Summary
阳极电弧放电合成各种碳纳米结构的最实际和最有效的方法之一。为了提高电弧的可控性和灵活性，非均匀磁场被引入大型石墨片和高纯度的单壁碳纳米管的过程中一步合成。
Abstract
如单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨的碳纳米结构吸引蜂拥而至时下由于他们非常有前途的应用分子传感器，场效应晶体管，超薄，灵活的电子设备1-4学者的兴趣。阳极弧放电的阳极材料的侵蚀支持是最实际和最有效的方法之一，它可以提供特定的非平衡过程和碳材料的大量涌入，在相对较高的温度发展中国家的结构，因此，作为合成产品有一些结构上的缺陷和更好的结晶。
为了进一步提高电弧放电合成碳纳米结构的可控性和灵活性，磁场可以被应用在合成过程中根据电弧等离子体的强磁场的反应。事实证明，磁增强弧dischARGE可以增加5的单壁碳纳米管的平均长度，狭窄的金属催化剂颗粒和碳纳米管 6的直径分布，并改变金属的比例和半导体碳纳米管，以及导致石墨合成8。
此外，它是值得的备注，当我们引进与正常的电弧电流的组件非均匀磁场，洛伦兹力J × B的方向沿可以产生等离子体喷射，使碳离子颗粒有效地提供和热通量的样本。因此，大型石墨片和高纯度的单壁碳纳米管，同时产生这种新的磁增强阳极弧方法。电弧成像，扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM）和拉曼光谱来分析碳纳米结构的表征。这些结果表明广泛的机会来操作，通过控制电弧条件产生的等离子体中的纳米结构的特性。
Protocol
1。阳极制备
- 规模的镍粉（99.8％，300目）和钇粉（99.9％，40目）按4.2:1作为催化剂粉末的摩尔电台。
- 混合石墨粉末的催化剂粉末（99.9995％，200目），非常好。填充到中空石墨棒（外直径5毫米，2.5毫米内径和75毫米的长度）牢牢的混合粉。确保总摩尔电台的C：倪：在阳极棒Ÿ是94.8:4.2:1，这是最佳比例合成单壁碳纳米管9。
- 安装阴极杆（纯石墨，直径13毫米）和内圆柱腔的填充阳极棒（不锈钢，直径为152毫米和254毫米的长度）。调整阴极和阳极之间的差距约3毫米的距离。
2。基板安装
- 将长方体内室在距离约25毫米的极间轴永磁（25毫米× 25毫米× 100毫米）。超高温的铝镍钴磁铁在实验中，有650克的重量。使用时，极间的差距是关于H = 75毫米（ 图1a）由永久磁铁的底部的距离放置的配置。
- 剪下的0.3毫米厚度25毫米的钼板（99.95％）× 100毫米的长方形。取出丙酮和乙醇超声50％的幅度，150 W的输出功率和40 kHz的频率为30分钟的超声波dismembrator的表面污染。
- 安装附加永磁一侧的钼板材，电极转向这一面。
- 极间的差距由高斯计测量磁场。保持电极之间的磁场平均约为0.06 T.
3。电弧等离子体点火
- 泵圆柱腔压力小于10 -1托真空，然后填充氦气（99.995％）至500托。
- 电弧电极连接直流weldi吴电源和成立约75答：电弧电流电源
- 记录的电弧电流，电弧电压和压力后的实验分析室的实时值。
- 启动电弧同时由两个数码相机的权利和前视口中的视频。 1弧秒后开始的快照如图1b所示（右视口）和图1d（前视口）。
- 运行15秒的弧线。通过自然对流降温室至少20分钟。
4。合成后的分析和表征
- 使用镊子撕下从表面钼表是针对电弧等离子体喷射沉积片状。另一个样品是采自阴极黑领。扫描电子显微镜下观察沉积片状双方的形态（加速电压为30千伏是）。
- 关于样品制备 TEM分析，薄膜样品，获得铸造暂停甲醇 - 分散SWCNT溶液后60分钟使用50％的超声振幅超声波dismembrator的超声下降。 JEOL透射电镜下观察薄膜的甲醇溶液挥发后的100千伏的电压形态。对于样品中的兴趣地位，可与CCD相机长50厘米，与透射电镜电子衍射。
- 拉曼光谱是基于一个200兆瓦的LEXEL 3000氩离子激光器（可调的单行输出），全息光学，0.5米光谱仪和液氮冷却的CCD探测器的微拉曼系统;波长为514纳米，它对应于2.33 eV的能量。拉曼光谱测量覆盖100厘米-1至3100 cm - 1的范围，并进行石墨薄片表面上。
5。代表性的成果
“>视频快照，同时从分庭的权利和前视口中获得如图1b所示，为H D = 75毫米。这些照片反映了外部磁场的存在电弧等离子体柱的轴对称弧柱比较显著扰动观察到的情况下没有一个磁场10。图2A和2B显示阴极无磁场的领子和透射电子显微镜下的B = 0.06特斯拉的磁场，分别收集的单壁碳纳米管和催化剂颗粒的典型形态。由此可以看出磁场单壁碳纳米管是紧密堆积成捆，直径范围从2至20纳米，由于个人单壁碳纳米管之间的相互作用的范德华的。相比较而言，没有磁场的单壁碳纳米管束的直径较大和较大的个体的直径，这与拉曼光谱的分析是一致的。此外，磁场CA在与图2a和图2b所示的纯度较高的单壁碳纳米管的n个结果。
最有趣的磁场影响石墨薄片可以从表面沉积片，这是钼板在同一进程中密切获得。图2C和 2D显示的石墨薄片的SEM和TEM图像以及数层石墨的位置采取样本获得相当于电弧等离子体喉。 图2d中的插图显示的电子衍射图案与石墨相关联。六角形点电子衍射呈现有序的晶体结构的证据。
拉曼光谱是一个强大的工具石墨片和单壁碳纳米管的特性。在石墨观察到典型的峰〜1600厘米-1和2700厘米-1分别为G和2D峰，激发波长为514纳米。在G峰源于在平面上可观察到的所有SP2碳材料的振动。 2D峰是一个二阶的D峰，但即使在非无序系统，由于第四阶声子动量交换双共振过程。它起着至关重要的作用在石墨表征。强度我（2D）/我（G）是单层石墨约4和后续图层此外下降，从而有可能估计石墨层的厚度。11图 3表示，我的价值（ 2D） /我（G）是1左右，可少层石墨的证据。可用于识别通过在径向方向的C原子的相干振动频率的碳纳米管直径的径向呼吸模（RBM）的120和350厘米-1拉曼光谱之间。之间的频率和单壁碳纳米管直径的实验关系RBM的ω= A / D T + B，其中参数Øf一个和b等于234和10厘米-1，分别形成了典型的单壁碳纳米管束。从图3中，没有磁场的单壁碳纳米管RBM的频率是163.8和215.2 厘米 -1，相应的平均个人的单壁碳纳米管直径为1.52和1.14 nm，分别。
图1。论坛经济部长会议4.2软件模拟的磁场分布（a），电弧等离子体喷射的照片从右边的视口（B），电极的位置和方向的磁场时，极间的差距是定位的差距示意图约75毫米以上的永久磁铁（C）的底部，以及电弧等离子体喷射从前面的视口（D）的照片。
图2代表TEM图像合成。（一）无磁场的单壁碳纳米管束和单壁碳纳米管束与磁场（B），典型的磁场（C），和TEM图像与磁场的石墨合成的石墨薄片的SEM图像。插图是选定区域的石墨晶体结构的电子衍射花样。
图3在100至3100厘米-1范围内的磁场与样品的拉曼光谱。插图：没有RBM的频率周围磁场的样品的拉曼光谱。
图4纳米结构的生长地区和碳和镍60答：请注意，碳和镍电极上的左，右右手边所示的密度，在同一地区并存的弧数密度。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
在图1b和 1d所示的关于H = 75毫米永磁底部的距离放置的情况下，极间的差距，视频快照，应该指出，改变磁铁的位置（我们测试的磁铁移位沿Z轴和转动的磁铁）的结果偏离弧对应的J × B 力方向如图1c所示，在x方向的喷流。有人还指出，电弧等离子体柱的几何形状没有改变，从阳极去除镍催化剂。这意味着，磁场对镍催化剂颗粒运动的影响，不影响整体几何等离子体柱。通过改变永久磁铁的位置，我们可以控制的磁场分布，并作出相应的碳纳米结构的生长区域，可以很容易被操纵的J × B方向。单壁碳纳米管和石墨片是集电极特德在不同领域，从而分离是可能的8。
磁场的应用所产生的等离子体射流在石墨合成过程中起着重要的作用，它可以从阳极引入的热量和升华的碳粒子的J × B方向直接。等离子体射流电弧等离子体密度可以集中精力和执政的碳离子颗粒在电弧等离子体的有效交付，反过来，以提高生产效率的碳纳米结构。除了实验，数值模拟可以进行内部的等离子体射流，这是非常难以直接测量获得的温度和物种分布。从血浆中的各种参数分布，可以得到更深入的了解，增长机制和纳米结构形成的位置。例如，模拟的情况下进行外部磁场（ 图4）结果表明，根系的生长机制，即碳吸附原子渗入通过催化剂集群，基于纳米结构生长的可能地区在于外弧地区，那里的温度适合镍集群的成长。该图显示了增长的地区，由等温线对应的镍核的发病（2500 K，内心）和凝固的集群（1000K，外），在后台镍和碳密度，概述。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
我们什么都没有透露。
Acknowledgments
等离子体科学和技术（NSF / DOE伙伴关系，这项工作是支持NSF批准号：CBET - 0853777和能源部批准号：DE - SC0001169），STTR第一期工程（NSF STTR期我No.1010133）。作者要感谢PPPL异地聚变能源科学办公室支持支持弧实验的研究计划。
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).
