Summary
陽極アーク放電は、種々の炭素ナノ構造体を合成するための最も実用的かつ効率的な方法のひとつです。アークの制御性と柔軟性を高めるために、不均一な磁場が大規模なグラフェンのフレークおよび高純度単層カーボンナノチューブの一段階合成を処理するために導入されました。
Abstract
このような単層カーボンナノチューブ（SWCNT）とグラフェンなどの炭素ナノ構造体は、分子センサー、電界効果トランジスタと超薄型でフレキシブルな電子デバイス1-4の彼らの非常に有望なアプリケーションに、今日のための学者の関心の大洪水を引き付ける。陽極材料の浸食によってサポートされている陽極アーク放電は、比較的高い温度での開発の構造に特有の非平衡過程と炭素材料の高流入を提供することができる最も実用的かつ効率的な方法のいずれか、およびその結果であるとして、合成された製品は、いくつかの構造欠陥とより良い結晶性を持っている。
さらにアーク放電におけるカーボンナノ構造体の合成の制御性と柔軟性を向上させるために、磁場は、アークプラズマの強力な磁気応答に応じて合成プロセス中に適用することができます。それは、磁気強化アークディッシュことが実証されたARGEは、SWCNT 5の平均の長さを増加させる金属触媒粒子とカーボンナノチューブ6の直径分布を狭くし、金属と半導体カーボンナノチューブ7の比率を変更するだけでなく、グラフェン合成8につながることができます。
さらに、それは我々が弧で現在の法線成分と不均一な磁場を導入すると、J × Bの方向に沿ってローレンツ力は、プラズマジェットを生成し、炭素のイオン粒子の効果的な配信を行うことができるマーキングする価値があると試料への熱流束。その結果、大規模なグラフェンのフレークおよび高純度単層カーボンナノチューブは、同時にそのような新しい磁気強化された陽極アーク法によって生成されました。アークイメージングは、電子顕微鏡（SEM）走査型、透過型電子顕微鏡（TEM）およびラマン分光法は、カーボンナノ構造体の特性を分析するために用いられた。これらの知見は示しているアークの条件を制御することによりプラズマで生産ナノ構造の特性と操作する機会の広いスペクトル。
Protocol
1。アノードの準備
- 触媒粉末として4.2:1のモルラジオによると規模ニッケル粉末（99.8％、300メッシュ）とイットリウム粉末（99.9％、40メッシュ）。
- 非常によく黒鉛粉末と触媒粉末（99.9995パーセント、200メッシュ）を混ぜる。しっかりと中空のグラファイト棒（5mmの外径は、2.5内径と75mmの長さ）に混合した粉体を埋める。ニッケル：：アノードロッドのYは94.8:4.2:1場合、SWCNT 9合成する最適な比率であるCの合計モルラジオを確認してください。
- 陰極棒（純粋なグラファイト、13mmの直径）と円筒形のチャンバー内部の詰め物を陽極ロッド（ステンレス製、152 mm径と254 mmの長さ）をインストールします。約3 mmにカソードとアノードとの間のギャップ距離を調整します。
2。基板のセットアップ
- 電極間軸から約25 mmの距離でチャンバー内の直方体の永久磁石（25ミリメートル× 25ミリメートル× 100 mm）を置きます。使用される超高温度アルニコ磁石実験で650グラムの重量は持っています。電極間ギャップは、永久磁石の底部からH約= 75ミリメートル（ 図1a）の距離に配置された構成を使用してください。
- 25ミリメートル× 100mmの長方形の形状として0.3mm厚のモリブデンシート（99.95％）カット。 50パーセント超音波処理の振幅、150ワットの出力電力と40 kHzの周波数で30分間アセトンおよびエタノールで超音波dismembratorによる表面汚染を削除します。
- 永久磁石の片側を接続するモリブデンシートをインストールし、電極に向かってこちら側に回します。
- ガウスメーターにより、電極間ギャップに磁界を測定します。電極間の平均磁界は約0.06 Tの維持
3。アークプラズマの着火
- 圧力未満10 -1 Torrの真空としてヘリウム（99.995パーセント）でそれを埋め〜500 Torrに円筒状のチャンバーをポンプダウン。
- DC weldiにアーク電極を接続するngの電源と約75 Aの電流をアークに電源を設定する
- アーク電流、アーク電圧とポスト実験解析のためのチャンバ圧力のリアルタイム値を記録します。
- 同時に二つのデジタルカメラで右と正面ビューポートからアークのビデオを始める。弧の1秒は起動後にスナップショットは、 図1bに示すように、（右ビューポートから）と図1d（フロントビューポートから）されています。
- 15秒間のアークを実行します。少なくとも20分間自然対流によってチャンバを冷やす。
4。合成後の解析と特性評価
- アークプラズマジェットが指示されたモリブデンシートの表面から沈着のフレークをティアオフするピンセットを使用してください。別のサンプルは、カソードの黒襟から収集されます。 SEMの下に堆積フレーク（30 KVの加速電圧が使われていた）の両側の形態を観察。
- のための試料調製に関しては TEM分析、サンプルの薄膜は、50％振幅の超音波処理と超音波dismembratorを使用して60分間超音波処理した後、メタノール分散SWCNTソリューションの懸濁液をキャストしドロップすることによって得られた。メタノール溶液の揮発後に100 KVの電圧でJEOL TEM下で薄膜の形態を観察。試料中の目的の位置については、電子線回折パターンはTEMに関連付けられている50cmのCCDカメラの長さを得ることができます。
- ラマン分光法は、ホログラフィック光学系、0.5 mの分光器とCCD検出器冷却液体窒素で、200 mWのLexel 3000 Arイオンレーザー（波長可変シングルライン出力）に基づいて、顕微ラマンシステム上で実行され、波長に対応する514 nmの2.33 eVのエネルギー。ラマン測定は、100 cm -1【〜3100 cm -1の範囲をカバーし、グラフェンフレークの表面に実施した。
5。代表的な結果
"チャンバーの右側と正面ビューポートから同時に得られる>ビデオスナップショットを図1bに示されて、時間D = 75 mmである。これらの画像は、軸対称アーク柱と比較して、外部磁界の存在下でアークプラズマ柱の重要な摂動を示しています磁気フィールド10のない場合に観察された。図2aおよび2bは 、それぞれ、磁場のない陰極の襟にとTEMの下でB = 0.06テスラの磁場で収集したSWCNTや触媒粒子の典型的な形態が表示されます。それは、磁場を持つSWCNTは2〜20 nmのため、個々のSWCNTの間にファンデルワールス相互作用の範囲の直径を持つバンドルに密であることがわかる。比較では、磁場のないSWCNTはバンドルの直径が大きいとラマンスペクトルの解析と一致している大規模な個々の直径を、持っている。また、磁場CA図2a及び2bに示すように、より高い純度を持つSWCNT内のn個の結果。
磁場の中で最も興味深い影響がグラフェン薄片が同じプロセスでモリブデンシートに近い堆積フレークの表面から得られることである。 図2Cおよび2Dは グラフェンフレークのSEMおよびTEM像を示すだけでなく、いくつかの、場所で採取したサンプルから得られた層のグラフェンは、アークプラズマジェットに相当する。 図2dの挿入図は、グラフェンに関連付けられた電子回折パターンを示しています 。電子線回折の六角形のドットパターンは規則正しい結晶構造の証拠を提示。
ラマンスペクトルは、グラフェンのフレークとSWCNTの特性評価のための強力なツールです。グラフェンで観測された典型的なピークは514 nmの励起波長を使用して、〜1600 cm -1にすると-1をそれぞれ〜2700センチメートルでGと2Dのピークです。 Gピークは、すべてのsp2炭素材料で観察することができる面内振動に起因しています。 2Dピークは、四次のフォノンの運動量の交換二重共鳴過程に起因するDピークの二階ですが、さらに非乱れた系で見られている。それは、グラフェンの特性評価において重要な役割を果たしている。私（2D）/ I（G）強度がこういった可能性グラフェン層の厚さを推定すること、それに続く層の追加により、約4単層グラフェンと減少するためである。11 図3は、私の値（2D）ことを示しています/ I（G）は、数層グラフェンの証拠とすることができる、1付近です。 120およびラマンスペクトルに-1 350センチメートルの間にラジアルブリージングモード（RBM）は半径方向のC原子のコヒーレント振動の周波数を通じて、ナノチューブの直径を識別するために使用することができます。周波数とSWCNTの直径の間に実験的な関係は、ωRBMです= A / D T + B、パラメータOバンドル内に形成された典型的なSWCNTのためのそれぞれf Aおよび234と10cm -1に等しいB、、。 図3から、なしと磁場によるSWCNTのRBM周波数は1.52と1.14 nmの平均個々のSWCNTの直径に相当する163.8と215.2センチメートル-1、それぞれです。
図1。FEMM 4.2ソフトウェアでシミュレート磁場の分布（）、右のビューポート（B）、電極間ギャップが配置されている場合のギャップの電極の位置と方向磁界の模式図から、アークプラズマジェットの写真永久磁石の底部（c）は上記の約75mm、およびアークプラズマの写真正面ビューポート（D）からジェット。
図2のような合成の代表的なTEM像磁場なしのSWCNTバンドル（）と磁場（B）、磁場（C）、および磁場を持つグラフェンのTEM像と合成されたグラフェン薄片の代表的なSEM像とSWCNTバンドル。挿入図は、グラフェンの結晶構造を示す、選択した領域の電子回折パターンです。
図3。100〜3100センチメートル-1の範囲の磁場で試料のラマンスペクトル。挿入図：RBM周波数の周りの磁場のない試料のラマンスペクトル。
図4電極の左側と右側に示すように、炭素とニッケルの密度は、同じ地域で共存している60 Aの注の弧のための炭素とニッケルのナノ構造の成長領域と数密度。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
電極間ギャップは、永久磁石の底部から約H = 75 mmの距離に配置されている場合のために、 図1bおよび1Dに示すようにビデオのスナップショットでは、磁石の位置の変化が（我々は磁石のシフトをテストすることに留意すべきであるz軸に沿ってと磁石をめくっ） 図1cに示すJ × B力の方向に対応するx方向のアークジェット流れの偏差の結果。また、アークプラズマ柱の形状は、陽極からニッケル触媒を除去することによって変更されていないことが観察された。これは、ニッケル触媒粒子の運動に対する磁場の影響がプラズマ柱の全体的な形状に影響しないことを意味します。我々は、永久磁石の位置を変更することにより、磁場の分布を制御することができます、そして結果的にカーボンナノ構造の成長領域が容易にJ × Bの方向にしたがって操作することができます。 SWCNTとグラフェンのフレークはcollecですさまざまな分野でのテッドは、このように分離は8が可能です。
磁場のアプリケーションによって生成されたプラズマジェットは、それがJ × Bの方向に直接陽極からの熱と昇華炭素粒子を導入できるという点でグラフェン合成プロセスの間に重要な役割を果たしている。プラズマジェットは、アークプラズマの密度を集中し、アークプラズマにおける炭素イオンの粒子の効果的な配信を支配する、と順番に、カーボンナノ構造体の生産効率を向上させることができる。実験に加えて、数値シミュレーションは、直接測定することは非常に困難であるプラズマジェット、内部の温度と種の分布を得るために行うことができます。プラズマの様々なパラメータの分布から、人は成長機構とナノ構造形成の場所に多くの洞察を得ることができます。例えば、シミュレーションでは、外部磁場（ 図4）することなく実施ことを示した、根の成長メカニズム、触媒クラスターを通じてすなわち炭素の吸着原子の湧出、に基づいて、ナノ構造の成長の可能性の領域では温度がニッケルクラスターの成長に適しているだけで外弧領域を、ある。図は、バックグラウンドでニッケルと炭素の数密度を持つクラスタのニッケルの核形成の開始（2500 K、インナー）と凝固（1000K、外側）、に対応する等温線で概説成長領域を示しています。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
我々は、開示することは何もない。
Acknowledgments
この作品は、プラズマ理工学におけるNSF / DOEパートナーシップ（NSFグラント号CBET - 0853777およびDOEグラント番号DE - SC0001169）、STTRフェーズIプロジェクト（NSF STTR PHASE I No.1010133）によってサポートされていました。著者らは、アークの実験をサポートするための核融合エネルギー科学のオフィスによってサポートされているPPPLオフサイトの研究プログラムに感謝します。
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).
