微波等離子體合成N-石墨烯在減輕二次電子發射中的應用前景

2020-08-27 材料分析與應用

成果簡介

氮摻雜的石墨烯（N-石墨烯）具有改變二次電子發射性能的能力。為此，開發了一種新穎的微波等離子可擴展路徑，用於連續和可控地製造獨立的N-石墨烯片。通過調整高能量密度等離子體環境，以規定的結構質量生產高質量的N-石墨烯，速率為0.5 mg / min。達到最高8％的氮摻雜水平，同時將氧含量保持在殘餘量（〜1％）。在大氣條件下，使用乙醇/甲烷和氨/甲胺作為碳和氮的前體，只需一步即可完成合成。摻雜的類型和水平受等離子體環境中注入N前體的位置以及所用前驅體類型的影響。重要的是，主要摻入吡啶/吡咯官能團中的N原子改變了石墨烯的集體電子振蕩（即等離激元）的性能。首次證明，電子結構變化與N摻雜引起的石墨烯π-等離子體激元減少之間的協同效應，以及獨特的「皺縮」形態，導致亞單位（<1）的二次電子產量。N-石墨烯可以被認為是預期的低二次電子發射和等離激元材料。


圖文導讀


圖1、等離子體反應器（a）的示意圖；等離子輸送N-石墨烯片（流動片為黃色）（b）；合成了1克N-石墨烯粉末（c）。


圖2、合成後的N-石墨烯片的SEM圖像（×40 000）（a） 自上而下的氨前體（Q Ar  = 1,200，Q Eth  = 35 sccm，Q Am = 50 sccm）；（b） 自頂向下方案的甲胺前體（Q Ar  = 1,200 sccm，Q Eth  = 35 sccm，Q Meth = 3 sccm）；（c，d）具有氨前體的N-石墨烯片的HRTEM圖像；（表示（例如1L等）層的數量）。


圖3、（a）N石墨烯片的SEM圖像（×40,000）和（b）在三個隨機選擇的位置（Q Ar  = 1,200 sccm，P = 2 kW，Q CH4  = 20 sccm，Q Meth  = 6 sccm ）獲得的相應拉曼光譜），按自上而下的方式進行。


圖4、（a）調查XPS頻譜；（b）C1s地區；（c）N1s區域，（d）O1s區域，由甲胺（Q Ar  = 1,200 sccm，Q CH4  = 20 sccm，Q Meth  = 6 sccm）合成，採用自頂向下的方案


圖5、片劑橫截面的SEM圖（a）顯示了N-石墨烯薄片的面內排列，（b）放大倍率更高的圖像清晰可見（頂部）無序N-石墨烯片；（c）N-石墨烯電導率與溫度的關係。


小結

本文，可以利用N-石墨烯，尤其是具有主要吡啶/吡咯鍵構型的N-石墨烯來降低碳材料的SEE。採用一種新的等離子體基方法，在石墨烯片組裝和生長過程中，在反應器的「溫和」等離子體區實現石墨烯片的原位摻雜。通過調節在等離子體環境中注入N前體的位置和氮前體的流動，可以實現對摻雜類型和水平的控制。

結果表明，等離子體合成的N-石墨烯可以被認為是預期的低二次電子發射材料。在改善等離激元材料的性能和啟發創新解決方案方面，已證明的調節石墨烯等離激元行為的可能性特別重要。


文獻：

Prospects for microwave plasma synthesized N-graphene in secondary electron emission mitigation applications

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