Summary
Descarga de arco anódica es uno de los métodos más prácticos y eficaces para sintetizar nanoestructuras de carbono diferentes. Para aumentar la capacidad de control del arco y la flexibilidad, un campo magnético no uniforme fue presentado a proceso de la síntesis de un solo paso de copos de grafeno a gran escala y de alta pureza nanotubos de carbono.
Abstract
Nanoestructuras de carbono como los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) y el grafeno atraer a un diluvio de interés de los estudiosos en la actualidad debido a su aplicación muy prometedora para sensores moleculares, transistores de efecto de campo y super dispositivos electrónicos delgados y flexibles 4.1. Descarga de arco anódica con el apoyo de la erosión del material del ánodo es uno de los métodos más prácticos y eficientes, que pueden proporcionar información específica de no-equilibrio los procesos y una gran afluencia de materiales de carbono para el desarrollo de estructuras a una temperatura relativamente alta, y por lo tanto el as- sintetizados tienen pocos defectos estructurales y una mejor cristalinidad.
Para mejorar aún más la capacidad de control y la flexibilidad de la síntesis de nanoestructuras de carbono en el arco de descarga, los campos magnéticos pueden ser aplicados durante el proceso de síntesis de acuerdo con las fuertes respuestas magnéticas de plasmas de arco. Se demostró que el mayor arco magnético-Discharge puede aumentar la duración media de SWCNT 5, reducir la distribución del diámetro de las partículas del catalizador metálico y 6 de los nanotubos de carbono, y cambiar la relación de los metálicos y semiconductores 7 nanotubos de carbono, así como llevar a la síntesis de grafeno 8.
Por otra parte, vale la pena señalar que cuando se introduce un campo magnético no uniforme con la componente normal de la corriente en el arco, la fuerza de Lorentz a lo largo de la dirección de J × B puede generar el chorro de plasma y hacer la entrega efectiva de las partículas de iones de carbono y flujo de calor a las muestras. Como resultado, los grandes copos de grafeno de alta pureza y nanotubos de carbono se han generado simultáneamente por tales nuevo método de arco magnético mejorada anódico. Arco de imágenes, microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopio electrónico de transmisión (TEM) y la espectroscopia Raman fueron empleados para analizar la caracterización de nanoestructuras de carbono. Estos resultados indican unaamplio espectro de oportunidades para manipular las propiedades de nanoestructuras producidas en plasmas por medio de controlar las condiciones de arco.
Protocol
1. Preparación de ánodos
- Polvo de níquel escala (99,8%, 300 mesh) y el itrio en polvo (99,9%, malla 40), según la radio molar de 4,2:1 en forma de polvo catalizador.
- Mezclar el polvo de catalizador con polvo de grafito (99,9995%, malla 200) muy bien. Rellene el polvo mezclado con varilla de grafito hueco (5 mm de diámetro exterior, 2,5 mm de diámetro interno y 75 mm de longitud) con firmeza. Asegúrese de que la radio molar total de C: Ni: Y en la barra del ánodo es 94.8:4.2:1, que es la relación óptima para sintetizar SWCNT 9.
- Instalar la barra de cátodo (grafito puro, 13 mm de diámetro) y la barra del ánodo de peluche dentro de la cámara cilíndrica (acero inoxidable, 152 mm de diámetro y 254 mm de longitud). Ajuste la distancia de separación entre el cátodo y el ánodo a 3 mm.
2. Sustrato de configuración
- Coloque un imán permanente cuboides (25 mm × 25 mm × 100 mm) dentro de la cámara a unos 25 mm de distancia desde el eje de los electrodos. El Ultra-High-Temp Alnico imán utilizadoen el experimento tiene el peso de 650 gramos. Utilice la configuración cuando la brecha entre los electrodos se colocan a una distancia de alrededor de h = 75 mm (Figura 1a) de la parte inferior del imán permanente.
- Cortar la hoja de 0,3 mm de espesor de molibdeno (99,95%) como el de 25 mm x 100 mm forma rectangular. Eliminar la contaminación superficial por dismembrator ultrasonido en acetona y etanol durante 30 minutos con una amplitud de 50% de ultrasonidos, 150 w de potencia de salida y 40 kHz de frecuencia.
- Instale la hoja de molibdeno conectar un lado del imán permanente, y convertir este lado hacia los electrodos.
- Medir el campo magnético en el espacio entre los electrodos por un Gaussmeter. Mantener el campo magnético promedio entre los electrodos es de 0,06 T.
3. Ignición de arco de plasma
- De bombeo de la cámara cilíndrica a la presión de menos de 10 -1 Torr vacío y luego se llena con helio (99,995%) y 500 Torr.
- Conectar los electrodos de arco de DC welding fuente de alimentación y establecer la fuente de alimentación de corriente de arco de unos 75 A.
- Registre los valores en tiempo real de la corriente de arco de tensión de arco, y la presión de la cámara para el análisis post-experimento.
- Ver el video de arco de las ventanas derecha y de adelante por dos cámaras digitales simultáneamente. Las instantáneas después de 1 segundo de arco de partida se muestran en la Figura 1b (de derecha ventana) y Figura 1d (del visor).
- Ejecute el arco de 15 segundos. Enfriar la cámara por convección natural, por lo menos 20 minutos.
4. Después de la síntesis de análisis y caracterización
- Use unas pinzas para arrancar las escamas de la deposición de la superficie de la hoja de molibdeno en el que se dirige el chorro de arco de plasma. Otra muestra se recoge desde el cuello negro del cátodo. Observar la morfología de ambos lados de escamas de deposición bajo SEM (voltaje de aceleración de 30 KV se utilizó).
- En cuanto a la preparación de muestras para TEM análisis, las películas delgadas de la muestra se obtuvieron mediante la caída de fundición de una suspensión de metanol-solución SWCNT dispersos después de ultrasonidos durante 60 minutos usando dismembrator ultrasonidos con 50% de ultrasonidos amplitud. Observar la morfología de la película delgada en JEOL TEM con la tensión de 100 KV después de la volatilización de una solución de metanol. Para la posición de interés en la muestra, el patrón de difracción de electrones se pueden obtener con la longitud de la cámara CCD de 50 cm asociado con TEM.
- La espectroscopia Raman se llevó a cabo en un sistema de micro-Raman basado en un 200 mW Lexel 3000 Ar láser de ion (de salida ajustable sola línea), con la óptica holográfica, un espectrómetro de 0,5 m y un nitrógeno líquido refrigerado detector CCD, la longitud de onda 514 nm, que corresponde a la de energía de 2.33 eV. Mediciones Raman cubierto el rango de 100 cm -1 a 3100 cm -1, y se llevaron a cabo en la superficie de copos de grafeno.
5. Resultados representante
"> Las instantáneas de vídeo obtenidas de forma simultánea desde ventanas derecho y frontal de la cámara se muestran en la Figura 1b, d de h = 75 mm. Estas imágenes ilustran perturbación significativa de la columna de arco de plasma en presencia de un campo magnético externo en comparación con la columna del arco simetría axial observado en el caso sin un campo magnético 10.Figura 2a y 2b muestra la morfología típica de las partículas y el catalizador SWCNT recogidos en el cuello de cátodo sin campo magnético y el campo magnético de B = 0,06 Tesla en TEM, respectivamente. Se puede observar que SWCNT con el campo magnético son apretadas en manojos con diámetros que van de 2 a 20 nm debido a la interacción de van der Waals entre SWCNT individual. En comparación, el SWCNT sin campo magnético tienen el diámetro más grande de paquetes y de mayor diámetro individual, lo cual es consistente con el análisis del espectro Raman. Además, el campo magnético can dar lugar a la SWCNT con mayor pureza se muestra en la Figura 2a y 2b.
La influencia más interesante del campo magnético es que los copos de grafeno puede ser obtenida de la superficie de las escamas de la deposición, que está cerca a la hoja de molibdeno en el mismo proceso. Figura 2c y 2d muestran el SEM y TEM imágenes de copos de grafeno, así como unos pocos- grafeno capa obtenida a partir de la muestra tomada en el lugar correspondieron a aviones de arco de plasma. La inserción de la figura 2d muestra el patrón de difracción de electrones asociados con el grafeno. El patrón hexagonal puntos de difracción de electrones se presenta la evidencia de las estructuras cristalinas bien ordenada.
Espectro Raman es una poderosa herramienta para la caracterización de los copos de grafeno y SWCNT. Los picos típicos observados en el grafeno son los picos G y 2D a ~ 1600 cm -1 y ~ 2700 cm -1, respectivamente, con la longitud de onda de excitación de 514 nm. El Gpico se debe a las vibraciones en el avión que se puede observar en todos los materiales de carbono sp2. El pico 2D es una de segundo orden del pico de D, pero se ve incluso en sistemas que no son desordenados, debido a los fonones cuarto fin de impulso al proceso de cambio de doble resonancia. Desempeña un papel crucial en la caracterización de grafeno. La intensidad I (2D) / I (G) es de aproximadamente 4 de grafeno monocapa y disminuye con la adición de capas posteriores, por lo que es posible estimar el espesor de las capas de grafeno. 11 Figura 3 indica que el valor de I (2D) / I (G) es de alrededor de 1, que puede ser la evidencia de las pocas capas de grafeno. El modo de respiración radial (RBM) entre 120 y 350 cm -1 en el espectro Raman se pueden utilizar para identificar el diámetro de los nanotubos a través de la frecuencia de vibración coherente de los átomos de C en la dirección radial. La relación experimental entre la frecuencia y el diámetro es SWCNT RBM ω = A / d t + B, donde el o los parámetrosf A e igual a 234 y 10 cm-1 B, respectivamente, para el SWCNT típica forma de paquetes. De la Figura 3, las frecuencias de RBM SWCNT con y sin campo magnético son 163,8 y 215,2 cm-1, que corresponde a los diámetros SWCNT individual media de 1,52 y 1,14 nm, respectivamente.
Figura 1. Distribución del campo magnético de simulación por software FEMM 4.2 (a), fotografía de arco de plasma chorro de la derecha del viewport (b), diagrama esquemático de la posición de los electrodos y el campo magnético de dirección en la brecha para el caso en que la brecha entre los electrodos se coloca unos 75 mm por encima del fondo de imán permanente (c), y una fotografía del arco chorro de plasma de la vista Frontal (d).
Figura 2. Imagen representativa de TEM como de síntesisPaquetes SWCNT sin campo magnético (a) y los paquetes SWCNT con el campo magnético (b), típica imagen de SEM de copos de grafeno sintetizado con el campo magnético (c), y la imagen de TEM de grafeno con el campo magnético. El recuadro es el electrón área seleccionada patrón de difracción muestra la estructura cristalina de grafeno.
Figura 3. Espectro Raman de las muestras con el campo magnético en el rango de 100 a 3100 cm -1. Recuadro: espectro Raman de las muestras sin campo magnético alrededor de las frecuencias de la RBM.
Figura 4. Nanoestructura región el crecimiento y la densidad del número de carbono y el níquel para el arco de la Nota A. 60 que las densidades de carbono y el níquel se muestra en el lado izquierdo y derecho de los electrodos, coexisten en la misma región.
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Discussion
En las instantáneas de vídeo se muestra en la Figura 1b y 1d, para el caso de que la brecha entre los electrodos se colocan a una distancia de aproximadamente h = 75 mm desde el fondo de imán permanente, hay que señalar que el cambio de posición del imán (que probamos cambio imán a lo largo de los resultados del eje z, y girando el imán sobre) en la desviación del flujo de chorro de arco en la dirección x que corresponde a la dirección de la fuerza J x B se ilustra en la figura 1c. También se observó que la geometría de la columna de arco de plasma no cambiaron por eliminar el catalizador de níquel desde el ánodo. Esto significa que la influencia del campo magnético en el catalizador de níquel movimiento las partículas no afecta a la geometría general de la columna de plasma. Podemos controlar la distribución del campo magnético, cambiando la posición del imán permanente, y en consecuencia la región el crecimiento de nanoestructuras de carbono pueden ser fácilmente manipulados de acuerdo con la dirección de J × B. Copos de grafeno son SWCNT y coleccionesTed en las diferentes áreas, por lo tanto la separación es posible 8.
El chorro de plasma generado por la aplicación de campos magnéticos juegan un papel importante durante el proceso de síntesis de grafeno en que puede introducir el calor y las partículas de carbono sublimado desde el ánodo hacia el J × B dirección directamente. El chorro de plasma se puede concentrar la densidad del plasma y gobernar la entrega efectiva de las partículas de iones de carbono en el arco de plasma, y, a su vez, para mejorar la eficiencia de la producción de nanoestructuras de carbono. Además de los experimentos, simulaciones numéricas se pueden realizar para obtener la temperatura y la distribución de las especies dentro del chorro de plasma, que es muy difícil de medir directamente. De la distribución de los diferentes parámetros de plasma, se puede obtener más información sobre el mecanismo de crecimiento y la ubicación de la formación de nanoestructuras. Por ejemplo, las simulaciones llevadas a cabo sin campo magnético externo (Figura 4)demostró que, en la región probable de crecimiento de nanoestructuras basadas en el mecanismo de crecimiento de las raíces, es decir, carbono adatoms filtrarse a través de grupos de catalizador, se encuentra justo fuera de la región del arco, donde las temperaturas son adecuadas para el crecimiento del clúster de níquel. La figura muestra la región de crecimiento descrito por las isotermas correspondientes a la aparición de la nucleación de níquel (2500 K, interior) y la solidificación de los clusters (1000K, exterior), con una densidad de número de níquel y carbono en el fondo.
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Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por la NSF / DOE Asociación de Ciencia y Tecnología Plasma (NSF Grant No. CBET-0853777 y el DOE el subsidio N º DE SC0001169), STTR Fase I del proyecto (NSF STTR Fase I No.1010133). Los autores desean agradecer al Programa de Investigación PPPL fuera del hotel con el apoyo de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión para el apoyo a las experiencias de 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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