[논문 리뷰] Geometric structure of gold tiny particles at varying precursor concentration and packing of their electronic structures into extended shapes

Mubarak Ali, I‐Nan Lin|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 26.

nanoparticles nucleation surface interactions참고 문헌 40인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 수제 터뷸런트 플라즈마-액체 공정에서 금 전구체 농도를 변화시켜 공기-용액 인터페이스에서 기하학적으로 정렬된 미세한 입자 형성 여부를 제어할 수 있음을 보여주며, 최적 농도(0.30 mM 및 0.60 mM)에서 균일하게 분포된 마름모꼴 모양의 입자가 생성된다. 이러한 입자들은 전자 흐름을 따라 한 방향으로 배열되어 각도에 의존하는 광자-표면 상호작용을 통해 이방성의 연장된 형태를 형성하는 반면, 최적 농도가 아닌 경우 비균일한 상호작용로 인해 기형된 형태가 된다.

ABSTRACT

Coalescence of tiny particles into extended shapes has been an overlooked phenomenon since long. Present study demonstrates geometric tiny particles and their packing into large-sized particles under varying concentration of gold precursor in homemade pulse plasma-liquid interaction process. At fixed ratio of pulse OFF to ON time the amount of precursor concentration determines the geometric tiny particles at air-solution interface. For precursor concentrations between 0.07 mM to 0.90 mM large numbers of tiny particles are made in two-dimensional structure and their maximum number is formed at 0.30 mM and 0.60 mM where set ratio of pulse OFF to ON time harvested homogeneously dispersed atoms into rhombus shape. Under horizontal drive such tiny particles drag and on stretching one-dimensionally along impinging electron streams of so-called plasma they pack at center of plasma-solution interface in developing various anisotropic geometric shapes. On nucleation under dynamically-controlled such tiny particles, anisotropic geometric shapes develop via angle-dependent unidirectional interactions of later ones where propagation of photons on their surface modify them into smooth elements by retaining intact the orientations of packing. On the other hand, at 0.05 mM and 1.20 mM tiny particles are not made in rhombus shape and their non-unidirectional interactions results into distorted particles. A change in argon flow rate does not alter the morphology of particles. SAED patterns of various geometrical shapes validate the formation of smooth elements and in the case of distorted ones no smooth elements are formed. Our investigations throw light on the fundamental and technologically important aspects of geometric tiny particles and their packing under varying concentrations of gold precursor in a non-equilibrium process.

연구 동기 및 목표

• 비평형 플라즈마-액체 시스템에서 금 전구체 농도가 미세입자의 기하학적 구조와 배열에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 작은 입자에서 연장된 나노구조를 형성하는 데 있어 일방향 전자 흐름과 광자 전파의 역할을 이해하기 위해.
• 매끄럽고 이방성 기하학적 형태가 형성되는 조건과 기형된 형태가 발생하는 조건을 규명하기 위해.
• 선택적 면적 전자 회절(SAED)을 사용하여 형성된 입자의 구조적 안정성과 결정성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 제어된 펄스 ON 및 OFF 시간으로 공기-용액 인터페이스에서 일시적인 플라즈마를 생성하기 위해 수제 펄스 플라즈마-액체 상호작용 시스템을 사용하였다.
• 입자 핵형성과 형태에 미치는 영향을 연구하기 위해 금 전구체 농도를 0.05 mM에서 1.20 mM로 변화시켰다.
• 플라즈마에 의해 유도된 전자 흐름의 수평적 이동을 이용하여, 플라즈마-용액 인터페이스에서 작은 입자를 한 방향으로 정렬하고 늘어뜨렸다.
• 입자와 전파되는 광자 간의 각도에 의존하는 일방향 상호작용이 입자 표면을 매끄럽게 하고 형태를 형성하는 데 기여하는 바를 분석하였다.
• 매끄러운 결정성 요소의 형성 여부를 확인하고, 질서 있는 구조와 기형된 구조를 구분하기 위해 SAED 패턴을 측정하였다.
• 입자 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해 아르곤 기류 유량을 체계적으로 변화시켰지만, 변화가 관찰되지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금 전구체 농도는 공기-용액 인터페이스에서 미세입자의 핵형성과 기하학적 배열에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 일방향 전자 흐름과 광자 전파가 작은 입자에서 이방성 연장된 형태를 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 일부 전구체 농도(0.30 mM 및 0.60 mM)에서는 마름모꼴 모양의 입자가 형성되고, 다른 농도에서는 기형된 형태가 나타나는가?
• RQ4 아르곤 기류 유량은 최종적으로 조립된 입자의 형태에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 입자 표면에서의 각도에 의존하는 상호작용은 어떻게 매끄럽고 정렬 유지된 기하학적 요소를 만들어내는가?

주요 결과

• 2차원 구조에서 가장 많은 수의 미세입자가 0.30 mM 및 0.60 mM 금 전구체 농도에서 형성되어 최적의 핵형성 효율을 나타낸다.
• 0.30 mM 및 0.60 mM 농도에서 전자 흐름과의 제어된 일방향 상호작용으로 인해 균일하게 분포된 마름모꼴 모양의 입자가 형성된다.
• 입자들이 플라즈마-용액 인터페이스의 중심에서 늘어져 정렬되어 각도에 의존하는 일방향 상호작용을 통해 다양한 이방성 기하학적 형태를 형성한다.
• 입자 표면에서의 광자 전파가 입자를 매끄럽게 하고 배열의 정렬을 유지시키며, SAED 패턴을 통해 이를 확인할 수 있다.
• 0.05 mM 및 1.20 mM 농도에서는 비일방향 상호작용으로 인해 기형된 입자가 형성되었으며, SAED 패턴에서 매끄러운 결정성 요소의 증거가 없었다.
• 아르곤 기류 유량의 변화는 입자의 형태에 영향을 주지 않았으며, 이는 주로 전구체 농도와 플라즈마 동역학이 형태 제어의 핵심 요소임을 시사한다.