Etapa III. Studii de diagnostica plasmei la valori ale parametrilor externi definiţi pentru creşterea CNF. Investigarea proprietăţilor materialului în timpul variației parametrilor externi între valorile corespunzătoare regimului de creştere a CNF şi a CNW.
Termen: 31 decembrie 2015
Obiectivul etapei
În acord cu planul de realizare, scopul principal al acestei etape constă în realizarea de experimente de sinteză de fibre nanometrice de carbon, precum și caracterizarea stării plasmei în condițiile de sinteză utilizate. De asemenea, tot în cadrul acestei etape este realizat și un studiu al al modificării proprietăților morfologice și structurale ale materialului carbonic sintetizat in zona de trecere de la regimul de creștere al CNF la cel de creștere CNW.
Introducere
Anterior, grupul de cercetare în cadrul căruia se desfășoară proiectul a dezvoltat o tehnică de sinteză a materialelor carbonice unidimensionale de tip fibre carbonice nanometrice (CNF) și bidimensionale de tip pereți nanometrici de carbon (CNW) bazată pe depunere chimică din fază de vapori asistată de plasmă. Pornind de la tehnica dezvoltată, cât și de la interesul științific asupra celor două materiale, în cadrul proiectului autorii au ca scop final realizarea unui material nanostructurat hibrid constând din combinarea arhitecturilor celor două materiale carbonice, respectiv CNF și CNW.
In cadrul etapei actuale am identificat conditiile care conduc la sinteza de fibre de carbon. Parametrii relevanti pentru aceasata sunt raportul debitelor masice, temperatura substratului si diametrul duzei de expansiune a plasmei. In cadrul lucrarilor am urmărit stabilirea unor dependente între parametrii externi ce influențează procesul de depunere a CNF și parametrii interni ai plasmei și a unei corelatii intre parametrii interni si caracteristicile morfo-structurale ale materialului carbonic obținut. Tot în cadrul etapei prezente au fost realizate investigații ale proprietăților materialului carbonic în timpul variației parametrilor externi între valorile corespunzătoare regimului de creștere a CNF și CNW. De asemenea, materialele sintetizate în cadrul acestei etape (respectiv pereții nanometrici - CNW) au fost testate pentru unele aplicații: dezvoltare de senzori și electrozi “flexibili” [1], precum și studii pentru recombinarea la suprafata de atomi de oxigen [2] la suprafata.
Descrierea stiintifica si tehnica
Influența raportului de debite masice de gaz injectate în descărcare
 |
Figura 1: imagini SEM top-view ale materialului carbonic obținut la diferite rapoarte de debite masice de gaz: a) 200/36/2 sccm, b) 1050/25/1 sccm, c) 1400/25/1 sccm |
|
Figura 2: imagini SEM ilustrand morfologia materialului la debite de H2 variabil: a) 200/10/2 sccm si b) 200/25/2 sccm |
|
Figura 3: Evoluția în timp a intensității speciilor emisive funcție de raportul debitelor masice de gaz injectate în descărcare |
|
Figura 4: Influenta raportului debitelor masice de gaz asupra temperaturii de rotatie (din CN) |
|
Figura 5: Evoluția parametrilor plasmei funcție de raportul debitelor masice de gaz |
|
Figura 6: Imagini SEM ale probelor obtinute in conditii de depunere: a) CNW+CNF si b) CNW |
Ca o concluzie generala la aceasta subsectiune, avem o indicatie ca prin modificarea raportului de debite se pot obtine CNF sau CNW, totusi rezultatele nu sunt suificient de concludente si controlul nu a permis realizarea unor material huibride de tip bistrat.
Influența temperaturii substratului si demonstrarea creșterii materialului carbonic hibrid
|
Figura 7: Imagini SEM ale materialului hibrid obținut în urma depunerii succesive la temperaturi diferite ale substratului |
Ca o concluzie generala la aceasta subsectiune, am demonstrat ca prin modificarea temperaturii substratului se pot obtine fie CNF fie CNW, iar prin controlul acesteia se realizeaza material hibrid de tip bistrat.
Influența diametrului duzei
|
Figura 8: Imagini SEM top view și cross section ale filmului carbonic depus în condiții optime pentru: 2mm și 16mm diametru duză |
Experimente privind investigarea comutarii regimului de crestere de la CNF la CNW
|
 |
 |
Figura 9: Evoluția stratului carbonic funcție de timpul de punere |
Ca o concluzie generala la aceasta subsectiune, am demonstrat ca prin modificarea dimensiunii duzei de expansiune a plasmei se pot obtine straturi hibride bistrat CNF/CNW. Incercarea de a evidentia momentul de comutare a cresterii nu a dat rezultate, dar a scos in evidenta o solutie eleganta (bazata pe studiul dependentelor temporale ale morfologiei materialului si parametrilor plasmei) pentru investigarea mecanismelor de crestere ale CNF si CNW.
Concluzii
În cadrul acestei etape am studiat procesul de sinteză a fibrelor nanometrice de carbon și am investigat starea plasmei în condițiile de sinteză, realizând o corelație între parametrii externi și parametrii intrinseci ai plasmei. Am arătat că fibre de carbon nanometrice de bună calitate se obțin in plasme cu densitate mare de electroni (1012 cm-3), temperatură electronică scăzută in comparatie cu valorile determinate pentru CNW (1 eV in comparatie cu 3 eV) și valori mici ale temperaturii de rotatie a radicalului C2 (800 K, in comparatie cu valorile de 1800 K corespunzatoare CNW).
Am identificat condițiile in care obținem fibre carbonice nanometrice și anume: variatia raportului debitelor masice de gaz, variatia temperaturii substratului, variatia diametrului duzei. Am observat că pentru rapoarte mici de debite masice Ar/H2/C2H2 obținerea de fibre are o reproductibilitate slabă si posibilitatile de control sunt reduse. În cazul temperaturii, reproductibilitatea este bună si a fost posibila creșterea de material hibrid bistrat CNF peste CNW. În cazul utilizarii duzelor cu diametre mari tranzitia intre cresterea CNF si CNW este foarte rapida si se face aparent in mod spontan. Stabilirea mecanismului de comutare prezinta un inalt interes stiintific și studiul prezent a identificat o solutie pentru a aborda aceasta problema.
Publicații cotate ISI, realizate in cadrul etapei
1. M. Mozetic, A. Vesel, S.D. Stoica, S. Vizireanu, G. Dinescu, R. Zaplotnik, Oxygen atom loss coefficient of carbon nanowalls, Applied Surface Science 333 (2015) 207–213
2. C. Constantinescu, S. Vizireanu, V. Ion, G. Aldica, S.D. Stoica, A. Lazea-Stoyanova, A.-P. Alloncle, P. Delaporte, G. Dinescu, Laser-induced forward transfer of carbon nanowalls for soft electrodes fabrication, Applied Surface Science, Available online 14 September 2015
3. R. Ion, S. Vizireanu, C.E. Stancu, A. Cimpean, C. Luculescu, A. Cimpean, G. Dinescu, Surface plasma functionalization influences macrophage behavior on carbon nanowalls, Materials Science and Engineering C 48 (2015) 118–125
4. V. Mărăscu, S. Vizireanu, S.D. Stoica, V. Barna, A. Lazea-Stoyanova, G. Dinescu, FTIR investigation of the ageing process of carbon nanowalls, Romanian Reports in Physics, in press (2015)
Prezentări invitate
1. G. Dinescu, A. Lazea-Stoyanova, T. Acsente, V.S. Teodorescu, V. Marascu, Growth of particles in plasma at low and atmospheric pressure starting from metallic targets, Proceedings of the 75th IUVSTA Workshop on Sheath Phenomena in Plasma Processing of Advanced Materials, 19th-23rd January 2015, Cerklje, Slovenia
Contribuții la conferințe internaționale
1. S.D. Stoica, S. Vizireanu, C.R. Luculescu, M. Bazavan, B. Mitu, G. Dinescu, Influence of substrate temperature on the plasma and carbon material properties in a low pressure RF plasma jet deposition system, 32nd ICPIG, July 26-31, 2015, Iași, Romania (P3.45)
2. S. Vizireanu, S.D. Stoica, M.D. Ionita, B. Mitu, C.E. Stancu, A. Lazea-Stoyanova, C. Luculescu, L.Nistor, Gheorghe Dinescu, Plasma synthesis, processing and applications of carbon nanowalls, E-MRS 2015 Spring Meeting, May 11-15, 2015, Lille, France
3. V. Mărăscu, I. Chițescu, V. Barna, M. D. Ioniță, A. Lazea-Stoyanova, B. Mitu, G. Dinescu, Application of image recognition algorithms for statistical description of nano- and microstructured surfaces, 9th International Physics Conference of the Balkan Physical Union- BPU9, Istanbul University, 24-27 August, 2015, Turkey
Inapoi la pagina proiectului
