Механизмы формирования фуллереноподобных структур из плазмы при электродуговом распылении графита

Abstract

Предлагаются механизмы образования одностенных и многостенных углеродных нанотрубок в дуговом разряде. Отличительной особенностью механизма образования одностенных трубок на основе разряда с допированием электродов катализаторами является сценарий, по которому главную роль выполняют наночастицы углерода, покидающие анод. В плазме дугового разряда вылетевшие из анода наночастицы находятся в свободном полете, пока не попадут на катод. При этом они являются фактически изолированными телами, на которые осаждаются атомы, ионы и более сложные комплексы. В результате процессов конденсации атомов, комплексов, а также рекомбинации ионов на поверхности свободно летящих наночастиц последние становятся многокомпонентными (углерод—катализаторы) и нагреваются до высоких температур. При попадании в более холодные области плазмы во время своего дрейфа через плазму к коллектору (холодному или нагретому) они охлаждаются; при этом на гранях кристаллизующегося катализатора выделяется структурированный углерод в виде одностенной нанотрубки (или связок нанотрубок). Многостенные трубки, вероятнее всего, образуются в результате отжига непосредственно в депозите, где есть подходящая температура для модифицированных наночастиц углерода, прилетающих на катод из разрядного промежутка. Дуговой разряд в этом случае является лишь генератором наночастиц с начальной структурой, подходящей для такого отжига.

Пропонуються механізми формування одностінних та багатостінних вуглецевих нанорурок у дуговому розряді. Відмінною особливістю механізму утворення одностінних рурок на основі розряду із допуванням електрод каталізаторами є сценарій, за яким визначальну роль виконують наночастинки вуглецю, що покидають аноду. У плазмі дугового розряду наночастинки, що вилетіли з аноди, знаходяться у вільному польоті, доки не попадуть на катоду. При цьому вони являються фактично ізольованими тілами, на яких осаджуються атоми, йони та більш складні комплекси. В результаті процесів конденсації атомів, комплексів, а також рекомбінації йонів на поверхні наночастинок, що вільно летять, останні стають багатокомпонентними (вуглець—каталізатори) і нагріваються до високих температур. При попаданні у більш холодні області плазми під час свого дрейфу до колектора (холодного або ж нагрітого) вони охолоджуються; при цьому на гранях каталізатора, який кристалізується, виділяється структурований вуглець у вигляді одностінної нанорурки (або зв’язок нанорурок). Багатостінні рурки, найбільш ймовірно, утворюються в результаті відпалу безпосередньо у катодному депозиті, де є відповідна температура для модифікованих наночастинок вуглецю, які прилітають на катоду із розрядного проміжку. Дуговий розряд у цьому випадку є лише ґенератором наночастинок з початковою структурою, яка необхідна для такого відпалу.

The mechanisms of single-walled and multi-walled carbon-nanotubes formation in the arc discharge are offered. The distinctive feature of the mechanism of single-walled-tubes formation based on the discharge with doping of electrodes by catalysts is the scenario, at which a leading role carries out by carbon nanoparticles, which left anode. In plasma of an arc discharge, nanoparticles, which have taken off from the anode, are in the free flight until they will not get on the cathode. Thus, they are actually isolated bodies, on which atoms, ions and more complicated complexes are deposited. As a result of condensation processes of atoms, complexes, and of recombination of ions on a surface of freely flying particles, the lasts become multicomponent (carbon—catalysts) and heat up to high temperatures. At hit into colder areas of plasma even during the drift to a collector (cold or heated), it is cooled, and on sides of a crystallizing catalyst, the structured carbon in the form of singlewalled nanotubes (or bundles of nanotubes) is deposited. Most probably, multi-walled tubes are formed directly in the deposit where there is a suitable temperature for annealing of soot nanoparticles, which are arrived to the cathode from the discharge gap. In this case, the arc discharge is only the generator of nanoparticle soot with the initial structure, which is suitable for such an annealing.