Este trabalho foi financiado pela NSF / DOE Parceria em Plasma Ciência e Tecnologia (NSF Grant No. CBET-0853777 e DOE Grant No. DE-SC0001169), a Fase I do projeto STTR (NSF STTR FASE I No.1010133). Os autores gostariam de agradecer ao Programa de Pesquisa PPPL Offsite apoiado pelo Escritório do Fusion Energy Sciences para apoiar experiências de arco.

1. Preparação do ânodo <ol><li> Pó de níquel escala (99,8%, a 300 mesh) e ítrio em pó (99,9%, 40 mesh) de acordo com a rádio molar de 4.2:1 como o pó de catalisador. </li><li> Misture o pó catalisador com pó de grafite (99,9995%, a 200 mesh) muito bem. Preencha o pó misturado em bastão de grafite oca (5 mm de diâmetro externo, 2,5 mm de diâmetro interno e 75 mm de comprimento) com firmeza. Certifique-se o rádio totais molar de C: Ni: Y no ânodo é 94.8:4.2:1, que é óptima relação de sintetizar SWCNT 9. </li><li> Instale catodo haste (grafite puro, 13 mm de diâmetro) eo ânodo de pelúcia dentro de câmara cilíndrica (aço inoxidável, 152 mm de diâmetro e 254 mm de comprimento). Ajustar a distância lacuna entre o cátodo eo ânodo de cerca de 3 mm. </li></ol> 2. Configuração do substrato <ol><li> Coloque um ímã permanente cubóide (25 mm × 25 mm × 100 mm) no interior da câmara em cerca de 25 mm de distância do eixo intereletrodos. O Ultra-High-Temp ímã Alnico usadosNo experimento tem o peso de 650 gramas. Use a configuração quando o gap intereletrodos é colocado a uma distância de cerca de h = 75 mm (Figura 1a) do fundo do imã permanente. </li><li> Corte a folha de 0,3 milímetros de espessura de molibdênio (99,95%) como o de 25 mm × 100 mm forma retangular. Eliminar a contaminação da superfície por dismembrator ultra-som em acetona e etanol, durante 30 min com 50% da amplitude da sonicando, 150 w de potência de saída e 40 kHz. </li><li> Instale folha de molibdênio anexando um lado do ímã permanente, e virar deste lado para eletrodos. </li><li> Medir o campo magnético no gap intereletrodos por um gaussmeter. Manter o campo magnético médio entre os eletrodos é de cerca de 0,06 T. </li></ol> 3. Ignição de arco de plasma <ol><li> Bomba de baixo da câmara cilíndrica à pressão inferior a 10 -1 a vácuo Torr e depois encheu-o com hélio (99,995%) a 500 Torr. </li><li> Conectar eletrodos arco para DC welding fonte de alimentação e configurar o fornecimento de energia em corrente de arco de cerca de 75 A. </li><li> Registre os valores em tempo real da tensão do arco do arco atual, e pressão da câmara de pós-experiência de análise. </li><li> Iniciar o vídeo do arco da viewports direita e frontal por duas câmeras digitais simultaneamente. Os instantâneos após 1 segundo de arco de partida são mostrados na Figura 1b (de viewport direita) e Figura 1d (de frente viewport). </li><li> Execute o arco para 15 segundos. Arrefecer câmara por convecção natural durante pelo menos 20 minutos. </li></ol> 4. Pós-síntese de análise e caracterização <ol><li> Use uma pinça para arrancar o floco de deposição a partir da superfície da folha de molibdênio, onde o arco jet plasmas foi dirigido. Outra amostra é coletada do colarinho preto de catodo. Observar a morfologia de ambos os lados do floco de deposição em SEM (tensão de aceleração de 30 KV foi usado). </li><li> Em relação à preparação de amostras para<html> TEM análise, os filmes finos de amostra foram obtidos por queda de fundição uma suspensão de solução de metanol dispersos SWCNT após sonicando por 60 minutos, utilizando dismembrator ultra-som com 50% sonicando amplitude. Observar a morfologia do filme fino sob TEM JEOL com a tensão de 100 KV após a volatilização de solução de metanol. Para o cargo de interesse na amostra, o padrão de difração de elétrons podem ser obtidas com o comprimento da câmara CCD de 50 cm associada a TEM. </li><li> A espectroscopia Raman foi realizada em um sistema micro-Raman baseado em um 200 mW Lexel 3000 Ar ion laser (saída de linha única sintonizável), com óptica holográfica, um espectrômetro de 0,5 m e um de nitrogênio líquido refrigerado detector CCD; 514 nm, que corresponde à de energia de 2,33 eV. Medidas Raman cobriu a faixa de 100 cm -1 a 3100 cm -1, e foram realizadas na superfície de flocos de grafeno. </li></ol> 5. Resultados representante &quot;&gt; Os instantâneos de vídeo obtida simultaneamente a partir de viewports direita e frontal da câmara são mostrados na Figura 1b, d para h = 75 mm. Estas imagens ilustram perturbação significativa da coluna do arco plasma na presença de campo magnético externo, em comparação com a coluna de arco axialmente simétrica observado no caso sem um campo magnético 10. Figura 2a e 2b mostrar a morfologia típica de SWCNT e catalisador partículas coletadas na gola de catodo sem campo magnético e com o campo magnético de B = 0,06 Tesla sob TEM, respectivamente. Pode ser visto que SWCNT com o campo magnético são close-embalados em pacotes com diâmetros variando de 2 a 20 nm, devido à interação de van der Waals entre SWCNT individual. Em comparação, o campo magnético SWCNT sem ter o diâmetro maior em feixes e de maior diâmetro individual, o que é consistente com a análise do espectro de Raman. Além disso, o campo magnético can resultar na SWCNT com maior pureza mostrado na Figura 2a e 2b. A influência mais interessante do campo magnético é que flocos de grafeno pode ser obtido a partir da superfície de flocos de deposição que está perto de folha de molibdênio no mesmo processo. Figura 2c e 2d mostram as imagens SEM e TEM de flocos de grafeno, bem como alguns- grafeno camada obtidos a partir da amostra colhida no local correspondeu a jatos de plasmas de arco. A inserção da Figura 2d mostra o padrão de difração de elétrons associados com o grafeno. O padrão hexagonal pontos de difração de elétrons apresenta as evidências de estruturas bem ordenadas de cristal. Espectro Raman é uma ferramenta poderosa para a caracterização de grafeno flocos e SWCNT. Os picos típicos observados em grafeno são os picos G e 2D em ~ 1600 cm -1 e ~ 2700 centímetros -1, respectivamente, usando o comprimento de onda de excitação de 514 nm. O Gpico tem origem nas vibrações de avião que pode ser observado em todos os materiais de carbono sp2. O pico 2D é uma segunda ordem do pico D, mas é visto até mesmo em sistemas não desordenado, devido à ordem phonon quarto processo de dinâmica de troca de ressonância dupla. Ela desempenha um papel crucial na caracterização de grafeno. A intensidade I (2D) / I (G) é de aproximadamente 4 para o grafeno monocamada e diminui com a adição de camadas subsequentes, tornando assim possível estimar a espessura das camadas de grafeno. 11 Figura 3 indica que o valor de I (2D) / I (G) é de cerca de 1, que pode ser a evidência de algumas camadas de grafeno. O modo de respiração radial (RBM) entre 120 e 350 cm -1 no espectro Raman pode ser usada para identificar o diâmetro de nanotubos através da frequência de vibração coerente dos átomos C na direção radial. A relação experimental entre a freqüência e diâmetro SWCNT é RBM ω = A / t d + B, onde os parâmetros of A e B igual a 234 e 10 cm -1, respectivamente, para o SWCNT típico formado em feixes. Na Figura 3, as freqüências de RBM SWCNT sem e com campo magnético são 163,8 e 215,2 cm -1, correspondente à média diâmetros SWCNT individuais de 1,52 e 1,14 nm, respectivamente. <img alt="Figura 1." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig1.jpg" /> Figura 1. Distribuição do campo magnético simulado por software FEMM 4.2 (a), fotografia de jet arco plasmas da viewport direita (b), diagrama esquemático de eletrodos de posição e de campo magnético em direção a lacuna para o caso quando o gap intereletrodos está posicionado cerca de 75 mm acima do fundo do imã permanente (c), e uma fotografia do jet arco plasmas da viewport front (d). <img alt="Figura 2." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig2.jpg" /> Figura 2. Representante da imagem TEM como sintetizadosFeixes SWCNT sem campo magnético (a) e feixes SWCNT com o campo magnético (b), imagem SEM típicas de flocos de grafeno sintetizado com o campo magnético (c), e da imagem TEM de grafeno com o campo magnético. Inset é a área selecionada padrão de difração de elétrons mostrando a estrutura cristalina de grafeno. <img alt="Figura 3." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig3.jpg" /> Figura 3. Espectro Raman das amostras com o campo magnético na faixa de 100-3100 cm -1. Detalhe: o espectro Raman das amostras sem campo magnético ao redor freqüências RBM. <img alt="Figura 4." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig4.jpg" /> Figura 4. Nanoestrutura região de crescimento e densidade número de carbono e níquel para arco de 60 A. Note que as densidades de carbono e níquel mostrado no lado esquerdo e direito dos eletrodos, co-existem na mesma região.

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	<li>Dai, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+transport+properties+and+field+effect+transistors+of+carbon+nanotubes.">Electrical transport properties and field effect transistors of carbon nanotubes.</a> Nano. 1, 1-13 (2006).</li><li>Lai, K. W. C., Xi, N., Fung, C. K. M., Chen, H. Z., Tarn, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+the+band+gap+of+carbon+nanotube+for+infrared+sensors.">Engineering the band gap of carbon nanotube for infrared sensors.</a> Applied Physics Letters. 95, 221107-221107 (2009).</li><li>Gabor, N. M., Zhong, Z. H., Bosnick, K., Park, J., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extremely+Efficient+Multiple+Electron-Hole+Pair+Generation+in+Carbon+Nanotube+Photodiodes.">Extremely Efficient Multiple Electron-Hole Pair Generation in Carbon Nanotube Photodiodes.</a> Science. 325, 1367-1371 (2009).</li><li>Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+storage+in+single-walled+carbon+nanotubes+at+room+temperature.">Hydrogen storage in single-walled carbon nanotubes at room temperature.</a> Science. 286, 1127-1129 (1999).</li><li>Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic-field-enhanced+synthesis+of+single-wall+carbon+nanotubes+in+arc+discharge.">Magnetic-field-enhanced synthesis of single-wall carbon nanotubes in arc discharge.</a> Journal of Applied Physics. 103, 094318-094318 (2008).</li><li>Li, J., Volotskova, O., Shashurin, A., Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+Diameter+Distribution+of+Catalyst+Nanoparticles+in+Arc+Discharge.">Controlling Diameter Distribution of Catalyst Nanoparticles in Arc Discharge.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 11, 10047-10052 (2011).</li><li>Volotskova, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tailored+Distribution+of+Single-Wall+Carbon+Nanotubes+from+Arc+Plasma+Synthesis+Using+Magnetic+Fields.">Tailored Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes from Arc Plasma Synthesis Using Magnetic Fields.</a> Acs. Nano. 4, 5187-5192 (2010).</li><li>Volotskova, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-step+synthesis+and+magnetic+separation+of+graphene+and+carbon+nanotubes+in+arc+discharge+plasmas.">Single-step synthesis and magnetic separation of graphene and carbon nanotubes in arc discharge plasmas.</a> Nanoscale. 2, 2281-2285 (2010).</li><li>Farhat, S., Scott, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+the+arc+process+modeling+for+fullerene+and+nanotube+production.">Review of the arc process modeling for fullerene and nanotube production.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 6, 1189-1210 (2006).</li><li>Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+the+length+of+single-wall+carbon+nanotubes+in+a+magnetically+enhanced+arc+discharge.">Increasing the length of single-wall carbon nanotubes in a magnetically enhanced arc discharge.</a> Applied Physics Letters. 92, 043129-043129 (2008).</li><li>Ferrari, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+spectrum+of+graphene+and+graphene+layers.">Raman spectrum of graphene and graphene layers.</a> Physical Review Letters. 97, 187401-187401 (2006).</li></ol>

Não temos nada a revelar.

Nos instantâneos de vídeo mostrado na figura 1b e 1d, para o caso que a diferença intereletrodos foi colocado a uma distância de cerca de h = 75 mm da base de ímã permanente, deve-se notar que a mudança de posição do ímã (que testamos mudança ímã ao longo eixo z e girando o ímã sobre) resulta em desvio do fluxo de jacto de arco eléctrico na direção x correspondente à direção de J × B força ilustrada na Figura 1c. Também foi observado que a geome...

Tabela de reagentes e equipamentos específicos: <table border="1"><tbody><tr><th> Nome do reagente </th><th> Companhia </th><th> Número de catálogo </th><th> Comments (opcional) </th></tr><tr><td> Metanol </td><td> Acros Organics </td><td> 423950010 </td><td></td></tr><tr><td> Pó de níquel </td><td> Alfa Aesar </td><td> 10581 </td><td></td></tr><tr><td> Ítrio pó </td><td> Acros Organics </td><td> 318060050 </td><td></td></tr><tr><td> Pó de grafite </td><td> Alfa Aesar </td><td> 40799 </td><td></td></tr><tr><td> Bastão de grafite oco </td><td> Saturno Industries </td><td> POCO EDM 3 </td><td></td></tr><tr><td> Ímã permanente </td><td> McMaster-Carr </td><td> 57315K51 </td><td></td></tr><tr><td> Folha de molibdênio </td><td> Dingqi Sci. e Tech. </td><td> 080504-11 </td><td></td&gt; </tr><tr><td> Ultra-som dismembrator </td><td> Fisher Scientific </td><td> Modelo 150T </td><td></td></tr><tr><td> De efeito Hall gaussmeter </td><td> AI </td><td> Modelo 100 </td><td></td></tr><tr><td> Fornecimento de energia de soldagem </td><td> Miller Elétrica </td><td> Gold Star 600SS </td><td></td></tr><tr><td> Bomba de vácuo </td><td> J / B </td><td> DV-85N </td><td></td></tr><tr><td> SEM </td><td> Zeiss </td><td> LEO 1430VP </td><td></td></tr><tr><td> TEM </td><td> JEOL </td><td> 1200 EX </td><td></td></tr><tr><td> Raman </td><td> Horiba </td><td> HR800 </td><td></td></tr></tbody></table>

simultaneous synthesis of single-walled carbon nanotubes and graphene in a magnetically-enhanced arc plasma

Nanoestruturas de carbono, como nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) e grafeno atrair um dilúvio de interesse dos estudiosos hoje em dia, devido à sua aplicação muito promissora para sensores molecular, transistor de efeito de campo e super fino e flexível dispositivos eletrônicos 1-4. Descarga de arco anódica apoiado pela erosão do ânodo é um dos métodos mais práticos e eficientes, o que pode fornecer específicos não-equilíbrio processos e um fluxo elevado de material de carbono para o desenvolvimento de estruturas em temperatura relativamente mais altos e, conseqüentemente, o as- produtos sintetizados têm poucos defeitos estruturais e melhor cristalinidade. Para melhorar ainda mais a controlabilidade e flexibilidade da síntese de nanoestruturas de carbono na descarga de arco, os campos magnéticos podem ser aplicados durante o processo de síntese de acordo com as respostas magnético forte de plasmas de arco. Foi demonstrado que o magneticamente avançada arco Discharge pode aumentar a duração média de SWCNT 5, estreita a distribuição de diâmetro de partículas de catalisador metálico e nanotubos de carbono 6, e alterar a relação de materiais metálicos e nanotubos de carbono semicondutores 7, bem como levar à síntese de grafeno 8. Além disso, vale a pena observar que quando introduzimos um campo magnético não uniforme com o componente normal para a corrente em arco, a força de Lorentz ao longo da direção J × B pode gerar o jet plasmas e fazer a entrega efetiva de partículas de carbono e de íons fluxo de calor para amostras. Como resultado, flocos em larga escala de grafeno e nanotubos de carbono de alta pureza single-walled foram simultaneamente gerados por tal método novo arco magneticamente avançada anódica. Arc de imagem, microscópio eletrônico de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espectroscopia Raman foram empregadas para analisar a caracterização de nanoestruturas de carbono. Estes resultados indicam umaamplo espectro de oportunidades para manipular com as propriedades de nanoestruturas produzidas em plasmas por meio de controlar as condições de arco.

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Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Descarga de arco anódica é um dos métodos mais práticos e eficientes para sintetizar nanoestruturas de carbono diversos. Para aumentar a controlabilidade de arco e flexibilidade, um campo magnético não uniforme foi apresentado ao processo de síntese de uma etapa de flocos em larga escala de grafeno e nanotubos de carbono de alta pureza single-walled.

Síntese simultânea de nanotubos de carbono de parede única e de grafeno em um Plasma Arc magnética avançada

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very ...

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15.2K visualizações.  The George Washington University. Descarga de arco anódica é um dos métodos mais práticos e eficientes para sintetizar nanoestruturas de carbono diversos. Para aumentar a controlabilidade de arco e flexibilidade, um campo magnético não uniforme foi apresentado ao processo de síntese de uma etapa de flocos em larga escala de grafeno e nanotubos de carbono de alta pureza single-walled.