Summary
Anodisk bue utslipp er en av de mest praktiske og effektive metoder for å syntetisere ulike karbon nanostrukturer. For å øke buen kontrollerbarhet og fleksibilitet, var en ikke-uniform magnetfelt introdusert til å behandle ett-trinns syntese av store graphene flak og høyrent single-vegger karbon nanorør.
Abstract
Carbon nanostrukturer som single-vegger karbon nanorør (SWCNT) og graphene tiltrekke seg en flom av interesse for forskere i dag på grunn av deres meget lovende program for molekylær sensorer, felt effekt transistor og supertynne og fleksible elektroniske enheter 1-4. Anodisk arc utflod støttes av erosjon av anoden materialet er en av de mest praktiske og effektive metoder, som kan gi spesifikke ikke-likevekt prosesser og en høy tilstrømning av karbon materiale til å utvikle strukturer ved relativt høyere temperatur, og dermed as- syntetisert produktene har noen strukturelle defekter og bedre krystallinitet.
For ytterligere å forbedre kontrollerbarhet og fleksibiliteten i syntesen av karbon nanostrukturer i bue utflod, kan magnetfelt brukes under syntesen prosess i henhold til de sterke magnetiske svarene av arc plasmaer. Det ble demonstrert at magnetisk forbedret arc discharge kan øke den gjennomsnittlige lengden på SWCNT 5, begrense diameter fordelingen av metallisk katalysator partikler og karbon nanorør 6, og endre forholdet mellom metalliske og halvledende karbon nanorør 7, samt føre til graphene syntese 8.
Videre er det verdt å bemerke at når vi introduserer en ikke-uniform magnetfelt med den komponenten normal til strømmen i lysbuen kan Lorentz kraften langs J × B retning generere plasmaer jet og gjøre effektiv levering av karbon ion partikler og varmeflux til prøver. Som et resultat ble store graphene flak og høyrent single-vegger karbon nanorør samtidig generert av slike nye magnetisk forbedret anodisk arc metoden. Arc bildebehandling, scanning elektronmikroskop (SEM), var overføring elektronmikroskop (TEM) og Raman spektroskopi ansatt for å analysere karakterisering av karbon nanostrukturer. Disse funnene indikerer enbredt spekter av muligheter til å manipulere med egenskapene til nanostrukturer produsert i plasma ved hjelp av å kontrollere buen forhold.
Protocol
1. Anode forberedelse
- Scale nikkel pulver (99,8%, 300 mesh) og yttrium pulver (99,9%, 40 mesh) i henhold til molar radioen 4.2:1 som katalysator pulver.
- Bland katalysator pulver med grafitt-pulver (99,9995%, 200 mesh) svært godt. Fyll blandet pulveret inn i hul grafitt stang (5 mm ytre diameter, 2,5 mm indre diameter og 75 mm lengde) fast. Sørg for at den totale molar radio av C: Ni: Y i anode stang er 94.8:4.2:1, som er optimale forhold for å syntetisere SWCNT 9.
- Installer katode rod (ren grafitt, 13 mm diameter) og utstoppede anoden stang inne sylindrisk kammer (rustfritt stål, 152 mm diameter og 254 mm lengde). Juster avstanden avstanden mellom katode og anode til ca 3 mm.
2. Substrat setup
- Plasser en cuboid permanent magnet (25 mm × 25 mm × 100 mm) inne i kammeret på ca 25 mm avstand fra interelectrode aksen. Ultra-High-Temp Alnico magnet brukesi eksperimentet har vekten på 650 gram. Bruk konfigurasjon da interelectrode gapet er plassert på avstand av ca h = 75 mm (Fig. 1a) fra bunnen av permanent magnet.
- Kutt 0,3 mm tykkelse molybden ark (99,95%) som 25 mm × 100 mm rektangulær form. Fjern overflate kontaminering av ultralyd dismembrator i aceton og etanol for 30 min med 50% sonicating amplitude, 150 W utgangseffekt og 40 kHz frekvens.
- Installer molybden ark feste den ene siden av permanent magnet, og snu denne siden mot elektroder.
- Mål det magnetiske feltet i interelectrode gapet ved en Gaussmeter. Holde den gjennomsnittlige magnetfeltet mellom elektrodene er ca 0,06 T.
3. Tenning av lysbuen plasma
- Pump ned sylindriske kammeret til trykket mindre enn 10 -1 Torr vakuum og deretter fylt med helium (99,995%) til 500 Torr.
- Koble arc elektrodene til DC welding strømforsyning og sette opp strømforsyningen på bue strøm på ca 75 A.
- Noter sanntid verdier av arc strøm, arc spenning og kammer trykk for post-eksperiment analyse.
- Start video av overslag fra høyre og foran viewports av to digitale kameraer samtidig. Den snapshots etter 1 sekund arc start er vist i Figur 1b (fra høyre viewport) og figur 1d (fra front viewport).
- Kjør buen i 15 sekunder. Kjøl deg ned kammer av naturlig konveksjon i minst 20 minutter.
Fire. Post-syntese analyse og karakterisering
- Bruk pinsett til å rive av avsetning flake fra overflaten av molybden ark der arc plasmaer jet var rettet. Et annet eksempel er hentet fra den sorte kragen av katoden. Observer morfologi på begge sider av deponering flake henhold til SEM (akselerasjon spenning på 30 KV ble brukt).
- Når det gjelder prøveopparbeidelse for TEM analyse, tynne filmer av prøven ble innhentet for dråpe støping en suspensjon av metanol-dispergert SWCNT løsning etter sonicating i 60 minutter med ultralyd dismembrator med 50% sonicating amplitude. Observer morfologi av den tynne filmen under JEOL TEM med spenning på 100 KV etter fordampning av metanol løsning. For stillingen av interesse i utvalget, kan elektrondiffraksjon mønster fås med CCD kamera lengde på 50 cm assosiert med TEM.
- Raman spektroskopi ble utført på en mikro-Raman system basert på en 200 mW Lexel 3000 Ar ion laser (tunbare én linje output), med holografisk optikk, en 0,5 m spektrometer og et flytende nitrogen avkjølt CCD detektor; bølgelengde 514 nm som tilsvarer energi 2,33 eV. Raman målinger dekket størrelsesorden 100 cm -1 til 3100 cm -1, og ble utført på overflaten av graphene flak.
5. Representant Resultater
"Er> Videoen snapshots innhentet samtidig fra høyre og foran viewports av kammeret er vist i Figur 1b, d for h = 75 mm. Disse bildene illustrerer betydelige endringen av arc plasma kolonne i nærvær av eksterne magnetfelt i sammenligning med aksialt symmetrisk bue kolonne observert i saken uten et magnetisk felt 10.Figur 2a og 2b viser typisk morfologi SWCNT og katalysator partikler samles på kragen av katoden uten magnetfelt og med det magnetiske feltet B = 0.06 Tesla henhold TEM, henholdsvis. Det kan sees at SWCNT med magnetisk felt er tett pakket i bunter med diameter fra 2 til 20 nm på grunn av van der Waals samspillet mellom individ SWCNT. Til sammenligning SWCNT uten magnetfelt har større diameter i bunter og større individuell diameter, som er konsistent med analysen av Raman spektrum. Også det magnetiske feltet can resultat i SWCNT med høyere renhet vist i figur 2a og 2b.
Det mest interessante påvirkning av magnetiske felt er at graphene flakes kan fås fra overflaten av avsetning flak som ligger nær molybden ark i samme prosess. Figur 2c og 2d vise SEM og TEM bilder av graphene flak, så vel som noen- layer graphene hentet fra prøven tatt på stedet tilsvarte bue plasmaer jetfly. Det innfelte av Figur 2d viser elektronene diffraksjon mønsteret knyttet til graphene. Den sekskantede prikker mønster av elektrondiffraksjon presenterer bevis for velordnet krystallstrukturer.
Raman spektrum er et kraftig verktøy for karakterisering av graphene flak og SWCNT. Den typiske topper observert i graphene er G-og 2D-topper på ~ 1600 cm -1 og ~ 2700 cm -1 henholdsvis bruker eksitasjon bølgelengde på 514 nm. Gpeak stammer fra i plan vibrasjoner som kan observeres i alle SP2 karbonmaterialer. 2D-peak er et annet rekkefølgen på D peak men er sett selv i ikke uordnede systemer, på grunn av den fjerde orden fonon momentum utveksle dobbel resonans prosess. Det spiller en avgjørende rolle i karakterisering av graphene. Intensiteten I (2D) / I (G) er ca 4 for monolayer graphene og avtar med tillegg av etterfølgende lag, og dermed gjør det mulig å estimere tykkelsen på graphene lagene. 11 Figur 3 viser at verdien av I (2D) / I (G) er rundt en, som kan være bevis av få lag graphene. Den radielle puste modus (RBM) mellom 120 og 350 cm -1 i Raman spekteret kan brukes til å identifisere nanorør diameter gjennom sammenhengende vibrasjon hyppigheten av C atomer i radial retning. Den eksperimentelle forhold mellom frekvens og SWCNT diameter er ω RBM = A / D t + B, der parametrene of A og B lik 234 og 10 cm -1, henholdsvis for den typiske SWCNT dannet i bunter. Fra Figur 3, RBM frekvenser av SWCNT uten og med magnetfelt er 163,8 og 215,2 cm -1, tilsvarer den gjennomsnittlige individuelle SWCNT diameter på 1,52 og 1,14 nm, henholdsvis.
Figur 1. Fordeling av magnetiske felt simulert av FEMM 4.2 programvare (a), fotografi av arc plasmaer jet fra høyre viewport (b), skjematisk diagram av elektroder posisjon og retning magnetfelt i gapet for saken når interelectrode gapet er posisjonert ca 75 mm over bunnen av permanent magnet (c), og bilde av buen plasmaer jet fra fronten viewport (d).
Figur 2. Representative TEM bilde av som-syntetisertSWCNT bunter uten magnetfelt (a) og SWCNT bunter med magnetisk felt (b), typisk SEM bilde av graphene flak syntetisert med magnetisk felt (c), og TEM bilde av graphene med magnetfelt. Innfelt er det valgte området elektrondiffraksjon mønster som viser krystallstrukturen av graphene.
Figur 3. Raman spekteret av prøvene med magnetfelt i størrelsesorden 100-3100 cm -1. Innfelt: Raman spekteret av prøvene uten magnetfelt rundt RBM frekvenser.
Figur 4. Nanostrukturen vekstregion og antall tetthet av karbon og nikkel for bue av 60 A. Merk at tettheter av karbon og nikkel er vist på venstre og høyre side av elektroder, sameksistere i samme region.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I videoen øyeblikksbilder vist i Figur 1b og 1d, for saken at interelectrode gapet var plassert på avstand av ca h = 75 mm fra bunnen av permanent magnet, bør det bemerkes at endring av magnet posisjon (vi testet magnet shift langs z-aksen og snu magnet over) resulterer i avvik fra bue jet flyt i x-retning tilsvarende retning av J × B kraft illustrert i figur 1c. Det ble også observert at geometrien arc plasma kolonnen ikke endre ved å fjerne nikkel katalysator fra anoden. Dette betyr at påvirkning av magnetiske felt på nikkel katalysator partikler motion ikke påvirke den generelle geometrien i plasma kolonnen. Vi kan kontrollere distribusjonen av magnetfelt ved å endre plassering av permanent magnet, og consequentially veksten regionen karbon nanostrukturer kan lett manipuleres ifølge J × B retning. SWCNT og graphene flak er samted i de ulike områdene, og dermed separasjon er mulig 8.
Den plasmaer jet generert ved bruk av magnetiske felt spiller en viktig rolle under graphene syntese prosessen i at det kan introdusere varmen og sublimert karbon partikler fra anoden til J × B retning direkte. Den plasmaer jet kan konsentrere tettheten av buen plasma og styrer effektiv levering av karbon ion partikler i bue plasma, og i sin tur, for å forbedre produksjonseffektiviteten av karbon nanostrukturer. I tillegg til eksperimenter, kan numeriske simuleringer utføres for å oppnå den temperaturen og arter distribusjon inne i plasma jet, som er veldig vanskelig å måle direkte. Fra distribusjon av ulike parametere i plasma, kan man få mer innsikt i vekst mekanisme og plassering av nanostrukturen formasjon. For eksempel gjennomførte simuleringer uten ytre magnetfelt (figur 4)viste at, ligger den sannsynlige regionen av nanostrukturer vekst basert på rotvekst mekanismen, altså karbon adatoms siver gjennom katalysator klynger, like utenfor arc-regionen, hvor temperaturene er egnet for nikkel cluster vekst. Figuren viser vekst i regionen skissert av isotermer tilsvarende utbruddet av nikkel nukleasjon (2500 K, indre) og størkning av klynger (1000k, ytre), med antall tettheter av nikkel og karbon i bakgrunnen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av NSF / DOE Partnership i Plasma Science and Technology (NSF Grant nr. CBET-0853777 og DOE Grant nr. DE-SC0001169), STTR Fase I prosjektet (NSF STTR FASE I No.1010133). Forfatterne ønsker å takke PPPL Ekstern Research Program støttet av Office of Fusion Energy Sciences for å støtte arc eksperimenter.
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).
