بررسی اثر تغییرات قطر پروب و مقدار محلول بر ضخامت نانوپوسته‌های گرافنی تولیدشده در فاز مایع با پروب فراآوایی

یکی از روش‌های معمول تولید لایه‌های دو- بعدی استفاده از روش پوسته‌سازی در فاز مایع به روش فیزیکی استفاده از پروب فراآوایی است. در این پژوهش، برای به‌دست آوردن شرایط بهینه تولید پوسته‌های دو- بعدی گرافنی از پودر گرافیت به‌روش پوسته‌سازی در فاز مایع تحت تابش امواج فراآوایی، شبیه‌سازی توزیع فشار فراآوایی درون محلول و محاسبه اختلاف فشار با استفاده از نرم‌افزار کامسول استفاده شد. این شبیه‌سازی برای پروب‌ ‌فراآوایی با بسامد کاری 22 کیلوهرتز و قطر 14 میلی‌متر و 20 کیلوهرتز برای پروب‌هایی با قطر 22 و 40 میلی‌متر صورت گرفت تا اختلاف فشار صوتی درون محلول محاسبه گردد. سپس پروبی که بیش‌ترین اختلاف فشار را نشان می‌دهد در کار تجربی برای بررسی اثرات حجم و غلطت محلول گرافیت تحت تابش فراآوایی در تولید مقدار و ضخامت لایه‌های گرافنی، مورد مطالعه قرار گرفت. همان‌طور که از نتایج شبیه‌سازی انتظار می‌رفت، نتایج تجربی نشان دادند که که با افزایش اختلاف فشار صوتی درون محلول، میزان تولید گرافن افزایش می‌یابد. نتایج به‌دست آمده با دستگاه‌های تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی فرابنفش- مرئی، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، میکروسکوپ الکترونی تراگسیلی و طیف رامان نشان می‌دهند که با پروب‌های 14 و 22 میلی‌متری تراکم پوسته‌های گرافنی کم‌تر و خردشدگی مشاهده می‌شود در حالی‌که با پروبی به قطر 40 میلی‌متر تولید کم‌لایه و دولایه گرافن در ابعاد بزرگ‌تر امکان‌پذیر است. هم‌چنین حجم محلول و غلطت گرافیت موجود در محلول بر تولید میزان و تعداد لایه‌های گرافنی نقش به‌سزایی دارند.  

investigation of the effect of changes in probe diameter and amount of solution on the thickness of graphene nanoflakes produced in the liquid phase utilizing ultrasonic probe

one popular method to produce 2d materials is the physical method of liquid phase exfoliation (lpe) utilizing ultrasound technique. in this research, our aim is to obtain the optimum conditions for the exfoliation of 2d materials of graphene from graphite utilizing lpe by simulation of ultrasonic waves irradiation and the pressure difference in the solution using comsol physics interactive. these simulations are carried on for the probe of 14 mm in diameter and 22 khz in frequency, and then for the probe of 22 mm and 40 mm in diameter and 20 khz frequency to obtain the maximum acoustic pressure difference in the solution. then the probe, which the simulation shows produces the maximum acoustic pressure difference is used for the experimental investigation of the volume and the density of the graphite solution, which is irradiated by ultrasound for graphene, produced. the numerical simulations give an expectation to have more graphene exfoliation when the pressure difference in solution sonication is more. this expectation is verified by the experimentation. the experimental results which are analyzed using uv-visible spectroscopy, fesem, tem, and raman spectrum show the probes with 14 mm and 22 mm produce less flakes which are in smaller size compared to the probe with diameter 40 mm which few-layer and even bilayer graphene with larger size are observed. also we observed the density and the volume of the solution has importance in the layer number of the flakes production.