磁気強化アークプラズマにおける単層カーボンナノチューブとグラフェンの同時合成

本実験の全体的な目的は、アーク放電法を用いて単層カーボンナノチューブおよびグラフェンを合成することである。具体的には、まずアノードとカソードの2つのアーク電極を準備することでこれを達成する。アノードは、カーボン、ニッケル、イットリウムを94.8：4.2：1の特定の比率で構成し、カソードには純炭素棒を用いる。

次に、磁場と粒子種の分布を示す数値シミュレーションを用いて、合成場所に関する詳細な情報を得ます。その後、シミュレーション結果に基づいて磁石と基板として機能するモリブデンシートを設置し、電極間のアーク放電を開始します。これによりプラズマジェットが形成され、単層カーボンナノチューブとグラフェンがモリブデンシートの表面に堆積します。

最終的に、透過電子顕微鏡および走査電子顕微鏡、電子回折パターン、そしてラマン分光法に基づき、本手順によって高純度の単層カーボンナノチューブおよびグラフェンが得られることが示されます。このプロセスは非常に複雑であり、多くの工程が含まれるため、視覚的な実演が不可欠です。特に、プラズマベースの合成プロセスにおいて不均一磁場を用いた場合、化学ベースのプロセスと比較して多くの利点があります。具体的には、化学的な排気処理を必要としないため、本質的に環境に優しく、さらに大規模な展開への大きな可能性を秘めています。

化学気相成長法などの既存の手法と比較した本手法の主な利点は、アーク放電による1回の単純なスタンプ操作で、単層ナノチューブと数層の厚さのフィンを同時に形成できることです。したがって、本実験では、外部磁場を用いてアーク放電を制御することで、ナノチューブやグラフェンのような異なる種類のナノ構造を合成する方法論を基本的に実証しています。本手法の設計は、磁気的に強化されたアークにおける強力な力に基づいています。

また、ナノ粒子の成長を理解するためには、磁場および種の分布の数値シミュレーションが不可欠です。陽極を準備するには、触媒粉末としてニッケル粉末とイットリウム粉末を4.2対1のモル比で混合します。この触媒粉末をグラファイト粉末と十分に混合し、単層カーボンナノチューブを合成するための最適比である、炭素：ニッケル：イットリウム＝94.8：4.2：1の比率にします。混合した粉末を中空のグラファイトロッドにしっかりと充填します。円筒形チャンバー内に、陰極ロッドと粉末を充填した陽極ロッドを設置します。

カソードとアノードの間のギャップ距離を約3 mmに調整します。基板を設置するには、チャンバー内にOID永久磁石を配置し、電極間軸から約25 mm離します。この構成では、電極間ギャップは永久磁石の底部から約75 mmの距離に設定されます。

アセトンおよびエタノールを用い、超音波カッターで0.3 millimeter厚の中間シートを25 millimeter × 100 millimeterの長方形に切断します。超音波振幅50%、出力150 watt、周波数40 kilohertzの条件で30分間処理し、表面の汚染を除去します。MAリプタムシートを永久磁石の片面に貼り付け、この面を電極側に向けて配置します。

ガウスメーターを用いて、電極間ギャップの磁場を測定してください。電極間の平均磁場を約 0.06 Tesla に維持します。これにより、アークプラズマを点火させます。

円筒形チャンバーを0.1 Torr未満の真空度まで排気し、その後、ヘリウムを充填して500 Torrにします。アーク電極をDC溶接電源に接続し、電源のアーク電流を約75 ampsに設定します。実験後の解析のため、アーク電流、アーク電圧、およびチャンバー圧力のリアルタイム値を記録します。

2台のデジタルカメラを用いて、右側および前面のビューポートからのアーク放電のビデオ撮影を同時に開始します。アークを15秒間発生させます。その後、自然対流によりチャンバーを少なくとも20分間冷却します。

合成が完了したら、ピンセットを使用して、アークプラズマジェットを照射したMeumシートの表面から堆積片を剥がします。また、カソードの黒色のカラー部分から別のサンプルを回収します。加速電圧30 kilovoltsの走査電子顕微鏡を用いて、堆積片の両面の形態を観察します。

透過型電子顕微鏡（TEM）用の試料を調製するため、メタノール分散単層カーボンナノチューブ溶液を超音波処理します。超音波洗浄機を用い、打撃振幅50%で60分間処理した後、懸濁液をドロップキャストします。メタノール溶液の揮発後、加速電圧100 kVの透過型電子顕微鏡を用いてフィルムの形態を観察します。試料の関心領域において、カメラ長50 cmのCCDカメラを用いて電子回折パターンを取得できます。合成した構造のTEM画像を観察してください。

表示されたサンプルの電子回折パターンを観察してください。ここでは、電極間距離が75 millimetersのときの、チャンバーの右側および前面のビューポートから同時に取得したビデオスナップショットを示します。これらの画像は、外部磁場が存在する場合にアークプラズマカラムに大きな摂動が生じることを示しています。

これらの画像は、それぞれ磁場がない場合とB = 0.06 Teslaの磁場がある場合に、カソードの表面に収集された単層カーボンナノチューブと触媒粒子の典型的な形態をTEMで示したものです。磁場なしで収集されたナノチューブは、より大きな直径のバンドルと、より大きな個々の直径を形成しており、これはラマン分光分析の結果と一致しています。

また、磁場を印加することで、磁場がない場合よりも純度の高いナノチューブの収集が可能となりました。ここでは、磁場を用いて得られた100から3,100 cm⁻¹の範囲におけるサンプルのラマンスペクトルを示します。挿入図は、磁場がないサンプルの放射状呼吸モード（RBM）周波数付近のスペクトルです。

Gピークに対する2Dピークの強度比は、グラフェン層の厚さを推定するために利用されます。このスペクトルでは強度値が約1となっており、これはグラフェン層の数が約2層であることを示しています。このアニメーションでは、アーク電流60 ampsにおける、カーボン、ニッケル、およびアトリウムのナノ構造成長領域と数密度を示しています。

現像後、右平面、左平面、および垂直平面に示されている炭素、ニッケル、および白金（atrium）の密度が同一領域に共存していることに注意してください。この手法により、単層カーボンナノチューブとグラフェンの両方を磁気制御で合成する道が開かれ、単層カーボンナノチューブの長さや直径などの特性を制御することが可能になります。また、グラフェンについては、層数を制御することができます。

化学合成法に対する本手法の主な利点は、化学排気装置を必要とせず、本質的に環境に優しい（グリーンである）点にあります。習得すれば、適切に実施することで30分で完了させることが可能です。合成プロセス全体において、基板に対するプラズマジェットの方向が非常に重要であることに注意してください。

最初のプラズマジェットは、生成物の合成に必要な炭素種を基板に供給し、2番目のプラズマジェットは基板に熱フラックスを供給することで、グラフェンの合成に適した温度条件を作り出します。この手順に続き、基板を移動させるなどの他の手法を行うことで、flaの厚さの制御性といった追加的な課題に対処することが可能です。