Summary
Anodische Bogenentladung ist eines der praktischsten und effizientesten Methoden, um verschiedene Kohlenstoff-Nanostrukturen zu synthetisieren. Zur Erhöhung der Bogen Steuerbarkeit und Flexibilität, wurde ein nicht-homogenes Magnetfeld eingeführt, um die Ein-Schritt-Synthese von großflächigen Graphenflocken und hochreine einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren-Prozess.
Abstract
Kohlenstoff-Nanostrukturen wie Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNT) und Graphen ziehen eine Flut von Interesse von Gelehrten heutzutage aufgrund ihrer sehr vielversprechende Anwendung für molekulare Sensoren, Feldeffekt-Transistor und super dünne und flexible elektronische Geräte 1-4. Anodische Bogenentladung durch die Erosion des Anodenmaterials unterstützt ist eines der praktischsten und effizientesten Methoden, die bestimmte Nicht-Gleichgewichts-Prozessen und einem hohen Zustrom von Kohlenstoff-Material auf die Entwicklung von Strukturen bei relativ höheren Temperaturen bieten kann, und somit die as- synthetisierten Produkte haben einige strukturelle Mängel und bessere Kristallinität.
Zur weiteren Verbesserung der Steuerbarkeit und Flexibilität der Synthese von Kohlenstoff-Nanostrukturen in Bogenentladung, können magnetische Felder während der Synthese-Prozess nach dem starken magnetischen Reaktionen der Bogen Plasmen angewendet werden. Es konnte gezeigt werden, dass der magnetisch-enhanced arc discharge erhöhen die durchschnittliche Länge der SWCNT 5, schmalen Durchmesser Verteilung der metallischen Katalysators Partikel und Kohlenstoff-Nanoröhren 6, und ändern Sie das Verhältnis von metallischen und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren 7, sowie an Graphen-Synthese 8 führen.
Darüber hinaus lohnt es sich, zu bemerken, dass, wenn wir eine ungleichmäßige Magnetfeld vorstellen mit der Komponente normal zur Strom in Bogen, die Lorentz-Kraft entlang der J × B Richtung kann die Plasmen jet generieren und effiziente Bereitstellung von Kohlenstoff-Ionen-Partikeln und Wärmestrom zu Proben. Als Folge wurden umfangreiche Graphenflocken und hochreine einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren gleichzeitig durch solche neuen magnetisch-enhanced anodischen Lichtbogen-Verfahren erzeugt. Arc Bildgebung, Rasterelektronenmikroskop (SEM), wurden Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) und Raman-Spektroskopie eingesetzt, um die Charakterisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen zu analysieren. Diese Ergebnisse deuten auf einebreites Spektrum an Möglichkeiten, mit den Eigenschaften von Nanostrukturen in Plasmen durch Steuerung des Lichtbogens Bedingungen hergestellt manipulieren.
Protocol
1. Anode Vorbereitung
- Scale-Nickel-Pulver (99,8%, 300 mesh) und Yttrium Pulver (99,9%, 40 mesh) nach dem molaren Radio von 4,2:1 als Katalysator Pulver.
- Mix der Katalysator-Pulver mit Graphit-Pulver (99,9995%, 200 mesh) sehr gut. Füllen Sie das gemischte Pulver in hohle Graphitstab (5 mm Außendurchmesser, 2,5 mm Innendurchmesser und 75 mm Länge) fest. Achten Sie darauf, die gesamte molare Radio von C: Ni: Y in Anodenstange ist 94.8:4.2:1, ist die optimale Verhältnis zu SWCNT 9 zu synthetisieren.
- Installieren Kathodenstange (reine Graphit, 13 mm Durchmesser) und die gefüllten Anodenstange innen zylindrischen Kammer (Edelstahl, 152 mm Durchmesser und 254 mm Länge). Passen Sie die Lücke Abstand zwischen Kathode und Anode auf etwa 3 mm.
2. Substrat-Setup
- Legen Sie einen quaderförmigen Permanentmagneten (25 mm × 25 mm × 100 mm) in der Kammer bei etwa 25 mm Abstand von der interelectrode Achse. Der Ultra-High-Temp Alnico Magneten verwendetin Experiment hat das Gewicht von 650 Gramm. Verwenden Sie die Konfiguration, wenn der Lücke zwischen den im Abstand von ca. h = 75 mm (Abbildung 1a) von der Unterseite des Permanentmagneten befindet.
- Schneiden Sie die 0,3 mm Dicke Molybdänblech (99,95%) als die 25 mm × 100 mm rechteckige Form. Entfernen Sie Oberflächenkontamination durch Ultraschall Dismembrator in Aceton und Ethanol für 30 min mit 50% Beschallung Amplitude, 150 W Ausgangsleistung und 40 kHz-Frequenz.
- Installieren Molybdänblech Anbringen einer Seite des Permanentmagneten, und schalten Sie diese Seite in Richtung Elektroden.
- Messen Sie das magnetische Feld in der Lücke zwischen den von einem Gaussmeter. Halten Sie die mittlere magnetische Feld zwischen den Elektroden ist etwa 0,06 T.
3. Die Zündung des Lichtbogens Plasma
- Abpumpen des zylindrischen Kammer, um den Druck von weniger als 10 -1 Torr Vakuum und füllte ihn mit Helium (99,995%) bis 500 Torr.
- Connect Lichtbogenelektroden zu DC Welding Stromversorgung und Einrichten der Stromversorgung auf Lichtbogenstrom von etwa 75 A.
- Notieren Sie die Echtzeit-Werte von arc, Lichtbogenspannung und Kammerdruck für post-Experiment Analyse.
- Starten Sie das Video von Lichtbögen von der rechten Seite und Front Ansichtsfenster durch zwei digitale Kameras gleichzeitig. Die Snapshots nach 1 Bogensekunde ab, sind in Abbildung 1b gezeigt (von rechts Viewport) und Abbildung 1d (von vorne Viewport).
- Führen Sie den Bogen für 15 Sekunden. Cool down Kammer durch natürliche Konvektion für mindestens 20 Minuten.
4. Post-Synthese-Analyse und Charakterisierung
- Pinzette zum Abreißen der Ablagerung Flocken von der Oberfläche des Molybdän-Blatt, wo der Lichtbogen-Plasmen jet gerichtet war. Eine weitere Probe wird aus dem schwarzen Kragen der Kathode gesammelt. Beachten Sie die Morphologie der beiden Seiten der Ablagerung Flocke unter SEM (Beschleunigung von 30 kV verwendet wurde).
- Bezüglich der Probenvorbereitung für die TEM-Analyse, die dünnen Schichten der Probe wurden für Tropfen Gießen einer Suspension von Methanol-dispergierten SWCNT Lösung nach Beschallung für 60 Minuten mittels Ultraschall Dismembrator mit 50% Beschallung Amplitude erhalten. Beachten Sie die Morphologie der Dünnschicht unter JEOL TEM mit der Spannung von 100 KV nach der Verflüchtigung von Methanol-Lösung. Für die Position von Interesse in der Probe, kann Elektronenbeugung Muster mit der CCD-Kamera Länge von 50 cm mit TEM verbundenen bezogen werden.
- Wellenlänge 514 nm, die dem entspricht, Raman-Spektroskopie wurde an einem Mikro-Raman-System auf einem 200 mW Lexel 3000 Ar-Ionen-Laser (abstimmbare Single-Line-Ausgang), mit holografischen Optik, einem 0,5 m-Spektrometer und einem flüssigem Stickstoff gekühlte CCD-Detektor durchgeführt Energie von 2,33 eV. Raman-Messungen erfasst den Bereich von 100 cm -1 bis 3100 cm -1, und wurden auf der Oberfläche der Graphenflocken durchgeführt.
5. Repräsentative Ergebnisse
"> Die Video-Schnappschüsse gleichzeitig von rechts und vorne Ansichtsfenster der Kammer erhalten in Abbildung 1b gezeigt, d für h = 75 mm. Diese Bilder zeigen signifikante Störung des Lichtbogen-Plasma-Spalte in Anwesenheit eines externen magnetischen Feldes im Vergleich mit axialsymmetrischen Lichtbogensäule beobachtet in dem Fall ohne Magnetfeld 10.Abbildung 2a und 2b zeigen die typische Morphologie der SWCNT und Katalysatorteilchen auf dem Kragen der Kathode ohne Magnetfeld und mit dem Magnetfeld von B = 0,06 Tesla unter TEM erhoben, bzw.. Man erkennt, dass SWCNT mit Magnetfeld in Bündeln mit einem Durchmesser von 2 bis 20 nm durch die van der Waals-Wechselwirkung zwischen den einzelnen SWCNT dicht gepackten werden. Im Vergleich dazu haben die SWCNT ohne Magnetfeld mit dem größeren Durchmesser in Bündeln und größere individuelle Durchmesser, die im Einklang mit der Analyse von Raman-Spektrum ist. Auch das Magnetfeld can Ergebnis in der SWCNT mit höherer Reinheit in Abbildung 2a und 2b gezeigt.
Die interessantesten Einfluss des Magnetfeldes ist, dass Graphenflocken von der Oberfläche der Ablagerung Flocken, die in der Nähe von Molybdän Blech wird in den gleichen Verfahren erhalten werden. Abbildung 2c und 2d zeigen die SEM-und TEM-Aufnahmen von Graphen Flocken sowie einige- Schicht Graphen von der Probe an der Stelle entnommen wurden entsprach arc Plasmen Jets. Der Einschub in Abbildung 2d zeigt die Elektronen Beugungsmuster mit dem Graphen verbunden. Die sechseckige Muster aus der Elektronenbeugung präsentiert die Beweise des wohlgeordneten Kristallstrukturen.
Raman-Spektrum ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Graphen Flocken und SWCNT. Die typische Spitzen im Graphen beobachtet sind die G-und 2D-Peaks bei ~ 1600 cm -1 und ~ 2700 cm -1 bzw. mit der Anregungswellenlänge von 514 nm. Der GHöhepunkt ergibt sich aus in der Ebene Schwingungen, die in allen sp2 Kohlenstoff-Materialien beobachtet werden kann. Die 2D-Gipfel ist ein zweiter Ordnung der D Spitze, sondern ist auch in nicht ungeordneten Systemen, aufgrund der vierten Ordnung Phonon Impulsaustausch Doppelresonanz Prozess gesehen. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung von Graphen. Die Intensität I (2D) / I (G) ist ca. 4 für Monolayer Graphen und nimmt mit der Zugabe von weiteren Schichten, wodurch es möglich ist, die Dicke der Graphenschichten zu schätzen. 11 Abbildung 3 zeigt, dass der Wert von I (2D) / I (G) ist etwa 1, was den Nachweis der Graphen-Mehrfachschichten werden. Die radial breathing mode (RBM) zwischen 120 und 350 cm -1 in der Raman-Spektrum lässt sich die Nanoröhrchen Durchmesser durch die kohärente Schwingungsfrequenz der C-Atome in radialer Richtung zu identifizieren. Der experimentelle Zusammenhang zwischen der Häufigkeit und SWCNT Durchmesser ω RBM = A / d t + B, wobei die Parameter of A und B gleich 234 und 10 cm -1, für die typische SWCNT in Bündeln gebildet. Aus Abbildung 3 sind die RBM Frequenzen von SWCNT mit und ohne Magnetfeld 163,8 und 215,2 cm -1, entsprechend der durchschnittlichen individuellen SWCNT Durchmessern von 1,52 und 1,14 nm auf.
Abbildung 1. Vertrieb von magnetischen Feldes simuliert FEMM 4.2 Software (a), Foto des Bogens Plasmen Strahl aus der rechten Ansichtsfenster (b), schematische Darstellung von Elektroden Position und Richtung Magnetfeld in die Lücke für den Fall, wenn die Lücke zwischen den positioniert ist ca. 75 mm über dem Boden des Permanentmagneten (c), und ein Foto des Bogens Plasmen Strahl aus der frontalen Ansicht (d).
Abbildung 2. TEM-Bild von der SyntheseSWCNT Bundles ohne Magnetfeld (a) und SWCNT Bundles mit Magnetfeld (b), typische REM-Aufnahme von Graphen-Plättchen mit Magnetfeld (c) und TEM-Aufnahme von Graphen mit Magnetfeld synthetisiert. Inset ist der ausgewählte Bereich Elektronenbeugungsbild zeigt die kristalline Struktur von Graphen.
Abbildung 3. Raman-Spektrum der Proben mit magnetischen Feldes im Bereich von 100 bis 3100 cm -1. Inset: Raman-Spektrum der Proben ohne Magnetfeld um RBM Frequenzen.
Abbildung 4. Nanostruktur Wachstumsregion und Anzahldichte von Kohlenstoff und Nickel für Bogen von 60 A. Beachten Sie, dass die Dichten von Kohlenstoff und Nickel auf der linken und rechten Seite der Elektroden gezeigt, in der gleichen Region koexistieren.
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Discussion
In der Video-Schnappschüsse in Abbildung 1b und 1d gezeigt, für den Fall, dass die Lücke zwischen den im Abstand von ca. h = 75 mm von der Unterseite des Dauermagneten gebracht wurde, ist anzumerken, dass Veränderung der Position des Magneten (wir Magneten Verschiebung getestet werden entlang der z-Achse und Drehen des Magneten über) Ergebnisse in Abweichung von arc jet flow in x-Richtung, die Richtung der J × B Kraft in Abbildung 1c dargestellt. Es wurde auch beobachtet, dass die Geometrie der Lichtbogen-Plasma-Spalte nicht durch Entfernen des Nickel-Katalysators von der Anode zu ändern. Dies bedeutet, dass der Einfluss des Magnetfeldes auf Nickel-Katalysator Partikel Bewegung wirkt sich nicht auf allgemeine Geometrie der Plasma-Spalte. Wir können Verteilung des magnetischen Feldes durch Veränderung der Position der Permanentmagnet-Steuerung und folgerichtig der Wachstumsregion Kohlenstoff-Nanostrukturen können einfach nach dem J × B in Richtung manipuliert werden. SWCNT und Graphenflocken sind kollektiveTed in den verschiedenen Bereichen, also Trennung ist möglich 8.
Die Plasmen Jet durch die Anwendung von Magnetfeldern erzeugt spielt eine wichtige Rolle bei der Graphen-Synthese, da sie die Hitze und die sublimierte Kohlenstoff-Teilchen von der Anode können einzuführen, um die J × B Richtung direkt. Die Plasmen jet konzentrieren können die Dichte der Lichtbogen-Plasma-und Regierungschefs effektive Bereitstellung von Kohlenstoff-Ionen-Partikel in der Lichtbogen-Plasma, und im Gegenzug auf die Effizienz der Produktion von Kohlenstoff-Nanostrukturen zu verbessern. Zusätzlich zu den Experimenten können numerische Simulationen durchgeführt werden, um die Temperatur und die Verteilung der Arten in den Plasmastrahl, die sehr schwer direkt zu messen ist zu erhalten. Aus der Verteilung der verschiedenen Parameter des Plasmas, kann man mehr Einblick in das Wachstum Mechanismus und Ort der Nanostruktur Bildung zu bekommen. Zum Beispiel führte die Simulationen ohne externes Magnetfeld (Abbildung 4)zeigten, dass, liegt das wahrscheinlich Region von Nanostrukturen Wachstum auf das Wurzelwachstum Mechanismus, dh Kohlenstoff Adatome sickern durch Katalysator-Cluster, basierend außerhalb arc Region, wo die Temperaturen eignen sich für die Nickel-Cluster-Wachstum. Die Abbildung zeigt die Wachstumsregion durch Isothermen entsprechend dem Auftreten von Nickel Keimbildung (2500 K, innere) und Erstarren von Clustern (1000K, außen), mit der Nummer Dichten von Nickel und Kohlenstoff in den Hintergrund skizziert.
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Disclosures
Wir haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von NSF / DOE Partnership in Plasma Science and Technology unterstützt (NSF Grant No CBET-0853777 und DOE Grant No DE-SC0001169), STTR Projekt in Phase I (NSF STTR PHASE I No.1010133). Die Autoren möchten die PPPL Offsite Research Program des Office of Fusion Energy Sciences zur Unterstützung arc Experimente unterstützt haben.
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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