Shema de realizare a proiectului PN 18 13 01 02 - Etapa a III-a
Faza nr. 13
Responsabil: Dr. Sorin Vizireanu
Termen de predare: 10.12.2018
Titlu: "Identificarea unor configuraţii şi a condiţiilor experimentale de modificare în plasmă a materialelor pe bază de grafenă"
Rezumat: Scopul experimentelor din această etapă a fost realizarea şi testarea mai multor configuraţii experimentale care utilizează plasma pentru modificarea materialelor grafenice. Este bine cunoscut faptul că cea mai răspandită metodă de sinteză la scală mare a grafenelor este metoda Hammer simplă sau modificată. Prin folosirea acestei metode sunt obţinute grafene oxidate (GO), ulterior fiind parcurşi numeroşi paşi intermediari de reducere parţială sau totală a oxidului (rGO).
Până ȋn prezent au fost raportate numeroase procedee de reducere a GO la grafene, şi anume: a) reducere chimică cu diferiți agenți reducători (foarte toxici şi explozivi), b) reducere termică (la temperaturi foarte mari de peste 1000 oC), c) reducere electrochimică (foarte costisitoare), d) precum şi reducere în plasmă (care nu este la îndemana tuturor). In vederea evitării unor substanţe chimice periculoase, precum şi a folosirii unor instalații costisitoare şi mari consumatoare de energie, ne-am propus identificarea unor configuraţii cu plasmă simple şi eficiente de tratarea a GO în vederea reducerii.
Astfel, am folosit trei tipuri de instalaţii de descărcare în gaze la presiune joasă şi anume instalaţii cu: electrozi plan paraleli (de 5 şi respectiv 10 cm în diametru), cu tub de descărcare cu electrozi exteriori, realizat prin adaptarea unui cuptor de cuarţ care ajunge până la 1100 oC, precum şi un jet de plasmă direcţionat către un cuptor încălzit la 700 oC.
Plasma a fost generată folosind un generator RF (13,56 MHz), în diferite amestecuri de gaze (Ar, Ar/H2, Ar/NH3, etc). In plus pentru obţinerea filmelor pe bază de grafenă din suspensii şi intindere uniformă a acesteia, în prealabil au fost hidrofilizate substraturile de siliciu şi oxid de siliciu prin tratarea acestora cu sursa de plasmă DBD planară sau printr-o descărcare în vid între doi electrozi plan-paraleli. Au fost testate mai multe metode de depunere a GO din suspensii pe diferite substraturi, cel mai eficient mod fiind metoda drop-cast (din picături cu volum controlat).
În urma tratamentelor în plasmă a GO depuse pe substraturi s-a observat prin investigaţii XPS şi EDS o modificare a compoziţiei chimice a materialelor tratate, precum şi a grupărilor chimice de la suprafață. In schimb morfologia foliilor grafenice a rămas neschimbată aşa cum a reieşit din analizele SEM. Prin folosirea în descărcare a hidrogenului sau a amoniacului s-a reuşit reducerea în mare proporţie a oxigenului din GO. În urma tratamentului cu amoniac, pe lângă reducerea oxidului am observat şi introducerea azotului în stratul de grafenă, fapt ce poate aduce multe îmbunătățiri ale caracteristicilor materialului tratat, cum ar fi creșterea conductivităţii electrice sau a capacităţii de stocare a energiei, comparativ cu GO inițial (care poate fi chiar izolator electric în funcţie de cantitatea de oxid). Folosirea unui tratament termic (de 400 oC) în paralel cu tratamentul cu plasmă îmbunătăţeşte gradul de reducere, in schimb rezultate similare se pot obţine crescând timpul de tratament (de la 5 la 10 minute) şi puterea (de la 20W-la 50W), în acest ultim caz existând pericolul degradării structurii materialului grafenic.
Au fost elaborate protocoale de tratament al grafenelor pentru fiecare dintre configuraţiile testate. Instalațiile testate (realizate pe parcursul acestei etape sau deja existente) au fost eficiente în obţinerea materialelor grafenice reduse.
Faza nr. 14
Responsabil: Dr. Mihaela Filipescu
Termen de predare: 10.12.2018
Titlu: "Creşterea (prin PLD şi RF-PLD) şi caracterizarea de filme subţiri de ceria cu diferite arhitecturi şi morfologie controlată"
Rezumat: În prezent, oxidul de ceriu (CeO2) este intens studiat datorită multitudinii de aplicaţii în microelectronică, în optoelectronică sau în biologie. Numărul de aplicaţii posibile ar fi chiar mai mare dacă nanocristalele ar putea fi sintetizate în forme mai complexe decât cele obisnuite, cum ar fi sfere, tije, discuri, fibre.
În acestă etapă a fost identificată metoda potrivită de creştere de filme subtiri de oxid de ceriu cu morfologie controlată şi diferite arhitecturi; atât depunerea laser pulsată, cât şi depunerea laser pulsată asistată de o plasmă de radio-frecvenţă s-au dovedit a fi utile în obţinerea de structuri 3D sau 2D de oxid de ceriu.
Structurile de oxidice (structuri tringhiulare 2D, structuri piramidale 3D, structuri conice cu vârf rotunjit, structuri piramidale cu margini ascuţite, structuri de tip „ţepi”, structuri piramidale cu o faţetă netedă, lamelară) au fost complet caracterizate din punct de vedere morfologic, structural şi optic.
Faza nr. 15
Responsabil: Dr. Florian Dumitrache
Termen de predare: 10.12.2018
Titlu: "Sinteza de nanoparticule de carbon dopate cu N, B, S cu suprafaţă specifică ridicată şi caracterizarea morfo-structurală a acestora funcţie de parametrii de sinteză"
Rezumat: Doparea cu heteroatomi, în special a materialelor carbonice, a atras atenția în ultimii ani, fiind considerată ca fiind una dintre cele mai eficiente strategii de îmbunătățire a comportamentului capacitanţei materialelor carbonice poroase. În ceea ce priveşte heteroatomii de azot sau sulf, diferenţa de electronegativitate dintre atomii de N, S sau C conduce la o suprafaţă polarizată mai mare, asigurând în consecinţă umectabilitatea suprafetei carbonului, ceea ce va asigura o rată de transfer mai rapidă a ionilor electrolitici. Pe de altă parte, dopajul cu heteroatomi, cum ar fi azot, fosfor, sulf și bor, poate modifica mediul local de legatură și distribuția electronilor de pe suprafața carbonului, promovând astfel conductivitatea electronică și reactivitatea electrochimică. Obiectivul fazei a fost realizarea de studii parametrice privind sinteza de nanopulberi de carbon dopate cu N, B şi S prin tehnica de piroliză cu laserul. Experimentele au fost realizate pe o instalaţie de piroliză prevazută cu un laser cu CO2 de 350W care funcţionează în regim de lucru cvasi continuu la lungimea de undă de 10.6 microni. Particulele de carbon dopate cu azot cu dimensiuni nanometrice au fost obţinute prin piroliză indusă cu laserul din 1,3 diaminopropan (DAP) sau 1,2 diaminoetan (EDA), atât ca donor de carbon cât şi ca donor de azot, acetilena (donor de carbon), şi amoniacul (cu dublu rol: senzitivant şi donor de azot). Particulele de carbon dopate cu bor au avut ca sursă de dopant un amestec de B2H6 şi H2. Particulele de carbon dopate cu sulf au avut ca sursă de dopant S2(CH3)2. Pulberile obţinute au fost investigate exhaustiv prin: XRD, SEM, TEM, Raman, XPS, EDX, etc. Nanoparticulele elementare au dimensiuni de câţiva zeci de nm, o structură turbostratică şi o suprafaţă specifică BET cuprinsă între câţiva zeci şi până la 200 de m2/g.