■  原子级可控高熵合金制备

2023年7月，日本东北大学课题组利用Advance Riko公司的电弧等离子体沉积系统-APD制备了原子级可控的高熵合金，研究了电催化对合金表面原子的影响。得益于APD系统可多靶位同时进行精准等离子溅射的功能，课题组实现了同一种高熵合金不同晶向结构的制备，对多组分合金表面微观结构与其催化性能之间的详细关系进行了深入研究。同时，APD系统的真空传输配件避免了制备样品在传递过程中受到空气的影响。相关研究结果以《Experimental study platform for electrocatalysis of atomic-level controlled high-entropy alloy surfaces》为题，在SCI期刊Nature Communications上发表。

■  双电弧等离子体源共沉积制备新型高效铂镍催化剂

N. Todoroki^[1]等人以高活性氧还原反应（oxygen reduction reaction，ORR）为目标，设计了一种新型基于铂-镍合金纳米颗粒堆叠薄膜（nanoparticle-stacking thin film，NPSTF）结构的电催化剂。合成所得铂-镍NPSTF的质量活性比商用碳负载的铂催化剂要高十倍。铂-镍NPSTF显著的ORR活性增强被归因于：

1）由底层镍原子诱导的表面铂富集层的电子性质修饰；

2）由铂-镍纳米颗粒堆叠而实现的活性表面区域的增加。

本实验利用日本Advance Riko公司的APD电弧等离子体沉积系统完成。

(a)由APD共沉积获得的Pt₂Ni₈薄膜截面的HAADF-STEM图像；(b)脱合金后得到的Pt₂Ni₈薄膜截面图像；(c)脱合金后获得的Pt₂Ni₈纳米结构示意图 

参考文献：

[1]N. Todoroki, et al., Pt−Ni Nanoparticle-Stacking Thin Film: Highly Active Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction. ACS Catal., 2015, 5, 2209-2212.

■  离子液体中制备金属纳米颗粒

金属纳米颗粒（nanoparticles, NPs）由于其独特的性质和功能而受到人们的广泛关注。特别地，由于金属纳米颗粒的性质和功能强烈依赖于其尺寸和形状，许多研究人员在近几十年中开发了尺寸和形状可控的金属纳米颗粒制备方法。在大多数情况下，金属/合金纳米颗粒是通过基于化学还原反应的湿法过程而得到的。在化学制备方法中，离子液体常被用作媒介物质，而且由于制备方面的优势，离子液体被视为一种很有希望的绿色溶剂。同时，也有很多研究人员将注意力放在以离子液体作为捕获媒介、并与基于物理过程的制备方法相结合。在基于物理过程的制备方法中，通过溅射、热蒸发、激光烧蚀等手段，金属材料的原子、团簇和微小碎片从金属体材中射出，落在离子液体表面并扩散到离子液体中，终形成金属纳米颗粒，而整个过程中没有任何化学反应也无需附加稳定剂。在与溅射沉积技术相结合来制备金属纳米颗粒的方案中，离子液体的温度和稳定性，特别是阴离子的类型，是控制金属纳米颗粒尺寸的关键因素。

Y. Hatakeyama^[1]等人则报道了一种以离子液体作为捕获介质、并与电弧等离子体沉积（arc plasma deposition, APD）相结合制备金属纳米颗粒的有效方法。利用这种新方法，通过选择合适的工艺条件，能够实现对金属纳米颗粒尺寸的便捷控制。

本研究提出了一种有效制备金纳米颗粒的方法，其策略为将离子液体（ILs）作为捕获介质并与电弧等离子体沉积技术相结合。这种方法不需要化学反应。通过选择离子液体，可以对金纳米颗粒的粒径进行有效地调控，并可以方便地实现宏量制备。

亮点：

1)  采用电弧等离子体沉积技术在离子液体中制备了金纳米颗粒；

2)   此方法所制得的金纳米颗粒的尺寸与离子液体的温度无关；

3)   离子液体中阴离子的类型是决定金纳米颗粒尺寸的重要因素；

4)   选择合适的离子液体使得尺寸可控的纳米颗粒的宏量制备成为可能。

在(a) [C₄mim]BF₄，(b) [C₄mim][OTf]，(c) [C₄mim][TFSA]三种离子液体中制备得到的金纳米颗粒的TEM图像

参考文献：

[1] Y. Hatakeyama, et al., Temperature-independent formation of Au nanoparticles in ionic liquids by arc plasma deposition. Chem. Phys. Lett., 2016, 658, 188-191.

■  电弧等离子体源与分子束外延技术的集成

在先进电子与光电子器件领域， C族-Ⅳ族半导体材料是颇受关注的一种重要材料。特别地，碳含量在4%~11% 的Ge_1-xC_x外延层被认为具有直接带隙结构、且能够补偿由硅衬底晶格失配引起的固有应变。然而，目前尚未获知稳定的GeC相晶体材料，而且体材Ge中的C原子溶解度（平衡态下为108 atoms/cm³）也阻碍了获取结晶良好且含碳量高的GeC外延层。目前已有部分利用MBE或CVD生长GeC外延层的报道，相关研究人员目前的研究重点之一是提升外延层Ge_1-xC_x中替位C含量x的数值。近期，有研究人员利用超高真空考夫曼型宽离子束源，在200 ℃~500 ℃的生长温度下，在Ge（001）衬底上获得了x≤2% 的Ge_1-xC_x外延层。

在M. Okinaka等人^[1]的工作中，为了进一步增强非平衡生长，作者采用了电弧等离子体枪作为新型C源，在Si（001）衬底上利用MBE制备了GeC外延层。结果表明，对于在硅表面利用MBE生长GeC外延层来说，电弧等离子体枪的使用以及非平衡生长的增强，对于外延层中C的掺入以及抑制外延层中C团簇的形成具有重要作用。

以电弧等离子体作为碳源在Si（001）衬底表面生长的碳膜的AFM图像，薄膜表面非常平整，粗糙度为纳米级

参考文献：
[1] M. Okinaka, et al., MBE growth mode and C incorporation of GeC epilayers on Si(001) substrates using an arc plasma gun as a novel C source. J. Cryst. Growth, 2003, 249, 78-86.

[2] G. Yu, et al., Ion velocities in vacuum arc plasmas. J. Appl. Phys., 2000, 88, 5618.

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■  利用APD制备氧化铁纳米颗粒

图1 三种不同碳基支撑物表面获得的氧化铁颗粒的HAADF-STEM图像及粒径分布统计图

表1 铁负载量、纳米颗粒粒径与电弧脉冲次数的关系

引用资料：Yumi Ida, et al. A useful preparation of ultrasmall iron oxide particles by using arc plasma deposition. RSC Adv., 2020, 10, 41523.

■  利用APD制备Fe-Co纳米颗粒

APD制备的Fe-Co纳米颗粒的SEM和EDS图谱

部分用户发表文献

2021

1. Kamal Prasad Sharma, Aliza Khaniya Sharma, Toru Asaka, Takahiro Maruyama. Transmissible Plasma-Evolved Suspended Graphene for TEM Observation Window. ACS Appl. Nano Mater. 2021, XXXX, XXX, XXX-XXX.

2. Ai Misaki, Takahiro Saida, Shigeya Naritsuka, Takahiro Maruyama. Effect of growth temperature and ethanol flow rate on synthesis of single-walled carbon nanotube by alcohol catalytic chemical vapor deposition using Ir catalyst in hot-wall reactor. Jpn. J. Appl. Phys., 2021, 60, 015003.

2020 

1. Yumi Ida, Atsushi Okazawa, Kazutaka Sonobe, Hisanori Muramatsu, Tetsuya Kambe, Takane Imaoka, Wang-Jae Chun, Makoto Tanabe, Kimihisa Yamamoto. A useful preparation of ultrasmall iron oxide particles by using arc plasma deposition. RSC Adv., 2020, 10, 41523.

2. K Miyazawa, T Nagai, K Kimoto, M Yoshitake, Y. Tanaka. HRTEM-EELS cross-sectional characterization of HOPG substrate with platinum nanoparticles deposited using a coaxial arc plasma gun. Diam. Relat. Mater., 2020, 101, 107623.

3. Xiao Zhao, Yutaka Hamamura, Yusuke Yoshida, Takuma Kaneko, Takao Gunji, Shinobu Takao, Kotaro Higashi, Tomoya Uruga, Yasuhiro Iwasawa. Plasma-Devised Pt/C Model Electrodes for Understanding the Doubly Beneficial Roles of a Nanoneedle-Carbon Morphology and Strong Pt-Carbon Interface in the Oxygen Reduction Reaction. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 6, 5542–5551.

4. Naoto Todoroki, Shuntaro Takahashi, Kotaro Kawaguchi, Yusuke Fugane, Toshimasa Wadayama, Dry synthesis of single-nanometer-scale Ptsingle bondSi fine particles for electrocatalysis. J. Electroanal. Chem., 2020, 876, 114492.

5. Hiroshi Yoshida, Yusuke Kuzuhara, Tomoyo Koide, Junya Ohyama, Masato Machida. Pt-modified nanometric Rh overlayer as an efficient three-way catalyst under lean conditions. Catal. Today, (On line, in press).

6. Takahiro Maruyama, Takuya Okada, Kamal Prasad Sharma, Tomoko Suzuki, Takahiro Saida, Shigeya Naritsuka, Yoko Iizumi, Toshiya Okazaki, Sumi Iijima. Vertically aligned growth of small-diameter single-walled carbon nanotubes by alcohol catalytic chemical vapor deposition with Ir catalyst. Appl. Surf. Sci., 2020, 509, 145340.

7. Teppei Ikehara, Zhiyun Noda, Junko Matsuda, Masamichi Nishihara, Akari Hayashi, Kazunari Sasaki. Porous Metal Support for Gas Diffusion Electrode of PEFCs. ECS Trans., 2020, 98, 573.

8. D. Kawachino, M. Yasutake, Z. Noda, J. Matsuda, S. M. Lyth, A. Hayashi, K. Sasaki. Surface-Modified Titanium Fibers as Durable Carbon-Free Platinum Catalyst Supports for Polymer Electrolyte Fuel Cells. J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 104513.

9. Masahiro Yasutake, Daiki Kawachino, Zhiyun Noda, Junko Matsuda, Stephen M. Lyth, Kohei Ito, Akari Hayashi,  Kazunari Sasaki. Catalyst-Integrated Gas Diffusion Electrodes for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis: Porous Titanium Sheets with Nanostructured TiO2 Surfaces Decorated with Ir Electrocatalysts. J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 124523.

北海道大学

日本产业技术综合研究所

东北大学（Tohoku University）

韩国科学技术研究院

九州大学

京都大学

大阪大学

山梨大学

东京理科大学

东京工业大学

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