Summary
Anodiska båge ansvarsfrihet är en av de mest praktiska och effektiva metoder för att syntetisera olika kol nanostrukturer. För att öka bågen styrbarhet och flexibilitet, var en icke-enhetlig magnetfält införts för att bearbeta ett steg syntes av storskaliga grafen flingor och hög renhet enkel vägg kolnanorör.
Abstract
Carbon nanostrukturer som enkel vägg kolnanorör (SWCNT) och grafen locka en störtflod av intresse för forskare nuförtiden på grund av deras mycket lovande ansökan om molekylära sensorer, field effect transistor och supertunna och flexibla elektroniska enheter 1-4. Anodiska båge utsläpp stöds av erosion av anoden materialet är en av de mest praktiska och effektiva metoder, som kan ge särskilda icke-jämvikt processer och en hög tillströmning av kol material till att utveckla strukturer på relativt högre temperatur, och därmed as- syntetiska produkter har få strukturella brister och bättre kristallinitet.
För att ytterligare förbättra kontrollmöjligheterna och flexibiliteten i syntesen av kol nanostrukturer i Arc utsläpp, kan magnetfält tillämpas under syntesen processen enligt starka magnetiska svar båge plasma. Det visade att magnetiskt utökad båge dischARGE kan öka den genomsnittliga längden på SWCNT 5, smala diametern distribution av metalliska katalysatorer partiklar och kolnanorör 6, och ändra förhållandet av metalliska och halvledande kolnanorör 7, samt leda till grafen syntes 8.
Dessutom är det värt att påpeka att när vi introducerar en icke-enhetlig magnetfält med komponenten vinkelrätt mot strömmen i ljusbågen kan Lorentz kraft längs J × B riktning generera plasmor jet och göra effektiv leverans av partiklar av kol jon och värmeflödet till prov. Som ett resultat var stora grafen flingor och hög renhet enkel vägg kolnanorör samtidigt som genereras av sådana nya magnetiskt förbättrade anodiska båge metoden. Arc bildbehandling, svepelektronmikroskop (SEM), var transmissionselektronmikroskop (TEM) och Raman-spektroskopi används för att analysera karakterisering av kol nanostrukturer. Dessa resultat tyder på enbrett spektrum av möjligheter att manipulera med egenskaperna hos nanostrukturer tillverkas i plasmor genom att kontrollera bågen förhållanden.
Protocol
1. Anod förberedelse
- Skala nickel pulver (99,8%, 300 mesh) och yttrium pulver (99,9%, 40 mesh) enligt molar radion i 4.2:1 som katalysator pulver.
- Blanda Katalysatorpulver med grafit pulver (99,9995%, 200 mesh) mycket bra. Fyll blandade pulvret i ihåliga grafit spö (5 mm ytterdiameter, 2,5 mm innerdiameter och 75 mm längd) ordentligt. Se till att den totala molära radion i C: NI: Y i anod spö är 94.8:4.2:1, som är optimala förhållandet att syntetisera SWCNT 9.
- Installera katod stav (ren grafit, 13 mm i diameter) och den uppstoppade anoden staven inne cylindrisk kammare (rostfritt stål, 152 mm diameter och 254 mm längd). Justera avståndet avståndet mellan katod och anod till ca 3 mm.
2. Substrat installation
- Placera en kub permanent magnet (25 mm × 25 mm × 100 mm) inne i kammaren på ca 25 mm avstånd från interelectrode axeln. Ultra-High-Temp Alnico magnet som användsi experiment har vikt 650 gram. Använd konfiguration när interelectrode gapet är placeras på ett avstånd av ca h = 75 mm (Figur 1a) från botten av permanent magnet.
- Skär 0,3 mm godstjocklek molybden (99,95%) som den 25 mm × 100 mm rektangulär form. Avlägsna ytkontaminering med ultraljud dismembrator i aceton och etanol i 30 min med 50% sonicating amplitud, 150 W uteffekt och 40 kHz.
- Installera molybden blad fästa ena sidan av permanent magnet, och vända denna sida mot elektroder.
- Mät magnetfält i interelectrode gapet med en Gaussmeter. Håll den genomsnittliga magnetfältet mellan elektroderna är ca 0,06 T.
3. Antändning av båge plasma
- Pump ner cylindriska kammaren till trycket är mindre än 10 -1 Torr vakuum och sedan fyllde det med helium (99,995%) till 500 Torr.
- Anslut båge elektroder till DC welding strömförsörjning och ställa in i nätdelen på båge ström på ca 75 A.
- Spela i realtid värden båge ström, bågspänning och kammartryck för post-experiment analys.
- Starta video av gnistan från den högra och främre vyportar av två digitala kameror samtidigt. Den ögonblicksbilder efter 1 sekund av båge börjar visas i Figur 1b (från höger vyport) och Figur 1d (framifrån vyport).
- Kör båge i 15 sekunder. Kyl ner kammare genom naturlig konvektion i minst 20 minuter.
4. Post-syntes analys och karakterisering
- Använd pincett för att riva av nedfall flaga från ytan av molybden ark där bågen plasmor jet var riktad. Ett annat prov samlas in från svart krage av katod. Observera morfologi på båda sidor av nedfall flake inom ramen för SEM (acceleration spänning på 30 kV användes).
- När det gäller provberedning för TEM analys, tunna filmer av prov erhölls för droppe gjutning en suspension av metanol spridda SWCNT lösning efter sonicating i 60 minuter med hjälp av ultraljud dismembrator med 50% sonicating amplitud. Observera morfologi tunn film i JEOL TEM med spänning på 100 kV efter förångning av metanol lösning. För ställning intresset för provet, kan elektron diffraktionsmönster uppnås med CCD-kamera längd av 50 cm i samband med TEM.
- Raman-spektroskopi utfördes på ett mikro-Raman system baserat på en 200 mW Lexel 3000 Ar-jon laser (avstämbara enda rad utgång), med holografisk optik, en 0,5 m spektrometer och en flytande kväve kyls CCD-detektor, våglängd 514 nm, vilket motsvarar den energin 2,33 eV. Raman mätningar omfattade storleksordningen 100 cm -1 till 3100 cm -1, och har utförts på ytan av grafen flingor.
5. Representativa resultat
"> Videon ögonblicksbilder erhållas samtidigt från höger och främre vyportar i kammaren visas i Figur 1b, D för h = 75 mm. Dessa bilder illustrerar betydande störning av båge plasma kolumn i närvaro av yttre magnetfält i jämförelse med axiellt symmetrisk båge kolumnen observerats i fallet utan ett magnetfält 10.Figur 2a och 2b visar typisk morfologi SWCNT och katalysator partiklar samlas på kragen av katod utan magnetfält och med magnetfält B = 0,06 Tesla i TEM, respektive. Det kan ses som SWCNT med magnetfält är nära packas i buntar med en diameter från 2 till 20 nm på grund av van der Waals-interaktionen mellan enskilda SWCNT. I jämförelse SWCNT utan magnetfält har större diameter i buntar och större enskilda diameter, vilket är förenligt med den analys av Ramanspektrum. Även det magnetiska fältet can leda till SWCNT med högre renhet visas i figur 2a och 2b.
De mest intressanta inflytande magnetfält är att grafen flingor kan erhållas från ytan av nedfallet flingor som är nära molybden plåt i samma process. Figur 2c och 2d visar SEM och TEM bilder av grafen flingor samt få- lager grafen från det prov som tas på den plats som motsvarade båge plasma jetplan. Den infällda bilden i figur 2d visar elektroner diffraktionsmönster samband med grafen. Den sexkantiga prickar mönster elektron diffraktion presenterar bevis för välordnade kristallstrukturer.
Ramanspektrum är ett kraftfullt verktyg för karakterisering av grafen flingor och SWCNT. Den typiska toppar observerats i grafen är G och 2D-toppar vid ~ 1600 cm -1 och ~ 2700 cm -1 respektive med excitation våglängd på 514 nm. Gtopp beror i plan vibrationer som kan observeras i alla SP2 kol-material. 2D-toppen är en andra beställning på D toppen, men ses även hos icke oordnad, till följd av fjärde ordningen phonon rörelseimpulsen dubbla resonans process. Den spelar en avgörande roll i karakterisering av grafen. Intensiteten I (2D) / I (G) är ungefär 4 för cellslager grafen och minskar med tillägg av ytterligare lager, vilket gör det möjligt att uppskatta tjockleken på grafen lager. 11 Figur 3 visar att värdet på I (2D) / I (G) är ca 1, som kan vara tecken på några lager grafen. Det radiella andas läge (RBM) mellan 120 och 350 cm -1 i Ramanspektrum kan användas för att identifiera nanotube diameter genom sammanhängande vibrationsfrekvens av kolatomer i radiell riktning. De experimentella förhållandet mellan frekvens och SWCNT diameter är ω RBM = A / D t + B, där parametrarna of A och B är lika med 234 och 10 cm -1, respektive för de typiska SWCNT bildades i buntar. Från Figur 3, RBM frekvenser SWCNT utan och med magnetfält är 163,8 och 215,2 cm -1, vilket motsvarar den genomsnittliga individuella SWCNT diameter på 1,52 och 1,14 nm, respektive.
Figur 1. Fördelning av magnetfält simuleras genom FEMM 4,2 programvara (en), foto av båge plasma jet från höger vyporten (b), schematisk bild av elektroder position och riktning magnetfält i gapet för fallet när interelectrode gapet är placerad ca 75 mm ovanför botten permanent magnet (c), och foto av båge plasma stråle framifrån vyport (d).
Figur 2. Representant TEM bild av när-syntetisktSWCNT buntar utan magnetfält (a) och SWCNT buntar med magnetfält (b), typisk SEM-bild av grafen flingor syntetiseras med magnetiska fält (c), och TEM bild av grafen med magnetfält. Infälld är det markerade området elektron diffraktionsmönster visar den kristallina strukturen av grafen.
Figur 3. Ramanspektrum av proverna med magnetfältet i intervallet 100 till 3100 cm -1. Infälld: Ramanspektrum av proverna utan magnetfält runt RBM frekvenser.
Figur 4. Nanostruktur tillväxtregion och antal täthet av kol och nickel för båge av 60 A. Observera att tätheten av kol och nickel som visas på vänster och höger sida av elektroderna, samexistera i samma region.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I videon bilder som visas i figur 1b och 1d, för det fall att interelectrode gapet var placeras på ett avstånd av ca h = 75 mm från botten av permanent magnet, bör det noteras att byte av magnet position (vi testade magnet skift längs z-axeln och vrida magnet över) resulterar i avvikelse båge jet flödet i x-led motsvarande riktning J × B kraft illustreras i figur 1c. Det kunde också konstatera att geometri båge plasma kolumn ändrade inte genom att ta bort nickel katalysator från anoden. Detta innebär att påverkan av magnetfält på nickel katalysator partiklar rörelse inte påverkar övergripande geometri plasma kolumn. Vi kan styra fördelningen av magnetiska fält genom att ändra position permanent magnet, och följdriktigt tillväxten regionen av kol nanostrukturer kan lätt manipuleras enligt J × B riktning. SWCNT och grafen flingor är samlingarTed inom olika områden, så separation är möjlig 8.
Den plasma jet genereras genom tillämpning av magnetfält spelar en viktig roll under grafen syntetisk process genom att det kan införa värmen och sublimeras kolpartiklar från anoden till J × B riktning direkt. Den plasma jet kan koncentrera tätheten av ljusbågen plasma och styr effektivt genomförande av partiklar av kol jon i ljusbågen plasma, och i sin tur att förbättra produktionseffektiviteten av kol nanostrukturer. Förutom att experimenten kan numeriska simuleringar göras för att få temperaturen och arter distribution inom plasma jet, som är mycket svår att mäta direkt. Från och distribution av olika parametrar i plasma, kan man få mer inblick i tillväxt mekanismen och plats för nanostruktur bildas. Till exempel genomförde simuleringarna utan yttre magnetfält (Figur 4)visade att ligger sannolikt regionen nanostrukturer tillväxt baserad på rottillväxt mekanism, dvs kol adatoms sippra igenom katalysatorn kluster, strax utanför båge regionen, där temperaturen är lämpliga för nickel kluster tillväxt. Figuren visar tillväxtregion beskrivs av isotermer motsvarande uppkomsten av nickel nucleation (2500 K, inre) och solidifiering av kluster (1000k, yttre), med flera tätheter av nickel och kol i bakgrunden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av NSF / DOE partnerskap Plasma vetenskap och teknik (NSF Grant No CBET-0.853.777 och DOE Grant Nej DE-SC0001169), STTR fas I-projektet (NSF STTR FAS I No.1010133). Författarna vill tacka de PPPL Offsite Research Program som stöds av Office of Fusion Energy Sciences för att stödja båge experiment.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Table of specific reagents and equipment: | |||
| Methanol | Acros Organics | 423950010 | |
| Nickel powder | Alfa Aesar | 10581 | |
| Yttrium powder | Acros Organics | 318060050 | |
| Graphite powder | Alfa Aesar | 40799 | |
| Hollow graphite rod | Saturn Industries | POCO EDM 3 | |
| Permanent magnet | McMaster-Carr | 57315K51 | |
| Molybdenum sheet | Dingqi Sci. and Tech. | 080504-11 | |
| Ultrasonic dismembrator | Fisher Scientific | Model 150T | |
| Hall-effect gaussmeter | AI | Model 100 | |
| Welding power supply | Miller | Gold Star 600SS | |
| Vacuum pump | J/B | DV-85N | |
| SEM | Carl Zeiss, Inc. | LEO 1430VP | |
| TEM | JEOL | 1200 EX | |
| Raman | Horiba Instruments Inc | HR800 | |
References
- Dai, H. J. Electrical transport properties and field effect transistors of carbon nanotubes. Nano. 1, 1-13 (2006).
- Lai, K. W. C., Xi, N., Fung, C. K. M., Chen, H. Z., Tarn, T. J. Engineering the band gap of carbon nanotube for infrared sensors. Applied Physics Letters. 95, 221107-221107 (2009).
- Gabor, N. M., Zhong, Z. H., Bosnick, K., Park, J., McEuen, P. L. Extremely Efficient Multiple Electron-Hole Pair Generation in Carbon Nanotube Photodiodes. Science. 325, 1367-1371 (2009).
- Liu, C. Hydrogen storage in single-walled carbon nanotubes at room temperature. Science. 286, 1127-1129 (1999).
- Keidar, M. Magnetic-field-enhanced synthesis of single-wall carbon nanotubes in arc discharge. Journal of Applied Physics. 103, 094318-094318 (2008).
- Li, J., Volotskova, O., Shashurin, A., Keidar, M. Controlling Diameter Distribution of Catalyst Nanoparticles in Arc Discharge. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 11, 10047-10052 (2011).
- Volotskova, O. Tailored Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes from Arc Plasma Synthesis Using Magnetic Fields. Acs. Nano. 4, 5187-5192 (2010).
- Volotskova, O. Single-step synthesis and magnetic separation of graphene and carbon nanotubes in arc discharge plasmas. Nanoscale. 2, 2281-2285 (2010).
- Farhat, S., Scott, C. D. Review of the arc process modeling for fullerene and nanotube production. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 6, 1189-1210 (2006).
- Keidar, M. Increasing the length of single-wall carbon nanotubes in a magnetically enhanced arc discharge. Applied Physics Letters. 92, 043129-043129 (2008).
- Ferrari, A. C. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Physical Review Letters. 97, 187401-187401 (2006).
