Preparation and Characterization of Carbon-Silicon Hybrid Nanostructures

Abstract

У статті ми описуємо особливості будови гібридних наноструктур вуглець-кремній (Si@C). Вихідні кремнієві наночастинки (Si НЧ) були отримані кислотним травленням із порошкоподібного силумінового (80 % Al – 20 % Si) сплаву. Для приготування гібридних наноструктур Si@C було запропоновано використання стандартних термічних та хімічних методів. Рекомендований підхід передбачає обробку окисленої поверхні Si НЧ полівінілпіролідоном, як сполукою-попередником, що містить вуглець; отриманий продукт слід піддавати подальшій карбонізації. Для запобігання значного спікання компонентів, Si НЧ, оброблені полівінілпіролідоном, поміщали в піч з киплячим шаром і прожарювали при 400 та 500 °C в атмосфері аргону протягом 4 годин. За даними атомно-силової мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії, трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ) та скануючої трансмісійної електронної мікроскопії з висококутовою кільцевою діаграмою темного поля (СТЕМ-ВКДТП), ми отримали інтерфейс Si@C та відповідні Si/C гетероструктури. Використовуючи зображення TEM та СТЕМ-ВКДТП, ми виявили, що 2D вуглецеві наноструктури утворюються на структурованій поверхні нанокремнію, як на підкладці. Згідно візуалізації модифікованого інтерфейсу, вуглецеві НЧ є аморфними та напіваморфними наноструктурами. Вуглецеві НЧ, інтерфейс Si@C та відповідні Si/C гетероструктури гібридів Si@C можуть бути перспективними як зонди для розробки нових сенсорних пристроїв. Сенсорні відгуки датчиків на гібридній основі Si@C на пари аміаку, метанолу та етанолу вимірювали при кімнатній температурі та порівнювали. Слід зазначити, що датчики на гібридній основі мають високу чутливість та вибірковість до 10 мд. аміаку, на відміну від реакції на 1000 мд. парів метанолу та етанолу. Запропоновані гібриди мають великий потенціал щодо використання в адсорбційних напівпровідникових газових датчиках для визначення аналітів у парах з використанням нановуглецю, зв’язаного з кремнієм, у гібридних наноструктурах в якості зонду.

In this paper, we describe the design features of carbon-silicon (Si@C) hybrid nanostructures. Initial silicon nanoparticles (Si NPs) were prepared by acid etching from powdered (80 % Al – 20 % Si) silumin alloy. For preparing Si@C hybrid nanostructures, the use of standard thermal and chemical methods was proposed. The recommended approach involves treatment of the oxidized surface of Si NPs with polyvinylpyrrolidone as a carbon-containing precursor compound. The resulting product should be subjected to further carbonization. To prevent significant sintering of the components, Si NPs treated with polyvinylpyrrolidone were placed in a fluidized bed furnace and calcined at 400 and 500 °C in an argon atmosphere for 4 h. According to the data of atomic force microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy (TEM), and high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) imaging, we obtained the Si@C interface and the corresponding Si/C heterostructures. By using TEM and HAADF-STEM imaging, we found that 2D carbon nanostructures are formed on the structured nanosilicon surface as on the substrate. According to the visualization of the modified interface, carbon NPs are amorphous and semi-amorphous nanostructures. Carbon NPs, the Si@C interface, and the corresponding Si/C heterostructures of Si@C hybrids can be prospective as probes for the development of new sensor devices. Sensing responses of Si@C hybrid-based sensors to ammonia, methanol and ethanol vapors were measured at room temperature and compared. Notably, hybrid-based sensors are highly sensitive with a selectivity of up to 10 ppm of ammonia, contrasting to the response to 1,000 ppm of methanol and ethanol vapors. The proposed hybrids have great potential to be used in adsorption semiconductor gas sensors to determine analytes in vapors using nanocarbon bonded to silicon in hybrid nanostructures as a probe.