Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясы чектелген CSS колдоосуна ээ. Мыкты натыйжаларга жетишүү үчүн, браузериңиздин жаңыраак версиясын колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerдеги Шайкештик режимин өчүрүү). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн биз сайтты стилдөөсүз же JavaScriptсиз көрсөтүп жатабыз.
Наноөлчөмдүү графит пленкалар (NGFs) каталитикалык химиялык бууларды жайгаштыруу жолу менен өндүрүлө турган бышык наноматериалдар, бирок алардын оңой берилиши жана жер бетинин морфологиясы аларды кийинки муундагы түзмөктөрдө колдонууга кандай таасир этээри тууралуу суроолор бойдон калууда. Бул жерде биз поликристаллдуу никель фольгасынын эки тарабында (аянты 55 см2, калыңдыгы болжол менен 100 нм) жана анын полимерсиз өтүшүн (алдыңкы жана арткы, аянты 6 см2ге чейин) NGFтин өсүшүн билдиребиз. Катализатор фольгасынын морфологиясына байланыштуу эки көмүртек пленкасы физикалык касиеттери жана башка мүнөздөмөлөрү боюнча (мисалы, беттин тегиздиги) айырмаланат. Биз арткы жагы оройраак болгон NGFs NO2 аныктоо үчүн жакшы ылайыктуу экенин көрсөтүп жатабыз, ал эми алдыңкы бетиндеги жылмакай жана өткөргүч NGFs (2000 S/см, барактын каршылыгы – 50 Ом/м2) жашоого жөндөмдүү өткөргүчтөр болушу мүмкүн. күн батареясынын каналы же электрод (анткени ал көрүнгөн жарыктын 62% өткөрөт). Жалпысынан, сүрөттөлгөн өсүү жана транспорт процесстери NGFди графен жана микрон калың графит пленкалар ылайыктуу болбогон технологиялык колдонмолор үчүн альтернативалуу көмүртек материалы катары ишке ашырууга жардам берет.
Графит - кеңири колдонулган өнөр жай материалы. Белгилей кетчү нерсе, графит салыштырмалуу аз масса тыгыздыгы жана жогорку тегиздиктеги жылуулук жана электр өткөргүчтүк касиетке ээ жана катаал жылуулук жана химиялык чөйрөдө абдан туруктуу болот1,2. Flake графит графен изилдөө үчүн белгилүү баштапкы материал болуп саналат3. Жука пленкаларга иштетилгенде, ал көптөгөн колдонмолордо, анын ичинде смартфондор4,5,6,7 сыяктуу электрондук түзүлүштөр үчүн жылуулук раковиналарда, сенсорлордо8,9,10 активдүү материал катары жана электромагниттик тоскоолдуктардан коргоо11 үчүн колдонулушу мүмкүн. 12 жана экстремалдык ультрафиолеттерде литография үчүн пленкалар13,14, күн батареяларында өткөрүүчү каналдар15,16. Бул колдонмолордун бардыгы үчүн, калыңдыгы <100 нмде контролдонуучу графит пленкаларынын (NGFs) чоң аймактары оңой өндүрүлүп, ташылып кетсе, бул олуттуу артыкчылык болмок.
Графит пленкалар ар кандай ыкмалар менен өндүрүлөт. Бир учурда графен кабыктарын өндүрүү үчүн кыстаруу жана кеңейтүү, андан кийин эксфолиация колдонулган10,11,17. Кабырчактар талап кылынган калыңдыктагы пленкаларга кайра иштетилиши керек жана жыш графит барактарын чыгаруу үчүн көп учурда бир нече күн талап кылынат. Дагы бир ыкма - графикалык катуу прекурсорлордон баштоо. Өнөр жайда полимерлердин барактары карбондалат (1000–1500°С), андан кийин графиттештирилет (2800–3200°С) жакшы структураланган катмарлуу материалдарды пайда кылат. Бул пленкалардын сапаты жогору болсо да, энергия керектөө олуттуу1,18,19 жана минималдуу калыңдыгы бир нече микрон менен чектелген1,18,19,20.
Каталитикалык химиялык бууларды жайгаштыруу (CVD) жогорку структуралык сапаты жана акылга сыярлык баасы21,22,23,24,25,26,27 менен графен жана ультра ичке графит пленкаларын (<10 нм) өндүрүүнүн белгилүү ыкмасы. Бирок, графен жана ультра ичке графит пленкаларынын28 өсүшү менен салыштырганда, CVD аркылуу NGFтин чоң аянтынын өсүшү жана/же колдонулушу дагы азыраак изилденген11,13,29,30,31,32,33.
CVD менен өстүрүлгөн графен жана графит пленкаларын көбүнчө функционалдык субстраттарга өткөрүп берүү керек34. Бул жука пленка трансферлери эки негизги ыкманы камтыйт35: (1) жок таштоо36,37 жана (2) этч негизиндеги нымдуу химиялык которуу (субстрат колдоого алынган)14,34,38. Ар бир методдун кээ бир артыкчылыктары жана кемчиликтери бар жана башка жерде сүрөттөлгөндөй, арналган колдонууга жараша тандалышы керек35,39. Каталитикалык субстраттарда өстүрүлгөн графен/графит пленкалар үчүн нымдуу химиялык процесстер аркылуу өткөрүү (алардын ичинен полиметилметакрилат (PMMA) эң көп колдонулган колдоо катмары) биринчи тандоо бойдон калууда13,30,34,38,40,41,42. Сиз жана башкалар. NGF өткөрүп берүү үчүн эч кандай полимер колдонулбаганы айтылды (үлгүнүн көлөмү болжол менен 4 см2)25,43, бирок үлгүнүн туруктуулугу жана/же өткөрүп берүү учурунда иштөө боюнча эч кандай маалымат берилген эмес; Полимерлерди колдонуу менен нымдуу химиялык процесстер бир нече этаптан турат, анын ичинде курмандык полимер катмарын колдонуу жана андан кийин алып салуу30,38,40,41,42. Бул процесстин кемчиликтери бар: мисалы, полимер калдыктары өскөн пленканын касиетин өзгөртө алат38. Кошумча иштетүү калдык полимерди жок кыла алат, бирок бул кошумча кадамдар пленканы өндүрүүнүн баасын жана убактысын көбөйтөт38,40. CVD өсүү учурунда графен катмары катализатор фольгасынын алдыңкы бетине гана эмес (буунун агымына караган тарабы), ошондой эле анын арткы жагына да түшөт. Бирок, акыркы калдык продукт болуп эсептелет жана тез жумшак плазма38,41 менен жок кылынышы мүмкүн. Бул тасманы кайра иштетүү, ал беттин көмүртек пленкасынан төмөн сапатта болсо да, түшүмдү жогорулатууга жардам берет.
Бул жерде биз CVD тарабынан поликристаллдуу никелден жасалган фольгада жогорку структуралык сапатка ээ NGFтин пластинкалуу эки жактуу өсүшүн даярдоону билдиребиз. Фольганын алдыңкы жана арткы бетинин оройлугу NGFтин морфологиясына жана структурасына кандай таасир этээри бааланган. Биз ошондой эле NGF никель фольгасынын эки тарабынан көп функционалдуу субстраттарга үнөмдүү жана экологиялык жактан таза полимерсиз өткөрүлүшүн көрсөтөбүз жана алдыңкы жана арткы пленкалар ар кандай колдонуу үчүн кандай ылайыктуу экенин көрсөтөбүз.
Төмөнкү бөлүмдөрдө графит пленкасынын калыңдыгы үйүлгөн графен катмарларынын санына жараша талкууланат: (i) бир катмарлуу графен (SLG, 1 катмар), (ii) бир нече катмарлуу графен (FLG, < 10 катмар), (iii) көп катмарлуу графен ( MLG, 10-30 катмар) жана (iv) NGF (~300 катмар). Акыркысы аянтынын пайызы менен көрсөтүлгөн эң кеңири таралган калыңдык (100 мкм2ге болжол менен 97% аянт)30. Ошондуктан бүт тасма жөн гана NGF деп аталат.
Графен жана графит пленкаларын синтездөө үчүн колдонулган поликристаллдуу никель фольгалары аларды даярдоонун жана андан кийин кайра иштетүүнүн натыйжасында ар кандай текстурага ээ. Биз жакында NGF30 өсүү процессин оптималдаштыруу боюнча изилдөө билдирди. Биз өсүү стадиясында күйдүрүү убактысы жана камеранын басымы сыяктуу процесстин параметрлери бирдей калыңдыктагы NGFs алууда маанилүү ролду ойноорун көрсөтөбүз. Бул жерде биз никелден жасалган фольганы жылмаланган алдыңкы (FS) жана жылтыратылбаган арткы (BS) беттеринде NGFтин өсүшүн дагы изилдедик (сүрөт 1а). FS жана BS үлгүлөрүнүн үч түрү изилденди, алар 1-таблицада келтирилген. Визуалдык текшерүүдөн кийин никель фольгасынын (NiAG) эки тарабында NGFтин бирдей өсүшү мүнөздүү металлдык күмүштөн негизги Ni субстратынын түсүнүн өзгөрүшүнөн көрүүгө болот. боздон жалтырабаган боз түскө чейин (1а-сүрөт); микроскопиялык өлчөөлөр ырасталды (сүрөт 1б, в). Жарык аймакта байкалган жана 1b-сүрөттө кызыл, көк жана кызгылт сары жебелер менен көрсөтүлгөн FS-NGFтин типтүү Раман спектри 1c-сүрөттө көрсөтүлгөн. Графиттин мүнөздүү Раман чокулары G (1683 см-1) жана 2D (2696 см-1) жогорку кристаллдык NGFтин өсүшүн тастыктайт (сүр. 1c, SI1 таблицасы). Бүткүл тасмада интенсивдүүлүк катышы (I2D/IG) ~0,3 болгон Раман спектрлеринин басымдуу болушу байкалган, ал эми I2D/IG = 0,8 болгон Раман спектрлери сейрек байкалган. Бүткүл пленкада дефекттүү чокулардын (D = 1350 см-1) жок болушу NGF өсүү сапатынын жогору экендигин көрсөтүп турат. Окшош Раман натыйжалары BS-NGF үлгүсүндө алынган (Figure SI1 a and b, Table SI1).
NiAG FS- жана BS-NGF салыштыруу: (a) NGF пластинка масштабында (55 см2) өсүшүн көрсөткөн типтүү NGF (NiAG) үлгүсүнүн сүрөтү жана натыйжада BS- жана FS-Ni фольга үлгүлөрү, (б) FS-NGF Оптикалык микроскоп менен алынган сүрөттөр/ Ni, (c) б панелиндеги ар кандай позицияларда жазылган типтүү Раман спектрлери, (d, f) FS-NGF/Ni боюнча ар кандай чоңойтуудагы SEM сүрөттөрү, (e, g) ар кандай чоңойтуудагы SEM сүрөттөрү BS -NGF/Ni орнотот. Көк жебе FLG аймагын, кызгылт сары жебе MLG аймагын (FLG аймагына жакын), кызыл жебе NGF аймагын, ал эми кызгылт жебе бүктөөнү көрсөтөт.
Өсүү баштапкы субстраттын калыңдыгына, кристалл өлчөмүнө, ориентациясына жана дан чектерине жараша болгондуктан, чоң аянттарда NGF калыңдыгын акылга сыярлык көзөмөлдөөгө жетишүү кыйынчылык бойдон калууда20,34,44. Бул изилдөөдө биз мурда жарыяланган мазмун колдонулган30. Бул процесс 100 μm230 үчүн 0,1ден 3%ке чейинки жарык аймакты жаратат. Кийинки бөлүмдөрдө биз аймактардын эки түрү боюнча жыйынтыктарды беребиз. Жогорку чоңойтуудагы SEM сүрөттөрү эки тарапта бир нече жаркыраган контрасттык аймактардын бар экенин көрсөтүп турат (сүрөт. 1f, g), FLG жана MLG аймактарынын бар экендигин көрсөтүүчү30,45. Бул ошондой эле Раман чачыратуу (сүрөт. 1c) жана TEM натыйжалары ("FS-NGF: структурасы жана касиеттери" бөлүмүндө кийинчерээк талкууланат) менен тастыкталган. FS- жана BS-NGF/Nи үлгүлөрүндө байкалган FLG жана MLG аймактары (Ni боюнча өстүрүлгөн алдыңкы жана арткы NGF) алдын ала күйүү учурунда пайда болгон чоң Ni(111) бүртүкчөлөрүндө өскөн болушу мүмкүн22,30,45. Эки тараптан бүктөлүү байкалган (1б-сүрөт, кызгылт көк жебелер менен белгиленген). Бул бүктөмөлөр көбүнчө графит менен никель субстратынын ортосундагы жылуулук кеңейүү коэффициентиндеги чоң айырмачылыктан улам CVD-өстүрүлгөн графен жана графит пленкаларында кездешет30,38.
AFM сүрөтү FS-NGF үлгүсү BS-NGF үлгүсүнө караганда жалпак экенин тастыктады (Figure SI1) (Figure SI2). FS-NGF/Ni (SI2c-сүрөт) жана BS-NGF/Ni (SI2d-сүрөт) түпкү орточо квадраттык (RMS) оройлук маанилери тиешелүүлүгүнө жараша 82 жана 200 нмди түзөт (20 × аянтка ченелген). 20 мкм2). Жогорку оройлукту никель (NiAR) фольгасынын кабыл алынган абалында беттик анализинин негизинде түшүнүүгө болот (SI3-сүрөт). FS жана BS-NiARдын SEM сүрөттөрү SI3a–d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн, ар кандай беттик морфологияларды көрсөтөт: жылмаланган FS-Ni фольгасында нано жана микрон өлчөмүндөгү сфералык бөлүкчөлөр бар, ал эми жылтыратылбаган BS-Ni фольгасы өндүрүш тепкичтерин көрсөтөт. жогорку күчкө ээ бөлүкчөлөр катары. жана төмөндөө. Тазаланган никель фольгасынын (NiA) төмөн жана жогорку резолюциядагы сүрөттөрү SI3e–h сүрөттө көрсөтүлгөн. Бул фигураларда биз никель фольгасынын эки тарабында бир нече микрон өлчөмүндөгү никель бөлүкчөлөрүнүн болушун байкай алабыз (SI3e–h сүрөт). Ири бүртүкчөлөр Ni(111) беттик багытка ээ болушу мүмкүн, мурда айтылгандай30,46. FS-NiA жана BS-NiA ортосунда никелден жасалган фольга морфологиясында олуттуу айырмачылыктар бар. BS-NGF/Ni жогорку оройлугу BS-NiARдын жылтыратылбаган бетине байланыштуу, анын бети күйдүрүүдөн кийин да олуттуу түрдө орой бойдон калууда (SI3-сүрөт). Өсүү процессине чейинки беттик мүнөздөмөнүн бул түрү графен жана графит пленкаларынын оройлугун көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берет. Белгилей кетчү нерсе, баштапкы субстрат графендин өсүшү учурунда бир аз дан реорганизациясына дуушар болгон, бул дандын өлчөмүн бир аз кичирейткен жана күйдүрүлгөн фольгага жана катализатор пленкасына салыштырмалуу субстраттын бетинин тегиздигин бир аз жогорулаткан.
Субстраттын бетинин тегиздигин, майдалоо убактысын (дандын өлчөмү) 30,47 жана релизди көзөмөлдөө43 так жөнгө салуу аймактык NGF калыңдыгынын µm2 жана/же nm2 масштабына чейин азайтууга жардам берет (б.а., калыңдыктын бир нече нанометрдик вариациялары). Субстраттын бетинин тегиздигин көзөмөлдөө үчүн, пайда болгон никель фольгасын электролиттик жылмалоо сыяктуу ыкмаларды кароого болот48. Алдын ала иштетилген никелден жасалган фольганы андан кийин төмөнкү температурада (< 900 °C) 46 жана убакытта (< 5 мин) чоң Ni(111) бүртүкчөлөрүнүн пайда болушуна жол бербөөгө болот (бул FLG өсүшү үчүн пайдалуу).
SLG жана FLG графен кислоталардын жана суунун беттик чыңалуусуна туруштук бере албайт, нымдуу химиялык трансфер процесстеринде механикалык колдоо катмарларын талап кылат22,34,38. Полимердик колдоого алынган бир катмарлуу графендин нымдуу химиялык өткөрүлүшүнөн айырмаланып, 2а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, өскөн NGFтин эки тарабы тең полимердик колдоосуз өткөрүлүшү мүмкүн экенин таптык (көбүрөөк маалымат үчүн SI4a сүрөтүн караңыз). NGF берилген субстратка өткөрүп берүү астындагы Ni30.49 пленкасынын нымдуу оюу менен башталат. Өстүрүлгөн NGF/Ni/NGF үлгүлөрү түнү бою 15 мл 70% HNO3 600 мл деионизацияланган (DI) суу менен суюлтулган. Ni фольгасы толугу менен эригенден кийин, FS-NGF жалпак бойдон калат жана суюктуктун бетинде NGF/Ni/NGF үлгүсүндөй калкып жүрөт, ал эми BS-NGF сууга чөмүлдү (2а,б-сүрөт). Андан кийин изоляцияланган NGF жаңы деионизацияланган суусу бар бир стакандан башка стаканга өткөрүлүп берилди жана обочолонгон NGF жакшылап жууп, ойгон айнек табак аркылуу төрт-алты жолу кайталанды. Акыр-аягы, FS-NGF жана BS-NGF каалаган субстрат (сүрөт. 2c) жайгаштырылган.
Никель фольгасында өстүрүлгөн NGF үчүн полимерсиз нымдуу химиялык өткөрүп берүү процесси: (a) Процесстин агымынын диаграммасы (толук маалымат алуу үчүн SI4 сүрөтүн караңыз), (б) Ni оюудан кийин бөлүнгөн NGFтин санарип сүрөтү (2 үлгү), (в) Мисал FS – жана BS-NGF SiO2/Si субстратына өткөрүү, (г) FS-NGF тунук эмес полимердик субстратка өткөрүү, (д) BS-NGF d панели менен бир эле үлгүдөн (эки бөлүккө бөлүнгөн), алтын менен капталган C кагазына өткөрүлөт жана Nafion (ийкемдүү тунук субстрат, кызыл бурчтары менен белгиленген четтери).
нымдуу химиялык берүү ыкмаларын колдонуу менен аткарылган SLG которуу 20-24 саат 38 жалпы иштетүү убактысын талап кылат экенин белгилешет. Бул жерде көрсөтүлгөн полимерсиз өткөрүп берүү техникасы менен (Figure SI4a), жалпы NGF өткөрүп иштетүү убактысы кыйла кыскарган (болжол менен 15 саат). Процесс төмөнкүлөрдөн турат: (1-кадам) Эттинг эритмесин даярдап, ага үлгүнү салыңыз (~10 мүнөт), андан кийин Ni-etching үчүн түнү менен күтүңүз (~7200 мүнөт), (2-кадам) Деионизацияланган суу менен чайкаңыз (3-кадам) . деионизацияланган сууда сактоо же максаттуу субстратка өткөрүү (20 мин). NGF менен көлөмдүү матрицанын ортосунда кармалып калган суу капиллярдык аракет менен (тазалоочу кагазды колдонуу менен) чыгарылат38, андан кийин калган суу тамчылары табигый кургатуу жолу менен жок кылынат (болжол менен 30 мүнөт), акырында үлгү 10 мүнөт кургатылат. мин вакуумдук меште (10–1 мбар) 50–90 °C (60 мин) 38.
Графит суунун жана абанын жетишээрлик жогорку температурада (≥ 200 °C) болушуна туруштук берери белгилүү 50,51,52. Биз үлгүлөрдү Раман спектроскопиясы, SEM жана XRD аркылуу бөлмө температурасында деионизацияланган сууда жана мөөр басылган бөтөлкөлөргө бир нече күндөн бир жылга чейин сактагандан кийин сынап көрдүк (SI4-сүрөт). Эч кандай байкаларлык деградация жок. Сүрөт 2c деионизацияланган сууда эркин турган FS-NGF жана BS-NGF көрсөтөт. 2c-сүрөттүн башында көрсөтүлгөндөй, биз аларды SiO2 (300 нм)/Si субстратында кармадык. Кошумча, 2d, e-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, үзгүлтүксүз NGF полимерлер (Nexolve жана Nafion компаниясынан Thermabright полиамид) жана алтын менен капталган көмүртек кагазы сыяктуу ар кандай субстраттарга өткөрүлүп берилиши мүмкүн. сүзүүчү FS-NGF жонокой максаттуу субстрат жайгаштырылган (сүрөт. 2c, г). Бирок, BS-NGF үлгүлөрү 3 см2ден чоңураак сууга толук чөмүлгөндө иштетүү кыйынга турду. Адатта, алар сууда тоголонуп баштаганда, этиятсыз мамиледен улам кээде эки же үч бөлүккө бөлүнүшөт (сүр. 2e). Жалпысынан алганда, биз PS- жана BS-NGF (6 см2 боюнча NGF/Ni/NGF өсүшү жок үзгүлтүксүз үзгүлтүксүз өткөрүп берүү) 6 жана 3 см2 аянтына чейинки үлгүлөр үчүн полимерсиз өткөрүп берүүгө жетише алдык. Калган чоң же кичине бөлүктөр каалаган субстратта (~1 мм2, SI4b сүрөтү, "FS-NGF: Түзүлүшү жана касиеттери (талкууланган)" сыяктуу жез торуна өткөрүлүп берилген үлгүнү караңыз (сүрөттө же ионизацияланган сууда оңой көрүүгө болот) "Структура жана касиеттери" астында) же келечекте колдонуу үчүн сактаңыз (SI4-сүрөт). Бул критерийдин негизинде биз NGF 98-99% га чейин түшүмдүүлүк менен калыбына келтирилиши мүмкүн деп эсептейбиз (өткөрүү үчүн өсүүдөн кийин).
Полимерсиз которуу үлгүлөрү деталдуу талдоого алынган. FS- жана BS-NGF/SiO2/Si (сүрөт 2c) оптикалык микроскопия (OM) жана SEM сүрөттөрү (сүр. SI5 жана 3-сүрөт) аркылуу алынган беттик морфологиялык мүнөздөмөлөр бул үлгүлөр микроскопсуз өткөрүлүп берилгендигин көрсөттү. Жаракалар, тешиктер же жайылып кеткен жерлер сыяктуу көрүнгөн структуралык бузулуулар. Өсүп жаткан NGF боюнча бүктөмөлөр (сүрөт 3b, г, кызгылт көк жебелер менен белгиленген) өткөрүп бергенден кийин бузулбай калган. FS- жана BS-NGFs экөө тең FLG аймактарынан турат (3-сүрөттө көк жебелер менен көрсөтүлгөн ачык аймактар). Таң калыштуусу, ультра ичке графит пленкаларын полимердик өткөрүп берүү учурунда байкалган бир нече бузулган аймактардан айырмаланып, NGFге туташтырылган бир нече микрон өлчөмүндөгү FLG жана MLG аймактары (3d-сүрөттө көк жебелер менен белгиленген) жаракаларсыз же үзүлүүлөрсүз өткөрүлүп берилди (3d-сүрөт) . 3). . Механикалык бүтүндүк, кийинчерээк талкуулангандай, кружевный-көмүртек жез торлоруна өткөрүлүп берилген NGFтин TEM жана SEM сүрөттөрү аркылуу тастыкталды ("FS-NGF: Түзүлүшү жана касиеттери"). Өткөрүлгөн BS-NGF/SiO2/Si FS-NGF/SiO2/Siге караганда одонораак жана SI6a жана b сүрөтүндө (20 × 20 мкм2) көрсөтүлгөндөй, тиешелүүлүгүнө жараша 140 нм жана 17 нм орточо мааниси бар. SiO2/Si субстратына которулган NGFтин RMS мааниси (RMS <2 нм) Niде өстүрүлгөн NGFге караганда кыйла төмөн (болжол менен 3 эсе), бул кошумча оройлук Ni бетине туура келиши мүмкүн экенин көрсөтүп турат. Мындан тышкары, FS- жана BS-NGF/SiO2/Si үлгүлөрүнүн четинде аткарылган AFM сүрөттөрү тиешелүүлүгүнө жараша 100 жана 80 нм NGF калыңдыгын көрсөттү (сүрөт. SI7). BS-NGF азыраак жоондугу бетине түздөн-түз прекурсордук газ дуушар болгон эмес, натыйжасы болушу мүмкүн.
SiO2/Si пластинасында полимерсиз которулган NGF (NiAG) (2c-сүрөттү караңыз): (a,b) которулган FS-NGFтин SEM сүрөттөрү: төмөн жана жогорку чоңойтуу (панелдеги кызгылт сары квадратка туура келет). типтүү аймактар) – а). (с, г) BS-NGF өткөрүлүп берилген SEM сүрөттөрү: төмөн жана жогорку чоңойтуу (с панелиндеги кызгылт сары квадрат менен көрсөтүлгөн типтүү аймакка туура келет). (е, е) өткөрүлүп берилген FS- жана BS-NGFs AFM сүрөттөрү. Көк жебе FLG аймагын көрсөтөт – ачык контраст, көгүш жебе – кара MLG контраст, кызыл жебе – кара контраст NGF аймагын, кызгылт жебе бүктөмдү билдирет.
Өстүрүлгөн жана которулган FS- жана BS-NGFs химиялык курамы рентгендик фотоэлектрондук спектроскопия (XPS) аркылуу талданды (4-сүрөт). Өнүккөн FS- жана BS-NGFs (NiAG) Ni субстратына (850 eV) туура келген өлчөнгөн спектрлерде алсыз чоку байкалды (сүрөт 4а, б). Өткөрүлгөн FS- жана BS-NGF/SiO2/Si өлчөнгөн спектрлеринде чокулар жок (сүрөт 4c; BS-NGF/SiO2/Si үчүн окшош натыйжалар көрсөтүлгөн эмес), бул өткөрүп бергенден кийин Ni калдыктары жок экенин көрсөтүп турат. . 4d–f сүрөттөрү FS-NGF/SiO2/Siнин C 1 s, O 1 s жана Si 2p энергетикалык деңгээлдеринин жогорку резолюциялуу спектрлерин көрсөтөт. Графиттин С 1 с байланыш энергиясы 284,4 эВ53,54. Графит чокуларынын сызыктуу формасы жалпысынан 4d54-сүрөттө көрсөтүлгөндөй асимметриялуу деп эсептелет. Жогорку чечилиштеги өзөктүк деңгээлдеги C 1 с спектри (сүрөт 4d) дагы таза өткөрүп берүүнү (б.а. полимер калдыктары жок) тастыктады, бул мурунку изилдөөлөргө38 дал келет. Жаңы өстүрүлгөн үлгүнүн (NiAG) жана өткөрүп бергенден кийинки C 1 s спектрлеринин сызыктарынын кеңдиги тиешелүүлүгүнө жараша 0,55 жана 0,62 эВ. Бул маанилер SLG (SiO2 субстратындагы SLG үчүн 0,49 eV)38 караганда жогору. Бирок, бул маанилер жогорку ориентацияланган пиролиттик графен үлгүлөрү үчүн (~ 0.75 eV) 53,54,55 үчүн мурда билдирилген сызыктардын кеңдигинен кичине, бул учурдагы материалда кемтик көмүртектүү жерлердин жоктугун көрсөтүп турат. C 1 s жана O 1 s жер деңгээлиндеги спектрлер да ийиндерине ээ эмес, бул жогорку резолюциядагы эң жогорку деконволюциянын зарылдыгын жокко чыгарат54. 291,1 эВ тегерегинде π → π* спутниктик чокусу бар, ал көбүнчө графит үлгүлөрүндө байкалат. Si 2p жана O 1s негизги деңгээл спектрлериндеги 103 eV жана 532,5 eV сигналдары (4e, f-сүрөттү караңыз) тиешелүүлүгүнө жараша SiO2 56 субстратына таандык. XPS беттик сезгич техника болуп саналат, ошондуктан NGF өткөрүүгө чейин жана андан кийин аныкталган Ni жана SiO2ге тиешелүү сигналдар FLG аймагынан келип чыгат деп болжолдонууда. Окшош натыйжалар өткөрүлүп берилген BS-NGF үлгүлөрү үчүн байкалган (көрсөтүлгөн эмес).
NiAG XPS натыйжалары: (ac) FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni жана которулган FS-NGF/SiO2/Si ар кандай элементардык атомдук курамдарды изилдөө спектрлери, тиешелүүлүгүнө жараша. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si үлгүсүнүн негизги деңгээли C 1 s, O 1s жана Si 2p жогорку резолюциялуу спектрлери.
Берилген NGF кристаллдарынын жалпы сапаты рентген нурларынын дифракциясы (XRD) аркылуу бааланган. Берилген FS- жана BS-NGF/SiO2/Sи типтүү XRD үлгүлөрү (сүрөт. SI8) графитке окшош 26,6° жана 54,7°де дифракциянын чокуларынын (0 0 0 2) жана (0 0 0 4) бар экендигин көрсөтөт. . Бул NGF жогорку кристаллдык сапатын тастыктайт жана берүү кадам кийин сакталат d = 0,335 нм аралык аралыкка туура келет. Дифракциянын чокусунун интенсивдүүлүгү (0 0 0 2) дифракциянын чокусунан (0 0 0 4) болжол менен 30 эсе көп, бул NGF кристаллдык тегиздиги үлгүнүн бети менен жакшы дал келгендигин көрсөтүп турат.
SEM, Raman спектроскопиясы, XPS жана XRD натыйжалары боюнча BS-NGF/Ni сапаты FS-NGF/Ni сапаты менен бирдей экени аныкталды, бирок анын квадраттык тегиздиги бир аз жогору болгон (SI2, SI5 фигуралары) жана SI7).
Калыңдыгы 200 нмге чейинки полимердик катмарлары бар SLGлер сууда сүзө алат. Бул орнотуу көбүнчө полимердик нымдуу химиялык өткөрүү процесстеринде колдонулат22,38. Графен жана графит гидрофоб (нымдуу бурч 80–90°) 57 . Графендин да, FLGдин да потенциалдык энергия беттери суунун бетинде каптал кыймылы үчүн потенциалдуу энергиясы аз (~1 кДж/моль) менен бир топ жалпак экени билдирилди58. Бирок, суунун графен жана үч катмарлуу графен менен эсептелген өз ара аракеттенүү энергиялары болжолдуу түрдө - 13 жана - 15 кДж/моль,58, бул суунун NGF (болжол менен 300 катмар) менен өз ара аракеттенүүсү графенге салыштырмалуу төмөн экенин көрсөтүп турат. Бул өз алдынча NGF суунун бетинде жалпак бойдон калуусунун, ал эми өз алдынча турган графендин (сууда калкып жүрүүчү) ийри-буйру болуп, талкаланышынын себептеринин бири болушу мүмкүн. NGF толугу менен сууга чөмүлгөндө (натыйжалар орой жана жалпак NGF үчүн бирдей), анын четтери ийилет (SI4-сүрөт). Толук чөмүлүү учурунда NGF-суунун өз ара аракеттенүү энергиясы дээрлик эки эсеге көбөйөт (сүзүүчү NGF менен салыштырганда) жана NGF четтери жогорку контакттык бурчун (гидрофобдук) сактоо үчүн бүктөлүшү күтүлүүдө. Биз стратегияларды кыналган NGF'лердин четтери бүйрөлүп калбаш үчүн иштеп чыгууга болот деп ишенебиз. Бир ыкма графит пленканын нымдоо реакциясын модуляциялоо үчүн аралаш эриткичтерди колдонуу болуп саналат59.
SLG нымдуу химиялык өткөрүп берүү процесстери аркылуу субстраттардын ар кандай түрлөрүнө өткөрүп берүү мурда кабарланган. Графен/графит пленкалары менен субстраттардын ортосунда алсыз ван дер Ваальс күчтөрү бар экендиги жалпы кабыл алынган (бул катуу субстраттар, мисалы SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si мамылары22 жана кружевный углевод пленкалары30, 34 же ийкемдүү субстраттар болобу) мисалы, полиимид 37). Бул жерде биз бир типтеги өз ара аракеттенүү үстөмдүк кылат деп ойлойбуз. Биз механикалык иштетүү учурунда (вакуум жана/же атмосфералык шарттарда же сактоо учурунда мүнөздөмө учурунда) бул жерде көрсөтүлгөн субстраттардын эч кандай бузулушун же кабыгын байкаган жокпуз (мисалы, 2-сүрөт, SI7 жана SI9). Мындан тышкары, биз NGF/SiO2/Si үлгүсүнүн негизги деңгээлинин XPS C 1 с спектринде SiC чокусун байкаган жокпуз (сүрөт. 4). Бул жыйынтыктар NGF жана максаттуу субстрат ортосунда эч кандай химиялык байланыш бар экенин көрсөтүп турат.
Мурунку бөлүмдө, "FS- жана BS-NGFтин полимерсиз өткөрүлүшү", биз NGF никель фольгасынын эки тарабында өсүп, өткөрүп бере аларын көрсөттүк. Бул FS-NGFs жана BS-NGFs беттик тегиздик жагынан окшош эмес, бул бизди ар бир түр үчүн эң ылайыктуу колдонмолорду изилдөөгө түрткү берди.
FS-NGF ачыктыгын жана жылмакай бетин эске алып, биз анын жергиликтүү түзүлүшүн, оптикалык жана электрдик касиеттерин кененирээк изилдедик. Полимерди өткөрүп бербестен FS-NGF түзүмү жана структурасы трансмиссиялык электрондук микроскопия (TEM) сүрөттөө жана тандалган аймактын электрондук дифракциясы (SAED) үлгүсүн талдоо менен мүнөздөлгөн. Тиешелүү жыйынтыктар 5-сүрөттө көрсөтүлгөн. Төмөн чоңойтулган планардык TEM сүрөттөө ар кандай электрондук контраст мүнөздөмөлөрү бар NGF жана FLG аймактарынын бар экендигин аныктады, башкача айтканда, тиешелүүлүгүнө жараша караңгы жана жарыкыраак аймактар (сүрөт 5a). Тасма жалпысынан NGF жана FLGнин ар кандай аймактарынын ортосундагы жакшы механикалык бүтүндүктү жана туруктуулукту көрсөтөт, жакшы бири-бирине дал келбеген жана эч кандай зыян келтирилбеген же жыртылбаган, бул SEM (3-сүрөт) жана жогорку чоңойтуудагы TEM изилдөөлөрү (Figure 5c-e) тарабынан тастыкталган. Атап айтканда, 5d-сүрөттө үч бурчтуу форма менен мүнөздөлгөн жана туурасы болжол менен 51 болгон графен катмарынан турган анын эң чоң бөлүгүндөгү көпүрө структурасы (5d-сүрөттө кара чекиттүү жебе менен белгиленген абал) көрсөтүлгөн. 0,33 ± 0,01 нм пландар аралык аралыгы менен курамы андан ары эң кууш аймакта графендин бир нече катмарына чейин кыскартылат (5 г-сүрөттөгү катуу кара жебенин аягы).
Көмүртектүү кружевный жез тордогу полимерсиз NiAG үлгүсүнүн тегиздик TEM сүрөтү: (a, b) Төмөн чоңойтуудагы TEM сүрөттөрү, анын ичинде NGF жана FLG аймактары, (ce) панел-а жана панел-бдеги ар кандай аймактардын жогорку чоңойтулган сүрөттөрү бирдей түстөгү жебелер. a жана c панелдериндеги жашыл жебелер нурду тегиздөө учурундагы зыяндын тегерек жерлерин көрсөтөт. (f–i) a-c панелдеринде ар кайсы аймактардагы SAED үлгүлөрү тиешелүүлүгүнө жараша көк, көгүш, кызгылт сары жана кызыл тегерекчелер менен көрсөтүлгөн.
5c-сүрөттөгү лента структурасы (кызыл жебе менен белгиленген) графит тор тегиздиктеринин вертикалдуу багытын көрсөтөт, бул ашыкча компенсацияланбаган жылышуу стрессинен улам пленканы бойлото (5c-сүрөттө салынган) нанобүктөлмөлөрдүн пайда болушуна байланыштуу болушу мүмкүн30,61,62 . Жогорку токтом TEM астында, бул nanofolds 30 NGF аймактын калган караганда башка crystallographic багыт көрсөтөт; графит торчосунун базалдык тегиздиктери пленканын калган бөлүгү сыяктуу горизонталдуу эмес, дээрлик вертикалдуу багытталган (5c-сүрөттө салынган). Ошо сыяктуу эле, FLG чөлкөмү маал-маалы менен сызыктуу жана тар тилке сымал бүктөмөлөрдү (көк жебелер менен белгиленген) көрсөтөт, алар тиешелүүлүгүнө жараша 5b, 5e сүрөттөрүндө төмөн жана орто чоңойтууда пайда болот. 5e-сүрөттөгү кыстарма FLG секторунда эки жана үч катмарлуу графен катмарларынын бар экендигин тастыктайт (план аралык аралык 0,33 ± 0,01 нм), бул биздин мурунку жыйынтыктарыбызга30 туура келет. Кошумчалай кетсек, полимерсиз NGFтин жазылган SEM сүрөттөрү кружевный көмүртек пленкалары менен жез торчолоруна өткөрүлүп берилген (жогорку көрүнүш TEM өлчөөлөрүн аткаргандан кийин) SI9-сүрөттө көрсөтүлгөн. SI9f-сүрөттө скважина токтотулган FLG аймагы (көк жебе менен белгиленген) жана сынган аймак. Көк жебе (өткөрүлгөн NGF четинде) FLG аймагы полимерсиз өткөрүп берүү процессине туруштук бере аларын көрсөтүү үчүн атайын берилген. Жыйынтыктап айтканда, бул сүрөттөр жарым-жартылай токтотулган NGF (анын ичинде FLG аймагы) TEM жана SEM өлчөөлөрү учурунда катуу кармагандан жана жогорку вакуумга дуушар болгондон кийин да механикалык бүтүндүгүн сактай турганын тастыктайт (Figure SI9).
NGFтин эң сонун тегиздигинен улам (5а-сүрөттү караңыз), SAED структурасын талдоо үчүн [0001] домен огу боюнча үлүштөрдү багыттоо кыйын эмес. Пленканын жергиликтүү калыңдыгына жана анын жайгашкан жерине жараша электрондук дифракцияны изилдөө үчүн кызыктырган бир нече аймактар (12 балл) аныкталган. 5a–c сүрөттөрүндө бул типтүү аймактардын төртөө түстүү тегерекчелер менен (көк, көгүш, кызгылт сары жана кызыл коддуу) көрсөтүлгөн жана белгиленген. SAED режими үчүн 2 жана 3-сүрөттөр. 5f жана g фигуралары 5 жана 5-сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн FLG аймагынан алынган. 5b жана с сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй. Алар ийилген графенге окшош алты бурчтуу түзүлүшкө ээ63. Атап айтканда, 5f-сүрөттө [0001] зонанын огунун 10° жана 20° га айланган бирдей багыты менен үстү-үстүнө түшүрүлгөн үч үлгү көрсөтүлгөн, мунун үч жуп (10-10) чагылуусунун бурчтук дал келбөөсү далилденген. Ошо сыяктуу эле, 5g-сүрөттө 20° га айланган эки алты бурчтуу схема көрсөтүлгөн. FLG аймагындагы алты бурчтуу моделдердин эки же үч тобу бири-бирине салыштырмалуу айланган үч тегиздиктеги же тегиздиктен тышкаркы графен катмарларынан 33 келип чыгышы мүмкүн. Ал эми, 5h,i-сүрөттөгү электрон дифракциясынын үлгүлөрү (5а-сүрөттө көрсөтүлгөн NGF аймагына туура келет) материалдын чоңураак калыңдыгына туура келген жалпы жогорку чекиттин дифракция интенсивдүүлүгү менен бирдиктүү [0001] үлгүсүн көрсөтөт. Бул SAED моделдери FLGге караганда коюураак графиттик түзүмгө жана ортоңку ориентацияга туура келет, 64 индекстен алынган. NGFтин кристаллдык касиеттеринин мүнөздөмөсү эки же үч капталган графиттин (же графендин) кристаллиттеринин чогуу жашашын аныктады. FLG чөлкөмүндө өзгөчө көңүл бурчу нерсе, кристаллиттер тегиздикте же тегиздиктен тышкаркы ориентациянын белгилүү даражасына ээ. 17°, 22° жана 25° тегиздиктеги айлануу бурчтары бар графит бөлүкчөлөрү/катмарлары мурда Ni 64 пленкаларында өстүрүлгөн NGF үчүн билдирилген. Бул изилдөөдө байкалган айлануу бурчунун маанилери бурулган BLG63 графенинин мурда байкалган айлануу бурчтарына (±1°) шайкеш келет.
NGF/SiO2/Siнин электрдик касиеттери 10×3 мм2 аянтта 300 К өлчөнгөн. Электрондук алып жүрүүчүнүн концентрациясынын, мобилдүүлүктүн жана өткөрүмдүүлүктүн маанилери тиешелүүлүгүнө жараша 1,6 × 1020 см-3, 220 см2 V-1 C-1 жана 2000 S-см-1. Биздин NGFтин мобилдүүлүк жана өткөргүчтүк баалуулуктары табигый графитке2 окшош жана коммерциялык жактан жеткиликтүү жогорку багытталган пиролиттик графиттен (3000 °Cде өндүрүлгөн)29 жогору. Электрондук алып жүрүүчүнүн байкалган концентрациясынын маанилери жогорку температурадагы (3200 °C) полиимиддик барактарды колдонуу менен даярдалган микрон калыңдыгы бар графит пленкалар үчүн жакында билдирилгенден (7,25 × 10 см-3) эки эсе жогору.
Биз ошондой эле кварц субстраттарына которулган FS-NGF боюнча UV-көрүнүүчү өткөрүмдүүлүк өлчөөлөрүн жүргүздүк (сүрөт 6). Алынган спектр 350–800 нм диапазондо 62% дээрлик туруктуу өткөрүмдүүлүктү көрсөтөт, бул NGF көзгө көрүнгөн жарыкка тунук экенин көрсөтүп турат. Чынында, "KAUST" аталышын 6б-сүрөттөгү үлгүнүн санариптик фотосүрөтүнөн көрүүгө болот. NGF нанокристаллдык структурасы SLG структурасынан айырмаланганы менен, катмарлардын санын кошумча катмарга 2,3% берүү жоготуу эрежеси менен болжолдуу түрдө эсептөөгө болот65. Бул байланышка ылайык, 38% өткөргүч жоготуу менен графен катмарларынын саны 21. Өстүрүлгөн NGF негизинен 300 графен катмарынан турат, башкача айтканда, калыңдыгы болжол менен 100 нм (сүрөт. 1, SI5 жана SI7). Демек, байкалган оптикалык тунуктук FLG жана MLG аймактарына туура келет деп ойлойбуз, анткени алар пленка боюнча бөлүштүрүлгөн (сүрөт 1, 3, 5 жана 6c). Жогорудагы структуралык маалыматтардан тышкары, өткөргүчтүк жана ачыктык да өткөрүлүп берилген NGF жогорку кристаллдык сапатын тастыктайт.
(а) УК-көрүнүүчү өткөрүмдүүлүктү өлчөө, (б) репрезентативдик үлгүнү колдонуу менен кварцка типтүү NGF өткөрүп берүү. (c) NGF схемасы (караңгы куту) бирдей бөлүштүрүлгөн FLG жана MLG аймактары менен үлгү боюнча боз кокус формалар катары белгиленген (1-сүрөттү караңыз) (100 мкм2ге болжол менен 0,1–3% аянт). Диаграммадагы туш келди формалар жана алардын өлчөмдөрү иллюстрациялоо максатында гана берилген жана чыныгы аймактарга дал келбейт.
CVD тарабынан өстүрүлгөн тунук NGF мурда жылаңач кремний беттерине өткөрүлүп берилген жана күн батареяларында колдонулган15,16. Натыйжада электр энергиясын өзгөртүү натыйжалуулугу (PCE) 1,5% түзөт. Бул NGFs, мисалы, активдүү кошулма катмарлары, заряд ташуу жолдору жана тунук электроддор15,16 сыяктуу бир нече милдеттерди аткарат. Бирок графит пленкасы бирдей эмес. Андан ары оптималдаштыруу графит электродунун барак каршылыгын жана оптикалык өткөрүмдүүлүгүн кылдаттык менен көзөмөлдөө менен зарыл, анткени бул эки касиет күн батареясынын PCE баасын аныктоодо маанилүү ролду ойнойт15,16. Адатта, графен пленкалар көрүнүүчү жарыкка 97,7% тунук, бирок 200–3000 Ом/кв.16 барактын каршылыгы бар. Графен пленкаларынын беттик каршылыгын катмарлардын санын көбөйтүү (графен катмарларынын көп жолу өткөрүлүшү) жана HNO3 (~30 Ом/кв.) менен допинг менен азайтса болот66. Бирок, бул процесс көп убакытты талап кылат жана ар кандай которуу катмарлары дайыма эле жакшы байланышты сактай бербейт. Биздин алдыңкы NGF өткөргүчтүк 2000 S / см, пленка барактын каршылыгы 50 Ом / чарчы сыяктуу касиеттерге ээ. жана 62% айкындуулук, бул күн клеткаларындагы өткөргүч каналдар же каршы электроддор үчүн жашоого жөндөмдүү альтернатива болуп саналат15,16.
BS-NGF түзүлүшү жана беттик химиясы FS-NGF окшош болгону менен, анын оройлугу башкача («FS- жана BS-NGF өсүшү»). Буга чейин биз газ сенсору катары ультра жука пленканы graphite22 колдончубуз. Ошондуктан, биз газды сезүү тапшырмалары үчүн BS-NGF колдонуунун максатка ылайыктуулугун сынап көрдүк (Figure SI10). Биринчиден, BS-NGFдин мм2 өлчөмдөгү бөлүктөрү interdigitating электроддун сенсор чипине өткөрүлүп берилди (Figure SI10a-c). Чиптин өндүрүштүк деталдары мурда билдирилген; анын активдүү сезгичтик аянты 9 мм267. SEM сүрөттөрүндө (Figure SI10b жана c), астындагы алтын электрод NGF аркылуу даана көрүнүп турат. Дагы бир жолу, бардык үлгүлөр үчүн бирдиктүү чип камтууга жетишилгенин көрүүгө болот. Ар түрдүү газдардын газ сенсордук өлчөөлөрү жазылган (сүрөт SI10d) (сүрөт SI11) жана натыйжада жооп ылдамдыгы Сүрөттө көрсөтүлгөн. SI10g. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) жана NH3 (200 ppm) сыяктуу башка кийлигишүүчү газдар менен болушу мүмкүн. Мүмкүн болгон себептердин бири NO2. газдын электрофилдик табияты22,68. Графендин бетине адсорбцияланганда, система электрондордун учурдагы жутулушун азайтат. BS-NGF сенсорунун жооп берүү убактысынын маалыматтарын мурда жарыяланган сенсорлор менен салыштыруу SI2 таблицада келтирилген. Ультрафиолет плазмасын, O3 плазмасын же термикалык (50–150°C) тазалоону колдонуу менен NGF сенсорлорун кайра активдештирүү механизми уланууда, андан кийин идеалдуу түрдө камтылган системаларды69 ишке ашыруу уланууда.
CVD процессинде графендин өсүшү катализатордун субстратынын эки тарабында пайда болот41. Бирок BS-графен адатта өткөрүп берүү процессинде чыгарылат41. Бул изилдөөдө, биз жогорку сапаттагы NGF өсүшү жана полимер-эркин NGF өткөрүп катализатор колдоо эки тараптан жетиши мүмкүн экенин көрсөтүп турат. BS-NGF FS-NGF (~ 100 нм) караганда ичке (~80 нм) жана бул айырмачылык BS-Ni түз прекурсордук газ агымына дуушар болбогону менен түшүндүрүлөт. Ошондой эле биз NiAR субстраттын одонолугу NGFтин оройлугуна таасирин тийгизерин байкадык. Бул жыйынтыктар өстүрүлгөн тегиздик FS-NGF графен үчүн прекурсордук материал катары (эксфолиация ыкмасы70) же күн клеткаларында өткөргүч канал катары колдонулушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат15,16. Тескерисинче, BS-NGF газды аныктоо үчүн (SI9-сүрөт) жана, балким, энергияны сактоо системалары71,72 үчүн колдонулат, бул жерде анын бетинин тегиздиги пайдалуу болот.
Жогоруда айтылгандарды эске алуу менен, учурдагы ишти CVD тарабынан өстүрүлгөн жана никель фольгасын колдонуу менен мурда жарыяланган графит пленкалар менен айкалыштыруу пайдалуу. 2-таблицадан көрүнүп тургандай, биз колдонгон жогорку басымдар салыштырмалуу төмөн температурада да (850–1300 °C диапазонунда) реакция убактысын (өсүү стадиясын) кыскартты. Биз ошондой эле адаттагыдан көбүрөөк өсүшкө жетиштик, бул кеңейүү мүмкүнчүлүгүн көрсөтүп турат. Карай турган башка факторлор бар, алардын айрымдарын биз таблицага киргиздик.
Эки тараптуу жогорку сапаттагы NGF никель фольгасында каталитикалык CVD менен өстүрүлгөн. Салттуу полимердик субстраттарды (мисалы, CVD графинде колдонулгандар сыяктуу) жок кылуу менен биз NGFтин (никель фольгасынын арткы жана алдыңкы капталдарында өстүрүлгөн) ар кандай процесс үчүн маанилүү субстраттарга таза жана кемчиликсиз нымдуу өтүшүнө жетишебиз. Белгилей кетчү нерсе, NGF FLG жана MLG аймактарын (адатта 100 мкм2ге 0,1% дан 3%ке чейин) камтыйт, алар структуралык жактан калың пленкага жакшы интеграцияланган. Planar TEM бул аймактар эки-үч графит/графен бөлүкчөлөрүнүн (тиешелүүлүгүнө жараша кристаллдар же катмарлар) стектеринен турат, алардын айрымдары 10–20° айлануу дал келбестигин көрсөтүп турат. FLG жана MLG аймактары FS-NGFтин көрүнүүчү жарыкка ачыктыгы үчүн жооптуу. Арткы барактарга келсек, алар алдыңкы барактарга параллелдүү жүргүзүлүшү мүмкүн жана көрсөтүлгөндөй, функционалдык максатка ээ болушу мүмкүн (мисалы, газды аныктоо үчүн). Бул изилдөөлөр өнөр жай масштабындагы CVD процесстеринде калдыктарды жана чыгымдарды азайтуу үчүн абдан пайдалуу.
Жалпысынан алганда, CVD NGF орточо калыңдыгы (төмөн жана көп катмарлуу) графен жана өнөр жай (микрометр) графит барактарынын ортосунда жатат. Алардын кызыктуу касиеттеринин диапазону, аларды өндүрүү жана ташуу үчүн биз иштеп чыккан жөнөкөй ыкма менен айкалышып, бул пленкаларды учурда колдонулуп жаткан энергияны көп талап кылган өнөр жай өндүрүш процесстеринин эсебинен графиттин функционалдык реакциясын талап кылган колдонмолор үчүн өзгөчө ылайыктуу кылат.
Калыңдыгы 25 мкм болгон никелден жасалган фольга (тазалыгы 99,5%, Goodfellow) коммерциялык CVD реакторуна (Aixtron 4 дюймдук BMPro) орнотулган. Система аргон менен тазаланып, 10-3 мбар базалык басымга чейин эвакуацияланган. Андан кийин никель фольга салынды. Ar/H2 ичинде (Ni фольгасын 5 мүнөткө алдын ала күйгүзгөндөн кийин, фольга 900 °Cде 500 мбар басымга дуушар болгон. NGF CH4/H2 агымында (ар бири 100 см3) 5 мүнөткө салынган. Андан кийин үлгү Ar агымын (4000 см3) 40 °C/мин колдонуу менен 700 °C төмөн температурага чейин муздатылган.
Үлгүнүн беттик морфологиясы Zeiss Merlin микроскопунун (1 кВ, 50 пА) жардамы менен SEM аркылуу көрүлгөн. Үлгү бетинин оройлугу жана NGF жоондугу AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) аркылуу өлчөнгөн. TEM жана SAED өлчөөлөрү акыркы натыйжаларды алуу үчүн жогорку жарыктыктагы талаа эмиссиясы менен жабдылган FEI Titan 80–300 Cubed микроскобу, FEI Wien тибиндеги монохроматор жана CEOS линзасынын сфералык аберрация корректору менен жабдылган. мейкиндиктин чечилиши 0,09 нм. NGF үлгүлөрү жалпак TEM сүрөттөө жана SAED структурасын талдоо үчүн көмүртектүү капталган жез торлорго өткөрүлүп берилди. Ошентип, үлгү флоктарынын көбү колдоочу мембрананын тешикчелеринде токтоп турат. Өткөрүлгөн NGF үлгүлөрү XRD тарабынан талдоого алынган. Рентген нурларынын дифракциясынын схемалары порошок дифрактометрди (Брукер, Cu Kα булагы менен D2 фазасын алмаштыргыч, 1,5418 Å жана LYNXEYE детектору) нур тактын диаметри 3 мм болгон Cu нурлануу булагын колдонуу менен алынган.
Бир нече Раман чекитинин өлчөөлөрү интеграцияланган конфокалдык микроскоптун (Alpha 300 RA, WITeC) жардамы менен жазылган. Термикалык таасирлерден качуу үчүн дүүлүктүрүүчү күчү аз (25%) 532 нм лазер колдонулган. Рентгендик фотоэлектрондук спектроскопия (XPS) Kratos Axis Ultra спектрометринде 300 × 700 мкм2 үлгү аянтында монохроматтык Al Ka нурлануусун (hν = 1486,6 eV) 150 Вт кубаттуулукта колдонуу менен аткарылды. Чечимдүүлүк спектрлери: 160 эВ жана 20 эВ өткөрүү энергиясы. SiO2ге өткөрүлүп берилген NGF үлгүлөрү PLS6MW (1,06 мкм) итербий буласынын лазеринин 30 Вт күчү менен бөлүктөргө (ар бири 3 × 10 мм2) кесилген. Жез зым контакттары (калыңдыгы 50 мкм) оптикалык микроскоптун астында күмүш пастасын колдонуу менен жасалган. Электрдик транспорт жана Холл эффекти эксперименттери физикалык касиеттерин өлчөө системасында 300 К жана магнит талаасынын өзгөрүшү ± 9 Теслада бул үлгүлөр боюнча жүргүзүлдү (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Өткөрүлгөн UV-vis спектрлери Lambda 950 UV-vis спектрофотометринин жардамы менен 350-800 нм NGF диапазонунда кварц субстраттарына жана кварц эталон үлгүлөрүнө которулган.
Химиялык каршылык сенсору (аралашкан электрод чип) көнүмүш басылган схема 73 менен зымдуу болгон жана каршылык убактылуу алынган. Аппарат жайгашкан басма схемасы контакт терминалдарына туташтырылган жана газды сезүүчү камеранын ичине жайгаштырылат 74. Каршылыктын өлчөөлөрү 1 В чыңалууда тазалоодон газдын экспозициясына чейин үзгүлтүксүз сканерлөө менен кабыл алынган жана андан кийин кайра тазалоо. Камерада нымдуулукту кошо алганда, бардык башка талдоочу заттарды алып салуу үчүн камераны 1 саат бою 200 см3 азот менен тазалоо жолу менен алгач тазаланган. Андан кийин N2 цилиндрин жабуу менен айрым аналиттер акырындык менен 200 см3 агымдын ылдамдыгы менен камерага чыгарылды.
Бул макаланын оңдолгон версиясы жарыяланды жана ага макаланын жогору жагындагы шилтеме аркылуу кирүүгө болот.
Inagaki, M. жана Канг, F. Carbon Материалдар илими жана инженерия: негиздери. Экинчи басылышы редакцияланган. 2014. 542.
Пирсон, көмүртек, графит, алмаз жана фуллерендер боюнча HO колдонмосу: касиеттери, иштетүү жана колдонуу. Биринчи басылышы редакцияланган. 1994, Нью-Джерси.
Цай, В. Тунук ичке өткөргүч электроддор катары чоң аймак көп катмарлуу графен/графит пленкасы. колдонмо. физика. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин А.А. Графен жана наноструктуралуу көмүртек материалдарынын жылуулук касиеттери. Нат. Мт. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW жана Cahill DG Ни (111) боюнча төмөнкү температурадагы химиялык бууларды жайгаштыруу жолу менен өстүрүлгөн графит пленкаларынын жылуулук өткөрүмдүүлүгү. тактооч. Мт. Interface 3, 16 (2016).
Хесжедал, Т. Химиялык буулар менен графен пленкаларынын тынымсыз өсүшү. колдонмо. физика. Райт. 98(13), 133106(2011).
Посттун убактысы: 23-август-2024