Summary
Anodic आर्क डिस्चार्ज सबसे व्यावहारिक और कुशल तरीके के विभिन्न कार्बन nanostructures के synthesize करने के लिए एक है. चाप controllability और लचीलापन बढ़ाने के एक गैर वर्दी चुंबकीय क्षेत्र के लिए एक कदम बड़े पैमाने पर graphene के गुच्छे और उच्च शुद्धता एकल दीवारों कार्बन नैनोट्यूब के संश्लेषण की प्रक्रिया शुरू की गई थी.
Abstract
एकल दीवारों कार्बन नैनोट्यूब (SWCNT) और graphene के रूप में कार्बन nanostructures के आजकल उनके आणविक सेंसर, क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर और सुपर पतली और लचीला इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों 1-4 के लिए बहुत ही होनहार आवेदन के कारण विद्वानों के ब्याज की एक बाढ़ को आकर्षित करते हैं. Anodic चाप anode सामग्री के कटाव से समर्थित निर्वहन सबसे व्यावहारिक और कुशल तरीके के एक है, जो विशिष्ट गैर संतुलन की प्रक्रिया और कार्बन सामग्री की एक उच्च बाढ़ अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर संरचनाओं के विकास के लिए प्रदान कर सकते हैं और इसके परिणामस्वरूप के रूप में संश्लेषित उत्पादों कुछ संरचनात्मक दोषों और बेहतर crystallinity है.
आगे controllability और आर्क डिस्चार्ज में कार्बन nanostructures की संश्लेषण के लचीलेपन में सुधार, चाप plasmas के मजबूत चुंबकीय प्रतिक्रियाओं के अनुसार चुंबकीय क्षेत्र संश्लेषण की प्रक्रिया के दौरान लागू किया जा सकता है. यह प्रदर्शन किया गया है कि चुंबकीय बढ़ाया चाप discharge 5 SWCNT की औसत लंबाई में वृद्धि, धातु उत्प्रेरक कणों और कार्बन नैनोट्यूब 6 व्यास वितरण संकीर्ण कर सकते हैं, और धातु के अनुपात और semiconducting कार्बन नैनोट्यूब 7 बदलने के रूप में अच्छी तरह के रूप में graphene के 8 संश्लेषण के लिए नेतृत्व.
इसके अलावा, यह सार्थक है कि जब हम चाप में वर्तमान सामान्य घटक के साथ एक गैर वर्दी चुंबकीय क्षेत्र परिचय, जम्मू × बी दिशा Lorentz बल के साथ plasmas जेट उत्पन्न और कार्बन आयन कणों के प्रभावी वितरण कर सकते हैं और टिप्पणी गर्मी के नमूने के लिए प्रवाह. एक परिणाम के रूप में, एक साथ बड़े पैमाने पर graphene के गुच्छे और उच्च शुद्धता एकल दीवारों कार्बन नैनोट्यूब में नए चुंबकीय बढ़ाया anodic चाप विधि द्वारा उत्पन्न किया गया. आर्क इमेजिंग, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM), संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (मंदिर) और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी कार्बन nanostructures के लक्षण वर्णन विश्लेषण के लिए कार्यरत थे. इन निष्कर्षों को एक संकेत मिलता हैअवसरों के व्यापक स्पेक्ट्रम चाप स्थितियों को नियंत्रित करने के साधन के द्वारा plasmas में उत्पादित nanostructures के गुणों के साथ हेरफेर करने के लिए.
Protocol
1. Anode तैयारी
- स्केल निकल पाउडर (99.8%, 300 जाल) और yttrium उत्प्रेरक पाउडर के रूप में 4.2:1 के दाढ़ रेडियो के अनुसार पाउडर (99.9%, 40 जाल).
- ग्रेफाइट पाउडर के साथ उत्प्रेरक पाउडर (99.9995%, 200 जाल) बहुत अच्छी तरह मिक्स. खोखले ग्रेफाइट (5 मिमी बाहरी व्यास, 2.5 मिमी भीतरी व्यास और 75 मिमी लंबाई) मजबूती से रॉड में मिश्रित पाउडर भरें. नी: सुनिश्चित करें कि सी के कुल दाढ़ रेडियो anode रॉड में वाई 94.8:4.2:1 है, जो 9 SWCNT synthesize इष्टतम अनुपात है.
- कैथोड (शुद्ध ग्रेफाइट, 13 मिमी व्यास) छड़ी और बेलनाकार कक्ष के अंदर भरवां anode रॉड (स्टेनलेस स्टील, 152 मिमी व्यास और 254 मिमी लंबाई) स्थापित करें. कैथोड और anode के के बीच की खाई दूरी के बारे में 3 मिमी के लिए समायोजित करें.
2. सब्सट्रेट सेटअप
- प्लेस के बारे में 25 मिमी interelectrode अक्ष से दूरी पर कक्ष के अंदर एक आयतफलकी स्थायी चुंबक (25 मिमी × 25 मिमी × 100 मिमी). अल्ट्रा उच्च Temp Alnico चुंबक इस्तेमाल कियाप्रयोग में 650 ग्राम के वजन है. विन्यास का उपयोग करें जब interelectrode अंतराल = घंटे के बारे में स्थायी चुंबक के नीचे से 75 मिमी (चित्रा 1a) की दूरी पर रखा गया है.
- 0.3 मिमी मोटाई 25 मिमी के रूप में मोलिब्डेनम (99.95%) शीट × 100 मिमी आयताकार आकृति कट. एसीटोन और 50% sonicating आयाम, 150 w उत्पादन शक्ति और 40 kHz के आवृत्ति के साथ 30 मिनट के लिए इथेनॉल में अल्ट्रासोनिक dismembrator द्वारा सतह संदूषण निकालें.
- मोलिब्डेनम स्थायी चुंबक के एक पक्ष संलग्न शीट स्थापित करें, और इलेक्ट्रोड की ओर इस ओर बारी.
- Gaussmeter द्वारा interelectrode अंतराल में चुंबकीय क्षेत्र के उपाय. इलेक्ट्रोड के बीच औसत चुंबकीय क्षेत्र के बारे में 0.06 टी. है रखें
3. आर्क प्लाज्मा के इग्निशन
- नीचे दबाव कम से कम -1 Torr वैक्यूम 10 और तो यह हीलियम (99.995%) के साथ भर से 500 Torr पम्प बेलनाकार कक्ष .
- डीसी weldi चाप इलेक्ट्रोड कनेक्टएनजी बिजली की आपूर्ति और बिजली की आपूर्ति के बारे में 75 ए के वर्तमान चाप पर सेट
- चाप वर्तमान, चाप वोल्टेज और बाद प्रयोग के विश्लेषण के लिए कक्ष के दबाव के वास्तविक समय में मूल्यों का रिकार्ड.
- दो डिजिटल कैमरे द्वारा एक साथ सही और सामने viewports से arcing के वीडियो प्रारंभ करें. चाप के 1 सेकंड के बाद फोटो शुरू चित्रा 1b में दिखाए जाते हैं (सही viewport से) और चित्रा 1d (सामने viewport से) .
- 15 सेकंड के लिए चाप चलाएँ. कम से कम 20 मिनट के लिए नीचे कक्ष कूल प्राकृतिक संवहन द्वारा.
4. पोस्ट - संश्लेषण के विश्लेषण और लक्षण वर्णन
- जहां चाप plasmas जेट निर्देशित किया गया मोलिब्डेनम शीट की सतह से बंद बयान परत आंसू चिमटी का उपयोग करें. कैथोड के काले कॉलर से एक और नमूना एकत्र किया जाता है. SEM के तहत बयान परत के दोनों पक्षों की आकारिकी (केवी इस्तेमाल किया गया था 30 के त्वरण वोल्टेज) देखो.
- नमूने के लिए तैयारी के बारे में मंदिर विश्लेषण, नमूना की पतली फिल्मों 60 मिनट 50% आयाम sonicating के साथ अल्ट्रासोनिक dismembrator का उपयोग करने के लिए sonicating मेथनॉल छितरी SWCNT समाधान के निलंबन के बाद कास्टिंग ड्रॉप द्वारा प्राप्त किया गया. मेथनॉल समाधान के वाष्पीकरण के बाद 100 केवी के वोल्टेज के साथ JEOL मंदिर के अंतर्गत पतली फिल्म के आकारिकी देखो. नमूने में ब्याज की स्थिति के लिए, इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न सीसीडी कैमरा लंबाई 50 सेमी के मंदिर के साथ जुड़े के साथ प्राप्त किया जा सकता है.
- जो तरंग दैर्ध्य 514 एनएम से मेल खाती है, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी एक सूक्ष्म रमन 200 मेगावाट Lexel 3000 एर आयन (tunable एकल पंक्ति उत्पादन) लेजर holographic प्रकाशिकी के साथ, एक 0.5 मीटर स्पेक्ट्रोमीटर और एक तरल नाइट्रोजन सीसीडी डिटेक्टर ठंडा पर आधारित प्रणाली पर प्रदर्शन किया गया था 2.33 eV की ऊर्जा. रमन माप 100 -1 के लिए +३१०० -1 सेमी सेमी की रेंज को कवर किया, और graphene गुच्छे की सतह पर बाहर किया गया.
5. प्रतिनिधि परिणाम
"> वीडियो फोटो चैम्बर के सही और सामने viewports से एक साथ प्राप्त चित्रा 1b में दिखाया गया है, घंटे के लिए घ = 75 मिमी. Axially सममित चाप स्तंभ के साथ तुलना में इन छवियों को बाह्य चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में चाप प्लाज्मा स्तंभ के महत्वपूर्ण गड़बड़ी वर्णन एक चुंबकीय क्षेत्र के बिना 10 मामले में मनाया.चित्रा 2a और 2b SWCNT और उत्प्रेरक कणों के चुंबकीय क्षेत्र के बिना कैथोड के कॉलर पर और मंदिर के तहत बी = 0.06 Tesla के चुंबकीय क्षेत्र के साथ एकत्र क्रमशः ठेठ आकारिकी प्रदर्शित करते हैं. यह देखा जा सकता है कि चुंबकीय क्षेत्र के साथ SWCNT करीब 2 से 20 एनएम से कारण व्यक्ति SWCNT के बीच वान डर वाल्स बातचीत लेकर diameters के साथ बंडलों में पैक कर रहे हैं कर सकते हैं. इसकी तुलना में, चुंबकीय क्षेत्र के बिना SWCNT बंडलों में बड़ा व्यास और बड़े व्यक्तिगत व्यास, जो रमन स्पेक्ट्रम के विश्लेषण के साथ संगत है. इसके अलावा, चुंबकीय क्षेत्र can उच्च चित्रा 2a और 2b में दिखाया गया है शुद्धता के साथ SWCNT में परिणाम .
चुंबकीय क्षेत्र के सबसे रोचक प्रभाव है graphene के गुच्छे बयान गुच्छे जो एक ही प्रक्रिया में मोलिब्डेनम पत्रक के करीब है की सतह से प्राप्त किया जा सकता है कि चित्रा 2c और 2d graphene के गुच्छे के SEM और मंदिर छवियों के रूप में के रूप में अच्छी तरह से कुछ बताते हैं. परत स्थान पर ले लिया नमूना से प्राप्त graphene के चाप plasmas विमानों के लिए corresponded. चित्रा 2d के इनसेट इलेक्ट्रॉनों विवर्तन graphene के साथ जुड़े पैटर्न से पता चलता है. इलेक्ट्रॉन विवर्तन के हेक्सागोनल डॉट्स पैटर्न अच्छी तरह का आदेश दिया क्रिस्टल संरचनाओं के सबूत प्रस्तुत करता है.
रमन स्पेक्ट्रम graphene के गुच्छे और SWCNT के लक्षण वर्णन के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है. ठेठ graphene में मनाया चोटियों ~ +१,६०० -1 सेमी और 2700 ~ -1 क्रमशः सेमी जी और 2d चोटियों हैं, 514 एनएम के तरंग दैर्ध्य उत्तेजना का उपयोग . जीशिखर विमान कंपन है जो सभी SP2 कार्बन सामग्री में देखा जा सकता है में से उपजी है. 2D चोटी डी चोटी का एक दूसरा आदेश है, लेकिन गैर बेक़ायदा सिस्टम, चौथे क्रम phonon गति मुद्रा डबल अनुनाद प्रक्रिया के कारण में भी देखा है. यह graphene के लक्षण वर्णन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है. मैं (2 डी) मैं / तीव्रता (G) monolayer graphene के लिए लगभग 4 है और बाद में परतों के अलावा के साथ कम हो जाती है, इस प्रकार graphene परतों की मोटाई का अनुमान करने के लिए यह संभव बना 11 चित्रा 3. इंगित करता है कि मैं के मूल्य (2d) मैं / (G) 1 के आसपास है, जो कुछ परत graphene के सबूत हो सकते हैं. 120 और 350 सेमी रमन स्पेक्ट्रम में -1 के बीच रेडियल श्वास मोड (RBM) रेडियल दिशा में सी परमाणुओं की सुसंगत कंपन आवृत्ति के माध्यम से नैनोट्यूब व्यास की पहचान करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. आवृत्ति और SWCNT व्यास के बीच प्रयोगात्मक संबंध ω RBM = / एक घ टी बी +, जहां पैरामीटर ओच ए और बी 234 और 10 सेमी -1 के लिए बराबर, क्रमशः ठेठ SWCNT बंडलों में गठन के लिए . चित्रा 3 से, बिना और चुंबकीय क्षेत्र के साथ SWCNT RBM आवृत्तियों 163.8 और 215.2 सेमी -1, 1.52 और 1.14 एनएम की औसत व्यक्तिगत SWCNT व्यास के लिए इसी, क्रमशः रहे हैं.
चित्रा 1 FEMM 4.2 सॉफ्टवेयर के द्वारा नकली चुंबकीय क्षेत्र के वितरण (एक), चाप plasmas विमान की सही viewport (ख), इलेक्ट्रोड और मामला जब interelectrode अंतर तैनात है के लिए अंतर में दिशा चुंबकीय क्षेत्र की स्थिति के योजनाबद्ध आरेख से तस्वीर स्थायी चुंबक (ग) के नीचे से ऊपर 75 मिमी, और आर्क सामने viewport (घ) से plasmas जेट की तस्वीर के बारे में.
चित्रा 2 प्रतिनिधि के रूप में संश्लेषित के मंदिर छवि.चुंबकीय क्षेत्र के बिना SWCNT बंडलों (क) और चुंबकीय क्षेत्र (ख) graphene के चुंबकीय क्षेत्र (ग), और चुंबकीय क्षेत्र के साथ graphene के मंदिर छवि के साथ संश्लेषित गुच्छे के ठेठ SEM छवि के साथ SWCNT बंडलों. इनसेट चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न graphene की क्रिस्टलीय संरचना दिखा है.
चित्रा 3 100 से 3100 सेमी -1 की रेंज में चुंबकीय क्षेत्र के साथ नमूने के रमन स्पेक्ट्रम . इनसेट: RBM आवृत्तियों के चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र के बिना नमूने के रमन स्पेक्ट्रम.
चित्रा 4 nanostructure विकास और कार्बन और 60 ए नोट है कि कार्बन और निकल के घनत्व इलेक्ट्रोड के बाएँ और दाएँ हाथ की ओर दिखाया गया है, एक ही क्षेत्र में सह अस्तित्व की चाप के लिए निकल की संख्या घनत्व क्षेत्र.
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Discussion
चित्रा 1b और 1d में मामला है कि interelectrode अंतर के बारे में ज = स्थायी चुंबक के नीचे से 75 मिमी की दूरी पर रखा गया था के लिए दिखाया वीडियो फोटो में, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि चुंबक की स्थिति के परिवर्तन (हम चुंबक बदलाव का परीक्षण करना चाहिए जम्मू × बी बल की दिशा में सचित्र चित्रा -1 सी के लिए इसी x दिशा में चाप जेट प्रवाह के विचलन में z-अक्ष और अधिक चुंबक मोड़) के परिणामों के साथ. यह भी देखा कि चाप प्लाज्मा स्तंभ की ज्यामिति anode से निकल उत्प्रेरक को हटाने के द्वारा परिवर्तन नहीं किया था. इसका मतलब यह है कि निकल उत्प्रेरक कणों प्रस्ताव पर चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव प्लाज्मा स्तंभ के समग्र ज्यामिति को प्रभावित नहीं करता है. हम स्थायी चुंबक की स्थिति बदलकर चुंबकीय क्षेत्र के वितरण पर नियंत्रण कर सकते हैं, और तदनुसार कार्बन nanostructures की विकास क्षेत्र आसानी से जे बी × दिशा के अनुसार चालाकी से किया जा सकता है. SWCNT और graphene के गुच्छे संग्रह कर रहे हैंविभिन्न क्षेत्रों में टेड, इस तरह जुदाई संभव है 8.
plasmas चुंबकीय क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा उत्पन्न जेट graphene के संश्लेषण की प्रक्रिया के दौरान एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि यह × जे बी दिशा सीधे anode से गर्मी और sublimated कार्बन कणों शुरू कर सकते हैं. plasmas जेट चाप प्लाज्मा के घनत्व ध्यान और चाप प्लाज्मा में कार्बन आयन कणों के प्रभावी वितरण सरकार सकता है, और बारी में, कार्बन nanostructures की उत्पादन क्षमता में सुधार करने के लिए. प्रयोगों के अलावा, संख्यात्मक सिमुलेशन बाहर किया जा सकता है प्लाज्मा विमान है, जो बहुत सीधे उपाय मुश्किल है अंदर तापमान और प्रजातियों वितरण प्राप्त है. प्लाज्मा के विभिन्न मापदंडों के वितरण से, एक विकास तंत्र और nanostructure गठन के स्थान में और अधिक जानकारी प्राप्त कर सकते हैं. उदाहरण के लिए, सिमुलेशन, बाह्य चुंबकीय क्षेत्र (चित्रा 4) के बिना बाहर कियापता चला है कि nanostructures के विकास के संभावित क्षेत्र रूट विकास तंत्र, यानी कार्बन adatoms रिसना उत्प्रेरक समूहों के माध्यम से, के आधार पर बस के बाहर चाप क्षेत्र, जहां तापमान निकल क्लस्टर विकास के लिए उपयुक्त हैं निहित है. आंकड़ा विकास निकल nucleation की शुरुआत (2500 कश्मीर, भीतर) और solidification समूहों के (1000K, बाहरी), निकल और पृष्ठभूमि में कार्बन की संख्या घनत्व के साथ इसी isotherms द्वारा उल्लिखित क्षेत्र से पता चलता है.
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Disclosures
हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
इस काम NSF / डो भागीदारी द्वारा प्लाज्मा विज्ञान और प्रौद्योगिकी में समर्थित किया गया (NSF अनुदान CBET 0,853,777 और डो अनुदान सं डे - SC0001169 सं), STTR चरण मैं परियोजना (NSF STTR चरण मैं No.1010133). लेखकों के लिए PPPL Offsite अनुसंधान चाप प्रयोगों का समर्थन करने के लिए फ्यूजन ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय द्वारा समर्थित कार्यक्रम धन्यवाद देना चाहूंगा.
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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