Grazzi talli żort Nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għal CSS. Għall-aħjar riżultati, nirrakkomandaw li tuża verżjoni aktar ġdida tal-browser tiegħek (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibbiltà fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, qed nuru s-sit mingħajr stil jew JavaScript.
Films tal-grafita fuq skala nanoskala (NGFs) huma nanomaterjali robusti li jistgħu jiġu prodotti permezz ta 'depożizzjoni ta' fwar kimiku katalitiku, iżda għad fadal mistoqsijiet dwar il-faċilità tat-trasferiment tagħhom u kif il-morfoloġija tal-wiċċ taffettwa l-użu tagħhom f'apparat tal-ġenerazzjoni li jmiss. Hawnhekk nirrapportaw it-tkabbir ta 'NGF fuq iż-żewġ naħat ta' fojl tan-nikil polikristallin (erja 55 cm2, ħxuna madwar 100 nm) u t-trasferiment mingħajr polimeru tiegħu (quddiem u lura, żona sa 6 cm2). Minħabba l-morfoloġija tal-fojl tal-katalizzatur, iż-żewġ films tal-karbonju jvarjaw fil-proprjetajiet fiżiċi tagħhom u karatteristiċi oħra (bħal ħruxija tal-wiċċ). Aħna nuru li NGFs b'naħa ta 'wara aktar maħduma huma adattati tajjeb għall-iskoperta ta' NO2, filwaqt li NGFs aktar bla xkiel u konduttivi fuq in-naħa ta 'quddiem (2000 S / cm, reżistenza tal-folja - 50 ohms / m2) jistgħu jkunu kondutturi vijabbli. kanal jew elettrodu taċ-ċellula solari (peress li jittrasmetti 62% tad-dawl viżibbli). B'mod ġenerali, il-proċessi deskritti ta 'tkabbir u trasport jistgħu jgħinu biex jiġu realizzati NGF bħala materjal alternattiv tal-karbonju għal applikazzjonijiet teknoloġiċi fejn films tal-grafita tal-grafita u micron-ħxuna mhumiex adattati.
Il-grafita hija materjal industrijali użat ħafna. Notevolment, il-grafita għandha l-proprjetajiet ta 'densità tal-massa relattivament baxxa u konduttività termali u elettrika għolja fil-pjan, u hija stabbli ħafna f'ambjenti termali u kimiċi ħarxa1,2. Il-grafita flake hija materjal tal-bidu magħruf għar-riċerka tal-graffen3. Meta tiġi pproċessata f'films irqaq, tista 'tintuża f'firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet, inklużi sinkijiet tas-sħana għal apparati elettroniċi bħal smartphones4,5,6,7, bħala materjal attiv f'sensors8,9,10 u għall-protezzjoni tal-interferenza elettromanjetika11. 12 u films għal-litografija fl-ultravjola estrema13,14, kanali konduttivi f'ċelloli solari15,16. Għal dawn l-applikazzjonijiet kollha, ikun ta 'vantaġġ sinifikanti jekk żoni kbar ta' films tal-grafita (NGFs) bi ħxuna kkontrollata fin-nanoskala <100 nm jistgħu jiġu prodotti u ttrasportati faċilment.
Films tal-grafita huma prodotti b'diversi metodi. F'każ wieħed, l-inkorporazzjoni u l-espansjoni segwiti minn tqaxxir intużaw biex jipproduċu qxur tal-graffen10,11,17. Il-qxur għandhom jiġu pproċessati aktar f'films tal-ħxuna meħtieġa, u ħafna drabi jieħdu diversi jiem biex jipproduċu folji densi tal-grafita. Approċċ ieħor huwa li tibda bi prekursuri solidi grafitabbli. Fl-industrija, folji ta 'polimeri huma karbonizzati (f'1000–1500 °C) u mbagħad grafitizzati (f'2800–3200 °C) biex jiffurmaw materjali b'saffi strutturati tajjeb. Għalkemm il-kwalità ta 'dawn il-films hija għolja, il-konsum tal-enerġija huwa sinifikanti1,18,19 u l-ħxuna minima hija limitata għal ftit mikron1,18,19,20.
Depożizzjoni ta 'fwar kimiku katalitiku (CVD) huwa metodu magħruf għall-produzzjoni ta' films tal-grafita u grafita ultrarqiqa (<10 nm) bi kwalità strutturali għolja u cost21,22,23,24,25,26,27 raġonevoli. Madankollu, meta mqabbel mat-tkabbir tal-grafita u films ultrathin tal-grafita28, it-tkabbir ta 'żona kbira u/jew l-applikazzjoni ta' NGF bl-użu ta 'CVD huwa saħansitra inqas esplorat11,13,29,30,31,32,33.
Il-films tal-grafita u tal-grafita mkabbra bis-CVD ħafna drabi jeħtieġu li jiġu trasferiti fuq sottostrati funzjonali34. Dawn it-trasferimenti ta’ film irqiq jinvolvu żewġ metodi ewlenin35: (1) trasferiment mhux ta’ inċiżjoni36,37 u (2) trasferiment ta’ kimiku mxarrab ibbażat fuq l-inċiżjoni (supported substrat)14,34,38. Kull metodu għandu xi vantaġġi u żvantaġġi u għandu jintgħażel skont l-applikazzjoni maħsuba, kif deskritt band'oħra35,39. Għal films tal-grafit/grafit imkabbra fuq sottostrati katalitiċi, it-trasferiment permezz ta 'proċessi kimiċi mxarrba (li minnhom polymethyl methacrylate (PMMA) huwa s-saff ta' appoġġ l-aktar użat komunement) jibqa 'l-ewwel għażla13,30,34,38,40,41,42. Inti et al. Issemma li l-ebda polimeru ma ntuża għat-trasferiment NGF (daqs tal-kampjun bejn wieħed u ieħor 4 cm2)25,43, iżda ma ġew ipprovduti l-ebda dettalji dwar l-istabbiltà tal-kampjun u/jew l-immaniġġjar waqt it-trasferiment; Il-proċessi tal-kimika mxarrba li jużaw polimeri jikkonsistu f'diversi passi, inkluża l-applikazzjoni u t-tneħħija sussegwenti ta 'saff ta' polimeru ta 'sagrifiċċju30,38,40,41,42. Dan il-proċess għandu żvantaġġi: pereżempju, ir-residwi tal-polimeru jistgħu jibdlu l-proprjetajiet tal-film imkabbar38. Ipproċessar addizzjonali jista 'jneħħi polimeru residwu, iżda dawn il-passi addizzjonali jżidu l-ispiża u l-ħin tal-produzzjoni tal-film38,40. Matul it-tkabbir tas-CVD, saff ta 'grafen jiġi depożitat mhux biss fuq in-naħa ta' quddiem tal-fojl tal-katalizzatur (in-naħa li tħares lejn il-fluss tal-fwar), iżda wkoll fuq in-naħa ta 'wara tagħha. Madankollu, dan tal-aħħar jitqies bħala prodott ta’ skart u jista’ jitneħħa malajr permezz ta’ plażma ratba38,41. Ir-riċiklaġġ ta 'dan il-film jista' jgħin biex jimmassimizza r-rendiment, anke jekk huwa ta 'kwalità aktar baxxa minn film tal-karbonju tal-wiċċ.
Hawnhekk, nirrapportaw il-preparazzjoni ta 'tkabbir bifacial fuq skala wejfer ta' NGF bi kwalità strutturali għolja fuq fojl tan-nikil polikristallin minn CVD. Ġie vvalutat kif il-ħruxija tal-wiċċ ta 'quddiem u ta' wara tal-fojl taffettwa l-morfoloġija u l-istruttura ta 'NGF. Aħna nuru wkoll trasferiment mingħajr polimeri kost-effettiv u favur l-ambjent ta 'NGF miż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil fuq sottostrati multifunzjonali u nuru kif il-films ta' quddiem u ta 'wara huma adattati għal diversi applikazzjonijiet.
Is-sezzjonijiet li ġejjin jiddiskutu ħxuna differenti ta 'film tal-grafita skont in-numru ta' saffi tal-graffien f'munzelli: (i) grafen b'saff wieħed (SLG, saff 1), (ii) grafen b'saff ta' ftit (FLG, < 10 saffi), (iii) grafen b'ħafna saffi ( MLG, 10-30 saff) u (iv) NGF (~ 300 saff). Din tal-aħħar hija l-aktar ħxuna komuni espressa bħala perċentwal tal-erja (madwar 97% tal-erja għal kull 100 µm2)30. Huwa għalhekk li l-film kollu jissejjaħ sempliċement NGF.
Fojls tan-nikil polikristallin użati għas-sinteżi ta 'films tal-grafita u tal-grafita għandhom nisġa differenti bħala riżultat tal-manifattura tagħhom u l-ipproċessar sussegwenti. Riċentement irrappurtajna studju biex ottimizzaw il-proċess ta 'tkabbir ta' NGF30. Aħna nuru li l-parametri tal-proċess bħall-ħin tal-ittemprar u l-pressjoni tal-kamra matul l-istadju tat-tkabbir għandhom rwol kritiku fil-kisba ta 'NGFs ta' ħxuna uniformi. Hawnhekk, aħna investigajna aktar it-tkabbir ta 'NGF fuq uċuħ ta' quddiem illustrat (FS) u lura mhux illustrat (BS) ta 'fojl tan-nikil (Fig. 1a). Ġew eżaminati tliet tipi ta’ kampjuni FS u BS, elenkati fit-Tabella 1. Fuq spezzjoni viżwali, tkabbir uniformi ta’ NGF fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil (NiAG) jista’ jidher mill-bidla fil-kulur tas-sottostrat tan-Ni massa minn fidda metallika karatteristika. griż għal kulur griż matt (Fig. 1a); kejl mikroskopiku ġie kkonfermat (Fig. 1b, c). Spettru Raman tipiku ta 'FS-NGF osservat fir-reġjun qawwi u indikat minn vleġeġ ħomor, blu u oranġjo fil-Figura 1b jidher fil-Figura 1c. Il-qċaċet karatteristiċi Raman tal-grafita G (1683 cm-1) u 2D (2696 cm-1) jikkonfermaw it-tkabbir ta 'NGF kristallin ħafna (Fig. 1c, Tabella SI1). Matul il-film, kienet osservata predominanza ta 'spettri Raman b'proporzjon ta' intensità (I2D/IG) ~ 0.3, filwaqt li spettri Raman b'I2D/IG = 0.8 rarament ġew osservati. In-nuqqas ta 'qċaċet difettużi (D = 1350 cm-1) fil-film kollu jindika l-kwalità għolja tat-tkabbir ta' NGF. Riżultati Raman simili nkisbu fuq il-kampjun BS-NGF (Figura SI1 a u b, Tabella SI1).
Tqabbil ta' NiAG FS- u BS-NGF: (a) Ritratt ta' kampjun tipiku ta' NGF (NiAG) li juri tkabbir ta' NGF fuq skala wejfer (55 cm2) u l-kampjuni tal-fojl BS- u FS-Ni li jirriżultaw, (b) FS-NGF Stampi/ Ni miksuba b'mikroskopju ottiku, (c) spettri Raman tipiċi rreġistrati f'pożizzjonijiet differenti fil-pannell b, (d, f) Immaġini SEM f'ingrandimenti differenti fuq FS-NGF/Ni, (e, g) Immaġini SEM f'ingrandimenti differenti Settijiet BS -NGF/Ni. Il-vleġġa blu tindika r-reġjun FLG, il-vleġġa oranġjo tindika r-reġjun MLG (ħdejn ir-reġjun FLG), il-vleġġa ħamra tindika r-reġjun NGF, u l-vleġġa maġenta tindika t-tinja.
Peress li t-tkabbir jiddependi fuq il-ħxuna tas-sottostrat inizjali, id-daqs tal-kristall, l-orjentazzjoni u l-konfini tal-qamħ, il-kisba ta 'kontroll raġonevoli tal-ħxuna tal-NGF fuq żoni kbar tibqa' sfida20,34,44. Dan l-istudju uża kontenut li ppublikajna qabel30. Dan il-proċess jipproduċi reġjun qawwi ta' 0.1 sa 3% għal kull 100 µm230. Fit-taqsimiet li ġejjin, aħna nippreżentaw riżultati għaż-żewġ tipi ta’ reġjuni. Immaġini SEM ta 'ingrandiment għoli juru l-preżenza ta' diversi żoni ta 'kuntrast qawwi fuq iż-żewġ naħat (Fig. 1f, g), li jindikaw il-preżenza ta' reġjuni FLG u MLG30,45. Dan ġie kkonfermat ukoll mit-tifrix Raman (Fig. 1c) u r-riżultati TEM (diskussi aktar tard fit-taqsima "FS-NGF: struttura u proprjetajiet"). Ir-reġjuni FLG u MLG osservati fuq kampjuni FS- u BS-NGF/Ni (NGF ta 'quddiem u ta' wara mkabbra fuq Ni) setgħu kibru fuq ħbub kbar Ni (111) iffurmati waqt it-ttemprar minn qabel22,30,45. It-tiwi kien osservat fuq iż-żewġ naħat (Fig. 1b, immarkat bi vleġeġ vjola). Dawn it-tinja spiss jinstabu f'films tal-grafita u tal-grafita mkabbra b'CVD minħabba d-differenza kbira fil-koeffiċjent ta 'espansjoni termali bejn il-grafita u s-sottostrat tan-nikil30,38.
L-immaġni AFM kkonfermat li l-kampjun FS-NGF kien aktar ċatt mill-kampjun BS-NGF (Figura SI1) (Figura SI2). L-għerq medju kwadru (RMS) tal-valuri tal-ħruxija ta 'FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) u BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) huma 82 u 200 nm, rispettivament (imkejla fuq żona ta' 20 × 20 μm2). Il-ħruxija ogħla tista 'tinftiehem ibbażata fuq l-analiżi tal-wiċċ tal-fojl tan-nikil (NiAR) fl-istat kif irċevut (Figura SI3). Immaġini SEM ta 'FS u BS-NiAR huma murija fil-Figuri SI3a–d, li juru morfoloġiji tal-wiċċ differenti: fojl illustrat FS-Ni għandu partiċelli sferiċi ta' daqs nano u mikron, filwaqt li fojl BS-Ni mhux illustrat juri sellum tal-produzzjoni. bħala partiċelli b'saħħa għolja. u tnaqqis. Immaġini b'riżoluzzjoni baxxa u għolja ta 'fojl tan-nikil ittemprat (NiA) huma murija fil-Figura SI3e–h. F'dawn iċ-ċifri, nistgħu nosservaw il-preżenza ta 'diversi partiċelli tan-nikil ta' daqs mikron fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil (Fig. SI3e-h). Ħbub kbar jista 'jkollhom orjentazzjoni tal-wiċċ Ni (111), kif irrappurtat qabel30,46. Hemm differenzi sinifikanti fil-morfoloġija tal-fojl tan-nikil bejn FS-NiA u BS-NiA. Il-ħruxija ogħla ta 'BS-NGF/Ni hija dovuta għall-wiċċ mhux illustrat tal-BS-NiAR, li l-wiċċ tiegħu jibqa' mhux maħdum b'mod sinifikanti anke wara l-ittemprar (Figura SI3). Dan it-tip ta 'karatterizzazzjoni tal-wiċċ qabel il-proċess ta' tkabbir jippermetti li l-ħruxija tal-films tal-grafita u tal-grafita tiġi kkontrollata. Għandu jiġi nnutat li s-sottostrat oriġinali għadda minn xi riorganizzazzjoni tal-qamħ matul it-tkabbir tal-graffen, li naqas ftit id-daqs tal-qamħ u kemmxejn żied il-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat meta mqabbel mal-fojl ittemprat u l-film tal-katalist22.
L-irfinar tal-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat, il-ħin tal-ittemprar (daqs tal-qamħ)30,47 u l-kontroll tar-rilaxx43 se jgħinu biex titnaqqas l-uniformità reġjonali tal-ħxuna tal-NGF għall-iskala µm2 u/jew saħansitra nm2 (jiġifieri varjazzjonijiet tal-ħxuna ta 'ftit nanometri). Biex tikkontrolla l-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat, jistgħu jiġu kkunsidrati metodi bħall-illustrar elettrolitiku tal-fojl tan-nikil li jirriżulta48. Il-fojl tan-nikil ittrattat minn qabel jista 'mbagħad jiġi ittemprat f'temperatura aktar baxxa (< 900 °C) 46 u ħin (< 5 min) biex tiġi evitata l-formazzjoni ta' qamħ kbir Ni (111) (li huwa ta 'benefiċċju għat-tkabbir FLG).
SLG u FLG graphene ma jistax jiflaħ it-tensjoni tal-wiċċ ta 'aċidi u ilma, li jeħtieġu saffi ta' appoġġ mekkaniku matul proċessi ta 'trasferiment kimiku mxarrba22,34,38. B'kuntrast mat-trasferiment kimiku imxarrab ta 'grafene38 b'saff wieħed appoġġjat minn polimeru, sibna li ż-żewġ naħat tal-NGF kif imkabbar jistgħu jiġu trasferiti mingħajr appoġġ tal-polimeru, kif muri fil-Figura 2a (ara l-Figura SI4a għal aktar dettalji). It-trasferiment ta 'NGF għal sottostrat partikolari jibda b'inċiżjoni mxarrba tal-film Ni30.49 sottostanti. Il-kampjuni mkabbra NGF/Ni/NGF tpoġġew matul il-lejl fi 15 mL ta '70% HNO3 dilwit b'600 mL ta' ilma dejonizzat (DI). Wara li l-fojl Ni jinħall kompletament, FS-NGF jibqa 'ċatt u sufruni fuq il-wiċċ tal-likwidu, bħall-kampjun NGF / Ni / NGF, filwaqt li BS-NGF huwa mgħaddas fl-ilma (Fig. 2a, b). L-NGF iżolat imbagħad ġie ttrasferit minn tazza waħda li fiha ilma frisk dejonizzat għal tazza oħra u l-NGF iżolat inħasel sewwa, billi tirrepeti erba’ sa sitt darbiet mid-dixx tal-ħġieġ konkavi. Fl-aħħarnett, FS-NGF u BS-NGF tqiegħdu fuq is-sottostrat mixtieq (Fig. 2c).
Proċess ta' trasferiment kimiku imxarrab mingħajr polimeri għal NGF imkabbar fuq fojl tan-nikil: (a) Dijagramma tal-fluss tal-proċess (ara l-Figura SI4 għal aktar dettalji), (b) Ritratt diġitali ta' NGF separat wara inċiżjoni Ni (2 kampjuni), (c) Eżempju FS – u trasferiment BS-NGF għal sottostrat SiO2/Si, (d) trasferiment FS-NGF għal sottostrat tal-polimer opak, (e) BS-NGF mill-istess kampjun bħall-pannell d (diviż f'żewġ partijiet), trasferit għal karta C miksija bid-deheb u Nafion (sottostrat trasparenti flessibbli, truf immarkati b'kantunieri ħomor).
Innota li t-trasferiment SLG imwettaq bl-użu ta 'metodi ta' trasferiment kimiku imxarrab jeħtieġ ħin totali ta 'proċessar ta' 20-24 siegħa 38 . Bit-teknika ta 'trasferiment mingħajr polimeri murija hawn (Figura SI4a), il-ħin ġenerali tal-ipproċessar tat-trasferiment NGF jitnaqqas b'mod sinifikanti (madwar 15-il siegħa). Il-proċess jikkonsisti minn: (Pass 1) Ipprepara soluzzjoni ta 'inċiżjoni u poġġi l-kampjun fiha (~10 minuti), imbagħad stenna matul il-lejl għall-inċiżjoni Ni (~7200 minuta), (Pass 2) Laħlaħ b'ilma dejonizzat (Pass - 3) . aħżen f'ilma dejonizzat jew ittrasferixxi fis-sottostrat fil-mira (20 min). L-ilma maqbud bejn l-NGF u l-matriċi tal-massa jitneħħa b'azzjoni kapillari (bl-użu ta 'karta blotting)38, imbagħad il-qtar tal-ilma li jifdal jitneħħew permezz ta' tnixxif naturali (madwar 30 min), u finalment il-kampjun jitnixxef għal 10 min. min f’forn bil-vakwu (10–1 mbar) f’50–90 °C (60 min) 38.
Il-grafita hija magħrufa li tiflaħ il-preżenza ta 'ilma u arja f'temperaturi pjuttost għoljin (≥ 200 °C)50,51,52. Aħna ttestjajna kampjuni bl-użu ta 'spettroskopija Raman, SEM, u XRD wara l-ħażna f'ilma dejonizzat f'temperatura tal-kamra u fi fliexken issiġillati għal kullimkien minn ftit jiem sa sena (Figura SI4). M'hemm l-ebda degradazzjoni notevoli. Il-Figura 2c turi FS-NGF u BS-NGF indipendenti f'ilma dejonizzat. Qbidnihom fuq substrat SiO2 (300 nm)/Si, kif muri fil-bidu tal-Figura 2c. Barra minn hekk, kif muri fil-Figura 2d,e, NGF kontinwu jista 'jiġi trasferit għal diversi sottostrati bħal polimeri (Polyamide Thermabright minn Nexolve u Nafion) u karta tal-karbonju miksija bid-deheb. L-FS-NGF f'wiċċ l-ilma tqiegħed faċilment fuq is-sottostrat fil-mira (Fig. 2c, d). Madankollu, kampjuni BS-NGF akbar minn 3 cm2 kienu diffiċli biex jiġu mmaniġġjati meta mgħaddsa kompletament fl-ilma. Normalment, meta jibdew jirromblaw fl-ilma, minħabba tqandil traskurat xi drabi jinqasmu f'żewġ jew tliet partijiet (Fig. 2e). B'mod ġenerali, stajna niksbu trasferiment mingħajr polimeri ta 'PS- u BS-NGF (trasferiment kontinwu mingħajr saldatura mingħajr tkabbir NGF/Ni/NGF f'6 cm2) għal kampjuni sa 6 u 3 cm2 f'erja, rispettivament. Kwalunkwe biċċiet kbar jew żgħar li jifdal jistgħu jkunu (faċilment jidhru fis-soluzzjoni tal-inċiżjoni jew ilma dejonizzat) fuq is-sottostrat mixtieq (~ 1 mm2, Figura SI4b, ara kampjun trasferit għal grilja tar-ram bħal f'"FS-NGF: Struttura u Proprjetajiet (diskuss) taħt “Struttura u Proprjetajiet”) jew aħżen għal użu futur (Figura SI4). Abbażi ta 'dan il-kriterju, aħna nistmaw li NGF jista' jiġi rkuprat f'rendimenti sa 98-99% (wara tkabbir għat-trasferiment).
Kampjuni ta 'trasferiment mingħajr polimeru ġew analizzati fid-dettall. Karatteristiċi morfoloġiċi tal-wiċċ miksuba fuq FS- u BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) bl-użu ta 'mikroskopija ottika (OM) u stampi SEM (Fig. SI5 u Fig. 3) urew li dawn il-kampjuni ġew trasferiti mingħajr mikroskopija. Ħsara strutturali viżibbli bħal xquq, toqob, jew żoni mhux irrumblati. Il-jingħalaq fuq l-NGF li qed jikber (Fig. 3b, d, immarkat minn vleġeġ vjola) baqgħu intatti wara t-trasferiment. Kemm FS- u BS-NGFs huma komposti minn reġjuni FLG (reġjuni brillanti indikati minn vleġeġ blu fil-Figura 3). B'mod sorprendenti, b'kuntrast mal-ftit reġjuni bil-ħsara tipikament osservati waqt it-trasferiment tal-polimer ta 'films tal-grafita ultrarqiqa, diversi reġjuni FLG u MLG ta' daqs mikron li jgħaqqdu mal-NGF (immarkati bi vleġeġ blu fil-Figura 3d) ġew trasferiti mingħajr xquq jew waqfiet (Figura 3d) . 3). . L-integrità mekkanika ġiet ikkonfermata aktar bl-użu ta 'immaġini TEM u SEM ta' NGF trasferiti fuq grilji tar-ram bizzilla-karbonju, kif diskuss aktar tard ("FS-NGF: Struttura u Proprjetajiet"). Il-BS-NGF/SiO2/Si trasferiti huwa aktar mhux maħdum minn FS-NGF/SiO2/Si b'valuri rms ta '140 nm u 17 nm, rispettivament, kif muri fil-Figura SI6a u b (20 × 20 μm2). Il-valur RMS ta 'NGF trasferit fuq is-sottostrat SiO2/Si (RMS < 2 nm) huwa aktar baxx b'mod sinifikanti (madwar 3 darbiet) minn dak ta' NGF imkabbar fuq Ni (Figura SI2), li jindika li l-ħruxija addizzjonali tista 'tikkorrispondi mal-wiċċ Ni. Barra minn hekk, immaġini AFM mwettqa fuq it-truf ta 'kampjuni FS- u BS-NGF/SiO2/Si wrew ħxuna NGF ta' 100 u 80 nm, rispettivament (Fig. SI7). Il-ħxuna iżgħar ta 'BS-NGF tista' tkun riżultat tal-wiċċ li ma jkunx espost direttament għall-gass prekursur.
NGF trasferit (NiAG) mingħajr polimeru fuq wejfer SiO2 / Si (ara l-Figura 2c): (a, b) Immaġini SEM ta 'FS-NGF trasferiti: ingrandiment baxx u għoli (li jikkorrispondi għall-kwadru oranġjo fil-pannell). Żoni tipiċi) – a). (c,d) Immaġini SEM tal-BS-NGF trasferiti: ingrandiment baxx u għoli (li jikkorrispondi għaż-żona tipika murija mill-kwadru oranġjo fil-pannell c). (e, f) Immaġini AFM ta' FS- u BS-NGFs trasferiti. Vleġġa blu tirrappreżenta r-reġjun FLG - kuntrast qawwi, vleġġa cyan - kuntrast MLG iswed, vleġġa ħamra - kuntrast iswed tirrappreżenta r-reġjun NGF, vleġġa maġenta tirrappreżenta l-tinja.
Il-kompożizzjoni kimika ta 'l-FS- u BS-NGFs imkabbra u trasferiti ġiet analizzata permezz ta' spettroskopija ta 'fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) (Fig. 4). Ġie osservat quċċata dgħajfa fl-ispettri mkejla (Fig. 4a, b), li tikkorrispondi mas-sottostrat Ni (850 eV) tal-FS- u BS-NGFs imkabbra (NiAG). M'hemm l-ebda quċċata fl-ispettri mkejla ta 'FS- u BS-NGF/SiO2/Si trasferiti (Fig. 4c; riżultati simili għal BS-NGF/SiO2/Si mhumiex murija), li jindika li m'hemm l-ebda kontaminazzjoni residwa Ni wara t-trasferiment. . Figuri 4d–f juru l-ispettri ta 'riżoluzzjoni għolja tal-livelli ta' enerġija C 1 s, O 1 s u Si 2p ta 'FS-NGF/SiO2/Si. L-enerġija li torbot ta 'C 1 s tal-grafita hija 284.4 eV53.54. Il-forma lineari tal-qċaċet tal-grafita hija ġeneralment meqjusa bħala asimmetrika, kif muri fil-Figura 4d54. L-ispettru C 1 s tal-qalba b'riżoluzzjoni għolja (Fig. 4d) ikkonferma wkoll trasferiment pur (jiġifieri, l-ebda residwi tal-polimeru), li huwa konsistenti ma 'studji preċedenti38. Il-wisa 'tal-linja tal-ispettri C 1 s tal-kampjun imkabbar frisk (NiAG) u wara t-trasferiment huma 0.55 u 0.62 eV, rispettivament. Dawn il-valuri huma ogħla minn dawk ta 'SLG (0.49 eV għal SLG fuq sottostrat SiO2)38. Madankollu, dawn il-valuri huma iżgħar mill-wisa 'tal-linja rrappurtati qabel għal kampjuni ta' grafen pirolitiku orjentat ħafna (~0.75 eV)53,54,55, li jindikaw in-nuqqas ta 'siti tal-karbonju difettużi fil-materjal kurrenti. L-ispettri tal-livell tal-art C 1 s u O 1 s ukoll jonqsu l-ispallejn, u jeliminaw il-ħtieġa għal dekonvoluzzjoni tal-quċċata b'riżoluzzjoni għolja54. Hemm quċċata tas-satellita π → π* madwar 291.1 eV, li ħafna drabi tiġi osservata f'kampjuni tal-grafita. Is-sinjali 103 eV u 532.5 eV fl-ispettri tal-livell tal-qalba Si 2p u O 1 s (ara Fig. 4e, f) huma attribwiti lis-sottostrat SiO2 56, rispettivament. XPS hija teknika sensittiva għall-wiċċ, għalhekk is-sinjali li jikkorrispondu għal Ni u SiO2 misjuba qabel u wara t-trasferiment NGF, rispettivament, huma preżunti li joriġinaw mir-reġjun FLG. Riżultati simili ġew osservati għal kampjuni BS-NGF trasferiti (mhux murija).
Riżultati NiAG XPS: (ac) Spettri ta 'stħarriġ ta' kompożizzjonijiet atomiċi elementali differenti ta 'FS-NGF/Ni mkabbra, BS-NGF/Ni u FS-NGF/SiO2/Si trasferiti, rispettivament. (d–f) Spettri b'riżoluzzjoni għolja tal-livelli tal-qalba C 1 s, O 1s u Si 2p tal-kampjun FS-NGF/SiO2/Si.
Il-kwalità ġenerali tal-kristalli NGF trasferiti ġiet ivvalutata bl-użu tad-diffrazzjoni tar-raġġi X (XRD). Mudelli XRD tipiċi (Fig. SI8) ta 'FS- u BS-NGF/SiO2/Si trasferiti juru l-preżenza ta' qċaċet tad-diffrazzjoni (0 0 0 2) u (0 0 0 4) f'26.6 ° u 54.7 °, simili għall-grafita. . Dan jikkonferma l-kwalità kristallina għolja ta 'NGF u jikkorrispondi għal distanza ta' bejn is-saffi ta 'd = 0.335 nm, li tinżamm wara l-pass tat-trasferiment. L-intensità tal-quċċata tad-diffrazzjoni (0 0 0 2) hija bejn wieħed u ieħor 30 darba dik tal-quċċata tad-diffrazzjoni (0 0 0 4), li tindika li l-pjan tal-kristall NGF huwa allinjat sew mal-wiċċ tal-kampjun.
Skont ir-riżultati ta 'SEM, spettroskopija Raman, XPS u XRD, il-kwalità ta' BS-NGF/Ni instabet li kienet l-istess bħal dik ta 'FS-NGF/Ni, għalkemm il-ħruxija rms tagħha kienet kemmxejn ogħla (Figuri SI2, SI5) u SI7).
SLGs b'saffi ta 'appoġġ tal-polimeru sa 200 nm ħxuna jistgħu jżommu f'wiċċ l-ilma fuq l-ilma. Din is-setup huwa komunement użat fi proċessi ta 'trasferiment kimiku mxarrab assistiti minn polimeri22,38. Il-grafene u l-grafita huma idrofobiċi (angolu mxarrab 80–90°) 57 . L-uċuħ tal-enerġija potenzjali kemm tal-graphene kif ukoll tal-FLG ġew irrappurtati li huma pjuttost ċatti, b'enerġija potenzjali baxxa (~ 1 kJ/mol) għall-moviment laterali tal-ilma fil-wiċċ58. Madankollu, l-enerġiji ta 'interazzjoni kkalkolati ta' ilma mal-grafin u tliet saffi ta 'grafin huma bejn wieħed u ieħor - 13 u - 15 kJ/mol, 58 rispettivament, li jindikaw li l-interazzjoni tal-ilma ma' NGF (madwar 300 saff) hija aktar baxxa meta mqabbla mal-grafene. Din tista 'tkun waħda mir-raġunijiet għaliex l-NGF indipendenti jibqa' ċatt fuq il-wiċċ ta 'l-ilma, filwaqt li l-graphene freestanding (li jżomm f'wiċċ l-ilma) jinżel u jkisser. Meta NGF ikun mgħaddas kompletament fl-ilma (ir-riżultati huma l-istess għal NGF mhux maħdum u ċatt), it-truf tiegħu jitgħawweġ (Figura SI4). Fil-każ ta 'immersjoni sħiħa, huwa mistenni li l-enerġija ta' interazzjoni NGF-ilma hija kważi rduppjata (meta mqabbla ma 'NGF f'wiċċ l-ilma) u li t-truf tal-NGF jintewa biex iżommu angolu ta' kuntatt għoli (idrofobiċità). Aħna nemmnu li jistgħu jiġu żviluppati strateġiji biex jiġi evitat it-tidwir tat-truf tal-NGFs inkorporati. Approċċ wieħed huwa li jintużaw solventi mħallta biex jimmodulaw ir-reazzjoni tat-tixrib tal-film tal-grafita59.
It-trasferiment ta 'SLG għal diversi tipi ta' sottostrati permezz ta 'proċessi ta' trasferiment kimiku mxarrba ġie rrappurtat qabel. Huwa ġeneralment aċċettat li jeżistu forzi dgħajfin ta’ van der Waals bejn films u substrati tal-grafita/grafita (kemm jekk ikunu sottostrati riġidi bħal SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, pilastri Si22 u films tal-karbonju bizzilla30, 34 jew substrati flessibbli). bħal polyimide 37). Hawnhekk nassumu li l-interazzjonijiet tal-istess tip jippredominaw. Aħna ma osservajna l-ebda ħsara jew tqaxxir ta 'NGF għal kwalunkwe mis-sottostrati ppreżentati hawn waqt l-immaniġġjar mekkaniku (matul il-karatterizzazzjoni taħt vakwu u/jew kundizzjonijiet atmosferiċi jew waqt il-ħażna) (eż., Figura 2, SI7 u SI9). Barra minn hekk, aħna ma osservatx quċċata SiC fl-ispettru XPS C 1 s tal-livell tal-qalba tal-kampjun NGF / SiO2 / Si (Fig. 4). Dawn ir-riżultati jindikaw li m'hemm l-ebda rabta kimika bejn NGF u s-sottostrat fil-mira.
Fit-taqsima preċedenti, "Trasferiment mingħajr polimeri ta 'FS- u BS-NGF," aħna wrejna li NGF jista' jikber u jittrasferixxi fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil. Dawn l-FS-NGFs u l-BS-NGFs mhumiex identiċi f'termini ta 'ħruxija tal-wiċċ, li wassalna biex nesploraw l-aktar applikazzjonijiet adattati għal kull tip.
Meta wieħed iqis it-trasparenza u l-wiċċ lixx ta 'FS-NGF, studjajna l-istruttura lokali tiegħu, il-proprjetajiet ottiċi u elettriċi f'aktar dettall. L-istruttura u l-istruttura ta 'FS-NGF mingħajr trasferiment ta' polimeru kienu kkaratterizzati minn immaġini ta 'mikroskopija elettronika ta' trażmissjoni (TEM) u analiżi tal-mudell tad-diffrazzjoni tal-elettroni taż-żona magħżula (SAED). Ir-riżultati korrispondenti huma murija fil-Figura 5. Immaġini TEM planari ta 'ingrandiment baxx żvelat il-preżenza ta' reġjuni NGF u FLG b'karatteristiċi ta 'kuntrast ta' elettroni differenti, jiġifieri żoni jiskuraw u isbaħ, rispettivament (Fig. 5a). Il-film b'mod ġenerali juri integrità mekkanika tajba u stabbiltà bejn ir-reġjuni differenti ta 'NGF u FLG, b'koinċidenza tajba u mingħajr ħsara jew tiċrit, li kien ikkonfermat ukoll minn SEM (Figura 3) u studji TEM ta' ingrandiment għoli (Figura 5c-e). B'mod partikolari, fil-Figura 5d turi l-istruttura tal-pont fl-akbar parti tagħha (il-pożizzjoni mmarkata bil-vleġġa bit-tikek iswed fil-Figura 5d), li hija kkaratterizzata minn forma trijangolari u tikkonsisti minn saff tal-graffen b'wisa 'ta' madwar 51 . Il-kompożizzjoni bi spazjar interplanari ta '0.33 ± 0.01 nm titnaqqas aktar għal diversi saffi ta' graphene fl-iktar reġjun dejjaq (tarf tal-vleġġa sewda solida fil-Figura 5 d).
Immaġini TEM planari ta 'kampjun NiAG ħieles mill-polimer fuq grilja tar-ram bizzilla tal-karbonju: (a, b) Immaġini TEM ta' ingrandiment baxx inklużi reġjuni NGF u FLG, (ce) Immaġini ta 'ingrandiment għoli ta' diversi reġjuni fil-pannell-a u l-pannell-b huma vleġeġ immarkati tal-istess kulur. Vleġeġ ħodor fil-pannelli a u ċ jindikaw żoni ċirkolari ta 'ħsara waqt l-allinjament tar-raġġ. (f–i) Fil-pannelli a sa c, mudelli SAED f'reġjuni differenti huma indikati b'ċrieki blu, cyan, oranġjo u ħomor, rispettivament.
L-istruttura taż-żigarella fil-Figura 5c turi (immarkata bil-vleġġa ħamra) l-orjentazzjoni vertikali tal-pjani tal-kannizzata tal-grafita, li tista 'tkun dovuta għall-formazzjoni ta' nanofolds tul il-film (daħla fil-Figura 5c) minħabba stress shear żejjed mhux ikkumpensat30,61,62 . Taħt TEM b'riżoluzzjoni għolja, dawn in-nanofolds 30 juru orjentazzjoni kristallografika differenti mill-bqija tar-reġjun NGF; il-pjani bażali tal-kannizzata tal-grafita huma orjentati kważi vertikalment, aktar milli orizzontalment bħall-bqija tal-film (daħla fil-Figura 5c). Bl-istess mod, ir-reġjun FLG okkażjonalment juri jingħalaq lineari u dojoq simili għal faxxa (immarkati minn vleġeġ blu), li jidhru b'ingrandiment baxx u medju f'Figuri 5b, 5e, rispettivament. Id-daħla fil-Figura 5e tikkonferma l-preżenza ta 'saffi ta' grafen b'żewġ u tliet saffi fis-settur FLG (distanza interplanari 0.33 ± 0.01 nm), li hija fi qbil tajjeb mar-riżultati preċedenti tagħna30. Barra minn hekk, immaġini SEM irreġistrati ta 'NGF ħieles mill-polimeru trasferiti fuq grilji tar-ram b'films tal-karbonju bizzilla (wara li twettaq kejl TEM ta' viżjoni ta 'fuq) huma murija fil-Figura SI9. Ir-reġjun FLG sospiż sew (immarkat bil-vleġġa blu) u r-reġjun miksur fil-Figura SI9f. Il-vleġġa blu (fit-tarf tal-NGF trasferit) hija ppreżentata intenzjonalment biex turi li r-reġjun FLG jista 'jirreżisti l-proċess ta' trasferiment mingħajr polimeru. Fil-qosor, dawn l-immaġini jikkonfermaw li NGF parzjalment sospiż (inkluż ir-reġjun FLG) iżomm l-integrità mekkanika anke wara tqandil rigoruż u espożizzjoni għal vakwu għoli waqt kejl TEM u SEM (Figura SI9).
Minħabba l-flatness eċċellenti ta 'NGF (ara l-Figura 5a), mhuwiex diffiċli li jorjentaw il-qxur tul l-assi tad-dominju [0001] biex tanalizza l-istruttura SAED. Skont il-ħxuna lokali tal-film u l-post tiegħu, ġew identifikati diversi reġjuni ta 'interess (12-il punt) għal studji tad-diffrazzjoni tal-elettroni. Fil-Figuri 5a–c, erba' minn dawn ir-reġjuni tipiċi huma murija u mmarkati b'ċrieki ikkuluriti (kodifikati blu, cyan, oranġjo u aħmar). Figuri 2 u 3 għall-modalità SAED. Il-Figuri 5f u g inkisbu mir-reġjun FLG muri fil-Figuri 5 u 5. Kif muri fil-Figuri 5b u c, rispettivament. Għandhom struttura eżagonali simili għall-graffen mibrum63. B'mod partikolari, il-Figura 5f turi tliet mudelli sovraposti bl-istess orjentazzjoni tal-assi taż-żona [0001], imdawra b'10 ° u 20 °, kif muri mid-diskrepanza angolari tat-tliet pari ta 'riflessjonijiet (10-10). Bl-istess mod, il-Figura 5g turi żewġ mudelli eżagonali sovraposti mdawra b'20 °. Żewġ jew tliet gruppi ta 'mudelli eżagonali fir-reġjun FLG jistgħu jinqalgħu minn tliet saffi ta' graphene fil-pjan jew barra mill-pjan 33 imdawwar relattivi għal xulxin. B'kuntrast, il-mudelli tad-diffrazzjoni tal-elettroni f'Figura 5h,i (li jikkorrispondu mar-reġjun NGF muri fil-Figura 5a) juru mudell wieħed [0001] b'intensità ġenerali ta 'diffrazzjoni punt ogħla, li tikkorrispondi għal ħxuna tal-materjal akbar. Dawn il-mudelli SAED jikkorrispondu għal struttura grafitika eħxen u orjentazzjoni intermedja minn FLG, kif dedott mill-indiċi 64. Il-karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet kristallini ta 'NGF żvelat il-koeżistenza ta' żewġ jew tliet kristalli tal-grafita (jew graphene) sovraposti. Dak li huwa partikolarment notevoli fir-reġjun FLG huwa li l-kristalliti għandhom ċertu grad ta 'orjentazzjoni ħażina fil-pjan jew barra mill-pjan. Partiċelli/saffi tal-grafita b'angoli ta' rotazzjoni fil-pjan ta' 17°, 22° u 25° ġew irrappurtati qabel għal NGF imkabbar fuq films Ni 64. Il-valuri ta 'l-angolu ta' rotazzjoni osservati f'dan l-istudju huma konsistenti ma 'angoli ta' rotazzjoni osservati preċedentement (± 1 °) għal grafen BLG63 mibrum.
Il-proprjetajiet elettriċi ta 'NGF/SiO2/Si tkejlu f'300 K fuq żona ta' 10 × 3 mm2. Il-valuri tal-konċentrazzjoni tal-ġarrier tal-elettroni, il-mobilità u l-konduttività huma 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 u 2000 S-cm-1, rispettivament. Il-valuri tal-mobilità u l-konduttività tal-NGF tagħna huma simili għall-grafita naturali2 u ogħla mill-grafita pirolitika orjentata ħafna disponibbli kummerċjalment (prodotta fi 3000 °C)29. Il-valuri osservati tal-konċentrazzjoni tal-ġarrier tal-elettroni huma żewġ ordnijiet ta 'kobor ogħla minn dawk irrappurtati reċentement (7.25 × 10 cm-3) għal films tal-grafita ta' mikron ħoxnin ippreparati bl-użu ta 'folji ta' polyimide b'temperatura għolja (3200 °C) 20 .
Aħna wettaqna wkoll kejl ta 'trasmittanza UV-viżibbli fuq FS-NGF trasferiti għal substrati tal-kwarz (Figura 6). L-ispettru li jirriżulta juri trażmissjoni kważi kostanti ta '62% fil-medda 350-800 nm, li jindika li NGF huwa trasluċidi għad-dawl viżibbli. Fil-fatt, l-isem "KAUST" jista 'jidher fir-ritratt diġitali tal-kampjun fil-Figura 6b. Għalkemm l-istruttura nanokristallina ta 'NGF hija differenti minn dik ta' SLG, in-numru ta 'saffi jista' jiġi stmat bejn wieħed u ieħor billi tuża r-regola ta 'telf ta' trasmissjoni ta '2.3% għal kull saff addizzjonali65. Skont din ir-relazzjoni, in-numru ta 'saffi ta' graphene b'telf ta 'trażmissjoni ta' 38% huwa 21. L-NGF imkabbar jikkonsisti prinċipalment minn 300 saff ta 'grafene, jiġifieri madwar 100 nm ħxuna (Fig. 1, SI5 u SI7). Għalhekk, nassumu li t-trasparenza ottika osservata tikkorrispondi għar-reġjuni FLG u MLG, peress li huma mqassma fil-film kollu (Figuri 1, 3, 5 u 6c). Minbarra d-dejta strutturali ta 'hawn fuq, il-konduttività u t-trasparenza jikkonfermaw ukoll il-kwalità kristallina għolja tal-NGF trasferit.
(a) Kejl tat-trasmittanza UV-viżibbli, (b) trasferiment tipiku ta' NGF fuq kwarz bl-użu ta' kampjun rappreżentattiv. (c) Skematika ta 'NGF (kaxxa skura) b'reġjuni FLG u MLG imqassma b'mod uniformi mmarkati bħala forom każwali griżi matul il-kampjun (ara Figura 1) (madwar 0.1-3% żona għal kull 100 μm2). Il-forom każwali u d-daqsijiet tagħhom fid-dijagramma huma għal skopijiet illustrattivi biss u ma jikkorrispondux maż-żoni attwali.
NGF trasluċidu mkabbar minn CVD qabel ġie trasferit għal uċuħ vojta tas-silikon u użat fiċ-ċelloli solari15,16. L-effiċjenza tal-konverżjoni tal-enerġija li tirriżulta (PCE) hija 1.5%. Dawn l-NGFs iwettqu funzjonijiet multipli bħal saffi ta 'komposti attivi, mogħdijiet ta' trasport ta 'ċarġ, u elettrodi trasparenti15,16. Madankollu, il-film tal-grafita mhuwiex uniformi. Ottimizzazzjoni ulterjuri hija meħtieġa billi tikkontrolla bir-reqqa r-reżistenza tal-folja u t-trażmissjoni ottika tal-elettrodu tal-grafita, peress li dawn iż-żewġ proprjetajiet għandhom rwol importanti fid-determinazzjoni tal-valur PCE taċ-ċellula solari15,16. Tipikament, films graphene huma 97.7% trasparenti għad-dawl viżibbli, iżda għandhom reżistenza folja ta '200-3000 ohms/sq.16. Ir-reżistenza tal-wiċċ tal-films tal-graffen tista 'titnaqqas billi jiżdied in-numru ta' saffi (trasferiment multiplu ta 'saffi tal-grafin) u doping b'HNO3 (~ 30 Ohm/sq.)66. Madankollu, dan il-proċess jieħu żmien twil u s-saffi ta 'trasferiment differenti mhux dejjem iżommu kuntatt tajjeb. Il-ġenb ta 'quddiem tagħna NGF għandu proprjetajiet bħal konduttività 2000 S / ċm, reżistenza tal-folja tal-film 50 ohm / sq. u trasparenza ta' 62%, li tagħmilha alternattiva vijabbli għal kanali konduttivi jew kontro elettrodi fiċ-ċelloli solari15,16.
Għalkemm l-istruttura u l-kimika tal-wiċċ ta 'BS-NGF huma simili għal FS-NGF, il-ħruxija tagħha hija differenti ("Tkabbir ta' FS- u BS-NGF"). Preċedentement, użajna film ultra-rqiq graphite22 bħala sensor tal-gass. Għalhekk, aħna ttestjajna l-fattibilità li nużaw BS-NGF għal kompiti ta 'sensing tal-gass (Figura SI10). L-ewwel, porzjonijiet ta 'daqs mm2 ta' BS-NGF ġew trasferiti fuq iċ-ċippa tas-sensorju tal-elettrodu interdigitating (Figura SI10a-c). Id-dettalji tal-manifattura taċ-ċippa kienu rrappurtati qabel; iż-żona sensittiva attiva tagħha hija 9 mm267. Fl-immaġini SEM (Figura SI10b u c), l-elettrodu tad-deheb sottostanti huwa viżibbli b'mod ċar permezz tal-NGF. Għal darb'oħra, wieħed jista' jara li nkisbet kopertura uniformi taċ-ċippa għall-kampjuni kollha. Ġew irreġistrati kejl tas-sensuri tal-gass ta 'diversi gassijiet (Fig. SI10d) (Fig. SI11) u r-rati ta' rispons li jirriżultaw huma murija fil-Fig. SI10g. Probabbli ma 'gassijiet oħra li jinterferixxu inklużi SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) u NH3 (200 ppm). Kawża waħda possibbli hija NO2. natura elettrofilika tal-gass22,68. Meta adsorbita fuq il-wiċċ tal-graphene, inaqqas l-assorbiment attwali ta 'elettroni mis-sistema. Tqabbil tad-dejta tal-ħin tar-rispons tas-sensor BS-NGF ma 'sensors ippubblikati qabel huwa ppreżentat fit-Tabella SI2. Il-mekkaniżmu għar-riattivazzjoni tas-sensuri NGF bl-użu ta’ plażma UV, plażma O3 jew trattament termali (50–150°C) ta’ kampjuni esposti għadu għaddej, idealment segwit mill-implimentazzjoni ta’ sistemi inkorporati69.
Matul il-proċess CVD, it-tkabbir tal-graffen iseħħ fuq iż-żewġ naħat tas-sottostrat tal-katalizzatur41. Madankollu, il-BS-graphene normalment jiġi ejected matul il-proċess tat-trasferiment41. F'dan l-istudju, aħna nuru li t-tkabbir ta 'NGF ta' kwalità għolja u t-trasferiment ta 'NGF mingħajr polimeri jistgħu jinkisbu fuq iż-żewġ naħat tal-appoġġ tal-katalizzatur. BS-NGF huwa irqaq (~ 80 nm) minn FS-NGF (~ 100 nm), u din id-differenza hija spjegata mill-fatt li BS-Ni mhuwiex espost direttament għall-fluss tal-gass prekursur. Sibna wkoll li l-ħruxija tas-sottostrat NiAR tinfluwenza l-ħruxija tal-NGF. Dawn ir-riżultati jindikaw li l-FS-NGF planari mkabbra jista 'jintuża bħala materjal prekursur għall-grafin (bil-metodu ta' tqaxxir70) jew bħala kanal konduttiv fiċ-ċelloli solari15,16. B'kuntrast, BS-NGF se jintuża għall-iskoperta tal-gass (Fig. SI9) u possibilment għal sistemi ta 'ħażna tal-enerġija71,72 fejn il-ħruxija tal-wiċċ tagħha tkun utli.
Meta wieħed iqis dan ta 'hawn fuq, huwa utli li tgħaqqad ix-xogħol attwali ma' films tal-grafita ppubblikati qabel imkabbra minn CVD u bl-użu ta 'fojl tan-nikil. Kif jidher fit-Tabella 2, il-pressjonijiet ogħla li użajna qassru l-ħin ta 'reazzjoni (stadju ta' tkabbir) anke f'temperaturi relattivament baxxi (fil-medda ta '850-1300 °C). Ksibna wkoll tkabbir akbar mis-soltu, li jindika potenzjal għal espansjoni. Hemm fatturi oħra li għandek tikkonsidra, li wħud minnhom inkludejna fit-tabella.
NGF ta 'kwalità għolja b'żewġ naħat tkabbar fuq fojl tan-nikil permezz ta' CVD katalitiku. Billi neliminaw sottostrati tal-polimeru tradizzjonali (bħal dawk użati fil-grafene CVD), niksbu trasferiment imxarrab nadif u mingħajr difetti ta 'NGF (imkabbar fuq in-naħa ta' wara u ta 'quddiem tal-fojl tan-nikil) għal varjetà ta' sottostrati kritiċi għall-proċess. Notevolment, NGF jinkludi reġjuni FLG u MLG (tipikament 0.1% sa 3% għal kull 100 µm2) li huma strutturalment integrati tajjeb fil-film eħxen. Planar TEM juri li dawn ir-reġjuni huma komposti minn munzelli ta 'żewġ sa tliet partiċelli tal-grafita/grafene (kristalli jew saffi, rispettivament), li wħud minnhom għandhom nuqqas ta' qbil rotazzjonali ta '10-20 °. Ir-reġjuni FLG u MLG huma responsabbli għat-trasparenza tal-FS-NGF għad-dawl viżibbli. Fir-rigward tal-folji ta 'wara, jistgħu jinġarru paralleli mal-folji ta' quddiem u, kif muri, jista 'jkollhom skop funzjonali (per eżempju, għall-iskoperta tal-gass). Dawn l-istudji huma utli ħafna biex jitnaqqsu l-iskart u l-ispejjeż fi proċessi ta’ CVD fuq skala industrijali.
B'mod ġenerali, il-ħxuna medja ta 'CVD NGF tinsab bejn il-grafita (b'saffi baxxi u b'ħafna saffi) u folji tal-grafita industrijali (mikrometru). Il-firxa tal-proprjetajiet interessanti tagħhom, flimkien mal-metodu sempliċi li żviluppajna għall-produzzjoni u t-trasport tagħhom, tagħmel dawn il-films partikolarment adattati għal applikazzjonijiet li jeħtieġu r-rispons funzjonali tal-grafita, mingħajr l-ispiża tal-proċessi ta 'produzzjoni industrijali li jużaw ħafna enerġija bħalissa.
Fojl tan-nikil ħoxna ta '25 μm (purità ta' 99.5%, Goodfellow) ġie installat f'reattur CVD kummerċjali (Aixtron 4-inch BMPro). Is-sistema ġiet imnaddaf bl-argon u evakwata għal pressjoni bażi ta '10-3 mbar. Imbagħad tqiegħed fojl tan-nikil. f'Ar/H2 (Wara ttemprar minn qabel il-fojl Ni għal 5 min, il-fojl ġie espost għal pressjoni ta '500 mbar f'900 °C. NGF ġie depożitat f'fluss ta' CH4/H2 (100 cm3 kull wieħed) għal 5 min. Il-kampjun imbagħad tkessaħ għal temperatura taħt 700 °C bl-użu ta 'fluss ta' Ar (4000 cm3) f'40 °C/min Dettalji dwar l-ottimizzazzjoni tal-proċess ta 'tkabbir NGF huma deskritti band'oħra30.
Il-morfoloġija tal-wiċċ tal-kampjun ġiet viżwalizzata permezz ta 'SEM bl-użu ta' mikroskopju Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Il-ħruxija tal-wiċċ tal-kampjun u l-ħxuna NGF ġew imkejla bl-użu ta 'AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Kejlijiet TEM u SAED twettqu bl-użu ta 'mikroskopju FEI Titan 80–300 Cubed mgħammar b'kanun ta' emissjoni ta 'kamp ta' luminożità għolja (300 kV), monokromatur tat-tip FEI Wien u korrettur ta 'aberrazzjoni sferika tal-lenti CEOS biex jinkisbu r-riżultati finali. riżoluzzjoni spazjali 0.09 nm. Kampjuni NGF ġew trasferiti għal grilji tar-ram miksija bil-lacy tal-karbonju għal immaġini TEM ċatti u analiżi tal-istruttura SAED. Għalhekk, ħafna mill-floks tal-kampjun huma sospiżi fil-pori tal-membrana ta 'appoġġ. Kampjuni ta' NGF trasferiti ġew analizzati permezz ta' XRD. Mudelli ta 'diffrazzjoni tar-raġġi X inkisbu bl-użu ta' diffractometer tat-trab (Brucker, D2 phase shifter b'sors Cu Kα, 1.5418 Å u detector LYNXEYE) bl-użu ta 'sors ta' radjazzjoni Cu b'dijametru tal-post tar-raġġ ta '3 mm.
Diversi kejl tal-punt Raman ġew irreġistrati bl-użu ta 'mikroskopju konfokali li jintegra (Alpha 300 RA, WITeC). Intuża laser 532 nm b'qawwa ta 'eċitazzjoni baxxa (25%) biex jiġu evitati effetti indotti termalment. L-ispettroskopija tal-fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) twettqet fuq spettrometru Kratos Axis Ultra fuq żona ta’ kampjun ta’ 300 × 700 μm2 bl-użu ta’ radjazzjoni monokromatika Al Kα (hν = 1486.6 eV) b’qawwa ta’ 150 W. Inkisbu spettri ta’ riżoluzzjoni f’ enerġiji ta' trażmissjoni ta' 160 eV u 20 eV, rispettivament. Kampjuni NGF trasferiti fuq SiO2 inqatgħu f'biċċiet (3 × 10 mm2 kull wieħed) bl-użu ta 'laser tal-fibra tal-itterbju PLS6MW (1.06 μm) f'30 W. Il-kuntatti tal-wajer tar-ram (50 μm ħxuna) ġew iffabbrikati bl-użu ta' pejst tal-fidda taħt mikroskopju ottiku. It-trasport elettriku u l-esperimenti tal-effett Hall twettqu fuq dawn il-kampjuni f'300 K u varjazzjoni tal-kamp manjetiku ta '± 9 Tesla f'sistema ta' kejl tal-proprjetajiet fiżiċi (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Spettri UV-vis trażmessi ġew irreġistrati bl-użu ta 'spettrofotometru Lambda 950 UV-vis fil-medda NGF 350-800 nm trasferiti għal substrati tal-kwarz u kampjuni ta' referenza tal-kwarz.
Is-sensorju tar-reżistenza kimika (ċippa ta 'l-elettrodu interdiġitat) kien fili ma' bord ta 'ċirkwit stampat personalizzat 73 u r-reżistenza ġiet estratta b'mod temporanju. Il-bord taċ-ċirkwit stampat li fuqu jinsab l-apparat huwa mqabbad mat-terminali tal-kuntatt u mqiegħed ġewwa l-kamra tas-sensing tal-gass 74. Ittieħdu kejl tar-reżistenza f'vultaġġ ta '1 V bi skan kontinwu minn tindif għal espożizzjoni tal-gass u mbagħad tindif mill-ġdid. Il-kamra kienet inizjalment imnaddfa billi tnaddaf bin-nitroġenu f'200 cm3 għal siegħa biex tiġi żgurata t-tneħħija ta 'l-analiti l-oħra kollha preżenti fil-kamra, inkluża l-umdità. L-analiti individwali mbagħad ġew rilaxxati bil-mod fil-kamra bl-istess rata ta 'fluss ta' 200 cm3 billi għalaq iċ-ċilindru N2.
Verżjoni riveduta ta’ dan l-artikolu ġiet ippubblikata u tista’ tiġi aċċessata permezz tal-link fil-quċċata tal-artiklu.
Inagaki, M. u Kang, F. Xjenza u Inġinerija tal-Materjali tal-Karbonju: Fundamenti. It-tieni edizzjoni editjata. 2014. 542.
Pearson, HO Manwal tal-Karbonju, Graphite, Diamond u Fullerenes: Proprjetajiet, Ipproċessar u Applikazzjonijiet. L-ewwel edizzjoni ġiet editjata. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Films tal-grafita/grafita b'ħafna saffi ta 'żona kbira bħala elettrodi konduttivi irqaq trasparenti. applikazzjoni. fiżika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Proprjetajiet termali tal-grafin u materjali tal-karbonju nanostrutturati. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW u Cahill DG Konduttività termali ta 'films tal-grafita mkabbra fuq Ni (111) b'depożizzjoni ta' fwar kimiku f'temperatura baxxa. avverbju. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Tkabbir kontinwu ta 'films tal-grafin permezz ta' depożizzjoni kimika tal-fwar. applikazzjoni. fiżika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Ħin tal-post: Awissu-23-2024