستم PECVD در جایی مشاهده نشده است. این نانوكاتالیستها در پژوهشگاه صنعت نفت و در اشكال مختلف ساخته شدند كه نیازی به انجام عملیات پرهزینه و وقتگیر لایه نشانی روی زیرلایه ندارند. علاوه بر این، نتایج نشان داد كه این نانوكاتالیستها، نیازی به عملیات احیا كاتالیست نیز ندارند. این عملیات عبارتست از حكاكی سطح كاتالیست به كمك پلاسما به منظور جزیره بندی سطح كاتالیست.
این جزایرنانومتری محل هسته بندی نانولوله ها هستند؛ به علت اینكه نانوكاتالیستهای حاضر خود در ابعاد نانو بوده و حاوی این جزایرنانومتری هستند، هیچ ضرورتی برای انجام این عملیات نیز روی این نانوكاتالیستها وجود ندارد. درضمن نانولولههای سنتز شده روی این نانوكاتالیستها در این تحقیق، دارای چگالی بسیار زیادی هستند و حتی بدون فرایند خالصسازی دارای خلوص و كیفیت بسیار بالایی میباشند و البته به دلیل اینكه پایه این نانوكاتالیستها به راحتی حذف میشوند، خالصسازی آسان و كمهزینه صورت میگیرد. پایه نانوكاتالیست Co-Mo/MgO و Ni/KCl به ترتیب در اسید و در آب حل میشوند و یك ورقهای از نانولولهها روی سطح آب میماند كه پس از خشك شدن آماده آنالیز خواهد بود.
در این تحقیق، در طرح اولیه سیستم، تأثیر شدت پلاسما در مرحله احیا نانوكاتالیست و در مرحله واكنش، اثر شكل نانوكاتالیست بررسی و شرایط بهینه برای رشد نانولوله-هایی با كیفیت و خلوص بالا روی نانوكاتالیست Co-Mo/MgO یافت شد. همچنین در طرح ثانویه سیستم، نانولولههایی تقریباً همجهت در جهت میدان و با چگالی و خلوص بالا روی نانوكاتالیست Ni/KCl بهدست آمد. تأثیر احیا سطح نانوكاتالیست، اثر گاز رقیق كننده، اثر شدت پلاسما در مرحله واكنش روی این نانوكاتالیست مورد بررسی قرار گرفت. همچنین نانولولههای سنتز شده در سیستم PECVD و سیستم CVD از لحاظ كیفی با هم مقایسه شدند و در نهایت شرایط بهینه برای رشد نانولولهها روی نانوكاتالیست Ni/KClبهدست آمد. مطابق گزارشات ارائه شده از مقالات كه در بخش مروری بر مقالات نیز آورده شده است، مدت زمان واكنش به طور متوسط، 15 تا 60 دقیقه و دمای واكنش در حضور كاتالیست نیكل، 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 كه 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 اینكه روشهای مختلف سنتز نانولوله هایکربنی مورد بررسی قرار گرفته، مروری بر مقالات نیز ارائه شده است. كار 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 نانولولههایكربنی 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 كه در این فصل در مورد جزئیات آن بیشتر بحث میشود و در پایان این فصل نیز دستگاههای آنالیز مورد استفاده آورده شده و نحوه كار آنها، مورد مطالعه قرار گرفته است. بحث و نتیجه گیری روی شرایط مختلف سنتز نانولوله هایكربنی انجام شده و عوامل مؤثر روی رشد نانولوله هایی با كیفیت، بازدهی و خلوص بالا، روی دو نانوكاتالیست 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 هایكربنی تك 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
--- كاربرد به عنوان حسگرهای گازی
--- كاربرد در پروب میكروسكوپهای پیمایشگر روبشی
--- کاربرد نانولوله هایکربنی در کامپوزیتها
فصل دوم: روشهای سنتز نانولوله های کربنی و مروری بر مقالات
- روشهای سنتز نانولوله های-كربنی
-- روش تخلیه قوس الکتریکی
-- روش تبخیر لیزری
-- روش رسوبدهی شیمیایی بخار هیدروكربن ها(CVD)
--- روش رسوبگذاری بخار شیمیایی به كمك فیلامان داغ (HFCVD)
---- روش HFCVD به منظور رشد نانولوله های-كربنی
--- روش رسوبگذاری بخار شیمیایی به كمك حرارت (TCVD)
-- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به كمك پلاسما ((PECVD
--- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به كمك پلاسمای جریان مستقیم (DCPECVD)
--- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به كمك پلاسمای فركانس رادیویی (RFPECVD)
--- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی به كمك پلاسمای ماكروویو (MWPECVD)
- مروری بر مقالات
- فصل سوم: سیستم آزمایشگاهی و آزمایشات
- مقدمه
- معرفی نانوكاتالیست-ها
- طراحی و ساخت دستگاهDC-PECVD (Tip-Plate)
-- تهیه نانوكاتالیست
-- سنتز نانولوله های كربنی
- طراحی و ساخت دستگاه DC PECVD (Plate-Plate)
-- تهیه نانوكاتالیست
-- سنتز نانولولههای-كربنی
- 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 هایكربنی سنتز شده با استفاده از سیستم PECVD (tip-plate)
4-1-1 بررسی عوامل مؤثر بر رشد نانولوله هایكربنی
4-1-1-1 تأثیر عملیات احیا (pretreatment) و اثر افزایش شدت پلاسما روی رشد در مرحله احیا نانوكاتالیست
4-1-1-2 تأثیر شدت پلاسما در مرحله رشد
4-1-1-3 تأثیر شكل كاتالیست
4-2 نتایج حاصل از آنالیز نانولولههایكربنی سنتز شده با استفاده از سیستم PECVD (plate-plate)
4-2-1 تأثیر عملیات احیا (pretreatment) روی نانوكاتالیستNi/KCl
4-2-3 تأثیر غلظت نانوكاتالیست
4-2-4 تأثیر شدت پلاسما
4-2-5 بررسی كیفیت رشد نانولولهها در سیستم PECVD و CVD
فصل 5:نتیجه گیری و پیشنهادات
نتیجه گیری
