Karbon tabanlı VYNS ince film desteği, polivinil klorür–polivinil asetat kopolimerinden oluşan çok ince bir VYNS membranın yüzeyinin elektriksel olarak iletken grafen veya karbon nanotüp malzemesiyle kaplanmasıyla hazırlanan ve düşük enerjili radyoaktif kaynakların spektrometrik ölçümünde iletken taşıyıcı olarak kullanılması amaçlanan bir yapıdır. Bu çalışma; indirgenmiş grafen oksit (reduced graphene oxide, rGO), doğrudan eksfoliye grafen (directly exfoliated graphene, deG) ve çok duvarlı karbon nanotüp (multi-walled carbon nanotube, MWCNT) dispersiyonlarından hazırlanan karbon kaplı VYNS filmleri, geleneksel Au–Pd metallize VYNS desteğiyle karşılaştırmıştır.

Araştırmanın temel problemi, düşük enerjili elektronların spektrometrik ölçümünde kaynak desteğinin hem çok ince ve düşük atom numaralı hem de yeterince elektrik iletken olması gerekliliğidir. Geleneksel VYNS destekleri bu amaçla Au veya Au–Pd ile metallize edilebilir; ancak kaynak, Au–Pd çözeltisinin maliyetini ve metallizasyon sırasında ince VYNS filmlerinin sık kırılmasını yöntemin dezavantajları olarak tanımlamaktadır.

Çalışmada grafen esaslı malzemeler iki farklı yaklaşım üzerinden ele alınmıştır. rGO, grafitin oksitlenmesi, grafen okside dönüştürülmesi ve ardından L-askorbik asit ile kimyasal indirgeme ve 400 °C'de Ar atmosferinde termal tavlama kullanılarak hazırlanmıştır. deG ise grafitin sıvı fazda doğrudan eksfoliasyonu yoluyla elde edilen birkaç katmanlı grafen yaklaşımını temsil etmektedir. Buna ek olarak asetilenin katalitik ayrışmasıyla sentezlenen MWCNT'ler test edilmiştir.

rGO, deG ve MWCNT malzemeleri SDBS, Triton X-100 veya sodyum sitrat içeren sulu dispersiyonlar halinde hazırlanmış; dispersiyonlar VYNS filmlerin üzerine spin-coating yöntemiyle kaplanmıştır. Hazırlanan desteklere ⁵⁵Fe çözeltisi damlatılıp buharlaştırılarak düşük enerjili radyoaktif kaynaklar oluşturulmuş ve kaynakların spektrumları %90 argon–%10 metan gazıyla 750 kPa'da çalışan 4π basınçlı oransal sayıcıda ölçülmüştür.

Kaynağın en önemli sonucu, rGO–Triton X-100 filminin geleneksel Au–Pd metallize kaynakla karşılaştırılabilir spektral kalite göstermesidir. rGO–Triton X-100 spektrumunda ana pik iyi tanımlanmış ve yaklaşık 3 keV bölgesindeki argon kaçış piki ayırt edilebilir ve temiz görünmüştür. rGO–SDBS ile deG–SDBS/deG–Triton X-100 kaynakları da grafen esaslı alternatiflerin uygulanabilirliğini destekleyen sonuçlar vermiştir.

Buna karşılık rGO–sodyum sitrat, MWCNT–SDBS ve MWCNT–Triton X-100 kaynaklarında aşırı göreli kaçış piki şiddetleri ve düşük enerjili spektral kuyruklar görülmüştür. Yazarlar bu davranışın destek iletkenliğinin yetersizliğiyle ilişkili olabileceğini belirtmekte, ancak bunu doğrudan elektriksel iletkenlik ölçümüyle kanıtlamamaktadır. MWCNT dispersiyonları bu nedenle çalışmada düşük enerjili elektron ölçümü için radyoaktif kaynak desteği olarak uygun bulunmamıştır.

Çalışmanın ana sınırı, spektral karşılaştırmanın ağırlıklı olarak grafik biçiminde verilmesidir. Her film için ayrı FWHM/enerji çözünürlüğü tablosu, belirsizlik, hata çubuğu veya istatistiksel tekrar analizi raporlanmamaktadır. Kaynak bütün test kaynaklarının çözünürlüğünü 0,9 keV'den yüksek olarak ifade etmekte, fakat tek tek kesin değerleri tablo halinde vermemektedir. Aynı şekilde maliyet avantajı ve film kırılmasını azaltma potansiyeli nicel ekonomik veya güvenilirlik analiziyle ölçülmemiştir.

Detaylı Açıklama

Neden radyoaktif kaynak desteğinin iletken olması gerekir?

Düşük enerjili elektron spektrometrisinde radyoaktif numunenin çok ince bir taşıyıcı üzerine yerleştirilmesi gerekir. Destek fazla kalın veya yüksek atom numaralı olduğunda yayılan parçacıkların soğurulması ve saçılması artabilir. Bu nedenle kaynak desteklerinde düşük yüzey yoğunluğu, düşük ortalama atom numarası ve yeterli mekanik dayanım istenir.

Elektron yayıldığında numune üzerinde elektrik yükü bırakabilir. Kaynak desteği bu yükü uzaklaştıramazsa numune çevresindeki elektrik alan değişebilir. Oransal sayıcıda meydana gelen sonraki elektron olaylarının oluşturduğu darbeler bundan etkilenebilir ve özellikle düşük enerjili elektron spektrumu bozulabilir.

Bu nedenle geleneksel VYNS membranlar Au veya Au–Pd gibi iletken metallerle kaplanır. Kaynak, altının kolay hazırlanabilmesi, oksidasyon ve kimyasal saldırıya dayanıklı olması ve oda sıcaklığındaki düşük göç hızı nedeniyle tercih edildiğini açıklamaktadır.

Ancak Au–Pd kaplama iki pratik dezavantaj taşımaktadır: metal çözeltisi pahalıdır ve çok ince VYNS filmleri metallizasyon sırasında kırılabilir. Çalışmanın karbon kaplamaya yönelmesindeki temel motivasyon budur.

Karbon Tabanlı İnce Film Neden Radyoaktif Kaynak Desteği Olarak Kullanılabilir?

Grafen ve karbon nanotüpleri, elektriksel iletkenliklerinin yanında karbonun düşük atom numarası ve ince film oluşturabilme özelliği nedeniyle düşük enerjili radyasyon ölçümünde iletken kaynak desteği adayıdır; ancak bu çalışmanın sonuçları malzemenin yalnız karbon olmasıyla yeterli olmadığını, sulu dispersiyonun kararlılığı, film morfolojisi ve yüzey aktif madde–karbon etkileşiminin de spektral kaliteyi belirlediğini göstermektedir.

VYNS nedir?

VYNS, kaynakta polivinil klorür–polivinil asetat kopolimeri olarak tanımlanan ve radyonüklid kaynakları için ince membran hazırlamada yaygın kullanılan polimerik bir destektir.

VYNS membranları çoğunlukla paslanmaz çelik veya alüminyum halkalara gerilir. Malzemenin önemli avantajı çok ince film oluşturabilmesidir. Ancak VYNS, dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP) ve dimetil sülfoksit (DMSO) gibi grafen ve karbon nanotüp dispersiyonlarında sık kullanılan organik çözücülere dayanıklı değildir.

Bu nedenle çalışmanın önemli tasarım şartlarından biri, karbon malzemelerini organik çözücüler yerine sulu dispersiyonlardan kaplayabilmek olmuştur.

Kaynak-içi birim notu: giriş bölümünde VYNS film kalınlığı/yüzey yoğunluğunu açıklayan cümlede birkaç yüz μg cm⁻² ifadesinin yanında “5–10 μm cm⁻²” biçiminde boyutsal olarak sorunlu bir birim yazılmıştır. Çalışma bu değeri sonuç analizinde kullanmadığı için burada kesin bir VYNS kalınlığı değeri olarak yeniden yorumlanmamıştır.

rGO, GO ve deG arasındaki fark nedir?

Grafen oksit (GO), grafitin kuvvetli oksidasyonla tabakalar arası yapısının değiştirilmesi ve oksijen içeren fonksiyonel grupların eklenmesi sonucu elde edilen grafen türevidir. Oksidasyon grafit tabakalarının ayrılmasını kolaylaştırır ancak kusurlar ve oksijenli gruplar grafenin özgün sp² bağlı yapısını kısmen bozar.

İndirgenmiş grafen oksit (rGO), GO üzerindeki oksijenli grupların kimyasal ve/veya termal yöntemlerle büyük ölçüde uzaklaştırılması sonucunda elde edilir. İndirgeme grafitik konjugasyonu kısmen geri getirir fakat tamamen kusursuz tek katmanlı grafene dönüştürmez.

deG, kaynakta sıvı fazda doğrudan grafit eksfoliasyonu sonucunda üretilen birkaç katmanlı, daha az kusurlu grafen olarak ele alınmaktadır. Bu yaklaşım yüksek kaliteli grafen tabakaları sağlayabilir fakat kaynak literatür bağlamında iyi dağılmış saf grafen nanosheet veriminin tipik olarak %2'nin altında olabileceğini aktarmaktadır.

Bu çalışmada deG dispersiyonları sonikasyon sonrasında 3000 rpm'de 15 dakika santrifüjlenmiş, eksfoliye olmamış grafit çökeltilmiş ve birkaç katmanlı grafen pullarını içeren üst süpernatant kullanılmıştır.

Neden yüzey aktif madde gerekiyor?

Grafen ve MWCNT gibi karbon malzemeler oldukça hidrofobiktir. Bu nedenle su içinde kendiliğinden uzun süre homojen dağılmaları zordur. Yüzey aktif madde molekülleri karbon yüzeyine hidrofobik etkileşimler, π–π etkileşimleri, hidrojen bağları veya elektrostatik etkileşimlerle adsorbe olarak parçacıkların yeniden bir araya gelmesini azaltabilir.

Çalışmada iki açık yüzey aktif madde kullanılmıştır:

• SDBS: sodyum dodesilbenzen sülfonat; iyonik yüzey aktif madde.
• Triton X-100: noniyonik yüzey aktif madde.

Tablo 1 ayrıca rGO için sodyum sitrat içeren bir dispersiyon vermektedir. Tablo sütunu bunu “surfactant” başlığı altında listeler. Buna karşılık sonuç bölümü rGO–sodyum sitrat kaynağını zayıf spektral davranış gösteren gruba koymakta ve “yüzey aktif madde yokluğunun tavsiye edilmediğini” belirtmektedir. Bu nedenle Verianla metninde sodyum sitrat, SDBS ve Triton X-100 ile bilimsel olarak aynı sınıfta olduğu varsayılmadan “stabilizasyon katkısı” olarak anılmaktadır.

Önceki çalışmadan farkı neydi?

Yazarların daha önceki çalışması rGO esaslı ince filmlerin radyonüklid kaynak desteği olarak kullanımını araştırmıştı. Ancak önceki çalışma yalnız rGO'ya odaklanmış ve en iyi sonuç hidroiyodik asitle indirgenen rGO ile elde edilmişti.

Bu çalışmada iki eksiklik giderilmeye çalışılmıştır:

1. rGO dışında deG ve MWCNT gibi farklı karbon malzemeleri karşılaştırmaya dahil edilmiştir.
2. Hidroiyodik asit yerine L-askorbik asit ve termal tavlama içeren farklı bir rGO indirgeme yolu kullanılmıştır.

Grafen oksit nasıl sentezlendi?

GO sentezi Tour yöntemine dayandırılmıştır. Kaynakta bildirilen işlem sırası şöyledir:

1. 3 g grafit tozu ve 18 g KMnO₄ bir behere alınmıştır.
2. 400 mL konsantre H₂SO₄/H₃PO₄ karışımı 9:1 hacim oranında eklenmiştir.
3. Karışım 50 °C'de 16 saat karıştırılmıştır.
4. 400 mL buzlu Milli-Q su ve 10 mL %30 H₂O₂ eklenerek oksidasyon sonlandırılmıştır.
5. Süspansiyon gece boyunca dekante edilmiştir.
6. Kalan katı filtrelenmiş ve 250 mL %10 v/v HCl ile, ardından süpernatant pH'ı 6–6,5 olana kadar ultra saf suyla yıkanmıştır.
7. Grafit oksit dondurarak kurutma ile kurutulmuştur.

rGO nasıl hazırlandı?

GO'nun indirgenmesinde hidrotermal–kimyasal birleşik yöntem kullanılmıştır:

1. 300 mg GO, 60 mL ultra saf suda 5 mg mL⁻¹ derişimde dağıtılmıştır.
2. Karışım önce ultrasonik banyoda 1 saat tutulmuştur.
3. Ardından Bandelin Sonoplus HD 2070 ultrasonik probla 1 saat daha sonike edilmiştir.
4. Dispersiyon PTFE kaplı paslanmaz çelik otoklava aktarılmış ve 120 °C'de 24 saat işlem görmüştür.
5. Elde edilen kalıntıya 6 g L-askorbik asit eklenmiş; kaynak bu aşamadaki L-askorbik asit derişimini 100 mg mL⁻¹ olarak belirtmiştir.
6. Karışım 48 saat daha karıştırılmıştır.
7. Ürün ultra saf suyla iki kez yıkanmış ve 60 °C'de vakum altında kurutulmuştur.
8. Son termal tavlama Ar atmosferinde 400 °C'de 24 saat yapılmıştır.
9. rGO agat havanda öğütülmüştür.

MWCNT nasıl sentezlendi?

MWCNT sentezinde gaz fazındaki asetilenin katalitik ayrışması kullanılmıştır. Sistem yatay fırın ve kuvars tüpten oluşmuştur ve reaksiyon bölgesi 1023 K'de çalıştırılmıştır.

Demir katalizör öncüsü olarak Fe(CO)₅ kullanılmıştır. Öncü çözelti 0 °C'de tutulmuş ve içinden N₂ kabarcıklandırılarak reaksiyon bölgesine taşınmıştır. N₂ taşıyıcı gaz, H₂ ise metal katalizörü indirgemek için kullanılmıştır.

Fe(CO)₅'in termal ayrışması demir nanoparçacıkları meydana getirmiş ve MWCNT'ler bu parçacıklar üzerinde çekirdeklenip büyümüştür. Kuvars plakalar reaktör merkezine yerleştirilmiş, nanotüpler hem bu plakalar hem de kuvars reaktör tüpünün duvarları üzerinde birikmiştir.

Yedi dispersiyon nasıl hazırlanmıştır?

Bütün süspansiyonlar prob sonikatörde 2 saat sonike edilmiştir. deG dispersiyonlarında ayrıca 3000 rpm'de 15 dakika santrifüj uygulanarak eksfoliye olmamış grafit çökeltilmiş ve birkaç katmanlı grafen içeren üst sıvı alınmıştır.

Kaynak SDBS, Triton X-100 ve sodyum sitrat miktarlarının literatürdeki optimum değerlere göre eklendiğini söyler; ancak ana PDF bu katkıların her bir dispersiyondaki kesin derişimini raporlamaz. Bu nedenle yeniden üretilebilirlik açısından bu parametre kaynak metninde eksiktir.

VYNS üzerine karbon film nasıl kaplandı?

VYNS membran önce ultra saf su yüzeyine VYNS çözeltisi damlatılarak hazırlanmıştır. Polimer su yüzeyinde yayılıp film oluşturduktan sonra bir alüminyum halka suya daldırılarak film halka üzerine alınmıştır. Halkanın dışındaki fazla polimer neşterle kesilmiş ve film oda sıcaklığında veya kızılötesi lamba altında kurutulmuştur.

Karbon kaplamada alüminyum halkalar polietilen tereftalat (PET) tabaka üzerine yerleştirilip Kapton bantla sabitlenmiş ve CONVAC 1001 spin coater'ın vakumuyla tutulmuştur.

Her VYNS filme 1 mL karbon dispersiyonu uygulanmıştır. Spin programı üç aşamalıdır:

Yazarlar bu programın VYNS membranı kırmadan yüzeyi kaplamayı sağladığını belirtmektedir.

Malzemeler nasıl karakterize edildi?

Önemli yöntem ayrımı: SEM incelemesinden önce numunelerin yüzeyi BALTEC/Leica EM ACE600 cihazıyla ince altın kaplamayla metallize edilmiştir. Bu altın kaplama yalnız SEM numune hazırlığı içindir. Spektral kontrolde kullanılan geleneksel Au–Pd kaplı VYNS radyoaktif kaynakla aynı deneysel işlem değildir.

XRD GO ve rGO dönüşümünü nasıl gösterdi?

GO için XRD'de \(2\theta=10{,}62^\circ\) civarında (001) piki gözlenmiştir. Kaynak bunu grafitik yapının oksidasyonu ve karbonil, karboksil, epoksit ve hidroksil gibi oksijenli fonksiyonel grupların oluşumuyla ilişkilendirmektedir.

Kimyasal ve termal indirgeme sonrasında rGO'nun (001) bandı ortadan kalkmış, yaklaşık \(2\theta=25{,}80^\circ\) civarında grafite benzeyen fakat geniş bir pik görülmüştür. Kaynak bu değişimi oksijenli grupların önemli ölçüde uzaklaştırılması ve grafitik kristal düzenin kısmen yeniden kurulmasıyla yorumlamaktadır.

Pikin geniş olması, yüksek eksfoliasyon derecesi ve ince, birkaç katmanlı grafen yapısıyla ilişkilendirilmiştir. Bununla birlikte rGO'nun tabakalar arası uzaklığının teorik grafit değerinden hâlâ büyük olması, artık oksijen grupları ve yapısal kusurların tamamen ortadan kalkmadığıyla ilişkilendirilmiştir.

MWCNT XRD sonucu ve Scherrer denklemi

MWCNT örneğinde kaynak 26,45° ve 44,57° piklerini CNT yapısına özgü olarak tanımlamaktadır. Ayrıca 38,30°, 44,57°, 64,78°, 71,80° ve 77,90° piklerini sentezde kullanılan katalizör türleriyle ilişkilendirmektedir.

Kaynak-içi örtüşme notu: 44,57° değeri metinde hem CNT'ye özgü pikler hem de katalizörle ilişkili pikler arasında listelenmektedir. Kaynak bu pikin iki katkısını ayrı bir pik dekonvolüsyonuyla çözmemektedir; bu nedenle burada tek bir kökene zorlanmamıştır.

Kristalit boyutu Scherrer Denklem (1) kullanılarak hesaplanmıştır:

\[ D_p= \frac{0.94\lambda} {\beta_{1/2}\cos\theta'} \]

Formül neyi hesaplar? X-ışını kırınım pik genişliğinden karakteristik kristalit boyutunun yaklaşık değerini hesaplamak için kullanılır.

• \(D_p\): hesaplanan kristalit boyutu.
• \(\lambda\): kullanılan X-ışını dalga boyu; bu deneyde Cu-Kα için 0,15406 nm.
• \(\beta_{1/2}\): kırınım pikinin genişliğini temsil eden terim.
• \(\theta'\): ilgili kırınım açısı terimi.
• 0,94: kaynak denkleminde kullanılan şekil katsayısıdır.

Kaynak MWCNT için \(D_p=39{,}49\) nm kristalit boyutu ve 0,6661 örgü gerinimi raporlamaktadır. Kaynak örgü gerinimini hesaplamak için ayrı bir denklem vermediğinden Verianla sürümünde ek bir gerinim formülü oluşturulmamıştır.

FTIR GO'nun indirgenmesini nasıl destekledi?

Bu oksijenli fonksiyonel grup bantlarının grafitte bulunmaması, Tour oksidasyonuyla grafit yüzeyine oksijen içeren grupların eklendiğini desteklemiştir.

rGO spektrumunda 1056, 1232, 1749 ve 3251 cm⁻¹ bantlarının kaybolması veya büyük ölçüde azalması, L-askorbik asit ve ardından yapılan termal tavlamanın oksijenli grupları önemli ölçüde uzaklaştırdığını göstermektedir.

Kaynak, rGO spektrumunun grafite daha fazla benzemesini elektronik konjugasyonun kısmen yeniden kurulması olarak yorumlamaktadır.

SEM görüntüleri ne gösterdi?

Kaynak Şekil 4'te gerçek malzeme mikroyapılarını göstermektedir. Bunlar deneysel kanıt niteliğinde raster SEM görüntüleri olduğu için Verianla sürümünde yapay SEM görüntüsü üretilmemiştir.

Grafit, düzenli ve katmanlı levha morfolojisi göstermiştir. GO, oksidasyondan sonra rastgele toplanmış, ince ve buruşuk yaprak görünümüne dönüşmüştür. rGO nanosheetleri ise buruşmuş, dalgalı ve birbirine dolaşmış tabakalar halinde görülmüştür.

MWCNT numunesinde nanotüplerin demetler halinde yoğun biçimde birleşmediği ve daha hizalı lifsi yapı gösterdiği belirtilmiştir. Görüntülerdeki parlak noktalar kaynak tarafından MWCNT sentezinde kullanılan Fe(CO)₅ katalizöründen kalan Fe türleriyle ilişkilendirilmiştir.

Kaplanmış filmlerin SEM görüntüleri ne gösterdi?

Şekil 5, yedi dispersiyondan hazırlanan ince filmlerin SEM görüntülerini karşılaştırmaktadır.

Dispersiyon 1 olan rGO–SDBS ve dispersiyon 3 olan rGO–sodyum sitrat filmlerinde yoğun, homojen ve dalgalı grafen pulları görülmüştür.

rGO–Triton X-100 ile deG–SDBS ve deG–Triton X-100 filmlerinde ise birbirinin üzerine binen grafen nanoplateletlerinin daha açık seçilebildiği pullu bir mikroyapı gözlenmiştir.

MWCNT–SDBS ve MWCNT–Triton X-100 filmlerinde karbon nanotüp malzemesi yüzey aktif madde matrisi içinde gömülü görünmektedir. Az sayıda MWCNT'nin açık biçimde seçilebilmesi nedeniyle kaynak, uzun sonikasyon işleminin MWCNT yapısını önemli ölçüde bozduğunu yorumlamaktadır.

Bu yorum doğrudan mekanik kırılma uzunluğu ölçümüyle değil SEM morfolojisine dayanır; bu nedenle “sonikasyon nanotüpleri kesin şu boyuta kadar kırdı” şeklinde nicel bir sonuç çıkarılamaz.

Tyndall etkisi neden incelendi?

Tyndall etkisi, kolloidal parçacıkların ışığı saçması sonucu lazer ışık yolunun dispersiyon içinde görünür hale gelmesidir. Çalışma bu etkiyi sulu karbon dispersiyonlarının kolloidal karakterini nitel olarak değerlendirmek için kullanmıştır.

650 nm lazer ışığı optik X-cube RGB prizmasından geçirilip 10 mm optik yollu kuvars küvete yönlendirilmiştir. Görüntüler yakınlaştırma lensleriyle kaydedilmiştir.

Kaynak, özellikle seyreltilmiş rGO dispersiyonları 1, 2 ve 3'ün Tyndall etkisi verdiğini ve bu gözlemin kolloidal karakterlerini desteklediğini belirtmektedir. Bu üç rGO dispersiyonunda daha geniş ışık saçılımı görülmüştür.

55Fe Spektrumundaki Kaçış Piki Ne Anlama Gelir?

Bu çalışmadaki yaklaşık 3 keV'lik düşük enerjili kaçış piki, 55Fe kaynağının ayrı bir temel bozunma piki değildir; kaynak bunu oransal sayacın argon gazında oluşan X-ışınlarının algılama hacminden kaçması sonucu ölçülen enerjinin eksik kalmasıyla oluşan bir detector escape özelliği olarak açıklamaktadır.

55Fe neden uygun bir test radyonüklididir?

⁵⁵Fe düşük enerji bölgesinde referans radyonüklid olarak kullanılan bir elektron yakalama radyonüklididir. Kaynak, ⁵⁵Fe'nin elektron yakalama ile çoğunlukla ⁵⁵Mn'ın temel durumuna bozunduğunu belirtmektedir.

Oluşan atomik boşlukların relaksasyonu sırasında yaklaşık:

• 5,9 keV Kα X-ışını, %25,02 olasılıkla,
• 6,5 keV Kβ X-ışını, %3,4 olasılıkla,
• 4,9–6,5 keV aralığında Auger elektronları, toplam yaklaşık %60 olasılıkla

yayılmaktadır.

Bu nedenle ⁵⁵Fe kaynağı, özellikle 5–6,5 keV düşük enerji bölgesinde kaynak desteğinin spektral kaliteyi bozup bozmadığını test etmek için uygundur.

Ana spektral pik neden tek bir keskin çizgi değildir?

Kaynak, ana piklerin çoğunun yaklaşık Gauss biçimli olduğunu ancak sağ taraflarının biraz daha az dik olduğunu belirtmektedir. Bunun nedeni olarak Kβ katkısının Kα'ya çok yakın olması ve gaz dolu detektörde bu iki katkının tamamen ayrıştırılamaması gösterilmektedir.

Ana pik aynı zamanda 5–6,5 keV aralığındaki düşük enerjili elektronların ve fotonların katkısını içerir.

Destek iletkenliği spektrumu nasıl etkiliyor?

Kaynak yeterince iletken değilse elektron emisyonu sonrasında numune üzerinde yük birikebilir. Bu yük birikimi detektör çevresindeki yerel elektrik alanı değiştirerek bazı darbelerin daha düşük genlikle ölçülmesine ve düşük enerjili kuyrukların oluşmasına katkı yapabilir.

Çalışmanın bütün karbon filmlerinde ana pikin görülmesi ve kaçış pikinden ayrılabilmesi, desteklerin en azından düşük enerjili elektronların algılanmasına izin verecek düzeyde iletken davrandığını göstermektedir.

Bununla birlikte rGO–sodyum sitrat ve iki MWCNT kaynağında aşırı göreli kaçış piki şiddeti ve düşük enerji kuyrukları görülmüştür. Yazarlar bunun yetersiz destek iletkenliğiyle ilişkili olabileceğini belirtmektedir. “Olabilir” sınırı önemlidir; çalışmada film sheet resistance veya dört nokta prob ile doğrudan iletkenlik ölçümü raporlanmamıştır.

rGO–Triton X-100 Neden En Başarılı Kombinasyon Olarak Değerlendirildi?

rGO–Triton X-100, Au–Pd metallize kontrol kaynağına benzer enerji çözünürlüğü verirken ana pik ile yaklaşık 3 keV'lik kaçış pikini temiz biçimde ayırdığı için çalışmanın en başarılı karbon esaslı desteği olarak öne çıkmıştır; yazarlar bu davranışı rGO'daki artık oksijenli bölgelerin Triton gibi yüzey aktif maddelerle etkileşimini ve bunun film oluşumunu iyileştirmesini sağlayabilecek yapısal heterojenlikle ilişkilendirmektedir, ancak bu mekanizma doğrudan yüzey kimyası–iletkenlik deneyleriyle kanıtlanmamıştır.

rGO'nun artık oksijen grupları neden önemli olabilir?

rGO tamamen kusursuz grafen değildir. Kaynak, birkaç nanometrelik daha saf grafen bölgeleri ile daha fazla oksitlenmiş bölgelerin aynı rGO yapısı içinde birlikte bulunabildiğini açıklamaktadır.

Hidroksil ve epoksit gibi artık oksijen grupları yüzey aktif madde molekülleriyle etkileşimi artırabilir. Yazarlar rGO filmlerinin daha iyi spektral performansını bu yüzey kimyasıyla ilişkilendirmektedir.

Ancak çalışma bu açıklamayı doğrudan spektroskopik bağlanma enerjisi, yüzey aktif madde adsorpsiyon izotermi veya elektriksel sheet-resistance ölçümüyle test etmemiştir. Bu nedenle mekanizma kaynak yazarlarının destekleyici yorumudur.

Hangi filmler karşılaştırılabilir sonuç verdi?

Tablo nitel bir kaynak özetidir. Şekil 7'deki spektral eğrilerden yeni FWHM değerleri, pik alanları veya sayım oranları hesaplanmamıştır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Deneysel tasarımın mantığı

Çalışmanın deneysel karşılaştırma mantığı dört aşamadan oluşmaktadır:

1. Farklı karbon malzemelerini ve sulu dispersiyon koşullarını hazırlamak.
2. Bu dispersiyonları aynı temel VYNS ince film yaklaşımıyla kaplamak.
3. Aynı radyonüklid olan ⁵⁵Fe'yi bu destekler üzerinde kaynak haline getirmek.
4. Spektrumları geleneksel Au–Pd metallize VYNS kontrolüyle aynı detektör yaklaşımında karşılaştırmak.

Bu tasarım karbon malzemesi/dispersiyon yaklaşımının kaynak spektrumu üzerindeki etkisini değerlendirmeye yöneliktir. Bununla birlikte kaynak, her film tipinden kaç bağımsız tekrar üretildiğini, tekrarlanabilirlik standart sapmalarını veya formal istatistiksel testleri raporlamamaktadır.

Radyoaktif kaynak nasıl hazırlandı?

Tablo 1'deki sulu dispersiyonlarla kaplanan VYNS filmlerinin her biri bir radyoaktif kaynak desteği olarak kullanılmıştır. ⁵⁵Fe çözeltisi destek üzerine nicel damla biriktirme yöntemiyle uygulanmış ve basit buharlaştırmayla kurutulmuştur.

Kaynak ana PDF'de ⁵⁵Fe damlasının hacmini, aktivitesini Bq cinsinden veya toplam ⁵⁵Fe kütlesini raporlamamaktadır. Bu parametreler Verianla sürümünde tahmin edilmemiştir.

4π basınçlı oransal sayıcı koşulları

Bütün kaynaklar 4π Pressurized Proportional Counter (PPC) ile ölçülmüştür.

Kaynağın bu detektör için iletken film gereksinimine verdiği fiziksel gerekçe, elektron emisyonunun numuneyi yükleyebilmesi ve destek yalıtkansa bu yükün detektördeki elektrik alan kararlılığını bozabilmesidir.

XRD sonuçlarının özeti

Spektral sonuçların özeti

Bütün test kaynaklarında ana ⁵⁵Fe piki gözlenmiş ve kaçış pikinden ayırt edilebilmiştir. Kaynak bunu bütün film desteklerinin düşük enerjili elektron algılamasına izin verecek temel iletkenlik gösterdiğinin işareti olarak yorumlamaktadır.

Makale çözünürlüğün bütün test kaynaklarında 0,9 keV'den yüksek olduğunu belirtmektedir. Kaynak her film için ayrı sayısal çözünürlük tablosu vermediği için hangi filmin FWHM değerinin tam olarak kaç keV olduğu Verianla sürümünde belirtilmemiştir.

rGO–Triton X-100, Au–Pd referansına en yakın spektral davranışı göstermiştir. rGO–SDBS ve deG esaslı yüzey aktif madde içeren destekler de metalize kaynağa benzer spektrumlar üretmiştir.

MWCNT tabanlı kaynaklarda ise kaçış piklerinin yüksek göreli şiddeti nedeniyle kaynak bunları düşük enerjili elektron ölçümüne yönelik radyoaktif kaynak hazırlığında uygun bulmamıştır.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• rGO, deG ve MWCNT sulu dispersiyonları spin coating ile VYNS filmlere uygulanabilmiştir.
• SDBS ve Triton X-100, sulu karbon dispersiyonlarının hazırlanmasında kullanılabilmiştir.
• rGO'nun oksidasyon–indirgeme dönüşümü XRD ve FTIR ile desteklenmiştir.
• Hazırlanan bütün karbon film kaynaklarında 55Fe ana spektral piki ölçülebilmiştir.
• rGO–Triton X-100 kaynağı Au–Pd metallize kontrolle benzer spektral kalite göstermiştir.
• Yüzey aktif madde içeren grafen esaslı rGO ve deG filmleri, geleneksel metallize kaynakla karşılaştırılabilir spektrum verebilmiştir.
• MWCNT–SDBS ve MWCNT–Triton kaynakları yüksek kaçış piki şiddetleri nedeniyle bu uygulama için uygun bulunmamıştır.
• Sulu karbon kaplama yaklaşımı, Au–Pd metallizasyonuna ihtiyaç duymayan alternatif bir kaynak hazırlama yolu olarak laboratuvar düzeyinde gösterilmiştir.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• Karbon filmlerin bütün radyonüklidler ve bütün enerji aralıklarında Au–Pd'den üstün olduğu gösterilmemiştir.
• rGO–Triton X-100'ın elektriksel iletkenliği doğrudan dört-nokta prob veya sheet-resistance ölçümüyle nicel olarak belirlenmemiştir.
• MWCNT spektrumlarındaki bozulmanın yalnız iletkenlikten kaynaklandığı kesin olarak kanıtlanmamıştır; kaynak bunu olası açıklama olarak vermektedir.
• Au–Pd'ye göre ekonomik kazanç yüzde veya para birimi cinsinden hesaplanmamıştır.
• VYNS film kırılma oranındaki iyileşme kontrollü bir dayanıklılık istatistiğiyle ölçülmemiştir.
• Uzun dönem depolama stabilitesi veya radyasyon altında yaşlanma testi raporlanmamıştır.
• Endüstriyel seri üretim veya saha ölçekli kaynak üretimi doğrulanmamıştır.
• Her numune tipi için tekrarlı ölçüm, standart sapma, güven aralığı veya istatistiksel anlamlılık testi raporlanmamıştır.

Çalışmanın başlıca yeniden üretilebilirlik sınırlılıkları

• SDBS, Triton X-100 ve sodyum sitratın dispersiyonlardaki kesin miktarı ana PDF'de verilmemiştir; yalnız literatürdeki optimum değerlerin kullanıldığı belirtilmektedir.
• 55Fe damla hacmi ve kaynak aktivitesi ana PDF'de sayısal olarak raporlanmamaktadır.
• Her film türünün kaç bağımsız örnek/tekrar üzerinden değerlendirildiği açık değildir.
• Her kaynak için ayrı enerji çözünürlüğü/FWHM değerleri tablo halinde verilmemektedir.
• Film elektriksel direnci doğrudan ölçülmemiştir.
• Film kalınlığı veya karbon kaplama yüzey yoğunluğu her dispersiyon için nicel olarak raporlanmamaktadır.

Çalışmanın bilimsel güçlü yönü

Çalışmanın güçlü tarafı yalnız “grafen iletken bir malzemedir” varsayımına dayanmayıp gerçek ⁵⁵Fe radyoaktif kaynaklarını hazırlaması ve bunları düşük enerjili elektron/foton spektrumu açısından geleneksel Au–Pd kontrollü kaynakla doğrudan karşılaştırmasıdır.

Malzeme sentezi, dispersiyon davranışı, film morfolojisi ve gerçek spektrometrik performans aynı deney zinciri içinde değerlendirilmiştir. Böylece karbon malzemesinin yapısal olarak uygun görünmesiyle gerçek radyonüklid kaynak performansı arasındaki fark görünür hale gelmiştir; özellikle MWCNT sonuçları, teorik olarak iletken bir karbon malzemesinin uygun film ve dispersiyon davranışı olmadan otomatik olarak iyi kaynak desteğine dönüşmediğini göstermektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün başlık: Carbon-based thin films as a suitable alternative to metallized films for the preparation of radioactive sources

Yazarlar: Rodolfo Fernández-Martínez; Mª Isabel Rodríguez-Tapiador; Miguel Roteta; María Pérez-Cadenas; Gilberto del Rosario; Jorge Pedrós; Isabel Rucandio.

Sorumlu yazar: Rodolfo Fernández-Martínez.

Eş katkı: Kaynakta eş birinci yazarlık veya eş katkı bildirimi bulunmamaktadır.

Kurumlar: Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Madrid, İspanya; Universidad Rey Juan Carlos, Móstoles, Madrid, İspanya; Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica, Facultad de Ciencias, UNED, Las Rozas, Madrid, İspanya; Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología & Departamento de Ingeniería Electrónica, E.T.S.I. de Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, İspanya.

Dergi: Applied Radiation and Isotopes.

Yayınevi: Elsevier Ltd.

Cilt / makale numarası: 212 / 111419.

DOI: 10.1016/j.apradiso.2024.111419.

Resmî bağlantı: https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2024.111419

Alınma tarihi: 21 Aralık 2021.

Revize sürüm tarihi: 17 Haziran 2024.

Kabul tarihi: 25 Haziran 2024.

Çevrimiçi yayın tarihi: 4 Temmuz 2024.

Bibliyografik yayın: Applied Radiation and Isotopes, Volume 212, Ekim 2024, Article 111419.

Kaynak türü: Deneysel malzeme hazırlama, radyonüklid kaynak üretimi ve düşük enerjili radyasyon spektrometrisi araştırma makalesi.

Hakemlik durumu: Applied Radiation and Isotopes'ta yayımlanmış hakemli araştırma makalesi.

Lisans: Creative Commons Attribution–NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0).

Anahtar kelimeler: Graphene; Carbon nanotubes; Radioactive source; Source preparation.

Veri erişilebilirliği: Kaynak “Data will be made available on request” bildirimini vermektedir; ayrı açık veri deposu bağlantısı raporlanmamıştır.

Çıkar çatışması: Yazarlar, çalışmayı etkileyebilecek bilinen finansal çıkar veya kişisel ilişki bulunmadığını bildirmiştir.

Finansman: ENE2017-88065-C2-2-R ve PID2020-114234RB-C21 projeleri MCIN/AEI ve ERDF desteğiyle; Jorge Pedrós ayrıca İspanya Bilim ve İnovasyon Bakanlığının 2D-SAWNICS projesi PID2020-120433 GB-I00 ve Comunidad de Madrid NMAT2DCM P2018/NMT-4511 projesi tarafından desteklenmiştir.

Yazar katkıları: Rodolfo Fernández-Martínez: kavramsallaştırma, veri kürasyonu, yöntem, danışmanlık, ilk taslak, gözden geçirme/düzenleme. Mª Isabel Rodríguez-Tapiador: ilk taslak, yöntem, formal analiz. Miguel Roteta: ilk taslak, danışmanlık, yazılım. María Pérez-Cadenas: gözden geçirme/düzenleme, danışmanlık, kaynaklar, yöntem. Gilberto del Rosario: yöntem. Jorge Pedrós: gözden geçirme/düzenleme, kaynaklar, yöntem. Isabel Rucandio: gözden geçirme/düzenleme, danışmanlık, finansman edinimi, kavramsallaştırma.

Ana deneysel karşılaştırma: rGO, deG ve MWCNT ile kaplanmış VYNS ince film destekleri üzerinde hazırlanan 55Fe kaynakları ile geleneksel Au–Pd metallize VYNS kontrol kaynağının 4π basınçlı oransal sayıcı spektrumlarının karşılaştırılması.

Başlıca karakterizasyon: XRD, FTIR, SEM ve Tyndall etkisi.

Başlıca sonuç: rGO–Triton X-100, Au–Pd metallize kontrol kaynağıyla karşılaştırılabilir spektral kalite göstermiştir; yüzey aktif maddeli grafen esaslı filmler genel olarak uygulanabilir görünürken test edilen MWCNT filmleri yüksek kaçış piki şiddeti nedeniyle uygun bulunmamıştır.

Enerji çözünürlüğü notu: Kaynak bütün test kaynakları için çözünürlüğün 0,9 keV'den yüksek olduğunu ifade eder; film bazında kesin çözünürlük tablosu vermemektedir. Bu ifade Verianla sürümünde değiştirilmemiş ve Şekil 7'den yeni FWHM değerleri çıkarılmamıştır.

Kaynak-içi terminoloji notu: Tablo 1 sodyum sitratı “Surfactant” sütununda listelerken sonuç bölümü rGO–sodyum sitrat örneğini olumsuz spektral davranışla ilişkilendirmekte ve yüzey aktif madde yokluğunun tavsiye edilmediğini belirtmektedir. Bu farklı terminoloji sessizce düzeltilmemiştir.

XRD notu: 44,57° değeri kaynak metninde hem tipik CNT piki hem de sentez katalizörüyle ilişkilendirilen pikler arasında geçmektedir. Kaynak bu katkıları ayrıca ayırmamaktadır.

VYNS birim notu: Girişte VYNS film kalınlığı/yüzey yoğunluğuna ilişkin bir cümlede boyutsal olarak tutarsız görünen “5–10 μm cm−2” ifadesi bulunmaktadır; bu değer Verianla metninde kesin film kalınlığı olarak kullanılmamıştır.

Ekonomik yorum sınırı: Makale karbon filmlerin Au–Pd çözeltisi maliyetini ve metallize VYNS halkalarının kırılma sorununu azaltma avantajından söz etmektedir; ancak para birimi cinsinden maliyet analizi, kırılma yüzdesi veya seri üretim güvenilirlik testi raporlamamaktadır.