แผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ด้วยการลอกชั้นโดยใช้อัลตราซาวนด์

สามารถผลิตแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ชั้นเดียวได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการใช้อัลตราซาวนด์แบบโพรบ ข้อดีหลักของการลอกชั้นแผ่นนาโนด้วยอัลตราซาวนด์คือประสิทธิภาพของกระบวนการ ผลได้สูง ระยะเวลาการทำงานสั้น และการใช้งานที่ง่ายและปลอดภัย เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและแผ่นนาโนที่ผลิตได้มีคุณภาพเหนือกว่า จึงมีการใช้อัลตราซาวนด์ในการผลิตแผ่นนาโนหลายชนิดในระดับอุตสาหกรรม รวมถึงกราฟีนและโบโรฟีน

การลอกชั้นแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ด้วยอัลตราซาวนด์

แผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ (RuO2 หรือที่เรียกอีกชื่อว่า ruthenate) มีสมบัติเฉพาะตัว เช่น สภาพนำไฟฟ้าสูง สภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำ ความเสถียรสูง ฟังก์ชันงานสูง และตอบสนองต่อการกัดแบบแห้งได้ดี สมบัติเหล่านี้ทำให้รูทีเนียมออกไซด์เป็นวัสดุที่ดีสำหรับขั้วไฟฟ้าในอุปกรณ์หน่วยความจำและทรานซิสเตอร์

ภาพ SEM ของแผ่นนาโน RuO2 ที่ลอกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเวลา a) 1 นาที และ b) 7 นาที
(การศึกษาและภาพ: ©Kim et al., 2021)

กรณีศึกษา: การลอกชั้น RuO2 ที่มีประสิทธิภาพสูงด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบ

Kim et al. (2021) แสดงให้เห็นในการศึกษาว่าการลอกชั้นแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ชั้นเดียวดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ นักวิจัยผลิตแผ่นโลหะออกไซด์ RuO2 ที่บางได้ในปริมาณผลได้สูงโดยใช้อัลตราซาวนด์ กระบวนการแทรกสารระหว่างชั้นแบบดั้งเดิมผ่านปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอออนดำเนินไปอย่างช้า ๆ และผลิตแผ่นนาโนสองมิติ (2D) ได้เพียงปริมาณจำกัด เนื่องจากขนาดของโมเลกุลและพลังงานเคมีที่จำเป็นต่อปฏิกิริยา เพื่อให้กระบวนการเร็วขึ้นและเพิ่มปริมาณแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ที่ผลิตได้ นักวิจัยเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการลอกชั้นโดยป้อนพลังงานอัลตราซาวนด์เข้าสู่สารละลายออกไซด์ RuO2 พบว่าหลังใช้อัลตราซาวนด์เพียง 15 นาที ปริมาณแผ่นเพิ่มขึ้นมากกว่า 50% ขณะเดียวกันขนาดด้านข้างของแผ่นลดลง การคำนวณด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนัลความหนาแน่นแสดงให้เห็นว่าพลังงานกระตุ้นของการลอกชั้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อแยกชั้น RuO2 ให้มีขนาดด้านข้างเล็กลง การลดขนาดนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการใช้อัลตราซาวนด์ช่วยให้ชั้นโลหะออกไซด์แยกออกจากกันได้ง่ายขึ้น งานวิจัยนี้เน้นย้ำว่าการใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่ดีและง่ายในการผลิตแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ชั้นเดียว ผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเป็นแนวทางที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการผลิตแผ่นนาโนโลหะออกไซด์ 2D ประโยชน์ของการลอกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์อธิบายว่าเหตุใดจึงมีการใช้การลอกชั้นและการแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์อย่างแพร่หลายเป็นเทคนิคการผลิตวัสดุนาโน 2D หรือที่เรียกว่า xenes ซึ่งรวมถึงกราฟีนและโบโรฟีน

การลอกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยส่งเสริมการผลิตแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์ 2D ในปริมาณมากอย่างมีประสิทธิภาพสูงและรวดเร็วขึ้น
(การศึกษาและภาพ: ©Kim et al., 2021).

ขั้นตอนการลอกชั้นรูทีเนียมออกไซด์โดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย

ขั้นตอนต่อไปนี้เป็นคำแนะนำทีละขั้นสำหรับการสังเคราะห์แผ่นนาโน RuO2 ด้วยกระบวนการปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอออนที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย ตามที่ Kim et al. (2021) อธิบายไว้
 

1. เตรียมสารละลาย RuO2 และสารแทรกระหว่างชั้น โดยละลายสารทั้งสองในตัวทำละลาย (2-propanol) และกวนเป็นเวลานานถึง 3 วัน
2. ป้อนพลังงานอัลตราซาวนด์เข้าสู่สารละลายด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบ (เช่น เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบ UP1000hdT (1000W, 20kHz) พร้อมโซโนโทรด BS4d22) เป็นเวลา 15 นาที เพื่อเพิ่มผลได้ของแผ่นนาโน RuO2 มากกว่า 50% และแยกชั้น RuO2 ให้มีขนาดด้านข้างเล็กอย่างสม่ำเสมอ
3. ใช้การคำนวณด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนัลความหนาแน่นเพื่อยืนยันว่าพลังงานกระตุ้นของการลอกชั้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
4. เก็บรวบรวมแผ่นนาโน RuO2 ที่ได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในงานต่าง ๆ ได้

 
ความเรียบง่ายของขั้นตอนการลอกชั้นแผ่นนาโน RuO2 ด้วยอัลตราซาวนด์นี้เน้นย้ำถึงประโยชน์ของการผลิตแผ่นนาโนด้วยอัลตราซาวนด์ การใช้อัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงในการผลิตแผ่นนาโน RuO2 ชั้นเดียวคุณภาพสูงที่มีความหนาประมาณ 1 nm นอกจากนี้ยังพบว่าสามารถขยายขนาดกระบวนการตามขั้นตอนนี้และทำซ้ำให้ได้ผลเดิมได้ จึงเหมาะสำหรับการผลิตแผ่นนาโน RuO2 ในปริมาณมากสำหรับการใช้งานต่าง ๆ ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ การเร่งปฏิกิริยา และการกักเก็บพลังงาน
 
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์เกล็ดนาโน SnOx ด้วยโซโนเคมี!
 

ลำดับภาพความเร็วสูง (จาก a ถึง f) แสดงการลอกชั้นเกล็ดกราไฟต์ในน้ำด้วยแรงเชิงกลจากอัลตราซาวนด์ โดยใช้ UP200S ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราซาวนด์กำลัง 200W พร้อมโซโนโทรดขนาด 3-mm. ลูกศรแสดงตำแหน่งที่เกิดการแยก (การลอกชั้น) โดยมีฟองคาวิเทชันแทรกเข้าไปในรอยแยก
(การศึกษาและภาพ: © Tyurnina et al. 2020

เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการลอกชั้น RuO2

การผลิตแผ่นนาโนรูทีเนียมออกไซด์และ xenes ชนิดอื่น ๆ ที่มีคุณภาพสูงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่เชื่อถือได้ แอมพลิจูด ความดัน และอุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่จำเป็นต่อการทำซ้ำให้ได้ผลเดิมและการได้ผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ของ Hielscher Ultrasonics เป็นระบบที่มีกำลังสูงและควบคุมได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ของกระบวนการได้อย่างเที่ยงตรงและส่งพลังงานอัลตราซาวนด์กำลังสูงได้อย่างต่อเนื่อง เครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher สามารถให้แอมพลิจูดสูงมาก สามารถทำงานต่อเนื่องที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างง่ายดายในการทำงานแบบ 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ออกแบบตามความต้องการให้เลือกใช้ ความแข็งแกร่งทนทานของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ Hielscher ทำให้สามารถทำงานแบบ 24/7 ในงานหนักและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้
ลูกค้าของเราพึงพอใจกับความแข็งแกร่งทนทานและความเชื่อถือได้ที่โดดเด่นของระบบ Hielscher Ultrasonics การติดตั้งเพื่อใช้งานหนัก (เช่น การแปรรูปวัสดุนาโนในปริมาณมาก) ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูง และการทำงานแบบ 24/7 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการแปรรูปมีประสิทธิภาพและประหยัด การเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยลดเวลาในการแปรรูปและให้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้น ได้แก่ คุณภาพสูงขึ้น ผลได้สูงขึ้น และผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรม

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบที่สูงที่สุด ความแข็งแกร่งทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผนวกรวมเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: