Investigation of growth mechanism of graphene nanosheets in microwave plasma torch at atmospheric pressure and their properties

JAŠEK, Ondřej, Jozef TOMAN, Miroslav ŠNÍRER, Vít KUDRLE a Jana JURMANOVÁ. Investigation of growth mechanism of graphene nanosheets in microwave plasma torch at atmospheric pressure and their properties. In EMN Meeting on Carbon Nanostructures 2019. 2019.

Základní údaje

• Originální název: Investigation of growth mechanism of graphene nanosheets in microwave plasma torch at atmospheric pressure and their properties
• Název česky: Studium růstu grafénu v mikrvlnném pochodňovém výboji
• Autoři: JAŠEK, Ondřej, Jozef TOMAN, Miroslav ŠNÍRER, Vít KUDRLE a Jana JURMANOVÁ.
• Vydání: EMN Meeting on Carbon Nanostructures 2019, 2019.

Další údaje

• Originální jazyk: angličtina
• Typ výsledku: Konferenční abstrakt
• Stát vydavatele: Itálie
• Utajení: není předmětem státního či obchodního tajemství
• WWW: web konference
• Organizační jednotka: Přírodovědecká fakulta
• Klíčová slova česky: grafén, mikrovlnné plazma, růstový mechanismum
• Klíčová slova anglicky: graphene, microwave plasma, growth mechanism
• Příznaky: Mezinárodní význam

Anotace

Free-standing graphene nanosheets synthesis by ethanol decomposition in microwave plasma represents simple and environmentally friendly way of graphene production in the form of powder [1]. In our work microwave plasma torch (2.45 GHz, 200-1000 W) at atmospheric pressure was used to synthesize graphene nanosheets consisting of 1 or several graphene layers in Ar (250-1000 sccm) discharge and ethanol (1-30 sccm) mixture Fig 1.. We used dual channel configuration of nozzle electrode with central Ar flow and precursor/Ar flow in secondary channel. During the synthesis well-balanced reaction scheme of C, O, H species was achieved leading to the growth of graphene nanosheets. We investigate the growth mechanism of graphene nanosheets in this plasma chemical reaction scheme by addition of O2 and H2 admixtures. The different amount of oxygen and hydrogen species led to the change of equilibrium between formation of graphene sheets, gaseous byproducts such as H, CO and CHxOy, and an amorphous phase. The amount of C and C2 species was identified as key parameter leading to the formation of graphitic and amorphous phase. We also investigated the possibility of graphene nucleation and growth directly on a dielectric substrate at atmospheric pressure by insertion of Si/SiO2 substrate near the plasma discharge. The homogeneity and quality of graphene layer was investigated in dependence of substrate temperature and precursor flow. Prepared samples are analyzed by scanning and transmission electron microscopy, Raman spectroscopy (Figure 2).and X-ray photoelectron spectroscopy. We investigated functional properties of synthesized nanosheets as well. The electrical conductivity of graphene nanosheets layer was strongly correlated with amount of defects in their structure as proved by Raman spectroscopy and XPS analysis. We also demonstrate very good performance of ammonia gas sensors and electrochemical sensors based on graphene nanosheets.

Anotace česky

Samostatná syntéza grafenových nanosheet rozkladem ethanolu v mikrovlnné plazmě představuje jednoduchý a ekologický způsob výroby grafenu ve formě prášku [1]. V naší práci byl použit mikrovlnný plazmový hořák (2,45 GHz, 200-1000 W) při atmosférickém tlaku k syntéze grafenových nanosheet sestávající z 1 nebo několika grafenových vrstev v Ar (250-1000 sccm) výboji a ethanolu (1-30 sccm). 1 .. Použili jsme dvoukanálovou konfiguraci tryskové elektrody s centrálním tokem Ar a prekurzorem / proudem Ar v sekundárním kanálu. Během syntézy bylo dosaženo vyváženého reakčního schématu druhů C, O, H, což vedlo k růstu grafenových nanosheet. Zkoumali jsme mechanismus růstu grafenových nanosheet v tomto schématu chemické reakce plazmy přidáním přísad O2 a H2. Různé množství kyslíku a vodíku vedlo ke změně rovnováhy mezi tvorbou grafenových listů, plynných vedlejších produktů, jako je H, CO a CHxOy, a amorfní fáze. Množství druhů C a C2 bylo identifikováno jako klíčový parametr vedoucí k vytvoření grafitické a amorfní fáze. Rovněž jsme zkoumali možnost nukleace a růstu grafenu přímo na dielektrickém substrátu při atmosférickém tlaku zavedením substrátu Si / Si02 v blízkosti plazmového výboje. Homogenita a kvalita grafenové vrstvy byla zkoumána v závislosti na teplotě substrátu a toku prekurzoru. Připravené vzorky se analyzují skenovací a transmisní elektronovou mikroskopií, Ramanovou spektroskopií (obrázek 2) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií. Zkoumali jsme také funkční vlastnosti syntetizovaných nanosheet. Elektrická vodivost vrstvy nanočástic grafenu silně korelovala s množstvím defektů v jejich struktuře, jak bylo prokázáno Ramanovou spektroskopií a XPS analýzou. Prokazujeme také velmi dobrý výkon čidel plynného amoniaku a elektrochemických senzorů založených na nanočásticích grafenu.

Návaznosti

• GA18-08520S, projekt VaV: Název: Studium procesu nukleace dvourozměrných uhlíkových nanostruktur v mikrovlnném plazmatu

Investor: Grantová agentura ČR, Studium procesu nukleace dvourozměrných uhlíkových nanostruktur v mikrovlnném plazmatu

• LO1411, projekt VaV: Název: Rozvoj centra pro nízkonákladové plazmové a nanotechnologické povrchové úpravy (Akronym: CEPLANT plus)

Investor: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Rozvoj centra pro nízkonákladové plazmové a nanotechnologické povrchové úpravy