Cuの製造に最適な技術としての粉末冶金 - 株式会社チェリーブロッサム

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7034 (2023) この記事を引用

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粉末冶金 (PM) は、金属粉末の製造と、それらを最終製品またはコンポーネントに統合する技術です。このプロセスでは、金属粉末とセラミックやポリマーなどの他の材料を混合し、その後熱と圧力を加えて固体の緻密な材料を生成します。 PM の使用には、複雑な形状を作成したり、特性が向上した材料を製造したりできるなど、従来の製造技術に比べていくつかの利点があります。 Cu-TiO2 複合材料は、高い導電性、機械的強度の向上、触媒活性の強化などのユニークな特性により、非常に興味深いものとなっています。 PM 技術を使用した Cu-TiO2 複合材料の合成は、その簡単さ、コスト効率、および優れた均質性を備えた材料の製造能力により、近年人気が高まっています。 Cu-TiO2 複合材料の調製に PM 技術を使用する新規性は、制御された微細構造と光学特性を備えた材料の製造が可能になるという事実にあります。複合材料の微細構造は、出発粉末の粒径と分布、および温度、圧力、焼結時間などの加工パラメータを制御することによって微調整できます。複合材料の光学特性は、TiO2 粒子のサイズと分布を調整することによって調整することもでき、これを使用して光の吸収と散乱を制御できます。このため、Cu-TiO2 複合材料は光触媒や太陽エネルギー変換などの用途に特に役立ちます。要約すると、Cu-TiO2 複合材料の調製に粉末冶金を使用することは、制御された微細構造と光学特性を備えた材料を製造するための新規かつ効果的な技術です。 Cu-TiO2 複合材料のユニークな特性により、エネルギー、触媒、エレクトロニクスなどのさまざまな分野の幅広い用途にとって魅力的です。

粉末冶金は、複合材料を製造するために多用途で広く使用されている技術です。近年、粉末冶金を用いた Cu-TiO2 複合材料の調製は、航空宇宙、電気、生物医学産業などのさまざまな分野での応用の可能性があるため、大きな注目を集めています1。 Cu-TiO2 複合材料の調製にこの技術を使用する主な利点には、複合材料の微細構造を制御できること、低コスト、高効率が挙げられます。このエッセイでは、Cu-TiO2 複合材料の微細構造と光学特性を特定することにより、Cu-TiO2 複合材料を調製するための完璧な技術としての粉末冶金の革新的かつ研究的価値について説明します2。

粉末冶金の最初の革新的な側面は、複合材料の微細構造を制御できることです3。粉末冶金では、金属粉末とセラミック粒子を混合し、その後圧縮および焼結して最終複合材料を生成します。このプロセスにより、金属マトリックス中のセラミック粒子の粒径、分布、配向を正確に制御できます4。これにより、複合材料の機械的、電気的、光学的特性の最適化が可能になります。 Cu-TiO2 複合材料の場合、複合材料の微細構造を調整して、高硬度、高耐摩耗性、良好な導電性などの望ましい特性を実現できます5。

粉末冶金の 2 番目の革新的な側面は、その低コストです。鋳造や鍛造などの他の技術と比較して、粉末冶金は複合材料を製造するためのよりコスト効率の高い方法です6。これは、このプロセスにより、無駄を最小限に抑えて原材料を効率的に使用できるためです。さらに、この技術は高度に自動化されているため、人件費が削減され、最終製品の再現性が向上します7。

粉末冶金の 3 番目の革新的な側面は、その高効率です。この技術により、鋳造や鍛造などの他の方法では不可能な、複雑な形状や形状の製造が可能になります8。これは、このプロセスに金型を使用するため、複雑な形状を簡単に設計できるためです。 Cu-TiO2 複合材料の場合、この技術を使用して複雑な形状や特徴を持つコンポーネントを製造することができ、マイクロエレクトロニクスや医療インプラントなどの用途に役立ちます9。

粉末冶金によって製造される Cu-TiO2 複合材料の微細構造は、その革新的かつ研究的価値に貢献するもう 1 つの重要な側面です。複合材料の微細構造は、その機械的、電気的、光学的特性を決定します10。 Cu-TiO2 複合材料の場合、微細構造を調整して、高硬度、耐摩耗性、良好な導電性などの望ましい特性を実現できます11。複合材料の微細構造は、走査型電子顕微鏡 (SEM) や X 線回折 (XRD) などのさまざまな技術を使用して分析できます。

Cu-TiO2 複合材料の光学特性は、その革新的かつ研究的価値に貢献するもう 1 つの重要な側面です12。この複合材料は、金属マトリックス中に TiO2 粒子が存在するため、優れた光学特性を示します。 TiO2 はよく知られた光触媒であり、金属マトリックスに TiO2 を組み込むと、高い透明性や優れた UV 吸収などの優れた光学特性を示す材料が得られます 13。これらの特性により、複合材料は太陽電池、センサー、光学コーティングなどの用途に役立ちます14。

Cu-TiO2 複合材料を調製するための完璧な技術としての粉末冶金の革新的かつ研究的価値は、航空宇宙、電気、生物医学産業などのさまざまな分野での応用にも見ることができます15。航空宇宙産業では、この複合材料は、高い強度と耐摩耗性が必要なタービンブレードなどの部品の製造に使用できます16。電気産業では、複合材料は、良好な導電性と耐摩耗性が必要な電気接点の製造に使用されます。生物医学産業では、複合材料を使用して医療用インプラントを製造できます17。

この研究は、さまざまな用途のために銅ナノ粒子の光触媒活性を強化することを目的としています18。銅は、光触媒活性の増幅を大幅に高めることができるため、二酸化チタン (TiO2) 表面と組み合わせて使用するのに最適な金属の 1 つと考えられています。これを達成するために、TiO2 ドープ銅ナノ触媒が機械的ミリングによって作成されました 19。この研究では、さまざまな重量パーセントの二酸化チタンが使用され、ステアリン酸がプロセス制御剤として使用されました20。研究者らは、10、20、30、および 40 重量パーセントの二酸化チタンを含む Cu-TiO2 粉末ナノ複合体が高い光触媒活性を示すことを発見しました 21。この研究では、塗料、紙、水素ガスの発生、化粧品など、さまざまな日用品における TiO2 の使用についても言及されています。さらに、この記事では、最適な光学特性と電子特性、耐食性、化学的安定性、非毒性により、光触媒用途における半導体ナノ材料として二酸化チタンを使用する利点について説明しました22。広いバンドギャップにもかかわらず、TiO2 は太陽電池のバッファ層としてよく使用されており、複合材料の作成や適切な金属原子のドーピングなどのさまざまな技術によって改善できます。銅は、銀などの他の金属よりも導電率が高く、入手が容易で安価であるため、TiO2 のドーパントとして有望です23。

この論文では、最近の多くの用途で一般的に使用されている純銅をマトリックス材料として選択しました。サンプルを製造するための強化材として二酸化チタンが選択されました。平均粒径 10 μm の純度 99.9% の銅粉末 (米国 Alpha Chemicals 社製) を金属マトリックスとして使用しました。平均サイズ 50 nm の純度 99.7% の TiO2 粉末 (米国 Alpha Chemicals から供給) が補強材として使用されています。図4aとbのCuとTiO2粉末の平均サイズは、原料の部分で述べたそれぞれ10μmと50nmよりもはるかに大きいです。平均粒径のデータソースは、Alpha Chemicals, USA から提供されました。

Cu 粉末混合物には 10、20、30、40 wt.% の TiO2 が含まれており、機械混合プロセスではジルコニアセラミックボールを使用して混合されます。ステンレス鋼のボールを使用すると、鉄缶による汚染が発生します。しかし、ジルコニアボールはいかなる反応にも反応せず、非常に硬いです。遊星四枚ベイルボールミル機の準備工程で使用されるボールミル。今回使用した銅粉はアトマイズされた半球状の銅です。均一な混合物が得られるまで、ボールミル技術を 24 時間行います。表 1 は、この研究で使用したマトリックスと補強材の仕様をまとめたものです。この論文では、粉末冶金法を適用して、推奨されるハイブリッド Cu-TiO2 ナノ複合材料を製造しました。まず、精度レベル 0.1 mg の高感度電子天秤を使用して、Cu と TiO2 の複合粉末を必要な割合で秤量しました。次に、秤量した複合粉末をステンレス鋼バイアル中で混合し、純アルゴンを使用して酸化から保護しました。鋼球対粉末比 (BPR) 20:1、ボール直径 5 mm、回転速度 100 mA です。 250rpm。ステアリン酸 (1.5 wt.%) をプロセス制御剤 (PCA) として使用しました。図 1 に、調製された試験片の組成と命名法を示します。

異なる重量パーセントの TiO2 10、20、30、および 40 wt.% での Cu-TiO2 複合粉末の製造の概略図。

複合粉末の微細構造特性の研究は、走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型分光法 (SEM/EDS) を使用して行われました。このような分析技術を使用する主な目的は、マトリックス内の強化材の均一な分散、複合材料の微細構造、および複合材料の相を特定することです。それによると、この論文は、Cu K-α 線を使用し 40 kV で動作する回折計を使用して混合粉末の相を識別するために X 線回折 (XRD) 技術も適用しました。サンプルは IR 分光法を使用して検査され、吸収バンドのスペクトルが調査されます。また、反射防止特性についても検討した。

一方、電気伝導率と熱伝導率は電気抵抗率測定器 PCE-COM20 を使用して評価しました。熱伝導率は式(1)を使用して計算できます。 (1)24．

ここで、K は熱伝導率 (W/m) を指します。 K、L はローレンツ数 (複合材料 L = 2.45 × 10–8 W Ω K−2 の場合)、T は絶対温度 (K)、最後に σ は電気伝導率 (Ω−1 m−1) です。

電気伝導率測定用のサンプルは、粉砕した粉末を９０℃で０．３７ＧＰａの圧力で圧縮することによって製造された。サンプルの直径は 10 mm、高さは 6 mm でした。圧縮されたサンプルの電気抵抗率は、周波数 1 kHz の交流法により金電極間で室温 (相対湿度 50%) で測定されました。

XRD の主なタスクは、Cu-TiO2 結晶化度の相組成と相構造を決定し、検査することです。 XRD は、結晶材料の特性を評価するために広く使用されている非破壊的な方法です。構造、相、結晶化度、材料のサイズは、XRD 分析を使用して示されています。 Scherrer 方程式は、材料の結晶サイズを計算するために使用されます 25。

ここで、d は結晶子サイズ、β は半値全幅、θ は回折角、λ は X 線放射の X 線波長です26。

Cu にドープされたさまざまな濃度の TiO2 の回折パターンを図 2 に示します。40% TiO2 をドープした場合、2 つの正方晶 TiO2 相が見られます。これらの相の 1 つはアナターゼ TiO2 (最高強度のピーク) で、もう 1 つの相はルチル TiO2 (最高強度のピークに隣接する最低強度のピークで、非常に少量のルチル型 TiO2 を表す) です。 ) (保存されたままの TiO2 粉末にはアナターゼ相とルチル相の両方があります)。高い光触媒活性は、アナターゼ相において構造的欠陥または不純物として機能する、この非常に控えめな量に起因すると考えられます。 TiO2 の割合が減少すると、さまざまな量の TiO2 を含むサンプルではアナターゼ回折ピークのみが見られました。また、一次回折パターンの 2 つのピーク位置の大部分は移動せず、これらのピークの強度の変化を除いて、純粋な Cu の同一の値を有することにも気づくことができます。これは、すべてのサンプルで見られることです (つまり、TiO2 が増加すると強度が減少します)。 Ti4+ イオンの半径は Cu マトリックス中の Cu+ イオンを置き換えるには大きすぎるため、TiO2 の添加は材料の結晶性に大きな変化をもたらしませんでした。銅および二酸化チタンに関連するピークを除けば、新規の化合物または相に関連するピークは他にありません。これは、銅と二酸化チタンの間に反応がないことを指しています。

Cu マトリックスにドープされたさまざまな TiO2 濃度の代表的な XRD パターン (a) 10、(b) 20、(c) 30、および (d) 40 wt.% の TiO2。

銅と二酸化チタンの間に金属間ピークは観察されておらず、これは機械によって適切に調整された粉砕の直接の結果です。銅金属の構造は FCC (面心立方体) として知られており、その原子半径は 128 pm です。対照的に、チタンの構造は HCP (Hexagonal Close Packed) として知られ、その原子半径は 147 pm です。原子半径が小さい Cu は、Ti 原子や Ti 結晶に組み込まれた格子間原子を置き換えることができます。これは、Cu と TiO2 の結晶間の相互作用によって引き起こされます。これは、機械的ミリングを長時間使用して Cu と TiO2 を混合することによって引き起こされます。高い回転速度。これは、Cu と Ti の結晶間の相互作用によって起こります。このため、微結晶構造に特定の変化が見られます。これは、Cu マトリックスと強化材としての TiO2 の混合が成功したことを示しています。機械的ミリングプロセスに適切な設定を使用した場合、結晶構造の検査の結果として、Cu と TiO2 の間の相互作用がかなりの程度起こっていることがわかります。微結晶のサイズを決定するために、回折ピークの半値全幅 (FWHM) を Scherer のアプローチと組み合わせて使用しました。計算結果を表 2 に示します。TiO2 の粒子サイズが小さいほど、太陽電池の比表面積と表面積と体積の比が大きくなり、バンドギャップも大きくなり、太陽電池セルの比表面積が大きくなる可能性があります。太陽電池の効率。いくつかの調査と測定により、研究者らは、TiO2 ベースのセルの結晶サイズを小さくすると、電子の寿命が長くなり、より速い電子輸送が促進され、電荷収集効率が向上し、発生する再結合の量が減少するため、太陽光発電出力の向上に役立つ可能性があるという結論に達しました27。。

図3からわかるように、OH伸縮振動と曲げ振動はスペクトルの吸収バンドの原因となっており、それぞれ3426cm-1と1620cm-1に見られます。さらに、500 ～ 900 cm-1 の間に Ti-O のバンドが検出されました。一方、OH バンド（伸縮と曲げの両方）と Ti-O バンドの強度は、サンプル中の Cu の量が増加するにつれて低下しました 28。 500 ～ 1000 cm-1 の領域のピークが純粋な CuO および純粋な TiO2 のピークとは異なるという事実は、新しい金属 - 酸素結合の形成を意味します。これらの発見は、混合酸化物 (Ti-O-Cu) 結合の証拠が 2922 cm-1 で見られたため、混合酸化物 (Ti-O-Cu) 結合が形成されたという仮説に信憑性を与えます。処理後、TiO2 光触媒には大量の水蒸気と表面ヒドロキシル基が吸着していることが判明しました 29。

TiO2 のさまざまな Cu 含有量 10、20、30、および 40 wt.% における Cu-TiO2 触媒の代表的な DRIFTS スペクトル。 (a) Cu + 10 wt.% の TiO2 を表します。 (b) Cu + 20 wt.% の TiO2 を表します。 (c) Cu + 30 wt.% の TiO2 を表します。 (d) Cu + 40 wt.% の TiO2 を表します。ピークは、OH 伸縮振動と曲げ振動による 3426 および 1620 cm-1 以降のスペクトルの吸収バンドを指します。 Ti-O バンドは 500 ～ 900 cm-1 で検出されました。混合酸化物（Ti-O-Cu）結合は2922 cm-1に現れました。

ナノ TiO2 で強化された Cu 複合材料の SEM 顕微鏡写真を図 4 に示します。図 4a と図 4b はそれぞれ純粋な Cu と純粋な TiO2 を示しています。図4c〜fのCu-TiO2複合粉末の微細構造は、それぞれCuマトリックス中の10、20、30、および40重量％のTiO2に対応します。知られているように、ナノ複合材料の製造に必要なパラメータは、金属マトリックス中に適切に分散されたナノ強化材です。図 4 に示すように、ナノ TiO2 粒子は Cu マトリックス複合材全体に均一に分布していました。さらに観察できることは、ナノ TiO2 強化材料が適切に分散され、Cu マトリックスの内部に閉じ込められ、 TiO2 は太陽電池の動作に有用な物質であるため、非常に強力に付着します。その結果、生成したCu-TiO2複合材料をナノスケールで20、30、40重量%などのかなりの割合で銅マトリックスに添加し、機械的によく混合することにより、作成されたCu-TiO2複合材料の光触媒活性を高めることができます。そうするための最も効果的な方法。

異なる濃度のナノ TiO2 を含む Cu 複合材料の代表的な SEM 顕微鏡写真 (a) は Cu のみを表します (b) より高い倍率で Cu のみを表します (c) 10 wt.% の TiO2 を含む Cu を表します (d) 20 wt.% の TiO2 を含む Cu を表します。％ＴｉＯ２（ｅ）は、３０重量％のＴｉＯ２を含むＣｕを表す（ｆ）は、４０重量％のＴｉＯ２を含むＣｕを表す。

さらに、TiO2 は内部細孔として機能するセラミック物質であり、銅の粒子サイズを小さくします。これにより表面積が増加し、光触媒活性が増加します。保存されたままの TiO2 原料粉末の量は、アナターゼ相とルチル相の両方にあり、ルチルには非常に小さなピークがあり、高い割合の TiO2 (40%) でのみ示されました。これらの発見は、サンプルの 40% に 2 つの異なるタイプの正方晶 TiO2 が含まれていることを示しています。ただし、TiO2 の割合が小さくなると、その割合が低いためにルチルのピークがあまり目立たなくなり、ピーク強度がかなり低くなってしまいます。

効果的な粉砕手順により、Cu および TiO2 粒子はすべてのサンプルにわたって高レベルの均一性を達成していることがわかりました。ボールと粉末の比率が 20:1 に最適化され、粉砕時間が 24 時間に延長され、回転速度が 250 回転/分 (rpm) に増加すると、銅粒子はひずみ硬化と破壊を受け、その結果、粒子サイズの減少。存在する TiO2 の割合が増加するにつれて、Cu 粒子の粒径は小さくなりました。これは、TiO2 粒子のセラミック品質が原因である可能性があります。これらの粒子は内部ボールとして機能し、Cu 粒子に破壊を引き起こします。図4c〜fでは、機械的ミリングプロセス中にTiO2粒子がCu粒子によく埋め込まれています。また、それらはCuマトリックス中に良好に分布しています。ナノ 50 nm の TiO2 および 10 μm の銅粉末 (米国 Alpha Chemicals によって供給)。したがって、SEM 画像内の小さな粒子は TiO2 に対応し、大きな粒子は銅に属します。

40wt.% の TiO2 サンプルでは、ポケットとして凝集した TiO2 粒子はほとんどありません。これは、金属 Cu 粒子とセラミック TiO2 粒子の間の表面積が大きいことに起因すると考えられます。それらの間には濡れ性はありません。また、それらの融点間の大きな差。 Cu-TiO2 サンプルの EDS 分析を図 5 および表 3 に示します。複合粉末には Cu、Ti、および O 原子のピークが含まれています。そして、調製されたすべての複合粉末は等軸粒子を持っていません。

Cu-TiO2 ナノ粒子の EDX 画像を代表するもので、Cu と Ti が高い割合で存在していることがわかります。青色は TiO2 を含まない Cu を表し、赤色は TiO2 が 40 wt.% 含まれる Cu を表します。複合粉末には、Cu、Ti、および O 原子のピークが含まれていることがわかります。

UV-vis-IRスペクトルを図6に示します。これらは、UV-vis-IRスペクトルの反射率が、生成された銅ドーパントのさまざまな濃度によってどのように影響されるかを示しています。 TiO2 の濃度が増加するにつれて、反射率が光可視ゾーンにシフトすることが発見されました。これは、バンドギャップエネルギーのシフトによって引き起こされ、TiO2 の濃度が高くなると低くなることが示されています。 Kubelka-Munk 理論によれば、Schuster-Kubelka-Munk 関数は光学バンドギャップ (Eg) に関して次のように与えられます。

ここで、h はプランク定数、ν は振動の周波数、A は比例定数です。

TiO2 の重量パーセントが 20、30、および 40 wt.% である Cu-TiO2 の UV-vis-IR 反射率スペクトルの代表。

指数 n の値は遷移の性質を表し、許可される直接遷移または間接遷移の場合はそれぞれ n = 1/2 または 2 となります。したがって、バンドギャップエネルギーは、以下に示すように (F(R∞) *hν)2 または (F(R∞)*hν)1/2 対 (hν) の直線プロットを外挿することにより、反射率スペクトルから評価できます。図 7. 表 4 は、さまざまな TiO2 濃度のバンドギャップの値を示しています。

異なる重量パーセントの TiO2 10、20、30、および 40 wt.% での Cu-TiO2 の hvFSKM(R)2 対 hv グラフを示します。

このバンドギャップの変化は、Cu 結晶構造への Ti イオンの融合と、光吸収の変化をもたらす Cu 結晶格子内の Ti イオンによる Cu の置換によって形成される欠陥中心による可能性があります。バンドギャップは次の式でも求めることができます。

ここで、h (プランク定数) = 6.63 × 10–34 Js; C (光の速度) = 3.0 × 108 m/s; λcutoff（カットオフ波長）＝4.11×10−7m。注: 1 eV = 1.6 × 10–19 J (変換係数)。

太陽電池用途の場合、Cu マトリックス中の TiO2 の適切な濃度は 20 ～ 40% です。これは、セルの集光性を向上させるための強化材料の必要性と、TiO2 メソポーラス材料の重要な特性のためです。これらの特性には、高い比表面積、細孔径分布、光触媒反応のための表面により多くの反応性サイトの提供などがあります。

二酸化チタン (TiO2) 薄膜の優れた光学特性と低蒸着コストにより、シリコン太陽光発電 (PV) において反射防止 (AR) コーティングとして長い歴史があります。この研究では、シリコン（Si）太陽電池の性能向上、デバイス製造に関連するコストの削減、準備プロセスの簡素化など、Cu-TiO2 薄膜の未開発の用途がいくつか特定されています30。 Cu-TiO2 層の堆積には、化学蒸着 (CVD) として知られる技術が使用されました。この施設はERIのナノ研究室によって提供され、チームを支援している。 SLARと略される単層反射防止コーティングは、今日の世界のシリコン太陽電池製造に最低限必要なものです。シリコンおよび半導体である他の材料は、光を吸収するために効果的に使用され得る。一方で、これらの物質は比較的高い屈折率を持っています31。

さまざまなドーピング濃度と銅ドープ TiO2 膜の光透過率のスペクトル分布を示します。この図は、ドーピング濃度の範囲も示しています。電磁スペクトルの紫外部分と可視部分を使用して、コーティングされたフィルムの透過率レベルを調査するテストを実行しました。さらに、銅の濃度が高くなると、光透過率の値が低下します。この挙動は、系内に存在する銅の濃度が高くなると、解放される電子の数が増加することによって引き起こされます。

シリコンの屈折率は 600 nm で nsi = 3.939 です。この屈折率は、一定の屈折率 n0 = 1.0 を持つ空気やガラス (600 nm で n0 = 1.52) よりもはるかに大きくなります。このような界面での垂直入射光の反射率は次の式で与えられます。

これは、最初の反射で、光の約 35.4% または 19.6% が、それぞれ空気:シリコンまたはガラス:シリコンの界面で反射されることを意味します。最適な厚さの AR コーティングがシリコンと周囲媒体の間に挿入されている場合、最小反射率は次の式で求められます。

ここで、nAR はコーティングの屈折率です。 1 つの波長で反射率をゼロにするには、nAR の値を次のようにする必要があります。

また、膜厚 (dAR) は、次のように定式化できる 4 分の 1 波長の光学的厚さ要件を満たさなければなりません。

この式は、光学表面の反射防止コーティングの設計に関連しています。関連するベースは次のとおりです。dAR は反射防止コーティングの厚さをナノメートル (nm) で表し、λ0 は真空中での入射光の波長を通常ナノメートル (nm) 単位で表し、nAR は反射防止コーティングの屈折率を表します。波長はλ0です。

この式は光干渉の原理から導かれます。厚さ d、屈折率 n の薄膜に光が入射すると、光の一部は空気と膜の界面で反射され、一部は膜を透過します。反射光波と透過光波は互いに干渉し、その結果生じる干渉パターンによって反射光の量が決まります。反射防止コーティングの目標は、特定の波長 λ0 での反射光の量を最小限に抑えることです。これは、反射光波が破壊的に干渉し、互いに打ち消し合うように厚さ dAR と屈折率 nAR を選択することで実現できます。式 dAR = λ0/(4nAR) は、波長 λ0 でこの干渉パターンを実現するための反射防止コーティングの最適な厚さを示します。

反射防止材料を選択するには、耐腐食性、高温耐性、その他多くのパラメータなど、多くのパラメータがあります。 TiO2で強化されたCuはSLARに最適な材料として使用できます。銅中の TiO2 の比率を制御することで、必要な膜厚と反射率を実現できます。等式による。 (5) と (6)、AR コーティングの屈折率と厚さは、それぞれ 1.98 nm と 75.6 nm である必要があります。これらの値は、Cu-TiO2 複合材料を使用することで達成できます。図 8 は、シリコン太陽電池の AR コーティングとしての Cu-TiO2 を示しています。これは、可視領域での反射率が一定の条件下で達成できます32。

シリコン太陽電池の AR コーティングとしては Cu-TiO2 が代表的です。

太陽電池は、光起電力効果によって光エネルギーを直接変換する電気デバイスです。光電池の一種です。そのため、光が当たると電流、電気抵抗、電圧が変化する電気的特性を持っています。太陽電池は、ソーラーパネルと呼ばれる太陽光発電モジュールの電気構成要素を考慮します。電子はその軌道から励起されます。エネルギーを熱として放散して軌道に戻すことができます。電位を打ち消すために材料に電流が流れ、この電気が捕獲されます。したがって、電気伝導率と熱伝導率を調べることは、太陽電池の品質を示す良い指標となります。図 9 は、Cu-TiO2 ナノ複合粉末の導電率に対する TiO2 添加の影響を示しています。 TiO2% を増加させると徐々に減少します。これは、TiO2 の電気伝導率が Cu より低いことに起因すると考えられます。 TiO2 の電気抵抗率は 420 nΩ・m ですが、Cu の電気抵抗率は 16.78 nΩ・m です。そのため、TiO2 は Cu よりも電荷キャリアの追従に対して抵抗力が強くなります。その結果、電気伝導率が低下します33。

TiO2 含有量のさまざまな割合 10、20、30、および 40 wt.% での Cu-TiO2 の導電率を表します。

図 10 は、TiO2% と Cu マトリックスの熱伝導率の関係を示しています。 TiO2%を増加させると徐々に減少します。これは、TiO2 の熱伝導率が Cu より低いことによって説明できます (TiO2 では 21.9 W/mK、Cu では 401 W/mK)。したがって、混合の法則に従って、Cu-TiO2 ナノ複合材料の全体的な熱伝導率は、より低い伝導率の TiO2 粒子の添加によって低下します。 TiO2 が Cu マトリックス内の熱伝達を制限します。

TiO2 含有量の異なる割合 10、20、30、および 40 wt.% における Cu-TiO2 の熱伝導率を表します。

TiO2 を銅マトリックスに添加すると、電気伝導率と熱伝導率の両方が低下しますが、依然として Cu 用途の実用領域にあることに注意する必要があります。 TiO2 で Cu を強化しても銅は非導電性材料に変換されず、導電性が低下するだけです。

この論文では、Cu-TiO2 ナノ複合粉末をメカニカルミリング法により調製することに成功しました。この調製方法では、秤量した複合粉末をステンレス鋼バイアル中で混合し、純アルゴンを使用して酸化から保護しました。鋼球対粉末比 (BPR) 20:1、ボール直径 5 mm、および回転速度は250rpm。粉末冶金技術の製造プロセスを通じて、さまざまな含有量のナノ TiO2 粒子が Cu マトリックス複合材料を強化し、マトリックス内部に均一に分散することに成功しました。 Cu-TiO2 は、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)、X 線回折 (XRD)、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して結晶構造を決定し、UV-可視吸収分光法 (UV-Vis) を使用して特性を評価されています。光学特性。Ｘ線回折パターンは、ＣｕおよびＴｉＯ２に対応するピークを示した。 XRD パターンには他の干渉金属間化合物の記録はありませんでした。一方、SEM 画像は、製造された複合マトリックス中に TiO2 が適切かつ均一に分散していることを示しました。この論文では、調製したさまざまな TiO2 ドーパント濃度が UV-vis-IR 反射率に及ぼす影響も研究しました。 TiO2 濃度が増加すると、反射率が増加し、太陽電池製造に関連するさまざまな用途に適していることがわかります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。この作品はご本人様のご協力により制作させていただきました。

エジプト、カイロ、エレクトロニクス研究所（ERI）、ナノテクノロジー中央研究所

アシュラフ K. どこ

粉末技術部、センター冶金研究開発研究所 (CMRDI)、カイロ、エジプト

オマイマ・A・エルカディ

物理化学部、電気化学および腐食研究所、国立研究センター、El-Bohouth St. 33、Dokki、PO 12622、ギザ、エジプト

AM エル・シャミー

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AKE、OAE、AME-S。データを分析して原稿を書きました。 OAE は科学情報のコンサルタントとして機能します。 AKE と AME-S が実験を設計およびサポートしました。建設的な議論による分析の実行に役立ちました。

AM エル・シャミーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

アラスカ州イーサー、OA エルカディおよび午前 AM エルシャミー粉末冶金は、微細構造と光学特性を特定することで Cu-TiO2 複合材料を調製するための完璧な技術です。 Sci Rep 13、7034 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33999-y

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受信日: 2022 年 12 月 2 日

受理日: 2023 年 4 月 22 日

公開日: 2023 年 4 月 29 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33999-y

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