Questo lavoro è stato supportato da NSF / DOE partenariato nel plasma Scienza e della Tecnologia (NSF Concessione n. cbet-0853777 e il DOE Concessione n ° DE-SC0001169), STTR Fase I del progetto (NSF STTR FASE I No.1010133). Gli autori desiderano ringraziare il Programma di Ricerca PPPL Offsite sostenuta dall&#39;Ufficio di Fusion Scienze Energia per supportare esperimenti arco.

1. Preparazione anodo <ol><li> Nichel in polvere scala (99,8%, 300 maglie) e ittrio in polvere (99,9%, 40 mesh) secondo la radio molare di 4,2:1 in polvere catalizzatore. </li><li> Miscelare la polvere catalizzatore con polvere di grafite (99,9995%, 200 mesh) molto bene. Riempire la polvere miscelato in asta di grafite cavo (5 mm di diametro esterno, 2,5 mm di diametro interno e 75 mm di lunghezza) con decisione. Assicurarsi che la radio totale molare di C: Ni: S in asta anodo è 94.8:4.2:1, che è il rapporto ottimale di sintetizzare SWCNT 9. </li><li> Installare catodo asta (grafite pura, 13 mm di diametro) e l&#39;asta anodo ripieno all&#39;interno della camera cilindrica (acciaio inox, 152 mm di diametro e 254 mm di lunghezza). Regolare la distanza divario tra catodo e anodo di circa 3 mm. </li></ol> 2. Substrato di setup <ol><li> Mettere un magnete permanente parallelepipedo (25 mm × 25 mm × 100 mm) all&#39;interno della camera di circa 25 mm di distanza dall&#39;asse interelettrodica. L&#39;Ultra-High-Temp Alnico magnete utilizzatonell&#39;esperimento ha il peso di 650 grammi. Utilizzare la configurazione quando il divario interelettrodica è posto alla distanza di circa h = 75 mm (Figura 1a) dal fondo del magnete permanente. </li><li> Tagliare il spessore 0,3 mm Scheda di molibdeno (99,95%) come la mm 25 × 100 mm forma rettangolare. Eliminare la contaminazione superficiale da dismembrator ultrasuoni in acetone ed etanolo per 30 minuti con ampiezza del 50% sonicating, 150 w di potenza e 40 kHz. </li><li> Installare foglio molibdeno allegando un lato del magnete permanente, e trasformare questo lato verso elettrodi. </li><li> Misurare il campo magnetico nel vuoto da un interelettrodica Gauss-metro. Tenere il campo magnetico media tra gli elettrodi è di circa 0,06 T. </li></ol> 3. Accensione del plasma <ol><li> Pompa lungo la camera cilindrica a pressione inferiore a 10 -1 Torr a vuoto e poi riempito con elio (99,995%) a 500 Torr. </li><li> Collegare gli elettrodi dell&#39;arco di CC welding alimentazione e impostare l&#39;alimentazione a corrente arco di circa 75 A. </li><li> Registra in tempo reale i valori di arco di corrente, tensione d&#39;arco e la pressione della camera di post-esperimento di analisi. </li><li> Avviare il video di un arco da finestre a destra e frontale da due macchine fotografiche digitali contemporaneamente. Le istantanee dopo 1 secondo d&#39;arco di partenza sono mostrati in figura 1b (dalla finestra di destra) e Figura 1d (vista da davanti). </li><li> Eseguire l&#39;arco per 15 secondi. Raffreddare camera per convezione naturale per almeno 20 minuti. </li></ol> 4. Post-sintesi l&#39;analisi e la caratterizzazione <ol><li> Utilizzare pinzette per strappare il fiocco deposizione dalla superficie del foglio molibdeno, dove era diretto il getto dell&#39;arco plasma. Un altro campione viene raccolto dal collare nero di catodo. Osservare la morfologia di entrambi i lati del fiocco di deposizione sotto SEM (tensione di accelerazione di 30 KV è stato utilizzato). </li><li> Per quanto riguarda la preparazione del campione per<html> TEM analisi, i film sottili di campione sono stati ottenuti a goccia colata una sospensione di metanolo-dispersi soluzione SWCNT dopo sonicating per 60 minuti usando dismembrator ad ultrasuoni con il 50% sonicating ampiezza. Osservare la morfologia del film sottile sotto JEOL TEM con la tensione di 100 KV dopo la volatilizzazione della soluzione di metanolo. Per la posizione di interesse nel campione, pattern di diffrazione di elettroni può essere ottenuto con la lunghezza camera CCD di 50 cm associati TEM. </li><li> Spettroscopia Raman è stata effettuata su un micro-Raman sistema basato su un 200 mW Lexel 3000 Ar laser a ioni (sintonizzabile uscita singola linea), con ottica olografica, spettrometro di 0,5 m ed una di azoto raffreddato a liquido rivelatore CCD; lunghezza d&#39;onda 514 nm, che corrisponde al energia di 2,33 eV. Misure Raman coperto la gamma da 100 cm -1 a 3100 cm -1, e sono state effettuate sulla superficie di fiocchi di grafene. </li></ol> 5. Rappresentante Risultati &quot;&gt; Le istantanee video ottenuto contemporaneamente da finestre a destra e davanti alla camera sono mostrati in figura 1b, d per h = 75 mm. Queste immagini illustrano significativa perturbazione della colonna d&#39;arco plasma in presenza di campo magnetico esterno in confronto con la colonna arco assialmente simmetrica osservato nel caso senza un campo magnetico 10. Figura 2a e 2b visualizzare la morfologia tipica delle particelle e catalizzatore SWCNT raccolte sul colletto del catodo senza campo magnetico e con il campo magnetico di B = 0,06 Tesla sotto TEM, rispettivamente. Si può notare che SWCNT con il campo magnetico sono vicini confezionati in fasci con diametri che vanno da 2 a 20 nm a causa delle interazioni di van der Waals tra SWCNT individuali. In confronto, il SWCNT senza campo magnetico hanno il diametro maggiore in fasci e diametro maggiore individuale, che è coerente con l&#39;analisi dello spettro Raman. Inoltre, il campo magnetico can risultato nel SWCNT con maggiore purezza mostrato in Figura 2a e 2b. L&#39;influenza più interessanti del campo magnetico è che fiocchi di grafene può essere ottenuto dalla superficie di fiocchi deposizione che è vicino al foglio di molibdeno nello stesso processo. Figura 2c e 2d mostrare le immagini al SEM e TEM di fiocchi di grafene così come pochi strato di grafene ottenuti dal campione prelevato presso la sede corrispondeva ad arco plasma getti. L&#39;inserto della figura 2d mostra il modello di diffrazione di elettroni associati con il grafene. La struttura esagonale punti di diffrazione di elettroni presenta l&#39;evidenza di ben ordinata strutture cristalline. Spettro Raman è un potente strumento per la caratterizzazione di fiocchi di grafene e SWCNT. I picchi tipici osservati in grafene sono le cime G e 2D a ~ 1600 cm -1 e ~ 2700 centimetri -1 rispettivamente, con la lunghezza d&#39;onda di eccitazione di 514 nm. Il Gdi picco deriva da vibrazioni in aereo, che può essere osservata in tutti i materiali di carbonio sp2. Il picco 2D è un secondo ordine del picco D, ma è visto anche non sistemi disordinati, per il quarto fonone processo di ordinazione slancio risonanza doppio scambio. Essa svolge un ruolo fondamentale nella caratterizzazione del grafene. L&#39;intensità I (2D) / I (G) è di circa 4 per grafene monostrato e diminuisce con l&#39;aggiunta di strati successivi, rendendo così possibile stimare lo spessore di strati di grafene. 11 Figura 3 indica che il valore di I (2D) / I (G) è di circa 1, che può essere l&#39;evidenza di alcuni strati di grafene. La modalità di respirazione radiale (RBM) tra 120 e 350 cm -1 a spettro Raman può essere utilizzato per identificare il diametro dei nanotubi attraverso la frequenza di vibrazione coerente degli atomi C in direzione radiale. La relazione sperimentale tra la frequenza e il diametro è SWCNT RBM ω = A / d t + B, dove i parametri of A e pari a 234 e 10 cm -1 B, rispettivamente, per il SWCNT tipica forma in fasci. Dalla Figura 3, le frequenze RBM di SWCNT senza e con il campo magnetico sono 163,8 e 215,2 centimetri -1, corrispondente al diametro medio di SWCNT individuale di 1,52 e 1,14 nm, rispettivamente. <img alt="Figura 1." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig1.jpg" /> Figura 1. Distribuzione del campo magnetico simulato da FEMM 4,2 software (a), fotografia di getto dell&#39;arco plasma dalla finestra di destra (b), schema di posizione degli elettrodi e del campo magnetico in direzione del gap per il caso in cui il gap è posizionato interelettrodica circa 75 mm sopra il fondo del magnete permanente (c), e la fotografia di getto dell&#39;arco plasma dalla parte anteriore della vista (d). <img alt="Figura 2." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig2.jpg" /> Figura 2. TEM immagine rappresentante di as-sintetizzateFasci SWCNT senza campo magnetico (a) e fasci SWCNT con il campo magnetico (b), tipica immagine SEM di fiocchi di grafene sintetizzato con il campo magnetico (c), e l&#39;immagine TEM di grafene con il campo magnetico. Inserto è la scelta dell&#39;area di diffrazione di elettroni schema mostra la struttura cristallina del grafene. <img alt="Figura 3." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig3.jpg" /> Figura 3. Spettro Raman dei campioni con il campo magnetico nel range di 100-3100 cm -1. Inset: spettro Raman di campioni senza campo magnetico intorno frequenze RBM. <img alt="Figura 4." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig4.jpg" /> Figura 4. Crescita regione nanostruttura e la densità numero di carbonio e nichel per l&#39;arco di 60 A. Si noti che la densità di carbonio e nichel visualizzato sul lato destro e sinistro degli elettrodi, coesistono nella stessa regione.

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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>

Non abbiamo nulla da rivelare.

Nel istantanee video mostrato in figura 1b e 1d, per il caso che il divario interelettrodica è stato posto alla distanza di circa h = 75 mm dal fondo del magnete permanente, si deve rilevare che il cambiamento di posizione del magnete (abbiamo testato spostamento magnete lungo l&#39;asse z e ruotando il magnete sopra) comporta la deviazione del flusso del getto ad arco in direzione x che corrisponde alla direzione di J × B forza illustrato in Figura 1c. E &#39;stato a...

Tabella di reagenti e attrezzature specifiche: <table border="1"><tbody><tr><th> Nome del reagente </th><th> Azienda </th><th> Numero di catalogo </th><th> Commenti (opzionale) </th></tr><tr><td> Metanolo </td><td> Acros Organics </td><td> 423950010 </td><td></td></tr><tr><td> Nichel in polvere </td><td> Alfa Aesar </td><td> 10581 </td><td></td></tr><tr><td> Ittrio polvere </td><td> Acros Organics </td><td> 318060050 </td><td></td></tr><tr><td> Polvere di grafite </td><td> Alfa Aesar </td><td> 40799 </td><td></td></tr><tr><td> Cava di grafite asta </td><td> Saturno Industries </td><td> POCO EDM 3 </td><td></td></tr><tr><td> Magneti permanenti </td><td> McMaster-Carr </td><td> 57315K51 </td><td></td></tr><tr><td> Molibdeno foglio </td><td> Dingqi Fantascienza. e Tech. </td><td> 080504-11 </td><td></td&gt; </tr><tr><td> Ultrasonico dismembrator </td><td> Fisher Scientific </td><td> Modello 150T </td><td></td></tr><tr><td> Effetto Hall Gauss-metro </td><td> AI </td><td> Modello 100 </td><td></td></tr><tr><td> Saldatura di alimentazione </td><td> Miller elettrico </td><td> Gold Star 600SS </td><td></td></tr><tr><td> Pompa del vuoto </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

Nanostrutture di carbonio, come nanotubi a parete singola carbonio (SWCNT) e grafene attrarre un diluvio di interesse degli studiosi oggi a causa della loro applicazione molto promettente per sensori molecolari, transistor ad effetto di campo e super sottile e flessibile dispositivi elettronici 1-4. Scarica ad arco anodico sostenuto dalla erosione del materiale anodo è uno dei metodi più pratici ed efficienti, in grado di fornire specifiche non-equilibrio dei processi e un afflusso elevato di materiale di carbonio per le strutture in via di sviluppo a temperatura relativamente più elevati, e di conseguenza l&#39;as- prodotti di sintesi hanno pochi difetti strutturali e una migliore cristallinità. Per migliorare ulteriormente la controllabilità e la flessibilità della sintesi di nanostrutture di carbonio a scarica ad arco, i campi magnetici possono essere applicati durante il processo di sintesi in base alle risposte forti magnetico di plasmi ad arco. E &#39;stato dimostrato che la magneticamente avanzata arco dischARGE può aumentare la durata media del SWCNT 5, stretta distribuzione del diametro delle particelle di catalizzatore metallico e nanotubi di carbonio 6, e cambiare il rapporto tra metallici e nanotubi di carbonio semiconduttori 7, così come portare a sintesi grafene 8. Inoltre, vale la pena far notare che quando si introduce una non uniforme campo magnetico con la componente normale alla corrente di arco, la forza di Lorentz lungo la direzione di J × B in grado di generare il getto di plasma e rendere efficace erogazione di particelle di ioni carbonio e flusso di calore ai campioni. Di conseguenza, su larga scala fiocchi di grafene e nanotubi di carbonio ad alta purezza a parete singola sono state generate simultaneamente da tale nuovo metodo di magneticamente avanzata arco anodica. Arco di imaging, microscopio elettronico a scansione (SEM), la trasmissione microscopio elettronico (TEM) e spettroscopia Raman sono stati impiegati per analizzare la caratterizzazione di nanostrutture di carbonio. Questi risultati indicano unaampio spettro di opportunità di manipolare con le proprietà di nanostrutture prodotte in plasmi per mezzo di controllo delle condizioni di arco.

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

Scarica ad arco anodica è uno dei metodi più pratico ed efficace per sintetizzare diverse nanostrutture di carbonio. Per aumentare la controllabilità arco e la flessibilità, non uniforme campo magnetico è stato introdotto per elaborare la sintesi di uno stadio di grandi fiocchi di grafene e nanotubi di carbonio ad alta purezza a parete singola.

Sintesi simultanea di nanotubi a parete singola carbonio e del grafene in un Plasma Arc magneticamente avanzata

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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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

15.2K Views.  The George Washington University. Scarica ad arco anodica è uno dei metodi più pratico ed efficace per sintetizzare diverse nanostrutture di carbonio. Per aumentare la controllabilità arco e la flessibilità, non uniforme campo magnetico è stato introdotto per elaborare la sintesi di uno stadio di grandi fiocchi di grafene e nanotubi di carbonio ad alta purezza a parete singola.

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Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

Molding Fabrication, densificazione e Replica di microstrutture 3D Nanotubi di carbonio

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

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Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees of freedom to control electronic devices. In particular, the behavior of graphene&#8217;s charge carriers in response to potentials from charged Coulomb impurities is predicted to differ significantly from that of most materials. Scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) can provide detailed information on both the spatial and energy dependence of graphene&#39;s electronic structure in the presence of a charged impurity.&#160;The design of a hybrid impurity-graphene device, fabricated using controlled deposition of impurities onto a back-gated graphene surface, has enabled several novel methods for controllably tuning graphene&#8217;s electronic properties.1-8 Electrostatic gating enables control of the charge carrier density in graphene and the ability to reversibly tune the charge2 and/or molecular5 states of an impurity. This paper outlines the process of fabricating a gate-tunable graphene device decorated with individual Coulomb impurities for combined STM/STS studies.2-5 These studies provide valuable insights into the underlying physics, as well as signposts for designing hybrid graphene devices.

This paper details the fabrication process of a gate-tunable graphene device, decorated with Coulomb impurities for scanning tunneling microscopy studies. Mapping the spatially dependent electronic structure of graphene in the presence of charged impurities unveils the unique behavior of its relativistic charge carriers in response to a local Coulomb potential.

Fabbricazione di gate-sintonizzabili dispositivi di grafene per effetto tunnel studi di microscopia con Coulomb impurità

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs along the interface between the fuel and core materials. Simultaneously, dynamic changes in thermal and chemical potentials across the micro/nanostructured materials result in concomitant electrical energy generation induced by charge transfer in the form of a high-output voltage pulse. We demonstrate the entire procedure of a thermopower wave experiment, from synthesis to evaluation. Thermal chemical vapor deposition and the wet impregnation process are respectively employed for the synthesis of a multi-walled carbon nanotube array and a hybrid composite of picric acid/sodium azide/multi-walled carbon nanotubes. The prepared hybrid composites are used to fabricate a thermopower wave generator with connecting electrodes. The combustion of the hybrid composite is initiated by laser heating or Joule-heating, and the corresponding combustion propagation, direct electrical energy generation, and real-time temperature changes are measured using a high-speed microscopy system, an oscilloscope, and an optical pyrometer, respectively. Furthermore, the crucial strategies to be adopted in the synthesis of hybrid composite and initiation of their combustion that enhance the overall thermopower wave energy transfer are proposed.

A protocol for conducting thermopower wave experiments is presented. The synthesis of hybrid composites of a chemical fuel and micro/nanostructured material, manufacturing of a thermopower wave generator, and methods for measuring the corresponding physical phenomena are described.

Preparazione e valutazione dei compositi ibridi di combustibile chimico e multi-walled nanotubi di carbonio nello studio di termoelettrico Waves

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs ...

Functionalization and Dispersion of Carbon Nanomaterials Using an Environmentally Friendly Ultrasonicated Ozonolysis Process

Functionalization of carbon nanomaterials is often a critical step that facilitates their integration into larger material systems and devices. In the as-received form, carbon nanomaterials, such as carbon nanotubes (CNTs) or graphene nanoplatelets (GNPs), may contain large agglomerates. Both agglomerates and impurities will diminish the benefits of the unique electrical and mechanical properties offered when CNTs or GNPs are incorporated into polymers or composite material systems. Whilst a variety of methods exist to functionalize carbon nanomaterials and to create stable dispersions, many the processes use harsh chemicals, organic solvents, or surfactants, which are environmentally unfriendly and may increase the processing burden when isolating the nanomaterials for subsequent use. The current research details the use of an alternative, environmentally friendly technique for functionalizing CNTs and GNPs. It produces stable, aqueous dispersions free of harmful chemicals. Both CNTs and GNPs can be added to water at concentrations up to 5 g/L and can be recirculated through a high-powered ultrasonic cell. The simultaneous injection of ozone into the cell progressively oxidizes the carbon nanomaterials, and the combined ultrasonication breaks down agglomerates and immediately exposes fresh material for functionalization. The prepared dispersions are ideally suited for the deposition of thin films onto solid substrates using electrophoretic deposition (EPD). CNTs and GNPs from the aqueous dispersions can be readily used to coat carbon- and glass-reinforcing fibers using EPD for the preparation of hierarchical composite materials.

Here, a novel method for the functionalization and stable dispersion of carbon nanomaterials in aqueous environments is described. Ozone is injected directly into an aqueous dispersion of carbon nanomaterial that is continuously recirculated through a high-powered ultrasonic cell.

Funzionalizzazione e dispersione dei nanomateriali del carbonio utilizzando un processo di ozonolisi ecologico ecologico

Functionalization of carbon nanomaterials is often a critical step that facilitates their integration into larger material systems and devices. In the ...

Ambiente

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning electron microscope (ESEM) operating with a low pressure water vapor ambient. In this technique, a portion of the electron beam interacts with the water vapor in the vicinity of the CNT sample, dissociating the water molecules into hydroxyl radicals and other species by radiolysis. The remainder of the electron beam interacts with the CNT forest sample, making it susceptible to oxidation from the chemical products of radiolysis. This technique may be used to trim a selected region of an individual CNT, or it may be used to remove hundreds of cubic microns of material by adjusting ESEM parameters. The machining resolution is similar to the imaging resolution of the ESEM itself. The technique produces only small quantities of carbon residue along the boundaries of the cutting zone, with minimal effect on the native structural morphology of the CNT forest.

Low pressure scanning electron microscopy in a water vapor ambient is used to machine nanoscale to microscale features in carbon nanotube forests.

Precisione fresatura di Nanotubi di carbonio delle foreste Utilizzando bassa pressione Scanning Electron Microscopy

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a free-radical polymerization strategy to enable the modulation of the nanotube surface properties and produce supramolecular self-assembly of the nanostructures. First, a selective hydroxylation of the pristine nanotubes through a biphasic catalytically mediated oxidation reaction creates superficially distributed reactive sites at the sidewalls. The latter reactive sites are subsequently modified with methacrylic moieties using a silylated methacrylic precursor to create polymerizable sites. Those polymerizable groups can address further polymerization of styrene to produce a hybrid nanomaterial containing PS chains grafted to the nanotube sidewalls. The polymer-graft content, amount of silylated methacrylic moieties introduced and hydroxylation modification of the nanotubes are identified and quantified by Thermogravimetric Analysis (TGA). The presence of reactive functional groups hydroxyl and silylated methacrylate are confirmed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Polystyrene-grafted carbon nanotube solutions in tetrahydrofuran (THF) provide wall-to-wall collinearly self-assembled nanotubes when cast samples are analyzed by transmission electron microscopy (TEM). Those self-assemblies are not obtained when suitable blanks are similarly cast from analogous solutions containing non-grafted counterparts. Therefore, this method enables the modification of the nanotube anisotropic patchiness at the sidewalls which results into spontaneous auto-organization at the nanoscale.

A procedure for the synthesis of polystyrene-grafted multiwalled carbon nanotubes using successive chemical modification steps to selectively introduce the polymer chains to the sidewalls and their self-assembly via anisotropic patchiness is presented.

L'innesto Multiwalled Carbon Nanotubes con polistirolo per abilitare l'auto-assemblaggio e discromie anisotropo

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a ...

Chimica

Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures

Physical thermal deposition in a high vacuum environment is a clean and controllable method for fabricating novel molecular nanostructures on graphene. We present methods for depositing and passively manipulating C60 molecules on rippled graphene that advance the pursuit of realizing applications involving 1D C60/graphene hybrid structures. The techniques applied in this exposition are geared towards high vacuum systems with preparation areas capable of supporting molecular deposition as well as thermal annealing of the samples. We focus on C60 deposition at low pressure using a homemade Knudsen cell connected to a scanning tunneling microscopy (STM) system. The number of molecules deposited is regulated by controlling the temperature of the Knudsen cell and the deposition time. One-dimensional (1D) C60 chain structures with widths of two to three molecules can be prepared via tuning of the experimental conditions. The surface mobility of the C60 molecules increases with annealing temperature allowing them to move within the periodic potential of the rippled graphene. Using this mechanism, it is possible to control the transition of 1D C60 chain structures to a hexagonal close packed quasi-1D stripe structure.

Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures

Here we present a protocol for the fabrication of C60/graphene hybrid nanostructures by physical thermal evaporation. Particularly, the proper manipulation of deposition and annealing conditions allow the control over the creation of 1D and quasi 1D C60 structures on rippled graphene.

Preparazione e caratterizzazione di nanostrutture ibride C60/Graphene

Physical thermal deposition in a high vacuum environment is a clean and controllable method for fabricating novel molecular nanostructures on graphene. We ...

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without attendance and adjustment. Thermochemical thrusters which utilize thermodynamic properties of gases as a means of acceleration have physical limitations on their exhaust gas velocity, resulting in low efficiency. Moreover, these engines demonstrate extremely low efficiency at small thrusts and may be unsuitable for continuously operating systems which provide real-time adaptive control of the spacecraft orientation, velocity and position. In contrast, electric propulsion systems which use electromagnetic fields to accelerate ionized gases (i.e., plasmas) do not have any physical limitation in terms of exhaust velocity, allowing virtually any mass efficiency and specific impulse. Low-thrust Hall thrusters have a lifetime of several thousand hours. Their discharge voltage ranges between 100 and 300 V, operating at a nominal power of &lt;1 kW. They vary from 20 to 100 mm in size. Large Hall thrusters can provide fractions of millinewton of thrust. Over the past few decades, there has been an increasing interest in small mass, low power, and high efficiency propulsion systems to drive satellites of 50-200 kg. In this work, we will demonstrate how to build, test, and optimize a small (30 mm) Hall thruster capable of propelling a small satellite weighing about 50 kg. We will show the thruster operating in a large space environment simulator, and describe how thrust is measured and electric parameters, including plasma characteristics, are collected and processed to assess key thruster parameters. We will also demonstrate how the thruster is optimized to make it one of the most efficient small thrusters ever built. We will also address challenges and opportunities presented by new thruster materials.

Here, we present a protocol to test and optimize space propulsion systems based on miniaturized Hall-type thrusters.

Ottimizzazione, Test e diagnostica di propulsori a effetto Hall miniaturizzato

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

Synthesis of Graphene Nanofluids with Controllable Flake Size Distributions

A method for synthesizing graphene nanofluids with controllable flake size distributions is presented. Graphene nanoflakes can be obtained by the exfoliation of graphite in the liquid phase, and the exfoliation time is used to control the lower limits of the graphene nanoflake size distributions. Centrifugation is successfully used to control the upper limits of the nanoparticle size distributions. The objective of this work is to combine exfoliation and centrifugation to control the graphene nanoflake size distributions in the resulting suspensions.

A method for synthesizing graphene nanofluids with controllable flake size distributions is presented.

Sintesi di nanofluidi di grafene con distribuzioni di dimensioni dei fiocchi controllabili

A method for synthesizing graphene nanofluids with controllable flake size distributions is presented. Graphene nanoflakes can be obtained by the ...

Microscopic Visualization of Porous Nanographenes Synthesized through a Combination of Solution and On-Surface Chemistry

On-surface synthesis has recently been regarded as a promising approach for the generation of new molecular structures. It has been particularly successful in the synthesis of graphene nanoribbons, nanographenes and intrinsically reactive and instable, yet attractive species. It is based on the combination of solution chemistry aimed at preparation of appropriate molecular precursors for further ultra-high vacuum surface assisted transformations. This approach also owes its success to an incredible development of characterization techniques, such as scanning tunneling/atomic force microscopy and related methods, which allow detailed, local characterization at atomic scale. While the surface-assisted synthesis can provide molecular nanostructures with outstanding precision, down to single atoms, it suffers from basing on metallic surfaces and often limited yield. Therefore, the extension of the approach away from metals and the struggle to increase productivity seem to be significant challenges toward wider applications. Herein, we demonstrate the on-surface synthesis approach for generation of non-planar nanographenes, which are synthesized through a combination of solution chemistry and sequential surface-assisted processes, together with the detailed characterization by scanning probe microscopy methods.

<meta charset="utf8"></head><body>Visualizzazione microscopica di nanografeni porosi sintetizzati attraverso una combinazione di soluzione e chimica superficiale

A combination of solution and surface assisted synthesis opens new directions in the atomically precise synthesis of nanostructures. Scanning tunneling microscopy (STM) supplemented by non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) enables detailed characterization of newly designed and generated carbon-based nano-objects.

Sintesi simultanea di nanotubi a parete singola carbonio e del grafene in un Plasma Arc magneticamente avanzata

Riepilogo

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