Jak laserem zrobić kompozyt?

Transkrypt

1 Jak laserem zrobić kompozyt? Żaneta Świątkowska-Warkocka Zakład Materiałów Magnetycznych i Nanostruktur (NZ34) Seminarium IFJ Kraków,

2 Plan Motywacja (cząstki hybrydowe i laser) Cząstki FM/AFM Stopy Formowanie (fizyczne i chemiczne procesy) Czynniki wpływające na struktrę Cząstki porowate Podsumowanie 2

3 Cząstki hybrydowe Składnik 1 Składnik 2 Hybryda Wiele funkcji Nowe funkcje Wzmocnione własności Rdzeń-otoczka Mieszanina Stop

4 Dlaczego laser? POWSZECHNIE STOSOWANE TECHNIKI: Mikroemulsja surfaktanty (trudne do usunięcia) Dekompozycja termiczna surfaktanty (trudne do usunięcia) Depozycja gazowa wysoka temperatura LASEROWE NAŚWIETLANIE W CIECZY: W temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem Prosta, jednokrokowa Wolna od toksycznych czynników Elastyczna modyfikacja cząstek 4

5 Synteza laserowa w cieczy Wiązka światła lasera Ciecz Topienie Fragmentacja Ablacja Nanocząstki Tarcza 5

6 Ablacja laserowa w cieczach Duża gęstość energii (> 10 J/cm 2 impuls) Płaska tarcza Duża gęstość energii & wybuchowe formowanie cząstek 6

7 Topienie laserowe w cieczach Laser Nd:YAG Mała gęstość energii < 0.5 J/cm 2. impuls Nanocząstki w cieczy Lokalne, selektywne ogrzewanie nanocząstek 7 Nanocząstki topią się, łączą i tworzą submikronowe sferyczne cząstki

8 Cząstki FM/AFM 8

9 Polaryzacja wymiany (EB) Granica faz fc Ferromagnetyk (FM) Antyferromagnetyk(AFM) Polaryzacja wymiany zfc Ważne parametry: Granica faz stosunek faz FM/AFM anizotropia Zastosowania: Magnesy stałe Zapis danych 9

10 Struktury z polaryzacją wymiany Cienkie warstwy Struktura nakrapiana Nanocząstki (rdzeń/otoczka) Nanocząstki w matrycy 10

11 Ferro- i antyferromagnetyki Ferro(ferri)magnetyki: Fe 3 O 4 γ-fe 2 O 3 Fe Ni Co Antyferromagnetyki: α-fe 2 O 3 FeO NiO CoO Kompozyty z polaryzacją wymiany 11

12 Cząstki FM/AM Laser Nd:YAG 532 nm, 10 Hz 355 nm, 10 Hz Nanocząstki tlenków metali : Fe 3 O 4 NiO Mieszanina Octan etylu Cel: Co wpływa na wartość polaryzacji wymiany? 12

13 Przykłady cząstek FM/AM Od NiO do NiO/Ni Octan etylu, 532 nm, 130 mj/impuls. cm Ni 200nm 200nm 500nm relative fraction NiO 20 min 30 min 90 min Od Fe 3 O 4 do Fe 3 O 4 /FeO 100nm 100nm 50nm 33 mj/cm mj/cm mj/cm 2 relative fraction time [min] Octan etylu, 355 nm, 60 min Fe 3 O 4 500nm 20 FeO fluence [mj/pulse. cm 2 ]

14 Typowe pomiary magnetyczne 0.4 M [emu] K 300 K 5 K f.c. in 50kOe M [emu] <5K zfc> H c =730 Oe <5K fc> H exch =1440 Oe H c k -20.0k k 40.0k H [Oe] -0.2 H exch Fe 3 O 4 /FeO= 15% / 85% -0.4 Hc -4k -3k -2k -1k 0 1k Koercja H [Oe] Hexch Pole polaryzacji wymiany 14

15 Magnetyczne własności cząstek AFM/FM coercivity [Oe] NiO/Ni FeO/Fe 3 O relative fraction of NiO [%] 76%/24% 80%/20% sferyczna exchange bias [Oe] coersivity [Oe] relative fraction of FeO [%] 2k 1k exchange bias [Oe] AFM>>FM Sferyczne cząstki homogeniczne duży EB15

16 Stopy 16

17 Stopy Au, Cu/M międzymetaliczne cząstki katalityczne, optyczne, magnetyczne własności Au, Cu z Fe, Co, Ni Niemieszalne w warunkach równowagowych środowisko Cel: Synteza stopów metali niemieszalnych w warunkach równowagowych 17

18 Diagram fazowy dla systemu Au-Co Temperatura [ o C] 1270 K Ciecz 2.5 at. % fcc fcc 23 at.% hcp 1473 K Au Skład [at. % Co] 0.05 at. % Co 18

19 Cząstki hybrydowe Laser Nd:YAG 532nm, 30Hz Nanocząstki Au Nanocząstki tlenków kobaltu: Co 3 O 4 /CoO Stop? Etanol Cel: Synteza stopu AuCo 19

20 Rozmiar zależność od gęstości energii i czasu Au 100 mj/impuls. cm mj/impuls. cm 2 2 h 500 nm 390 nm 2 h 700 nm 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm 1 h 308 nm 1 h 500 nm 590 nm 500 nm 500 nm 500 nm Gęstość Czas energii wzrasta rośnie Rozmiar Rozmiar wzrasta rośnie 20

21 Skład zależność od gęstości energii i czasu 100 mj/impuls. cm mj/impuls. cm 2 Au 2 h 1,0 0,8 0,6 0,4 2 h 500 nm 500 nm 0,6 500 nm 1,0 0,8 0,4 0,2 0,0 1, ,2 0,0 1, ,8 0,8 500 nm 500 nm 1 h 0,6 0,4 1 h 0,6 0,4 0,2 0, θ [deg] 2 θ [deg] Gęstość Czas zwiększa energii rośnie się Skład Skład zmienia się się 0,2 0,0

22 Stopy - niemieszalne w warunkach równowagi AuNi Au NiO 56% of Ni 500 nm 322 nm 200 nm 532nm, 195 mj/impuls. cm 2, 1h, etanol 22 CuFe Cu Fe 3 O nm 1000 nm 532nm, 170 mj/impuls. cm 2, 1h, etanol

23 Model topnienie-odparowanie-chłodzenie Nieciągłość czasowa Nieciągłość przestrzenna 23

24 Model topnienie-odparowanie-chłodzenie Energia pochłaniana przez cząstkę w czasie jednego impulsu: λλ EE aaaaaa = JJσσ aaaaaa (dd pp ) J gęstość energii, λλ przekrójczynny na absorpcję, σσ aaaaaa dd pp średnica cząstki Energia pochłonięta przez cząstkę zostaje zużyta na jej ogrzewanie, stopienie i odparowanie TT E abs = mm pp mm TToo CC ss TT pp TT dddd + HH mm + bb ll TTmm CC pp TT dddd + HH bb = mm pp CC ss pp TT mm TT oo + HH mm + CC ll pp (TT bb TT mm ) + HH bb m masa, C pojemność cieplna, T temperatura, HH mm,bb ciepło (topnienia, parowania) 24

25 rytyczna gęstość energii a wielkość cząstek Critical laser fluence J [J/pulse*cm 2 ] Au G L+G Particle diameter d p [ nm] L J4 J3 J2 J1 S+L S Model topnienie-odparowanie-chłodzenie/krzepnięcie 25

26 Formowanie cząstek hybrydowych Redukcja M x O y MO M Dyfuzja Hartowanie Model topnienie-odparowanie-chłodzenie/krzepnięcie 26

27 Czynniki wpływające na strukturę 27

28 Cząstki hybrydowe Laser Nd:YAG 532nm, 30Hz Nanocząstki Au Nanoczastki tlenków M: Fe 3 O 4 Co 3 O 4 /CoO NiO Etanol Rdzeńotoczka Mieszanina Stop Cel: Co wpływa na wewnętrzną strukturę? 28

29 Formowanie sferycznych cząstek Au Fe Fe 3 O Au NiO Au Co 3 O 4 /CoO 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm 532nm, 100 mj/impuls. cm 2, 1h (b) 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm Cząstki sferyczne. Wewnętrzna struktura? 29

30 Wewnętrzna struktura 1,0 * 0,5 FeO # * # 1,0 0,5 1,0 0,5 0, θ [deg] FeO 0, θ [deg] 0, θ [deg] Au/Au-Fe Au/Au-Ni Au-Co30

31 Rdzeń-otoczka Energia powierzchniowa Energia powierzchniowa: Au>Fe 3 O 4 Au Fe 3 O 4 Co 3 O 4 Au CoO Au Fe 3 O 4 NiO Au Surface energy [J/m 2 ] 31

32 Rdzeń-otoczka Efektywność absorpcji Absorption efficiency eff abs 532 (dp ) Au Fe 3 O Particle diameter d p, nm d<200 nm eff(au)>eff(fe 3 O 4 ) 32

33 Rdzeń-otoczka Efekt redukcji FeO NiO 100 mj/impuls. cm 2 1,0 * 0,5 FeO 0, θ [deg] # * # CoO Activation energy [kj/mol] 1,0230 mj/impuls. cm 2 0,5 Energia aktywacji: FeO>NiO, CoO 0,

34 Rdzeń-otoczka czy stop Absorpcja Au + Fe 3 O 4 Energia powierzchniowa Fe 3 O 4 FeO+Fe Niska gęstość en. Wysoka gęstość en. Fe Rdzeńotoczka Stop Segregacja Redukcja & dyfuzja Dyfuzja Wysoka absorpcja Wysoka temp. Stop 34

35 Stop Efekt rozmiaru Au 20 nm Au Rozmiar Au maleje Au 5 nm Co 3 O 4 0,5 Mieszanina 0,5 Stop Au-Co 0, θ [deg] 0, θ [deg] 532nm, 100 mj/pulse. cm 2, 1h 35

36 Stop Gęstość energii (J) Au NiO 100 mj/impuls. cm 2 J wzrasta 195 mj/impuls. cm 2 1,0 0,5 * # Mieszanina * # 1,0 0,5 Stop Au-Ni Si 0, θ [deg] 0, θ [deg] 532nm, 1h 36

37 Stop Stosunek molowy Au Co 3 O 4 1,0 0,5 Au:tlenek M 1:1 * Mieszanina # * # Ilość Au wzrasta 1,0 0,5 Au:tlenek M 10:1 Stop Au-Co 0, θ [deg] 532nm, 100 mj/pulse. cm 2, 1h 0, θ [deg] 37

38 Mieszanina czy stop Stosunek molowy 1:1 Rozmiar nanocząstek Au=tlenek M Mieszanina x x Stop Au Wysoka absorpcja Wysoka temp. Stop 38

39 Porowate cząstki złota 39

40 Porowate cząstki złota Porowate cząstki Au: plazmonowe strojenie wzmocnienie pola elektrycznego Zastosowanie: Kataliza ogniw paliwowych Biosensory Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana 40

41 Cząstki porowate Synteza Au+Fe 3 O Laser 500 nm Transmittance [%] Wave length [nm] trawienie chemiczne Porous structure Cel: Co determinuje porowatą strukturę? 41

42 Cząstki porowate Efekt rozmiaru Au Fe 3 O 4 532nm, 100 mj/impuls. cm 2, 1h, etanol 300nm 500nm 500nm Struktura mózgu Struktura kwiatka Struktura klatki 500 nm 500 nm 500 nm 42

43 Cząstki porowate Gęstość energii, ciecz 100 mj/impuls. cm mj/impuls. cm 2 500nm etanol 500nm 500nm Octan etylu Struktura mózgu Struktura mózgu Struktura maliny 500 nm 500 nm 43

44 Podsumowanie Topienie laserowe w cieczach: Cząstki hybrydowe: kompozyty (rdzeń-otoczka, mieszaniny) i stopy Parametry determinujące formowanie struktury rdzeń-otoczka: Energia powierzchniowa Energia aktywacji Efektywność absorpcji Parametry determinujące formowanie stopów: Rozmiar nanocząstek Stosunek molowy naświetlanych nanocząstek Efektywność absorpcji Parametry determinujące porowatą strukturę: Gęstość energii Ciecz Rozmiar nanocząstek 44

45 Podziękowania Dr Kenji Kawaguchi Dr Kenji Koga Dr Alexander Pyatenko Dr Yoshiki Shimizu Prof. Naoto Koshizaki Shota Sakaki Dr hab. Marta Wolny - Marszałek Dr hab. Małgorzata Kąc Dr Marzena Mitura-Nowak Dr Marcin Perzanowski Dr Katarzyna Suchanek Dr Arkadiusz Zarzycki Dr Beata Grabowska-Polanowska Dr Alexey Maximienko Dr Tatiana Itina Dr Stephane Mottin 45

46 Dziękuję za uwagę