Summary
Anodik ark deşarjı çeşitli karbon nanoyapıların sentezlemek için en pratik ve verimli yöntemlerden biridir. Ark kontrol edilebilirlik ve esnekliğini artırmak için, homojen olmayan bir manyetik alan, büyük ölçekli grafen gevreği ve yüksek saflıkta tek duvarlı karbon nanotüpler, tek adımlı bir sentez süreci ile tanıştı.
Abstract
Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT) ve grafen Karbon nanoyapıların günümüzde moleküler sensörler, alan etkili transistör ve süper ince ve esnek 1-4 elektronik cihazlar için çok umut verici bir uygulama nedeniyle bilim adamları bir tufan ilgi çekmektedir . Anodik ark deşarjı anot malzemesi erozyon tarafından desteklenen gelişmekte olan yapıları göreceli olarak daha yüksek sıcaklıkta, belirli bir denge dışı süreçler ve yüksek karbon malzemenin bir akını sağlayabilir en pratik ve en etkili yöntemlerden biri, ve dolayısıyla- sentezlenmiş ürünler birkaç yapısal kusurlar ve daha iyi kristallik var.
Ark deşarjı karbon nanoyapıların sentezini kontrol edilebilirlik ve esnekliği artırmak, manyetik alanlar ark plazmasının güçlü manyetik yanıtlarına göre sentez işlemi sırasında uygulanan olabilir. Gösterildi manyetik gelişmiş ark discharge gibi grafen sentezi 8 yol, SWCNT 5 ortalama uzunluğu artırmak, metalik katalizör parçacıklarını ve karbon nanotüpler 6 çapı dağılımı dar, metal ve yarı iletken karbon nanotüpler 7 oranı değiştirebilir .
Ayrıca, homojen olmayan bir manyetik alan yay mevcut normal bileşeni ile tanıştığında, plazmalar jet J × B yönde boyunca Lorentz kuvveti oluşturmak ve karbon iyon parçacıkların etkin bir şekilde sağlanabilmesi yapmak ve vurgulamak faydalı olacaktır örnekler ısı akısı. Sonuç olarak, aynı anda, büyük ölçekli grafen gevreği ve yüksek saflıkta tek duvarlı karbon nanotüpler bu yeni manyetik gelişmiş anodik ark yöntemi ile üretildi. Arc görüntüleme, taramalı elektron mikroskobu (SEM), transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve Raman spektroskopisi karbon nanoyapıların karakterizasyonu analiz istihdam edilmiştir. Bu bulgular;fırsatlarının geniş spektrumlu yay koşullarını kontrol yoluyla plazmalardaki üretilen nanoyapıların özellikleri ile işlemek için.
Protocol
1. Anot hazırlık
- Ölçek nikel tozu (% 99.8, 300 mesh) ve katalizör tozu olarak 4.2:1 molar radyo göre itriyum tozu (% 99.9, 40 mesh).
- Çok iyi katalizör tozu (% 99,9995, 200 mesh), grafit tozu ile karıştırın. Karışık toz sıkıca içi boş grafit çubuk (5 mm dış çaplı, 2.5 mm iç çapı ve 75 mm uzunluğunda) içine doldurun. Ni: C toplam molar radyo emin olun Y anot çubuk 94.8:4.2:1. SWCNT 9 sentezlemek için optimum oranıdır.
- Katot çubuk (saf grafit, 13 mm çap) ve silindirik odasının içine doldurulmuş anot çubuk (paslanmaz çelik, 152 mm çapında ve 254 mm uzunluğunda) yükleyin. Yaklaşık 3 mm katot ve anot arasındaki boşluk mesafeyi ayarlayın.
2. Yüzey kurulum
- Interelectrode ekseninden yaklaşık 25 mm mesafede odanın içinde prizmasinin bir daimi mıknatıs (25 mm × 25 mm × 100 mm) yerleştirin. Ultra-High-Temp Alnico mıknatısdeneyde, 650 gram ağırlığa sahiptir. Interelectrode boşluğu alt daimi mıknatıs hakkında h = 75 mm (Şekil 1a) arasındaki mesafe yer almaktadır yapılandırma kullanın.
- 25 mm ile 0,3 mm kalınlığı molibden levha (% 99,95) × 100 mm dikdörtgen şeklinde kesin. Aseton ve etanol ile 30 dakika süreyle% 50 sonicating genlik, 150 w çıkış gücü ve 40 kHz frekans ultrasonik dismembrator yüzey kontaminasyonu çıkarın.
- Molibden levha takılarak sabit mıknatıslı bir tarafında yükleyin ve bu yan elektrotlar doğru döndürün.
- Manyetik alan, bir Gaussmetre interelectrode boşluğu ölçün. Elektrotlar arasındaki ortalama manyetik alan yaklaşık 0.06 T. tutun
3. Ark plazma Ateşleme
- Pompa basıncı az 10 -1 Torr vakum ve daha sonra helyum (% 99.995) ile doldurdum 500 Torr silindirik odasının aşağı.
- Ark elektrotlar DC weldi bağlayınng güç kaynağı ve güç kaynağı kurmak yaklaşık 75 A. akımın
- Ark akımı, ark gerilimi ve deneme sonrası analizi için oda basıncı gerçek zamanlı değerleri kaydedin.
- Aynı anda iki dijital kamera ile sağ ve ön görüş alanınız arkın video başlayın. 1 saniye sonra yayın başlangıç anlık Şekil 1b gösterilmiştir (ön viewport) (sağ viewport) ve Şekil 1d.
- 15 saniye boyunca yay çalıştırın. En az 20 dakika süreyle, doğal konveksiyon ile oda serinleyin.
4. Post-sentez analizi ve karakterizasyonu
- Ark plazmasının jet yönettiği molibden levha yüzeyi birikimi pul yırtma cımbız kullanın. Başka bir örnek katot siyah yakalı toplanır. SEM altında depolanması pul her iki tarafın morfolojisi (KV kullanılan 30 hızlandırma voltaj) dikkat edin.
- Için numune hazırlama ile ilgili olarak 60 dakika boyunca% 50 genlik sonicating ultrasonik dismembrator kullanarak sonicating sonra metanol-dağınık SWCNT çözüm süspansiyon döküm damla TEM analizi, numune ince filmler elde edilmiştir. JEOL TEM metanol çözüm buharlaşma sonra 100 KV gerilim altında ince film morfolojisi dikkate alınmalıdır. Örnek faiz pozisyonu için, elektron kırınımı deseni TEM ile ilişkili 50 cm CCD kamera uzunluğu ile elde edilebilir.
- Karşılık gelen dalga boyu 514 nm, Raman spektroskopisi holografik optik ile 200 mW LEXEL 3000 Ar iyon lazer (ayarlanabilir tek hat çıkışı), 0,5 m spektrometre ve sıvı azot CCD dedektör soğutmalı dayalı bir mikro-Raman Sistemi yapıldı 2.33 eV enerji. Raman ölçümleri aralığı 100 cm -1 ile 3100 cm -1 kaplıydı ve grafen gevreği yüzey üzerinde gerçekleştirildi.
5. Temsilcisi Sonuçlar
"> Odasının sağ ve ön görüş alanınız aynı anda elde edilen video görüntüleri Şekil 1b gösterilmiştir, d h = 75 mm. Bu görüntüler eksenel simetrik ark sütunu ile karşılaştırıldığında önemli bir dış manyetik alanın varlığında ark plazma sütun pertürbasyon göstermek bir manyetik alan 10 olmadan durumda gözlenen.Şekil 2a ve 2b, sırasıyla manyetik alan olmadan katot yaka ve B = 0.06 Tesla manyetik alan ile TEM altında toplanan SWCNT ve katalizör parçacıkların tipik morfoloji gösterir . Bu manyetik alan ile SWCNT bireysel SWCNT arasındaki van der Waals etkileşimi nedeniyle 2 ila 20 nm arasında değişen çaplarda demetleri içine yakın dolu olduğu görülebilir. Karşılaştırıldığında, manyetik alan olmadan SWCNT demetler halinde büyük çaplı ve Raman spektrum analizi ile tutarlı büyük bireysel çapı, var. Ayrıca, manyetik alan caŞekil 2a ve 2b gösterilen yüksek saflıkta SWCNT n sonucu.
Manyetik alan en ilginç etkisi grafen gevreği aynı işlemi molibden sayfaya yakın birikimi gevreği yüzey elde edilebilir. Şekil 2c ve 2d SEM ve TEM grafen gevreği görüntülerin yanı sıra birkaç- . yerde alınan numunenin elde edilen tabaka grafen ark plazmasının jetleri karşılık gelmektedir. Şekil 2d içerlek grafen ile ilişkili elektron kırınım gösterir. Elektron kırınımı altıgen nokta desen sipariş kristal yapıları kanıt sunmaktadır.
Raman spektrumu grafen gevreği ve SWCNT karakterizasyonu için güçlü bir araçtır. Grafen gözlenen tipik zirveleri, 514 nm dalgaboyu kullanarak, G ve 2D zirveleri ~ 1600 cm -1 ve -1 sırasıyla ~ 2700 cm . Gpik tüm sp2 karbon malzemeler görülebilir düzlemde titreşimler kaynaklanmaktadır. 2B tepe D tepe ikinci dereceden ancak dördüncü dereceden fonon momentumu döviz çift rezonans süreci nedeniyle düzensiz sistemleri bile görülür. Bu grafen karakterizasyonu önemli bir rol oynar. Yoğunluğu (2D) / I (G), yaklaşık 4 monolayer grafen ve sonraki tabakaların yanı sıra azalır, böylece grafen tabakalarının kalınlığı tahmin etmek mümkün. 11 Şekil 3 gösterir I değeri (2D ) / (G) birkaç katman grafen kanıt olabilir, 1 civarındadır. 120 ve 350 cm -1 Raman spektrumu arasında radyal solunum modu (RBM) C atomlarının radyal yönde tutarlı bir titreşim frekansı üzerinden nanotüp çapını tanımlamak için kullanılabilir . Frekans ve SWCNT çapı arasındaki deneysel ilişki ω RBM = A / d t + B, parametreler odemetleri oluşan tipik SWCNT için sırasıyla f ve 234 ve 10 cm -1 eşit B,. Şekil 3, ve manyetik alan olmadan SWCNT RBM frekansları, 1,52 ve 1,14 nm ortalama bireysel SWCNT çapları karşılık gelen 163,8 ve 215,2 cm -1, sırasıyla .
Şekil 1 FEMM 4.2 yazılımı ile simüle manyetik alan dağılımı (a), sağ viewport (b), interelectrode boşluğu konumlandırılmış durumda boşluk elektrot pozisyonu ve yönü manyetik alan şematik diyagramı ark plazmasının jet fotoğraf kalıcı mıknatıs (c) alt üzerinde 75 mm, ön viewport (d) ark plazmasının jet fotoğraf hakkında.
Şekil 2 sentezlenmiş Temsilcisi TEM görüntüManyetik alan olmadan SWCNT demetleri (a) ve (b) manyetik alan, manyetik alan (c) ve manyetik alan ile grafen TEM görüntü ile sentezlenen grafen gevreği tipik SEM görüntü SWCNT demetleri. Ankastre grafen kristal yapısını gösteren seçilen alanın elektron kırınım.
Şekil 3: 100-3100 cm -1 aralığında manyetik alan ile numunelerin Raman spektrumu . Ankastre: RBM frekansları çevresinde bir manyetik alan olmadan örnekleri Raman spektrumu.
Şekil 4, karbon ve nikel elektrotlar sağ ve sol tarafta gösterilen yoğunlukları, aynı bölgede bir arada bulunduğu 60 Not A. ark ve nikel karbon nano büyüme bölge ve sayı yoğunluğu .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Interelectrode boşluğu daimi mıknatıs alttan h = 75 mm uzaklıkta yerleştirilir olduğu durumda, Şekil 1b ve 1d gösterilen görüntü kareleri, mıknatıs pozisyon değişimi (mıknatıs kayma test dikkat edilmelidir Şekil 1c gösterildiği J × B kuvvet yönünde karşılık gelen x-yönünde ark jet akış sapma z-ekseni üzerinde mıknatıs dönüm) sonuçları boyunca. Aynı zamanda yay plazma sütun geometri anot nikel katalizör kaldırarak değişmedi olduğu gözlendi. Bu manyetik alan etkisi nikel katalizör parçacıklar hareket plazma sütun genel geometri etkilemez anlamına gelir. Biz kalıcı mıknatısın konumunu değiştirerek manyetik alan dağılımı kontrol edebilir ve Bunun neticesinde karbon nanoyapıların büyüme bölgesi J × B yöne göre kolayca manipüle edilebilir. SWCNT ve grafen pul toplamafarklı alanlarda ted, böylece ayırma 8 mümkündür.
Manyetik alan uygulaması ile oluşturulan plazmalar jeti, J × B yönünde doğrudan anot ısı ve yüceltilmiş karbon parçacıkları tanıtabilirsiniz grafen sentez işlemi sırasında önemli bir rol oynar. Plazmalar jet ark plazma yoğunluğu konsantre ve ark plazma karbon iyon parçacıkların etkin bir şekilde teslim yöneten ve karbon nanoyapıların üretim verimliliğini artırmak için. Deneylere ek olarak, sayısal simülasyonlar doğrudan ölçmek çok zordur plazma jeti, içindeki sıcaklık ve türlerin dağılımı elde etmek için yürütülen olabilir. Plazma çeşitli parametrelerin dağılımı, bir büyüme mekanizması ve nano oluşum yeri hakkında daha fazla bilgi alabilirsiniz. Örneğin, simülasyonlar, dış manyetik alan (Şekil 4) olmadan yürütülenolduğunu gösterdi, kök büyüme mekanizması, katalizör kümeleri üzerinden yani karbon adatoms anlaşılmak, dayalı büyüme nanoyapıların muhtemel bölge sıcaklıklarda nikel küme büyümesi için uygun dış yay bölgesinden yatıyor. Figür, arka planda nikel ve karbon sayısı yoğunlukları ile küme nikel çekirdeklenme başlamasından (2500 K, iç) ve katılaşma (1000K, dış), ilgili izotermleri tarafından açıklanan büyüme bölgeyi gösterir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Biz ifşa etmek başka bir şey var.
Acknowledgments
Bu çalışma, Plazma Bilim ve Teknoloji NSF / DOE Ortaklığı tarafından desteklenen (NSF Hibe No CBET-0.853.777 ve DOE Grant No DE-SC0001169), STTR Faz I projesi (NSF STTR FAZ I No.1010133). Yazarlar, yay deneyleri destekleyen Fusion Enerji Bilimler Office tarafından desteklenen PPPL Offsite Araştırma Programı teşekkür etmek istiyorum.
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).
