Summary
Décharge d'arc anodique est l'une des méthodes les plus pratiques et efficaces pour synthétiser des nanostructures de carbone différentes. Pour augmenter la contrôlabilité à l'arc et de flexibilité, un champ magnétique non uniforme a été introduit au processus de la synthèse en une étape de flocons de graphène à grande échelle et des nanotubes de carbone de haute pureté à simple paroi.
Abstract
Les nanostructures de carbone comme les nanotubes de carbone monoparois (SWCNT) et le graphène attirer un déluge d'intérêt des savants de nos jours en raison de leur application très prometteuse pour les capteurs moléculaires, transistors à effet de champ et super mince et flexible des dispositifs électroniques 1-4. Décharge d'arc anodique soutenue par l'érosion du matériau de l'anode est l'une des méthodes les plus pratiques et efficaces, qui peuvent fournir spécifiques non-équilibre des processus et un afflux important de matériel de carbone pour les structures de développement à une température relativement élevée, et par conséquent l'en- produits synthétisés ont quelques défauts structurels et une meilleure cristallinité.
Pour améliorer encore la maniabilité et la flexibilité de la synthèse de nanostructures de carbone dans l'arc de décharge, les champs magnétiques peuvent être appliquées pendant le processus de synthèse selon les réponses fortes magnétique de plasmas d'arc. Il a été démontré que le magnétisme à l'arc-enhanced DischARGE peut augmenter la durée moyenne de 5 SWCNT, étroit la distribution du diamètre des particules de catalyseur métallique et 6 nanotubes de carbone, et le changement du ratio d'métalliques et les nanotubes de carbone semi-conducteurs 7, ainsi que conduire à la synthèse de graphène 8.
Par ailleurs, il est intéressant de remarquer que lorsque nous introduisons un champ magnétique non-uniforme à la composante normale du courant dans l'arc, la force de Lorentz le long de la J × B direction peut générer le jet plasmas et de faire une prestation efficace des particules de carbone et d'ions flux de chaleur à des échantillons. En conséquence, les flocons de graphène à grande échelle et des nanotubes de carbone de haute pureté à simple paroi ont été simultanément généré par ces nouvelles méthodes à l'arc magnétique amélioré par anodique. Arc imagerie, microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique à transmission (MET) et la spectroscopie Raman ont été employées pour analyser la caractérisation des nanostructures de carbone. Ces résultats indiquent unelarge éventail d'opportunités de manipuler les propriétés des nanostructures produites dans les plasmas par des moyens de contrôler les conditions d'arc.
Protocol
1. La préparation d'anodes
- Poudre de nickel d'échelle (99,8%, à 300 mesh) et l'yttrium en poudre (99,9%, 40 mesh) selon la radio molaire de 4,2:1 que la poudre de catalyseur.
- Mélanger la poudre de catalyseur avec de la poudre de graphite (99,9995%, à 200 mesh) très bien. Remplissez la poudre de graphite mélangé à tige creuse (5 mm de diamètre extérieur, 2,5 mm de diamètre interne et 75 mm de longueur) fermement. Assurez-vous que la radio molaire totale de C: Ni: Y en tige d'anode est 94.8:4.2:1, qui est un rapport optimal de synthétiser SWCNT 9.
- Installez la cathode tige (graphite pur, 13 mm de diamètre) et l'anode en peluche à l'intérieur de la chambre cylindrique (acier inoxydable, 152 mm de diamètre et 254 mm de longueur). Réglez la distance écart entre la cathode et l'anode à environ 3 mm.
2. Substrat de configuration
- Placez un aimant permanent cuboïde (25 mm × 25 mm × 100 mm) à l'intérieur de la chambre à environ 25 mm de distance de l'axe inter-électrodes. L'aimant ultra-haute température utilisés Alnicodans l'expérience a le poids de 650 grammes. Utilisez la configuration lorsque l'écart inter-électrodes est placé à la distance d'environ h = 75 mm (figure 1a) à partir du bas de l'aimant permanent.
- Couper la feuille de 0,3 mm d'épaisseur de molybdène (99,95%) que les 25 mm × 100 mm de forme rectangulaire. Retirez la contamination de surface par les ultrasons dans dismembrator l'acétone et l'éthanol pendant 30 min avec une amplitude de 50% sonication, 150 W et une puissance de sortie de fréquence 40 kHz.
- Installez feuille de molybdène attacher un côté de l'aimant permanent, et tourner de ce côté vers les électrodes.
- Mesurer le champ magnétique dans l'espace inter-électrodes par un Gaussmètre. Gardez le champ magnétique moyen entre les électrodes est d'environ 0,06 T.
3. L'allumage de l'arc plasma
- Pompe bas de la chambre cylindrique à la pression de moins de 10 -1 à vide Torr et ensuite gonflé à l'hélium (99,995%) à 500 Torr.
- Connectez-électrodes à l'arc à DC weldialimentation ng et mis en place l'alimentation électrique sur l'arc actuel d'environ 75 A.
- Enregistrer les valeurs en temps réel de l'arc à l'arc de tension actuelle, et pression de la chambre de post-expérience d'analyse.
- Démarrer la vidéo d'un arc de la droite et avant fenêtres par deux caméras numériques simultanément. Les instantanés après 1 seconde d'arc de départ sont présentés dans la figure 1b (viewport de droite) et figure 1d (de l'avant viewport).
- Exécutez l'arc pendant 15 secondes. Refroidir la chambre par convection naturelle pendant au moins 20 minutes.
4. Post-synthèse analyse et la caractérisation
- Utilisez des pinces pour arracher les flocons dépôt de la surface de la feuille de molybdène où le jet d'arc plasma a été réalisé. Un autre échantillon est prélevé à partir du collier noir de cathode. Observez la morphologie des deux côtés de flocon de déposition sous MEB (tension d'accélération de 30 kV a été utilisé).
- Concernant la préparation des échantillons pour TEM analyse, les films minces de l'échantillon ont été obtenus par coulée déposer une suspension de méthanol dispersés solution de SWCNT après sonication pendant 60 minutes à l'aide dismembrator ultrasons avec 50% d'amplitude sonication. Observez la morphologie du film mince sous JEOL TEM avec la tension de 100 KV après la volatilisation de la solution de méthanol. Pour la position de l'intérêt dans l'échantillon, figure de diffraction d'électrons peut être obtenue avec la longueur caméra CCD de 50 cm associée avec le TEM.
- La spectroscopie Raman a été effectuée sur un système de micro-Raman basé sur un 200 mW Lexel 3000 Ar laser ionique (accordable de sortie seule ligne), avec une optique holographique, un spectromètre de 0,5 m et un azote liquide détecteur CCD refroidi; longueur d'onde 514 nm qui correspond à la d'énergie de 2,33 eV. Mesures Raman couvraient la gamme de 100 cm -1 à 3100 cm -1, et ont été réalisées sur la surface de flocons de graphène.
5. Les résultats représentatifs
»> Les instantanés vidéo obtenue simultanément à partir des fenêtres de droite et avant de la chambre sont présentés dans la figure 1b, d pour h = 75 mm. Ces images illustrent une perturbation significative de la colonne de plasma d'arc en présence de champ magnétique externe en comparaison avec la colonne d'arc axisymétrique observé dans le cas sans champ magnétique 10.Figure 2a et 2b afficher la morphologie typique des particules et catalyseur SWCNT collectées sur le col de cathode sans champ magnétique et le champ magnétique de B = 0,06 Tesla sous TEM, respectivement. Il peut être vu que SWCNT avec le champ magnétique sont proches-emballés dans des paquets avec des diamètres allant de 2 à 20 nm due à l'interaction de van der Waals entre SWCNT individuels. En comparaison, les SWCNT sans champ magnétique ont le plus grand diamètre en faisceaux et diamètre différents, ce qui est cohérent avec l'analyse du spectre Raman. En outre, le champ magnétique caraison n dans le SWCNT avec une plus grande pureté montré dans la figure 2a et 2b.
L'influence la plus intéressante du champ magnétique est que les flocons de graphène peut être obtenu à partir de la surface de flocons de dépôt qui est proche de feuille de molybdène dans le même processus. Figure 2c et 2d montrent les images MEB et MET de flocons de graphène ainsi que quelques- graphène couche obtenue à partir de l'échantillon prélevé à l'emplacement correspondant à l'arc jets plasmas. L'encart de la figure 2d montre la figure de diffraction d'électrons associés à la graphène. Le motif hexagonal points de diffraction d'électrons présente les preuves de structures cristallines bien ordonnée.
Spectre Raman est un outil puissant pour la caractérisation des flocons de graphène et SWCNT. Les pics typiques observés dans le graphène sont les sommets G et 2D à ~ 1600 cm -1 et ~ 2700 cm -1 respectivement, en utilisant la longueur d'onde d'excitation de 514 nm. Le Gde pointe provient des vibrations plan qui peut être observé dans tous les matériaux carbone sp2. Le pic 2D est un second ordre de la pointe D, mais est vu même dans les systèmes désordonnés, en raison de la phonons afin quatrième processus d'échange dynamique de double résonance. Il joue un rôle crucial dans la caractérisation de graphène. L'intensité I (2D) / I (G) est d'environ 4 pour graphène monocouche et diminue avec l'ajout de couches successives, ce qui rend possible d'estimer l'épaisseur des couches de graphène. 11 Figure 3 indique que la valeur de I (2D) / I (G) est d'environ 1, qui peut être la preuve de quelques couches de graphène. Le mode de respiration radiale (RBM) entre 120 et 350 cm -1 dans le spectre Raman peut être utilisée pour identifier le diamètre des nanotubes à travers la fréquence de vibration cohérente des atomes de carbone dans la direction radiale. La relation expérimentale entre la fréquence et le diamètre est SWCNT RBM ω = A / D t + B, où les paramètres of A et égale à 234 et 10 cm -1 B, respectivement, pour les SWCNT typiques formées en faisceaux. De la figure 3, les fréquences de la GAR SWCNT avec et sans champ magnétique sont 163,8 215,2 cm et -1, correspondant à la moyenne des diamètres de 1,52 SWCNT individuels et 1,14 nm, respectivement.
Figure 1. Répartition du champ magnétique simulé par FEMM 4.2 du logiciel (un), photographie de l'arc plasma à jet de la droite viewport (b), schéma de la position des électrodes et le champ magnétique de direction dans le fossé pour le cas où l'écart inter-électrodes est placé d'environ 75 mm au dessus du fond de l'aimant permanent (c), et une photographie de l'arc plasma à jet de l'avant viewport (d).
Figure 2. Image TEM représentant telle que synthétiséeFaisceaux SWCNT sans champ magnétique (a) et faisceaux SWCNT avec le champ magnétique (b), typique image MEB de flocons de graphène synthétisés avec le champ magnétique (c), et l'image TEM du graphène avec le champ magnétique. En médaillon est le motif de diffraction d'électrons zone sélectionnée montrant la structure cristalline du graphène.
Figure 3. Spectre Raman des échantillons avec le champ magnétique dans la gamme de 100 à 3100 cm -1. Encart: spectre Raman des échantillons sans champ magnétique autour des fréquences RBM.
Figure 4. Région de la croissance de nanostructures et de la densité nombre de carbone et de nickel pour l'arc de 60 A. Notez que les densités de carbone et le nickel montré sur le côté gauche et à droite des électrodes, la co-exister dans la même région.
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Discussion
Dans les instantanés vidéo montré à la figure 1b et 1d, pour le cas où l'écart inter-électrodes est placé à la distance d'environ h = 75 mm du fond de l'aimant permanent, il convient de noter que le changement de la position de l'aimant (nous avons testé changement aimant long de l'axe z et en tournant l'aimant plus) des résultats de l'écart des flux de jet d'arc dans la direction x correspondant à la direction de J × B vigueur illustré à la figure 1c. On a également observé que la géométrie de la colonne de plasma d'arc n'a pas changé en enlevant le catalyseur au nickel de l'anode. Cela signifie que l'influence du champ magnétique sur le catalyseur de particules de nickel mouvement n'affecte pas la géométrie globale de la colonne de plasma. Nous pouvons contrôler la distribution du champ magnétique en changeant la position de l'aimant permanent, et par voie de conséquence de la région de croissance de nanostructures de carbone peuvent être facilement manipulées selon les J × B direction. Flocons de graphène sont SWCNT et collectionsTed dans les différents domaines, ainsi la séparation est possible 8.
Le jet plasmas générés par l'application de champs magnétiques joue un rôle important pendant le processus de synthèse de graphène en ce sens qu'il peut introduire la chaleur et les particules de carbone sublimé de l'anode vers la J × B direction directe. Le jet plasmas peuvent concentrer la densité du plasma d'arc et de gouverner la prestation efficace des particules d'ions carbone dans le plasma d'arc, et à tour de rôle, afin d'améliorer l'efficacité de la production des nanostructures de carbone. En plus des expériences, des simulations numériques peuvent être effectuées pour obtenir la température et la distribution des espèces à l'intérieur du jet de plasma, qui est très difficile à mesurer directement. De la répartition des différents paramètres du plasma, on peut obtenir plus de perspicacité dans le mécanisme de la croissance et l'emplacement de la formation de nanostructures. Par exemple, les simulations réalisées sans champ magnétique externe (figure 4)ont montré que, dans la région probable de la croissance des nanostructures basées sur le mécanisme de la croissance des racines, à savoir le carbone adatomes s'infiltrer à travers les grappes de catalyseur, se trouve juste région de l'arc extérieur, où les températures sont propices à la croissance du cluster de nickel. La figure montre la croissance de la région décrite par des isothermes correspondant à l'apparition de la nucléation de nickel (2500 K, intérieur) et la solidification de grappes (1000K, extérieur), avec des densités nombre de nickel et de carbone dans l'arrière-plan.
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Disclosures
Nous n'avons rien à révéler.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la NSF / DOE partenariat dans le plasma Science et Technologie (NSF Grant No. 0853777 CBET-Grant et du DOE n ° DE-SC0001169), STTR phase I du projet (NSF STTR PHASE I No.1010133). Les auteurs tiennent à remercier le Programme de recherche pppl Offsite soutenu par le Bureau de la fusion des sciences de l'énergie pour soutenir des expériences à l'arc.
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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