Summary
פריקה קשת anodic היא אחת השיטות הכי פרקטי ויעיל לסנתז ננו פחמן שונים. כדי להגדיל את controllability קשת וגמישות, שדה מגנטי לא אחידה הוצג תהליך הסינתזה צעד אחד בקנה מידה גדול פתיתי גראפן צינורות פחמן הטוהר גבוהה אחת חומה.
Abstract
ננו פחמן כגון יחיד חומה פחמן (SWCNT) ו גרפן למשוך מבול של עניין של חוקרים בשל כיום ליישום מבטיח מאוד שלהם חיישנים מולקולריים, טרנזיסטור אפקט שדה סופר מכשירים אלקטרוניים דק וגמיש 1-4. פריקה קשת anodic נתמך על ידי שחיקה של החומר האנודה היא אחת השיטות הכי פרקטי ויעיל, אשר יכול לספק ספציפיים שאינם שיווי משקל תהליכי זרימה גבוהה של החומר פחמן למבנים פיתוח בטמפרטורה גבוהה יחסית, ולכן כפי- המוצרים מסונתז יש פגמים מבניים כמה crystallinity טוב יותר.
כדי לשפר את controllability והגמישות של סינתזה של ננו פחמן הפרשות קשת, שדות מגנטיים יכול להיות מיושם במהלך תהליך הסינתזה על פי התגובות מגנטי חזק של פלזמות קשת. זה היה הוכיחו כי מגנטית מוגברת קשת discharge יכולים להגדיל את האורך הממוצע של SWCNT 5, לצמצם את חלוקת הקוטר של חלקיקי הזרז מתכתי פחמן 6, ולשנות את היחס בין מתכתי פחמן 7 מוליכים למחצה, כמו גם להוביל סינתזה גרפן 8.
יתר על כן, כדאי להעיר שכאשר אנחנו מציגים שדה מגנטי לא אחידה עם רכיב נורמלי הנוכחית קשת, כוח לורנץ לאורך J × בכיוון B יכול לייצר את מטוס פלזמות ולעשות משלוח יעיל של חלקיקי יון פחמן חום שטף דגימות. כתוצאה מכך, בקנה מידה גדול פתיתי גראפן צינורות פחמן הטוהר גבוהה אחת חומה נוצרו בו זמנית על ידי שיטה כזו מגנטית מוגברת חדש קשת anodic. ארק הדמיה, מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) ו ספקטרוסקופיית ראמאן הועסקו לנתח את האפיון של ננו פחמן. ממצאים אלה מצביעים עלקשת רחבה של אפשרויות לתמרן עם התכונות של ננו המיוצר פלזמות באמצעות שליטה על התנאים קשת.
Protocol
1. האנודה הכנה
- ניקל אבקת קנה מידה (99.8%, 300 רשת) ואת אבקת איטריום (99.9%, 40 רשת) לפי הרדיו טוחנת של 4.2:1 כאבקה זרז.
- מערבבים את אבקת זרז עם אבקת גרפיט (99.9995%, 200 רשת) טוב מאוד. מלאו את האבקה לתוך תערובת מוט גרפיט חלול (5 מ"מ קוטר חיצוני, קוטר פנימי 2.5 מ"מ אורך 75 מ"מ) בתוקף. ודא רדיו טוחנת הכולל של C: ניקל: Y ב מוט האנודה היא 94.8:4.2:1, שהוא היחס האופטימלי לסנתז SWCNT 9.
- התקנת קטודה מוט (גרפיט טהור, בקוטר 13 מ"מ) ואת מוט האנודה ממולא בתוך חדר גלילי (נירוסטה, בקוטר 152 מ"מ אורך 254 מ"מ). כוון את המרחק והפער בין הקתודה לבין האנודה כ 3 מ"מ.
2. תשתית התקנה
- מניחים מגנט קבוע קוביות סטנדרטיות (25 מ"מ × 25 מ"מ × 100 מ"מ) בתוך החדר במרחק כ 25 מ"מ מציר interelectrode. Ultra-High-Temp מאלניקו מגנט שימושבניסוי יש משקל של 650 גרם. השתמש בתצורת כאשר הפער interelectrode ממוקם במרחק של כ - H = 75 מ"מ (איור 1 א) מהחלק התחתון של מגנט קבוע.
- חותכים את 0.3 מ"מ עובי מוליבדן המאזן (99.95%) כמו 25 מ"מ × 100 מ"מ צורה מלבנית. הסר את זיהום פני השטח על ידי dismembrator קולי אצטון ואתנול למשך 30 דקות עם אמפליטודה 50% sonicating, 150 כוח w פלט תדר 40 kHz.
- התקן גיליון מוליבדן הצמדת צד אחד של מגנט קבוע, ולהפוך את הצד הזה לעבר האלקטרודות.
- מדידת השדה המגנטי בפער interelectrode ידי Gaussmeter. שמור את השדה המגנטי הממוצע בין האלקטרודות הוא בערך 0.06 T.
3. הצתה של קשת פלסמה
- משאבה את תא גלילי ללחץ פחות מ -10 -1 ואקום Torr, מילאתי אותה עם הליום (99.995%) עד 500 Torr.
- חיבור אלקטרודות קשת ל DC welding אספקת החשמל להקים את אספקת החשמל על קשת הנוכחי של א 'על 75
- רשום את הערכים בזמן אמת של קשת הנוכחי מתח קשת, והלחץ בחדר ניתוח שלאחר הניסוי.
- הפעל את הווידאו של הקשתית מן viewports ימין הקדמי על ידי שתי מצלמות דיגיטליות בו זמנית. צילומים לאחר 1 השני של קשת החל מוצגים באיור 1b (מתוך viewport מימין) איור 1d (מהחזית viewport).
- הפעל את קשת למשך 15 שניות. תירגע קאמרית על ידי הסעה טבעית לפחות 20 דקות.
4. פוסט סינתזה ניתוח ואפיון
- השתמש פינצטה לקרוע את פתית בתצהיר מפני השטח של גיליון מוליבדן היכן הסילון קשת פלזמות נוהלה. מדגם נוסף נאסף הצווארון השחור של הקתודה. שים את המורפולוגיה של שני הצדדים של פתית בתצהיר תחת SEM (מתח האצה של 30 KV היה בשימוש).
- לגבי הכנת המדגם עבור TEM ניתוח, סרטים דקים של המדגם התקבלו על ידי ירידה הליהוק השעיה של פתרון מתנול התפזרו SWCNT לאחר sonicating במשך 60 דקות באמצעות dismembrator קולי עם 50% sonicating משרעת. שים את המורפולוגיה של הסרט דק תחת TEM JEOL עם מתח של 100 KV לאחר volatilization פתרון מתנול. לתפקיד עניין המדגם, דפוס עקיפה אלקטרונים ניתן להשיג עם אורך המצלמה CCD של 50 ס"מ הקשורים TEM.
- ספקטרוסקופיית ראמאן בוצעה על מערכת מיקרו ראמאן המבוסס על 200 mW Lexel 3000 Ar יון לייזר (קו מתכונן פלט יחיד), עם אופטיקה הולוגרפית, ספקטרומטר 0.5 מ 'ו חנקן נוזלי מקורר גלאי CCD: גל 514 ננומטר אשר תואמת את אנרגיה של 2.33 eV. במדידות ראמאן מכוסה בטווח של 100 ס"מ -1 ס"מ -1 עד 3100, ו - בוצעו על פני השטח של פתיתי גראפן.
5. נציג תוצאות
"> תמונות וידאו שהושגו בעת ובעונה אחת מן viewports ימין מול האולם מוצגים באיור 1b, ד עבור h = 75 מ"מ. תמונות אלו ממחישות ההפרעות משמעותי של הטור קשת פלזמה בנוכחות של שדה מגנטי חיצוני בהשוואה עמודה קשת סימטרי axially צפו במקרה ללא שדה מגנטי 10.איור 2a ו-2b להציג את המורפולוגיה האופיינית של חלקיקים SWCNT ו זרז שנאספו על הצווארון של קטודה ללא השדה המגנטי עם השדה המגנטי של B = 0.06 Tesla תחת TEM, בהתאמה. ניתן לראות כי SWCNT עם השדה המגנטי קרובים, ארוזים בתוך חבילות עם בקטרים הנעים 2-20 ננומטר בשל האינטראקציה ואן דר ואלס בין SWCNT בודדים. לשם השוואה, SWCNT ללא שדה מגנטי יש קוטר גדול יותר צרורות בודדים בקוטר גדול יותר, אשר עולה בקנה אחד עם ניתוח של ספקטרום ראמאן. כמו כן, השדה המגנטי can לגרום SWCNT עם טוהר גבוה מוצג איור 2a ו 2b.
ההשפעה המעניינת ביותר של השדה המגנטי הוא פתיתי גראפן ניתן להשיג את פני השטח של פתיתי בתצהיר המקורב גיליון מוליבדן באותו תהליך. איור 2c ו 2d להראות SEM ו TEM תמונות של פתיתי גראפן, כמו גם כמה- שכבת גרפן מתקבלים ממדגם שנלקח במיקום תאמו מטוסי קשת פלזמות. החיבור הזה של איור 2 מראה את דפוס התאבכות אלקטרונים הקשורים גראפן. דפוס נקודות משושה של התאבכות אלקטרונים מציג את עדות מסודרת מבנים גבישיים.
ספקטרום ראמאן הוא כלי רב עוצמה עבור אפיון של גראפן פתיתי SWCNT. פסגות טיפוסי שנצפתה גרפן הם פסגות G ו-2D ב ~ 1600 ס"מ ו -1 ~ 2700 -1 ס"מ בהתאמה, באמצעות עירור באורך גל של 514 ננומטר. Gהשיא נובע בתוך תנודות המטוס שבו ניתן לצפות בכל חומרי פחמן SP2. השיא 2D הוא הסדר השני של הפסגה D אבל הוא ראה גם במערכות שאינן מסודרות, עקב צו fourth פונון המומנטום בתהליך חילופי תהודה כפולה. זה ממלא תפקיד מכריע באפיון של גראפן. עוצמת אני (2D) / אני (G) הוא כ 4 עבור גרפן monolayer וירידות עם תוספת של שכבות עוקבות, ובכך ניתן לאמוד את עובי שכבות גראפן. 11 תרשים 3 מראה כי הערך של אני (2D) / אני (G) הוא בסביבות 1, אשר ניתן הראיות של גראפן כמה שכבות. מצב הנשימה רדיאלי (RBM) בין 120 לבין 350 ס"מ -1 בספקטרום ראמאן יכול לשמש כדי לזהות את קוטר Nanotube באמצעות תדר הרטט קוהרנטית של אטומי C בכיוון רדיאלי. הקשר בין הניסוי לבין תדירות בקוטר SWCNT RBM הוא ω = A / D t + B, שם הפרמטרים of A ו-B שווה ל 234 ו 10 ס"מ -1, בהתאמה, עבור SWCNT הטיפוסי נוצר צרורות. מתוך איור 3, את התדרים של RBM SWCNT בלי ועם שדה מגנטי הם 163.8 ו 215.2 ס"מ -1, המתאימים קוטר ממוצע SWCNT בודדים של 1.52 ו 1.14 ננומטר, בהתאמה.
באיור 1. התפלגות השדה המגנטי מדומה על ידי תוכנה FEMM 4.2 (א), תצלום של סילון קשת פלזמות מן הזכות viewport (ב), תרשים סכמטי של עמדת אלקטרודות שדה מגנטי בכיוון הפער למקרה כאשר הפער interelectrode ממוקם כ - 75 מ"מ מעל החלק התחתון של מגנט קבוע (ג), ואת תמונתו של מטוס קשת פלזמות מן viewport הקדמי (ד).
באיור 2. הדימוי נציג TEM של כ-מסונתזצרורות SWCNT ללא שדה מגנטי (א) ו צרורות SWCNT עם השדה המגנטי (ב), SEM תמונה אופיינית של פתיתי גראפן מסונתז עם השדה המגנטי (ג), ואת התמונה של גראפן TEM עם השדה המגנטי. הבלעה היא האזור שנבחר אלקטרון עקיפה דפוס מראה את המבנה הגבישי של גראפן.
באיור 3. ספקטרום ראמאן של דגימות עם השדה המגנטי בטווח של 100-3100 -1 ס"מ. הבלעה: ספקטרום ראמאן של דגימות ללא השדה המגנטי סביב תדרים RBM.
איור 4. הצמיחה Nanostructure האזור וצפיפות מספר פחמן ניקל עבור קשת הערה 60 א כי צפיפות של פחמן ניקל המוצג בצד שמאל וימין של האלקטרודות, להתקיים באותו אזור.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ב תמונות וידאו שמוצג באיור 1b ו 1d, למקרה כי הפער interelectrode הוצב במרחק של כ 75 מ"מ h = מהחלק התחתון של מגנט קבוע, ראוי לציין כי שינוי של מיקום המגנט (בדקנו משמרת מגנט לאורך ציר Z-ולהפוך את המגנט מעל) תוצאות סטייה של זרימת קשת סילון בכיוון-x מקביל לכיוון של J × B כוח באיור 1 ג. היא נצפתה גם את הגיאומטריה של טור פלזמה קשת לא השתנה על ידי הסרת זרז ניקל מן האנודה. משמעות הדבר היא כי השפעת השדה המגנטי על תנועה זרז חלקיקי ניקל אינו משפיע על הגיאומטריה הכללית של הטור פלזמה. אנו יכולים לשלוט והפצה של השדה המגנטי על ידי שינוי המיקום של מגנט קבוע, ו consequentially האזור צמיחה של ננו פחמן ניתן להשפיע בקלות על פי הכיוון × J B. פתיתים SWCNT ו גרפן הינם הקולקטיביתטד בתחומים שונים, ובכך ההפרדה אפשרי 8.
סילון פלזמות שנוצר על ידי יישום של שדות מגנטיים ממלא תפקיד חשוב בתהליך סינתזת גרפן בכך שהוא יכול להציג את החום ואת חלקיקי פחמן מעודן מן האנודה אל J × בכיוון B ישירות. סילון פלזמות יכול לרכז את צפיפות של הפלזמה קשת ולשלוט משלוח יעיל של חלקיקי פחמן יון בפלסמה קשת, ו בתורו, על מנת לשפר את יעילות הייצור של ננו פחמן. בנוסף ניסויים, סימולציות נומריות ניתן לבצע כדי להשיג את הטמפרטורה והפצה מין בתוך מטוס פלזמה, וזה קשה מאוד למדוד ישירות. מתוך חלוקת פרמטרים שונים של פלזמה, אפשר לקבל תובנה רבה יותר על מנגנון הצמיחה והמיקום של היווצרות nanostructure. למשל, סימולציות שבוצעו ללא שדה מגנטי חיצוני (איור 4)הראה כי, האזור המשוער של צמיחה ננו מבוסס על מנגנון שורש הצמיחה, כלומר adatoms פחמן לחלחל אשכולות זרז, נמצא ממש מחוץ לאזור קשת, שם הטמפרטורות מתאימות לגידול אשכול ניקל. האיור מציג את אזור הגידול שהתוותה איזותרמות המתאים תחילת נוקלאציה ניקל (2500 K, פנימית) ו התמצקות של אשכולות (1000K, החיצוני), עם צפיפות מספר ניקל ופחמן ברקע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין לנו שום דבר לגלות.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי NSF / DOE שותפות פלזמה מדע וטכנולוגיה (NSF גרנט מס 'CBET-0853777 ו DOE גרנט מס' DE-SC0001169), אני STTR שלב בפרויקט (NSF STTR שלב I No.1010133). המחברים מבקשים להודות תוכנית PPPL מחוץ לאתר המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה של Fusion למדעי לתמיכה בניסויים קשת.
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).
