فیلم نانوورق‌های گرافنی به روش رسوب پلاسمای الکترولیتی

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

آسیه حبیبی ¹ , سید محمد موسوی خوئی ² , فرزاد محبوبی ³ , امیر خاکزاد ⁴

1 - دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، تهران، ایران
2 - دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، تهران، ایران
3 - دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، تهران، ایران
4 - کارشناسی ارشد، پژوهشکده صنات، تهران

تاریخ دریافت : 1395/11/23 تاریخ پذیرش : 1395/11/23 تاریخ انتشار : 1395/11/01

کلید واژه: فیلم نانو ورق گرافن, پلاسمای الکترولیتی کاتدی, طیف سنجی رامان,

چکیده مقاله :

در این پژوهش روش پلاسمای الکترولیتی به عنوان یکی از جدیدترین فرایندهای پوشش‌دهی سطح برای ایجاد پوشش نانو ورق گرافنی بر زیرلایه نیکل مورد مطالعه قرار گرفت. در این روش با اعمال ولتاژ بالا بین دو الکترود با نسبت سطح متفاوت در محلول، پلاسما در اطراف کاتد ایجاد می‌شود و در یک مرحله و در مدت زمان بسیار کوتاه در فشار اتمسفر، نانو ورق گرافن از الکترولیت حاوی اتانول به عنوان پیش‌ ماده کربنی، تهیه شده و بر زیرلایه نیکل رسوب می‌کند. کیفیت این پوشش با استفاده از طیف‌سنجی رامان و تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری مورد بررسی قرار گرفته است. شدت و محل باندها در طیف رامان، ایجاد پوششی از نانو ورق‌های گرافن توربواستراتیک با حداکثر 10 لایه را تایید می‌کند. افزایش در زمان فرایند، منجر به افزایش محدودی در تعداد لایه‌های گرافنی و کاهش در عیوب ساختاری آن‌ها می‌شود. هم‌چنین در بررسی تاثیر طول موج لیزر تهییج رامان بر شدت و مکان باندهای مشاهده شده در طیف رامان این نمونه‌ها، با استفاده از رامان با دو طول موج لیزرnm  633 وnm  785 افزایش در شدت پراکندگی باندهای مرتبه اول رامان، مانند باندهای D و G و کاهش در شدت پراکندگی مرتبه دوم، مانند باندهای 2D و D'' مشاهده شد.

چکیده انگلیسی:

In this research, cathodic plasma electrolysis, as a novel surface coating process, was studied for formation of graphene nano-sheets coating on nickel surface. In this process, the plasma is formed around the cathode by application of high voltage between two electrodes with different surface area and graphene nano-sheet produced from electrolyte contain ethanol as carbon precursor and deposited on substrate by formation of plasma at atmosphere pressure in one step and short time. The quality of coating is studied by using Raman spectroscopy and scanning electron microscopy. The intensity and the position of Raman spectrum bands confirm formation of turbostratic graphene nano-sheets with maximum 10 layers on surface. An increase of process time cause to a slightly increase in thickness at graphene layers and a reduction at structural defects of layers. The effect of laser wavelengths on Raman spectrum by using 633 and 785 nm laser were shown an increase at firs order scattering, D and G and a reduction at second order scattering, 2D and D'' bands intensity.

منابع و مأخذ:

 1- T. Zhang, Q. Xue, S. Zhang, M. Dong, “Theoretical Approaches to Graphene and Graphene-based Materials”, Nano Today, vol. 7, pp. 180-200, 2012.        

2- W. Choi, I. Lahiri, R. Seelaboyina, Y. S. Kang, “Synthesis of Graphene and Its Applications: A Review”, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, vol. 35, pp. 52-71, 2010.    

3- S. K. Jerng, D. S. Yu, Y. S. Kim, J. Ryou, S. Hong, C. Kim, S. Yoon, D. K. Efetov, P. Kim, S. H. Chun, “Nanocrystalline Graphite Growth on Sapphire by Carbon Molecular Beam Epitaxy”, Journal of Physical Chemistry C, vol. 115, pp. 4491-4494, 2011.     

4- S. Park, R. S. Ruoff, “Chemical Methods for the Production of Graphenes”, Nature Nanotechnology, 2009, doi: 10.1038/nnano.2009.58.

5- سمانه صاحبیان سقی، سید مجتبی زبرجد، جلیل وحدتی خاکی، آندرلا لاترزی، "تزیین نانولوله‌های کربنی با نانوذرات نیکل به روش شیمی‌ تر و بررسی خواص
مغناطیسی آن"، مجله مواد نوین، جلد 5، شماره 3، ص
 111-122، 1394.          

6- M. Mao, M. Wang, J. Hu, G. Lei, S. Chen, H. Liu,” Simultaneous Electrochemical Synthesis of Few-Layer Graphene Flakes on Both Electrodes in Protic Ionic Liquids”, Chemistry Communication, vol. 49, pp. 5301-5303, 2013.

7- L. Huang , B. Wu , J.Chen , Y. Xue , D. Geng , Y. Guo , G. Yu , Y. Liu, “Gram-Scale Synthesis of Graphene Sheets by a Catalytic Arc-Discharge Method”, Small, vol. 9, pp. 1330-1335, 2013.           

8- J. H. Kim, E. J. D. Castro, Y. G. Hwang, C. H. Lee, “Synthesis of Few-layer Graphene on a Ni Substrate by Using DC Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PE-CVD)”, Journal of the Korean Physical Society, vol. 58, pp. 53-57, 2011.   

9 -D.V. Thanh, H. C. Chen, L. J. Li, C. W. Chu, K. H. Wei, “Plasma Electrolysis Allows the Facile and Efficient Production of Graphite Oxide from Recycled Graphite”, RSC Advanced, vol. 3, pp. 17402-17410, 2013.           

10- S. Kim, R. Sergiienko, E. Shibata, Y. Hayasaka, T. Nakamura, “Production of Graphite Nanosheets by Low-Current Plasma Discharge in Liquid Ethanol”, Materials Transactions, Vol. 51, pp. 1455-1459, 2010.       

11- S. J. An, Y. Zhu, S. H. Lee, M. D. Stoller, T. Emilsson, S. Park, A. Velamakanni, J. An, R. S. Ruoff, “Thin Film Fabrication and Simultaneous Anodic Reduction of Deposited Graphene Oxide Platelets by Electrophoretic Deposition”, Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 1, pp. 1259–1263, 2010.  

12- A. L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, S. J. Dowey, “Plasma Electrolysis for Surface Engineering”, Surface and Coatings Technology, vol. 122, pp. 73-93, 1999.          

13- T. Paulmier, J.M. Bell, P.M. Fredericks, “Deposition of Nano-crystalline Graphite Films by Cathodic Plasma Electrolysis”, Thin Solid Films, vol. 515, pp. 2926-2934, 2007.       

14- L. M. Malard, M. A. Pimenta, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, “Raman Spectroscopy in Graphene”, Physics Reports, vol. 473, pp. 51-87, 2009.

15- A.C. Ferrari, “Determination of Bonding in Diamond-like Carbon by Raman Spectroscopy”, Diamond and Related Materials, vol. 11, pp. 1053-1061, 2002.

16- N. Shimodaira, A. Masui, “Raman Spectroscopic Investigations of Activated Carbon Materials”, Journal of Applied Physics, vol. 92, pp. 902-909, 2002.

17- A. C. Ferrari, J. Robertson, “Raman Spectroscopy of Amorphous, Nanostructured, Diamond-like Carbon, and Nanodiamond”, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, vol. 362, pp. 2477-2512, 2004.

18- M. Mowry, D. Palaniuk, C. C. Luhrs, S. Osswald, “In Situ Raman Spectroscopy and Thermal Analysis of the Formation of Nitrogen-doped Graphene from Urea and Graphite Oxide”, RSC Advanced, vol. 3, pp. 21763-21775, 2013.  

19- D. R. Lenski, M. S. Fuhrer, “Raman and Optical Characterization of Multilayer Turbostratic Graphene Grown via Chemical Vapor Deposition”, Journal of Applied Physics, vol. 110, pp. 013720, 2011.

20- A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, J. Kong, “Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition”, Nano Letters, vol. 9, pp. 30-35, 2009. 

21- A. H. C. Sirk, D. R. Sadoway, “Electrochemical Synthesis of Diamond-like Carbon Films”, Journal of The Electrochemical Society, vol. 155, pp. 49-55, 2008.