Summary
Anodische boogontlading is een van de meest praktische en efficiënte methoden om diverse koolstofnanostructuren synthetiseren. Ter verhoging van de boog beheersbaarheid en flexibiliteit, was een niet-uniform magnetisch veld kennis met de een-staps synthese van grootschalige grafeen vlokken en hoogzuivere single-walled carbon nanotubes proces.
Abstract
Koolstofnanostructuren zoals single-walled carbon nanotubes (SWCNT) en grafeen trekken een stortvloed van belangstelling van geleerden tegenwoordig als gevolg van hun zeer veelbelovende toepassing voor moleculaire sensoren, field effect transistor en super dunne en flexibele elektronische apparaten 1-4. Anodische boogontlading ondersteund door de erosie van de anode materiaal is een van de meest praktische en efficiënte methoden, die specifieke niet-evenwichts processen en een hoge instroom van carbon materiaal kan leveren aan de ontwikkeling van structuren op een relatief hogere temperatuur, en dus ook de as- gesynthetiseerde producten hebben enkele structurele gebreken en beter kristalliniteit.
Om verdere verbetering van de beheersbaarheid en de flexibiliteit van de synthese van koolstof nanostructuren in boogontlading, kunnen magnetische velden worden toegepast tijdens de synthese werkwijze volgens de sterke magnetische respons van de boog plasma's. Er werd aangetoond dat de magnetisch-enhanced boog DischARGE kan de gemiddelde lengte van SWCNT 5, het verkleinen van de diameter verdeling van metalen katalysator deeltjes en koolstof nanobuisjes 6, en verander de verhouding van metalen en halfgeleidende koolstof nanobuisjes 7, evenals leiden tot grafeen synthese 8.
Bovendien is het de moeite waard om op te merken dat wanneer we een niet-uniform magnetisch veld te introduceren met de component loodrecht op het stroom in boog, de Lorentz-kracht langs de J × B richting kan de plasma jet te genereren en maak effectieve levering van koolstof-ion deeltjes en warmtestroom naar monsters. Als gevolg hiervan werden op grote schaal grafeen vlokken en hoogzuivere single-walled carbon nanotubes tegelijkertijd gegenereerd door dergelijke nieuwe magnetisch verbeterde anodische boog methode. Arc imaging, scanning elektronenmicroscoop (SEM), werden transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) en Raman spectroscopie ingezet om de karakterisering van koolstof nanostructuren te analyseren. Deze bevindingen wijzen op eenbrede spectrum van mogelijkheden om te manipuleren met de eigenschappen van nanostructuren geproduceerd in plasma door middel van het controleren van de boog voorwaarden.
Protocol
1. Anode voorbereiding
- Schaal nikkelpoeder (99,8%, 300 mesh) en yttrium poeder (99,9%, 40 mesh) op basis van de molaire radio van 4.2:1 als katalysator poeder.
- Meng de katalysator poeder met grafiet poeder (99,9995%, 200 mesh) erg goed. Vul de gemengde poeder in holle staaf grafiet (5 mm buitendiameter, 2,5 mm binnendiameter en 75 mm lengte) stevig aan. Zorg ervoor dat de totale molaire radio van C: Ni: Y in anode rod is 94.8:4.2:1, dat is een optimale verhouding te SWCNT 9 synthetiseren.
- Installeer kathode stang (zuiver grafiet, 13 mm diameter) en de gevulde anode rod in cilindrische kamer (roestvrij staal, 152 mm diameter en 254 mm lengte). Stel de kloof afstand tussen de kathode en anode tot ongeveer 3 mm.
2. Substraat setup
- Plaats een rechthoekige permanente magneet (25 mm × 25 mm × 100 mm) in de kamer op ongeveer 25 mm afstand van de interelectrode as. De Ultra-High-Temp gebruikt Alnico magneetin experiment is het gewicht van 650 gram. Gebruik de configuratie als de interelectrode gat wordt geplaatst op een afstand van ongeveer h = 75 mm (figuur 1a) van de onderkant van een permanente magneet.
- Snijd de 0,3 mm dikte molybdeen vel (99,95%) als de 25 mm × 100 mm rechthoekige vorm. Verwijder verontreinigingen door de ultrasone dismembrator in aceton en ethanol gedurende 30 minuten met 50% sonicating amplitude, 150 W uitgangsvermogen en 40 kHz frequentie.
- Installeer molybdeen blad bevestigen de ene kant van een permanente magneet, en zet deze kant richting elektroden.
- Meet het magnetisch veld in de interelectrode gat door een Gaussmeter. Houd de gemiddelde magnetische veld tussen de elektroden is ongeveer 0,06 T.
3. Ontsteking van de boog plasma
- Pump down de cilindrische kamer om de druk minder dan 10 -1 Torr vacuüm en vervolgens gevuld met helium (99.995%) tot 500 Torr.
- Sluit de boog elektroden DC welding voeding en het opzetten van de voeding op de huidige boog van ongeveer 75 A.
- Neem de real-time waarden van de boog stroom, boogspanning en de druk in de verbrandingskamer voor post-experiment analyse.
- Start de video van boog van rechts en de voorste viewports door twee digitale camera's tegelijk. De foto's na 1 seconde van de boog vanaf zijn weergegeven in figuur 1b (van rechts viewport) en figuur 1d (van voren viewport).
- Voer de boog voor 15 seconden. Afkoelen kamer door natuurlijke convectie voor ten minste 20 minuten.
4. Post-synthese analyse en karakterisering
- Gebruik een pincet af te rukken van de depositie vlok uit het oppervlak van molybdeen plaat waar de boog plasma jet was gericht. Een ander monster wordt genomen uit de zwarte kraag van kathode. Let op de morfologie van beide zijden van de depositie flake kader van SEM (versnelling spanning van 30 KV werd gebruikt).
- Ten aanzien van de monstervoorbereiding voor TEM-analyse, de dunne films van het monster werden verkregen door druppel gieten een schorsing van methanol-verspreid SWCNT oplossing na sonicating gedurende 60 minuten met behulp van ultrasone dismembrator met 50% sonicating amplitude. Let op de morfologie van de dunne film onder JEOL TEM met de spanning van 100 KV na de vervluchtiging van methanol oplossing. Voor de positie van belang in de steekproef, kan elektronen diffractie patroon worden verkregen met de CCD-camera lengte van 50 cm geassocieerd met TEM.
- Raman spectroscopie werd uitgevoerd op een micro-Raman systeem op basis van een 200 mW Lexel 3000 Ar-ion laser (afstembare single line-uitgang), met een holografische optica, een 0,5 m spectrometer en een vloeibare stikstof gekoelde CCD detector, golflengte 514 nm die overeenkomt met de energie van 2,33 eV. Raman-metingen had betrekking op de reeks van 100 cm -1 tot 3100 cm -1, en werden uitgevoerd op de oppervlakte van grafeen vlokken.
5. Representatieve resultaten
"> De video snapshots tegelijkertijd verkregen van rechts en voor viewports van de kamer zijn weergegeven in figuur 1b, d voor h = 75 mm. Deze beelden illustreren significante verstoring van de boog plasma kolom in aanwezigheid van externe magnetische veld in vergelijking met axiaal symmetrische boog kolom waargenomen in het geval zonder een magnetisch veld 10.Figuur 2a en 2b tonen de typische morfologie van SWCNT en katalysator deeltjes verzameld op de kraag van de kathode zonder magnetisch veld en met het magnetische veld van B = 0,06 Tesla onder TEM, respectievelijk. Het kan worden gezien dat SWCNT met magnetische veld zijn close-verpakt in bundels met een diameter variërend van 2 tot 20 nm te wijten aan de van der Waals wisselwerking tussen individuele SWCNT. Ter vergelijking: de SWCNT zonder magnetische veld van de grotere diameter in bundels en grotere individuele diameter, die in overeenstemming is met de analyse van Raman spectrum. Ook het magnetisch veld can resulteren in de SWCNT met een hogere zuiverheid getoond in Figuur 2a en 2b.
De meest interessante invloed van het magnetisch veld is dat grafeen vlokken kunnen worden verkregen van het oppervlak van de depositie vlokken die dicht bij molybdeen blad is in hetzelfde proces. Figuur 2c en 2d tonen de SEM en TEM beelden van grafeen vlokken en zo weinig- laag grafeen verkregen uit de steekproef genomen op de locatie komt overeen met boog plasma jets. De inzet van Figuur 2d toont de elektronen diffractie patroon worden geassocieerd met het grafeen. De zeshoekige stippen patroon van elektronendiffractie presenteert het bewijs van goed geordende kristallen structuren.
Raman spectrum is een krachtig hulpmiddel voor de karakterisering van grafeen vlokken en SWCNT. De typische pieken waargenomen in grafeen zijn de G-en 2D-pieken op ~ 1600 cm -1 en ~ 2700 cm -1 respectievelijk met behulp van de excitatie golflengte van 514 nm. De Gpiek komt voort uit in het vliegtuig trillingen die kunnen worden waargenomen in alle sp2 koolstof-materialen. De 2D-top is een tweede-orde van de D-piek, maar wordt gezien, ook bij niet wanordelijke systemen, als gevolg van de vierde orde phonon impulsuitwisseling dubbele resonantie proces. Het speelt een cruciale rol in de karakterisering van grafeen. De intensiteit I (2D) / I (G) is ongeveer 4 voor monolaag grafeen en neemt af met de toevoeging van volgende lagen, waardoor het mogelijk wordt om de dikte van grafeen lagen te schatten. 11 Figuur 3 geeft aan dat de waarde van I (2D) / I (G) is ongeveer 1, die kan worden het bewijs van de weinige-laag grafeen. De radiale ademhaling mode (RBM) tussen de 120 en 350 cm -1 in Raman spectrum kan worden gebruikt om de nanobuis diameter door de coherente vibratie frequentie van de C-atomen in de radiale richting te identificeren. De experimentele relatie tussen de frequentie en SWCNT diameter is ω RBM = A / d t + B, waarbij de parameters of A en B gelijk is aan 234 en 10 cm-1, respectievelijk voor de typische SWCNT gevormd in bundels. Uit figuur 3, de RBM frequenties van SWCNT zonder en met magnetische veld zijn 163,8 en 215,2 cm -1, die overeenkomt met de gemiddelde individuele SWCNT diameter van 1,52 en 1,14 nm, respectievelijk.
Figuur 1. Verdeling van het magnetisch veld gesimuleerd door FEMM 4.2 software (a), foto van de boog plasma jet van rechts viewport (b), schematisch diagram van elektroden positie en richting het magnetische veld op de bres voor het geval wanneer de interelectrode kloof is gepositioneerd ongeveer 75 mm boven de bodem van een permanente magneet (c), en een foto van boog plasma jet vanaf de voorkant viewport (d).
Figuur 2. Vertegenwoordiger TEM beeld van de as-gesynthetiseerdeSWCNT bundels zonder magnetisch veld (een) en SWCNT bundels met magnetisch veld (b), typische SEM beeld van grafeen vlokken gesynthetiseerd met magnetisch veld (c), en de TEM beeld van grafeen met magnetisch veld. Inzet is het geselecteerde gebied elektronendiffractie patroon waarin de kristallijne structuur van grafeen.
Figuur 3. Raman spectrum van de monsters met magnetisch veld in de range van 100 tot 3100 cm -1. Inzet: Raman-spectrum van de monsters zonder magnetisch veld rond RBM frequenties.
Figuur 4. Nanostructuur groei regio en het aantal dichtheid van koolstof en nikkel voor de boog van 60 A. Merk op dat de dichtheden van koolstof en nikkel getoond linker-en rechterkant van de elektroden, naast elkaar bestaan in dezelfde regio.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In de video snapshots in figuur 1b en 1d, voor het geval dat de interelectrode gat werd geplaatst op een afstand van ongeveer h = 75 mm van de onderkant van de permanente magneet, moet worden opgemerkt dat de verandering van de magneet positie (we magneet verschuiving getest langs de z-as en draaien van de magneet over) resulteert in een afwijking van boog straal stroming in x-richting die overeenkomt met de richting van J × B van kracht geïllustreerd in figuur 1c. Er werd ook opgemerkt dat de geometrie van de boog plasma kolom niet veranderen door het verwijderen van de nikkel-katalysator van de anode. Dit betekent dat de invloed van het magnetisch veld op nikkel-katalysator deeltjes beweging geen invloed heeft op de totale geometrie van plasma-kolom. Hiermee kunnen we de verdeling van het magnetisch veld door het veranderen van de positie van de permanente magneet, en als gevolg daarvan de groeiregio van koolstof nanostructuren kunnen eenvoudig worden gemanipuleerd volgens de J × B richting. SWCNT en grafeen vlokken zijn collectiefted in de verschillende gebieden, dus scheiding is mogelijk acht.
De plasma jet gegenereerd door de toepassing van magnetische velden een belangrijke rol speelt tijdens het grafeen synthese proces in dat het de hitte en de gesublimeerde carbon deeltjes uit de anode introduceren in de J × B richting rechtstreeks. De plasma jet kan concentreren de dichtheid van de boog plasma en besturen effectieve levering van koolstof-ion deeltjes in het plasma boog, en op zijn beurt, om de efficiëntie van de productie van koolstof nanostructuren te verbeteren. In aanvulling op de experimenten, kan numerieke simulaties worden uitgevoerd om de temperatuur en de soort distributie te verkrijgen in het plasma jet, die zeer moeilijk om direct te meten. Van de verdeling van de verschillende parameters van plasma, kan men meer inzicht krijgen in de groei-mechanisme en de locatie van nanostructuur formatie. Bijvoorbeeld, de simulaties uitgevoerd zonder extern magnetisch veld (figuur 4)bleek dat de waarschijnlijke gebied van nanostructuren groei, gebaseerd op de wortelgroei mechanisme, dat wil zeggen koolstof adatoms sijpelen door katalysator clusters, ligt net buiten boog regio, waar de temperaturen geschikt zijn voor de nikkel cluster groei. De figuur toont de groei van regio geschetst door isothermen die overeenkomt met het begin van nikkel nucleatie (2500 K, innerlijke) en stolling van clusters (1000K, buiten), met het aantal dichtheden van nikkel en koolstof in de achtergrond.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
We hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door NSF / DOE Partnership in Plasma Science and Technology (NSF Grant No cbet-0853777 en DOE Grant No DE-SC0001169), STTR Fase I-project (NSF STTR FASE I No.1010133). De auteurs willen graag de PPPL Offsite Research Program ondersteund door het Bureau van Fusion Energy Sciences voor de ondersteuning van arc experimenten bedanken.
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).
