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方法論記事

熱電波の研究における化学燃料と多層カーボンナノチューブのハイブリッド複合材料の作製と評価

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DOI:

10.3791/52818

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2015年4月10日

 ,  ,  ,  , 
1School of Mechanical Engineering, Korea University

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

熱波の実験を実施するためのプロトコルが提示されます。化学燃料とマイクロ/ナノ構造材料のハイブリッド複合材料の合成、熱電波発生器の製造、および対応する物理現象の測定方法について説明します。

要約

燃料及びマイクロ/ナノ構造材料のハイブリッド複合材料の特定の位置における化学燃料が点火されると、化学燃焼、燃料とコア材料間の界面に沿って生じる。同時に、マイクロ/ナノ構造材料を横切る熱及び化学ポテンシャルのダイナミックな変化は、高出力の電圧パルスの形態で、電荷移動によって誘導される付随する電気エネルギーの生成をもたらす。私たちは、合成からの評価を、熱電波実験の全体​​の手順を示しています。熱化学気相成長法および湿式含浸プロセスは、それぞれ多層カーボンナノチューブアレイとピクリン酸/アジ化ナトリウム/多層カーボンナノチューブのハイブリッド複合体の合成に使用される。調製されたハイブリッド複合体は、接続電極と熱電波発生器を製造するために使用される。ハイブリッド複合材料の燃焼はレーザ加熱またはジュール加熱し、目によって開始され、燃焼伝播、直接的な電気エネルギーの生成、およびリアルタイムの温度変化に対応した電子は、それぞれ、高速顕微鏡システム、オシロスコープ、及び光高温計を用いて測定される。また、全体的な熱電波エネルギー伝達を向上させるそれらの燃焼のハイブリッド複合材料および開始の合成に採用されるべき重要な戦略が提案されている。

概要

非常に高いエネルギー密度を有し、広くマイクロシステムからmacrosystemsに幅広い用途で有用なエネルギー源として使用されてきた。特に1化学燃料は、多くの研究者は、次世代のマイクロ/ナノシステムのエネルギー源として化学燃料を使用するように努めているベースの技術2が、マイクロ/ナノデバイスが極めて小さい空間にエネルギー変換コンポーネントを統合することが困難のために、電気エネルギーに化学燃料への変換の基本的な限界がある。したがって、化学燃料の燃焼は、主にnanothermitesまたはマイクロアクチュエータとしてのマイクロ/ナノデバイスにおける化学的または機械的エネルギーの生産のために採用されている。1,3

熱電波、新しく開発されたエネルギー変換電気エンに直接燃料の化学エネルギーを変換するための方法として注目されている概念は、任意の変換コンポーネントを使用せずにRGY。4,5-熱電波は化学燃料のハイブリッド複合材料、マイクロ/ナノ構造材料を用いて作製することができる。ハイブリッド複合材料の特定の位置における化学燃料が点火されると図5に示すように、化学的燃焼に沿って発生する化学燃料とマイクロ/ナノ構造物質との間のインターフェース。同時に、高出力電圧パルスの形の電荷移動により誘導された付随電気エネルギー生成におけるコアマイクロ/ナノ構造物質の結果を横切る熱及び化学ポテンシャルのダイナミックな変化。このような多層カーボンナノチューブ（MWCNT）4-6及びZnO 7のBi 2 Te 3の、8のSb 2 Te 3の、 図9及びMnO 2のような多様なマイクロ/ナノ構造材料は、10マイクロ/ナノ構造材料は、ハイブリッド複合体を可能にすることが証明されている熱電波を利用し、化学熱electriを表示するCALエネルギー変換。具体的には、高いゼーベック係数を有するコア材料は、単独で伝播燃焼から高出力電圧の生成を可能にする。しかしながら、このような化学燃料、燃料/コア材料の質量比、製造プロセス、および点火状態の混合物として同一の複合材料に関連する他のパラメータは、批判的に熱電波の全体の特性に影響を与える。

ここで、我々は、製造プロセス、整列化学燃料の生成、および燃料/コア材料の質量比は、熱電波のパフォーマンスに影響を与えるかを示す。熱化学気相成長（TCVD）によって作製MWCNT配列に基づいて、我々は、化学燃料とのMWCNTのハイブリッド複合材料は、熱電波エネルギー生成のために準備されるかを示す。エネルギー変換の評価を可能にする実験の設計は、燃焼などの処理のための実験的な測定値を対応するとともに導入さpropagati上と直接電気エネルギーの生成。また、我々は、極性動的出力電圧および特定のピークパワー決定的に電気エネルギー変換を決定することにより、分布を説明したことを示している。この研究では、エネルギーの生成を高めるために特定の戦略を提供し、熱電波の基礎となる物理学を理解するのに役立つだろう。さらに、ここで説明した製造工程及び実験は、熱電波の研究の機会を拡張するだけでなく、化学的、熱電エネルギー変換に役立つ。

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プロトコル

垂直配向多層カーボンナノチューブの合成1（VAMWCNTs）

  1. ウエハの調製と触媒層の堆積
    1. n型（100）Siウェハを準備します。
    2. 熱酸化やスパッタ法等の代替的な方法によってSiウエハ上に250nmの厚さのSiO 2層を堆積させる。水平炉内で1000℃で3時間20分間、O 2を200sccmのを注入する。
    3. マルチスパッタ（RFパワー：1,000 W）として（99.9％）2 O 3のバルクのAlを使用する場合は、ソースとSiO 2層上に膜厚10nmのAl 2 O 3（99.9％）の層を堆積させる。 2×10 -2ミリバールの堆積圧力では10nm /分の遅い堆積速度を使用してください。
    4. 電子ビーム蒸発器を使用することによって、ソースなどのバルクのFe（99.9％）を使用し、およびAl 2 O 3層の上に厚さ1nmのFe層を堆積させる。 5×10 -6トルの堆積圧力で〜0.1nm /秒の遅い堆積速度を使用してください。
    5. ダイヤモンドスクライバーを使用して28ミリメートル×15ミリメートルサイズにはFe / Al 2 O 3の/ SiO 2の/ Siウエハーをカットします。
      注：VAMWCNT配列の所望の大きさに応じて、鉄/のAl 2 O 3 / SiO 2の/ Siウエハの大きさを変化させることができる。
  2. MWCNT TCVDによる配列と自立MWCNT森林の準備の合成。
    1. 30ミリメートル×120ミリメートルの寸法を有している石英ボートの中心にはFe / Al 2 O 3の/ SiO 2の/ Siウエハを配置します。
    2. TCVDのセットアップ（ 図1A）の2インチの石英管の内側に石英ボートを置きます。
    3. 空気を除去し、Arで2インチの石英管を充填するために、周囲条件下で10分間Arガス900 SCCMを注入する。
    4. 30分で25℃から750℃まで炉内の温度を上昇させながらArガスを600sccmとH 2ガスを400sccmを注入する。
    5. Arガスを100sccmとH 2ガの400sccmのを注入10分間750℃でsはMWCNTの根としてのFeナノ粒子を処方する。
    6. Arガスを100sccm、H 2ガスを368 SCCM、および280分間750℃で、エチレン（C 2 H 4）ガスの147 SCCMを注入する。炭素源として作用するようにC 2 H 4ガスの分解を促進すると同時に、タングステンフィラメント（15 A：0.8 V、電流、電圧）によって石英管の入口にジュール加熱を適用する。これらの炭素源は、Siウェハ上のFeナノ粒子に付着したCNTに変換される。
    7. H 2ガス及びC 2 H 4ガスの注入を停止し、炉の電源を切ります。ウエハの温度が60℃を下回るまで、この手順の間、連続してArガスを100sccmを注入する。
    8. ウェハ上のMWCNTをを取り出します。 （ 図1B）：穏やか自立MWCNT林（3〜6ミリメートルの長さ）を得るために、ウェハからMWCNTアレイを分離する。

2。化学燃料とMWCNT薄膜のハイブリッド複合材料の合成

  1. 化学燃料の調製
    1. ピクリン酸（2,4,6-トリニトロフェノール）ソリューションとアジ化ナトリウム（NaN 3を） を準備します。
      1. ピクリン酸粉末（1気圧、24時間、25℃、）を得ピクリン酸溶液を蒸発させる。ピクリン酸粉末6gのを測定し、アセトニトリル100ml（262ミリモル）に溶解する。
      2. アジ化ナトリウム粉末の尺度6グラム、および脱イオン（DI）水（923ミリモル）100mlに溶解する。
  2. 湿式含浸を介して合成したハイブリッド複合体の特徴付け
    1. 天秤との個別MWCNT森の質量を測定し、SEM（ 図4A）によりMWCNT森林の整合構造を確認する。 15 kVの電圧と1,200Xの倍率を使用してください。整列構造は全体MWCNT森林にわたって維持されているかどうかを確認してください。
    2. トンで262 mMのピクリン酸溶液25μlを追加MWCNT森のOPは​​燃料が森の毛穴に浸透することを可能にする。 30分には、フィルム·アレイを縮小し、すべてのアセトニトリルが森（ 図1C）から蒸発するまでピクリン酸が完全に毛穴に浸透できるようにするためのものですように、サンプルのままにしておきます。
      注：化学燃料とMWCNTアレイとの間の目標比率に応じて、ピクリン酸溶液の濃度や量を変更します。
    3. 湿式含浸により2,4,6-トリニトロナトリウムフェノキシドおよびアジ化水素（燃料層）を形成する923 mMのアジ化ナトリウムの溶液25μlでピクリン酸でコーティングされたMWCNT森林を浸す。すべての溶媒が蒸発するまで30分間のサンプルのままにしておきます。
      注：化学燃料とMWCNTアレイとの間の目標比率に応じて、アジ化ナトリウム溶液の濃度や量を変更することができます。
    4. の質量比を計算するために天秤と燃料とのMWCNTの個々のハイブリッド複合体の質量を測定し、最終質量を比較する燃料層とのMWCNT。
      figure-protocol-1
      ここで、M hおよびM mは、それぞれ、個々のハイブリッド複合材料と個々のMWCNT膜の質量である。
    5. SEM（ 図5A）により燃料とのMWCNTのハイブリッド複合材料の整合構造を確認してください。製造元の指示に従って、操作条件のための圧力を低下させ、化学燃料凝集が明らかに整列MWCNT森林において観察されるまで、倍率を上げる。 MWCNTは上の燃料集合体の形状を確認してください。

熱電波発生器（図2）の3。製造業

  1. 熱電波から直接出力される電圧を測定するオシロスコープに接続するための電極として機能するようにスライドガラスの両端に銅テープを取り付ける。
  2. 銀のパによりハイブリッド複合材料の両端​​に銅テープを接続するTE滴。銀ペーストが硬くなり、接続が固定されるまで、サンプルのままにしておきます。
  3. ハイブリッド複合材料の電気抵抗を測定するためにマルチメータを使用してください。

熱電波の4測定（図3）

  1. ポリカーボネート室内に、安全のためにクランプを光学テーブル上に熱電波発生器を固定する。
  2. 出力電圧の測定のためにオシロスコープに銅電極を接続するためにワニ口クリップを使用してください。
  3. 発電機からの燃焼伝播を記録する：高速顕微鏡システム[ハイスピー​​ドカメラ（> 5000フレーム/秒）、マクロレンズ（105ミリメートル/ F2.8レンズ）、及びLEDランプのコンポーネント]を設定します。配置し、熱電波発生の前に、高解像度の画像を有する透明記録用LEDランプを点灯。 5000フレーム/秒の上に記録速度を設定します。
  4. 温度のリアルタイムの変化を記録するために、特定の位置での光高温計を配置ハイブリッド複合材料の。
  5. ハイブリッド複合材料に化学燃料に点火するために、レーザー照射またはジュール加熱のいずれかを適用する。
    1. ハイブリッド複合上の特定の位置にレーザー（<千MW）をフォーカス。燃焼が熱電波発生器で開始されるまで数秒間焦点を維持。
    2. 大電流電源とニッケルクロム線を準備します。高電流電源（動作条件：5 Vおよび3 A）にワイヤを接続し、ニッケル線を加熱する。燃焼が熱電波発生器で開始されるまでのハイブリッド複合上で加熱ニッケル線や化学燃料の間に穏やかな接触をしてください。
  6. 熱電波が発生器によって起動されると、高速な顕微鏡システム、オシロスコープ、及び光高温計からなる、測定セットアップをオンにします。
    1. 高速度カメラで設定録画フレームレート（5000フレーム/秒）。 thermopo開始時のトリガー記録WER波伝播。レコード高速顕微鏡システムの高速写真画像内のスナップショット、および熱電波伝播の開始から終了まで記録フレーム数を抽出し（総フレーム＃番号）。
    2. オシロスコープを使用して熱電波伝播の開始から終了までの電圧信号を記録します。出力電圧パルス（V）を抽出する。
    3. 対象地域を示すハイブリッド複合材料上の特定の位置に光高温計を集中し、温度（℃）の動的変化を測定する。
  7. 高速顕微鏡システム内の個々のフレームの反応フロントの位置を抽出することにより、反応の伝播速度を計算する。
    figure-protocol-2
    ここで、Lの時間は 、ハイブリッド複合体の合計の長さであり、n fは、nは0 <熱電波伝播の開始から終了まで記録されたフレームの数であり、かつ/サブ>は、記録フレームレートである。
  8. オシロスコープからの出力電圧データを抽出し、出力電圧パルスの最大ピーク電圧ならびに特定の電力を計算。ステップ3で測定した電気抵抗を使用してください。
  9. 光高温計を使用して温度変化を抽出します。

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結果

図4Aに示すように、熱電波のコア構造材料として整列MWCNTアレイは、TCVD、11〜13で合成した。として成長たMWCNTの直径は20〜30ナノメートル（ 図4B）である。ピクリン酸/アジ化ナトリウム/ MWCNTの整列のハイブリッド複合材料は、 図5Aに示されている。プロトコルセクションに記載したように、この複合体は、湿式含浸法によって14を合成した。化学燃料とMWCNTの間の界面を形成するために、ピクリン酸は、MWCNTアレイ内部の浸透を可能にするために、アセトニトリル（低表面エネルギー溶剤）に溶解した。さらに、アジ化ナトリウムを容易に点火するための薄いコーティングを形成するために脱イオン水に溶解した。化学燃料は、2つの化学物質で構成された：アジ化ナトリウムは、その低いactivatするための最初の反応のための燃料として使用しながら、主な化学燃料が燃焼（2570 kJの/モル）の高いエンタルピーピクリン酸たイオンエネルギー（は40kJ /モル）。 図5B

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ディスカッション

熱電波実験のプロトコルは、理想的な熱波の伝播だけでなく、電気エネルギーの生成を有効に重要なステップを伴う。まず、点火の特定の位置と対応する反応転送が熱電波からエネルギー変換を制御するのに相当な要因である。ハイブリッド複合材料の一端に点火一方向にコア材料と化学燃料間の界面に沿って燃焼案内開始した。しかし、任意の他の位置での点火は、コア材料の内部反対方向に電荷キャリアのキャンセル並びに不規則な熱輸送をもたらす、両端に移した双方向熱電波を生成した。 図7Aに示すように、一端に点火は単一極性の電気エネルギーを生成し;しかしながら、中心位置点火出力ボルトの二方向性の燃焼伝播および無秩序極性をもたらし時代（ 図7B）。さらに、熱電波の単一極性が乱れ、極性の場合には電荷の相殺ない連続熱波によって加速された電荷移動に起因していることの5倍以上であったピーク出力電圧を得た。

化学燃料とコアマイクロ間の質量比は/ナノ物質が熱電波の全体の特性を決定することができる。上述のように16,17、質量比で使用した溶液の濃度...

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開示事項

著者らは、開示することは何もない。

謝辞

この作品は、資金科学技術（NRF-2013R1A1A1010575）、文部科学省によって資金を供給、韓国国立研究財団（NRF）を介して基礎科学研究開発プログラムでサポートされている、とナノR＆Dプログラムによる韓国科学技術財団を介していた教育部（NRF-2012M3A7B4049863）による。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
4インチ n型シリコンウエハーユニシル4インチSiウェーハ
Al2O3TAEWONA-1008純度99.9999%
純度 FeΣ Aldrich26794599.9999% 純度
Arソウル特殊ガスAr(N60)99.9999% 純度
C2H4ソウル特殊ガスC2H4>99.5% 純度
H2>ソウル特殊ガスH2(N60)99.9999%
純度 銀ペースト藤倉化成D-550
ピクリン酸シグマ アルドリッチ197378>98% 純度
高毒性
アジ化ナトリウムSigma AldrichS2002>純度99.5%
アセトニトリルSigma Aldrich271004純度99.8%
電源MastechHY3010
TCVDScientechTCVD
オシロスコープTektronixDPO2004B
高速顕微鏡システムPhantomV7.3

参考文献

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