Generation of zinc oxide nanoparticles in a glow discharge at atmospheric pressure

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The paper presents a study of the features of discharge at atmospheric pressure in an inert gas jet generating plasma flows with a high content of metal particles in the context of obtaining aerosols with a high

content of nanoparticles of zinc oxides, as applied to obtaining nanosized powders and coatings based on them. It is shown that the most suitable is the operation of a low-current discharge at atmospheric pressure in the glow discharge mode, which remains an insufficiently studied physical phenomenon to date. Emission of metal atoms from the surface of the molten zinc cathode insert occurs as a result of heat flux from the cathode layer of the discharge and gasdynamic interaction of the working gas jet with the molten metal. The main electrophysical and optical characteristics of the discharge included the following parameters: cathode material — zinc; discharge voltage 150–300 V; current 500–600 mA; pulse duration 9–12 s with frequency 60–100 kHz in argon flow at a flow rate of 1 l/min. The presence of particles of cathode materials was confirmed by ionic and atomic lines of zinc, which were in the emission spectrum and were clearly distinguishable against the background of lines of argon atoms (Ar I). Based on the discharge with such parameters, the generation of powders of zinc oxide with particle sizes from 10 to 50 nm was carried out as a result of emission of combined gas–metal flows from discharge plasma through the anode orifice into the surrounding air. This led to their cooling, adhesion into nanosized agglomerates, and oxidation upon interaction with oxygen. Prospects for further development of this method of nanopowder synthesis and possibilities of increasing its productivity are discussed.

全文:

受限制的访问

作者简介

Konstantin Savkin

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: savkin@opee.hcei.tsc.ru

(b. 1980) — Candidate of Science in technology, senior research scientist

俄罗斯联邦, 2/3 Akademi- cheskiy Prosp., Tomsk 634055

Dmitry Sorokin

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: SDmA-70@loi.hcei.tsc.ru

(b. 1986) — Candidate of Science in physics and mathematics, leading research scientist

俄罗斯联邦, 2/3 Akademi- cheskiy Prosp., Tomsk 634055

Dmitry Beloplotov

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: rffbdim@loi.hcei.tsc.ru

(b. 1989) — Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

俄罗斯联邦, 2/3 Akademi- cheskiy Prosp., Tomsk 634055

Viktor Semin

Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: viktor.semin.tsk@gmail.com

(b. 1992) — Candidate of Science in physics and mathematics, research scientist

俄罗斯联邦, 2/4 Akademicheskiy Prosp., Tomsk 634055

Alexey Nikolaev

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nik@opee.hcei.tsc.ru

(b. 1968) — Candidate of Science in technology, senior research scientist

俄罗斯联邦, 2/3 Akademi- cheskiy Prosp., Tomsk 634055

Maxim Shandrikov

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shandrikov@opee.hcei.tsc.ru

(b. 1979) — Candidate of Science in technology, senior research scientist

俄罗斯联邦, 2/3 Akademi- cheskiy Prosp., Tomsk 634055

Alexander Cherkasov

Institute of High Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: cherkasov@opee.hcei.tsc.ru

(b. 1998) — engineer

俄罗斯联邦, 2/3 Akademi- cheskiy Prosp., Tomsk 634055

参考

  1. Moezzi, A., A. M. McDonagh, and M. B. Cortie. 2020. Study of the optical and gas sensing properties of In2O3 nanoparticles synthesized by rapid sonochemical method. J. Mater. Sci. — Mater. El. 31:17474. doi: 10.1007/s10854-020-04303-9.
  2. Gudmundsson, J. T. 2020. Physics and technology of magnetron sputtering discharges. Plasma Sources Sci. T. 29:113001. doi: 10.1088/1361-6595/abb7bd.
  3. Anders, A. 2006. Physics of arcing, and implications to sputter deposition. Thin Solid Films 502:22–28. doi: 10.1016/j.tsf.2005.07.228.
  4. Lyubimov, G. A., and V. I. Rakhovskii. 1978. The cathode spot of a vacuum arc. Sov. Phys. Uspekhi 21:693. doi: 10.1070/PU1978v021n08ABEH005674.
  5. Vladoiu, R., M. Tichy, A. Mandes, V. Dinca, and P. Kudrna. 2020. Thermionic vacuum arc — a versatile technology for thin film deposition and its applications. Coatings 10(3):211. doi: 10.3390/coatings10030211.
  6. Tarasenko, V., N. Vinogradov, D. Beloplotov, A. Burachenko, M. Lomaev, and D. Sorokin. 2022. Influence of nanoparticles and metal vapors on the color of laboratory and atmospheric discharges. Nanomaterials 12:652. doi: 10.3390/nano12040652.
  7. Sorokin, D., K. Savkin, D. Beloplotov, V. Semin, A. Kazakov, A. Nikonenko, A. Cherkasov, and K. Shcheglov. 2023. Magnesium oxide powder synthesis in cathodic arc discharge plasma in an argon environment at atmospheric pressure. Ceramics 6(3):1531. doi: 10.3390/ceramics6030095.
  8. Tsventoukh, M. M. 2018. Plasma parameters of the cathode spot explosive electron emission cell obtained from the model of liquid-metal jet tearing and electrical explosion. Phys. Plasmas 25(5):053504. doi: 10.1063/1.4999377.
  9. Anders, S., A. Anders, K. M. Yu, X. Y. Yao, and I. G. Brown. 1993. On the macroparticle flux from vacuum arc cathode spots. IEEE T. Plasma Sci. 21(5):440–446. doi: 10.1109/27.249623.
  10. Liu, S.-H., J. Trelles, Ch.-J. Li, Ch.-X. Li, and H.-B. Guo. 2022. A review and progress of multiphase flows in atmospheric and low pressure plasma spray advanced coating. Materials Today Physics 27:100832. doi: 10.1016/j.mtphys.2022.100832.
  11. Huan, Yu., K. Wu, Ch. Li, H. Liao, M. Debliquy, and Ch. Zhang. 2020. Micro-nano structured functional coatings deposited by liquid plasma spraying. J. Adv. Ceram. 9(5):517–534. doi: 10.1007/s40145-020-0402-9.
  12. Gulyaev, I. P., A. V. Dolmatov, M. Yu. Kharlamov, P. Yu. Gulyaev, V. I. Jordan, I. V. Krivtsun, V. M. Korzhyk, and O. I. Demyanov. 2015. Arc-plasma wire spraying: An optical study of process phenomenology. J. Therm. Spray Techn. 24(7):1566–1573. doi: 10.1007/s11666-015-0356-6.
  13. Zhang, L., X.-J. Liao, S.-L. Zhang, X.-T. Luo, and Ch.-J. Li. 2021. Effect of powder particle size and spray parameters on the Ni/Al reaction during plasma spraying of Ni–Al composite powders. J. Therm. Spray Techn. 30:181–195. doi: 10.1007/s11666-020-01150-2.
  14. Savkin, K., E. Oks, G. Yushkov, and Yu. Ivanov. 2020. A low-current atmospheric pressure discharge generating atomic magnesium fluxes. J. Appl. Phys. 127:213303. doi: 10.1063/5.0006239.
  15. Kramida, A., Yu. Ralchenko, and J. Reader. 2023. NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.11). Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology. doi: 10.18434/T4W30F.
  16. Merkt, F., A. Osterwalder, R. Seiler, R. Signorell, H. Palm, H. Schmutz, and R. Gunzinger. 1998. High Rydberg states of argon: Stark effect and field-ionization properties. J. Phys. B — At. Mol. Opt. 31:1705. doi: 10.1088/0953-4075/31/8/020.
  17. Ranjit, G., and C. I. Sukenik. 2013. Experimental investigation of long-lived Rydberg states in ultracold argon. Phys. Rev. A 87(3):033418. doi: 10.1103/physreva. 87.033418.
  18. Vlcek, J. 1989. A collisional-radiative model applicable to argon discharges over a wide range of conditions. I. Formulation and basic data. J. Phys. D Appl. Phys. 22(5):623–631. doi: 10.1088/0022-3727/22/5/009.
  19. Okada, T., and M. Sugawara. 1996. Determination of ionization cross section for argon metastable-metastable collision by means of afterglow technique. Jpn. J. Appl. Phys. 35(8):4535–4540. doi: 10.1143/jjap.35.4535.
  20. Biondi, M. A. 1951. Ionization by the collision of pairs of metastable atoms. Phys. Rev. 82(3):453–454. doi: 10.1103/ physrev.82.453.2.
  21. Banks, P. R., and M. W. Blades. 1992. Atomic excitation in a jet-assisted glow discharge plasma plume. Spectrochim. Acta B 47(11):1287–1307. doi: 10.1016/0584-8547(92)80120-6.
  22. Honig, R. E., and D. A. Kramer. 1969. Vapor pressure data for the solid and liquid elements. RCA Rev. 30(2):285.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Sketch of nanopowders source based on glow discharge at atmospheric pressure

下载 (274KB)
索引源数据
3. Fig.2. Optical emission spectrum of glow discharge plasma radiation at atmospheric pressure in an argon jet with a zinc cathode insert

下载 (183KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Waveforms: discharge current (a) and anode currents of the photomultiplier initiated by radiation of zinc atoms Zn I with a wavelength 334.5 (b), 468.01 (c), and 636.23 nm (d), and argon Ar I at a wavelength 811.5 nm (e)

下载 (498KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Specific erosion of zinc in a glow discharge at atmospheric pressure vs. the argon consumption at an average power of 70 W

下载 (91KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Bright-field (a and b) and dark-field (c and d) transmission electron microscopy (TEM) images of the structure of zinc-based particles synthesized using a glow discharge at atmospheric pressure. The inset (a1) shows a high-resolution image

下载 (379KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Microdiffraction patterns of zinc oxide ZnO nanoparticles agglomerates obtained by TEM of the nanoparticles

下载 (398KB)
索引源数据
8. Nanodiffraction patterns of separated zinc oxide ZnO nanoparticles obtained by TEM

下载 (468KB)
索引源数据

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».