电弧等离子体沉积系统-APD

电弧等离子体沉积系统-APD

日本Advance Riko 公司致力于电弧等离子体沉积系统(APD)利用脉冲电弧放电将电导材料离子化,产生高能离子并沉积在基底上,制备纳米级薄膜镀层或纳米颗粒。

电弧等离子体沉积系统利用通过控制脉冲能量,可以在1.5nm到6nm范围内精确控制纳米颗粒直径,活性好,产量高。多种靶材同时制备可生成新化合物。金属/半导体制备同时控制腔体气氛,可以产生氧化物和氮化物薄膜。高能量等离子体可以沉积碳和相关单质体如非晶碳,纳米钻石,碳纳米管 形成新的纳米颗粒催化剂。



应用领域

1、制备新金属化合物,或制备氧化物和氮化物薄膜(氧气和氮气氛围);

2、制备非晶碳,纳米钻石以及碳纳米管的纳米颗粒;

3、形成新的纳米颗粒催化剂

(废气催化剂,挥发性有机化合物分解催化剂,光催化剂,燃料电池电极催化剂,制氢催化剂);

4、用热电材料靶材制备热电效应薄膜。


可在各类粉末、块材支撑物或载体上可控、宏量制备纳米级粒径的金属、合金、氧化物纳米颗粒。

APD设备特点


  系统可以通过调节放电电容选择纳米颗粒沉积直径在1.5nm到6nm范围内。

  只要靶材是导电材料,系统就可以将其等离子体化。(电阻率小于0.01ohm·cm)。

  改变系统的气氛氛围,可以制备氧化物或氮化物。石墨在氢气中放电能产生超纳米微晶钻石。

  用该系统制备的活性催化剂效果优于湿法制备。

  Model APD-P支持将纳米颗粒做成粉末。Model APD-S适合在2英寸基片上制备均匀薄膜。




APD技术原理


1、在触发电极上加载高电压后,电容中的电荷充到阴极(靶材)上;
2、真空中的阳极和阴极(靶材)间,电子形成了蠕缓放电,并产生放电回路,靶材被加热并形成等离子体;

3、通过磁场控制等离子体照射到基底上,形成薄膜或纳米颗粒。


      



材料适用性:

   

APD适用于元素周期表中大部分高导电性金属,合金以及半导体。所用原料为直径10mmX17mm长圆柱体或管状体,且电阻率小于0.01 ohm.cm。下面的元素周期表显示了可制备的材料,绿色代表完全适用,黄色代表在一定条件下适用。

   



APD系统参数


1. 真空腔尺寸:400X400X300长宽高

2. 抽空系统:分子泵450L/s
3. 电弧等离子体源:标配一个,最多3个
4. 沉积气压:真空或者低气压气体

  (N2, H2,O2,Ar)
5. 靶材:导电材料,外径10mm,长17mm
6. 靶材电阻率:小于0.01欧姆厘米
7. 电容:360uF X5 (可选)
8. 脉冲速度:1,2,3,4,5 Pulse/s
9. 操作界面:触摸屏
10. 放电电压:70V-400V

  (1800μF下最大150V) 


 


APD-P

1.  粉末容器:直径95mm 高30mm

2.  形成粉末的速度:13-20cc

   (随颗粒尺寸和密度变化)

3.  旋转速度:1-50rpm


■  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,最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最重要因素;

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Ge1-xCx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中极低的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Ge1-xCx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Ge1-xCx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.

 


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