Atmospheric pressure microwave torch for synthesis of carbon nanotubes

The microwave (mw) plasma torch at atmospheric pressure has been studied for carbon nanotube (CNT) synthesis. The depositions were carried out on silicon substrates with 515 nm thin iron catalytic overlayers from the mixture of argon, hydrogen and methane. The optical emission spectroscopy of the torch showed the presence of C2 and CH radicals as well as carbon and hydrogen excited atoms. The vicinity of the substrate influenced the relative intensities and increased the emission of C2. For fixed mw power, the temperature of the substrate strongly depended on its position with respect to the nozzle electrode and on the gas mixture, particularly the amount of H2. The speed of the substrate heating during an early deposition phase had a significant effect on the CNT synthesis. An abrupt increase of the temperature at the beginning increased the efficiency of theCNTsynthesis. Areas of dense straight standing CNTs, 30 nm in average diameter, with approximately the same sized iron nanoparticles on their tops were found in accordance with the model of growth by plasma enhanced chemical vapour deposition. However, the deposit was not uniform and a place with only several nanometres thick CNTs grown on much larger iron particles was also found. Here, taking into account the gas temperature in the torch, 31003900 K, we can see similarities with the dissolutionprecipitation model of the CNT growth by high temperature methods, arc or laser ablation.Možnosti syntézy uhlíkových nanotrubek(CNTs) byly zkoumány v mikrovlnném výboji buzeném za atmosférického tlaku. Vrstvy byly deponovány na křemíkový substrát s vrstvou železa 5-15 nm sloužící jako katalyzátor ve směsi argonu,vodíku a metanu. Optická emisní spektroskopie výboje prokázala přítomnost radikálů C2 a CH a excitovaných stavů atomů uhlíku a vodíku. Přítomnost substrátu ovlivňovala intenzitu spekter a vedla k vzrůstu intenzity C2 pásu. Při konstantní hodnotě mikrovlnného výkonu byla teplota substrátu silně závislá na vzdálenosti substrátu vůči trysce a průtoku plynů, zejména vodíku. Rychlost zahřívání substrátu v počátení fázi depozice měla významný vliv na depozici CNTs. Prudké zvýšení teploty substrátu na začátku depozice mělo za důsledek zlepšení efektivity depozice CNTs. Na substrátech bylo možno nalézt oblasti hustě uspořádaných CNTs s průměrem okolo 30 nm, které byly na vrcholu ukončeny částicemi katalyzátoru o stejném průměru. Tento výsledek je v souladu s obecně příjmaným růstovým modelem CNTs při použití metody plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Deponována vrstva však není uniformní na celé ploše substrátu a byly nalezeny i místa s nanotrubkami, o průměru pouze několika nanometrů, rostoucími na částicích katalyzátoru s mnohem většími rozměry. Vezmeme-li v úvahu teplotu plynu ve výboji, 3100-3900 K, je možno v tomto výsledku spatřovat podobnost s modelem růstu CNTs "dissolution-precipitation" při vysokoteplotních metodách jako jsou obloukový výboj nebo laserová ablace