Plasma-enhanced thermal growth of copper oxide nanostructures on anode of glow discharge setup

Abstract

Plasma-enhanced growth of copper oxide nanostructures is widely explored in science and manufacturing, since it provides the flexibility, productivity, and cost-effectiveness necessary to meet the growing demands of customers. However, in the field of growth of metal oxide nanostructures, thermal methods still prevail in plasma methods in spite of long production time up to ten hours. Radiofrequency and microwave plasma sources were applied to grow CuO nanostructures, which are of high interest in various branches of industry, and allowed obtaining a large variety of the nanostructures, and nanowires in particular. At that, high price of the equipment limits the implementation of the results and urges to find cheaper plasma-enhanced method of growth. For this purpose, a common glow discharge plasma setup was engaged to grow the nanostructures in an oxygen atmosphere on surfaces of samples installed on the anode of the electric circuit designed to sustain the glow discharge. An additional heater was mounted under the anode. The proposed combination allowed conducting the growth process under conditions of the delivery of the necessary heat flux and removal the ex-cessive ion flux that can destroy the growing nanostructures because of sputtering. In the first set of experi-ments, the additional heater was not used, and the observed nanostructures were presented by grains (2D) of about 370 nm in diameter and 80 nm in thickness. This structure is supposedly formed because of action of the internal stresses in the oxide layer. After turning on the heater, the nanowires (1D) were the only nanostruc-tures observed in the experiment, and since no nanowires were found in a case of heating the anode without plasma ignition, one can consider the plasma as a factor determining the nanowire growth.

Зростання наноструктур оксиду міді за допомогою плазми широко досліджується в науці та виробництві, оскільки воно забезпечує гнучкість, продуктивність та економічну ефективність, необхідні для задоволення зростаючих запитів клієнтів. Проте в області вирощування наноструктур оксидів металів термічні методи все ще переважають над плазмовими, незважаючи на дуже тривалий час виробництва – до десяти годин. Радіочастотні та мікрохвильові джерела плазми були застосовані для вирощування наноструктур CuO, які представляють великий інтерес у різних галузях промисловості, та дозволили отримати велику різноманітність наноструктур, зокрема нанодротів. При цьому висока ціна обладнання обмежує впровадження результатів і спонукає до пошуку дешевшого плазмового методу вирощування. В роботі була задіяна звичайна плазмова установка тліючого розряду для вирощування наноструктур в атмосфері кисню на поверхнях зразків, встановлених на аноді електричного кола, призначеного для підтримки тліючого розряду. Під анодом був встановлений додатковий нагрівач. Запропонована комбінація дозволила проводити процес росту за умови постачання необхідного теплового потоку та видалення надлишкового потоку іонів, який може руйнувати зростаючі наноструктури в результаті розпилення. У першій серії експериментів додатковий нагрівач не використовувався, а спостережувані наноструктури були представлені зернами (2D) діаметром близько 370 нм і товщиною 80 нм. Імовірно, ця структура утворюється в результаті дії внутрішніх напружень в оксидному шарі. Після включення нагрівача нанодроти (1D) були єдиними наноструктурами, які спостерігалися в експерименті, і оскільки нанодроти не були знайдені у випадку простого нагрівання анода без плазмового запалювання, можна розглядати плазму як фактор, що визначає зростання нанодроту.

Рост наноструктур оксида меди с помощью плазмы широко исследуется в науке и производстве, поскольку он обеспечивает гибкость, производительность и экономическую эффективность, необходимые для удовлетворения растущих потребностей клиентов. Однако в области выращивания наноструктур оксидов металлов термические методы все еще преобладают над плазменными, несмотря на очень долгое время производства – до десяти часов. Радиочастотные и микроволновые источники плазмы были применены для выращивания наноструктур CuO, которые представляют большой интерес в различных отраслях промышленности и позволили получить широкий спектр наноструктур, в частности нанопроволоку. При этом высокая цена оборудования ограничивает внедрение результатов и побуждает искать более дешевый плазменный метод выращивания. В работе использовалась обычная плазменная установка тлеющего разряда для выращивания наноструктур в атмосфере кислорода на поверхностях образцов, установленных на аноде электрической цепи, предназначенной для поддержания тлеющего разряда. Под анодом был установлен дополни-тельный обогреватель. Предложенная комбинация позволила провести процесс роста при условии подачи необходимого теплового потока и удаления избыточного потока ионов, способного разрушить растущие наноструктуры в результате распыления. В первой серии экспериментов дополнительный нагреватель не использовался, и наблюдаемые наноструктуры были представлены зернами (2D) диаметром около 370 нм и толщиной 80 нм. Предполагается, что эта структура образуется в результате действия внутренних напряжений в оксидном слое. После включения нагревателя нанопроволоки (1D) были единственными наноструктурами, наблюдаемыми в эксперименте, и, поскольку нанопроволоки не были обнаружены в случае простого нагрева анода без поддержания плазмы, можно рассматривать плазму как фактор, определяющий рост нанопроволоки.