Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasi cheklangan CSS-ni qo'llab-quvvatlaydi. Eng yaxshi natijalarga erishish uchun brauzeringizning yangiroq versiyasidan foydalanishni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da Moslik rejimini o'chirib qo'ying). Ayni paytda, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslubsiz yoki JavaScriptsiz ko'rsatmoqdamiz.
Nano o'lchovli grafit plyonkalari (NGF) katalitik kimyoviy bug'larni cho'ktirish orqali ishlab chiqarilishi mumkin bo'lgan mustahkam nanomateriallardir, ammo ularning o'tkazish qulayligi va sirt morfologiyasi ularning keyingi avlod qurilmalarida ishlatilishiga qanday ta'sir qilishi haqida savollar qolmoqda. Bu erda biz NGF ning polikristalli nikel folga (maydoni 55 sm2, qalinligi taxminan 100 nm) har ikki tomonida o'sishi va uning polimersiz o'tishi (old va orqa, maydoni 6 sm2 gacha) haqida xabar beramiz. Katalizator folgasining morfologiyasi tufayli ikkita uglerod plyonkasi fizik xususiyatlari va boshqa xususiyatlari (masalan, sirt pürüzlülüğü) bilan farqlanadi. Biz ko'rsatamizki, orqa tomoni qo'polroq bo'lgan NGFlar NO2 ni aniqlash uchun juda mos keladi, old tomonidagi silliqroq va o'tkazuvchan NGFlar (2000 S/sm, qatlam qarshiligi - 50 ohm / m2) hayotiy o'tkazgichlar bo'lishi mumkin. quyosh batareyasining kanali yoki elektrodi (chunki u ko'rinadigan yorug'likning 62% ni uzatadi). Umuman olganda, tasvirlangan o'sish va tashish jarayonlari NGFni grafen va mikron qalinlikdagi grafit plyonkalari mos bo'lmagan texnologik ilovalar uchun muqobil uglerod materiali sifatida amalga oshirishga yordam berishi mumkin.
Grafit keng tarqalgan sanoat materialidir. Ta'kidlash joizki, grafit nisbatan past massa zichligi va yuqori tekislikdagi issiqlik va elektr o'tkazuvchanlik xususiyatlariga ega va qattiq issiqlik va kimyoviy muhitda juda barqarordir1,2. Yoriqli grafit grafen tadqiqotlari uchun taniqli boshlang'ich materialdir3. Yupqa plyonkalarga ishlov berilganda, u keng ko'lamli ilovalarda, jumladan, smartfonlar4,5,6,7 kabi elektron qurilmalar uchun issiqlik qabul qiluvchilar, sensorlar8,9,10 va elektromagnit parazitlardan himoya qilish uchun faol material sifatida ishlatilishi mumkin. 12 va ekstremal ultrabinafshalarda litografiya uchun plyonkalar13,14, quyosh kameralarida o'tkazuvchi kanallar15,16. Ushbu ilovalarning barchasi uchun qalinligi <100 nm bo'lgan grafit plyonkalarining katta maydonlarini osongina ishlab chiqarish va tashish mumkin bo'lsa, bu muhim afzallik bo'ladi.
Grafit plyonkalar turli usullar bilan ishlab chiqariladi. Bir holatda, grafen parchalarini ishlab chiqarish uchun joylashtirish va kengaytirishdan so'ng eksfoliatsiyadan foydalanilgan10,11,17. Yoriqlar kerakli qalinlikdagi plyonkalarga qayta ishlanishi kerak va zich grafit plitalarini ishlab chiqarish uchun ko'pincha bir necha kun kerak bo'ladi. Yana bir yondashuv grafigi mumkin bo'lgan qattiq prekursorlardan boshlashdir. Sanoatda polimer plitalari karbonlashtiriladi (1000-1500 ° S da) va keyin grafitlanadi (2800-3200 ° S da) yaxshi tuzilgan qatlamli materiallarni hosil qiladi. Ushbu plyonkalarning sifati yuqori bo'lsa-da, energiya sarfi sezilarli1,18,19 va minimal qalinligi bir necha mikron1,18,19,20 bilan cheklangan.
Katalitik kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD) grafen va ultra yupqa grafit plyonkalarini (<10 nm) yuqori strukturaviy sifat va oqilona narxga ega bo'lgan ishlab chiqarishning taniqli usuli hisoblanadi21,22,23,24,25,26,27. Biroq, grafen va ultra yupqa grafit plyonkalarining o'sishi bilan solishtirganda28, CVD yordamida NGFning katta maydonlarda o'sishi va/yoki qo'llanilishi kamroq o'rganilgan11,13,29,30,31,32,33.
CVD tomonidan o'stirilgan grafen va grafit plyonkalari ko'pincha funktsional substratlarga o'tkazilishi kerak34. Ushbu yupqa plyonka o'tkazmalari ikkita asosiy usulni o'z ichiga oladi35: (1) etch bo'lmagan uzatish36,37 va (2) etch asosidagi nam kimyoviy uzatish (substrat qo'llab-quvvatlanadi)14,34,38. Har bir usulning afzalliklari va kamchiliklari bor va ular boshqa joyda tavsiflanganidek, mo'ljallangan qo'llanilishiga qarab tanlanishi kerak35,39. Katalitik substratlarda o'stirilgan grafen/grafit plyonkalari uchun ho'l kimyoviy jarayonlar (ulardan polimetilmetakrilat (PMMA) eng ko'p ishlatiladigan qo'llab-quvvatlovchi qatlam) orqali o'tkazish birinchi tanlov bo'lib qoladi13,30,34,38,40,41,42. Siz va boshqalar. NGFni o'tkazish uchun polimer ishlatilmagani ta'kidlandi (namuna hajmi taxminan 4 sm2)25,43, lekin namunaning barqarorligi va/yoki uzatish paytida ishlov berish haqida hech qanday ma'lumot berilmagan; Polimerlardan foydalangan holda nam kimyo jarayonlari bir necha bosqichlardan iborat bo'lib, qurbonlik polimer qatlamini qo'llash va keyinchalik olib tashlashni o'z ichiga oladi30,38,40,41,42. Bu jarayonning kamchiliklari bor: masalan, polimer qoldiqlari o'sib chiqqan plyonkaning xususiyatlarini o'zgartirishi mumkin38. Qo'shimcha ishlov berish qoldiq polimerni olib tashlashi mumkin, ammo bu qo'shimcha qadamlar plyonka ishlab chiqarish narxini va vaqtini oshiradi38,40. CVD o'sishi jarayonida grafen qatlami nafaqat katalizator folgasining old tomonida (bug 'oqimiga qaragan tomoni), balki uning orqa tomonida ham cho'kadi. Biroq, ikkinchisi chiqindi mahsulot hisoblanadi va yumshoq plazma bilan tezda olib tashlanishi mumkin38,41. Ushbu filmni qayta ishlash, hatto yuz uglerod plyonkasidan pastroq bo'lsa ham, hosilni maksimal darajada oshirishga yordam beradi.
Bu erda biz CVD tomonidan polikristalli nikel folga ustida yuqori strukturaviy sifatga ega bo'lgan NGF ning gofret miqyosli ikki tomonlama o'sishini tayyorlash haqida xabar beramiz. Folga old va orqa yuzasining pürüzlülüğü NGF morfologiyasi va tuzilishiga qanday ta'sir qilishi baholandi. Shuningdek, biz NGFni nikel folga ikki tomonidan ko'p funktsiyali substratlarga tejamkor va ekologik toza polimersiz o'tkazishni namoyish qilamiz va old va orqa plyonkalar turli xil ilovalar uchun qanchalik mos kelishini ko'rsatamiz.
Quyidagi bo'limlarda yig'ilgan grafen qatlamlari soniga qarab turli xil grafit plyonka qalinligi muhokama qilinadi: (i) bir qatlamli grafen (SLG, 1 qatlam), (ii) bir necha qatlamli grafen (FLG, < 10 qatlam), (iii) ko'p qatlamli grafen ( MLG, 10-30 qatlam) va (iv) NGF (~ 300 qatlam). Ikkinchisi maydonning foizi sifatida ifodalangan eng keng tarqalgan qalinlikdir (100 mkm2 uchun taxminan 97% maydon)30. Shuning uchun butun film oddiygina NGF deb ataladi.
Grafen va grafit plyonkalarini sintez qilish uchun ishlatiladigan polikristalli nikel plyonkalari ularni ishlab chiqarish va keyinchalik qayta ishlash natijasida turli xil to'qimalarga ega. Biz yaqinda NGF30 o'sish jarayonini optimallashtirish bo'yicha tadqiqot haqida xabar berdik. Biz ko'rsatamizki, tavlanish vaqti va o'sish bosqichidagi kamera bosimi kabi jarayon parametrlari bir xil qalinlikdagi NGFlarni olishda muhim rol o'ynaydi. Bu erda biz nikel folganing sayqallangan old (FS) va silliqlanmagan orqa (BS) yuzalarida NGF ning o'sishini qo'shimcha tekshirdik (1a-rasm). Uch turdagi FS va BS namunalari tekshirildi, ular 1-jadvalda keltirilgan. Vizual tekshiruvdan so'ng, nikel folga (NiAG) ning har ikki tomonida NGFning bir xil o'sishi xarakterli metall kumushdan asosiy Ni substratining rangi o'zgarishini ko'rish mumkin. kulrangdan mot kul ranggacha (1a-rasm); mikroskopik o'lchovlar tasdiqlandi (1b-rasm, c). Yorqin mintaqada kuzatilgan va 1b-rasmda qizil, ko'k va to'q sariq o'qlar bilan ko'rsatilgan FS-NGF ning odatiy Raman spektri 1c-rasmda ko'rsatilgan. Grafit G (1683 sm-1) va 2D (2696 sm-1) ning xarakterli Raman cho'qqilari yuqori kristalli NGF o'sishini tasdiqlaydi (1c-rasm, SI1-jadval). Film davomida intensivlik nisbati (I2D/IG) ~0,3 bo'lgan Raman spektrlarining ustunligi kuzatildi, I2D/IG = 0,8 bo'lgan Raman spektrlari esa kamdan-kam hollarda kuzatildi. Butun plyonkada nuqsonli tepaliklarning yo'qligi (D = 1350 sm-1) NGF o'sishining yuqori sifatini ko'rsatadi. Shu kabi Raman natijalari BS-NGF namunasida olingan (SI1 a va b-rasm, SI1-jadval).
NiAG FS- va BS-NGF ni solishtirish: (a) Gofret shkalasida (55 sm2) NGF o'sishini ko'rsatadigan odatiy NGF (NiAG) namunasining fotosurati va natijada BS- va FS-Ni folga namunalari, (b) FS-NGF Optik mikroskop yordamida olingan tasvirlar/ Ni, (c) b panelidagi turli pozitsiyalarda qayd etilgan tipik Raman spektrlari, (d, f) FS-NGF/Ni da turli kattalashtirishdagi SEM tasvirlari, (e, g) turli kattalashtirishdagi SEM tasvirlari BS -NGF/Ni o'rnatadi. Moviy o'q FLG hududini, to'q sariq o'q MLG hududini (FLG hududi yaqinida), qizil o'q NGF hududini va to'q rangli o'q burmani ko'rsatadi.
O'sish boshlang'ich substratning qalinligi, kristall o'lchami, yo'nalishi va don chegaralariga bog'liq bo'lganligi sababli, katta maydonlarda NGF qalinligining oqilona nazoratiga erishish qiyin bo'lib qolmoqda20,34,44. Ushbu tadqiqot biz avval e'lon qilgan kontentdan foydalanilgan30. Bu jarayon 100 mkm230 uchun 0,1 dan 3% gacha yorqin hudud hosil qiladi. Keyingi bo'limlarda biz ikkala turdagi mintaqalar uchun natijalarni taqdim etamiz. Yuqori kattalashtirilgan SEM tasvirlari har ikki tomonda bir nechta yorqin kontrastli joylar mavjudligini ko'rsatadi (1f, g-rasm), bu FLG va MLG hududlari mavjudligini ko'rsatadi30,45. Bu, shuningdek, Ramanning tarqalishi (1c-rasm) va TEM natijalari (keyinroq "FS-NGF: tuzilishi va xususiyatlari" bo'limida muhokama qilingan) bilan tasdiqlangan. FS- va BS-NGF/Ni namunalarida kuzatilgan FLG va MLG hududlari (Ni-da yetishtirilgan old va orqa NGF) tavlanish oldidan hosil bo'lgan yirik Ni(111) donalarida o'sgan bo'lishi mumkin22,30,45. Ikki tomondan katlama kuzatildi (1b-rasm, binafsha o'qlar bilan belgilangan). Grafit va nikel substrat o'rtasidagi termal kengayish koeffitsientidagi katta farq tufayli bu burmalar ko'pincha CVD tomonidan o'stirilgan grafen va grafit plyonkalarida topiladi30,38.
AFM tasviri FS-NGF namunasi BS-NGF namunasiga qaraganda tekisroq ekanligini tasdiqladi (SI1-rasm) (SI2-rasm). FS-NGF/Ni (SI2c-rasm) va BS-NGF/Ni (SI2d-rasm) ning o'rtacha kvadrat (RMS) pürüzlülük qiymatlari mos ravishda 82 va 200 nm (20 × maydonda o'lchanadi) 20 mkm2). Yuqori pürüzlülük nikel (NiAR) folga olingan holatda sirt tahlili asosida tushunilishi mumkin (SI3-rasm). FS va BS-NiAR ning SEM tasvirlari turli sirt morfologiyalarini ko'rsatuvchi SI3a-d rasmlarida ko'rsatilgan: sayqallangan FS-Ni folga nano va mikron o'lchamdagi sferik zarralarga ega, jilolanmagan BS-Ni folga esa ishlab chiqarish zinapoyasini namoyish etadi. yuqori quvvatga ega zarralar sifatida. va pasayish. Tavlangan nikel folga (NiA) ning past va yuqori aniqlikdagi tasvirlari SI3e-h-rasmda ko'rsatilgan. Ushbu raqamlarda biz nikel folgasining har ikki tomonida bir nechta mikron o'lchamdagi nikel zarralari mavjudligini kuzatishimiz mumkin (SI3e-h-rasm). Katta donalar, avval xabar qilinganidek, Ni(111) sirt yo'nalishiga ega bo'lishi mumkin30,46. FS-NiA va BS-NiA o'rtasida nikel folga morfologiyasida sezilarli farqlar mavjud. BS-NGF/Ni ning yuqori pürüzlülüğü BS-NiAR ning silliqlanmagan yuzasiga bog'liq bo'lib, uning yuzasi tavlanishdan keyin ham sezilarli darajada qo'pol bo'lib qoladi (SI3-rasm). O'sish jarayonidan oldin sirtni tavsiflashning bunday turi grafen va grafit plyonkalarining pürüzlülüğünü nazorat qilish imkonini beradi. Shuni ta'kidlash kerakki, asl substrat grafen o'sishi jarayonida donning bir oz qayta tashkil etilishini boshdan kechirdi, bu esa tavlangan folga va katalizator plyonkasi bilan solishtirganda don hajmini biroz pasaytirdi va substratning sirt pürüzlülüğünü biroz oshirdi22.
Substrat sirtining pürüzlülüğü, tavlanish vaqti (don o'lchami)30,47 va bo'shatish nazoratini43 nozik sozlash NGF qalinligining mintaqaviy bir xilligini mk2 va/yoki hatto nm2 shkalasiga kamaytirishga yordam beradi (ya'ni, bir necha nanometr qalinlikdagi o'zgarishlar). Substratning sirt pürüzlülüğünü nazorat qilish uchun, hosil bo'lgan nikel folga elektrolitik silliqlash kabi usullarni ko'rib chiqish mumkin48. Oldindan ishlov berilgan nikel folga keyinchalik katta Ni(111) donalarining (FLG o'sishi uchun foydali) hosil bo'lishining oldini olish uchun pastroq haroratda (<900 °C) 46 va vaqt (< 5 min) da tavlanishi mumkin.
SLG va FLG grafen kislotalar va suvning sirt tarangligiga bardosh bera olmaydi, ho'l kimyoviy o'tkazish jarayonlarida mexanik qo'llab-quvvatlovchi qatlamlarni talab qiladi22,34,38. Polimer bilan qo'llab-quvvatlanadigan bir qatlamli grafenning nam kimyoviy uzatilishidan farqli o'laroq, biz 2a-rasmda ko'rsatilganidek, o'sib chiqqan NGFning ikkala tomonini polimer yordamisiz o'tkazish mumkinligini aniqladik (batafsil ma'lumot uchun SI4a-rasmga qarang). NGFni ma'lum bir substratga o'tkazish Ni30.49 ostidagi plyonkaning ho'l surilishi bilan boshlanadi. O'stirilgan NGF/Ni/NGF namunalari bir kechada 600 ml deionizatsiyalangan (DI) suv bilan suyultirilgan 15 ml 70% HNO3 ga joylashtirildi. Ni folga to'liq erigandan so'ng, FS-NGF tekis bo'lib qoladi va xuddi NGF/Ni/NGF namunasi kabi suyuqlik yuzasida suzib yuradi, BS-NGF esa suvga botiriladi (2a,b-rasm). Keyin ajratilgan NGF yangi deionizatsiyalangan suv bo'lgan bitta stakandan boshqa stakanga o'tkazildi va izolyatsiya qilingan NGF yaxshilab yuvilib, botiq shisha idish orqali to'rt-olti marta takrorlandi. Nihoyat, FS-NGF va BS-NGF kerakli substratga joylashtirildi (2c-rasm).
Nikel folga ustida o'stirilgan NGF uchun polimersiz nam kimyoviy o'tkazish jarayoni: (a) jarayonning oqim diagrammasi (batafsilroq ma'lumot uchun SI4-rasmga qarang), (b) Ni-etchingdan keyin ajratilgan NGFning raqamli fotosurati (2 ta namuna), (c) FS misoli - va BS-NGFni SiO2/Si substratiga o'tkazish, (d) FS-NGFni shaffof bo'lmagan polimer substratga o'tkazish, (e) BS-NGF d paneli bilan bir xil namunadan (ikki qismga bo'lingan), oltin bilan qoplangan C qog'ozga o'tkaziladi va Nafion (moslashuvchan shaffof substrat, qizil burchaklar bilan belgilangan qirralar).
E'tibor bering, ho'l kimyoviy o'tkazish usullari yordamida amalga oshiriladigan SLG uzatish 20-24 soat 38 umumiy ishlov berish vaqtini talab qiladi. Bu erda ko'rsatilgan polimersiz uzatish texnikasi bilan (SI4a-rasm), umumiy NGF uzatishni qayta ishlash vaqti sezilarli darajada kamayadi (taxminan 15 soat). Jarayon quyidagilardan iborat: (1-qadam) Oqlash eritmasini tayyorlang va unga namunani joylashtiring (~10 daqiqa), so'ngra Ni-etchingni bir kechada kuting (~7200 daqiqa), (2-qadam) Deionlashtirilgan suv bilan yuving (3-qadam) . deionlangan suvda saqlang yoki maqsadli substratga o'tkazing (20 daqiqa). NGF va ommaviy matritsa o'rtasida tutilgan suv kapillyar ta'sir bilan chiqariladi (to'ldiruvchi qog'oz yordamida)38, so'ngra qolgan suv tomchilari tabiiy quritish orqali chiqariladi (taxminan 30 minut) va nihoyat namuna 10 daqiqa davomida quritiladi. min vakuumli pechda (10-1 mbar) 50-90 °C da (60 min) 38.
Ma'lumki, grafit juda yuqori haroratlarda (≥ 200 °C) suv va havo mavjudligiga bardosh beradi50,51,52. Biz namunalarni Raman spektroskopiyasi, SEM va XRD yordamida xona haroratida deionizatsiyalangan suvda va yopiq idishlarda bir necha kundan bir yilgacha saqlanganidan keyin sinovdan o'tkazdik (SI4-rasm). Hech qanday sezilarli buzilish yo'q. Shakl 2c deionizatsiyalangan suvda mustaqil FS-NGF va BS-NGFni ko'rsatadi. 2c-rasmning boshida ko'rsatilganidek, biz ularni SiO2 (300 nm)/Si substratida ushladik. Bundan tashqari, 2d,e-rasmda ko'rsatilganidek, doimiy NGF polimerlar (Nexolve va Nafiondan Thermabrayt poliamid) va oltin bilan qoplangan uglerod qog'ozi kabi turli substratlarga o'tkazilishi mumkin. Suzuvchi FS-NGF osongina maqsadli substratga joylashtirildi (2c, d-rasm). Biroq, 3 sm2 dan katta bo'lgan BS-NGF namunalari suvga to'liq botirilganda ishlov berish qiyin edi. Odatda, ular suvda dumalay boshlaganlarida, ehtiyotsizlik tufayli ular ba'zan ikki yoki uch qismga bo'linadi (2e-rasm). Umuman olganda, biz mos ravishda 6 va 3 sm2 gacha bo'lgan namunalar uchun PS- va BS-NGF (6 sm2 da NGF/Ni/NGF o'sishisiz uzluksiz uzluksiz uzatish) polimersiz o'tkazilishiga erisha oldik. Qolgan katta yoki kichik bo'laklarni kerakli substratda (~ 1 mm2, SI4b-rasm, "FS-NGF: tuzilmasi va xususiyatlari (muhokama qilingan)"da bo'lgani kabi mis to'rga o'tkazilgan namunada ko'rish mumkin (oson eritmada yoki deionizatsiyalangan suvda ko'rish mumkin) "Tuzilishi va xususiyatlari" ostida) yoki kelajakda foydalanish uchun saqlang (SI4-rasm). Ushbu mezonga asoslanib, biz NGFni 98-99% gacha (o'tkazish uchun o'sishdan keyin) hosildorlikda tiklash mumkinligini taxmin qilamiz.
Polimersiz transfer namunalari batafsil tahlil qilindi. Optik mikroskop (OM) va SEM tasvirlari (SI5-rasm va 3-rasm) yordamida FS- va BS-NGF/SiO2/Si (2c-rasm) da olingan sirt morfologik xarakteristikalari bu namunalar mikroskopsiz o'tkazilganligini ko'rsatdi. Yoriqlar, teshiklar yoki ochilmagan joylar kabi ko'rinadigan strukturaviy shikastlanishlar. O'sib borayotgan NGFdagi burmalar (3b-rasm, d, binafsha o'qlar bilan belgilangan) transferdan keyin buzilmagan. FS- va BS-NGF ikkalasi ham FLG mintaqalaridan iborat (3-rasmda ko'k o'qlar bilan ko'rsatilgan yorqin hududlar). Ajablanarlisi shundaki, odatda ultra yupqa grafit plyonkalarining polimer o'tkazilishi paytida kuzatiladigan bir nechta shikastlangan hududlardan farqli o'laroq, NGF ga ulanadigan bir nechta mikron o'lchamdagi FLG va MLG hududlari (3d-rasmda ko'k o'qlar bilan belgilangan) yoriqlar va tanaffuslarsiz uzatildi (3d-rasm). . 3). . Mexanik yaxlitlik keyinchalik muhokama qilinganidek, NGFning dantel-uglerodli mis tarmoqlariga o'tkazilgan TEM va SEM tasvirlari yordamida tasdiqlandi ("FS-NGF: tuzilma va xususiyatlar"). O'tkazilgan BS-NGF/SiO2/Si FS-NGF/SiO2/Si ga qaraganda qo'polroq bo'lib, SI6a va b (20 × 20 mkm2) shaklda ko'rsatilganidek, mos ravishda 140 nm va 17 nm rms qiymatlari bilan. SiO2/Si substratiga (RMS < 2 nm) oʻtkazilgan NGF ning RMS qiymati Ni ustida oʻstirilgan NGFnikidan sezilarli darajada past (taxminan 3 baravar) (SI2-rasm), bu qoʻshimcha pürüzlülük Ni yuzasiga mos kelishi mumkinligini koʻrsatadi. Bundan tashqari, FS- va BS-NGF/SiO2/Si namunalarining chekkalarida bajarilgan AFM tasvirlari mos ravishda 100 va 80 nm NGF qalinligini ko'rsatdi (SI7-rasm). BS-NGF ning kichikroq qalinligi sirtning to'g'ridan-to'g'ri prekursor gaziga ta'sir qilmasligining natijasi bo'lishi mumkin.
SiO2/Si gofretida polimersiz uzatilgan NGF (NiAG) (2c-rasmga qarang): (a,b) o'tkazilgan FS-NGF ning SEM tasvirlari: past va yuqori kattalashtirish (paneldagi to'q sariq kvadratga mos keladi). Oddiy hududlar) – a). (c, d) O'tkazilgan BS-NGF ning SEM tasvirlari: past va yuqori kattalashtirish (c paneldagi to'q sariq kvadrat tomonidan ko'rsatilgan odatiy maydonga mos keladi). (e, f) O'tkazilgan FS- va BS-NGFlarning AFM tasvirlari. Moviy o'q FLG hududini ifodalaydi - yorqin kontrast, moviy o'q - qora MLG kontrasti, qizil o'q - qora kontrast NGF hududini, to'q rangli o'q burmani ifodalaydi.
Oʻstirilgan va koʻchirilgan FS- va BS-NGF larning kimyoviy tarkibi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) yordamida tahlil qilindi (4-rasm). O'stirilgan FS- va BS-NGFs (NiAG) ning Ni substratiga (850 eV) mos keladigan o'lchangan spektrlarda (4a, b-rasm) zaif tepalik kuzatildi. O‘tkazilgan FS- va BS-NGF/SiO2/Si ning o‘lchangan spektrlarida cho‘qqilar yo‘q (4c-rasm; BS-NGF/SiO2/Si uchun shunga o‘xshash natijalar ko‘rsatilmagan), bu o‘tkazilgandan keyin qoldiq Ni ifloslanishi yo‘qligini ko‘rsatadi. . 4d-f rasmlari FS-NGF/SiO2/Si ning C 1 s, O 1 s va Si 2p energiya darajalarining yuqori aniqlikdagi spektrlarini ko'rsatadi. Grafitning C 1 s bog'lanish energiyasi 284,4 eV53,54 ga teng. Grafit cho'qqilarining chiziqli shakli, odatda, 4d54-rasmda ko'rsatilganidek, assimetrik hisoblanadi. Yuqori aniqlikdagi yadro darajasidagi C 1 s spektri (4d-rasm) ham sof transferni (yaʼni polimer qoldiqlari yoʻq) tasdiqladi, bu avvalgi tadqiqotlarga mos keladi38. Yangi o'stirilgan namunaning (NiAG) va o'tkazilgandan keyin C 1 s spektrlarining chiziq kengligi mos ravishda 0,55 va 0,62 eV ni tashkil qiladi. Bu qiymatlar SLG dan yuqori (SiO2 substratidagi SLG uchun 0,49 eV)38. Biroq, bu qiymatlar yuqori yo'naltirilgan pirolitik grafen namunalari (~ 0,75 eV) 53,54,55 uchun ilgari xabar qilingan chiziq kengligidan kichikroq, bu joriy materialda nuqsonli uglerod joylari yo'qligini ko'rsatadi. C 1 s va O 1 s yer sathi spektrlari ham yelkalarga ega emas, bu esa yuqori aniqlikdagi eng yuqori dekonvolyutsiyaga ehtiyojni yo'q qiladi54. 291,1 eV atrofida p → p* sun'iy yo'ldosh cho'qqisi mavjud bo'lib, u ko'pincha grafit namunalarida kuzatiladi. Si 2p va O 1 s yadro darajasidagi spektrlardagi 103 eV va 532,5 eV signallari (4e, f-rasmga qarang) mos ravishda SiO2 56 substratiga tegishli. XPS sirtga sezgir texnikadir, shuning uchun NGF uzatishdan oldin va keyin aniqlangan Ni va SiO2 ga mos keladigan signallar FLG hududidan kelib chiqadi deb taxmin qilinadi. O'tkazilgan BS-NGF namunalari uchun ham shunga o'xshash natijalar kuzatildi (ko'rsatilmagan).
NiAG XPS natijalari: (ac) o'stirilgan FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni va o'tkazilgan FS-NGF/SiO2/Si ning turli elementar atom kompozitsiyalarini o'rganish spektrlari. (d-f) FS-NGF/SiO2/Si namunasining C 1s, O 1s va Si 2p asosiy darajalarining yuqori aniqlikdagi spektrlari.
O'tkazilgan NGF kristallarining umumiy sifati rentgen nurlari diffraktsiyasi (XRD) yordamida baholandi. O'tkazilgan FS- va BS-NGF/SiO2/Si ning odatiy XRD naqshlari (SI8-rasm) grafitga o'xshash 26,6 ° va 54,7 ° da diffraktsiya cho'qqilari (0 0 0 2) va (0 0 0 4) mavjudligini ko'rsatadi. . Bu NGF ning yuqori kristalli sifatini tasdiqlaydi va o'tkazish bosqichidan keyin saqlanadigan d = 0,335 nm qatlamlararo masofaga to'g'ri keladi. Diffraktsiya cho'qqisining intensivligi (0 0 0 2) diffraktsiya cho'qqisidan (0 0 0 4) taxminan 30 baravar ko'pdir, bu NGF kristalli tekisligi namuna yuzasi bilan yaxshi moslanganligini ko'rsatadi.
SEM, Raman spektroskopiyasi, XPS va XRD natijalariga ko'ra, BS-NGF/Ni sifati FS-NGF/Ni bilan bir xil ekanligi aniqlandi, garchi uning rms pürüzlülüğü biroz yuqoriroq bo'lsa ham (SI2, SI5-rasmlar) va SI7).
Qalinligi 200 nm gacha bo'lgan polimer tayanch qatlamlari bo'lgan SLGlar suvda suzishi mumkin. Ushbu o'rnatish odatda polimer yordamida nam kimyoviy uzatish jarayonlarida qo'llaniladi22,38. Grafen va grafit hidrofobik (hoʻl burchak 80–90°) 57 . Grafenning ham, FLGning ham potentsial energiya sirtlari juda tekis ekanligi, suvning sirtdagi lateral harakati uchun past potentsial energiyaga (~1 kJ/mol) ega ekanligi xabar qilingan58. Biroq, suvning grafen va uchta qatlamli grafen bilan hisoblangan o'zaro ta'sir energiyalari mos ravishda taxminan - 13 va - 15 kJ/mol58 ni tashkil qiladi, bu suvning NGF (taxminan 300 qatlam) bilan o'zaro ta'siri grafenga nisbatan pastroq ekanligini ko'rsatadi. Bu mustaqil NGF suv yuzasida tekis bo'lib qolishi va mustaqil grafen (suvda suzuvchi) burishishi va parchalanishining sabablaridan biri bo'lishi mumkin. NGF butunlay suvga botirilganda (qo'pol va tekis NGF uchun natijalar bir xil bo'ladi), uning qirralari egiladi (SI4-rasm). To'liq suvga cho'mish holatida NGF-suvning o'zaro ta'sir qilish energiyasi deyarli ikki baravar ko'payishi (suzuvchi NGF bilan solishtirganda) va NGFning qirralari yuqori aloqa burchagini (gidrofobiklik) saqlab turish uchun buklanishi kutilmoqda. Biz o'rnatilgan NGFlarning qirralarini burishmaslik uchun strategiyalarni ishlab chiqish mumkinligiga ishonamiz. Yondashuvlardan biri grafit plyonkaning namlanish reaksiyasini modulyatsiya qilish uchun aralash erituvchilardan foydalanishdir59.
SLG ning nam kimyoviy o'tkazish jarayonlari orqali har xil turdagi substratlarga o'tkazilishi ilgari xabar qilingan. Grafen/grafit plyonkalari va substratlar (siO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si ustunlari22 va dantelli uglerod plyonkalari30, 34 yoki egiluvchan substratlar kabi qattiq substratlar) o'rtasida zaif Van der Vaals kuchlari mavjudligi odatda qabul qilinadi. poliimid 37 kabi). Bu erda biz bir xil turdagi o'zaro ta'sirlar ustunlik qiladi deb taxmin qilamiz. Mexanik ishlov berish jarayonida (vakuum va/yoki atmosfera sharoitida yoki saqlash vaqtida tavsiflashda) bu yerda taqdim etilgan substratlarning hech qanday shikastlanishi yoki tozalanishini kuzatmadik (masalan, 2-rasm, SI7 va SI9). Bundan tashqari, biz NGF/SiO2/Si namunasining asosiy darajasining XPS C 1 s spektrida SiC pikini kuzatmadik (4-rasm). Ushbu natijalar NGF va maqsadli substrat o'rtasida kimyoviy bog'lanish yo'qligini ko'rsatadi.
Oldingi bo'limda "FS- va BS-NGF ning polimersiz o'tkazilishi" biz NGF nikel folga har ikki tomonida o'sishi va o'tkazilishi mumkinligini ko'rsatdik. Ushbu FS-NGF va BS-NGF sirt pürüzlülüğü bo'yicha bir xil emas, bu bizni har bir tur uchun eng mos ilovalarni o'rganishga undadi.
FS-NGF ning shaffofligi va silliq yuzasini hisobga olgan holda, biz uning mahalliy tuzilishini, optik va elektr xususiyatlarini batafsil o'rganib chiqdik. Polimer o'tkazmasdan FS-NGF tuzilishi va tuzilishi transmissiya elektron mikroskopiyasi (TEM) ko'rish va tanlangan maydon elektron difraksiyasi (SAED) naqsh tahlili bilan tavsiflangan. Tegishli natijalar 5-rasmda ko'rsatilgan. Past kattalashtiruvchi planar TEM tasviri turli xil elektron kontrast xususiyatlariga ega bo'lgan NGF va FLG hududlari, ya'ni mos ravishda quyuqroq va yorqinroq joylar mavjudligini aniqladi (5a-rasm). Umuman olganda, film NGF va FLG ning turli hududlari o'rtasida yaxshi mexanik yaxlitlik va barqarorlikni namoyish etadi, yaxshi bir-biriga yopishmaydi va shikastlanmaydi yoki yirtilmaydi, bu SEM (3-rasm) va yuqori kattalashtirish TEM tadqiqotlari bilan tasdiqlangan (5c-e-rasm). Xususan, rasmda 5d-rasmda uning eng katta qismidagi ko'prik strukturasi ko'rsatilgan (5d-rasmdagi qora nuqta o'q bilan belgilangan joy), bu uchburchak shakli bilan tavsiflanadi va kengligi taxminan 51 bo'lgan grafen qatlamidan iborat. 0,33 ± 0,01 nm tekisliklararo oraliqda bo'lgan kompozitsiya yanada tor mintaqada grafenning bir necha qatlamlariga qisqartiriladi (5-rasmdagi qattiq qora o'qning oxiri d).
Uglerodli dantelli mis panjaradagi polimersiz NiAG namunasining planar TEM tasviri: (a, b) NGF va FLG hududlarini o'z ichiga olgan past kattalashtirishli TEM tasvirlari, (ce) panel-a va panel-b dagi turli hududlarning yuqori kattalashtirilgan tasvirlari bir xil rangdagi belgilangan o'qlar. a va c panellaridagi yashil o'qlar nurni tekislash paytida zararlangan doiraviy joylarni ko'rsatadi. (f–i) a dan c gacha panellarda turli hududlardagi SAED naqshlari mos ravishda ko‘k, zangori, to‘q sariq va qizil doiralar bilan ko‘rsatilgan.
5c-rasmdagi lenta tuzilishi (qizil o'q bilan belgilangan) grafit panjara tekisliklarining vertikal yo'nalishini ko'rsatadi, bu ortiqcha kompensatsiyalanmagan kesish stressi tufayli plyonka bo'ylab nano burmalarning shakllanishiga bog'liq bo'lishi mumkin (5c-rasmga kiritilgan)30,61,62 . Yuqori aniqlikdagi TEM ostida, bu nanofoldlar 30 NGF mintaqasining qolgan qismiga qaraganda boshqa kristallografik yo'nalishni namoyish etadi; grafit panjarasining bazal tekisliklari plyonkaning qolgan qismi kabi gorizontal emas, balki deyarli vertikal ravishda yo'naltirilgan (5c-rasmga kiritilgan). Xuddi shunday, FLG mintaqasi vaqti-vaqti bilan 5b, 5e-rasmlarda past va o'rta kattalashtirishda ko'rinadigan chiziqli va tor tarmoqli o'xshash burmalarni (ko'k o'qlar bilan belgilangan) namoyon qiladi. 5e-rasmdagi qo'shimcha FLG sektorida ikki va uch qatlamli grafen qatlamlari mavjudligini tasdiqlaydi (tekisliklararo masofa 0,33 ± 0,01 nm), bu bizning oldingi natijalarimizga yaxshi mos keladi30. Bundan tashqari, dantelli uglerod plyonkalari bilan mis panjaralarga o'tkazilgan polimersiz NGFning qayd etilgan SEM tasvirlari (yuqori ko'rinishdagi TEM o'lchovlarini amalga oshirgandan so'ng) SI9-rasmda ko'rsatilgan. Quduq to'xtatilgan FLG hududi (ko'k o'q bilan belgilangan) va SI9f-rasmdagi singan hudud. Moviy o'q (o'tkazilgan NGF chetida) FLG mintaqasi polimersiz uzatish jarayoniga qarshilik ko'rsatishi mumkinligini ko'rsatish uchun ataylab taqdim etilgan. Xulosa qilib aytganda, ushbu tasvirlar qisman to'xtatilgan NGF (shu jumladan FLG mintaqasi) TEM va SEM o'lchovlari paytida qattiq ishlov berish va yuqori vakuum ta'siridan keyin ham mexanik yaxlitlikni saqlab turishini tasdiqlaydi (SI9-rasm).
NGF ning mukammal tekisligi tufayli (5a-rasmga qarang), SAED strukturasini tahlil qilish uchun [0001] domen o'qi bo'ylab yoriqlarni yo'naltirish qiyin emas. Filmning mahalliy qalinligi va uning joylashgan joyiga qarab, elektron diffraktsiyani o'rganish uchun bir nechta qiziqarli hududlar (12 ball) aniqlandi. 5a-c-rasmlarda ushbu tipik mintaqalarning to'rttasi ko'rsatilgan va rangli doiralar bilan belgilangan (ko'k, ko'k, to'q sariq va qizil kodlangan). SAED rejimi uchun 2 va 3-rasmlar. Shakllar 5f va g 5 va 5-rasmlarda ko'rsatilgan FLG hududidan olingan. 5b va c rasmlarda ko'rsatilganidek. Ular o'ralgan grafenga o'xshash olti burchakli tuzilishga ega63. Xususan, 5f-rasmda [0001] zona o'qining bir xil yo'nalishi bo'lgan, 10 ° va 20 ° ga aylantirilgan uchta qo'shilgan naqsh ko'rsatilgan, bu uch juft (10-10) ko'zgularning burchak mos kelmasligi bilan tasdiqlanadi. Xuddi shunday, 5g-rasmda 20 ° ga aylantirilgan ikkita o'rnatilgan olti burchakli naqsh ko'rsatilgan. FLG hududidagi olti burchakli naqshlarning ikki yoki uchta guruhi bir-biriga nisbatan aylantirilgan uchta tekislikdagi yoki tekislikdan tashqaridagi grafen qatlamlaridan 33 paydo bo'lishi mumkin. Bundan farqli o'laroq, 5h, i-rasmdagi elektron diffraktsiya naqshlari (5a-rasmda ko'rsatilgan NGF hududiga to'g'ri keladi) kattaroq material qalinligiga mos keladigan umumiy yuqori nuqta diffraktsiya intensivligi bilan bitta [0001] naqshni ko'rsatadi. Ushbu SAED modellari 64 indeksidan kelib chiqqan holda FLGga qaraganda qalinroq grafit tuzilmasi va oraliq orientatsiyaga mos keladi. NGF kristallik xususiyatlarining xarakteristikasi ikki yoki uchta o'rnatilgan grafit (yoki grafen) kristalitlarining birgalikda mavjudligini aniqladi. FLG mintaqasida ayniqsa diqqatga sazovor narsa shundaki, kristallitlar ma'lum darajada tekislikda yoki tekislikda noto'g'ri yo'nalishga ega. 17 °, 22 ° va 25 ° tekislikdagi aylanish burchaklariga ega bo'lgan grafit zarralari/qatlamlari ilgari Ni 64 plyonkalarida o'stirilgan NGF uchun xabar qilingan. Ushbu tadqiqotda kuzatilgan aylanish burchagi qiymatlari buralgan BLG63 grafen uchun ilgari kuzatilgan aylanish burchaklariga (±1 °) mos keladi.
NGF/SiO2/Si ning elektr xossalari 10×3 mm2 maydonda 300 K da o‘lchandi. Elektron tashuvchining kontsentratsiyasi, harakatchanligi va o'tkazuvchanligi qiymatlari mos ravishda 1,6 × 1020 sm-3, 220 sm2 V-1 C-1 va 2000 S-sm-1 ni tashkil qiladi. NGF ning harakatchanlik va o'tkazuvchanlik qiymatlari tabiiy grafitga2 o'xshaydi va sotuvda mavjud bo'lgan yuqori yo'naltirilgan pirolitik grafitdan (3000 ° C da ishlab chiqariladi)29 yuqori. Kuzatilgan elektron tashuvchining kontsentratsiyasi qiymatlari yuqori haroratli (3200 °C) poliimid plitalari yordamida tayyorlangan mikron qalinlikdagi grafit plyonkalari uchun yaqinda xabar qilinganidan (7,25 × 10 sm-3) ikki baravar yuqori.
Shuningdek, biz kvarts substratlariga o'tkazilgan FS-NGF da UV-ko'rinadigan o'tkazuvchanlik o'lchovlarini amalga oshirdik (6-rasm). Olingan spektr 350-800 nm oralig'ida 62% deyarli doimiy o'tkazuvchanlikni ko'rsatadi, bu NGF ko'rinadigan yorug'likka shaffof ekanligini ko'rsatadi. Aslida, "KAUST" nomini 6b-rasmdagi namunaning raqamli fotosuratida ko'rish mumkin. NGF ning nanokristalli tuzilishi SLG dan farqli bo'lsa-da, qatlamlar sonini qo'shimcha qatlam uchun 2,3% uzatish yo'qotilishi qoidasi yordamida taxminan hisoblash mumkin65. Ushbu munosabatlarga ko'ra, 38% uzatish yo'qotilgan grafen qatlamlari soni 21. O'stirilgan NGF asosan 300 ta grafen qatlamidan iborat, ya'ni qalinligi taxminan 100 nm (1-rasm, SI5 va SI7). Shuning uchun, biz kuzatilgan optik shaffoflik FLG va MLG hududlariga to'g'ri keladi deb taxmin qilamiz, chunki ular plyonka bo'ylab taqsimlanadi (1, 3, 5 va 6-rasmlar). Yuqoridagi tizimli ma'lumotlarga qo'shimcha ravishda, o'tkazuvchanlik va shaffoflik ham uzatilgan NGF ning yuqori kristalli sifatini tasdiqlaydi.
(a) UV nurida ko'rinadigan o'tkazuvchanlikni o'lchash, (b) vakillik namunasi yordamida kvartsga odatiy NGF o'tkazish. (c) NGF sxemasi (qorong'i quti) bir tekis taqsimlangan FLG va MLG hududlari namuna bo'ylab kulrang tasodifiy shakllar sifatida belgilangan (1-rasmga qarang) (100 mkm2 uchun taxminan 0,1-3% maydon). Diagrammadagi tasodifiy shakllar va ularning o'lchamlari faqat tasvirlash uchun mo'ljallangan va haqiqiy maydonlarga mos kelmaydi.
CVD tomonidan o'stirilgan shaffof NGF ilgari yalang'och kremniy yuzalarga o'tkazilgan va quyosh kameralarida ishlatilgan15,16. Olingan quvvatni konvertatsiya qilish samaradorligi (PCE) 1,5% ni tashkil qiladi. Ushbu NGFlar faol birikma qatlamlari, zaryadni tashish yo'llari va shaffof elektrodlar kabi bir nechta funktsiyalarni bajaradi15,16. Biroq, grafit plyonkasi bir xil emas. Grafit elektrodning qatlam qarshiligini va optik o'tkazuvchanligini diqqat bilan nazorat qilish orqali keyingi optimallashtirish zarur, chunki bu ikki xususiyat quyosh batareyasining PCE qiymatini aniqlashda muhim rol o'ynaydi15,16. Odatda, grafen plyonkalari ko'rinadigan yorug'lik uchun 97,7% shaffofdir, lekin 200-3000 ohm / sq.16 varaq qarshiligiga ega. Grafen plyonkalarining sirt qarshiligini qatlamlar sonini ko'paytirish (grafen qatlamlarini ko'p marta o'tkazish) va HNO3 (~30 Ohm/sq.) bilan doping bilan kamaytirish mumkin66. Biroq, bu jarayon uzoq vaqt talab etadi va turli uzatish qatlamlari har doim ham yaxshi aloqani saqlamaydi. Bizning old tomoni NGF o'tkazuvchanligi 2000 S / sm, plyonkali qatlam qarshiligi 50 ohm / sq kabi xususiyatlarga ega. va 62% shaffoflik, bu quyosh xujayralaridagi Supero'tkazuvchilar kanallar yoki qarshi elektrodlar uchun munosib muqobil qiladi15,16.
BS-NGF tuzilishi va sirt kimyosi FS-NGF ga o'xshash bo'lsa-da, uning pürüzlülüğü boshqacha ("FS- va BS-NGF o'sishi"). Ilgari biz gaz sensori sifatida ultra yupqa plyonkali grafit22 dan foydalanganmiz. Shuning uchun biz gazni aniqlash vazifalari uchun BS-NGF dan foydalanishning maqsadga muvofiqligini sinab ko'rdik (SI10-rasm). Birinchidan, BS-NGF ning mm2 o'lchamdagi qismlari interdigitating elektrod sensori chipiga o'tkazildi (SI10a-c-rasm). Chipning ishlab chiqarish tafsilotlari avval xabar qilingan edi; uning faol sezgir maydoni 9 mm267. SEM tasvirlarida (SI10b va c-rasm) NGF orqali asosiy oltin elektrod aniq ko'rinadi. Yana shuni ko'rish mumkinki, barcha namunalar uchun yagona chip qoplamasiga erishildi. Har xil gazlarning gaz sensori o'lchovlari qayd etildi (SI10d-rasm) (SI11-rasm) va natijada javob tezligi shaklda ko'rsatilgan. SI10g. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) va NH3 (200 ppm) kabi boshqa aralashuvchi gazlar bilan. Mumkin bo'lgan sabablardan biri NO2. gazning elektrofil tabiati22,68. Grafen yuzasida adsorbsiyalanganda, u tizim tomonidan elektronlarning joriy yutilishini kamaytiradi. BS-NGF sensorining javob vaqti ma'lumotlarini ilgari chop etilgan sensorlar bilan taqqoslash SI2-jadvalda keltirilgan. NGF datchiklarini UV plazmasi, O3 plazmasi yoki taʼsirlangan namunalarni termal (50–150°C) bilan davolashdan foydalangan holda qayta faollashtirish mexanizmi davom etmoqda, undan keyin esa oʻrnatilgan tizimlar69 amalga oshiriladi.
CVD jarayonida grafen o'sishi katalizator substratining har ikki tomonida sodir bo'ladi41. Biroq, BS-grafen odatda uzatish jarayonida chiqariladi41. Ushbu tadqiqotda biz katalizatorni qo'llab-quvvatlashning har ikki tomonida yuqori sifatli NGF o'sishi va polimersiz NGF uzatilishiga erishish mumkinligini ko'rsatamiz. BS-NGF FS-NGF (~100 nm) ga qaraganda yupqaroq (~80 nm) va bu farq BS-Ni ning prekursor gaz oqimiga bevosita ta'sir qilmasligi bilan izohlanadi. Bundan tashqari, NiAR substratining pürüzlülüğü NGF ning pürüzlülüğüne ta'sir qilishini aniqladik. Bu natijalar shuni ko'rsatadiki, o'stirilgan planar FS-NGF grafen uchun kashshof material sifatida (eksfoliatsiya usuli bilan70) yoki quyosh kameralarida o'tkazuvchan kanal sifatida ishlatilishi mumkin15,16. Bundan farqli o'laroq, BS-NGF gazni aniqlash uchun (SI9-rasm) va ehtimol energiya saqlash tizimlari uchun ishlatiladi71,72 bu erda uning sirt pürüzlülüğü foydali bo'ladi.
Yuqoridagilarni hisobga olgan holda, joriy ishni CVD tomonidan o'stirilgan va nikel folga yordamida ilgari nashr etilgan grafit plyonkalari bilan birlashtirish foydalidir. 2-jadvaldan ko'rinib turibdiki, biz ishlatgan yuqori bosimlar nisbatan past haroratlarda ham (850-1300 ° C oralig'ida) reaktsiya vaqtini (o'sish bosqichi) qisqartirdi. Shuningdek, biz odatdagidan kattaroq o'sishga erishdik, bu esa kengayish potentsialidan dalolat beradi. E'tiborga olish kerak bo'lgan boshqa omillar ham bor, ulardan ba'zilarini biz jadvalga kiritdik.
Ikki tomonlama yuqori sifatli NGF katalitik CVD tomonidan nikel folga ustida o'stirildi. An'anaviy polimer substratlarni (masalan, CVD grafenida qo'llaniladigan) yo'q qilish orqali biz NGFni (nikel folga orqa va old tomonlarida o'stirilgan) turli xil jarayon uchun muhim substratlarga toza va nuqsonsiz nam o'tkazishga erishamiz. Shunisi e'tiborga loyiqki, NGF tarkibiga qalinroq plyonkaga strukturaviy jihatdan yaxshi birlashtirilgan FLG va MLG hududlari (odatda 100 mkm2 uchun 0,1% dan 3% gacha) kiradi. Planar TEM shuni ko'rsatadiki, bu hududlar ikki-uch grafit / grafen zarralari (mos ravishda kristallar yoki qatlamlar) to'plamlaridan iborat bo'lib, ularning ba'zilari 10-20 ° aylanish mos kelmasligi. FLG va MLG hududlari FS-NGF ning ko'rinadigan yorug'likka shaffofligi uchun javobgardir. Orqa choyshablarga kelsak, ular oldingi varaqlarga parallel ravishda olib borilishi mumkin va ko'rsatilganidek, funktsional maqsadga ega bo'lishi mumkin (masalan, gazni aniqlash uchun). Ushbu tadqiqotlar sanoat miqyosidagi CVD jarayonlarida chiqindilar va xarajatlarni kamaytirish uchun juda foydali.
Umuman olganda, CVD NGF ning o'rtacha qalinligi (past va ko'p qatlamli) grafen va sanoat (mikrometr) grafit plitalari o'rtasida joylashgan. Ularning qiziqarli xossalari qatori, ularni ishlab chiqarish va tashish uchun biz ishlab chiqqan oddiy usul bilan birgalikda, bu plyonkalarni, ayniqsa, hozirda qo'llanilayotgan energiyani ko'p talab qiladigan sanoat ishlab chiqarish jarayonlari hisobiga grafitning funktsional javobini talab qiladigan ilovalar uchun mos qiladi.
Tijoriy CVD reaktoriga (Aixtron 4 dyuymli BMPro) 25 mkm qalinlikdagi nikel folga (99,5% tozalik, Goodfellow) o'rnatildi. Tizim argon bilan tozalandi va 10-3 mbar tayanch bosimiga evakuatsiya qilindi. Keyin nikel folga qo'yildi. Ar / H2 da (Ni folgasini 5 daqiqa davomida oldindan tavlagandan so'ng, folga 900 ° C da 500 mbar bosimga duchor bo'ldi. NGF 5 daqiqa davomida CH4 / H2 (har biri 100 sm3) oqimiga yotqizildi. Keyin namuna 40 °C/daqiqada Ar oqimi (4000 sm3) yordamida 700 °C dan past haroratgacha sovutildi.
Namuna sirt morfologiyasi Zeiss Merlin mikroskopi (1 kV, 50 pA) yordamida SEM tomonidan vizualizatsiya qilingan. Namuna sirtining pürüzlülüğü va NGF qalinligi AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) yordamida o'lchandi. TEM va SAED o'lchovlari yakuniy natijalarni olish uchun yuqori yorqinlikdagi maydon emissiya tabancasi (300 kV), FEI Wien tipidagi monoxromator va CEOS linzalari sharsimon aberatsiya tuzatuvchisi bilan jihozlangan FEI Titan 80-300 Cubed mikroskop yordamida amalga oshirildi. fazoviy o'lchamlari 0,09 nm. NGF namunalari tekis TEM ko'rish va SAED strukturasini tahlil qilish uchun uglerodli dantelli qoplangan mis panjaralarga o'tkazildi. Shunday qilib, namuna floklarining ko'pchiligi qo'llab-quvvatlovchi membrananing teshiklarida to'xtatiladi. O'tkazilgan NGF namunalari XRD tomonidan tahlil qilindi. X-nurlarining diffraktsiya naqshlari kukunli difraktometr (Brucker, Cu Ka manbali D2 fazali o'tkazgich, 1,5418 Å va LYNXEYE detektori) yordamida nurlanish nuqtasi diametri 3 mm bo'lgan Cu nurlanish manbai yordamida olingan.
Integratsiyalashgan konfokal mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) yordamida bir nechta Raman nuqtasi o'lchovlari qayd etilgan. Termal ta'sirlardan qochish uchun past qo'zg'alish kuchiga ega (25%) 532 nm lazer ishlatilgan. X-nurli fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) Kratos Axis Ultra spektrometrida 150 Vt quvvatda monoxromatik Al Ka nurlanishi (hn = 1486,6 eV) yordamida 300 × 700 mkm2 namuna maydonida amalga oshirildi. Ruxsat spektrlari: mos ravishda 160 eV va 20 eV uzatish energiyalari. SiO2 ga o'tkazilgan NGF namunalari PLS6MW (1,06 mkm) iterbiy tolali lazer yordamida 30 Vt quvvatda bo'laklarga bo'lingan (har biri 3 × 10 mm2). Mis simli kontaktlar (50 mkm qalinlikdagi) optik mikroskop ostida kumush pasta yordamida ishlab chiqarilgan. Elektr transporti va Hall effekti tajribalari jismoniy xususiyatlarni o'lchash tizimida (PPMS EverCool-II, Quantum Design, AQSH) 300 K va magnit maydon o'zgarishi ± 9 Tesla da ushbu namunalarda o'tkazildi. O'tkazilgan UV-vis spektrlari kvarts substratlari va kvarts mos yozuvlar namunalariga o'tkazilgan 350-800 nm NGF diapazonida Lambda 950 UV-vis spektrofotometri yordamida qayd etildi.
Kimyoviy qarshilik sensori (interdigitated elektrod chipi) maxsus bosilgan elektron plataga 73 ulangan va qarshilik vaqtinchalik ravishda chiqarilgan. Qurilma joylashgan bosilgan elektron plata kontakt terminallariga ulangan va gazni sezish kamerasi ichiga joylashtirilgan 74. Qarshilik o'lchovlari 1 V kuchlanishda tozalashdan gaz ta'siriga qadar doimiy skanerlash bilan olingan va keyin yana tozalash. Kamerada mavjud bo'lgan barcha boshqa tahlil qiluvchi moddalarni, shu jumladan namlikni olib tashlashni ta'minlash uchun kamera dastlab 1 soat davomida 200 sm3 azot bilan tozalash orqali tozalandi. Keyin N2 tsilindrini yopib, individual tahlil qiluvchi moddalar asta-sekin bir xil oqim tezligi 200 sm3 bo'lgan kameraga chiqarildi.
Ushbu maqolaning qayta ko'rib chiqilgan versiyasi nashr etilgan va unga maqolaning yuqori qismidagi havola orqali kirish mumkin.
Inagaki, M. va Kang, F. Karbon materialshunosligi va muhandisligi: asoslar. Ikkinchi nashr tahrirlangan. 2014 yil. 542.
Pearson, HO uglerod, grafit, olmos va fullerenlar bo'yicha qo'llanma: xususiyatlari, qayta ishlash va ilovalar. Birinchi nashr tahrirlangan. 1994 yil, Nyu-Jersi.
Tsai, W. va boshqalar. Shaffof nozik o'tkazuvchan elektrodlar sifatida katta maydonli ko'p qatlamli grafen / grafit plyonkalari. ilova. fizika. Rayt. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Grafen va nanostrukturali uglerod materiallarining termal xususiyatlari. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW va Cahill DG Ni (111) da past haroratli kimyoviy bug'larni cho'ktirish orqali o'stirilgan grafit plyonkalarining issiqlik o'tkazuvchanligi. olmosh. Matt. Interfeys 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kimyoviy bug 'birikishi bilan grafen plyonkalarining doimiy o'sishi. ilova. fizika. Rayt. 98 (13), 133106 (2011).
Xat vaqti: 2024-yil 23-avgust