Energetic Al/Ni Superlattice sebagai Generator Mikro-Plasma dengan Performa Luar Biasa
Abstrak
Dalam penelitian ini, superlattice Al/Ni yang energik diendapkan dengan magnetron sputtering. Sebuah generator mikro-plasma dibuat menggunakan superlattice Al/Ni yang energik. Struktur mikro penampang superlattice Al / Ni yang energik dipindai dengan mikroskop elektron transmisi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa superlattice terdiri dari lapisan Al dan lapisan Ni, dan struktur periodiknya terlihat jelas. Selain itu, ketebalan bilayer sekitar 25 nm, yang terdiri dari lapisan Al sekitar 15 nm dan lapisan Ni 10 nm. Inisiator mikro dirangsang menggunakan kapasitor 0,22 F yang diisi pada 2900-4100 V. Perilaku listrik diselidiki dengan menguji bentuk gelombang tegangan-arus, dan pembangkitan plasma dieksplorasi dengan kamera berkecepatan sangat tinggi dan fotodioda. Generator mikro terintegrasi menunjukkan fenomena ledakan listrik yang luar biasa, yang mengarah ke generasi plasma pada skala waktu yang kecil. Keluaran plasma yang dipantulkan oleh kecepatan pamflet lebih unggul dibandingkan dengan bilayer yang jauh lebih tebal dari 500 nm Al/Ni multilayer. Kecepatan pamflet yang lebih tinggi dikombinasikan dengan model energi Gurney mengkonfirmasi reaksi kimia struktur superlattice Al/Ni yang berkontribusi pada produksi plasma dibandingkan dengan multilayer Al/Ni. Secara keseluruhan, superlattice Al/Ni yang energik diharapkan membuka jalan yang menjanjikan untuk meningkatkan efisiensi inisiator dengan investasi energi yang lebih rendah.
Pengantar
Reactive multilayer foils (RMFs) mengandung energi kimia yang tersimpan dalam bentuk struktur lapisan yang mengalami pelepasan energi yang cepat ketika dirangsang oleh sumber energi eksternal [1,2,3,4,5]. Kecepatan reaksi dan suhu foil ini sangat erat kaitannya dengan komposisi dan geometri [6,7,8,9]. Mereka berpotensi untuk pengelasan material [10,11,12], inisiasi ledakan [13,14,15], dan netralisasi biologis [16].
Di antara banyak RMF yang ada, Al/CuO [17], Al/MoO3 [18], Al/PTFE [19], B/Ti [20], dan Al/Ni [21, 22] paling banyak dipelajari. RMF Al/Ni menunjukkan keunggulan karena panas reaksinya yang tinggi (330 kal/g), kualitas fabrikasi yang luar biasa, dan efisiensi biaya. Banyak pekerjaan telah dilakukan untuk mengungkapkan sifat termodinamika dan kinerja reaksi mandiri eksotermik dari Al/Ni RMF [23,24,25,26]. Hasil berimplikasi bahwa kinerja reaksi (misalnya, suhu pembakaran maksimum, waktu tunda pembakaran) dari RMF Al/Ni sangat bergantung pada ketebalan lapisan gandanya [27]. RMF dengan lapisan ganda yang lebih tipis telah meningkatkan area kontak antar muka bahan bakar/oksidator dan mengurangi jarak difusi atom rata-rata sehingga mendorong inisiasi reaksi kimia [28]. Sementara itu, kecepatan reaksi dan suhu meningkat seiring dengan menurunnya ketebalan lapisan ganda. Namun, ketika ketebalan lapisan ganda RMFs di bawah 20 nm, tren sebaliknya ditemukan karena sebagian besar wilayah bercampur [29].
Ketika ketebalan lapisan ganda RMF Al/Ni diturunkan ke skala molekuler atau sub-nanometer, superlattice Al/Ni yang energetik akan terbentuk. Superlattice Al/Ni yang energetik menyajikan sifat reaksi kimia yang unik karena jarak antar reaktan yang sangat pendek, dan daerah campuran yang relatif besar. Reaksi kimia superlattice Al/Ni energetik ditandai dengan berbagai metode (pemindaian kalorimetri diferensial [29], mikroskop elektron transmisi [30], dan mikrodifraksi sinar-X yang diselesaikan dengan waktu [31]) untuk lebih memahami mekanisme reaksi kimia. Hasil menunjukkan bahwa fase metastabil tidak terbentuk untuk struktur superlattice karena jarak difusi yang sangat rendah [32].
Pekerjaan ekstensif telah dilakukan dengan mengacu pada karakteristik pembakaran dan mekanisme kimia superlattice Al/Ni yang energik. Namun, ada kekurangan laporan tentang perilaku listrik dan kinerja plasma berdasarkan superlattice Al / Ni energik di bawah stimulasi listrik ekstra. Dalam penelitian ini, superlattice Al/Ni energik diendapkan pada Al2 O3 substrat dengan sputtering magnetron dan dipola dengan etsa basah untuk membentuk generator plasma. Perilaku listrik dan kinerja plasma generator di bawah stimulasi listrik diselidiki secara rinci.
Metode Eksperimental
Sampel superlattice Al/Ni yang energik dibuat dengan mendepositkan lapisan yang tersusun dari Al dan Ni secara bergantian pada Al2 O3 substrat dari target Ni (99,99 wt%) dan Al (99,99 wt%). Tekanan dasar ruang deposisi adalah 5 × 10
−5
Pa, dan sputtering dilakukan dengan gas proses Ar pada tekanan 0,8 Pa. Kedua lapisan Al dan Ni diendapkan pada 90 W. Pada kondisi pengendapan di atas, laju pengendapan untuk Al dan Ni adalah sekitar 15 nm/menit dan 10 nm / menit, masing-masing. Ketebalan lapisan ganda superlattice Al / Ni energik yang diendapkan adalah sekitar 25 nm, dan ketebalan keseluruhan sekitar 4 μm. Setiap bilayer terdiri dari lapisan Al dan lapisan Ni dengan rasio ketebalan 3:2 untuk mempertahankan rasio atom keseluruhan 1:1. Sebagai sampel pembanding, juga diendapkan RMF Al/Ni dengan ketebalan bilayer 500 nm. Lapisan tembaga dengan ketebalan 20 nm diendapkan ke sampel untuk menjaga keterikatan yang baik dengan sumbat keramik.
Proses fabrikasi generator mikro-plasma didasarkan pada teknik MEMS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Pertama, setebal 0,5 mm 4-in. Al2 O3 substrat dibersihkan dengan aseton, alkohol, dan air deionisasi dalam rendaman ultrasonik selama 5 menit, masing-masing. Kedua, substrat dikeringkan dalam oven selama 30 menit pada suhu 100 °C. Ketiga, substrat dipasang pada pemegang spesimen dan kontaminan permukaannya dihilangkan oleh plasma oksigen. Kemudian, superlattice Al/Ni yang energetik diendapkan pada permukaan Al2 O3 substrat. Selanjutnya, photoresist positif (AZ5214E) dilapisi spin pada permukaan sampel yang diendapkan pada 5000 rpm selama 60 s dan dipanggang sebelumnya dalam oven selama 90 s pada 100 °C. Selanjutnya sampel dipola dan disinari sinar ultraviolet dengan intensitas 16 mJ/cm
2
. Kemudian, sampel dikembangkan dalam larutan NaOH. Sampel dipanggang lagi pada suhu 120 °C untuk menstabilkan pola fotoresist. Terakhir, sampel digoreskan untuk membentuk jembatan bowtie dalam larutan ETsa Al (Aluminium Etchant Tipe A, Transene Company, Danvers, Massachusetts) pada suhu 30 °C. Sampel berpola dipotong menjadi beberapa chip individu, dan photoresist yang tersisa dihilangkan dalam aseton. Terakhir, chip tersebut dirakit menjadi steker keramik untuk membentuk generator plasma.
Proses fabrikasi generator plasma mikro
Struktur penampang generator plasma dicirikan oleh mikroskop elektron transmisi (TEM). Selanjutnya, generator mikro-plasma dirangsang menggunakan generator arus pulsa tinggi (0,22 μF, 2900–4100 V), dan bentuk gelombang tegangan arus diukur menggunakan kumparan Rogowski dan probe tegangan tinggi, yang direkam oleh osiloskop . Sementara itu, generasi plasma direkam oleh kamera berkecepatan tinggi (SIM, SIL3001-00-H06). Waktu pemaparan kamera ultra-kecepatan tinggi adalah 10 ns, dan waktu interval setiap frame sekitar 20 –50 ns. Selain itu, intensitas cahaya pembangkit diukur dengan fotodioda. Penundaan dasar pengujian antara generator arus pulsa tinggi, kamera kecepatan ultra-tinggi, dan osiloskop dikendalikan oleh generator penundaan digital (DG535), yang ditunjukkan pada Gambar. 2.
Menguji gambar skema generator mikro-plasma
Selanjutnya kinerja generator mikroplasma dicirikan dengan menguji kemampuannya dalam menggerakkan kapton flyer dengan ketebalan 30 μm. Sebuah pulsa arus pendek diterapkan pada generator plasma, menyebabkan ledakan cepat dari jembatan bowtie (0,4 × 0,4 mm), yang pada gilirannya memaksa flyer untuk mempercepat kecepatan hingga beberapa kilometer per detik [33,34,35] . Dan kecepatan selebaran itu direkam oleh velocimetry Doppler fotonik (PDV).
Hasil dan Diskusi
Gambar 3a menunjukkan gambar TEM bidang terang penampang lintang superlattice Al/Ni yang energik, yang menunjukkan struktur periodik yang terdiri dari bilayer Al dan Ni dengan ketebalan yang terkontrol, dan lapisan yang berbeda dapat dengan mudah dibedakan. Difraksi elektron area yang dipilih (SAED) selanjutnya dilakukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, c. Gambar terang sesuai dengan lapisan Al, sedangkan gambar gelap menunjukkan lapisan Ni. Ketebalan bilayer sekitar 25 nm, yang terdiri dari sekitar 15 nm lapisan Al dan 10 nm lapisan Ni. Cincin difraksi menunjukkan struktur polikristalin yang terdefinisi dengan baik dari lapisan Ni dan Al. Gambar 3d menunjukkan gambar TEM bidang terang penampang multilayer Al/Ni dengan ketebalan bilayer 500 nm.
a Gambar TEM bidang terang penampang dari superlattice Al / Ni yang energik. b Pola difraksi elektron lapisan Ni. c Pola difraksi elektron lapisan Al. d Gambar TEM bidang terang penampang dari RMF Al/Ni
Gambar 4a mengilustrasikan riwayat tegangan, arus, intensitas cahaya, dan energi superlattice Al/Ni energik yang bermuatan pada 3,5 kV. Evolusi tegangan-arus menunjukkan puncak arus dan tegangan. Ketika pulsa arus disuplai ke bahan Al/Ni superlattice, film dipanaskan secara lokal karena efek Joule, menghasilkan kenaikan suhu yang cepat sesuai dengan kenaikan tegangan melintasi jembatan [36, 37]. Akhirnya, tegangan ditingkatkan cukup tinggi untuk menginduksi penurunan arus, di mana resistansi mencapai maksimum. Bahan yang diuapkan dan diionisasi membangun jalur baru dengan resistansi rendah untuk membuat tegangan turun menuju nol disertai dengan arus pengosongan ke nilai maksimum.
a Evolusi tegangan arus dan intensitas emisi cahaya untuk superlattice Al/Ni energik dengan kapasitor penyimpanan yang awalnya bermuatan 3,5 kV. b Gambar penampang dari proses dinamis dengan kamera berkecepatan sangat tinggi
Gambar 4b menunjukkan evolusi plasma superlattice Al/Ni energik yang ditangkap oleh kamera berkecepatan sangat tinggi. Proses pemanasan Joule, penguapan, dan pembangkitan dan pemuaian plasma terlihat jelas. Menurut Gambar. 4, cahaya kabur diamati, dan tegangan dan arus naik perlahan, menunjukkan proses pemanasan Joule (≤ 168 ns). Pada 218 ns, tegangan tiba-tiba meningkat sementara cahaya yang dipancarkan berbeda, dan area cahaya hampir seluas jembatan bowtie. Ini sesuai dengan proses penguapan superlattice Al/Ni yang energik. Ketika tegangan mencapai maksimum pada 258 ns, ledakan yang terkait dengan pembangkitan plasma terjadi setelah cahaya yang kuat. Setelah meledak, ekspansi plasma menuju ambient cenderung menyebabkan gelombang kejut. Partikel produk yang ada dalam pembakaran RMF Al/Ni tidak diamati dalam penelitian ini, yang berimplikasi bahwa ledakan energik superlattice Al/Ni seragam di bawah arus pulsa tinggi [38]. Oleh karena itu, waktu puncak tegangan dapat dianggap sebagai waktu tunda (Tb ) (antara awal pulsa arus dan sinyal puncak tegangan). Energi yang diserap sampel selama waktu tunda ini dianggap sebagai energi ledakan kritis (Ec ). Kita harus mencatat bahwa titik awal intensitas emisi cahaya sesuai dengan puncak tegangan (258 ns). Sinyal intensitas pancaran cahaya sulit dideteksi karena lemahnya cahaya sebelum ledakan.
Hasil Tb dan Ec diperoleh dari integrasi kurva tegangan-arus listrik di bawah tegangan pengisian yang berbeda mulai dari 2900 hingga 4100 V seperti yang disajikan pada Gambar 5a. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, Tb menurun dengan meningkatnya tegangan pengisian. Berdasarkan gambar sisipan pada Gambar 5a, arus maksimum mencapai sekitar 2572 A pada 4100 V, sedangkan puncak arus mencapai 1870 A pada 2900 V. Hal ini menunjukkan bahwa masukan energi listrik per satuan waktu superlattice Al/Ni energik adalah meningkat dengan meningkatnya tegangan pengisian. Jadi, waktu tunda pada tegangan pengisian rendah jauh lebih lama dibandingkan dengan tegangan pengisian tinggi. Namun, untuk Ec nilai, itu menunjukkan tren yang ditingkatkan dengan peningkatan tegangan muatan, menyiratkan bahwa lebih banyak energi listrik diserap ke titik meledak pada 4100 V untuk superlattice Al/Ni energik dibandingkan dengan pada 3500 dan 2900 V, yang dapat dianggap berasal dari heterogenitas meledak di bawah pulsa listrik. Ketika pulsa arus tinggi diterapkan ke superlattice Al/Ni yang energik, suhu keempat sudut jauh lebih tinggi daripada bagian lain yang menghasilkan ledakan pada waktu yang lebih singkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Perbedaan antara bagian yang meledak berkurang dengan meningkatnya tegangan pengisian. Dengan demikian, ledakan listrik superlattice Al/Ni yang energik tampak lebih homogen pada 4100 V daripada pada tegangan muatan yang lebih rendah, yang memperhitungkan tegangan ledakan tinggi dan energi listrik.
a Hasil eksperimen waktu ledakan dan energi ledakan kritis dengan tegangan pengisian berkisar antara 2900 hingga 4100 V untuk superlattice Al/Ni yang energetik. b Gambar proses dinamis superlattice Al/Ni yang energik dengan arah menuju kamera berkecepatan ultra tinggi
Gambar 6a menunjukkan kecepatan pamflet dengan ekspansi plasma pada tegangan pengisian mulai dari 2900 hingga 4100 V untuk superlattice Al/Ni yang energik. Setelah pulsa listrik dimuat pada superlattice, tekanan plasma yang meluas mempercepat selebaran menjauh dari permukaan sampel, menyebabkan sebagian selebaran robek dan melanjutkan percepatan. Seperti yang diharapkan, kecepatan pamflet meningkat seiring dengan peningkatan tegangan pengisian. Untuk tegangan pengisian 4100 V, kecepatan pamflet maksimum mencapai lebih dari 3 km/s, yang secara signifikan lebih tinggi dari nilai puncak yang diperoleh pada tegangan pengisian 3500 V. Saat tegangan pengisian berkurang menjadi 2900 V, kecepatan pamflet sekitar 2,3 km/s.
a Kurva kecepatan pamflet untuk tingkat tegangan pengisian kapasitor yang berbeda diterapkan pada superlattice Al/Ni yang energetik. b Kecepatan pamflet untuk superlattice Al/Ni yang energik dan RMF Al/Ni dengan tegangan pengisian mulai dari 2900 hingga 4100 V
Kecepatan pamflet diukur tiga kali pada setiap tegangan pengisian, dan kecepatan pamflet maksimum dirata-ratakan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b. Hasil menunjukkan bahwa kecepatan pamflet maksimum sampel RMF jauh lebih rendah daripada struktur superlattice energik. Model energi Gurney diperkenalkan untuk mendamaikan energi listrik yang berbeda dan rasio massa flyer-to-layers antara sampel [39, 40]. Kecepatan pamflet terakhir diprediksi berdasarkan:
dimana M adalah massa pamflet, B adalah massa dari mana energi plasma untuk percepatan berasal, dan Eg adalah energi per satuan massa yang diberikan ke sistem. K , n adalah faktor Gurney yang ditentukan oleh komposisi dan geometri foil. Jb adalah rapat arus listrik yang meledak. Dalam kasus saat ini, sampel memiliki rasio massa flyer-to-layer yang sama dan faktor Gurney karena ketebalan bilayer, ketebalan total, dan geometri yang identik. Kecepatan pamflet terkait dengan energi listrik yang diberikan ke sistem (Eg ), yang dihitung dengan kepadatan arus yang meledak.
Dalam hasil percobaan kami, kerapatan arus ledakan RMF Al/Ni lebih tinggi daripada superlattice. Menurut model energi Gurney, kecepatan pamflet akhir RMF Al/Ni harus menunjukkan nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel yang terintegrasi dengan superlattice Al/Ni energik. Namun hasil prediksi tidak konsisten dengan hasil eksperimen (Gbr. 6b). Sebaliknya, hasil eksperimen dengan superlattice menunjukkan kecepatan pamflet yang lebih tinggi dengan kontras RMF. Peningkatan energi kinetik selebaran mengkonfirmasi bahwa energi kimia yang dihasilkan dari reaksi antara Al dan Ni dipengaruhi oleh proses plasma untuk superlattice Al/Ni yang energik. Pelepasan panas dikaitkan dengan ionisasi tinggi dari superlattice selama proses pembentukan plasma, menghasilkan kecepatan ekspansi plasma yang cepat.
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, superlattice Al/Ni yang energetik difabrikasi dengan lapisan Al dan Ni yang diendapkan secara alternatif pada permukaan Al2 O3 substrat keramik dengan sputtering magnetron, ditandai dengan TEM. Perilaku listrik dan kinerja plasma berdasarkan superlattice Al / Ni energik di bawah stimulasi listrik ekstra diselidiki, yang diintegrasikan sebagai generator mikro-plasma. Generator mikro terintegrasi menunjukkan fenomena ledakan listrik yang luar biasa, yang mengarah ke generasi plasma pada skala waktu yang kecil. Keluaran plasma yang dipantulkan oleh kecepatan pamflet lebih unggul dibandingkan dengan bilayer yang jauh lebih tebal dari 500 nm Al/Ni multilayer. Model energi Gurney menegaskan bahwa reaksi kimia struktur superlattice Al/Ni terlibat dalam pembangkitan plasma dibandingkan dengan RMF Al/Ni. Secara keseluruhan, generator plasma mikro berdasarkan superlattice Al/Ni energik menunjukkan kinerja yang unggul dengan output plasma tinggi, sehingga meningkatkan transduksi energi listrik dan keandalan sistem. Oleh karena itu, ada banyak prospek penerapan energik Al/Ni superlattice pada inisiator mikro atau nano-plasma untuk mengimplementasikan fungsi khusus.
