Summary
Anodisk bue decharge er en af de mest praktiske og effektive metoder til at syntetisere forskellige kulstof nanostrukturer. At øge bue styrbarhed og fleksibilitet, var en ikke-ensartet magnetfelt indført til at behandle et-trins syntese af store graphene flager og høj renhed single-walled carbon nanorør.
Abstract
Carbon nanostrukturer som single-walled carbon nanorør (SWCNT) og graphene tiltrække en syndflod af interesse for lærde i dag på grund af deres meget lovende ansøgning om molekylære sensorer, felt effekt transistoren og super tynd og fleksibel elektronisk udstyr 1-4. Anodisk bue udledning støttet af erosion af anodemateriale er en af de mest praktiske og effektive metoder, der kan give specifikke ikke-ligevægt processer og en stor tilstrømning af kulstof materiale til at udvikle strukturer på relativt højere temperatur, og dermed as- syntetiserede produkter har nogle strukturelle mangler og bedre krystallinitet.
For yderligere at forbedre styrbarhed og fleksibilitet i syntese af kulstof nanostrukturer i Arc udledning, kan magnetfelter anvendes under syntesen udvælgelsesprocessen efter de stærke magnetiske reaktioner bue plasmaer. Det blev påvist, at magnetisk med forbedret arc DischARGE kan øge den gennemsnitlige varighed af SWCNT 5, smalle diameteren fordelingen af metallisk katalysator partikler og kulstof nanorør 6, og ændre forholdet mellem metalliske og halvledende kulstof-nanorør 7, samt føre til graphene syntese 8.
Desuden er det værd at bemærke, at når vi indfører et ikke-ensartet magnetfelt med den komponent vinkelret på strøm i bue, kan Lorentz kraft langs J × B retning generere plasma jet og gøre effektiv levering af kulstof ion partikler og varmeflux til prøver. Som følge heraf blev store graphene flager og høj renhed single-walled carbon nanorør samtidigt genereres af sådanne nye magnetisk forbedret anodisk bue metode. Arc billedbehandling, scanning elektron mikroskop (SEM), blev transmissions elektron mikroskop (TEM) og Raman spektroskopi ansat til at analysere karakterisering af kulstof nanostrukturer. Disse resultater tyder på enbredt spektrum af muligheder for at manipulere med de egenskaber af nanostrukturer fremstilles i plasmaer, ved at kontrollere den bue betingelser.
Protocol
1. Anode forberedelse
- Scale nikkel pulver (99,8%, 300 mesh) og yttrium pulver (99,9%, 40 mesh) i henhold til den molære radioen i 4.2:1 som katalysator pulver.
- Bland Katalysatorpulver med grafit pulver (99,9995%, 200 mesh) meget godt. Fyld den blandede pulveret i hule grafit stang (5 mm ydre diameter, 2,5 mm indvendig diameter og 75 mm længde) fast. Sørg for, at den totale molære radioen i C: Ni: Y i anode stang er 94.8:4.2:1, som er optimale forhold til at syntetisere SWCNT 9.
- Installer katode Rod (ren grafit, 13 mm i diameter) og de udstoppede anoden stangen inde cylinderformet kammer (rustfrit stål, 152 mm i diameter og 254 mm længde). Juster afstanden afstanden mellem katode og anode til omkring 3 mm.
2. Substrat opsætning
- Placer en kasseformet permanent magnet (25 mm × 25 mm × 100 mm) inde i kammeret på omkring 25 mm afstand fra interelectrode akse. Ultra-High-Temp Alnico bruges magneti eksperimentet har vægten på 650 gram. Brug konfigurationssiden når interelectrode forskellen er placeret på afstand af ca h = 75 mm (figur 1a) fra bunden af permanente magneter.
- Skær 0,3 mm tykkelse molybdæn ark (99,95%) som de 25 mm × 100 mm, firkantet form. Fjern overfladeforurening ved ultralyd dismembrator i acetone og ethanol i 30 min med 50% sonicating amplitude, 150 W udgangseffekt og 40 kHz frekvens.
- Installer molybdæn ark knytter den ene side af permanent magnet, og drej denne side mod elektroder.
- Mål magnetfeltet i interelectrode hul af en Gaussmeter. Hold den gennemsnitlige magnetfelt mellem elektroderne er ca 0,06 T.
3. Tænding af lysbue plasma
- Pump ned cylinderformet kammer til tryk på mindre end 10 -1 Torr vakuum og så fyldte det med helium (99,995%) til 500 Torr.
- Slut bue elektroder til DC welding strømforsyning og oprettede i strømforsyningen på bue strøm på omkring 75 A.
- Optag real-time værdier bue strøm, bue spænding og kammer tryk til post-eksperiment analyse.
- Start videoen af gnistdannelse fra højre og forreste viewports af to digitale kameraer samtidigt. De snapshots efter 1 sekund af bue starter er vist i figur 1b (fra højre viewport) og Figur 1d (forfra viewport).
- Kør bue i 15 sekunder. Køl ned kammer ved naturlig konvektion i mindst 20 minutter.
4. Post-syntese analyse og karakterisering
- Brug en pincet til at rive depositionen flake fra overfladen af molybdæn ark, hvor buen plasma jet var rettet. En anden prøve er indsamlet fra den sorte krave af katode. Overhold morfologi begge sider af deposition flagefoder under SEM (acceleration spænding på 30 kV blev brugt).
- Med hensyn til prøveforberedelse for TEM-analyse, tynde film af prøven blev opnået ved dråbe støbning en suspension af methanol-spredte SWCNT løsning efter sonicating i 60 minutter ved hjælp af ultralyd dismembrator med 50% sonicating amplitude. Overhold morfologi af den tynde film under JEOL TEM med spænding på 100 kV efter fordampning af methanol løsning. Til stillingen af interesse i prøven, kan elektron diffraktionsmønster opnås med CCD-kamera længde på 50 cm er forbundet med TEM.
- Raman spektroskopi blev udført på en mikro-Raman system baseret på en 200 mW Lexel 3000 Ar-ion laser (afstemmelige enkelt linie output), med holografisk optik, en 0,5 m spektrometer og en flydende kvælstof kølet CCD-detektor, bølgelængde 514 nm, hvilket svarer til den energi 2,33 eV. Raman målinger dækkede område på 100 cm -1 til 3100 cm -1, og blev udført på overfladen af graphene flager.
5. Repræsentative resultater
"> Den video snapshots opnået samtidig fra højre og foran viewports af kammeret er vist i figur 1b, d for h = 75 mm. Disse billeder illustrerer en betydelig forstyrrelse af bue plasma-kolonne i overværelse af ydre magnetfelt i sammenligning med aksialt symmetrisk bue kolonne observeret i sagen uden et magnetfelt 10.Figur 2a og 2b viser typiske morfologi SWCNT og katalysator partikler indsamlet på kraven af katoden uden magnetfelt og med det magnetiske felt på B = 0,06 Tesla under TEM, hhv. Det kan ses, at SWCNT med magnetiske felt er tæt pakket ind i bundter med en diameter fra 2 til 20 nm på grund af van der Waals vekselvirkning mellem de enkelte SWCNT. Til sammenligning har de SWCNT uden magnetfelt større diameter i bundter og større individuelle diameter, hvilket er i overensstemmelse med en analyse af Raman spektrum. Også det magnetiske felt CAn resultere i SWCNT med højere renhed vist i figur 2a og 2b.
Det mest interessante indflydelse af det magnetiske felt er, at graphene flager kan fås fra overfladen af depositionen flager, der er tæt på molybdæn ark i samme proces. Figur 2c og 2d viser SEM og TEM billeder af graphene flager samt få- lag graphene opnås fra stikprøven, der træffes på det sted, svarede til bue plasmaer jets. De indsatte i figur 2d viser elektroner diffraktionsmønster forbundet med graphene. Den sekskantede prikker mønster af elektrondiffraktion præsenterer beviser for velordnede krystalstrukturer.
Raman spektrum er et kraftfuldt værktøj til karakterisering af graphene flager og SWCNT. Den typiske toppe observeret i graphene er G-og 2D topper ved ~ 1600 cm -1 og ~ 2700 cm -1 henholdsvis ved hjælp af excitation bølgelængde på 514 nm. Gpeak stammer fra i plan vibrationer, som kan iagttages i alle SP2 carbon materialer. 2D-peak er en anden ordens af D peak, men ses også hos ikke uordnede systemer, på grund af den fjerde orden Phonon impulsudvekslingen dobbelt resonans proces. Det spiller en afgørende rolle i karakterisering af graphene. Intensiteten I (2D) / I (G) er ca 4 for éncellelag graphene og falder med tillæg af efterfølgende lag, hvilket gør det muligt at estimere tykkelsen af graphene lag. 11 Figur 3 viser, at værdien af I (2D) / I (G) er omkring 1, hvilket kan være tegn på par-lag graphene. Den radiale vejrtrækning tilstand (RBM) mellem 120 og 350 cm -1 i Raman spektrum kan bruges til at identificere nanorør diameter gennem en sammenhængende vibrationsfrekvens af C-atomer i radial retning. Den eksperimentelle forholdet mellem frekvens og SWCNT diameter er ω RBM = A / D t + B, hvor de parametre, of A og B, lig med 234 og 10 cm -1, henholdsvis for de typiske SWCNT dannet i bundter. Fra Figur 3, er RBM frekvenser af SWCNT uden og med magnetfelt 163,8 og 215,2 cm -1, svarende til den gennemsnitlige individuelle SWCNT diameter på 1,52 og 1,14 nm, hhv.
Figur 1. Fordeling af magnetfelt simuleres ved FEMM 4,2 software (a), fotografi af bue plasmaer jet fra højre viewport (b), skematisk diagram af elektroder position og retning magnetiske felt i gabet for tilfældet, når interelectrode kløften er placeret ca 75 mm over bunden af permanent magnet (c), og foto af bue plasmaer jet forfra viewport (d).
Figur 2. Repræsentant TEM billede af as-syntetiseredeSWCNT bundter uden magnetfelt (a), og SWCNT bundter med magnetisk felt (b), typisk SEM billede af graphene flager syntetiseret med magnetisk felt (c), og TEM billede af graphene med magnetiske felt. Indsat er det valgte område elektrondiffraktion mønster viser krystalstruktur af graphene.
Figur 3. Raman spektrum af prøverne med magnetiske felt i intervallet 100 til 3100 cm -1. Indsat: Raman spektrum af prøver uden magnetiske felt omkring RBM frekvenser.
Figur 4. Nanostruktur vækstregion og antal tæthed af kulstof og nikkel til bue på 60 A. Bemærk at tætheder af kulstof og nikkel er vist på venstre og højre side af elektroder, sameksistere i samme region.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I videoen snapshots vist i figur 1b og 1d, for det tilfælde, at interelectrode kløften blev placeret i en afstand af ca h = 75 mm fra bunden af permanent magnet, skal det bemærkes, at ændring af magnet stilling (vi testede magnet skift langs z-aksen og dreje magnet over) resulterer i afvigelse af bue jet flow i x-retning svarende til retning af J × B kraft illustreret i figur 1c. Det blev også bemærket, at geometri Arc plasma kolonne ikke ændrede ved at fjerne nikkel katalysator fra anoden. Det betyder, at indflydelsen af magnetiske felt på nikkel katalysator partikler bevægelse ikke påvirke den samlede geometri af plasma kolonne. Vi kan kontrollere spredning af et magnetfelt ved at ændre placeringen af permanent magnet, og som følge heraf den vækstregion af kulstof nanostrukturer kan nemt manipuleres efter J × B retning. SWCNT og graphene flager er indsamlingTED i de forskellige områder, og dermed adskillelse er muligt 8.
Den plasmaer jet genereres ved anvendelse af magnetfelter spiller en vigtig rolle i graphene syntese processen, idet den kan indføre varmen og sublimeret kulpartikler fra anoden til J × B retning direkte. Den plasmaer jet kan koncentrere tætheden af den bue plasma og styre effektiv levering af kulstof ion partikler i lysbuen plasma, og til gengæld, for at forbedre produktionseffektiviteten af kulstof nanostrukturer. Ud over de eksperimenter, kan numeriske simuleringer gennemføres for at opnå den temperatur og artsfordeling inde i plasma-jet, som er meget vanskeligt at måle direkte. Fra distribution af forskellige parametre af plasma, kan man få mere indsigt i vækst mekanisme og placering af nanostruktur dannelse. For eksempel gennemførte simuleringer, uden ydre magnetfelt (Figur 4)viste, at den sandsynlige regionen af nanostrukturer vækst baseret på rodvækst mekanisme, dvs carbon adatoms sive gennem katalysator klynger, ligger lige uden bue region, hvor temperaturerne er egnet til de nikkel klynge vækst. Figuren viser vækstregion skitseret af isotermer, der svarer til udbrud af nikkel nukleær (2500 K, indre) og størkning af klynger (1000k, ydre), med nummer tætheder af nikkel og kulstof i baggrunden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af NSF / DOE partnerskab i plasma Videnskab og Teknologi (NSF Grant No CBET-0853777 og DOE Grant No DE-SC0001169), STTR Fase I-projektet (NSF STTR FASE I No.1010133). Forfatterne vil gerne takke PPPL Offsite forskningsprogram støttet af Office of Fusion Energy Sciences for at støtte bue eksperimenter.
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).
