Ruteniumoksidin nanolevyt ultraäänieksfoliaatiolla

Yksikerroksisia ruteniumoksidinanolevyjä voidaan tuottaa tehokkaasti anturityyppisellä ultraäänikäsittelyllä. Nanolevyjen ultraäänieksfoliaation keskeisiä etuja ovat prosessin tehokkuus, suuret saannot, lyhyt käsittelyaika sekä helppo ja turvallinen käyttö. Suuren tehokkuutensa ja tuotettujen nanolevyjen erinomaisen laadun ansiosta ultraäänikäsittelyä käytetään lukuisten nanolevyjen, kuten grafeenin ja borofeenin, teollisessa tuotannossa.

Ruteniumoksidin nanolevyjen ultraäänieksfoliaatio

Ruteniumoksidin (RuO2, tunnetaan myös nimellä rutenaatti) nanolevyillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten suuri sähkönjohtavuus, pieni resistiivisyys, suuri stabiilius, suuri irrotustyö ja hyvä soveltuvuus kuivaetsaukseen. Tämän ansiosta ruteniumoksidi on hyvä materiaali muistilaitteiden ja transistorien elektrodeihin.

SEM-kuvia RuO2-nanolevyistä, jotka on eksfolioitu a) 1 minuutin ja b) 7 minuutin ultraäänikäsittelyllä.
(tutkimus ja kuvat: ©Kim et al., 2021)

Tapaustutkimus: erittäin tehokas RuO2:n eksfoliaatio anturityyppisellä ultraäänilaitteella

Kim et al. (2021) osoittivat tutkimuksessaan merkittävän parannuksen yksikerroksisten ruteniumoksidinanolevyjen eksfoliaatiossa. Tutkija tuotti suuria saantoja ohuita RuO2-metallioksidilevyjä ultraäänikäsittelyllä. Perinteinen ioninvaihtoreaktioihin perustuva interkalaatioprosessi on hidas ja tuottaa vain rajallisia määriä kaksiulotteisia (2D) nanolevyjä molekyylien koon ja reaktioon tarvittavan kemiallisen energian vuoksi. Nopeuttaakseen prosessia ja lisätäkseen tuotettujen ruteniumoksidinanolevyjen määrää tutkijat tehostivat eksfoliaatioprosessia kohdistamalla ultraäänienergiaa RuO2-oksidiliuokseen. He havaitsivat, että jo 15 minuutin ultraäänikäsittelyn jälkeen levyjen määrä kasvoi yli 50 % ja samalla levyjen sivuttaiskoko pieneni. Tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvat laskelmat osoittivat, että eksfoliaation aktivaatioenergia pienenee merkittävästi, kun RuO2-kerrokset pilkotaan sivuttaiskooltaan pieniksi. Tämä koon pieneneminen johtuu siitä, että ultraäänikäsittely auttoi hajottamaan metallioksidikerrokset helpommin. Tutkimus korostaa, että ultraäänen käyttö on hyvä ja helppo tapa valmistaa yksikerroksisia ruteniumoksidinanolevyjä. Tämä osoittaa, että ultraäänellä avustettu ioninvaihtoprosessi tarjoaa helpon ja tehokkaan lähestymistavan 2D-metallioksidinanolevyjen valmistukseen. Ultraäänieksfoliaation edut selittävät, miksi ultraäänieksfoliaatiota ja delaminaatiota käytetään laajalti valmistusmenetelmänä 2D-nanomateriaaleille, jotka tunnetaan myös xene-materiaaleina ja joihin kuuluvat grafeeni ja borofeeni.

Ultraäänieksfoliaatio edistää ruteniumoksidin 2D-nanolevyjen erittäin tehokasta ja nopeutettua tuotantoa suuressa mittakaavassa
(tutkimus ja kuvat: ©Kim et al., 2021).

Menettelyohje ultraääniavusteiseen ruteniumoksidin eksfoliaatioon

Seuraava menettelyohje sisältää vaiheittaiset ohjeet RuO2-nanolevyjen syntetisointiin ultraääniavusteisella ioninvaihtoreaktioprosessilla, jonka Kim et al. (2021) ovat kuvanneet.
 

1. Valmista RuO2:n ja interkalaatioaineen liuos liuottamalla ne liuottimeen (2-propanoliin) ja sekoittamalla enintään 3 päivän ajan.
2. Kohdista liuokseen ultraäänienergiaa anturityyppisellä ultraäänilaitteella (esim. anturityyppisellä ultraäänilaitteella UP1000hdT (1 000W, 20kHz), jossa on sonotrodi BS4d22) 15 minuutin ajan kasvattaaksesi RuO2-nanolevyjen saantoa yli 50 % ja pilkkoaksesi RuO2-kerrokset sivuttaiskooltaan tasaisen pieniksi.
3. Varmista tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvilla laskelmilla, että eksfoliaation aktivaatioenergia pienenee merkittävästi.
4. Kerää syntyneet RuO2-nanolevyt, joita voidaan käyttää erilaisissa sovelluksissa.

 
Tämän RuO2-nanolevyjen ultraäänieksfoliaatiota koskevan menettelyohjeen yksinkertaisuus korostaa nanolevyjen ultraäänituotannon etuja. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas menetelmä laadukkaiden yksikerroksisten RuO2-nanolevyjen tuottamiseen, joiden paksuus on noin 1 nm. Menettelyn todettiin myös olevan skaalattavissa ja toistettavissa, joten se soveltuu RuO2-nanolevyjen laajamittaiseen tuotantoon erilaisiin elektroniikan, katalyysin ja energian varastoinnin sovelluksiin.
 
Lue lisää SnOx-nanohiutaleiden sonokemiallisesta synteesistä!
 

Nopea kuvasarja (a:sta f:ään), joka havainnollistaa grafiittihiutaleen sonomekaanista eksfoliaatiota vedessä käyttäen ultraäänilaitetta UP200S, jonka teho on 200W ja jossa on 3 mm:n sonotrodi. Nuolet osoittavat halkeamiskohdan (eksfoliaation), johon kavitaatiokuplat tunkeutuvat.
(tutkimus ja kuvat: © Tyurnina et al. 2020

Suorituskykyiset ultraäänilaitteet RuO2:n eksfoliaatioon

Laadukkaiden ruteniumoksidinanolevyjen ja muiden xene-materiaalien tuotantoon tarvitaan luotettavia ja suorituskykyisiä ultraäänilaitteita. Amplitudi, paine ja lämpötila ovat olennaisia parametreja, jotka ovat ratkaisevia toistettavuuden ja tasalaatuisen tuotteen kannalta. Hielscher Ultrasonics -prosessorit ovat tehokkaita ja tarkasti ohjattavia järjestelmiä, jotka mahdollistavat prosessiparametrien tarkan asettamisen ja jatkuvan suuritehoisen ultraäänituoton. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm:n amplitudeilla laitteita voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa käytön 24/7 raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Asiakkaamme ovat tyytyväisiä Hielscher Ultrasonics -järjestelmien erinomaiseen kestävyyteen ja luotettavuuteen. Asennukset raskaan käytön sovelluksiin (esim. nanomateriaalien laajamittaiseen käsittelyyn) ja vaativiin ympäristöihin sekä käyttö 24/7 varmistavat tehokkaan ja taloudellisen käsittelyn. Prosessin tehostaminen ultraäänellä lyhentää käsittelyaikaa ja tuottaa parempia tuloksia eli parempaa laatua, suurempia saantoja ja innovatiivisia tuotteita.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustava teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: