نانومواد

تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو

تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو

 

تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو
در اصل s-SNOM درجا. (الف) ترسیم شماتیک اصل برای in-s-SNOM. ما از فیلمهای نازک ایستاده ای استفاده می کنیم که با تبخیر حرارتی ۱۰ نانومتر PD ، ۵ نانومتر Ti و ۵۰ نانومتر میلی گرم بر روی غشای Pd-Au حاصل می شوند. این اجازه می دهد تا هیدروژن از پایین. نوک AFM فلز شده تنظیمات s-SNOM در حال اسکن سطح بالا برای بررسی خصوصیات نوری محلی است ، در حالی که فیلم نازک Mg هیدروژن را جذب می کند. علاوه بر این ، یک فونون IR مشخصه از MgH2 تصویربرداری خاص از نظر شیمیایی را امکان پذیر می کند. لایه Mg با هوا تماس دارد و باعث اکسید شدن می شود. با این حال ، لایه بسیار نازک MgO برای تصویربرداری در فرکانس تلفن MgH2 شفاف است و به سختی بر اندازه گیری های s-SNOM ما تأثیر می گذارد. (B و C) تصاویر نوری (به صورت بازتاب گرفته شده) به ترتیب قابلمه s-SNOM و فیلم Mg آزاد را در حالت بکر و پس از ۶۰ دقیقه قرار گرفتن در معرض گاز هیدروژن (۲٪ در ۱ بار) نشان می دهد. اعتبار عکس: J. Karst (دانشگاه اشتوتگارت). اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0566

تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو مواد قابل تعویض که دارای کنتراست شدید مواد و زمان سوئیچینگ کوتاه با تخریب ناچیز هستند می توانند به سیستم های فعال پلاسمونیک و نانوفوتونیک کمک کنند. به منظور درک خصوصیات عالی آنها ، محققان باید دانش عمیقی در مورد فرآیندهای نانوسکوپی جمع آوری کنند. در مطالعه جدیدی که اکنون در پیشرفتهای علمی منتشر شده است ، جولیان کارست و تیمی از دانشمندان دانشگاه اشتوتگارت آلمان ، جزئیات نانوسکوپی پویایی انتقال فاز منیزیم فلزی (میلی گرم) به دی الکتریک هیدرید منیزیم (MgH ۲ ) با استفاده از فیلم های مستقل برای انجام تصویربرداری نانو در آزمایشگاه. این تیم برای بدست آوردن ویژگی شیمیایی بی سابقه بین حالت های ماده از رزونانس فونون Subsub 2 استفاده کردند. نتایج نشان داد که روند هسته سازی که در طول تشکیل نانوبلور رخ داده است. آنها نسبت به پویایی انتشار ماکروسکوپی ، انتشار سریعتر فاز هیدرید را در مقیاس نانو اندازه گیری کردند. روش نوآورانه یک استراتژی مهندسی برای غلبه بر ضرایب انتشار محدود با تأثیر قابل توجه را به منظور طراحی ، توسعه و تجزیه و تحلیل انتقال فاز قابل تعویض ، ذخیره سازی هیدروژن و تولید مواد ارائه می دهد.

موادی که برجسته انتقال فاز به عایق را حفظ می کنند کاندیداهای اصلی سیستم های نوری و نانوفوتونیک قابل تعویض هستند و تحقیقات گسترده ای را پشت سر گذاشته اند. چنین موادی می توانند در طی انتقال از یک فلز به یک فاز دی الکتریک ، تغییراتی در خصوصیات نوری ایجاد کنند و سیستم های پلاسمونیک فعال و نوری قابل تغییر را تشکیل دهند. در این کار ، کارست و همکاران منیزیم (Mg) را به عنوان سیستم متریال نمونه انتخاب کرد ، زیرا تحقیقات گسترده ای را عمدتا در زمینه دریافت کرده است ذخیره هیدروژن . منیزیم در حالت فلزی اولیه خود ، یک ماده عالی پلاسمونیک است. هنگامی که عنصر در معرض هیدروژن قرار می گیرد (H ۲ ) ، یک انتقال فاز از Mg فلزی به دی هیدرید منیزیم دی الکتریک (MgH ۲ ) ایجاد می شود تا یک شکل بسیار شفاف ایجاد کند مواد دی الکتریک فاز MgH ۲ در یک انتقال کاملاً چرخشی به حالت Mg فلزی برگشت پذیر است. این مفهوم به محققان این امکان را می دهد تا رزونانسهای پلاسمونی نانوساختارهای منیزیم را خاموش و روشن کنند ، برای استفاده در سطوح متغیر قابل تغییر (به صورت Mg-to-MgH ۲ ) ، پویا هولوگرافی یا در نمایشگرهای رنگی پلاسمونیک .

تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو
فرآیند انتشار هیدروژن در مقیاس نانو ، همچنین تصاویر دامنه پراکندگی مربوطه را نشان می دهد. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0566

در طول آزمایشات ، دانشمندان از شبکه های طلا استفاده کردند که با فیلم ۲ تا ۳ نانومتری پالادیوم (Pd) پوشانده شده است. PD به عنوان یک لایه کاتالیزوری عمل می کند تا مولکول های هیدروژن را شکافته و انتشار را در فیلم Mg امکان پذیر کند. این تیم از تیتانیوم (Ti) برای جلوگیری از ایجاد آلیاژ بین Mg و Pd ، که می تواند یک مانع انتشار هیدروژن تشکیل دهد ، استفاده کرد. در تنظیم آزمایشی ، گاز هیدروژن به فیلمهای نازک مستقل دسترسی پیدا کرد ، در حالی که Mg برای میکروسکوپ نوری نزدیک میدان اسکن از نوع پراکنده قابل دسترسی است (s-SNOM) اندازه گیری ها. کارست و همکاران نوک s-SNOM را در سطح منیزیم در معرض اسکن قرار داد تا دینامیک زمان تشکیل هیدرید و انتشار هیدروژن به فیلم را با وضوح نانومتر بررسی و بررسی کند. هنگامی که آنها فیلم را در غلظت هیدروژن در دو درصد نیتروژن قرار دادند (N ۲ ) ، فیلم Mg فلزی بسیار بازتابنده به دی الکتریک MgH ۲ تبدیل شد که به رنگ سیاه ظاهر می شد.

اندازه گیری s-SNOM دو کمیت اصلی ، اطلاعات توپولوژیکی و اطلاعات مربوط به خصوصیات نوری محلی را نسبت به ارائه داد. عملکرد دی الکتریک پیچیده . سپس تیم به طور شطرنجی قوطی میکروسکوپ نیروی اتمی را در تنظیمات s-SNOM در سطح نمونه اسکن کرد تا تحویل دهد توپوگرافی سطح . تکنیک های دمدولاسیون و ردیابی به آنها امکان می دهد تا اطلاعات مربوط به خواص محلی را با وضوح مقیاس نانو بدست آورند. به منظور بررسی خصوصیات محلی مواد ، کارست و همکاران نوک را با یک میدان نوری قوی روشن کرده و دامنه پراکندگی را تحت تأثیر تغییرات توپوگرافی فیلم و خواص محلی قرار داده است. با این حال ، مرحله پراکندگی برای مناطق منیزیم (آبی) و MgH ۲ (قرمز) با توجه به مشخصه فونون مادون قرمز MgH ۲ ، کنتراست فاز قوی نشان داد ، تا یک مجزا را به تصویر بکشد امضای مناطق هیدروژنه در مقایسه با مناطق فلزی. بر اساس یافته ها ، کارست و همکاران بیشتر هیدروژناسیون فیلمهای منیزیم مستقل را با بررسی نقشه های فاز پراکندگی با همپوشانی نقشه های فاز با نقشه های مرز دانه ، برای تجسم جذب هیدروژن درجا در منیزیم در مراحل زمان انتخاب شده مطالعه کرد.

  • تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو
    ظاهر نزدیک میدان انتقال فاز Mg-MgH2. (A تا D) اندازه گیری s-SNOM که همان منطقه فیلم ۵۰ نانومتری Mg را در حالت بکر و بعد از ۱۰ دقیقه هیدروژناسیون در دمای اتاق نشان می دهد. (الف) توپوگرافی انبساط نانوبلورهای منفرد فیلم منیزیم پلی کریستالی را در حین هیدروژناسیون نشان می دهد. (B) فmech فاز مکانیکی مرزهای دانه ای مشخصی را بین نانوکریستال های جداگانه فیلم Mg پلی کریستالی نشان می دهد. با استفاده از فیلتر تشخیص لبه ، ماسک این مرز دانه ها را استخراج می کنیم. (C) دامنه پراکندگی s4 (چهارمین مرتبه تخریب) هنگام تغییر منیزیم فلزی به دی الکتریک MgH2 کاهش می یابد. با این حال ، دامنه پراکندگی نیز بسیار تحت تأثیر زبری سطح قرار دارد ، زیرا مرزهای دانه در اسکن های دو بعدی (۲D) رسم شده در (C) قابل مشاهده است. این امر منجر به عدم دقت در تعیین محل Mg به MgH2 می شود ، زیرا هر دو ، تغییر در خصوصیات نوری و تغییر در مورفولوژی / زبری سطح ، دامنه پراکندگی را تغییر می دهد. (D) فاز پراکندگی φ۴ یک تضاد ماده بسیار بالایی را بین فلز منیزیم (شکل آبی) و دی الکتریک MgH2 (ظاهر قرمز) نشان می دهد. این با انجام اندازه گیری های s-SNOM در رزونانس فونون IR مشخصه MgH2 بدست می آید و اجازه می دهد بدون تأثیر توپوگرافی سطح ، تصویربرداری شیمیایی خاص از مقیاس نانو از انتشار هیدروژن انجام شود. تصاویر ۲ بعدی با ماسک مرز دانه از (B) پوشانده می شوند. (E) طیف های نانو-FTIR مرحله پراکندگی نزدیک میدان در منیزیم (آبی) و MgH2 (قرمز) گرفته شده است. طرح میانگین و SD چهار موقعیت را نشان می دهد. تشدید فونون مشخص MgH2 در v¯ = ۱۳۲۰ cm-1 به اوج خود می رسد و باعث اختلاف حداکثر فاز پراکندگی Δφ ≈ ۱۳۰ درجه بین MgH2 و Mg می شود. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0566
  • تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو
    تصویربرداری شیمیایی در مقیاس نانو درجا از پویایی انتشار هیدروژن به یک فیلم نازک ۵۰ نانومتری ما تصاویر ۲D s-SNOM از مرحله پراکندگی φ۴ را در چندین مرحله از زمان بارگذاری هیدروژن رسم می کنیم. همه اسکن ها با فرکانس روشنایی v¯ = ۱۲۸۰ cm − ۱ انجام می شوند. مناطق هیدروژنه (دی الکتریک MgH2) منجر به جابجایی زیادی از فاز نوری در مقایسه با منیزیم فلزی می شود ، همانطور که با انتقال آبی به قرمز مشاهده می شود. یک پوشش با ماسک های مرز دانه امکان ردیابی عالی از تشکیل MgH2 و مطالعه دقیق مکانیسم انتشار هیدروژن در فیلم های نازک Mg را فراهم می کند. در می یابیم که تشکیل هیدرید در مرز دانه ها هسته ای شده و به دنبال آن روند رشد این مراکز هسته ای دنبال می شود. جبهه هیدروژناسیون از دانه به دانه پیشرفت می کند تا زمانی که کانالهای MgH2 در سراسر سطح فیلم تشکیل شده است. تشکیل فاز متوقف می شود ، اگرچه سطح کاملاً از Mg به MgH2 تغییر داده نشده است. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0566
  • تماشای پویایی انتشار هیدروژن درجا در منیزیم در مقیاس نانو
    انبساط عمودی در هنگام هیدروژناسیون. (الف) توپوگرافی فیلم نازک میلی گرم پس از ۲ ، ۱۰ ، ۲۰ و ۶۰ دقیقه قرار گرفتن در معرض هیدروژن. اول ، قله های کوچک به نظر می رسد. هرچه هیدروژناسیون بیشتر طول بکشد ، سطح زمخت و ناهموارتر می شود. (B و C) تصاویر دو بعدی از گسترش عمودی موضعی و هیستوگرام آنها برای همان مراحل زمانی (A) که گسترش عمودی محلی بیش از ۶۰٪ را نشان می دهد. گسترش عمودی متوسط ​​با تلفیق هر هیستوگرام محاسبه می شود. (D) انبساط عمودی متوسط ​​در برابر زمان. برای یک فیلم منیزیم کاملاً هیدروژنه ، انتظار می رود که انبساط ۳۰٪ باشد. از آنجا که جذب هیدروژن در فیلم ۵۰ نانومتری منیزیم اشباع شده در حالی که هنوز مناطقی از منیزیم فلزی باقی مانده بود ، ما به حداکثر گسترش عمودی تقریباً ۲۵٪ می رسیم. این را می توان با انتشار جلو هیدروژناسیون در جهت عمودی از طریق فیلم Mg توضیح داد. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aaz0566

تجزیه و تحلیل بیشتر به این گروه اجازه داد تا بین پویایی انتشار فاز هیدرید نانوسکوپی و ماکروسکوپی در منیزیم تفاوت ایجاد کند تا هیدروژناسیون را در مقیاس دانه منفرد ارائه دهد. انتشار هیدروژن در فیلمهای منیزیم به مورفولوژی مواد بستگی دارد. پس از هر دانه منفرد ، هیدروژناسیون فیلم متوقف می شود و امکان هسته گیری جدید قبل از دانه بعدی فراهم می شود. با این وجود ، حتی پس از ۶۰ دقیقه هیدروژناسیون ، تیم مقادیر قابل توجهی از منیزیم فلزی بکر را در سطح فیلم مشاهده کرد که با ادبیات قبلی در مورد Mg. کارست و همکاران این رفتار را به عوامل مختلفی نسبت داد ، از جمله لایه مسدود کننده تشکیل شده برای متوقف کردن پیشرفت عمودی هیدروژن در تنظیمات ، که ممکن است سطح را در یک حالت بکر باقی بگذارد. آنها همچنین به تغییر مورفولوژی فیلم و گسترش فیلم در مواجهه با هیدروژن به عنوان عوامل موثر اشاره کردند.

به این ترتیب ، جولیان کارست و همکارانش با استفاده از s-SNOM پویایی انتشار هیدروژن در مقیاس نانو را بررسی کردند. بر اساس تشدید فونون IR مشخصه MgH ۲ ، آنها به ویژگی های شیمیایی امکان پیگیری تشکیل هیدرید ، هسته و رشد جانبی را دادند. این روند بسیار تحت تأثیر مورفولوژی مقیاس نانو فیلم Mg قرار گرفت ، که همچنین عامل انتشار آهسته هیدروژن در کل فیلم. تیم تحقیقاتی نحوه متوقف شدن فرآیند هیدروژناسیون قبل از تغییر کل فیلم را نشان داده و مناطقی از فلز منیزیم را در دی الکتریک MgH ۲ ترک کرد. این یافته ها برای طیف وسیعی از سیستم های نوری و پلاسمونیک فعال با استفاده از منیزیم و سایر مواد انتقالی تأثیر فوری دارند. این کار یک گام مهم به جلو برای تقویت و درک سینتیک انتشار ، پویایی و کارایی تغییر فاز در بین مواد قابل تعویض است.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا