4. Eksperimentalni del
4.4. Prekrivanje površine
27
4.4. Prekrivanje površine
Za učinkovito uporabo pridobljenih borofenskih nanoploščic v različnih aplikacijah je potrebno razviti način nanosa zveznega filma s kontrolirano debelino. V ta namen sem preizkusil različne metode prekrivanja površine.
4.4.1. Priprava tankih nanosov
Direkten nanos
Borofenske nanoploščice sem poskusil suspendirati v kloroformu, THF-u, izopropanolu, etanolu ter metanolu. Izkazalo se je, da so topne zgolj v metanolu in etanolu, med slednjima pa sem se zaradi niţje temperature tališča, ki bo pomembna pri odparevanju topila, odločil za uporabo metanola (67-56-1 – Merck Millipore 99,997%).
Na silicijev substrat sem s pomočjo kapalke nanesel 1 mL 1% metanolne suspenzije nanoploščic, substrat pa 20 ur sušil v peči pri 50°C. Po opravljeni SEM analizi sem substrat vrnil v peč, kjer sem ga pri 200°C sušil nadaljnjih 24 ur.
Spuščanje gladine
Da bi izključil človeško napako, ki nastane pri uporabi kapalke, sem razvil še način za bolj konstanten nanos nanoploščic.
V MQ vodo sem nekaj centimetrov globoko pod kotom 45° pomočil čist silicijev substrat. Na gladino vode sem s kapalko previdno odloţil 5 mL 1% metanolne suspenzije nanoploščic, ki je zaradi niţje gostote metanola v primerjavi z vodo ostala na gladini.
Slika 8: Nanašanje borofenskih nanoploščic s pomočjo spuščanja gladine
Ko se je gladina umirila, sem rahlo odprl odtočni ventil na dnu posode, kar je povzročilo počasno enakomerno zniţevanje gladine. Ker so bile nanoploščice prisotne zgolj na gladini, ta pa se je zniţevala s konstantno hitrostjo, so se delci enakomerno odlagali na substrat.
Proces odlaganja sem zaključil, ko je gladina vode padla pod spodnji nivo substrata, slednjega pa sem 20 ur sušil v peči pri 50°C.
28
4.4.2. Priprava debelejših nanosov
Čeprav sta zgornja dva postopka nanašanja nanoploščic na substrat učinovita pri pripravi tankih filmov, debeline filma z njima ne moremo nadzorovati. V ta namen sem preučil še dva načina nanosa.
Razpršilna pištola
Razpršilna pištola s pomočjo nadtlaka omogoča enakomerno pršenje suspenzije v obliki stoţca. S pištolo sem 8,5 g 1% metanolne suspenzije nanoploščic z enakomernimi gibi razpršil na 4x4 cm jeklen substrat, ki je bil tekom nanašanja ogrevan na 100°C. Visoka temperatura povzroča sprotno izparevanje metanola, kar prepreči spiranje ter aglomeracijo ţe nanešenih delcev.
Slika 9: Nanašanje borofenskih ploščic s pomočjo razpršilne pištole.
Zaradi stoţčaste oblike pršenja suspenzije se pri prekrivanju robov substrata del materiala izgubi. V ta namen sem za označevanje nanesenih količin ter računanje debelin nanosa upošteval 15% izgube. V primeru porabljenih 8,5 g suspenzije tako preidemo na nanešenih 0,07 g materiala.
Spirala (ang.«spin coater«)
Glede na ţeljo po uporabi borofenskih nanoploščic v spektralno selektivnih kompozitnih premazih, sem se lotil še karakterizacije kompozitnega nanosa.
Na rob jeklenega substrata sem nanesel nekaj kapljic 1% kompozita pripravljenega po postopku opisanem v podpoglavju 4.5.3. S pomočjo spirale s 6 μm utori sem kompozit enakomerno raztegnil po površini substrata. Substrat z nanešenim kompozitom sem nato 2 uri sušil pri 80°C ter dodatnih 22 ur pri 200°C, s čimer sem omogočil dobro zamreţitev.
29
4.5. Uporaba borofenskih nanoploščic
Za določitev uporabnosti pridobljenih borofenskih nanoploščic sem se lotil karakterizacije lastnosti pomembnih za uporabo v spektralno selektivnih premazih.
4.5.1. Električna prevodnost
Za meritev električne prevodnosti sem uporabljal direktni nanos suspenzije na integrirano platinasto elektrodo. Pri tem sem ţelel preveriti spreminjanje vrednosti v odvisnosti od števila nanešenih plasti.
Za pripravo posamezne plasti sem na elektrodo s pomočjo kapalke odloţil 1,5 mL 1%
metanolne suspenzije borofenskih nanoploščic. Po nanosu vsake plasti sem elektrodo 1 ur sušil v peči pri 200°C.
Upornost apliciranih nanosov sem preveril z ročnim multimetrom (Fluke 70-III, 600V), ki je sposoben prikazovanja upornosti do 32 MΩ. Za podatke o morfologiji nanosov sem elektrodo pripravil tudi za SEM analizo.
4.5.2. Optične lastnosti
Za določanje optičnih lastnosti borofenskih nanoploščic sem uporabljal spektrofotometer PerkinElmer Lambda 950, ki s pomočjo integrirane 150 mm sfere omogoča obsevanje vzorca s svetlobo valovnih dolţin med 250 in 2500 nm. Prek zaznavanja intenzitete in valovne dolţine EM valovanja, ki se iz vzorca reflektira na detektor, lahko s pomočjo programa PerkinElmer UV WinLab pridobimo podatke o solarni absorpciji ter termični emisivnosti nanosa.
Kot substrat sem uporabil jeklene ploščice velikosti 4x4 cm, ki sem jih predhodno spoliral s 3 μm diamantno pasto. Na substrate sem vzporedno nanesel 8,5 g, 17,5 g in 35,0 g 1%
metanolne suspenzije nanoploščic. Nanašanje sem opravil s pomočjo razpršilne pištole, tekom nanašanja pa je bil substrat ogrevan na 100°C.
Glede na izračune iz podpoglavja 5.3., je na substratih pristalo 0,07 g, 0,15 g in 0,30 g borofenskih nanoploščic, kar odgovarja teoretičnim debelinam nanosa 150 nm, 300 nm in 600 nm. Za točno določitev vpliva nanoploščic sem v okviru kontrolnega eksperimenta izmeril tudi optične lastnosti spoliranega substrata brez nanosa.
30
4.5.3. Protikorozijske lastnosti
Da bi določil njihov protikorozijski vpliv sem ploščice vgradil v kompozit, tega pa nanesel na dva različna substrata. Kot prvi substrat sem zopet uporabil predhodno spolirane jeklene ploščice, drugi substrat pa so predstavljale steklene ploščice z bakreno prevleko, predhodno pripravljene s pomočjo CVD.
Za pripravo kompozita sem najprej v razmerju 1:3 zmešal Dynasylan® SIVO 110 in SIVO 160. Vzporedno sem pripravil vodne suspenzije nanoploščic različnih koncentracij (0,1%, 0,5% in 1%). Pripravljene vodne suspenzije sem zdruţil z mešanico zamreţevalca v razmerju 3:1 v prid vodi. Pripravil sem tudi kontrolni kompozit, ki ni vključeval nanoploščic.
Pripravljene kompozite sem s kapalko nanesel na rob substratov, nato pa jih s pomočjo spirale s 6 μm utori razgrnil po površini. Poleg substratov s kompoziti sem za kontrolni eksperiment pripravil tudi oba substrata brez nanosa.
Vse pripravljene kompozite sem najprej 2 uri sušil pri 80°C, nato pa dodatnih 22 ur pri 200°C, s čimer sem poskrbel za dobro zamreţitev kompozita.
Potenciodinamične meritve
Informacije o protikorozijskih lastnostih borofenskih nanoploščic sem pridobil s pomočjo potenciodinamičnih meritev. Te sem opravil z uporabo potenciostata Autolab Metrohm, ki podatke ureja prek programskega vmesnika Nova.
Potenciodinamične meritve sem opravil v trielektrodni celici z Ag/AgCl referenčno elektrodo ter platinasto protielektrodo, kjer je bil kot elektrolit uporabljen 1M NaCl. Substrat sem s stranjo na kateri je bil kompozit izpostavil elektrolitu, ter ga vpel na mesto delovne elektrode.
Za boljši kontakt sem pri uporabi steklene ploščice z naparjenim bakrom mesto, kjer so bili priključeni kabli premazal s srebrovo pasto.
Meritev je potekala s hitrostjo spreminjanja potenciala 0,001 V/s, v napetostnem oknu -0,5 V do 0,3 V (glede na Ag/AgCl elektrodo). Za boljšo primerljivost je bila vsaka meritev izvedena dvakrat, vsakič na sveţem mestu na kompozitu.
31