[논문 리뷰] Controlling the size distribution of nanoparticles through the use of physical boundaries during laser ablation in liquids

Kaushik Roy Choudhury, Rajesh Kumar Singh외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 04.

Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles참고 문헌 46인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 레이저 유도 증착에서 타겟 근처에 물리적 경계를 도입하여 나노입자의 크기 분포를 제어하는 새로운 방법을 제시한다. 플라즈마 플룸을 봉쇄함으로써 열화 시간이 증가하여 더 큰 나노입자를 얻을 수 있으며, 수증기와 이소프로필 알코올에서 구리와 티타늄을 이용한 실험 결과, 개방형 타겟 구조에 비해 평균 크기가 뚜렷이 증가함을 확인하였다. 특히 구리의 경우 변화가 두드러졌다.

ABSTRACT

A simple, yet effective method of controlling the size and size distributions of nanoparticles produced as a result of laser ablation of target material is presented. The method employs the presence of physical boundaries on either sides of the ablation site. In order to demonstrate the potential of the method, experiments have been conducted with copper and titanium as the target materials that are placed in two different liquid media (water and isopropyl alcohol). The ablation of the target material immersed in the liquid medium has been carried out using an Nd:YAG laser. Significant differences in the size and size distributions are observed in the cases of nanoparticles produced with and without confining boundaries. It is seen that for any given liquid medium and the target material, the mean size of the nanoparticles obtained with the boundary-fitted target surface is consistently higher than that achieved in the case of open (flat) targets. The observed trend has been attributed to the plausible role(s) of the confining boundaries in prolonging the thermalisation time of the plasma plume. In order to ascertain that the observed differences in sizes of the nanoparticles produced with and without the presence of the physical barriers are predominantly because of the prolonged thermalisation of the plasma plume and not due to the possible formation of oxide layer, select experiments with gold as the target material in water have also been performed. The experiments also show that, irrespective of the liquid medium, the increase in the mean size of the copper-based nanoparticles due to the presence of physical boundaries is relatively higher than that observed in the case of titanium target material under similar experimental conditions.

연구 동기 및 목표

• 레이저 유도 증착 중 나노입자의 크기와 크기 분포를 정밀하게 제어할 수 있는 단순한 방법을 개발하는 것.
• 타겟 근처의 물리적 경계가 플라즈마 플룸 역학과 나노입자 형성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 관측된 크기 변화가 연장된 열화 시간 때문인지, 산화층 형성 때문인지 확인하는 것.
• 다른 물질(Cu, Ti, Au)과 액체 매질(물, 이소프로필 알코올)에서의 봉쇄 효과를 비교하는 것.

제안 방법

• 타겟 재료의 양측에 물리적 경계를 적용하여 플라즈마 플룸의 확산을 제한하는 것.
• 구리 및 티타늄 타겟을 물 또는 이소프로필 알코올에 잠기게 하여, 경계 봉쇄 조건과 개방형(평면) 타겟 조건에서 Nd:YAG 레이저를 사용해 유도 증착을 수행하는 것.
• 합성된 나노입자의 크기와 크기 분포를 분석하기 위해 투과형 전자현미경(TEM)을 활용하는 것.
• 플라즈마 봉쇄 효과와 표면 산화의 영향을 분리하기 위해 금을 이용한 제어 실험을 수행하는 것.
• 경계 봉쇄 조건과 개방형 증착 조건 간의 평균 입자 크기와 크기 분포 폭을 측정하고 비교하는 것.
• 봉쇄 조건과 관측된 크기 증가 간의 상관관계를 통해 열화 시간이 나노입자 성장에 미치는 영향을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 경계의 존재가 레이저 유도 증착 나노입자의 크기와 크기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 크기 제어의 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가—연장된 플라즈마 열화 시간인가, 표면 산화인가?
• RQ3 다른 타겟 재료(Cu, Ti, Au)는 봉쇄 조건에서 나노입자 크기 증가에 어떻게 반응하는가?
• RQ4 액체 매질(물 대비 이소프로필 알코올)은 봉쇄 조건 하에서 크기 제어 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 경계 기반 방법을 통해 평균 나노입자 크기를 얼마나 정밀하게 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 물리적 경계의 존재는 개방형 타겟 구조에 비해 레이저 유도 증착 나노입자의 평균 크기를 일관되게 증가시킨다.
• 동일 조건에서 티타늄에 비해 구리 나노입자의 평균 크기가 봉쇄 조건에서 더 크게 증가하였다.
• 구리 및 티타늄 타겟 모두에서 물에서는 이소프로필 알코올보다 크기 증가가 뚜렷했으며, 이는 용매 의존 효과를 시사한다.
• 물에서 금을 이용한 제어 실험 결과, 크기 증가는 표면 산화가 아니라 연장된 플라즈마 열화 시간 때문임을 확인하였다.
• 봉쇄 조건 하에서도 크기 분포 폭은 좁게 유지되어 단일 분포 제어가 우수함을 나타낸다.
• 관측된 경향은 경계 봉쇄가 플라즈마 플룸의 열화 시간을 연장시켜 나노입자 성장을 향상시킨다는 가설을 지지한다.