Lazer Destekli Metot

Bu yöntemde elektrik enerjisine ek olarak fotonik enerji mevcuttur. Bu proseste fotonik enerji, başlangıç malzemesini anında iyon gazına çevirerek ısı enerjisine dönüştürür. Günümüzde bazı lazerlerin çıkışı sürekli dalga modu ya da kHz tekrar hızı gibi yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Örnek olarak CO2 lazer kızıl ötesi radyasyon yayıcı ile 1kW’a

kadar çıkış hızı ulaşabilir ve birkaç mm’lik bir noktaya odaklanabilir. Işık sürekli ışınlarla ya da aralıklı atışlarla küçük bir noktada kaynak malzemesinin üzerine odaklanırsa, düşen ışıkla sağlanan enerji çok kısa bir süre içerisinde ışınlanan alanın sıcaklığını birkaç bin kelvine yükseltir. Eğer sıcaklık hedef malzemenin süblimleşme sıcaklığını geçerse yerel patlamalar meydana gelir ve kaynak malzeme yüzeyden yayılı ve atomik ölçekte reaktantlardan oluşan iyon gazı üretilmiş olur. Bu proses lazer destekli metot olarak adlandırılır.

Eğer hedef sıcaklığı, lazer radyasyonun ve süblimleşme sıcaklığının altında ise radyasyon, püskürtme olmaksızın yalnızca hedefin sıcaklığını arttırır. Bu proses lazer ısıtma olarak adlandırılır. Her iki yöntemde bor nitrür üretimi için kullanılmaktadır. Şekil.1.14’de lazer destekli metodun şematik resmi görülmektedir. Resimde hava soğutmalı metalik kapan, biriken ürünleri toplamak için kullanılırken, lazer ısıtma ürünleri hedefin ışınlama bölgesi etrafında ve yüzey üzerinde bulunabilir. Şekilde hedefin sıcaklığını muhafaza etmek için ek bir enerji desteği olarak bir tüp fırın kullanıldığı görülür [29]. Lazer destekli metota hedef malzemesi olarak genellikle saf BN ve B kullanılır. Bundan dolayı ürünler katalizörsüz büyüme gösterir. Her iki yöntemde 1 gr kadar BNNT üretimi hedeflenmektedir.

27

Lee ve arkadaşları bu metodu kullanarak 0.6 g/h miktarında BNNT sentezlemişlerdir. Bu çalışmada görülen tek duvarlı BNNT’ler yarı düzenli yığınlar halindedir [22]. Ni/Co tozları katalizör olarak kullanıldığı zaman tek duvarlı tüpler biriken ürünlerinde bulunabilir. Ark boşaltımı metoduna benzer şekilde lazer destekli metotta da çok yüksek sıcaklık ve enerji gerekir. Tüplerin oluşma biçimi çok benzerdir. Her iki prosestede üretilen tüpler mükemmel silindirik yapıda ve minumum hatalıdır (Şekil 1.15.).

Arenal, metal katalizör kullanmadan yüksek kalitede BNNT’lerin üretimini ispatlamışdır. Çalışmada azot gazının kısmi basıncı altında bir CO2 sürekli lazer ile, h-BN hedef

malzemeyi bombardıman etmiştir [41]. Hedeflerin yüzey sıcaklığı optik pirometrelerle ölçülmüş, 3200-3500K olarak bulunmuştur ve azot gazının sıcaklığı hedef yüzeyine mesafenin bir fonskyonu olarak CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) ile hesaplanmıştır. Hedef üzerinde gazın sıcaklığının önce hızla artığı ve sonra yavaşça düştüğü tespit edilmiştir. Katı ürünlerin miktarı 0.5 g/h’dır. Reaksiyon ürünleri filtre üzerinde toplanmıştır ve reaksiyon kabini dışına bir kapan yerleştirilmiştir. Nano tüplerin %80’i tek duvarlı geri kalan birkaç duvarlı ve çok duvarlıdır. Uzunlukları birkaç yüz nm ve çapları 2 nm civarındadır. TEM ve EELS sonuçlarına göre bor oksit tabakası ile çevrili saf bor partikülü içeren küresel nano partiküller de yapıda mevcuttur. Bu sonuçlara göre BNNT’lerin oluşumu için saf bor partikülü merkezli bir büyüme mekanizması gerçekleşmiştir. Şekil.1.16’da TD-BNNT’lerin oluşumu üzerine geliştirilen buhar-sıvı-katı (VLS) mekanizması görülmektedir.

28

Şekil 1.16. Lazer destelki yöntem ile BNNT’lerin büyüme mekanizması [41]

B-N faz diyagramına göre, hedefin bileşeni olan h-BN lazer kaynak ile ısıtıldığında grafit gibi süblimleşmez. Ancak 2600 K’de azot ve sıvı bora ayrışmaktadır. Bor hedefin yüzeyi denge buharlaşma sıcaklığına ulaştığında bor buharlaşmaya başlamaktadır. Böylece nano tüplerin elde edilebilmesi için bor kaynağı sağlanmış olacaktır. Soğuma esnasında azot gazı akışı ile oluşturulan sıcaklık gradiyantı sayesinde bor buharı küçük damlacıklar halinde yoğunlaşmaktadır. Sıcaklık 2700 K’ne olduğunda bor nitrür yapısını oluşturmak için azot gazı ile reaksiyona girmektedir. Azot molekülü güçlü bir stabiliteye sahip olmasına karşın 2700 K’de sıvı yüzeylerin yüksek reaktifliği bu molekülü indirgeyebilmektedir. Bor, N2 kimyasal reaksiyonu sonunda (Şekil 1.16- adım I) bir BN

başlık, bor yüzeyi üzerinde oluşmaktadır. Bu yapı partikül yüzeyinde azot molekülünün ayrışması ile bir tüpe dönüşmektedir (Şekil 1.16- adım II). BN başlıkların başlangıç boyutunun partikülün boyutundan daha az olduğu bulunmuştur. Bu suretle BN başlık yüzeyleri serbest azota ulaşmayı başarabilecektir. Bu çekirdekleşme prosesi büyüme mekanizmasını da sağlamaktadır. Azot ve bor atomları, partikül yüzeyleri ve ara yüzeylerden geçerek nano tüpün ayağını oluşturan BN ağında birleşmektedir. Bu büyüme mekanizmasında BN partikülleri iki rol üstlenmiştir. Bu rollerden biri bor partikülünün reaktan olarak kullanımı ve ikincisi de büyümeye destek sağlamakdır. Şekil 3.5-adım II’de 2300 K bir sıcaklık boyunca bor partikülleri hala sıvıdır. Reaksyon kabının soğuma hızı 100-200 k/ms olduğunda bor partikülleri katılaşmaya başlar (Şekil 1.16- adım III).Buna bağlı olarak büyüme aniden durur. Bu yöntemle üretilmiş karbon benzerleri ile karşılaştırıldıklarında üretilen BNNT’ler daha kısa ve tek duvarlıdırlar. Özet olarak büyüme prosesi üç adımda gerçekleşir.

 Lazer girişi ile beraber h-BN her ikiside buharlaşabilen bora ve ortam gazınında azota ayrışması

29

 Soğuma sırasında bor buharı küçük sıvı bor damlacıkları olarak yoğunlaşmakta ve azot ile reaksiyona girmektedir.

 Başlık ve partiküller arası ara yüzeylerde bor ve azotun sürekli birleşmesi ile nano tüp büyümesi gerçekleşmekte ve çekirdek görevi gören bor katılaştığında büyüme durmaktadır.

1.2.3 Şablon Sentezleme (Karbon Nanotüp Yerine Geçerek Bor Nitrür Nano Tüp