Kulstof nanostrukturer vokser under ekstremt partikelbombardement

(Phys.org) —Nanostrukturer, såsom grafen og kulstof nanorør, kan udvikle sig under langt ekstreme plasmaforhold, end man tidligere har troet. Plasmaer (varme, ladede gasser) er allerede meget brugt til at producere interessante nanostrukturer. I det videnskabelige tidsskrift Kulstof , FOM-ph.d.-forsker Kirill Bystrov viser, at kulstofnanostrukturer også kan udvikle sig under langt ekstreme forhold end dem, der normalt bruges til dette formål.

DIFFERs Pilot-PSI-enhed er blevet bygget til at udsætte vægmaterialer for plasmaer, der vil rase i fremtidige fusionsreaktorer. Sådanne plasmaer er 10, 000 gange mere intens end dem, der normalt bruges til konstruktion af nanomaterialer. Ved at bruge Pilot-PSI, Bystrovs internationale team demonstrerede, at dette ekstreme miljø giver uventede muligheder for at producere nanostrukturer.

Ude af ligevægt

Plasmaer giver store fordele ved kontrolleret produktion af avancerede materialer. I plasmaet kan ioner og elektroner bringes langt ud af deres termiske ligevægte. Under disse forhold, aflejringsprocesserne kan forløbe meget anderledes end dem ved termisk ligevægt. I den udbredte teknik med plasmaforstærket kemisk dampaflejring (PECVD) bestemmer plasmadensiteten og mængden af ​​tilført materiale (kulstof) hvilke nanostrukturer der udvikles. Det yderligere plasma er fra dets termiske ligevægt, jo mere eksotiske er de strukturer, der udvikler sig.

Variation

Efter at de havde blotlagt forskellige materialer såsom wolfram, molybdæn og grafit til et plasma med kulstofforsyning, Bystrovs team opdagede et lag fyldt med eksotiske kulstof nanostrukturer:flervæggede eller ekstra lange nanorør, blomkålsstrukturer og lag af grafen. Forskellige parametre såsom plasmadensiteten, temperatur og sammensætning gav forskellige strukturer hver gang. Bystrov:"Det var højst overraskende, at et enormt partikelbombardement som det, der sker på kanten af ​​en fusionsreaktor, kan give så delikate strukturer". Påvirkningen af ​​det materiale, som de aflejrede strukturer dannede på, viste sig at være overraskende lille:På alle tre af de testede overflader udviklede de samme typer strukturer.

Alsidige maskiner

Med forskningen, Bystrov og hans kolleger har endnu ikke en konkurrent til PECVD-teknikken. "Vores interesse er at demonstrere, at man kan tillade interessante processer at forekomme i miljøer 10, 000 gange mere intens end du ville forvente, " skriver Bystrov i sin publikation. Forskningsleder dr. Greg De Temmerman fra Plasma Surface Interactions-teamet hos DIFFER:"Vi satte disse eksperimenter op for at undersøge, hvad der sker med vægmaterialerne i fremtidige fusionsreaktorer. Denne forskning viser, at forholdene i Pilot-PSI og dets storebror Magnum-PSI også er interessante langt uden for fusionssamfundet. Det er meget alsidige maskiner."