Gelijktijdig Synthese van enkelwandige koolstof nanobuisjes en grafeen in een magnetisch-enhanced Arc Plasma

Het algemene doel van het volgende experiment is het synthetiseren van enkelwandige koolstofnanobuisjes en grafeen via vlamboogontlading. Dit wordt gelijktijdig bereikt door eerst twee vlamboogelektroden, een anode en een kathode, voor te bereiden. De anode wordt geproduceerd met een specifieke verhouding van koolstof, nikkel en yttrium van 94,8 tot 4,2 tot één, en de kathode is een zuivere koolstofstaaf.

Vervolgens worden numerieke simulaties die de distributie van het magnetische veld en de soortdeeltjes weergeven, gebruikt om gedetailleerde informatie te verschaffen over de locatie van de synthese. Daarna worden de magneet en het molybdeenblad, dat als substraat dient, geïnstalleerd volgens de simulatieresultaten en wordt de boogontlading tussen de elektroden geïnitieerd. Er wordt een plasmastraal gevormd die enkelwandige koolstofnanobuisjes en grafeen afzet op het oppervlak van het molybdeenblad.

Uiteindelijk laat deze procedure een hoge zuiverheid van enkelwandige koolstofnanobuizen en grafeen zien op basis van transmissie-elektronenmicroscopie en scanning-elektronenmicroscopie, elektrondiffractiepatronen en Ramanspectra. Een visuele demonstratie van dit proces is essentieel omdat dit een uiterst complex proces is met vele stappen; in het bijzonder wanneer een niet-uniform magnetisch veld wordt gebruikt, biedt dit plasma-gebaseerde syntheseproces vele voordelen in vergelijking met chemische processen. Met name is er geen chemische afzuiging nodig, waardoor het proces milieuvriendelijk is. Daarnaast is er een enorm potentieel voor ontwikkeling op grote schaal.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van onze bestaande methoden, zoals chemische dampafzetting, is dat het mogelijk is om zowel een enkele wand buis als een fin van enkele lagen dik te synthetiseren in één enkele stap via boogontlading. Dit experiment demonstreert in feite de methodologie van hoe de controle van boogontlading met behulp van externe magnetische velden kan worden ingezet om verschillende soorten nanostructuren te synthetiseren, zoals nanobuizen of grafeen. Het ontwerp van deze techniek is gebaseerd op grote krachten in magnetisch versterkte bogen.

Daarnaast is de numerieke simulatie van de verdeling van het magnetisch veld en de bestanddelen cruciaal om de groei van nanodeeltjes te begrijpen. Om anodes voor te bereiden, combineer nikkelpoeder en atriumpoeder in een molaire verhouding van 4,2 op één als katalysatorpoeder. Meng het katalysatorpoeder grondig met grafietpoeder om een verhouding van 94,8 op 4,2 op één van koolstof, nikkel en atrium te verkrijgen, wat de optimale verhouding is voor de synthese van enkelwandige koolstofnanobuisjes. Vul het mengsel van poeder stevig in een holle grafietstaaf. Plaats een kathodestaaf en de gevulde anodestaaf in de cilindrische kamer.

Stel de spleetafstand tussen de kathode en anode in op ongeveer drie millimeter. Om het substraat op te stellen, plaatst u een OID permanente magneet in de kamer, ongeveer 25 millimeter verwijderd van de as tussen de elektroden. In deze configuratie is de spleet tussen de elektroden ingesteld op een afstand van ongeveer 75 millimeter vanaf de onderkant van de permanente magneet.

Snijd een medium vel met een dikte van 0,3 millimeter in een rechthoek van 25 millimeter bij 100 millimeter met behulp van een ultrasone snijmachine met aceton en ethanol. Verwijder oppervlakteverontreinigingen gedurende 30 minuten met een sonische amplitude van 50%, een uitgangsvermogen van 150 watt en een frequentie van 40 kilohertz. Bevestig het MA-liptumvel aan één zijde van de permanente magneet en richt deze zijde naar de elektroden.

Meet met een gaussmeter het magnetisch veld in de tussenruimte van de elektroden. Houd het gemiddelde magnetische veld tussen de elektroden op ongeveer 0,06 Tesla om het boogplasma te ontsteken.

Pomp de cilindrische kamer af tot een druk van minder dan 0,1 Torr vacuüm en vul deze vervolgens met helium tot 500 Torr. Sluit de boogelektroden aan op een gelijkstroom-lasvoeding en stel de voeding in op een boogstroom van ongeveer 75 A. Registreer de realtime waarden van de boogstroom, boogspanning en kamerdruk voor analyse na het experiment.

Start de video-opnamen van het vlamboogproces vanaf het rechter- en voor-viewport gelijktijdig met twee digitale camera's. Houd de vlamboog 15 seconden aan. Laat de kamer gedurende ten minste 20 minuten afkoelen door natuurlijke convectie.

Wanneer de synthese is voltooid, gebruik dan een pincet om de depositievlok af te scheuren van het oppervlak van het Meum-vel waar de boogplasmastroom op was gericht. Verzamel een ander monster uit de zwarte kraag van de kathode. Observeer de morfologie van beide zijden van de depositievlok onder een scanning elektronenmicroscoop met een versnellingsspanning van 30 kilovolt.

Om monsters voor transmissie-elektronenmicroscopie voor te bereiden, wordt een in methanol gedispergeerde oplossing van single-wall koolstofnanobuisjes 60 minuten lang gesoniceerd. Gebruik hiervoor een ultrasoon apparaat met een sonische amplitude van 50%. Laat de suspensie vervolgens via drop-casting neerslaan. Observeer de morfologie van de film met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop bij een versnellingsspanning van 100 kilovolt nadat de methanoloplossing is verdampt. Voor het gebied van interesse in het monster kan het elektrondiffractiepatroon worden verkregen met een CCD-camera op een afstand van 50 centimeter. Observeer de TEM-beelden van de gesynthetiseerde structuren.

Observeer het getoonde elektrondiffractiepatroon van het monster. Hier zijn videostills die gelijktijdig zijn verkregen vanuit de rechter- en voorzijde-kijkpoorten van de kamer bij een elektrodekloofhoogte van 75 millimeters. Deze beelden illustreren een aanzienlijke verstoring van de vlamboogplasmakolom in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld.

Deze afbeeldingen tonen de typische morfologie van enkelwandige koolstofnanobuizen en katalysatorpartikels verzameld op de kathode respectievelijk zonder magnetisch veld en met een magnetisch veld van B gelijk aan 0,06 Tesla onder TEM. Nanobuizen verzameld zonder magnetisch veld vormen bundels met een grotere diameter en hebben grotere individuele diameters, wat consistent is met de ramen-spectrumanalyse.

Het magnetische veld resulteerde bovendien in een zuiverdere collectie nanobuisjes dan zonder het magnetische veld. Hier is een Raman-spectrum van monsters in een bereik van 100 tot 3.100 cm⁻¹ verkregen met een magnetisch veld. De inzet toont monsters zonder magnetisch veld rond de frequenties van de radiale ademhalingsmodus.

De intensiteit van de 2D-piek gedeeld door de intensiteit van de G-piek wordt gebruikt om de dikte van de grafeenlagen te schatten. Dit spectrum produceert een intensiteitswaarde van ongeveer één, wat aangeeft dat het aantal grafeenlagen rond de twee ligt. Deze animatie toont het groeigebied van de nanostructuur en de numerieke dichtheid van koolstof, nikkel en atrium voor een boogstroom van 60 amps.

Let op dat de dichtheden van koolstof, nikkel en atrium die in de rechter-, linker- en verticale vlakken worden getoond, na ontwikkeling in dezelfde regio co-existeren. Deze techniek zal onderzoekers de mogelijkheid bieden om te werken aan magnetisch gestuurde synthese van zowel single-wall tubes als fuel graphy, waarbij eigenschappen van single-wall tubes zoals lengte en diameter kunnen worden beheerst. En wat betreft grafeen kan het aantal lagen worden beheerst.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van chemisch gebaseerde synthese is dat er geen chemische afzuiging nodig is en dat het daarom van aard milieuvriendelijk is. Eenmaal beheerst, kan dit in 30 minuten worden voltooid mits het correct wordt uitgevoerd. Het is belangrijk om op te merken dat de richting van de plasmastraal naar het substraat zeer cruciaal is voor het gehele syntheseproces.

De eerste plasmastraal brengt een koolstofsoort naar het substraat die nodig is voor de synthese van een product, en de tweede plasmastraal levert een warmteflux aan het substraat, waardoor gunstige temperatuuromstandigheden ontstaan voor de synthese van grafeen. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals het bewegen van het substraat, worden toegepast om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals de beheersbaarheid van de grafeedikte.