Summary
양극 아크 방전은 다양한 탄소 nanostructures를 합성하기위한 가장 실용적이고 효율적인 방법 중 하나입니다. 아크 controllability과 유연성을 향상시키기 위해 비 균일한 자기장은 대규모 graphene 프레 이크와 고순도 단일 벽의 탄소 나노튜브의 한 단계로 합성을 처리하기 위해 도입되었습니다.
Abstract
이러한 단일 벽의 탄소 나노튜브 (SWCNT) 및 graphene 같은 탄소 nanostructures는 분자 센서, 전계 효과 트랜지스터 및 슈퍼 얇고 유연한 전자 장치 1-4 위해 매우 유망한 응용 프로그램으로 인해 오늘날 학자들의 관심의 홍수를 유치. 양극 재료의 침식에 의해 지원 양극 아크 방전은 비교적 높은 온도에서 개발 구조에 특정 비 평형 프로세스와 탄소 소재의 높은 유입을 제공할 수있는 가장 실용적이고 효율적인 방법 중 하나를, 그리고 따라서는 AS - 합성 제품은 몇 가지 구조적 결함과 더 결정화 있습니다.
을 추가로 아크 방전에 탄소 nanostructures의 합성의 controllability과 유연성을 향상시키고, 자기 필드는 아크 plasmas의 강한 자기 응답에 따라 합성 과정에서 적용할 수 있습니다. 그것은 보여주 것을 자기 (磁 气) 향상된 아크 discharge는뿐만 아니라 graphene 합성 8 리드, SWCNT 5의 평균 길이를 증가 금속 촉매 입자와 탄소 나노튜브 6 직경 분포 범위를 좁히려하고, 금속의 비율 및 semiconducting 탄소 나노튜브 7 변경할 수 있습니다.
또한, 우리가 아크에서 현재에 정상적인 구성 요소와 비 균일한 자기장을 소개하면 J × B 방향 따라 로렌츠 힘은 plasmas 제트를 생성 및 탄소 이온 입자의 효과적인 전달을 만들 수있다는 발언에 가치가있다 샘플로 열유속. 그 결과, 대규모 graphene 프레 이크와 고순도 단일 벽의 탄소 나노튜브가 동시에 같은 새로운 자기 (磁 气) 향상된 양극 아크 방식에 의해 생성되었습니다. 전자 현미경 (SEM)을 스캔 아크 이미징은, 전송 전자 현미경 (TEM)과 라만 분광는 탄소 nanostructures의 특성을 분석하기 위해 고용되었다. 이러한 연구 결과는을 나타냅니다기회의 넓은 스펙트럼은 아크 조건을 제어하는 방법으로 plasmas에서 생산 nanostructures의 속성과 조작합니다.
Protocol
1. 양극 준비
- 규모 니켈 분말 (99.8 %, 300 메쉬) 및 촉매 분말로 4.2:1의 어금니 라디오에 따라 이트륨 파우더 (99.9 %, 40 메쉬).
- 잘 흑연 분말과 촉매 분말 (99.9995 %, 200 메쉬)를 섞는다. 단단히 중공 흑연 막대 (5mm 외경, 2.5 mm 내경과 75mm의 길이)로 혼합 분말을 입력합니다. 니켈 : : C의 총 질량 라디오 있는지 확인합니다 Y 양극로드에이 94.8:4.2:1이며, 이는 SWCNT 9 합성하는 최적의 비율입니다.
- 음극로드 (순수 흑연, 13mm 직경)와 원통 챔버 내부의 인형 양극 봉 (스테인레스 스틸, 152mm의 직경 254mm의 길이)을 설치합니다. 약 3 mm까지 음극과 양극 사이의 간격 거리를 조정합니다.
2. 기판 설치
- interelectrode 축에서 약 25mm 거리에서 챔버 내부 입방 형의 영구 자석 (25mm × 25mm × 100mm)을 넣으십시오. 사용하는 울트라 - 하이 온도 Alnico 자석실험에 650g의 무게가 있습니다. interelectrode 격차는 영구 자석의 바닥에서 H = 약 75mm (그림 1A)의 거리에 배치되는 구성을 사용합니다.
- 25mm로 0.3 mm 두께의 몰리브덴 시트 (99.95 %) × 100mm 직사각형 모양을 잘라. 50% sonicating 진폭, 150w 출력 전력 40 kHz에서 주파수 30 분 아세톤과 에탄올의 초음파 dismembrator에 의한 표면 오염을 제거합니다.
- 영구 자석의 한쪽을 부착 몰리브덴 시트를 설치하고 전극 방향이 측면을 켜십시오.
- 가우스 미터로 interelectrode 간격에서 자기장을 측정합니다. 전극 사이의 평균 자기장은 0.06에 대한 T.입니다 보관
3. 아크 플라즈마의 점화
- 압력 이하 10 -1 토르 진공 그리고 헬륨 (99.995 %)로 가득 차 500 토르에 원통형 챔버를 펌프.
- DC weldi하는 아크 전극을 연결NG 전원 공급 장치와 약 75 A. 현재의 아크에있는 전원 공급 장치를 설정
- 아크 전류, 아크 전압 및 사후 실험 분석을 위해 챔버 압력의 실시간 값을 기록합니다.
- 동시에이 디지털 카메라로 오른쪽 앞 viewports에서 arcing의 비디오를 시작합니다. 시작 아크의 일초 후 스냅샷은 (앞면 뷰포트에서) 그림 1B에 표시된 (오른쪽에서 뷰포트)와 그림 1D 있습니다.
- 15 초간 아크를 실행합니다. 최소한 20 분 동안 자연 대류에 의해 챔버를 시원한 시간을 보내세요.
4. 포스트 합성 분석 및 특성화
- 아크 plasmas 제트가 감독했다 몰리브덴 시트의 표면에서 증착 플레이크을 찢을에 핀셋을 사용합니다. 또 다른 예제는 음극의 블랙 칼라에서 수집됩니다. SEM에 따라 증착 플레이크의 양쪽의 형태 (KV가 사용된 30 가속 전압)을 관찰합니다.
- 에 대한 샘플 준비에 대해서 TEM 분석, 시료의 박막은 50 % 진폭을 sonicating와 초음파 dismembrator를 사용하여 60 분 sonicating 후 메탄올 - 분산된 SWCNT 솔루션의 중지를 캐스팅 드롭하여 얻은했다. 메탄올 용액의 휘발 후 100 KV의 전압과 JEOL TEM에 따라 박막의 형태를 관찰. 샘플에 대한 관심의 위치 들면, 전자 회절 패턴은 TEM과 관련된 50cm의 CCD 카메라 길이 얻을 수 있습니다.
- 파장 514 nm의에 해당하는, 라만 분광법은 홀로그램 광학과 200 MW Lexel 3000 아르곤 이온 레이저 (조정할 수있는 하나의 라인 출력), 0.5 m 분광계와 액체 질소 CCD 검출기를 냉각을 기반으로하는 마이크로 라만 시스템에서 수행되었습니다 2.33 EV 에너지. 라만 측정은 100cm -1 3,100cm -1의 범위를 커버하고, graphene 조각의 표면에 실시했다.
5. 대표 결과
"챔버의 오른쪽 앞에 viewports에서 동시에 얻은> 비디오 스냅샷은 그림 1B로 표시됩니다, H에 대한 D = 75mm. 이러한 이미지 axially 대칭 아크 열에 비해 외부 자기장의 존재에 아크 플라즈마 열 상당한 섭동을 보여주는 자기장 10없는 경우에는 관찰했다.그림 2A와 2B는 각각, 자계하지 않고 음극의 옷깃과 TEM에 따라 B = 0.06 테슬라의 자장과 수집 SWCNT와 촉매 입자의 전형적인 형태를 표시합니다. 그것은 자장과 SWCNT가 2-20 nm의 인해 각각의 SWCNT 사이의 반 데어 Waals 상호 작용에 이르기까지 직경과 함께 번들로 근접 포장 것을 볼 수 있습니다. 비교에서, 자기장없이 SWCNT는 번들에 더 큰 직경과 라만 스펙트럼의 분석과 일치 큰 개인 직경을 보유하고 있습니다. 또한, 자장 CA그림 2A와 2B와 같이 높은 순도와 SWCNT의 N 결과.
자기장의 가장 흥미로운 영향력은 graphene 조각은 동일한 프로세스에서 몰리브덴 시트에 가까운 증착 조각의 표면에서 얻을 수 있습니다. 그림 2C와 2D의 SEM 및 TEM graphene 조각의 이미지뿐만 아니라 몇 가지 -을 보여 위치에서 찍은 샘플에서 얻은 계층 graphene은 아크 plasmas의 제트로 통신을. 그림 2D의 삽입은 graphene과 관련된 전자 회절 패턴을 보여줍니다. 전자 회절의 육각 점들의 패턴을 잘 주문한 크리스탈 구조의 증거를 제공합니다.
라만 스펙트럼은 graphene 부스러기 SWCNT의 특성위한 강력한 도구입니다. graphene에서 관찰 전형적인 봉우리 514 NM의 여기 파장을 사용하여, ~ 1,600센티미터 -1과 -1 각각 ~ 2천7백cm에서 G와 2D 봉우리입니다. G피크는 모든 SP2 탄소 자료 볼 수 있습니다 비행기 진동에 때문이다. 2D 정상은 D 피크의 두 번째 순서는 그러나 네 번째 주문 phonon의 운동량 교환 이중 공명 과정으로 인해 무질서가 아닌 시스템에서 볼 수 있습니다. 그것은 graphene의 특성에 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 강도 I (2D) / 전 (G) 약 4 monolayer의 graphene위한 것이며 후속 레이어의 추가와 감소, 따라서 그것이 가능한 graphene 레이어의 두께를 추정하고 있습니다. 11 그림 3은 나타냅니다 I의 가치 (2D) / I (G)는 몇 가지 레이어 graphene의 증거가 될 수있는 1 주위이다. 120과 라만 스펙트럼 -1 350cm 사이의 레이디얼 호흡 모드 (RBM)는 요골 방향으로 C 원자의 일관된 진동 주파수를 통해 나노튜브의 직경을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 주파수 및 SWCNT의 직경 사이의 실험적 관계 ω RBM입니다 = A / D t + B, 매개 변수 O묶음으로 형성된 전형적인 SWCNT에 대한 각각 F와 234와 10cm -1 동일 B,. 그림 3에서없이 자장과 SWCNT의 RBM 주파수가 1.52과 1.14 nm의의 평균 개별 SWCNT의 직경에 해당하는 163.8 및 215.2 cm -1, 각각 있습니다.
그림 1. FEMM 4.2 소프트웨어로 시뮬레이션 자계 분포 (A), 오른쪽 뷰포트 (B), interelectrode 격차가 위치하는 경우에 대한 간격의 전극 위치 및 방향을 자기장의 개략도 그림에서 아크 plasmas 제트의 사진 75 영구 자석 (C)의 하단 위에서 mm와 정면 뷰포트 (D)에서 아크 plasmas 제트의 사진에 대해서.
그림 2.로서의 합성의 대표 TEM 이미지자기장없이 SWCNT 묶음 (A)과 자기장 (B), 자계 (C) 및 자장과 graphene의 TEM 이미지와 합성 graphene 조각의 전형적인 SEM 이미지와 SWCNT 묶음. 삽입은 graphene의 결정 구조를 보여주는 선택된 지역 전자 회절 패턴이다.
그림 3. 100-3,100센티미터 -1의 범위에 자장과 샘플 라만 스펙트럼. 삽입 : RBM 주파수 주위에 자기장없이 샘플 라만 스펙트럼.
그림 4. 전극의 왼쪽과 오른쪽에 표시된 탄소와 니켈의 밀도가 같은 지역에서 공존할되는 60 A. 참고 아크에 대한 탄소와 니켈의 Nanostructure 성장 지역 및 번호 밀도.
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Discussion
interelectrode 격차는 영구 자석의 하단에서 약 H = 75mm의 거리에 배치했다는 사건에 대해, 그림 1B와 1D에 표시된 비디오 스냅샷에서, 그것은 자석 위치 변경 (우리는 자석의 변화를 테스트 점을 지적해야합니다 그림 1C에서 그림 J × B의 힘을 방향에 해당하는 X - 방향으로 아크 제트 흐름의 편차로 Z 축 이상 자석을 회전) 결과 따라. 또한 아크 플라즈마 칼럼의 기하학은 양극에서 니켈 촉매를 제거하여 변경하지 않은 것이 관찰되었다. 이것은 니켈 촉매 입자 운동에 대한 자기장의 영향이 플라즈마 열의 전반적인 기하학에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미합니다. 우리는 영구 자석의 위치를 변경하여 자기장의 분포를 제어할 수 있으며, consequentially 탄소 nanostructures의 성장 지역은 쉽게 J × B의 방향에 따라 조정할 수있어. SWCNT와 graphene 조각은 collec 아르다른 영역에서 테드, 따라서 분리는 8 수 있습니다.
자기 분야의 응용 프로그램에 의해 생성된 plasmas 제트는 J × B 방향으로 직접 양극에서 더위와 승화 탄소 입자를 소개 수있는 graphene 합성 과정에서 중요한 역할을합니다. plasmas 제트는 아크 플라즈마의 밀도를 집중하고 아크 플라즈마에 탄소 이온 입자의 효과적인 전달을 통제하고, 차례로, 탄소 nanostructures의 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다. 실험뿐만 아니라, 수치 시뮬레이션 직접 측정하는 것은 매우 어렵습니다 플라즈마 제트, 내부의 온도와 종 분포를 얻을 진행하실 수 있습니다. 플라즈마의 다양한 매개 변수의 분포에서 하나는 성장 메커니즘 및 nanostructure 형성의 위치에 더 많은 통찰력을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 시뮬레이션은 외부 자장 (그림 4)없이 수행그것을 보여주 루트 성장 메카니즘, 촉매 클러스터를 통해 즉, 탄소 adatoms의 침투에 따라 nanostructures 성장의 가능성 지역은 온도가 니켈 클러스터의 성장에 적합 밖에 아크 지역을 자리잡고 있습니다. 그림은 백그라운드에서 니켈과 탄소의 개수 밀도와 클러스터의 니켈 핵의 증상 (2,500 K, 내부)과 응고 (1000K, 외부)에 해당하는 등온선에 의해 명시된 성장 영역을 보여줍니다.
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Disclosures
우리는 공개 아무것도 없어.
Acknowledgments
이 작품은 플라즈마 과학 기술의 NSF / DOE 파트너에 의해 지원되었다 (NSF 그랜트 번호 CBET - 0853777 및 DOE 그랜트 번호 DE - SC0001169), STTR 단계 I 프로젝트 (NSF STTR PHASE I No.1010133). 저자는 아크 실험을 지원하는 퓨전 에너지 과학의 사무실에 의해 지원되는 PPPL 오프 사이트 연구 프로그램을 감사드립니다.
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
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