WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 10 04;05;06;12 Структура фуллереновой сажи на различных стадиях образования при электродуговом испарении графита 1 © О.П. Горелик,3 Г.А. Дюжев,1 Д.В. Новиков,2 В.М. Ойченко,1 А.А. Ситникова 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: dgan@hm.csa.ru 2 Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, Россия 3 Фирма „FOMA“, Хьюстон, США (Поступило в Редакцию 29 декабря 2001 г.) Методами электронной микроскопии изучена структура нанокластеров углеродной сажи, осажденной на зонд в различных областях дугового разряда при испарении графита в условиях синтеза фуллеренов.

Установлено, что пространственная сетка нанокластеров сажи образована чередующимися областями повышенной плотности или ассоциатами углеродных частиц.

Обнаружено два типа нанокластеров с корреляционным радиусом ассоциатов, равным 0.6–0.8 и 1.6–2.2 nm соответственно. Нанокластеры первого типа составляют основу микрочастиц сажи и их структура практически не меняется с увеличением расстояния r сажесборника от оси разряда в исследованном диапазоне значений r = 1-9 cm. Рассчитанный на основе скейлинговых соотношений эффективный радиус R0 „элементарных“ частиц, формирующих ассоциаты в нанокластерах сажи первого типа, составляет 0.15–0.17 nm и близок по величине к газокинетическому радиусу атомов углерода.

Нанокластеры второго типа обнаружены в саже при r > 3 cm. Рассчитанная для них величина R0 составляет 0.6–0.9 nm и уменьшается с увеличением r, что позволяет предположить присутствие в таких нанокластерах ассоциатов молекул фуллерена.

В работе [1] была изучена структура углеродной сажи, Экспериментальная часть полученной при испарении в дуговом разряде в условиях синтеза фуллеренов. Показано, что сажа характеризует- Дуговой разряд между графитовыми электродами ся многоуровневой структурой, зависящей от масштаба диаметром 6 mm горел в вакуумной камере диаметизучения. „Элементарными“ частицами сажи являются ром 180 mm. Параметры дуги: ток 80 A, давление гелибо фуллерены, либо углеродные частицы, имеющие лия 70 Torr, межэлектродное расстояние 3–4 mm. Воразмер порядка размера фуллеренов („неудавшиеся“ круг дугового разряда на различных расстояниях от фуллерены). „Элементарные“ частицы агрегируют межоси располагались медные водоохлаждаемые проволоки ду собой с образованием ассоциатов, формирующих продиаметром 1.5 mm. Углеродная сажа, высадившаяся на странственную сетку фрактальных нанокластеров размепроволоки, собиралась и анализировалась.

ром 30–80 nm. Нанокластеры объединяются в агрегаты, Морфологию частиц сажи изучали в электронном которые в свою очередь являются составной частью микроскопе Philips при ускоряющем напряжении 100 kV.

микрочастиц сажи. В [1] исследовалась сажа, высадивПрепарирование образцов проводили путем их ультрашаяся на стенках реактора (диаметр 90 mm), и ответа звукового диспергирования и последующего помещена вопрос, на каком расстоянии от разряда образуются ния на медную сеточку со специально подготовленной те или иные углеродные частицы, эти результаты дать пленкой-подложкой из аморфного углерода.

не могли.

Компьютерная обработка микрофотографий велась В работе [2] изучалось осаждение углерода на металпри увеличении 5 · 106 с использованием кластерной лические зонды, помещенные на пути газоплазменной решеточной модели [4] по методике [1]. Плоская квадструи, вытекающей из межэлектродного зазора дугового ратная решетка, накладываемая на изображение, имела разряда. В работе [3] экспериментальные результаты, расстояние между узлами 0.2 nm. Площадь сканирования полученные в [2], были проанализированы на осноизображения составляла около 5 · 103 nm2. Анализирове простой газодинамической модели струи и весьма вались не менее 10 изображений для каждого образца общей модели спектра кластеров по размерам. Было сажи.

показано, что углеродные цепочки и кольца начинают Для количественной характеристики пространствентрансформироваться в фуллерен на расстояниях от оси ного распределения плотности нанокластеров использодуги r > 3 cm, а число частиц в ассоциате S превосходит вались функция радиального распределения решеточной единицу при r > 4cm.

плотности g(R) и зависимость средней решеточной Целью настоящей работы является проверка выводов, сделанных в [3], путем непосредственного исследования плотности (R) от величины масштаба R [1]. Из угла структуры сажи на различных расстояниях от оси дуги. наклона зависимости (R) в логарифмических коордиСтруктура фуллереновой сажи на различных стадиях образования... натах определялась фрактальная размерность нанокластера D.

Для расчета эффективного радиуса R0 „элементарных“ частиц, составляющих ассоциаты в нанокластере, и среднего количества частиц S в ассоциате использовались соотношения, полученные в работе [1], 1/(2-D) R0 = L1-D, (1) S = (/R0)D, (2) где L — период пространственного чередования ассоциатов в нанокластере, — средний корреляционный радиус ассоциата, — степень заполнения ассоциатами нанокластера при R =, D — фрактальная размерность нанокластера, — плотность ассоциата (для случайной упаковки твердых сфер = 0.637 [5]).

Результаты и их обсуждение На рис. 1 приведены электронные микрофотографии нанокластеров сажи, собранной на различных расстояниях r от оси разряда. Видно, что нанокластеры сажи имеют внутреннюю сетчатую структуру, образованную пространственным чередованием областей повышенной плотности. Эти области можно отнести к ассоциатам углеродных частиц.

При изменении r от 1 до 3 cm структура нанокластеров практически не изменяется (рис. 1, a) и может быть описана радиальной функцией распределения плотности g(R), представленной на рис. 2. Положение первого минимума функции g(R) соответствует величине корреляционного радиуса ассоциатов ( = 0.6nm), а следующиего за ним максимума — величине периода пространственного чередования ассоциатов в нанокластере L (L = 0.93 nm).

Поскольку в результате увеличения масштаба R средняя плотность нанокластеров (R) убывает по закоРис. 1. Электронные микрофотографии нанокластеров углену (R) RD-2 и в логарифмических координатах родной сажи, собранной на различных расстояниях r от оси зависимость (R) является прямолинейной (рис. 3), разряда. r = 3 (a), 4 (b), 5 cm(c).

нанокластеры сажи можно характериовать как фрактальную структуру с фрактальной размерностью D 1.7.

Переход к однородной непрерывной сетке перколяционного кластера (D 2) соответствует точке излома зависимости ln от ln R и происходит на масштабе, близком к величине корреляционного радиуса.

Рассчитанный с использованием скейлинговых соотношений (1) и (2) эффективный радиус R0 „элементарных“ частиц, составляющих ассоциаты в нанокластере сажи, при r 3cm составляет 0.15nm и близок по величине к газокинетическому радиусу атома углерода.

При r 4 cm в саже наряду с описанными выше появляются фрактальные нанокластеры другого типа (рис. 1, b, c) с более крупными по размеру ассоциатами углеродных частиц, соответствующими величине Рис. 2. Функция g(R) пространственного распределения плот = 1.6-2.2 nm. Содержание таких нанокластеров в ности в типичных нанокластерах углеродной сажи.

саже возрастает по мере увеличения r.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 136 О.П. Горелик, Г.А. Дюжев, Д.В. Новиков, В.М. Ойченко, А.А. Ситникова от величины масштаба. Структурные параметры нанокластеров приведены в таблице. В этой же таблице приведены значения содержания фуллеренов в саже и величины параметров захвата углеродных частиц цилиндрическим зондом [2], измеренные в тех же самых экспериментальных условиях.

Рассчитанная для таких нанокластеров величина эффективного радиуса „элементарных“ частиц R0 составляет 0.5–0.9 nm (см. таблицу), что существенно больше газокинетического радиуса атомов углерода и соответствует характерному размеру фуллеренов и более сложных по архитектуре углеродных кластеров. Этот факт позволяет предположить, что фуллереновые ассоциаты образуются в саже при r > 3 cm. Это качественно Рис. 3. Зависимость решеточной плотности типичных хорошо согласуется с результатами расчета [3], согласно нанокластеров углеродной сажи от величины масштаба.

которому при r > 4 cm в газоплазменной струе одновременно существуют углеродные цепочки, кольца и фуллерены, однако отсутствуют ассоциаты (S < 1).

Анализ полученных экспериментальных данных показывает следующее.

1. В нанокластерах сажи, собранной при r < 4cm, „элементарной“ частицей является атом углерода, а ассоциаты фуллеренов внутри нанокластера отсутствуют.

Весьма возможно, что в этих условиях нанокластеры и состоящие из них агрегаты формируются не в объеме газоплазменной струи, а на поверхности сборника сажи или в приповерхностном тепловом слое.

Рис. 4. Функция g(R) пространственного распределения ас2. Формирование ассоциатов фуллеренов, сопровождасоциатов фуллереноподобных частиц в нанокластерах сажи, ющееся резким увеличением плотности их пространсобранной на расстояниях 4 (1), 5 (2) и 9 cm (3) от оси ственного распределения, происходит на довольно разряда.

малой длине (r = 3-5cm). При r > 5 cm решеточная плотность нанокластеров слабо зависит от r.

3. По мере удаления от оси дуги радиус „элементарных“ частиц R0 в фуллереновых ассоциатах уменьшается, а их число в ассоциате возрастает.

4. Фрактальная размерность фуллереновых нанокластеров несколько возрастает при увеличении r и на стенке реактора приближается к D 1.8, соответствующей механизму агрегации ассоциатов „элементарных“ частиц. Эта величина больше, чем значение D = 1.6, приведенное в работе [1]. Причина расхождения состоит с том, что в [1] анализировалась сажа, собранная со стенок полупромышленной установки, где диаметр дуговой камеры был меньше (90 mm).

5. Выводы из анализа данных электронной микроскопии хорошо коррелируют с измеренными величинами и. Содержание фуллеренов в саже растет Структурные параметры нанокластеров сажи, содержащих асРис. 5. Зависимость решеточной плотности нанокластеров социаты фуллереноподобных частиц сажи, содержащей фуллереновые ассоциаты, от величины масштаба. r = 4 (1), 5 (2) и 9 cm(3).

r, cm ± 10%, nm L, nm D ± 0.03 R0, nm S,% 2 - - - - - - 0.05 4.3 - - - - - - 6.7 1.На рис. 4 представлены функции g(R) распределе4 0.52 1.8 4.2 1.62 0.9 2.4 10.2 0.ния плотности в нанокластерах сажи второго типа в 5 0.62 2.2 4.2 1.76 0.7 4.8 11.0 0.зависимости от расстояния r, а на рис. 5 — соот- 6 0.62 2.6 4.5 1.73 0.6 8.0 - ветствующие зависимости решеточной плотности 9 0.63 2.8 5.0 1.77 0.6 9.7 11.0 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Структура фуллереновой сажи на различных стадиях образования... до r = 4 cm и далее меняется незначительно, что хорошо согласуется с результатами работы [6], где определялось масс-спектрометрическими методами. Параметр захвата больше единицы при r > 4 cm. Такое значение можно отнести к углеродным цепочкам, кольцам и фуллеренам [2,3]. При r > 4cm <1, что соответствует фуллереновым ассоциатам.

Полученные в работе результаты позволяют высказать предположение, что микрочастицы, агрегаты и нанокластерыфуллереновой сажи формируются на поверхности сажесборника, в то время как ассоциаты, состоящие из фуллеренов и фуллереноподобных углеродных частиц, формируются в объеме дуговой камеры. Если это так, то появляется возможность управлять структурой и, естественно, свойствами фуллереновой сажи.

Работа выполнена в рамках Российской программы „Фуллерены и атомные кластеры“ при финансовой поддержке РФФИ (грант № 00-02-16928).

Список литературы [1] Горелик О.П., Дюжев Г.А., Новиков Д.В. и др. // ЖТФ. 2000.

Т. 70. Вып. 11. С. 118–125.

[2] Афанасьев Д.В., Дюжев Г.А., Кругликов А.А. // ЖТФ. 2001.

Т. 71. Вып. 5. С. 134–135.

[3] Алексеев Н.И., Chibante F., Дюжев Г.А. // ЖТФ. 2001. Т. 71.

Вып. 6. С. 122–126.

[4] Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991.

[5] Займан Дж. Модели беспорядка. М.: Мир, 1982.

[6] Дюжев Г.А., Каратаев В.И. // ФТТ. 1994. Т. 36. Вып. 9.

С. 2795–2798.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.