روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی؛ قسمت اول

روش تخلیه قوس الکتریکی

اولین روش تولید نانولوله‌ی کربنی، فرایند قوسی است که در سال 1991 توسط ایجیما(Iijima)  در ژاپن پایه‌گذاری شد. با فاصله زمانی کمی این روش با فن سایش لیزری در دانشگاه رایس(Rices)  توسعه یافت. در پنج سال اخیر روش رسوب گذاری شیمیایی (CVD)، روش متداول در رشد نانولوله‌ها شده است. شکل فرایند و رشد ایده‌آل، بستگی به کاربرد نانولوله‌ها دارد. برای کاربردهای کامپوزیتی و کاربردهای سازه‌ای، احتیاج به روشی است که بتواند در روز چندین تن تولید داشته باشد. بر خلاف این مورد در کاربردهای نانوالکترونیک، تشعشع میدانی، نمایشگرها و حسگرها نیاز به رشد کنترل شده (ضخامت معین) نمونه‌ها می‌باشد. روش‌های سنتز نانولوله‌های کربنی متنوع بوده و از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge)

2.  سایش لیزری ( Laser ablation)

3. رسوب شیمیایی فاز بخار

4. روش الکترولیز

5. استفاده از انرژی خورشیدی (Solar Production)

در این میان، سه روش اول از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و بیشتر از بقیه روش‌ها، برای تولید نانولوله‌های کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به شرح روش تخلیه قوس الکتریکی پرداخته می‌شود و در سایر بخش‌ها روش‌های دیگر بررسی خواهد شد.

روش های تولید نانولوله های کربن- قسمت ۲

روش سایش لیزری

در سال 1996، گروه اسمایلی  از دانشگاه رایس، سنتز نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره با بازدهی بیش از 70% را به وسیله روش تبخیر لیزری میله‌های گرافیتی با مقدار کم نیکل و کبالت (به عنوان کاتالیست) در 1200 درجه سانتی گراد گزارش دادند.

دستگاه مورد استفاده توسط گروه اسمایلی در شکل 2 نشان داده شده است. در این دستگاه یک پرتو لیزر ضربانی  یا پیوسته ، به نمونه گرافیتی که شامل نیم درصد اتمی نیکل و کبالت به عنوان کاتالیزور است، تابیده می‌شود تا آن را تبخیر کرده و سبب جدا شدن خوشه‌های کربنی از آن گردد. تفاوت اصلی لیزر ضربانی و پیوسته این است که لیزر ضربانی شدت نور بسیار بالاتری دارد (kw/cm2 100 در مقایسه با kw/cm2 12). کوره با گازهای بی‌اثر نظیر هلیم یا آرگون پُر شده و فشار آن نیز روی Torr 500 نگه داشته شده است.  جریان آرگون یا هلیم در رآکتور که به وسیله کوره تا 1200 درجه سانتیگراد گرم شده است، بخار را حمل کرده و هسته‌های نانولوله کربنی را ایجاد می‌کند که به رشد خود ادامه می‌دهند. نانولوله‌ها بر روی دیواره‌های سردتر لوله‌ کوارتز، در پایین کوره، رسوب می‌کنند. در این فرایند درصد بالایی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (حدود 70 درصد) تولید شده و بقیه ذرات، کاتالیست و دوده می‌باشند. هم‌چنین هنگام سرد شدن بخارات، مولکول‌ها و اتم‌های کوچک کربن ممکن است با یکدیگر متراکم شده و تبدیل به خوشه‌های بزرگتری شوند، بنابراین ممکن است ترکیبات

فولرن‌ها نیز مشاهده گردد. این اتفاق بیشتر زمانی می‌افتد که نمونه گرافیتی فاقد کاتالیست باشد، چرا که کاتالیست به خوشه‌های کربنی متصل شده و مانع از بسته شدن ساختارهای قفسی می‌گردد.

روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی:قسمت ۳

1. رسوب شیمیایی فاز بخار  (CVD)

روش رسوب‌ شیمیایی فاز بخار مستلزم رسوب‌گذاری ماده‌ی شامل نانوذرات از فاز گازی است. ماده آنقدر گرم می‌شود تا به صورت گاز درآید و سپس به صورت یک ماده جامد بر روی سطح، معمولاً تحت خلأ رسوب‌گذاری می‌گردد. ممکن است رسوب‌گذاری مستقیم یا رسوب‌گذاری از طریق واکنش شیمیایی، محصول تازه‌ای را به وجود آورد که با ماده‌ی تبخیر شده تفاوت زیادی داشته باشد. این فرآیند به آسانی نانوپودرهایی از اکسیدها و کاربیدهای فلزات را پدید می‌آورد، مشروط بر اینکه بخارات کربن یا اکسیژن همراه با فلز در محیط وجود داشته باشد.

مشخصه‌یابی مواد نانو؛ قسمت اول

میکروسکوپ‌های الکترونی(TEM و SEM)

1. میکروسکوپ الکترونی عبوری  (TEM)

1-1. مقدمه

میکروسکوپ الکترونی عبوری از جمله میکروسکوپ‌های الکترونی است که در آن از پرتو الکترونی متمرکز شده برای به دست آوردن تصاویر استفاده می‌شود. در این میکروسکوپ، یک پرتو الکترونی مثل نور از درون نمونه عبور کرده و متأثر از ساختار درونی نمونه می‌شود. در واقع؛ هنگامی که الکترون‌ها در میکروسکوپ الکترونی عبوری از درون نمونه عبور می‌کنند، انرژی خود را از دست می‌دهند و از طرف دیگر نمونه خارج می‌شوند. الکترون‌های خروجی دارای توزیع خاصی از انرژی هستند که مختص عنصر یا عناصر تشکیل دهنده‌ی نمونه است.

پرتو الکترونی عبور کرده از نمونه، ‌روی یک صفحه‌ی فسفری متمرکز و سپس نمایش داده شده و یا برای پردازش کامپیوتری به یک کامپیوتر فرستاده می‌شود. نمونه‌ای از تصاویر (TEM( Transmission Electron Microscopy حاصل از نانوسیم‌ها در شکل (1-1) نشان داده شده است.

شکل (1-1). نمونه‌ای از تصاویر TEM نوعی نانوسیم

مشخصه‌یابی مواد نانو؛ قسمت ۲

1. میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM)

¹AFM نوع دوم میکروسکوپ‌های پروپی روبشی است که سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز² روبش می‌کند. AFM بر پایه‌ی‌ نیروی الکترونی بین نوک پروپ میکروسکوپ و نمونه است. نیروی برهم‌کنش بین نوک پروپ و سطح نمونه، به فاصله‌ی نمونه از نوک پروپ بستگی دارد. برای مثال، وقتی نمونه به نوک پروپ بسیار نزدیک باشد، نیروی دافعه‌ی واندروالس، و هرگاه سطح نمونه از نوک پروپ دور باشد، نیروی جاذبه‌ی واندروالس نقش مهمی را بازی می‌کنند.

اساس کار AFM به این صورت است که نوک پروپ این میکروسکوپ به یک تیرک (کانتی‌لیور³ ) متصل است (مانند شکل1) که تغییر در نیروی اتمی آن را خم می‌کند. این سوزن از جنس سیلیکون یا نیترید سیلیکون بوده و ابعادی در محدوده نانومتر دارد. در واقع، نیروی وارد شده به سوزن، تیرک را خم کرده و بدین طریق می‌توان میزان نیروی وارد شده به سوزن را با توجه به قانون هوک به دست آورد. برای اندازه‌گیری میزان جابجایی تیرک در این میکروسکوپ‌ها از پرتو لیزر استفاده می‌شود.