Summary
Scarica ad arco anodica è uno dei metodi più pratico ed efficace per sintetizzare diverse nanostrutture di carbonio. Per aumentare la controllabilità arco e la flessibilità, non uniforme campo magnetico è stato introdotto per elaborare la sintesi di uno stadio di grandi fiocchi di grafene e nanotubi di carbonio ad alta purezza a parete singola.
Abstract
Nanostrutture di carbonio, come nanotubi a parete singola carbonio (SWCNT) e grafene attrarre un diluvio di interesse degli studiosi oggi a causa della loro applicazione molto promettente per sensori molecolari, transistor ad effetto di campo e super sottile e flessibile dispositivi elettronici 1-4. Scarica ad arco anodico sostenuto dalla erosione del materiale anodo è uno dei metodi più pratici ed efficienti, in grado di fornire specifiche non-equilibrio dei processi e un afflusso elevato di materiale di carbonio per le strutture in via di sviluppo a temperatura relativamente più elevati, e di conseguenza l'as- prodotti di sintesi hanno pochi difetti strutturali e una migliore cristallinità.
Per migliorare ulteriormente la controllabilità e la flessibilità della sintesi di nanostrutture di carbonio a scarica ad arco, i campi magnetici possono essere applicati durante il processo di sintesi in base alle risposte forti magnetico di plasmi ad arco. E 'stato dimostrato che la magneticamente avanzata arco dischARGE può aumentare la durata media del SWCNT 5, stretta distribuzione del diametro delle particelle di catalizzatore metallico e nanotubi di carbonio 6, e cambiare il rapporto tra metallici e nanotubi di carbonio semiconduttori 7, così come portare a sintesi grafene 8.
Inoltre, vale la pena far notare che quando si introduce una non uniforme campo magnetico con la componente normale alla corrente di arco, la forza di Lorentz lungo la direzione di J × B in grado di generare il getto di plasma e rendere efficace erogazione di particelle di ioni carbonio e flusso di calore ai campioni. Di conseguenza, su larga scala fiocchi di grafene e nanotubi di carbonio ad alta purezza a parete singola sono state generate simultaneamente da tale nuovo metodo di magneticamente avanzata arco anodica. Arco di imaging, microscopio elettronico a scansione (SEM), la trasmissione microscopio elettronico (TEM) e spettroscopia Raman sono stati impiegati per analizzare la caratterizzazione di nanostrutture di carbonio. Questi risultati indicano unaampio spettro di opportunità di manipolare con le proprietà di nanostrutture prodotte in plasmi per mezzo di controllo delle condizioni di arco.
Protocol
1. Preparazione anodo
- Nichel in polvere scala (99,8%, 300 maglie) e ittrio in polvere (99,9%, 40 mesh) secondo la radio molare di 4,2:1 in polvere catalizzatore.
- Miscelare la polvere catalizzatore con polvere di grafite (99,9995%, 200 mesh) molto bene. Riempire la polvere miscelato in asta di grafite cavo (5 mm di diametro esterno, 2,5 mm di diametro interno e 75 mm di lunghezza) con decisione. Assicurarsi che la radio totale molare di C: Ni: S in asta anodo è 94.8:4.2:1, che è il rapporto ottimale di sintetizzare SWCNT 9.
- Installare catodo asta (grafite pura, 13 mm di diametro) e l'asta anodo ripieno all'interno della camera cilindrica (acciaio inox, 152 mm di diametro e 254 mm di lunghezza). Regolare la distanza divario tra catodo e anodo di circa 3 mm.
2. Substrato di setup
- Mettere un magnete permanente parallelepipedo (25 mm × 25 mm × 100 mm) all'interno della camera di circa 25 mm di distanza dall'asse interelettrodica. L'Ultra-High-Temp Alnico magnete utilizzatonell'esperimento ha il peso di 650 grammi. Utilizzare la configurazione quando il divario interelettrodica è posto alla distanza di circa h = 75 mm (Figura 1a) dal fondo del magnete permanente.
- Tagliare il spessore 0,3 mm Scheda di molibdeno (99,95%) come la mm 25 × 100 mm forma rettangolare. Eliminare la contaminazione superficiale da dismembrator ultrasuoni in acetone ed etanolo per 30 minuti con ampiezza del 50% sonicating, 150 w di potenza e 40 kHz.
- Installare foglio molibdeno allegando un lato del magnete permanente, e trasformare questo lato verso elettrodi.
- Misurare il campo magnetico nel vuoto da un interelettrodica Gauss-metro. Tenere il campo magnetico media tra gli elettrodi è di circa 0,06 T.
3. Accensione del plasma
- Pompa lungo la camera cilindrica a pressione inferiore a 10 -1 Torr a vuoto e poi riempito con elio (99,995%) a 500 Torr.
- Collegare gli elettrodi dell'arco di CC welding alimentazione e impostare l'alimentazione a corrente arco di circa 75 A.
- Registra in tempo reale i valori di arco di corrente, tensione d'arco e la pressione della camera di post-esperimento di analisi.
- Avviare il video di un arco da finestre a destra e frontale da due macchine fotografiche digitali contemporaneamente. Le istantanee dopo 1 secondo d'arco di partenza sono mostrati in figura 1b (dalla finestra di destra) e Figura 1d (vista da davanti).
- Eseguire l'arco per 15 secondi. Raffreddare camera per convezione naturale per almeno 20 minuti.
4. Post-sintesi l'analisi e la caratterizzazione
- Utilizzare pinzette per strappare il fiocco deposizione dalla superficie del foglio molibdeno, dove era diretto il getto dell'arco plasma. Un altro campione viene raccolto dal collare nero di catodo. Osservare la morfologia di entrambi i lati del fiocco di deposizione sotto SEM (tensione di accelerazione di 30 KV è stato utilizzato).
- Per quanto riguarda la preparazione del campione per TEM analisi, i film sottili di campione sono stati ottenuti a goccia colata una sospensione di metanolo-dispersi soluzione SWCNT dopo sonicating per 60 minuti usando dismembrator ad ultrasuoni con il 50% sonicating ampiezza. Osservare la morfologia del film sottile sotto JEOL TEM con la tensione di 100 KV dopo la volatilizzazione della soluzione di metanolo. Per la posizione di interesse nel campione, pattern di diffrazione di elettroni può essere ottenuto con la lunghezza camera CCD di 50 cm associati TEM.
- Spettroscopia Raman è stata effettuata su un micro-Raman sistema basato su un 200 mW Lexel 3000 Ar laser a ioni (sintonizzabile uscita singola linea), con ottica olografica, spettrometro di 0,5 m ed una di azoto raffreddato a liquido rivelatore CCD; lunghezza d'onda 514 nm, che corrisponde al energia di 2,33 eV. Misure Raman coperto la gamma da 100 cm -1 a 3100 cm -1, e sono state effettuate sulla superficie di fiocchi di grafene.
5. Rappresentante Risultati
"> Le istantanee video ottenuto contemporaneamente da finestre a destra e davanti alla camera sono mostrati in figura 1b, d per h = 75 mm. Queste immagini illustrano significativa perturbazione della colonna d'arco plasma in presenza di campo magnetico esterno in confronto con la colonna arco assialmente simmetrica osservato nel caso senza un campo magnetico 10.Figura 2a e 2b visualizzare la morfologia tipica delle particelle e catalizzatore SWCNT raccolte sul colletto del catodo senza campo magnetico e con il campo magnetico di B = 0,06 Tesla sotto TEM, rispettivamente. Si può notare che SWCNT con il campo magnetico sono vicini confezionati in fasci con diametri che vanno da 2 a 20 nm a causa delle interazioni di van der Waals tra SWCNT individuali. In confronto, il SWCNT senza campo magnetico hanno il diametro maggiore in fasci e diametro maggiore individuale, che è coerente con l'analisi dello spettro Raman. Inoltre, il campo magnetico can risultato nel SWCNT con maggiore purezza mostrato in Figura 2a e 2b.
L'influenza più interessanti del campo magnetico è che fiocchi di grafene può essere ottenuto dalla superficie di fiocchi deposizione che è vicino al foglio di molibdeno nello stesso processo. Figura 2c e 2d mostrare le immagini al SEM e TEM di fiocchi di grafene così come pochi strato di grafene ottenuti dal campione prelevato presso la sede corrispondeva ad arco plasma getti. L'inserto della figura 2d mostra il modello di diffrazione di elettroni associati con il grafene. La struttura esagonale punti di diffrazione di elettroni presenta l'evidenza di ben ordinata strutture cristalline.
Spettro Raman è un potente strumento per la caratterizzazione di fiocchi di grafene e SWCNT. I picchi tipici osservati in grafene sono le cime G e 2D a ~ 1600 cm -1 e ~ 2700 centimetri -1 rispettivamente, con la lunghezza d'onda di eccitazione di 514 nm. Il Gdi picco deriva da vibrazioni in aereo, che può essere osservata in tutti i materiali di carbonio sp2. Il picco 2D è un secondo ordine del picco D, ma è visto anche non sistemi disordinati, per il quarto fonone processo di ordinazione slancio risonanza doppio scambio. Essa svolge un ruolo fondamentale nella caratterizzazione del grafene. L'intensità I (2D) / I (G) è di circa 4 per grafene monostrato e diminuisce con l'aggiunta di strati successivi, rendendo così possibile stimare lo spessore di strati di grafene. 11 Figura 3 indica che il valore di I (2D) / I (G) è di circa 1, che può essere l'evidenza di alcuni strati di grafene. La modalità di respirazione radiale (RBM) tra 120 e 350 cm -1 a spettro Raman può essere utilizzato per identificare il diametro dei nanotubi attraverso la frequenza di vibrazione coerente degli atomi C in direzione radiale. La relazione sperimentale tra la frequenza e il diametro è SWCNT RBM ω = A / d t + B, dove i parametri of A e pari a 234 e 10 cm -1 B, rispettivamente, per il SWCNT tipica forma in fasci. Dalla Figura 3, le frequenze RBM di SWCNT senza e con il campo magnetico sono 163,8 e 215,2 centimetri -1, corrispondente al diametro medio di SWCNT individuale di 1,52 e 1,14 nm, rispettivamente.
Figura 1. Distribuzione del campo magnetico simulato da FEMM 4,2 software (a), fotografia di getto dell'arco plasma dalla finestra di destra (b), schema di posizione degli elettrodi e del campo magnetico in direzione del gap per il caso in cui il gap è posizionato interelettrodica circa 75 mm sopra il fondo del magnete permanente (c), e la fotografia di getto dell'arco plasma dalla parte anteriore della vista (d).
Figura 2. TEM immagine rappresentante di as-sintetizzateFasci SWCNT senza campo magnetico (a) e fasci SWCNT con il campo magnetico (b), tipica immagine SEM di fiocchi di grafene sintetizzato con il campo magnetico (c), e l'immagine TEM di grafene con il campo magnetico. Inserto è la scelta dell'area di diffrazione di elettroni schema mostra la struttura cristallina del grafene.
Figura 3. Spettro Raman dei campioni con il campo magnetico nel range di 100-3100 cm -1. Inset: spettro Raman di campioni senza campo magnetico intorno frequenze RBM.
Figura 4. Crescita regione nanostruttura e la densità numero di carbonio e nichel per l'arco di 60 A. Si noti che la densità di carbonio e nichel visualizzato sul lato destro e sinistro degli elettrodi, coesistono nella stessa regione.
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Discussion
Nel istantanee video mostrato in figura 1b e 1d, per il caso che il divario interelettrodica è stato posto alla distanza di circa h = 75 mm dal fondo del magnete permanente, si deve rilevare che il cambiamento di posizione del magnete (abbiamo testato spostamento magnete lungo l'asse z e ruotando il magnete sopra) comporta la deviazione del flusso del getto ad arco in direzione x che corrisponde alla direzione di J × B forza illustrato in Figura 1c. E 'stato anche osservato che la geometria della colonna plasma non cambia rimuovendo il catalizzatore di nichel da anodo. Ciò significa che l'influenza del campo magnetico sul moto nichel particelle di catalizzatore non influenza la geometria complessiva della colonna plasma. Siamo in grado di controllare la distribuzione del campo magnetico cambiando la posizione del magnete permanente, e di conseguenza la regione di crescita di nanostrutture di carbonio può essere facilmente manipolato a seconda della direzione J × B. Fiocchi di grafene sono SWCNT e raccoltaTed nelle diverse aree, in modo da separazione è possibile 8.
Il getto plasma generato con l'applicazione di campi magnetici gioca un ruolo importante durante il processo di sintesi grafene in quanto può introdurre il calore e le particelle di carbonio sublimato dalla anodo al J × direzione B direttamente. Il getto di plasma può concentrare la densità del plasma ad arco e governare efficace erogazione di particelle di ioni carbonio nel plasma ad arco, e, a sua volta, per migliorare l'efficienza della produzione di nanostrutture di carbonio. Oltre agli esperimenti, simulazioni numeriche può essere effettuata per ottenere la temperatura e la distribuzione delle specie all'interno del getto di plasma, che è molto difficile da misurare direttamente. Dalla distribuzione dei vari parametri del plasma, si può ottenere un quadro più chiaro il meccanismo di crescita e luogo di formazione di nanostrutture. Per esempio, le simulazioni effettuate senza campo magnetico esterno (Figura 4)hanno dimostrato che, la regione di probabile crescita nanostrutture basate sul meccanismo di crescita delle radici, cioè di carbonio penetrano attraverso adatoms cluster catalizzatore, si trova appena fuori regione arco, dove le temperature sono adatte per la crescita dei cluster nichel. La figura mostra la regione di crescita delineato dalla isoterme corrispondenti alla comparsa di nucleazione nichel (2500 K, interno) e solidificazione del cluster (1000K, esterno), con densità numero di nichel e carbonio in background.
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Disclosures
Non abbiamo nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato da NSF / DOE partenariato nel plasma Scienza e della Tecnologia (NSF Concessione n. cbet-0853777 e il DOE Concessione n ° DE-SC0001169), STTR Fase I del progetto (NSF STTR FASE I No.1010133). Gli autori desiderano ringraziare il Programma di Ricerca PPPL Offsite sostenuta dall'Ufficio di Fusion Scienze Energia per supportare esperimenti arco.
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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