우리는 현장에서 W-x를 합성합니다. 중량% Cu(x =5, 10 및 20wt%) 유도 결합 무선 주파수(RF) 열 플라즈마를 사용하는 복합 나노입자. RF 열 플라즈마 공정에서 W-x wt% Cu 복합 나노 입자는 텅스텐 트리옥사이드의 수소 환원에 의해 합성됩니다(WO3 ) 및 산화제2구리(CuO). 합성된 W 및 Cu 나노 입자는 W 및 Cu로 효과적으로 환원되고 W-Cu 나노 입자는 균일하게 분포된 바이메탈(또는 복합) 나노 입자입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">W-Cu 복합 재료는 열/전기 관리에서 우수한 성능을 제공하여 고강도, 고온 저항 및 기타 이점을 제공합니다[1,2,3]. W-Cu 복합재의 우수한 물리적 특성은 자동차, 항공 우주, 전력 및 전자 산업에서 사용 가능성이 높습니다 [4, 5]. 그럼에도 불구하고 W 및 Cu의 특정 물리적 특성은 W-Cu 복합 재료의 제조를 방해합니다.
제조 공정의 주요 문제는 W와 Cu의 용융 온도에서 비롯됩니다. W는 용융 온도가 매우 높습니다(T m ) 낮은 열팽창 계수를 갖는 3683K; Cu는 1353K에서 녹지만 높은 열/전기 전도성을 제공합니다. T의 엄청난 차이 m (W) 및 T m (Cu)는 W-Cu 복합 재료를 제조하기 어렵게 만듭니다. 또한 W-Cu는 상호 용해도가 없고 접촉각이 높기 때문에 일반적으로 W-Cu 기반 복합재료는 액상 소결에 의한 완전한 조밀화에 어려움이 있다[6]. 한편, 물리적 특성이 다르기 때문에 W와 Cu 함량의 비율을 변경하여 재료의 특성을 선택할 수 있는 폭이 넓습니다. 예를 들어, W-x 중량% Cu와 x <20wt%는 전기 회로 및 배선과 같은 전기/열 관리 및 세라믹 기반 전자 장치의 구성 요소에 사용됩니다[7]. W-x 중량% Cu와 x <80wt%는 고밀도 집적 회로용 고전력 전기 접점 재료 및 방열판에 사용됩니다[8,9,10].
최근에는 적용 제품의 크기를 줄이기 위해 W-Cu 복합 나노 입자가 연구되고 있습니다. W-Cu 나노 입자에 널리 사용되는 공정은 기계적 밀링[2, 5, 11], 열화학적 방법[12] 및 화학적 합성[7]입니다. 그러나 이러한 방법은 W-Cu 복합 나노 입자의 균일한 분포로 구형의 입자 크기를 줄이는 데 여전히 제한적입니다. W-Cu 나노입자의 또 다른 장벽은 소결 과정에서 발생하는 낮은 밀도이다[13]. W-Ni 이원계와 같은 다른 W 기반 복합 합금에서 W는 Ni에 소량의 용해도를 가지므로[14], 소결 과정에서 Ostwald 숙성에 의해 추가적인 조밀화가 유도됩니다[15, 16]. 대조적으로, W-Cu 바이너리 시스템은 비혼화성으로 인해 조밀화 정도를 개선하기 위해 추가 소결 메커니즘을 거칠 수 없습니다. Kim et al. 최근 Cu 나노 입자가 코팅된 W 마이크로 분말이 액상 소결에 의해 소결 과정에서 조밀화를 향상시킨다고 제안하였다[9]. 낮은 융점으로 인해 Cu 성분이 녹아서 모세관력에 의해 미가공체 기공으로 침투하여 밀도가 향상됩니다. 따라서 이 이전 연구는 W-Cu 복합 나노입자 합성의 장벽이 W-Cu 복합 나노입자의 구조적 설계로 극복될 수 있음을 시사한다.
이전 보고서에 따르면 유도 결합 무선 주파수(RF) 열 플라즈마를 사용하여 W-x 소결된 W-Cu의 미세구조 균일성과 조밀화를 개선하기 위해 중량% Cu 복합 나노입자. 위에서 언급한 바와 같이 W-Cu 복합재의 액상 소결 과정에서 Cu의 분산은 치밀화에 밀접한 영향을 미친다[9]. 따라서 Cu는 W 표면에서 불균일 축합 반응을 통해 core-shell 구조의 나노입자를 제조함으로써 액상의 소결성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 우리 연구에서 우리는 W-x를 합성했습니다. 중량% Cu(x =5, 10, 20wt%) 합성된 W-20wt% Cu 나노 입자를 거시적 규모에서 미시적 규모로 조사했습니다. 미세구조 조사는 나노입자가 과포화 기체 종으로부터 핵형성에 의해 형성되고 불균일 응축 및/또는 충돌-유합 과정에 의해 구형으로 성장한다는 것을 보여주었다[17].
삼산화텅스텐(WO3 ,> 99.99% 순도; LTS Inc., New York, USA) 및 산화제2구리(CuO,> 99.99% 순도; LTS Inc., New York, USA)는 중량 분율의 5, 10 및 20wt% Cu에 대한 미세 분말입니다. 혼합된 미세 분말(공급 원료 분말)은 먹이기 전에 1시간 동안 423K에서 건조되었습니다. WO3 및 CuO 마이크로 분말은 낮은 용융 온도로 인해 W 및 Cu 나노 입자를 합성하기 위한 전구체로 선택되었습니다. WO3 CuO는 끓는점이 훨씬 낮습니다(WO3 , 1973 K; CuO, 2273K) W(5828K) 및 Cu(2835K)보다; 이는 공급된 미세 분말이 순수한 W 및 Cu 금속 분말에 비해 RF 열 플라즈마 프로세스(30kW 유도 플라즈마 시스템, Tekna, Quebec, Canada)를 통해 더 쉽게 기화된다는 것을 의미합니다. 또한, 산화된 미세분말은 물질이 공기에 노출될 때 산화를 방지합니다.
다음 공정에서는 기화된 공급원료를 줄이기 위해 수소 가스를 사용하였다. W 및 Cu 나노 입자는 뜨거운 가스를 냉각시키고 핵 생성 역학을 가속화하는 급냉 가스를 사용하여 얻었습니다. 아르곤 시스 가스를 통해 수소 가스를 통과시키고, 질소 가스를 주입하여 기화된 가스를 급냉하고 핵 생성 동역학을 가속화했습니다. 위의 과정을 바탕으로 WO3의 완전한 기화 및 환원을 만족하도록 실험조건을 결정하였다. 및 CuO 마이크로 분말(표 1).
<섹션 데이터-제목="결과">합성된 W-x의 전체 화학 조성을 먼저 측정했습니다. 중량% Cu(x =5, 10 및 20wt%) 나노입자는 주사 전자 현미경(SEM)-EDS(Quanta 200F, FEI, Oregon, USA)를 사용합니다. 혼합 공급원료에서 WO3 합성된 W-Cu 나노입자에 W-5wt% Cu, W-10wt% Cu, W-20wt% Cu를 갖도록 CuO 마이크로 분말을 각각 제조하였다. 공칭 조성은 각 혼합 공급 원료에서 얻은 다음 합성 된 W-Cu 나노 입자와 비교했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 혼합 공급원료의 화학적 조성은 합성된 W-x의 화학적 조성과 잘 일치합니다. 중량% Cu 나노입자.
<그림>
합성된 나노입자의 전체 화학적 조성
그림 2는 합성된 W 및 Cu 나노입자에서 기록된 X선 회절(XRD; D8 DISCOVER, Bruker Inc., Darmstadt, Germany) 프로필을 SEM(삽입)을 사용하여 기록된 대표적인 형태와 함께 보여줍니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 공급원료 미세 분말은 WO3로만 구성됩니다. 및 불규칙한 모양의 CuO(그림 2a 삽입). 혼합 공급원료(WO3 및 CuO), W-5 중량% Cu, W-10 중량% Cu 및 W-20 중량% Cu에 대해 W 및 Cu 나노입자를 합성했습니다. 그림 2b–d와 같이 합성된 W-(5, 10, 20) wt% Cu 복합 분말은 α-W(bcc, \( \operatorname{Im}\overline{3}m \))로 인덱싱됩니다. , W3 O(또는 β-W)(A15 구조, Pm3n) [18] 및 Cu(fcc, \( \mathrm{Fm}\overline{3}m \)). 따라서 사용된 산화물 분말(WO3 , CuO)는 대부분 수소 가스에 의해 환원되는 반면 산화된 W3 O(β-W)는 모든 W-x에서 관찰됩니다. 중량% Cu 나노 입자. 그럼에도 불구하고 준안정 β-W는 β-매트릭스에서 산소 원자를 제거함으로써 실온에서 ~ 900K까지 α-W 안정 상으로 변환됩니다. 따라서 소결 과정에서 β-W가 완전히 감소될 수 있음이 분명합니다[19].
<그림>
XRD 프로파일 해당 삽입 SEM 이미지. 아 WO3 및 CuO 마이크로 분말 혼합 공급원료. ㄴ 합성된 W-5wt% Cu 나노 입자. ㄷ 합성된 W-10wt% Cu 나노 입자. d 합성된 W-20wt% Cu 나노입자
미세구조적 측면에서, 28.2nm(W-5wt% Cu), 33.7nm(W -10wt% Cu) 및 40.2nm(W-5wt% Cu), 그림 3d에 나와 있습니다. 제조된 입자의 입도 분포는 TEM 이미지로부터 등가 단면적의 구의 직경으로 측정하였다.
<그림>
합성된 a의 TEM 이미지 W-5 중량% Cu 나노입자, b W-10wt% Cu 나노입자, c W-20wt% Cu 나노입자 및 d 각 입자의 입자 크기 분포, 각각
W 및 Cu 나노 입자의 분포는 에너지 분산 X선 분광법(EDX)과 함께 SEM을 사용하여 현미경 규모로 조사됩니다. 전체 화학 조성은 W-20wt% Cu의 여러 영역에서 기록되었으며, 이는 그림 1에 표시된 화학 조성과 거의 동일합니다. 그림 4는 일반적인 HAADF(고각 환형 암시야) 주사 투과 전자를 보여줍니다. 원소 매핑 결과가 포함된 W-20wt% Cu 나노입자의 현미경(STEM) 이미지. W 및 Cu의 원소 맵은 W 및 Cu 나노 입자가 개별적으로 합성되었음을 보여줍니다. 또한 합성된 W 및 Cu 나노입자는 바이메탈 나노입자로 균일하게 분산됩니다.
<그림>
STEM 분석에서 EDS를 사용한 W-20wt% Cu 나노입자의 원소 매핑
화학적 분석을 바탕으로 형태와 구조의 관계를 조사하였다. 그림 5는 W-20wt% Cu 나노입자에서 기록된 일반적인 명시야(BF) 이미지를 보여줍니다. 구조 조사는 XRD 프로파일에서 발견된 3상(α-W, β-W 및 Cu)에 대해 수행되었습니다. 그림 5a는 합성된 W-20wt% Cu 나노입자에서 관찰된 α-W 상의 대표적인 형태를 보여줍니다. 파워 스펙트럼(삽입)의 인덱싱 결과에 따르면 α-W는 그림 5b와 같이 대부분 직육면체 형태로 존재합니다. 반면에 β-W와 Cu 상은 그림 5c, d와 같이 일반적으로 구형이다.
<사진>
아 합성된 W-20wt% Cu 나노 입자의 일반적인 HAADF STEM 이미지. ㄴ 대표적인 α-W의 고해상도(HR) TEM 이미지와 α-W에 대한 해당 푸리에 필터링 변환(FFT) 회절 패턴. ㄷ 대표적인 β-W의 HRTEM 이미지와 β-W에 대한 해당 FFT 패턴. d 대표적인 Cu의 HRTEM 이미지 및 Cu에 대한 해당 FFT 패턴
이 연구에서는 WO3를 사용했습니다. 순수한 W 및 Cu에 비해 용융 온도가 낮기 때문에 공급원료 분말로 CuO가 사용됩니다. 그 다음, 혼합된 공급원료를 기화시키고 수소에 의해 환원시켰다. W 및 Cu 나노 입자는 WO3에서 개별적으로 합성되었습니다. 미세 분말 및 CuO 미세 분말은 기화 및 응축 절차가 다를 수 있기 때문입니다. 나노 입자의 핵 생성은 기체 종의 열물리적 특성, 증기압 및 냉각 속도에 따라 달라집니다. 안정적으로 핵화된 나노입자는 비행 중 나노입자의 잔류 증기 및/또는 충돌-유합 과정에서 기체 종의 불균질 응축에 의해 추가로 성장합니다. W와 Cu의 용융 온도를 고려하여 W 나노 입자는 더 높은 가스 온도에서 먼저 핵 생성되고 Cu 나노 입자의 핵 생성은 냉각하는 동안 남아 있는 Cu가 풍부한 증기에서 이어집니다. W와 Cu 나노입자 사이의 불균일한 응축 및/또는 충돌-유합 반응은 복합 나노입자를 생성하였다. Cu의 낮은 습윤성 때문에 Cu의 불균일 축합 동안 W 나노 입자 표면에서 Cu의 섬 성장이 예상되었다. W와 Cu 나노입자가 개별적으로 생성되어 충돌하는 경우, 상호 불용성으로 인해 단일 입자로의 응고를 얻기 어려웠다. 결과적으로 W-Cu 나노입자는 그림 4와 같이 바이메탈 나노입자 형태로 in situ 합성되었다.
합성된 W-Cu 나노입자에서 부분적으로 환원되지 않은 β-W가 관찰되었다. 준안정 β-W는 고온에서 α-W 안정상으로 변형되는 것으로 보고되었다[19,20,21,22]. 관찰된 β-W를 더 줄이기 위해 수소 환경에서 1073K의 W-20wt% Cu 나노 입자를 열처리했습니다. 그림 6b의 XRD 프로파일에서 볼 수 있듯이 1073K의 온도에서 β-W 상의 분율이 급격히 감소했습니다. 또한 β-W 상의 존재를 현미경 규모로 조사했습니다. 그림 6c, d는 합성되고 열처리된 W-20wt% Cu 나노 입자에서 기록된 선택 영역 회절 패턴(SADP)을 보여줍니다. 시편의 SADP는 (200) β-W의 회절된 반점을 보여주지만, 1073K에서 열처리된 시편은 β-W의 반점이 없었습니다. 따라서 위의 결과로부터 합성된 W 및 Cu 나노 입자는 소결 과정에서 완전히 감소될 수 있음을 확인했습니다.
<사진>
아 , b XRD 프로필 및 c , d 1073K W-20wt% Cu 나노입자에서 합성 및 열처리된 상태의 SADP 이미지
우리는 현장에서 W-x를 합성했습니다. 중량% Cu(x =5, 15, 20wt%) RF 열 플라즈마 프로세스 사용 구형 및 직육면체 모양의 W-x 중량% Cu 복합 나노입자는 WO3의 환원에 의해 얻어진다. - 및 CuO 혼합 공급원료 미세 분말 및 후열 처리. 원소 조성 분석에서 W와 Cu의 비율은 혼합된 공급원료와 거의 일치합니다. 이는 두 공급원료 미세 분말이 RF 열 플라즈마 프로세스를 통해 완전히 기화되고 효과적으로 감소되기 때문입니다. 또한 W와 Cu의 서로 다른 핵 생성 경로는 균일하게 합성된 W-x 중량% Cu, 바이메탈 나노입자, 금속의 비혼화성으로 인해 W-Cu 복합재 제조의 어려움에도 불구하고. 위의 결과로부터 우리는 이 연구가 RF 열 플라즈마 공정을 사용하여 혼합할 수 없는 모든 요소를 바이메탈 나노 분말로 합성하는 기술을 제공한다고 믿습니다.
나노물질
초록 GaAs(001) 기판의 MBE 준비 갈륨(Ga) 액적 표면은 UV 펄스 레이저의 단일 샷에 의해 제자리에서 조사됩니다. 레이저 촬영이 Ga 액적의 크기를 쉽게 재조정할 수 있고 너비가 16~230nm이고 높이가 1~42nm인 매우 넓은 크기 분포의 특수한 Ga 액적이 성공적으로 얻어질 수 있음을 보여줍니다. 레이저 스폿의 에너지 불균일성으로 인해 조사 강도(IRIT ) 하나의 샘플에 대해 직접 조사할 수 있으며 상관 메커니즘이 명확합니다. 체계적으로 레이저 크기 조정은 다음과 같이 인식될 수 있습니다. 낮은 조사 수준의 경
초록 이 작업에서 우리는 core@shell 구조(Au@AgNPs)를 갖는 금-은 바이메탈 나노입자에 대한 순차적 합성 방법을 사용했습니다. Rumex hymenosepalus 카테킨과 스틸벤의 함량이 높은 뿌리 추출물(Rh)은 나노 입자 합성의 환원제로 사용되었습니다. 투과 전자 현미경(TEM)으로 얻은 크기 분포는 Au@AgNPs의 경우 36 ± 11nm, 금 나노입자(AuNPs)의 경우 24 ± 4nm, 은 나노입자(AgNPs)의 경우 13 ± 3nm의 평균 직경을 제공합니다. NP의 기하학적 모양은 주로 준구형이었습니다.
