කාබන් නැනෝ ද්‍රව්‍ය සංශ්ලේෂණය සඳහා රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් කිරීමේ තාක්ෂණය (Chemical Vapor Deposition Technology) වැඩි දියුණු කිරීම

රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් කිරීම (CVD) යනු රික්තයක් හෝ නිෂ්ක්‍රීය පරිසරයක් තුළදී සාමාන්‍යයෙන් රත් කරන ලද උපස්ථර මතුපිටක් මත හෝ ඒ ආසන්නයේ, වාෂ්පවල රසායනික ප්‍රතික්‍රියාවෙන් ඝන ද්‍රව්‍යයක් සාදන ක්‍රමයකි. පූර්ව අවස්ථාවේ පවතින වායූන්, රත් වූ උපස්ථරය (මෙහිදී තැන්පත් වීම වර්ධනය කරවීම සදහා උත්ප්‍රේරකයක් ඇතුළත් විය හැක) මතින් ගමන් කිරීමේදී, රසායනික ප්‍රතික්‍රියා වලට භාජනය වන අතර ඝන අවස්ථාවට පත්වී උපස්ථරය මත තැන්පත් වේ. මෙහිදී උපස්ථරයේ උෂ්ණත්වය සහ වර්ධන පීඩනය, විවිධ ප්‍රතික්‍රියා සිදුවීමට සහ ඒවායේ චාලකයට බලපාමින් තීරණාත්මක කාර්යභාරයක් ඉටු කරයි. මෙම සන්දර්භය තුළ, විවිධ කාබන් නැනෝ ව්‍යුහයන් සංශ්ලේෂණය සඳහා භාවිතා කෙරෙන අලුතින් සංවර්ධනය කරන ලද බහුකාර්ය රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් කිරීමේ පද්ධතියක් මෙහි දී ඉදිරිපත් කෙරේ. මෙලෙස වැඩිදියුණු කරනු ලැබූ CVD පද්ධතිය භාවිතයෙන් කාබන් නැනෝ ටියුබ්, කාබන් නැනෝ ව්‍යුහ සහ කාබන් තුනී පටල සංස්ලේෂණය කරන ලදී.

දළ විශ්ලේෂණය

රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් කිරීම (CVD) යනු නැනෝ ද්‍රව්‍ය සහ තුනී පටල සංශ්ලේෂණය සඳහා බහුලව භාවිතා වන තාක්‍ෂණයකි[1,2,3]. එහිදී වාෂ්ප අවස්ථාවේ පවතින රසායනික ද්‍රව්‍යවල ප්‍රතික්‍රියාවෙන් උපස්ථරයක් මත ඝන ද්‍රව්‍ය තැන්පත් වීම හරහා නැනෝ ද්‍රව්‍යයක් සෑදීම ප්‍රතිඵල වේ. කාබන් නැනෝ ව්‍යුහයන් සංශ්ලේෂණය කිරීමේදී, නැනෝ ද්‍රව්‍ය සෑදීම සඳහා අත්‍යවශ්‍ය රසායනික ප්‍රතික්‍රියා සිදු වීමට පහසුකම් සලසා දෙනු පිණිස ප්‍රතික්‍රියා කුටීරය තුළ උත්ප්‍රේරක නිතර භාවිතා කරනු ලැබේ [4,5]. සාමාන්‍ය CVD පද්ධතියක් පහත ප්‍රධාන කොටස් වලින් සමන්විත වේ[6].

1. තාපන ද්‍රව්‍යයකින් වට වූ ප්‍රතික්‍රියා කුටිය
2. ස්කන්ධ ප්රවාහ පාලක (MFC)
3. පීඩන මානය
4. රික්තක පොම්පය
5. පාලන කපාට
රූප සටහන 1 මගින් සාමාන්‍ය රසායනික වාෂ්ප තැන්පතු (CVD) පද්ධතියක ආකෘතිය සහ එහි මූලික සංරචක නිරූපණය වේ.

රූප සටහන 1. මූලික සංරචක සහිත සරල CVD ආකෘතිය

මෙහිදී සාමාන්‍යයෙන් ක්වාර්ට්ස් නළ හෝ සෙරමික් නළ ප්‍රතික්‍රියා කුටියක් ලෙස භාවිතා කෙරෙන අතර එය වටා නල උදුනක් සවිකොට ඇත. රසායනික වාෂ්ප, උත්ප්‍රේරකය හෝ උපස්ථරය සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කර නව ද්‍රව්‍යයක් සාදයි. විශේෂයෙන්, මානයන් සහ ගුණාංග ඇතුළු නැනෝ ද්‍රව්‍යයන්හි ලක්ෂණ සඳහා උෂ්ණත්වය, පීඩනය සහ ප්‍රතික්‍රියා කාලය වැනි වර්ධන පරාමිතීන් රාශියක් බලපායි.
ස්කන්ධ ප්රවාහ පාලකයන්, ඇතුල් කෙරෙන වායූන්ගේ ප්‍රවාහ අනුපාතය පාලනය කරයි. විනාඩියකට සම්මත ඝන සෙන්ටිමීටර (SCCM) ඒකකවලින් ප්‍රවාහ අනුපාතය ඩිජිටල් ලෙස මැනීම සඳහා ඒවාට පාඨන්ක කියවීමේ උපාංග සම්බන්ධ කර ඇත. සාමාන්‍යයෙන් ඩිජිටල් ප්‍රවාහ පාලකයක්, අදාළ පරිවර්තන සාධක භාවිතයෙන් වායුන් ගණනාවක් පාලනය කිරීමට සමත් වේ. කෙසේ වෙතත්, වර්තමානයේ ජනප්‍රිය නොවන ඇනලොග් ප්‍රවාහ පාලක භාවිතයේ පවතින අතර එම ප්‍රවාහ පාලක ඒවා ක්රමාංකනය කර ඇති වායූන් සඳහා පමණක් සීමා වේ.
පීඩන මානය, කුටියේ පීඩනය නිරීක්ෂණය කිරීමට භාවිතා කරන අතර ඩිජිටල් සහ ඇනලොග් යන දෙආකාරයෙන්ම පවතී. ස්වාභාවික වායු ඉවත් කිරීම හෝ නිෂ්ක්‍රීය වායූන් පවත්වා ගැනීම සඳහා කුටියේ රික්තයක් පවත්වා ගැනීමට රික්තක පොම්පයක් භාවිතා කරයි. පද්ධතිය ක්‍රියාත්මක වන විට පීඩන නියාමක කපාටයක් මඟින් කුටීර පීඩනය සකස් කරයි.

බහුකාර්ය CVD පද්ධතිය වැඩිදියුණු කිරීම

රූප සටහන 2 හි දැක්වෙන පරිදි බහුකාර්ය CVD පද්ධතිය වැඩිදියුණු කරන ලදී. නැනෝ ද්‍රව්‍යවල පහසු සහ පාලනය කළ හැකි සංස්ලේෂණය සඳහා සාම්ප්‍රදායික CVD පද්ධතියට සාපේක්ෂව විවිධ නව උපාංගයන් මෙම පද්ධතියට එක්කරනු ලැබ ඇත.

රූපය 2. සවිකරනු ලැබූ CVD පද්ධතියේ (අ) ඉදිරිපස දර්ශනය (ආ)වායු ඇතුල් කෙරෙන පැත්තේ දර්ශනය

සාම්ප්‍රදායික CVD පද්ධතිය සඳහා සිදු කරනු ලැබූ නවීකරණයන්

ද්‍රාවක හඳුන්වාදීමේ ඒකක හඳුන්වා දීම

කාබන් ව්‍යුහ සංශ්ලේෂණයේදී CVD පද්ධතිය තුල තිබිය යුතු වන්නේ කාබන් පෝෂක වායුන් සහ උත්ප්‍රේරක ආලේපිත උපස්ථරයක් පමණි. කෙසේ වෙතත්, කාබන් පෝෂක අමුද්‍රව්‍ය සමඟ ඒකාබද්ධව විවිධ ද්‍රව වාෂ්ප හඳුන්වාදීම මගින් සංස්ලේෂණය කෙරෙන නැනෝ ද්‍රව්‍යවල ගුණාංග සහ මානයන් සැලකිය යුතු ලෙස වෙනස් කළ හැකිය. නිදසුනක් ලෙස, පෝෂක අමුද්‍රව්‍ය (C2H2) සමඟ ඇසිටෝන් වාෂ්ප භාවිතය හරහා සිරස් අතට පෙළගස්වා ඇති ඝන කාබන් නැනෝ ටියුබ් (CNTs) සංශ්ලේෂණයට පහසුකම් සැපයේ.

කෙසේ වෙතත්, පෙර සම්බන්ධිත වායු යෙදවුම් හැරුණු විට පද්ධතියට ද්‍රාවක සැපයීම අභියෝගයක් වේ.මෙයට විසඳුමක් වශයෙන්, රූප සටහන 2 (ආ) හි දක්වා ඇති පරිදි, ද්‍රාවක සංයුතීන්හි පහසුවෙන් වෙනස්කම් සිදු කිරීමේ හැකියාව ලබා දෙමින් පද්ධතියට වෙනම ද්‍රාවක හඳුන්වාදීමේ ඒකක හඳුන්වා දී ඇත. මෙම බඳුන මල නොබැඳෙන වානේ ද්‍රව්‍ය (SS ශ්‍රේණිය 308) භාවිතයෙන් දේශීයව නිපදවා ඇත. මෙලෙස වැඩිදියුණු කරනු ලැබූ පද්ධතිය භාවිතයෙන් එතනෝල් (C2H5OH), මෙතනෝල් (CH3OH) සහ ක්ලෝරෝෆෝම් (CHCl3) හඳුන්වා දී ඇත. රූප සටහන 2 (ආ) හි නිරූපණය කර ඇති පරිදි,අතින් ක්‍රියාත්මක කරනු ලබන ප්‍රවාහ පාලකයක් භාවිතයෙන් ද්‍රාවණ ප්‍රවාහ අනුපාතය පාලනය කරන ලද අතර එහිදී මෙම ඒකකය බෝල කපාටයක් භාවිතයෙන් හුදකලා කරන ලදී. වෙන් වූ සම්පූර්ණ ද්‍රාවක හඳුන්වාදීමේ ඒකකය රූප සටහන 2 (ආ) හි පෙන්වා ඇති පරිදි NW 50 රික්තක සවිකිරීමක් සමඟ CVD පද්ධතියට සම්බන්ධ කර ඇත.

බාහිර වායු තාපන දඟරයක් හඳුන්වාදීම

ඇතුල් කෙරෙන වායූන් සඳහා තාපය ලබා දීම තුලින් නැනෝ ද්‍රව්‍ය සංශ්ලේෂණය වෙනස් කිරීම සඳහා අතිරේක පරාමිතියක් හඳුන්වා දෙන අතර, මානය සහ මතුපිට රූපාකාරයන් වැනි විවිධ ගුණාංග මේ හරහා ප්‍රතිඵල විය හැක. වායූන් රත් කිරීම හරහා ප්‍රතික්‍රියා කුටිය තුළ ප්‍රතික්‍රියා චාලක වෙනස් කළ හැකි අතර, එමගින් සංස්ලේෂණය කරන ලද නැනෝ ද්‍රව්‍යවල විවිධ මානයන් සහ රූපාකාරයන් ඇති කරයි. නිදසුනක් ලෙස, ඝන, සිරස් අතට පෙළගස්වන ලද කාබන් නැනෝ ටියුබ් (CNTs) නිපදවීමේදී, ඇසිටිලීන් පෝෂක වායුව රත් කිරීම හරහා එම සංශ්ලේෂණ ක්‍රියාවලිය කාර්යක්ෂමව සිදු කර ගනී. 2 ආ රූපයෙහි දැක්වෙන පරිදි, තාපන ඒකකය සඳහා, මල නොබැඳෙන වානේ නල, බාහිර තාපන දඟරයක් ඇතුළත් කිරීමෙන් සර්පිලාකාර එකලස් කිරීමක් බවට පරිවර්තනය කර ඇත.

පද්ධතිය සඳහා අභ්‍යන්තර ක්වාර්ට්ස් නළය සහ ඉක්මන් මුදාහැරීමක් සහිත NW50 රික්ත ෆ්ලැන්ජ් හඳුන්වාදීම
සාමාන්‍යයෙන් සාම්ප්‍රදායික CVD පද්ධතියක් සඳහා ප්‍රතික්‍රියා බඳුන ලෙස ක්‍රියා කරන තනි ක්වාර්ට්ස් නලයක් ඇතුළත් වේ. කෙසේ වෙතත්, මෙම ආරම්භක සැලසුම භාවිතා කිරීමේදී සංරචක කිහිපයක් හේතුවෙන් (ෆ්ලැන්ජ්, පීඩන මානයන්, කපාට) කුටීර පිරිසිදු කිරීමේදී සහ ද්‍රව්‍ය නිස්සාරණයේදී අභියෝග රැසකට මුහුණ දීමට සිදුවේ.මීට අමතරව, සැකසුම කිහිප වතාවක් ක්‍රියාත්මක වන විට ද්‍රව්‍ය දූෂණය වීමේ හැකියාවක් පවතී. මෙම ගැටළු විසඳීම සඳහා, රූප සටහන 3 හි පෙන්වා ඇති පරිදි, බාහිර ක්වාර්ට්ස් නලයට වඩා මි.මී. 2ක් කුඩා විෂ්කම්භයක් සහිත අභ්‍යන්තර ක්වාර්ට්ස් නලයක් හඳුන්වා දී ඇත. මෙම පිරිසිදු කරන ලද අභ්‍යන්තර නළය සහ පද්ධතියට උත්ප්‍රේරක උපස්ථරයක් හඳුන්වාදීම යනාදිය හේතුවෙන් දූෂිත නොවූ ද්‍රව්‍ය නිෂ්පාදනය කිරීමේ සහ පහසුවෙන් ද්‍රව්‍ය ලබා ගැනීමේ හැකියාව උදාවේ.

ඉක්මන් මුදාහැරීමක් සහිත NW 50 රික්ත ෆ්ලැන්ජ් ඇතුළත් කිරීම පද්ධතියේ තවත් ලක්ෂණයකි. ප්‍රතික්‍රියා බඳුන තුලට අභ්‍යන්තර ක්වාර්ට්ස් නල ඇතුළු කිරීමට සහ ඉන් ඉවත් කිරීමට ඉඩ සලසමින් පද්ධතිය වේගයෙන් එකලස් කිරීමට සහ කොටස් ගැලවීමට මෙය උපකාරී වේ.

3 රූපය. අභ්‍යන්තර ක්වාර්ට්ස් නළය සමඟ පිටත ක්වාර්ට්ස් නලයේ සරල රූප සටහන

වැඩිදියුණු කරනු ලැබූ CVD පද්ධතියෙන් නැනෝ ද්‍රව්‍ය සංස්ලේෂණය කිරීම.
කාබන් නැනෝ නළ සංස්ලේෂණය

පහත වගුවේ දක්වා ඇති කුටීර වර්ධන තත්ව යටතේ FeCl2 උත්ප්‍රේරක සහ C2H2 අමුද්‍රව්‍ය පෝෂක වායුව භාවිතයෙන් කාබන් නැනෝ නළ සංස්ලේෂණය කරන ලදී.

මෙම තත්ව යටතේ වගා කරන ලද SEM රූප සහ CNT අරාවේ උපස්ථරය රූප සටහන 4 හි පෙන්වා ඇත. 40 µm පමණ උසකින් යුත් සිරස් අතට පෙළගස්වන ලද CNT ඉහත පෙන්වා ඇති නිශ්චිත වර්ධන තත්ත්වයන් භාවිතා කර ක්වාර්ට්ස් උපස්ථර මත වගා කළ හැක.

(අ ) (b)
රූප සටහන 4. CNT අරාවේ SEM රූපය (අ) CNT උපස්ථරය සමඟ (ඇ) ඉහළ විශාලනයකදී
කාබන් නැනෝ ව්‍යුහයන් සංස්ලේෂණය කිරීම
2 වගුවේ දක්වා ඇති කුටීර වර්ධන තත්ත්වයන් අනුගමනය කරමින් Cu උත්ප්‍රේරක සහ ඇසිටිලීන් පෝෂක ද්‍රව්‍ය වායුව භාවිතයෙන් මල නොබැඳෙන වානේ (SS) උපස්ථරය මත වගා කරන ලද රෝපිතයක SEM රූපය රූප සටහන 5 හි පෙන්වා ඇත. රූප සටහන 5 හි පෙන්වා ඇති පරිදි ක්ෂුද්‍ර දඬු සෑදී ඇත්තේ නැනෝ දඬු වලින් වීම සිත් ගන්නා සුළු කරුණකි.

රූපය 5. කාබන් දඬු අරාවක SEM රූපය සහ ඒවායේ විශාලනය කළ රූප.

කාබන් තුනී පටල සංශ්ලේෂණය

උෂ්ණත්වය 700 C සහ ඇසිටෝන් දෝෂ අනුපාතය 50 SCCM වර්ධන තත්ත්‍වයේ දී ඇසිටෝන් වාෂ්ප භාවිතා කරමින් පිඟන් මැටි සහ මල නොබැඳෙන වානේ කැබලි මත කාබන් තුනී පටල ආලේපනය රූප සටහන 6 හි දැක්වේ. වැඩුණු තුනී පටලය විද්‍යුත් සන්නායකතාවය ප්‍රදර්ශනය කිරීම සිත්ගන්නා කරුණකි.

6 රූපය. පිඟන් මැටි සහ මල නොබැඳෙන වානේ තහඩු මත කාබන් තුනී පටල ආලේප කර ඇති අයුරු

Reference
1. Inoue Y., Kakihata K., Hirono Y., Horie T. & Ishida A. 2008 ‘Hidenori MimuraOne-step grown aligned bulk carbon nanotubes by chloride mediated chemical vapor deposition’. Appl. Phys. Lett., 92(1), 213113.
2. Tu R., HU X., Li J., Yang M., Li Q., Shi J., Li H., Ohmori H., Goto T. & Zhang S. 2020 ‘Fabrication of (a-nc) boron carbide thin films via chemical vapor deposition using ortho-carborane’. J. Asian Ceram. Soc., 8(2), 327–335.
3. Aljumaily M. M., Alsaadi M. A., Das R., Hamid S. B. A., Hashim N. A., AlOmar M. K., Alayan H. M., Novikov M., Alsalhy Q. F. & Hashim M. A. 2018 ‘Optimization of the Synthesis of Superhydrophobic Carbon Nanomaterials by Chemical Vapor Deposition’. Sci. Rep., 8(1), 2778.
4. Saraswati T. E., Priyanti A. D. & Prasiwi O. D. I. 2020 ‘Synthesis and characterization of carbonaceous-based nanomaterials produced in chemical vapor deposition (CVD) using copper catalyst’. AIP Conf. Proc., 2237(1), 020070.
5. Ghaemi F., Ali M., Yunus R. & Othman R. N. 2019, Synthesis of carbon nanomaterials using catalytic chemical vapor deposition technique, Micro and Nano Technologies, Synthesis, Technology and Applications of Carbon Nanomaterials, Elsevier Inc., Amsterdam, Netherlands, pp. 1-27.
6. Ishida Y., Takahashi T., Okumura H., Arai K. & Yoshida S. 2008 ‘Development of a Practical High-Rate CVD System’. Mater. Sci. Forum, 600-603, 119–122.

ඊ. වී. ඒ ප්‍රේමලාල්
ජේෂ්ඨ කථිකාචාර්ය
තාක්ෂණ පීඨය, ශ්‍රී ජයවර්ධනපුර විශ්ව විද්‍යාලය