---

 

Etapa II. Depunere de nanofibre și pereți nanometrici de carbon. Studii de diagnostica plasmei la valori ale parametrilor externi definiți pentru creșterea pereți nanometrici de carbon
Termen: 28 noiembrie 2014

 

Obiectivul etapei

În acord cu planul de realizare, scopul principal al acestei etape constă în realizarea de experimente de depunere a pereților nanometrici de carbon, precum și caracterizarea morfologică și structurală a acestora. De asemenea, tot în cadrul acestei etape sunt realizate și studii de diagnostică a plasmei la valori ale parametrilor externi definiți pentru creșterea pereților nanometrici de carbon.

 

Introducere

Cele mai avansate materiale nanostructurate sunt cele carbonice, acestea putând fi clasificate după dimensionalitate [1, 2, 3, 4]. Anterior, am elaborat o tehnică originală [5] de depunere de materiale carbonice nanostructurate ce se bazează pe utilizarea unui jet de plasmă în expansiune, generată în câmp de radiofrecvență, în care se injectează acetilenă ca precursor de specii carbonice, în prezența unui gaz activ (hidrogen).

Radicalii carbonici obținuți în urma disocierii precursorului sunt transportați de plasmă la substratul încălzit, unde susțin procesul de creștere. Metoda utilizată de noi este o aplicare a tehnicii de depunere chimică din fază de vapori asistată de plasmă. În etapa pezenta am realizat cercetări privind procesul de sinteză de pereți nanometrici de carbon și de investigare a stării plasmei în condițiile de obținere a acestora, definind astfel procesul de depunere al pereți nanometrici de carbon. Raportul de cercetare prezent cuprinde o scurtă descriere a metodei de depunere, urmată de prezentarea rezultatelor privind proprietățile materialului depus și a valorilor parametrilor interni ai plasmei obținute atunci cand parametrii experimentali (externi) au fost variati. De asemenea materialele sintetizate au fost caracterizate si testate pentru unele aplicații: pereții nanometrici de carbon au proprietati utile pentru supercapacitori [9], pentru straturi anti-uzură [10] și ca suporturi pentru studiul aderării celulare [11]. În cadrul etapei a fost elaborat un brevet internațional având ca subiect metoda de sinteză și utilizarea pentru dispozitive medicale [12]. Raportul se încheie cu secțiunea Concluzii.

 

Descrierea stiintifica si tehnica

În cadrul lucrărilor am urmărit pe de o parte stabilirea unor corelații între parametrii experimentali ce influențează procesul de depunere (cum ar fi debitul masic de argon și temperatura substratului) și parametrii plasmei (densități ionice și electronice, temperaturi electronice, de rotație și vibrație a speciilor moleculare) și pe de alta parte modul cum influențează aceștia caracteristicile morfo-structurale ale materialului nanostructurat obținut. Pentru realizarea acestui scop, am realizat simultan experimente de sinteză și respectiv de diagnostică a plasmei, in cursul carora am variat pe rând fiecare dintre acești parametri, menținând ceilalți parametri constanți.

Influența debitului masic al gazului purtător asupra materialului depus și plasmei

Morfologia nanostructurilor de carbon sintetizate în jet de plasmă la 300 W, 700 0C dar la debite de argon diferite. Rapoartele de debite masice Ar/H2/C2H2 au fost: a) 375/25/1 sccm; b) 715/25/1sccm; c) 1050/25/1 sccm; d) 1400/25/1 sccm

 

Caracteristicile dimensionale ale pereţilor nanometrici de carbon sintetizaţi în jet de plasmă pentru diferite debite ale Ar (axa orizontală de jos) sau compoziții ale amestecului de gaze

 

Spectre Raman ale probelor depuse la valori diferite ale debitului masic de argon și b) raportul intensităților benzilor 2D și G

 

a) Dependența intensității speciilor emisive și b) dependența raportului dintre intensitățile C2 (521,16nm), CH (430,87nm), Ha (656,21nm), Hb (486,34nm) la nivelul substratului și intensitatea liniei Ar (696,55nm) funcție de debitul masic de argon introdus în descărcare

 

Temperaturile de rotație și vibrație funcție de debitul masic de argon

 

a) Caracteristica de sonda şi b) funcţiile de distribuţie normate a energiilor electronilor pentru diferite debite masice de argon (d = 5 cm, PRF = 300W)

 

Evoluţia parametrilor plasmei în raport cu debitul masic de argon: a) temperatura electronilor şi b) densitatea de electroni

 

Depleţia acetilenei în raport cu debitul masic de argon (măsurată din peakul de masă C2H2)

 

a) spectre de masă pentru diferite debite masice de argon; b) distribuția energetică a ionilor C2H2+

 

Influența temperaturii substratului asupra plasmei si materialului depus

Imagini SEM top-view ale ale materialului carbonic sintetizat la diferite temperaturi ale substratului, păstrând ceilalți parametri constanți

 

Spectre Raman ale structurilor carbonice de tipul CNF și pereți nanometrici de carbon, obținute la varierea temperaturii substratului

 

Concluzii

În cadrul acestei etape am studiat procesul de depunere și am realizat probe de material carbonic nanostructurat în jet de plasmă de radiofrecvență la presiune joasă. Am arătat că materialul depus este constituit din fibre sau pereți de carbon grafitici de dimensiuni nanometrice. În cazul pereților nanometrici am arăta că ei au în medie grosimi între 30 – 60 nm și lungimi/lățimi în domeniul 0,4 – 1,4 mm.
Am stabilit dependența caracteristicilor de material (lungime, grosime, densitate superficială de structuri carbonice) de parametrii experimentali (debit masic de argon, respectiv raportul debitelor masice de gaze, temperatura substratului).
Am stabilit, studiind corelația între condițiile experimentale optime pentru obținerea pereți nanometrici de carbon (definite prin parametrii externi cum sunt debitul masic și temperatura substratului) și parametrii intrinseci ai plasmei că pereți nanometrici de bună calitate se obțin la densitate mare de electroni (10¹² cm^-3), temperatură electronică scăzută (2-3 eV) și temperaturi ridicate ale gazului (în jur de 1800 K).
Am demonstrat faptul că putem obține tranziția de la fibre nanometrice la pereți nanometrici de carbon prin varierea temperaturii substratului, fapt ce permite abordarea obiectivului final al proiectului, și anume sinteza de materiale hibride.

 

Referinte

1. M. Terrones, Science and technologies of the twenty-first century: Synthesis, Properties, and Applications of Carbon Nanotubes, Annu. Rev. Mater.Res., 33:419, 2003
2. A. Mostofizadeh, Y. Li, B. Song, Y. Huang, Review Article, Synthesis, Properties, and Applications of Low-Dimensional Carbon-Related Nanomaterials, Journal of Nanomaterials, 2011
3. J.N. Tiwari, R.N. Tiwari, K.S. Kim, Zero-dimensional, one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional nanostructured materials for advanced electrochemical energy devices, Progress in Materials Science, 57, 724–803, 2012
4. S. Vizireanu, S.D. Stoica, C. Luculescu, L.C. Nistor, B. Mitu, G. Dinescu, Plasma techniques for nanostructured carbon materials synthesis. A case study: carbon nanowall growth by low pressure expanding RF plasma, Plasma Sources Sci. Technol., 19, 3, 034016, 2010
5. S. Vizireanu, B. Mitu, G. Dinescu, L. Nistor, C. Ghica, A. Maraloiu, M. Stancu and G. Ruxandra, Varieties of nanostructured carbon grown by expanding radiofrequency plasma beam, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 9, 6, 1649-1652, 2007
6. S. Vizireanu, B. Mitu, C.R. Luculescu L.C. Nistor, G. Dinescu, PECVD synthesis of 2D nanostructured carbon material, Surface and Coatings Technology, 211, 2-8, 2012
7. B. Mitu, S.I. Vizireanu, C. Petcu, G. Dinescu, M. Dinescu, R. Birjega, V.S. Teodorescu, Carbon material deposition by remote RF plasma beam, Surface and Coatings Technology, 180, 238-243, 2004
8. A. Malesevic, S. Vizireanu, R. Kemps, A. Vanhulsel. C. Van Haesendonck, G. Dinescu, Combined growth of carbon nanotubes and carbon nanowalls by plasma-enhanced chemical vapor deposition, Carbon, 45, 2932–2937, 2007
9. T.M. Dinh, A. Achour, S. Vizireanu, G. Dinescu, L. Nistor, K. Armstrong, D. Guay, D. Pech, Hydrous RuO2/carbon nanowalls hierarchical structures for all-solid-state ultrahigh-energy-density micro-supercapacitors, Nano Energy, 10, 288–294, 2014
10. D.L. Cursaru, S. Vizireanu, S. Mihai, D. Ghiţă, D.S. Stoica, G. Dinescu, Friction and wear properties of carbon nanowalls coatings, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 9, 3, 1105 – 1114, 2014
11. E.C. Stancu, A.-M. Stanciuc, S. Vizireanu, C. Luculescu, L. Moldovan, A. Achour, G. Dinescu, Plasma functionalization of carbon nanowalls and its effect on attachment of fibroblast-like cells, Journal of Physics D: Applied Physics 47, 265203, 2014
12. Dr. Ita Junkar, Dr. Martina Modic, Dr. Alenka Vesel, Prof. Dr. Gheorghe Dinescu, Dr. Sorin Ionuț Vizireanu, Dr. Silviu-Daniel Stoica, Prof. Dr. Karin Stana Kleinschek, Prof. Dr. Miran Mozetic, Method of growing carbon nanowalls on a substrate, depus în Marea Britanie pe 13.10.2014, cu numărul 1418056.6
13. A. Lazea-Stoyanova, M. Enculescu, S. Vizireanu, V. Mărăscu, G. Dinescu, Effects of process parameters on growth of metal particles by atmospheric pressure plasma jet, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 9, 3, 1241 – 1247, 2014
14. E. Abdel-Fattah, M. Bazavan, H. Sugai, Langmuir probe diagnostics of electron energy distributions with optical emission spectroscopy in capacitively coupled rf discharge in nitrogen, Journal of Applied Physics, 110, 113303, 2011

 

Inapoi la pagina proiectului