Summary
Анодное дугового разряда является одним из наиболее практичных и эффективных методов для синтеза различных наноструктур углерода. Для повышения управляемости и гибкости дуги, неоднородное магнитное поле было введено для обработки одностадийного синтеза крупных хлопьев и графена высокой чистоты однослойных углеродных нанотрубок.
Abstract
Углеродные наноструктуры, такие как одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) и графена привлечь наводнение интерес ученых в настоящее время из-за их очень перспективным приложением для молекулярных сенсоров, полевой транзистор и супер тонких и гибких электронных устройств 1-4. Анодное дугового разряда поддерживается эрозией материала анода является одним из наиболее практичных и эффективных методов, которые могут предоставить конкретные неравновесных процессов и высокий приток углеродного материала, чтобы развивающиеся структуры при относительно высокой температуре, и, следовательно, как- синтезированные продукты имеют несколько структурных дефектов и лучше кристалличности.
Для дальнейшего улучшения управляемости и гибкости синтез углеродных наноструктур в дуговой разряд, магнитные поля могут быть применены во время процесса синтеза в соответствии с сильным магнитным ответы дуги плазмы. Было показано, что магнитно-расширение дуги ДишARGE может увеличить среднюю продолжительность ОУНТ 5, узкий диаметр распределения металлических частиц катализатора и углеродных нанотрубок, 6, и изменить соотношение металлических и полупроводниковых нанотрубок 7, а также привести к графена синтеза 8.
Кроме того, стоит заметить, что когда мы вводим неоднородном магнитном поле с компонентом нормально тока в дуге, сила Лоренца вдоль J × B направлении может генерировать струи плазмы и сделать эффективной доставки частиц ионов углерода и теплового потока на образцы. В результате, крупные хлопья графена и высокой чистоты однослойных углеродных нанотрубок одновременно, порожденные такими новый магнитно-расширенной анодной методом. Дуга с изображениями, сканирующего электронного микроскопа (SEM), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и спектроскопии комбинационного рассеяния света были использованы для анализа характеристик углеродных наноструктур. Эти данные указывают наШирокий спектр возможностей манипулировать свойства наноструктур производится в плазме путем управления дуги условиях.
Protocol
1. Анодный подготовки
- Шкала порошка никеля (99,8%, 300 меш) и иттрия порошка (99,9%, 40 меш) в соответствии с молярной радио 4.2:1 в виде порошка катализатора.
- Смешайте порошок катализатор с графитовым порошком (99,9995%, 200 ячеек) очень хорошо. Заполните смешанный порошок в полые графитовый стержень (5 мм наружный диаметр, 2,5 мм и внутренним диаметром 75 мм длиной) твердо. Убедитесь, что общая молярная радио C: Ni: Y анодного стержня 94.8:4.2:1, что оптимальное соотношение для синтеза ОУНТ 9.
- Установить катодного стержня (чистого графита, 13 мм в диаметре) и фаршированные стержень анода внутри цилиндрической камеры (из нержавеющей стали, 152 мм и 254 мм длиной). Отрегулируйте зазор между катодом и анодом около 3 мм.
2. Субстрат установки
- Место кубовидной постоянный магнит (25 мм х 25 мм х 100 мм) внутри камеры составляет около 25 мм, расстояние от межэлектродного оси. Сверхвысокой-Temp Alnico магнит использованв эксперименте имеет вес 650 граммов. Использование конфигурации при межэлектродном зазоре находится на расстоянии около Н = 75 мм (рис. 1а) из нижней части постоянного магнита.
- Отрежьте 0,3 мм толщины листа молибдена (99,95%), а 25 мм × 100 мм, прямоугольной формы. Удаление поверхностных загрязнений ультразвуковыми dismembrator в ацетоне и этаноле в течение 30 мин с 50% sonicating амплитуды, 150 Вт выходной мощности и частоте 40 кГц.
- Установить молибдена лист присоединения одной стороны постоянного магнита, и превратить эту сторону по отношению к электродам.
- Мера магнитного поля в межэлектродном промежутке от измеритель магнитной индукции. Держите среднего магнитного поля между электродами составляет около 0,06 т.
3. Зажигание дуги плазмы
- Откачка цилиндрической камере с давлением менее 10 -1 Торр вакуум, а затем заполнить его с гелием (99,995%) до 500 Торр.
- Подключите электроды к дуге постоянного тока weldiнг питания и установить блок питания на дуге ток около 75 А.
- Запись в реальном времени значения тока дуги, напряжение дуги и давление в камере для пост-эксперимент анализа.
- Начало видео горения дуги справа и спереди окнах двумя цифровыми камерами одновременно. Снимки после 1 секунды дуги, начиная показаны на рисунке 1b (с правом просмотра) и Рис 1d (из вида спереди).
- Запуск дуги в течение 15 секунд. Охладить камеру путем естественной конвекции, по крайней мере 20 минут.
4. После синтеза Анализ и характеристика
- Используйте пинцет, чтобы оторвать осаждения чешуйчатого с поверхности молибдена лист, где струя плазмы дуги была направлена. Еще один пример собирается с черным воротником из катода. Обратите внимание на морфологию обе стороны осаждения чешуйчатого под SEM (ускоряющее напряжение 30 кВ был использован).
- Что касается подготовки проб для ПЭМ анализа, тонких пленок образцов были получены за каплей литья приостановлении метанол-дисперсионные ОУНТ растворе после sonicating в течение 60 минут с использованием ультразвуковых dismembrator с 50% sonicating амплитуды. Обратите внимание на морфологию пленок под JEOL TEM с напряжением 100 кВ после испарения раствора метанола. Для позиции интересов в образце, электронной дифракционной картины может быть получена с длиной CCD камеры 50 см связанных с ТЕА.
- Спектроскопии комбинационного рассеяния света проводилось на микро-комбинационного система, основанная на 200 мВт Lexel 3000 Ar ионного лазера (перестраиваемый один выход линия), с голографической оптики, 0,5 м спектрометра и жидкий азот, охлажденный CCD детектора; длиной волны 514 нм, которая соответствует энергией 2,33 эВ. Комбинационного измерения покрыты диапазоне от 100 см -1 до 3100 см -1, и были проведены на поверхности графена хлопья.
5. Представитель Результаты
"> Видео снимки, полученные одновременно справа и спереди окнах палаты показаны на рисунке 1b, г при Н = 75 мм. Эти изображения иллюстрируют значительные возмущения плазменного столба дуги в присутствии внешнего магнитного поля по сравнению с аксиально-симметричным столба дуги наблюдается и в случае без магнитного поля 10.На рисунке 2а и 2б дисплей типичная морфология ОУНТ и катализатора частиц, собранных на воротнике катода без магнитного поля и магнитного поля B = 0,06 Тл под ТЕМ, соответственно. Видно, что ОУНТ с магнитным полем плотноупакованных в жгуты диаметром от 2 до 20 нм из-за Ван-дер-Ваальса взаимодействия между отдельными ОУНТ. Для сравнения, ОУНТ без магнитного поля имеют больший диаметр в пучки и крупные отдельные диаметра, что согласуется с анализом спектра комбинационного рассеяния. Кроме того, магнитное поле околон привести к ОУНТ с более высокой чистоты показано на рис 2а и 2б.
Наиболее интересные влиянием магнитного поля, что графен хлопья могут быть получены с поверхности осаждения хлопьев, близкий к молибдена листе в одном процессе. Рис. 2 и 2-шоу РЭМ и ПЭМ-изображения графена хлопьев, а также несколько- слой графена получен из образца, принятые на расположение соответствовало дуги плазмы струй. Вставку на рис 2d показывает картину дифракции электронов связана с графена. Гексагональной структуры точками дифракции электронов представляет доказательства вполне упорядоченных кристаллических структур.
Спектра комбинационного рассеяния является мощным инструментом для определения характеристик графена хлопья и ОУНТ. Типичные пиков, наблюдаемых в графене G-и 2D-пики при ~ 1600 см -1 и ~ 2700 см -1, соответственно, с использованием длины волны возбуждения 514 нм. Gпик обусловлен в плоскости колебаний, которые можно наблюдать во всех материалах sp2 углерода. 2D-пик второго порядка пик D, но видно даже в не неупорядоченных систем, из-за четвертого порядка фонон обмен импульсом двойного резонанса процесса. Она играет важную роль в характеристике графена. Интенсивностью I (2D) / I (G) составляет примерно 4 для монослоя графена и уменьшается с добавлением последующих слоев, что позволяет оценить толщину слоев графена. 11 Рисунок 3 показывает, что значение I (2D) / I (G) составляет около 1, которые могут быть доказательством нескольких слоев графена. Радиальной дышащей моды (УКР) между 120 и 350 см -1 в спектре комбинационного рассеяния могут быть использованы для идентификации нанотрубок диаметром через когерентные частоты колебаний атомов C в радиальном направлении. Экспериментальная зависимость между частотой и ОУНТ диаметром ω = УКР / д Т + В, где параметров аF и B равны 234 и 10 см -1, соответственно, для типичного ОУНТ формируются в пучки. На рисунке 3, УОР частоты ОУНТ без и с магнитным полем 163,8 и 215,2 см -1, что соответствует средней индивидуальной диаметра ОУНТ в 1,52 и 1,14 нм, соответственно.
Рисунок 1. Распределение магнитного поля моделируется FEMM 4,2 программное обеспечение (), фотографии струи плазмы дуги с правого окна (б), схема электродов положение и направление магнитного поля в зазоре для случая, когда межэлектродном промежутке позиционируется около 75 мм над нижней части постоянного магнита (с), и фотографию дуги плазмы струи из вида спереди (г).
Рисунок 2. Представителю ПЭМ-изображение, как синтезированныйОУНТ расслоениях без магнитного поля (а) и ОУНТ пучков с магнитным полем (б), типичный образ SEM графена хлопья синтезированы с магнитным полем (с) и ПЭМ-изображение графена с магнитным полем. Врезка в выбранной области электронного дифракционной картины показывает кристаллическую структуру графена.
Рисунок 3. Спектре КРС образцов с магнитным полем в диапазоне от 100 до 3100 см -1. На вставке: спектр КРС образцов без магнитного поля вокруг УКР частот.
Рисунок 4. Наноструктур области роста и плотность углерода и никеля для дуги 60 А. Отметим, что плотность углерода и никеля показано на левой и правой части электродов, сосуществовать в том же регионе.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В видео снимков показаны на рис 1b и 1d, в том случае, межэлектродного зазора был помещен на расстоянии около Н = 75 мм от нижней части постоянного магнита, следует отметить, что изменение позиции магнитом (мы тестировали магнит сдвиг вдоль оси и поворот магнит), приводит к отклонению дуги струйного течения в х-направлении, соответствующем направлению J × B силы показано на рисунке 1c. Было также отмечено, что геометрия плазмы столба дуги не изменилась, удалив никелевого катализатора от анода. Это означает, что влияние магнитного поля на никель движение частиц катализатора не влияет на общую геометрию плазменного столба. Мы можем контролировать распределение магнитного поля путем изменения положения постоянного магнита, и вследствие этого роста региона углеродных наноструктур можно легко манипулировать в зависимости от направления J × B. ОУНТ и графена хлопья сборТед в различных областях, таким образом, разделение возможно 8.
Струи плазмы, генерируемых приложением магнитного поля играет важную роль в процессе синтеза графена в том, что он может ввести тепло и сублимированных частиц углерода от анода к J × B направлении прямо. Струи плазмы может сосредоточиться плотность плазменной дуги и управлять эффективной доставки частиц углерода ионов в плазменной дуги, и, в свою очередь, повысить эффективность производства углеродных наноструктур. Кроме экспериментов, численное моделирование может быть осуществлено для получения температуры и вида распределения внутри плазменной струи, что очень трудно измерить непосредственно. Из распределения различных параметров плазмы, можно получить более глубокое представление о механизме роста и месте формирования наноструктур. Например, моделирование осуществляется без внешнего магнитного поля (рис. 4)показал, что, вероятно области роста наноструктур на основе роста корней механизм, то есть углерод адатомов просачиваются через катализатор кластеров, находится вне области дуги, где температуры пригодны для роста кластеров никеля. На рисунке показан рост области, выделенных изотерм соответствующее началу никеля зарождения (2500 К, внутренний) и затвердевания кластеров (1000K, внешние), с номером плотности никеля и углерода в фоновом режиме.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана NSF / DOE партнерства в плазме науки и техники (NSF грант № конбет-0853777 и DOE грант № DE-SC0001169), STTR Фазы I проекта (NSF STTR ЭТАП I No.1010133). Авторы хотели бы поблагодарить PPPL Выездные программы исследований при поддержке Управления по термоядерной энергии наук за поддержку дуги экспериментов.
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).
