Importancia de la calefacción de gas en la síntesis asistida por plasma de radiofrecuencia acoplada capacitiva de nanomateriales de carbono

Resumen En busca de nanopartículas de diamante, se operó un reactor de plasma de flujo continuo acoplado capacivamente a radiofrecuencia con mezclas de gas de metano-argón. Las firmas del producto final obtenidas microscópica y espectroscópicamente indicaron que el producto era una forma amorfa de grafito. Este resultado fue consistente independientemente de las combinaciones de los ajustes macroscópicos del reactor. Para explicar la producción de síntesis observada, se realizaron mediciones de C2 y propiedades del gas mediante fluorescencia inducida por láser y espectroscopia de emisión óptica. De manera notable, los resultados indicaron un fuerte gradiente de temperatura del gas de 100 K por mm desde el centro del reactor hasta la pared. Basado en imágenes adicionales del plasma, se formuló un modelo de región constricta caliente (región de filamentación). Ilustró que, aunque estaba presente la región constricta caliente, la mayor parte del gas no estaba lo suficientemente caliente como para facilitar la formación de diamantes sp3: caracterizada por tasas de reacción mucho más bajas, se espera que la cinética de formación sp3 se vuelva exponencialmente lenta en comparación con sp2. Este resultado se confirmó aún más mediante experimentos en condiciones idénticas, pero con una mezcla de H2/CH4, donde no se detectó material de salida: si se esperaba formación grafítica sp2 como el principal material de salida del feedstock de metano, se esperaría que el hidrógeno atómico lo grabara in situ, de modo que la producción neta de ese material sólido hibridado sp2 sea casi cero. Finalmente, la crucial importancia de la calefacción de gas fue corroborada al reemplazar la RF por una fuente de microondas, logrando así una producción fácil de sp3 con la mezcla de gas H2/CH4.