Publication: Influence of gas flow inside circular tube using computational fluid dynamics for graphene synthesis via chemical vapour deposition
dc.contributor.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | en_US |
dc.contributor.author | Muhammad Naqib Osman | en_US |
dc.contributor.supervisor | Syed Noh Syed Abu Bakar, Ph.D | en_US |
dc.contributor.supervisor | Mohd Hanafi Ani, Ph.D | en_US |
dc.date.accessioned | 2024-10-08T03:17:55Z | |
dc.date.available | 2024-10-08T03:17:55Z | |
dc.date.issued | 2021 | |
dc.description.abstract | Since its discovery in 2004, graphene has been tipped as the material that can boost various applications' development. Among the methods developed to produce graphene in large-scale is chemical vapour deposition (CVD). CVD is viewed as the most cost-efficient method besides having the potential to synthesize high-quality graphene. Despite this potential, it requires excellent control in various aspects, including fluid dynamics inside the CVD tube. Further studies need to be done especially near the substrate to understand further the effect of fluid dynamics on the graphene synthesis process via CVD. One of the subsidiaries of fluid dynamics near the substrate was the boundary layer thickness. This is the first layer where carbon needs to pass through to be at the substrate's surface. Changing the tilting angle is one of the ways to change the boundary layer thickness. In this study, the simulation was done for horizontal CVD with different tilting angle, and then graphene was synthesized in the lab based on the simulation results. This is to understand the effect of substrate tilting to the fluid behaviour inside the CVD tube and the graphene produce. The simulation was done using ANSYS® FLUENT where a 1m tube was divided into three sections which are the calm, heating and outlet section. A constant temperature of 1273K was supplied at the heating section wall, and the other two sections were exposed to room temperature. A substrate was placed in the heating section with a tilting angle of 8°,15°,30°,45°,60° and 75°. Based on the simulation at a 0° angle, the boundary layer thickness becomes thicker as the flow moves from the front to the rear of the substrate. For other tilting angles, the boundary layer thickness became thinner as the flow moved from the front to the end of the substrate. Higher tilting angle produced a thinner boundary layer, but the non-uniformity of the boundary layer thickness over the substrate surface also became more prominent. Tilted substrate also caused vortices at the side of the substrate where the larger the tilting angle, the larger vortices produced. Therefore, lower substrate angle was preferred for graphene synthesis as it has a more uniform boundary layer and smaller vortices. For the synthesis process, the 1cm x 1cm copper substrate was placed inside the CVD tube with a tilting angle of 8° and 15° with a flow rate of 100 sccm, 200sccm, and 300sccm for each synthesis process. A larger substrate angle was also chosen, which is 60° but only for 300 sccm of flow rate. Based on the Raman spectroscopy result, higher velocity will give thinner graphene for 8° and 15° substrate angle. For 8° substrate angle, the defect ratio increases as the flow rate increase while for 15°, it is vice versa. The graphene produce on top of the 8° and 15° substrate is constantly thin throughout the substrate, but for 60° substrate angle, the graphene becomes thinner from the front to the rear of the substrate. The defect on graphene produce on 60° substrate is also very high. This shows that the tilting angle plays a vital role in changing the graphene quality produced via CVD. | en_US |
dc.description.abstractarabic | منذ اكتشاف الجرافين في عام 2004 وقد تم التكهن على أنها المادة التي يمكن أن تعزز التطور في مختلف التطبيقات. ومن بين الأساليب المتقدمة لإنتاج الجرافين عبر نطاق واسع هو عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). CVD تعتبر الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة وإلى جانب امتلاك الإمكانات لتوليف جرافينات عالية الجودة. وعلى الرغم من هذه الإمكانات, إلا أنها تتطلب سيطرة كبيرة في مختلف الجوانب بما في ذلك السلوك الديناميكي السائل داخل أنبوب الـCVD. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات وخاصة بالقرب من المادة المتفاعلة من أجل فهم تأثير ديناميكيات السوائل على عملية تصنيع الجرافين عبر الـCVD. سماكة الطبقة الحدودية تعتبر ة واحدة من فروع ديناميكية السوائل بالقرب من المادة المتفاعلة. وهذه هي الطبقة الأولى حيث يحتاج الكربون إلى المرور من أجل أن يكون على سطح المادة المتفاعلة. يعد تغيير زاوية الإمالة إحدى طرق تغيير سماكة الطبقة الحدودية. في هذه الدراسة, تم إجراء المحاكاة للترسيب الأفقي للبخار الكيميائي بإستخدام مادة متفاعلة مختلفة وقد تم تصنيع الجرافين في المختبر بناءً على نتيجة المحاكاة. وهذا لفهم تأثير إمالة المادة المتفاعلة إلى سلوك السوائل داخل أنبوب الـCVD وإنتاج الجرافين. وقد تم إجراء المحاكاة بإستخدام ANSYS® FLUENT حيث تم تقسيم أنبوب طوله متر واحد إلى 3 أقسام وهي: القسم الهادئ, قسم التدفئة وقسم للمخرج. ودرجة حرارة ثابتة تبلغ 1273K قد زود في جدار قسم التدفئة وأما القسمان الآخران فقد بقيا على درجة حرارة الغرفة. المادة المتفاعلة بزاوية الركيزة بمعدل 8°, 15°, 30°, 45 ,°60° و 75° تم وضعه في قسم التدفئة. إستنادا على المحاكاة بزاوية 0 أصبح سمك الطبقة الحدودية أكثر سمكاً حيث يتحرك التدفق من الأمام إلى الجزء الخلفي من المادة المتفاعلة. بالنسبة للزوايا الأخرى,سمك الطبقة الحدودية يصبح أرق حيث يتحرك التدفق من الأمام إلى الجزء الخلفي من المادة المتفاعلة. كلما كانت الزاوية أعلى كلما تنتج طبقة حدودية رقيقة ولكن الفرق هنا يكمن في سمك الطبقة الحدودية ستصبح أكبرعلى مدار المادة المتفاعلة وبالتالي تجعلها غير موحدة. وأيضا أي مادة متفاعلة بزاوية تسبب دوامات على جانبها, وكلما كانت الزوايا أكبر كلما نتجت دوامات أكبر. وبناء على ذلك, تم إختيار زاوية أصغر للمادة المتفاعلة من أجل تأليف الجرافين لأنها تحتوي على طبقة حدودية أكثر إتساقا وتسبب دوامات أصغر. بالنسبة لعملية التوليف, 1 متر x 1 متر من الركيزة النحاسية تم وضعها داخل أنبوب الـCVD بزاوية معدلها 8° و 15° مع تدفق بمعدل 100sccm, 200sccm, و 300sccm لكل محاكاة. بالإضافة إلى أن زاوية ركيزة أكبر قد تم إختيارها بمعدل 60° ولكن من أجل 300sccm من معدل التدفق. وحسبا لنتيجة Raman للتحليل الطيفي, لكل 8° و 15° زاوية الركيزة, بسرعة أعلى قد تنتج جرافين أكثر رقاقة. ولـ 8° زاوية ركيزة, تزداد نسبة الخلل مع زيادة معدل التدفق بينما بنسبة 15° تكون النتيجة على النحو الآخر. الجرافين المنتج للركيزة فوق 8° و 15° تكون رقيقة بإستمرار في جميع أنحاء الركيزة ولكن إذا كانت زاوية الركيزة بنسبة 60° سيصبح الجرافين أكثر رقاقة من الأمام إلى الجزء الخلفي من الركيزة. الخلل الناتج من الجرافين الموضوع على ركيزة 60° سيكون مرتفعا جدا. وهذا يوضح أن زاوية الركيزة تلعب دورا حيويا يمكن أن يغير جودة الجرافين التي تم إنتاجها عبر الـCVD. | en_US |
dc.description.callnumber | t TP 261 G7 M9525I 2021 | en_US |
dc.description.identifier | Thesis : Influence of gas flow inside circular tube using computational fluid dynamics for graphene synthesis via chemical vapour deposition /by Muhammad Naqib Bin Osman | en_US |
dc.description.identity | t11100392668MuhammadNaqibBinOsman | en_US |
dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Engineering | en_US |
dc.description.nationality | Malaysian | en_US |
dc.description.notes | Thesis (MSME)--International Islamic University Malaysia, 2021. | en_US |
dc.description.physicaldescription | xiv, 94 leaves : colour illustrations ; 30cm. | en_US |
dc.description.programme | Master of Science (Mechanical Engineering) | en_US |
dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/7102 | |
dc.language.iso | en | en_US |
dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2021 | en_US |
dc.subject.lcsh | Graphene -- Synthesis | en_US |
dc.subject.lcsh | Automatic speech recognition | en_US |
dc.title | Influence of gas flow inside circular tube using computational fluid dynamics for graphene synthesis via chemical vapour deposition | en_US |
dc.type | Master Thesis | en_US |
dspace.entity.type | Publication |
Files
Original bundle
License bundle
1 - 1 of 1