气体加热在电容耦合射频等离子体辅助碳纳米材料合成中的重要性

摘要 在追求钻石纳米颗粒的过程中，采用了以甲烷-氩气混合物为工作气体的电容耦合射频流通等离子体反应器。通过显微镜和光谱学的签名表明，最终获得的产品为无定形石墨。这一结果与宏观反应器设置的组合无关。为了解释观察到的合成产出，采用激光诱导荧光和光学发射光谱技术对C2和气体性质进行了测量。显著的是，结果表明从反应器中心到壁的气体温度梯度达到每毫米100K。基于额外的等离子体成像，提出了一个热收缩区域（丝状区域）的模型。该模型说明，虽然存在热收缩区域，但气体的总体温度不足以促进钻石sp3的生成：与sp2相比，sp3形成动力学的反应速率显著降低，预计将呈指数级减缓。这一结果在相同条件下用H2/CH4混合气体进行实验时得到了进一步确认，未检测到任何产物：如果预计甲烷馈料的主要产物为石墨sp2形成，则原子氢将被认为会立即蚀刻掉，从而净生产的sp2杂化固体材料几乎为零。最后，通过将射频源替换为微波源，进一步证实了气体加热的重要性，从而实现了使用H2/CH4气体混合物的sp3的简易生产。