Summary
Descarga de arco anódica é um dos métodos mais práticos e eficientes para sintetizar nanoestruturas de carbono diversos. Para aumentar a controlabilidade de arco e flexibilidade, um campo magnético não uniforme foi apresentado ao processo de síntese de uma etapa de flocos em larga escala de grafeno e nanotubos de carbono de alta pureza single-walled.
Abstract
Nanoestruturas de carbono, como nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) e grafeno atrair um dilúvio de interesse dos estudiosos hoje em dia, devido à sua aplicação muito promissora para sensores molecular, transistor de efeito de campo e super fino e flexível dispositivos eletrônicos 1-4. Descarga de arco anódica apoiado pela erosão do ânodo é um dos métodos mais práticos e eficientes, o que pode fornecer específicos não-equilíbrio processos e um fluxo elevado de material de carbono para o desenvolvimento de estruturas em temperatura relativamente mais altos e, conseqüentemente, o as- produtos sintetizados têm poucos defeitos estruturais e melhor cristalinidade.
Para melhorar ainda mais a controlabilidade e flexibilidade da síntese de nanoestruturas de carbono na descarga de arco, os campos magnéticos podem ser aplicados durante o processo de síntese de acordo com as respostas magnético forte de plasmas de arco. Foi demonstrado que o magneticamente avançada arco Discharge pode aumentar a duração média de SWCNT 5, estreita a distribuição de diâmetro de partículas de catalisador metálico e nanotubos de carbono 6, e alterar a relação de materiais metálicos e nanotubos de carbono semicondutores 7, bem como levar à síntese de grafeno 8.
Além disso, vale a pena observar que quando introduzimos um campo magnético não uniforme com o componente normal para a corrente em arco, a força de Lorentz ao longo da direção J × B pode gerar o jet plasmas e fazer a entrega efetiva de partículas de carbono e de íons fluxo de calor para amostras. Como resultado, flocos em larga escala de grafeno e nanotubos de carbono de alta pureza single-walled foram simultaneamente gerados por tal método novo arco magneticamente avançada anódica. Arc de imagem, microscópio eletrônico de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espectroscopia Raman foram empregadas para analisar a caracterização de nanoestruturas de carbono. Estes resultados indicam umaamplo espectro de oportunidades para manipular com as propriedades de nanoestruturas produzidas em plasmas por meio de controlar as condições de arco.
Protocol
1. Preparação do ânodo
- Pó de níquel escala (99,8%, a 300 mesh) e ítrio em pó (99,9%, 40 mesh) de acordo com a rádio molar de 4.2:1 como o pó de catalisador.
- Misture o pó catalisador com pó de grafite (99,9995%, a 200 mesh) muito bem. Preencha o pó misturado em bastão de grafite oca (5 mm de diâmetro externo, 2,5 mm de diâmetro interno e 75 mm de comprimento) com firmeza. Certifique-se o rádio totais molar de C: Ni: Y no ânodo é 94.8:4.2:1, que é óptima relação de sintetizar SWCNT 9.
- Instale catodo haste (grafite puro, 13 mm de diâmetro) eo ânodo de pelúcia dentro de câmara cilíndrica (aço inoxidável, 152 mm de diâmetro e 254 mm de comprimento). Ajustar a distância lacuna entre o cátodo eo ânodo de cerca de 3 mm.
2. Configuração do substrato
- Coloque um ímã permanente cubóide (25 mm × 25 mm × 100 mm) no interior da câmara em cerca de 25 mm de distância do eixo intereletrodos. O Ultra-High-Temp ímã Alnico usadosNo experimento tem o peso de 650 gramas. Use a configuração quando o gap intereletrodos é colocado a uma distância de cerca de h = 75 mm (Figura 1a) do fundo do imã permanente.
- Corte a folha de 0,3 milímetros de espessura de molibdênio (99,95%) como o de 25 mm × 100 mm forma retangular. Eliminar a contaminação da superfície por dismembrator ultra-som em acetona e etanol, durante 30 min com 50% da amplitude da sonicando, 150 w de potência de saída e 40 kHz.
- Instale folha de molibdênio anexando um lado do ímã permanente, e virar deste lado para eletrodos.
- Medir o campo magnético no gap intereletrodos por um gaussmeter. Manter o campo magnético médio entre os eletrodos é de cerca de 0,06 T.
3. Ignição de arco de plasma
- Bomba de baixo da câmara cilíndrica à pressão inferior a 10 -1 a vácuo Torr e depois encheu-o com hélio (99,995%) a 500 Torr.
- Conectar eletrodos arco para DC welding fonte de alimentação e configurar o fornecimento de energia em corrente de arco de cerca de 75 A.
- Registre os valores em tempo real da tensão do arco do arco atual, e pressão da câmara de pós-experiência de análise.
- Iniciar o vídeo do arco da viewports direita e frontal por duas câmeras digitais simultaneamente. Os instantâneos após 1 segundo de arco de partida são mostrados na Figura 1b (de viewport direita) e Figura 1d (de frente viewport).
- Execute o arco para 15 segundos. Arrefecer câmara por convecção natural durante pelo menos 20 minutos.
4. Pós-síntese de análise e caracterização
- Use uma pinça para arrancar o floco de deposição a partir da superfície da folha de molibdênio, onde o arco jet plasmas foi dirigido. Outra amostra é coletada do colarinho preto de catodo. Observar a morfologia de ambos os lados do floco de deposição em SEM (tensão de aceleração de 30 KV foi usado).
- Em relação à preparação de amostras para TEM análise, os filmes finos de amostra foram obtidos por queda de fundição uma suspensão de solução de metanol dispersos SWCNT após sonicando por 60 minutos, utilizando dismembrator ultra-som com 50% sonicando amplitude. Observar a morfologia do filme fino sob TEM JEOL com a tensão de 100 KV após a volatilização de solução de metanol. Para o cargo de interesse na amostra, o padrão de difração de elétrons podem ser obtidas com o comprimento da câmara CCD de 50 cm associada a TEM.
- A espectroscopia Raman foi realizada em um sistema micro-Raman baseado em um 200 mW Lexel 3000 Ar ion laser (saída de linha única sintonizável), com óptica holográfica, um espectrômetro de 0,5 m e um de nitrogênio líquido refrigerado detector CCD; 514 nm, que corresponde à de energia de 2,33 eV. Medidas Raman cobriu a faixa de 100 cm -1 a 3100 cm -1, e foram realizadas na superfície de flocos de grafeno.
5. Resultados representante
"> Os instantâneos de vídeo obtida simultaneamente a partir de viewports direita e frontal da câmara são mostrados na Figura 1b, d para h = 75 mm. Estas imagens ilustram perturbação significativa da coluna do arco plasma na presença de campo magnético externo, em comparação com a coluna de arco axialmente simétrica observado no caso sem um campo magnético 10.Figura 2a e 2b mostrar a morfologia típica de SWCNT e catalisador partículas coletadas na gola de catodo sem campo magnético e com o campo magnético de B = 0,06 Tesla sob TEM, respectivamente. Pode ser visto que SWCNT com o campo magnético são close-embalados em pacotes com diâmetros variando de 2 a 20 nm, devido à interação de van der Waals entre SWCNT individual. Em comparação, o campo magnético SWCNT sem ter o diâmetro maior em feixes e de maior diâmetro individual, o que é consistente com a análise do espectro de Raman. Além disso, o campo magnético can resultar na SWCNT com maior pureza mostrado na Figura 2a e 2b.
A influência mais interessante do campo magnético é que flocos de grafeno pode ser obtido a partir da superfície de flocos de deposição que está perto de folha de molibdênio no mesmo processo. Figura 2c e 2d mostram as imagens SEM e TEM de flocos de grafeno, bem como alguns- grafeno camada obtidos a partir da amostra colhida no local correspondeu a jatos de plasmas de arco. A inserção da Figura 2d mostra o padrão de difração de elétrons associados com o grafeno. O padrão hexagonal pontos de difração de elétrons apresenta as evidências de estruturas bem ordenadas de cristal.
Espectro Raman é uma ferramenta poderosa para a caracterização de grafeno flocos e SWCNT. Os picos típicos observados em grafeno são os picos G e 2D em ~ 1600 cm -1 e ~ 2700 centímetros -1, respectivamente, usando o comprimento de onda de excitação de 514 nm. O Gpico tem origem nas vibrações de avião que pode ser observado em todos os materiais de carbono sp2. O pico 2D é uma segunda ordem do pico D, mas é visto até mesmo em sistemas não desordenado, devido à ordem phonon quarto processo de dinâmica de troca de ressonância dupla. Ela desempenha um papel crucial na caracterização de grafeno. A intensidade I (2D) / I (G) é de aproximadamente 4 para o grafeno monocamada e diminui com a adição de camadas subsequentes, tornando assim possível estimar a espessura das camadas de grafeno. 11 Figura 3 indica que o valor de I (2D) / I (G) é de cerca de 1, que pode ser a evidência de algumas camadas de grafeno. O modo de respiração radial (RBM) entre 120 e 350 cm -1 no espectro Raman pode ser usada para identificar o diâmetro de nanotubos através da frequência de vibração coerente dos átomos C na direção radial. A relação experimental entre a freqüência e diâmetro SWCNT é RBM ω = A / t d + B, onde os parâmetros of A e B igual a 234 e 10 cm -1, respectivamente, para o SWCNT típico formado em feixes. Na Figura 3, as freqüências de RBM SWCNT sem e com campo magnético são 163,8 e 215,2 cm -1, correspondente à média diâmetros SWCNT individuais de 1,52 e 1,14 nm, respectivamente.
Figura 1. Distribuição do campo magnético simulado por software FEMM 4.2 (a), fotografia de jet arco plasmas da viewport direita (b), diagrama esquemático de eletrodos de posição e de campo magnético em direção a lacuna para o caso quando o gap intereletrodos está posicionado cerca de 75 mm acima do fundo do imã permanente (c), e uma fotografia do jet arco plasmas da viewport front (d).
Figura 2. Representante da imagem TEM como sintetizadosFeixes SWCNT sem campo magnético (a) e feixes SWCNT com o campo magnético (b), imagem SEM típicas de flocos de grafeno sintetizado com o campo magnético (c), e da imagem TEM de grafeno com o campo magnético. Inset é a área selecionada padrão de difração de elétrons mostrando a estrutura cristalina de grafeno.
Figura 3. Espectro Raman das amostras com o campo magnético na faixa de 100-3100 cm -1. Detalhe: o espectro Raman das amostras sem campo magnético ao redor freqüências RBM.
Figura 4. Nanoestrutura região de crescimento e densidade número de carbono e níquel para arco de 60 A. Note que as densidades de carbono e níquel mostrado no lado esquerdo e direito dos eletrodos, co-existem na mesma região.
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Discussion
Nos instantâneos de vídeo mostrado na figura 1b e 1d, para o caso que a diferença intereletrodos foi colocado a uma distância de cerca de h = 75 mm da base de ímã permanente, deve-se notar que a mudança de posição do ímã (que testamos mudança ímã ao longo eixo z e girando o ímã sobre) resulta em desvio do fluxo de jacto de arco eléctrico na direção x correspondente à direção de J × B força ilustrada na Figura 1c. Também foi observado que a geometria da coluna de plasma de arco não mudou através da remoção do catalisador de níquel do ânodo. Isto significa que a influência do campo magnético em movimento níquel partículas de catalisador não afeta a geometria geral da coluna de plasma. Podemos controlar a distribuição de campo magnético, alterando a posição do ímã permanente, e, conseqüentemente, a região de crescimento de nanoestruturas de carbono pode ser facilmente manipulado de acordo com a direção B × J. Flocos de grafeno são SWCNT e coletaTED, nas diferentes áreas, portanto, a separação é possível 8.
O jato plasmas gerados pela aplicação de campos magnéticos desempenha um papel importante durante o processo de síntese de grafeno na medida em que pode introduzir o calor e as partículas de carbono sublima do anodo para o J × B direção diretamente. O jato plasmas podem concentrar a densidade do plasma de arco e governar a entrega efetiva de partículas de íons de carbono no plasma de arco, e por sua vez, para melhorar a eficiência da produção de nanoestruturas de carbono. Além dos experimentos, simulações numéricas podem ser realizadas para obter a temperatura ea distribuição das espécies dentro do jato de plasma, que é muito difícil medir diretamente. A partir da distribuição de vários parâmetros de plasma, pode-se obter mais conhecimento sobre o mecanismo de crescimento e localização de formação das nanoestruturas. Por exemplo, as simulações realizadas sem campo magnético externo (Figura 4)mostrou que, a região provável do crescimento de nanoestruturas com base em mecanismo de crescimento da raiz, ou seja, carbono escoar adátomos através de clusters catalisador, fica apenas a região do arco de fora, onde as temperaturas são adequados para o crescimento do cluster de níquel. A figura mostra a região de crescimento delineada pelo isotermas correspondente ao início da nucleação de níquel (2500 K, interior) e solidificação de clusters (1000K, exterior), com densidades de número de níquel e de carbono no fundo.
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Disclosures
Não temos nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pela NSF / DOE Parceria em Plasma Ciência e Tecnologia (NSF Grant No. CBET-0853777 e DOE Grant No. DE-SC0001169), a Fase I do projeto STTR (NSF STTR FASE I No.1010133). Os autores gostariam de agradecer ao Programa de Pesquisa PPPL Offsite apoiado pelo Escritório do Fusion Energy Sciences para apoiar experiências 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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