تنمية فيلم جرافيت شفاف على النيكل ونقله ثنائي الاتجاه بدون بوليمر

شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل النتائج، نوصي باستخدام إصدار أحدث من متصفحك (أو تعطيل وضع التوافق في متصفح Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، نعرض الموقع بدون تنسيق أو جافا سكريبت.
أغشية الجرافيت النانوية (NGFs) هي مواد نانوية متينة يمكن إنتاجها بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار التحفيزي، ولكن لا تزال هناك تساؤلات حول سهولة نقلها وكيف يؤثر شكل سطحها على استخدامها في أجهزة الجيل التالي. نورد في هذه المقالة نمو أغشية الجرافيت النانوية على جانبي رقاقة نيكل متعددة البلورات (مساحتها 55 سم²، وسمكها حوالي 100 نانومتر) ونقلها الخالي من البوليمر (أمامي وخلفي، بمساحة تصل إلى 6 سم²). ونظرًا لشكل رقاقة المحفز، يختلف غشاءا الكربون في خصائصهما الفيزيائية وخصائص أخرى (مثل خشونة السطح). ونوضح أن أغشية الجرافيت النانوية ذات الجانب الخلفي الأكثر خشونة مناسبة تمامًا للكشف عن ثاني أكسيد النيتروجين، بينما يمكن أن تكون أغشية الجرافيت النانوية ذات الجانب الأمامي الأكثر سلاسة وتوصيلًا (2000 S/cm، ومقاومة الصفائح - 50 أوم/م²) موصلات فعالة. قناة أو قطب الخلية الشمسية (لأنها تنقل 62% من الضوء المرئي). بشكل عام، قد تساعد عمليات النمو والنقل الموصوفة في تحقيق NGF كمواد كربونية بديلة للتطبيقات التكنولوجية حيث لا يكون الجرافين وأغشية الجرافيت ذات السمك الميكروني مناسبة.
الجرافيت مادة صناعية واسعة الاستخدام. يتميز الجرافيت بكثافة كتلة منخفضة نسبيًا وموصلية حرارية وكهربائية عالية داخل السطح، كما أنه مستقر للغاية في البيئات الحرارية والكيميائية القاسية1،2. يُعدّ الجرافيت المتقشر مادة أولية معروفة لأبحاث الجرافين3. عند معالجته على شكل أغشية رقيقة، يمكن استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك مشتتات الحرارة للأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف الذكية4،5،6،7، وكمادة فعالة في أجهزة الاستشعار8،9،10، وللحماية من التداخل الكهرومغناطيسي11،12، وأغشية الطباعة الحجرية في الأشعة فوق البنفسجية الشديدة13،14، وقنوات التوصيل في الخلايا الشمسية15،16. في جميع هذه التطبيقات، ستكون سهولة إنتاج ونقل مساحات كبيرة من أغشية الجرافيت (NGFs) بسماكات نانوية تقل عن 100 نانومتر ميزةً كبيرة.
تُنتَج أغشية الجرافيت بطرق مختلفة. في إحدى الحالات، استُخدم التضمين والتمدد متبوعًا بالتقشير لإنتاج رقائق الجرافين10،11،17. يجب معالجة الرقائق لاحقًا لتُصبح أغشية بالسمك المطلوب، وغالبًا ما يستغرق إنتاج صفائح الجرافيت الكثيفة عدة أيام. ومن الطرق الأخرى البدء بمواد أولية صلبة قابلة للجرافيت. في الصناعة، تُكربن صفائح البوليمرات (عند درجة حرارة تتراوح بين 1000 و1500 درجة مئوية) ثم تُحوّل إلى جرافيت (عند درجة حرارة تتراوح بين 2800 و3200 درجة مئوية) لتشكيل مواد طبقية جيدة البنية. على الرغم من جودة هذه الأغشية العالية، إلا أن استهلاكها للطاقة كبير1،18،19، ويقتصر الحد الأدنى للسمك على بضعة ميكرونات1،18،19،20.
الترسيب الكيميائي للبخار التحفيزي (CVD) طريقة معروفة لإنتاج أغشية الجرافين والجرافيت فائقة الرقة (<10 نانومتر) بجودة هيكلية عالية وتكلفة معقولة21،22،23،24،25،26،27. ومع ذلك، بالمقارنة مع نمو أغشية الجرافين والجرافيت فائقة الرقة28، فإن نمو و/أو تطبيق تقنية ترسيب البخار الكيميائي للخلايا النانوية على مساحات واسعة باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار أقل استكشافًا11،13،29،30،31،32،33.
غالبًا ما يلزم نقل أغشية الجرافين والجرافيت المزروعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار إلى ركائز وظيفية34. تتضمن عمليات نقل الأغشية الرقيقة هذه طريقتين رئيسيتين35: (1) النقل غير المحفور36،37 و(2) النقل الكيميائي الرطب القائم على المحفور (المدعوم بالركيزة)14،34،38. لكل طريقة بعض المزايا والعيوب ويجب اختيارها بناءً على التطبيق المقصود، كما هو موضح في مكان آخر35،39. بالنسبة لأغشية الجرافين/الجرافيت المزروعة على ركائز محفزة، يظل النقل عبر العمليات الكيميائية الرطبة (التي تُعد طبقة الدعم الأكثر استخدامًا منها بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) الخيار الأول13،30،34،38،40،41،42. يو وآخرون. ذُكر أنه لم يتم استخدام أي بوليمر لنقل عامل نمو الخلايا (حجم العينة حوالي 4 سم2)25،43، ولكن لم يتم تقديم أي تفاصيل بشأن استقرار العينة و/أو التعامل معها أثناء النقل؛ تتكون عمليات الكيمياء الرطبة باستخدام البوليمرات من عدة خطوات، تشمل تطبيق طبقة بوليمرية مضحية وإزالتها لاحقًا30،38،40،41،42. لهذه العملية عيوبها: على سبيل المثال، قد تُغير بقايا البوليمر خصائص الغشاء المُنمّى38. يمكن للمعالجة الإضافية إزالة البوليمر المتبقي، لكن هذه الخطوات الإضافية تزيد من تكلفة ووقت إنتاج الغشاء38،40. أثناء نمو الترسيب الكيميائي البخاري، تترسب طبقة من الجرافين ليس فقط على الجانب الأمامي من رقاقة المحفز (الجانب المواجه لتدفق البخار)، بل أيضًا على جانبها الخلفي. ومع ذلك، يُعتبر هذا الأخير نفايات، ويمكن إزالته بسرعة باستخدام البلازما اللينة38،41. يمكن أن تُساعد إعادة تدوير هذا الغشاء على زيادة المحصول إلى أقصى حد، حتى لو كان أقل جودة من غشاء الكربون الأمامي.
نُقدم هنا تقريرًا عن تحضير نمو ثنائي الوجه على نطاق الرقاقة لـ NGF بجودة هيكلية عالية على رقائق النيكل متعددة البلورات باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار البخاري. وقُيِّم تأثير خشونة السطحين الأمامي والخلفي للرقاقة على مورفولوجيا وبنية NGF. كما نُظهر نقلًا فعالًا من حيث التكلفة وصديقًا للبيئة لـ NGF من جانبي رقائق النيكل إلى ركائز متعددة الوظائف، دون استخدام البوليمرات، ونُبيِّن مدى ملاءمة الأغشية الأمامية والخلفية لتطبيقات مُختلفة.
تناقش الأقسام التالية سُمك طبقات الجرافيت المختلفة بناءً على عدد طبقات الجرافين المتراصة: (أ) جرافين أحادي الطبقة (SLG، طبقة واحدة)، (ب) جرافين متعدد الطبقات (FLG، أقل من 10 طبقات)، (ج) جرافين متعدد الطبقات (MLG، من 10 إلى 30 طبقة)، و(د) جرافين متعدد الطبقات (NGF) (حوالي 300 طبقة). يُعدّ هذا السُمك الأكثر شيوعًا، ويُعبّر عنه كنسبة مئوية من المساحة (حوالي 97% مساحة لكل 100 ميكرومتر مربع). لهذا السبب، يُطلق على الغشاء بأكمله اسم NGF.
رقائق النيكل متعددة البلورات المستخدمة في تخليق أغشية الجرافين والجرافيت لها قوام مختلف نتيجة تصنيعها ومعالجتها اللاحقة. لقد أبلغنا مؤخرًا عن دراسة لتحسين عملية نمو NGF30. لقد أظهرنا أن معلمات العملية مثل وقت التلدين وضغط الغرفة أثناء مرحلة النمو تلعب دورًا حاسمًا في الحصول على NGFs ذات سمك موحد. هنا، قمنا بمزيد من التحقيق في نمو NGF على الأسطح الأمامية المصقولة (FS) والخلفية غير المصقولة (BS) لرقائق النيكل (الشكل 1أ). تم فحص ثلاثة أنواع من العينات FS و BS، مدرجة في الجدول 1. عند الفحص البصري، يمكن رؤية النمو المنتظم لـ NGF على كلا جانبي رقاقة النيكل (NiAG) من خلال تغير لون ركيزة النيكل السائبة من اللون الرمادي الفضي المعدني المميز إلى اللون الرمادي غير اللامع (الشكل 1أ)؛ تم تأكيد القياسات المجهرية (الشكل 1ب، ج). يُظهر الشكل 1ج طيف رامان نموذجي لـ FS-NGF، المرصود في المنطقة المضيئة والمشار إليه بأسهم حمراء وزرقاء وبرتقالية في الشكل 1ب. تؤكد قمم رامان المميزة للجرافيت G (1683 سم−1) و2D (2696 سم−1) نمو NGF شديد التبلور (الشكل 1ج، الجدول SI1). لوحظت غلبة لأطياف رامان بنسبة شدة (I2D/IG) ~0.3 في جميع أنحاء الفيلم، بينما نادرًا ما لوحظت أطياف رامان بنسبة I2D/IG = 0.8. يشير غياب القمم المعيبة (D = 1350 سم−1) في الفيلم بأكمله إلى الجودة العالية لنمو NGF. تم الحصول على نتائج رامان مماثلة على عينة BS-NGF (الشكل SI1 أ و ب، الجدول SI1).
مقارنة بين NiAG FS- وBS-NGF: (أ) صورة لعينة نموذجية من NGF (NiAG) تُظهر نمو NGF على مقياس الرقاقة (55 سم²) وعينات رقائق BS- وFS-Ni الناتجة، (ب) صور FS-NGF/Ni مأخوذة بواسطة مجهر ضوئي، (ج) أطياف رامان نموذجية مسجلة في مواضع مختلفة في اللوحة ب، (د، و) صور مجهر المسح الإلكتروني بدرجات تكبير مختلفة على FS-NGF/Ni، (هـ، ز) صور مجهر المسح الإلكتروني بدرجات تكبير مختلفة. مجموعات BS-NGF/Ni. يشير السهم الأزرق إلى منطقة FLG، ويشير السهم البرتقالي إلى منطقة MLG (بالقرب من منطقة FLG)، ويشير السهم الأحمر إلى منطقة NGF، ويشير السهم الأرجواني إلى الطية.
نظرًا لأن النمو يعتمد على سمك الركيزة الأولية وحجم البلورة واتجاهها وحدود الحبيبات، فإن تحقيق تحكم معقول في سمك NGF على مساحات كبيرة لا يزال يمثل تحديًا20،34،44. استخدمت هذه الدراسة محتوى نشرناه سابقًا30. تنتج هذه العملية منطقة ساطعة تتراوح من 0.1 إلى 3% لكل 100 ميكرومتر230. في الأقسام التالية، نقدم نتائج لكلا النوعين من المناطق. تُظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح عالية التكبير وجود العديد من مناطق التباين الساطعة على كلا الجانبين (الشكل 1f، g)، مما يشير إلى وجود مناطق FLG وMLG30،45. وقد تم تأكيد ذلك أيضًا من خلال تشتت رامان (الشكل 1c) ونتائج المجهر الإلكتروني النافذ (ستتم مناقشتها لاحقًا في قسم "FS-NGF: البنية والخصائص"). قد تكون مناطق FLG وMLG التي لوحظت على عينات FS- وBS-NGF/Ni (NGF الأمامية والخلفية المزروعة على Ni) قد نمت على حبيبات Ni(111) كبيرة تشكلت أثناء التلدين المسبق22،30،45. لوحظت طيات على كلا الجانبين (الشكل 1ب، مُعلَّم بأسهم أرجوانية). تُلاحظ هذه الطيات بكثرة في أغشية الجرافين والجرافيت المُنتَجة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار الكيميائي (CVD) نظرًا للاختلاف الكبير في معامل التمدد الحراري بين الجرافيت وركيزة النيكل30،38.
أكدت صورة AFM أن عينة FS-NGF كانت أكثر تسطحًا من عينة BS-NGF (الشكل SI1) (الشكل SI2). قيم جذر متوسط ​​مربع (RMS) لخشونة FS-NGF / Ni (الشكل SI2c) و BS-NGF / Ni (الشكل SI2d) هي 82 و 200 نانومتر على التوالي (مقاسة على مساحة 20 × 20 ميكرومتر مربع). يمكن فهم الخشونة الأعلى بناءً على تحليل سطح رقاقة النيكل (NiAR) في الحالة المستلمة (الشكل SI3). تظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح لـ FS و BS-NiAR في الأشكال SI3a-d، مما يدل على أشكال سطحية مختلفة: تحتوي رقاقة FS-Ni المصقولة على جزيئات كروية بحجم النانو والميكرون، بينما تُظهر رقاقة BS-Ni غير المصقولة سلم إنتاج. كجسيمات ذات قوة عالية. والانحدار. يُظهر الشكل SI3e-h صورًا عالية ومنخفضة الدقة لرقائق النيكل المُلدَّنة (NiA). في هذه الأشكال، يُمكننا ملاحظة وجود عدة جسيمات نيكل بحجم ميكرون على جانبي رقاقة النيكل (الشكل SI3e-h). قد يكون للحبيبات الكبيرة اتجاه سطح Ni(111)، كما ذُكر سابقًا30،46. توجد اختلافات كبيرة في شكل رقائق النيكل بين FS-NiA وBS-NiA. تُعزى الخشونة العالية لـ BS-NGF/Ni إلى سطح BS-NiAR غير المصقول، والذي يظل خشنًا بشكل ملحوظ حتى بعد التلدين (الشكل SI3). يسمح هذا النوع من توصيف السطح قبل عملية النمو بالتحكم في خشونة أغشية الجرافين والجرافيت. تجدر الإشارة إلى أن الركيزة الأصلية خضعت لبعض إعادة تنظيم الحبوب أثناء نمو الجرافين، مما أدى إلى انخفاض حجم الحبوب قليلاً وزيادة خشونة سطح الركيزة إلى حد ما مقارنة بالرقائق الملدنة وفيلم المحفز22.
سيساعد الضبط الدقيق لخشونة سطح الركيزة، وزمن التلدين (حجم الحبيبات)30،47، والتحكم في الإطلاق43 على تقليل تجانس سمك طبقة النانو النانوية (NGF) الإقليمية إلى مقياس ميكرومتر مربع و/أو حتى نانومتر مربع (أي اختلافات في السمك ببضعة نانومترات). للتحكم في خشونة سطح الركيزة، يمكن النظر في طرق مثل التلميع الكهربائي لرقاقة النيكل الناتجة48. يمكن بعد ذلك تلدين رقاقة النيكل المعالجة مسبقًا عند درجة حرارة أقل (<900 درجة مئوية)46 وزمن أقل (<5 دقائق) لتجنب تكوين حبيبات Ni(111) كبيرة (وهو أمر مفيد لنمو FLG).
لا يتحمل الجرافين SLG وFLG التوتر السطحي للأحماض والماء، مما يتطلب طبقات دعم ميكانيكية أثناء عمليات النقل الكيميائي الرطبة22،34،38. وعلى عكس النقل الكيميائي الرطب للجرافين أحادي الطبقة المدعوم بالبوليمر38، وجدنا أنه يمكن نقل كلا جانبي NGF أثناء النمو دون دعم بوليمري، كما هو موضح في الشكل 2أ (انظر الشكل SI4a لمزيد من التفاصيل). يبدأ نقل NGF إلى ركيزة معينة بالنقش الرطب لفيلم Ni30.49 الأساسي. وُضعت عينات NGF/Ni/NGF المزروعة طوال الليل في 15 مل من محلول HNO3 بتركيز 70% مخفف بـ 600 مل من الماء منزوع الأيونات (DI). بعد إذابة رقاقة النيكل تمامًا، تظل FS-NGF مسطحة وتطفو على سطح السائل، تمامًا مثل عينة NGF/Ni/NGF، بينما تُغمر عينة BS-NGF في الماء (الشكل 2أ، ب). نُقل بعد ذلك مُركّب NGF المعزول من كأس يحتوي على ماء منزوع الأيونات إلى كأس آخر، وغُسل جيدًا، مُكرّرًا من أربع إلى ست مرات عبر طبق زجاجي مُقعّر. وأخيرًا، وُضع مُركّبا FS-NGF وBS-NGF على الركيزة المطلوبة (الشكل 2ج).
عملية نقل كيميائي رطب خالية من البوليمر لـ NGF المزروع على رقائق النيكل: (أ) مخطط تدفق العملية (انظر الشكل SI4 لمزيد من التفاصيل)، (ب) صورة رقمية لـ NGF المنفصل بعد النقش بالنيكل (عينتان)، (ج) مثال على نقل FS - و BS-NGF إلى ركيزة SiO2/Si، (د) نقل FS-NGF إلى ركيزة بوليمر معتمة، (هـ) BS-NGF من نفس العينة مثل اللوحة d (مقسمة إلى قسمين)، تم نقلها إلى ورق C مطلي بالذهب وNafion (ركيزة شفافة مرنة، حواف مميزة بزوايا حمراء).
لاحظ أن نقل SLG الذي يتم إجراؤه باستخدام طرق النقل الكيميائي الرطب يتطلب وقت معالجة إجمالي يتراوح بين 20 و 24 ساعة 38. باستخدام تقنية النقل الخالية من البوليمر الموضحة هنا (الشكل SI4a)، يتم تقليل وقت معالجة نقل NGF الإجمالي بشكل كبير (حوالي 15 ساعة). تتكون العملية من: (الخطوة 1) تحضير محلول النقش ووضع العينة فيه (حوالي 10 دقائق)، ثم الانتظار طوال الليل لنقش Ni (حوالي 7200 دقيقة)، (الخطوة 2) الشطف بالماء منزوع الأيونات (الخطوة - 3). التخزين في الماء منزوع الأيونات أو نقله إلى الركيزة المستهدفة (20 دقيقة). تتم إزالة الماء المحاصر بين NGF والمصفوفة السائبة عن طريق الخاصية الشعرية (باستخدام ورق النشاف) 38، ثم تتم إزالة قطرات الماء المتبقية عن طريق التجفيف الطبيعي (حوالي 30 دقيقة)، وأخيرًا يتم تجفيف العينة لمدة 10 دقائق في فرن مفرغ من الهواء (10-1 ملي بار) عند 50-90 درجة مئوية (60 دقيقة) 38.
من المعروف أن الجرافيت يتحمل وجود الماء والهواء في درجات حرارة عالية نسبيًا (≥ 200 درجة مئوية)50،51،52. اختبرنا العينات باستخدام مطيافية رامان، والمجهر الإلكتروني الماسح، وXRD بعد تخزينها في ماء منزوع الأيونات في درجة حرارة الغرفة وفي زجاجات محكمة الغلق لمدة تتراوح من بضعة أيام إلى عام واحد (الشكل SI4). لا يوجد أي تدهور ملحوظ. يوضح الشكل 2 ج FS-NGF وBS-NGF المستقلين في الماء منزوع الأيونات. لقد التقطناهما على ركيزة SiO2 (300 نانومتر)/Si، كما هو موضح في بداية الشكل 2 ج. بالإضافة إلى ذلك، كما هو موضح في الشكل 2 د، هـ، يمكن نقل NGF المستمر إلى ركائز مختلفة مثل البوليمرات (بولي أميد Thermabright من Nexolve وNafion) وورق الكربون المطلي بالذهب. تم وضع FS-NGF العائم بسهولة على الركيزة المستهدفة (الشكل 2 ج، د). ومع ذلك، كان من الصعب التعامل مع عينات BS-NGF التي يزيد حجمها عن 3 سم2 عند غمرها بالكامل في الماء. وعادةً، عندما تبدأ في التدحرج في الماء، فإنها تنكسر أحيانًا إلى جزأين أو ثلاثة أجزاء بسبب التعامل غير الدقيق (الشكل 2هـ). وبشكل عام، تمكنا من تحقيق نقل خالٍ من البوليمر لـ PS- و BS-NGF (نقل سلس مستمر بدون نمو NGF/Ni/NGF عند 6 سم2) للعينات التي تصل مساحتها إلى 6 و 3 سم2 على التوالي. ويمكن وضع أي قطع كبيرة أو صغيرة متبقية (يمكن رؤيتها بسهولة في محلول الحفر أو الماء منزوع الأيونات) على الركيزة المطلوبة (حوالي 1 مم2، الشكل SI4b، انظر نقل العينة إلى شبكة نحاسية كما في "FS-NGF: البنية والخصائص (تمت مناقشتها) تحت عنوان "البنية والخصائص") أو تخزينها للاستخدام المستقبلي (الشكل SI4). وبناءً على هذا المعيار، نقدر أنه يمكن استعادة NGF بعوائد تصل إلى 98-99٪ (بعد النمو للنقل).
تم تحليل عينات النقل بدون بوليمر بالتفصيل. أظهرت الخصائص المورفولوجية السطحية التي تم الحصول عليها على FS- و BS-NGF / SiO2 / Si (الشكل 2 ج) باستخدام المجهر الضوئي (OM) وصور المجهر الإلكتروني الماسح (الشكل SI5 والشكل 3) أن هذه العينات قد تم نقلها بدون مجهر. أضرار هيكلية مرئية مثل الشقوق والثقوب أو المناطق غير الملفوفة. ظلت الطيات على NGF النامية (الشكل 3 ب ، د ، المحددة بأسهم أرجوانية) سليمة بعد النقل. يتكون كل من FS- و BS-NGFs من مناطق FLG (المناطق الساطعة موضحة بأسهم زرقاء في الشكل 3). والمثير للدهشة أنه على عكس المناطق التالفة القليلة التي لوحظت عادةً أثناء نقل البوليمر لأغشية الجرافيت فائقة الرقة ، فقد تم نقل العديد من مناطق FLG و MLG بحجم ميكرون متصلة بـ NGF (المحددة بأسهم زرقاء في الشكل 3 د) دون شقوق أو كسور (الشكل 3 د). 3). تم تأكيد السلامة الميكانيكية بشكل أكبر باستخدام صور المجهر الإلكتروني النافذ والمجهر الإلكتروني الماسح لـ NGF المنقول إلى شبكات نحاسية من الدانتيل والكربون، كما تمت مناقشته لاحقًا ("FS-NGF: البنية والخصائص"). إن BS-NGF/SiO2/Si المنقول أكثر خشونة من FS-NGF/SiO2/Si بقيم جذر متوسط ​​التربيع 140 نانومتر و17 نانومتر على التوالي، كما هو موضح في الشكلين SI6a وb (20 × 20 ميكرومتر مربع). إن قيمة جذر متوسط ​​التربيع لـ NGF المنقول إلى ركيزة SiO2/Si (جذر متوسط ​​التربيع < 2 نانومتر) أقل بكثير (حوالي 3 مرات) من قيمة NGF المزروعة على Ni (الشكل SI2)، مما يشير إلى أن الخشونة الإضافية قد تتوافق مع سطح Ni. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت صور AFM التي أجريت على حواف عينات FS- وBS-NGF/SiO2/Si سماكة NGF تبلغ 100 و80 نانومتر على التوالي (الشكل SI7). قد يكون السمك الأصغر لـ BS-NGF نتيجة لعدم تعرض السطح للغاز السابق بشكل مباشر.
نقل NGF (NiAG) بدون بوليمر على رقاقة SiO2/Si (انظر الشكل 2ج): (أ، ب) صور المجهر الإلكتروني الماسح لـ FS-NGF المنقولة: تكبير منخفض وعالي (يتوافق مع المربع البرتقالي في اللوحة). المناطق النموذجية) - أ). (ج، د) صور المجهر الإلكتروني الماسح لـ BS-NGF المنقولة: تكبير منخفض وعالي (يتوافق مع المنطقة النموذجية الموضحة بالمربع البرتقالي في اللوحة ج). (هـ، و) صور المجهر الذري (AFM) لـ FS- وBS-NGF المنقولة. يمثل السهم الأزرق منطقة FLG - تباين ساطع، والسهم السماوي - تباين MLG أسود، والسهم الأحمر - تباين أسود يمثل منطقة NGF، والسهم الأرجواني يمثل الطية.
تم تحليل التركيب الكيميائي لـ FS- و BS-NGFs المزروعة والمنقولة باستخدام مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) (الشكل 4). لوحظت ذروة ضعيفة في الأطياف المقاسة (الشكل 4أ، ب)، والتي تتوافق مع ركيزة النيكل (850 إلكترون فولت) لـ FS- و BS-NGFs المزروعة (NiAG). لا توجد قمم في الأطياف المقاسة لـ FS- و BS-NGF/SiO2/Si المنقولة (الشكل 4ج؛ لم تظهر نتائج مماثلة لـ BS-NGF/SiO2/Si)، مما يشير إلى عدم وجود تلوث متبقٍ بالنيكل بعد النقل. توضح الأشكال 4د-و الأطياف عالية الدقة لمستويات طاقة C1s وO1s وSi2p لـ FS-NGF/SiO2/Si. تبلغ طاقة ارتباط C1s للجرافيت 284.4 إلكترون فولت. يُعتبر الشكل الخطي لقمم الجرافيت غير متماثل بشكل عام، كما هو موضح في الشكل 4د54. كما أكد طيف C1s عالي الدقة على مستوى النواة (الشكل 4د) حدوث نقل نقي (أي عدم وجود بقايا بوليمر)، وهو ما يتوافق مع الدراسات السابقة38. يبلغ عرض خطوط أطياف C1s للعينة المزروعة حديثًا (NiAG) وبعد النقل 0.55 و0.62 إلكترون فولت على التوالي. هذه القيم أعلى من قيم SLG (0.49 إلكترون فولت لـ SLG على ركيزة SiO2)38. ومع ذلك، فإن هذه القيم أصغر من عروض الخطوط المبلغ عنها سابقًا لعينات الجرافين التحلل الحراري عالية التوجه (~0.75 إلكترون فولت)53،54،55، مما يشير إلى عدم وجود مواقع كربون معيبة في المادة الحالية. تفتقر أطياف مستوى الأرض C1s وO1s أيضًا إلى أكتاف، مما يُلغي الحاجة إلى فك التفاف الذروة عالي الدقة54. توجد ذروة قمر صناعي π → π* عند حوالي 291.1 إلكترون فولت، وهو ما يُلاحظ غالبًا في عينات الجرافيت. تُعزى إشارات 103 إلكترون فولت و532.5 إلكترون فولت في أطياف مستوى النواة Si2p وO1s (انظر الشكل 4هـ، و) إلى ركيزة SiO256، على التوالي. تُعد تقنية XPS حساسة للسطح، لذا يُفترض أن الإشارات المقابلة لـ Ni وSiO2 المُكتشفة قبل وبعد نقل NGF، على التوالي، تنشأ من منطقة FLG. لوحظت نتائج مماثلة لعينات BS-NGF المنقولة (غير موضحة).
نتائج NiAG XPS: (ac) أطياف المسح لتركيبات ذرية عنصرية مختلفة من FS-NGF/Ni المزروعة وBS-NGF/Ni وFS-NGF/SiO2/Si المنقولة على التوالي. (d–f) أطياف عالية الدقة لمستويات النواة C1s وO1s وSi2p لعينة FS-NGF/SiO2/Si.
تم تقييم الجودة الكلية لبلورات NGF المنقولة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD). تُظهر أنماط حيود الأشعة السينية النموذجية (الشكل SI8) لبلورات FS- وBS-NGF/SiO2/Si المنقولة وجود قمم حيود (0 0 0 2) و(0 0 0 4) عند زاويتي 26.6 درجة و54.7 درجة، على غرار الجرافيت. يؤكد هذا الجودة البلورية العالية لـ NGF ويتوافق مع مسافة بين الطبقات تبلغ d = 0.335 نانومتر، والتي يتم الحفاظ عليها بعد خطوة النقل. تبلغ شدة ذروة الحيود (0 0 0 2) حوالي 30 ضعف شدة ذروة الحيود (0 0 0 4)، مما يشير إلى أن مستوى بلورة NGF مُحاذي جيدًا لسطح العينة.
وفقًا لنتائج المجهر الإلكتروني الماسح، وتقنية رامان، وXPS، وXRD، وجد أن جودة BS-NGF/Ni هي نفسها جودة FS-NGF/Ni، على الرغم من أن خشونة الجذر التربيعي المتوسط ​​كانت أعلى قليلاً (الأشكال SI2، SI5) وSI7).
يمكن أن تطفو SLGs ذات طبقات دعم البوليمر التي يصل سمكها إلى 200 نانومتر على الماء. يُستخدم هذا الإعداد عادةً في عمليات نقل المواد الكيميائية الرطبة بمساعدة البوليمر22،38. الجرافين والجرافيت كارهان للماء (زاوية الرطوبة 80-90 درجة) 57. وقد أُفيد بأن أسطح الطاقة الكامنة لكل من الجرافين وFLG مسطحة تمامًا، مع طاقة كامنة منخفضة (~1 كيلوجول/مول) للحركة الجانبية للماء على السطح58. ومع ذلك، فإن طاقات التفاعل المحسوبة للماء مع الجرافين وثلاث طبقات من الجرافين تبلغ حوالي -13 و-15 كيلوجول/مول،58 على التوالي، مما يشير إلى أن تفاعل الماء مع NGF (حوالي 300 طبقة) أقل مقارنة بالجرافين. قد يكون هذا أحد أسباب بقاء NGF المستقل مسطحًا على سطح الماء، بينما ينحني الجرافين المستقل (الذي يطفو في الماء) وينهار. عند غمر مادة NGF بالكامل في الماء (النتائج متماثلة لكل من مادة NGF الخشنة والمسطحة)، تنحني حوافها (الشكل SI4). في حالة الغمر الكامل، يُتوقع أن تتضاعف طاقة تفاعل مادة NGF مع الماء تقريبًا (مقارنةً بالمادة العائمة)، وأن تطوى حواف المادة للحفاظ على زاوية تماس عالية (كارهة للماء). نعتقد أنه يمكن تطوير استراتيجيات لتجنب تجعد حواف مادة NGF المُدمجة. إحدى هذه الاستراتيجيات هي استخدام مذيبات مختلطة لتعديل تفاعل ترطيب غشاء الجرافيت59.
سبق الإبلاغ عن انتقال SLG إلى أنواع مختلفة من الركائز عبر عمليات النقل الكيميائي الرطب. ومن المُسلَّم به عمومًا وجود قوى فان دير فالس ضعيفة بين أغشية الجرافين/الجرافيت والركائز (سواءً أكانت ركائز صلبة مثل SiO2/Si38،41،46،60، SiC38، Au42، أعمدة Si22 وأغشية الكربون الدانتيلية30،34 أو ركائز مرنة مثل البولي إيميد 37). نفترض هنا أن التفاعلات من نفس النوع هي السائدة. لم نلاحظ أي تلف أو تقشير لـ NGF لأي من الركائز المعروضة هنا أثناء المناولة الميكانيكية (أثناء التوصيف في ظل الفراغ و/أو الظروف الجوية أو أثناء التخزين) (على سبيل المثال، الشكل 2، SI7 وSI9). بالإضافة إلى ذلك، لم نلاحظ ذروة SiC في طيف XPS C1 s لمستوى قلب عينة NGF/SiO2/Si (الشكل 4). تشير هذه النتائج إلى عدم وجود رابطة كيميائية بين NGF والركيزة المستهدفة.
في القسم السابق، "نقل FS- وBS-NGF بدون بوليمر"، أوضحنا أن NGF يمكن أن ينمو وينتقل على جانبي رقاقة النيكل. تختلف FS-NGF وBS-NGF من حيث خشونة السطح، مما دفعنا إلى استكشاف التطبيقات الأنسب لكل نوع.
بالنظر إلى شفافية FS-NGF وسطحه الأملس، درسنا تركيبه الموضعي وخصائصه البصرية والكهربائية بمزيد من التفصيل. حُددت بنية FS-NGF وتركيبها بدون نقل البوليمر باستخدام التصوير بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وتحليل أنماط حيود الإلكترونات في المنطقة المختارة (SAED). تظهر النتائج المقابلة في الشكل 5. كشف التصوير بالمجهر الإلكتروني النافذ المستوي منخفض التكبير عن وجود منطقتي NGF وFLG بخصائص تباين إلكتروني مختلفة، أي مناطق داكنة وأخرى فاتحة، على التوالي (الشكل 5أ). يتميز الفيلم عمومًا بسلامة ميكانيكية جيدة واستقرار بين مناطق NGF وFLG المختلفة، مع تداخل جيد وخلوه من التلف أو التمزق، وهو ما أكدته أيضًا دراسات المجهر الإلكتروني الماسح (الشكل 3) ودراسات المجهر الإلكتروني النافذ عالي التكبير (الشكل 5ج-هـ). على وجه الخصوص، يوضح الشكل 5د بنية الجسر في أكبر جزء منها (الموضع المُشار إليه بالسهم الأسود المنقط في الشكل 5د)، والتي تتميز بشكل مثلث وتتكون من طبقة جرافين بعرض حوالي 51. يُختصر التركيب، بمسافة بين المستويات تبلغ 0.33 ± 0.01 نانومتر، إلى عدة طبقات من الجرافين في أضيق منطقة (نهاية السهم الأسود المتصل في الشكل 5د).
صورة مجهر إلكتروني نفاثة مستوية لعينة من النيكل-أكسيد النيكل خالية من البوليمر على شبكة نحاسية كربونية مزخرفة: (أ، ب) صور مجهر إلكتروني نفاثة منخفضة التكبير تتضمن منطقتي NGF وFLG. (جـ) الصور عالية التكبير لمناطق مختلفة في اللوحتين أ و ب مُعلَّمة بأسهم من نفس اللون. تشير الأسهم الخضراء في اللوحتين أ و ج إلى مناطق دائرية من التلف أثناء محاذاة الشعاع. (و-ط) في الألواح أ إلى ج، تُشار إلى أنماط SAED في مناطق مختلفة بدوائر زرقاء، وزرقاء، وبرتقالية، وحمراء، على التوالي.
يُظهر هيكل الشريط في الشكل 5ج (المُشار إليه بسهم أحمر) الاتجاه الرأسي لمستويات شبكة الجرافيت، والذي قد يكون ناتجًا عن تكوّن طيات نانوية على طول الغشاء (المُدرج في الشكل 5ج) نتيجةً لإجهاد القص الزائد غير المُعوَّض30،61،62. عند استخدام المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة، تُظهر هذه الطيات النانوية 30 اتجاهًا بلوريًا مختلفًا عن بقية منطقة طبقة غشاء الجرافيت النانوية؛ حيث تكون المستويات القاعدية لشبكة الجرافيت موجهة رأسيًا تقريبًا، بدلًا من أن تكون أفقية مثل بقية الغشاء (المُدرج في الشكل 5ج). وبالمثل، تُظهر منطقة طبقة غشاء الجرافيت النانوية أحيانًا طيات خطية وضيقة النطاق (مُشار إليها بأسهم زرقاء)، والتي تظهر عند التكبير المنخفض والمتوسط ​​في الشكلين 5ب و5هـ على التوالي. يؤكد الملحق في الشكل 5هـ وجود طبقات جرافين ثنائية وثلاثية الطبقات في قطاع FLG (المسافة بين المستويات 0.33 ± 0.01 نانومتر)، وهو ما يتفق تمامًا مع نتائجنا السابقة30. بالإضافة إلى ذلك، يظهر في الشكل SI9 صور المجهر الإلكتروني الماسح المسجلة لـ NGF الخالية من البوليمر المنقولة إلى شبكات نحاسية ذات أغشية كربونية دانتيلية (بعد إجراء قياسات TEM من الأعلى). منطقة FLG المعلقة جيدًا (مُشار إليها بسهم أزرق) والمنطقة المكسورة في الشكل SI9f. يُعرض السهم الأزرق (على حافة NGF المنقولة) عمدًا لإثبات قدرة منطقة FLG على مقاومة عملية النقل بدون بوليمر. باختصار، تؤكد هذه الصور أن NGF المعلق جزئيًا (بما في ذلك منطقة FLG) يحافظ على سلامته الميكانيكية حتى بعد التعامل الصارم والتعرض للفراغ العالي أثناء قياسات TEM وSEM (الشكل SI9).
بفضل التسطيح الممتاز لطبقة NGF (انظر الشكل 5أ)، ليس من الصعب توجيه الرقائق على طول محور المجال [0001] لتحليل بنية SAED. بناءً على السُمك المحلي للفيلم وموقعه، تم تحديد عدة مناطق ذات أهمية (12 نقطة) لدراسات حيود الإلكترون. في الأشكال 5أ-ج، تظهر أربع من هذه المناطق النموذجية ومُعلّمة بدوائر ملونة (مُرمّزة باللون الأزرق والسماوي والبرتقالي والأحمر). الشكلان 2 و3 لوضع SAED. تم الحصول على الشكلين 5و وز من منطقة FLG الموضحة في الشكلين 5 و5. كما هو موضح في الشكلين 5ب و5ج على التوالي، لهما بنية سداسية تُشبه الجرافين الملتوي63. على وجه الخصوص، يوضح الشكل 5f ثلاثة أنماط متراكبة بنفس اتجاه محور منطقة [0001]، مدورًا بمقدار 10° و20°، كما يتضح من عدم التطابق الزاوي للأزواج الثلاثة من الانعكاسات (10-10). وبالمثل، يوضح الشكل 5g نمطين سداسيين متراكبين مدورين بمقدار 20°. يمكن أن تنشأ مجموعتان أو ثلاث مجموعات من الأنماط السداسية في منطقة FLG من ثلاث طبقات جرافين داخل المستوى أو خارجه 33 مدورين بالنسبة لبعضهم البعض. في المقابل، تُظهر أنماط حيود الإلكترون في الشكل 5h، i (المقابلة لمنطقة NGF الموضحة في الشكل 5a) نمطًا واحدًا [0001] بشدة حيود نقطية أعلى بشكل عام، مما يتوافق مع سمك المادة الأكبر. تتوافق نماذج SAED هذه مع بنية غرافيتية أكثر سمكًا واتجاه متوسط ​​مقارنةً بـ FLG، كما يُستنتج من المؤشر 64. كشف توصيف الخصائص البلورية لـ NGF عن وجود بلوراتين أو ثلاث بلورات من الجرافيت (أو الجرافين) متراكبة. والجدير بالذكر بشكل خاص في منطقة FLG هو أن البلورات تتميز بدرجة معينة من سوء التوجيه داخل أو خارج المستوى. وقد سبق الإبلاغ عن جزيئات/طبقات الجرافيت بزوايا دوران داخل المستوى تبلغ 17 درجة و22 درجة و25 درجة لـ NGF المزروع على أغشية Ni 64. تتوافق قيم زاوية الدوران الملحوظة في هذه الدراسة مع زوايا الدوران الملحوظة سابقًا (±1 درجة) لجرافين BLG63 الملتوي.
تم قياس الخواص الكهربائية لـ NGF/SiO2/Si عند درجة حرارة 300 كلفن على مساحة 10×3 مم². وبلغت قيم تركيز حاملات الإلكترونات والحركة والتوصيل 1.6 × 1020 سم³، و220 سم² V-1 C-1، و2000 S-cm-1 على التوالي. وتتشابه قيم الحركة والتوصيل لـ NGF مع الجرافيت الطبيعي²، وأعلى من الجرافيت عالي التوجه المتوفر تجاريًا (المنتج عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية)²9. كما أن قيم تركيز حاملات الإلكترونات المرصودة أعلى بمرتبتين من تلك التي تم الإبلاغ عنها مؤخرًا (7.25 × 10 سم³) لأغشية الجرافيت ذات السُمك الميكروني والمُحضرة باستخدام صفائح بولي إيميد عالية الحرارة (3200 درجة مئوية)²0.
أجرينا أيضًا قياسات نفاذية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية على FS-NGF المنقولة إلى ركائز الكوارتز (الشكل 6). يُظهر الطيف الناتج نفاذية شبه ثابتة تبلغ 62% في نطاق 350-800 نانومتر، مما يشير إلى أن NGF شفاف للضوء المرئي. في الواقع، يمكن رؤية اسم "KAUST" في الصورة الرقمية للعينة في الشكل 6ب. على الرغم من أن البنية النانوية البلورية لـ NGF تختلف عن بنية SLG، إلا أنه يمكن تقدير عدد الطبقات تقريبًا باستخدام قاعدة فقدان النفاذية بنسبة 2.3% لكل طبقة إضافية65. ووفقًا لهذه العلاقة، فإن عدد طبقات الجرافين التي تعاني من فقدان نفاذية بنسبة 38% هو 21 طبقة. يتكون NGF المزروع بشكل أساسي من 300 طبقة جرافين، أي بسُمك حوالي 100 نانومتر (الشكل 1، SI5 وSI7). لذلك، نفترض أن الشفافية البصرية المرصودة تتوافق مع منطقتي FLG وMLG، نظرًا لتوزيعهما في جميع أنحاء الفيلم (الأشكال 1، 3، 5، و6ج). بالإضافة إلى البيانات الهيكلية المذكورة أعلاه، تؤكد الموصلية والشفافية أيضًا الجودة البلورية العالية لطبقة NGF المنقولة.
(أ) قياس نفاذية الأشعة فوق البنفسجية المرئية، (ب) انتقال نموذجي لعامل نمو الخلايا العصبية (NGF) على الكوارتز باستخدام عينة تمثيلية. (ج) مخطط لعامل نمو الخلايا العصبية (الصندوق الداكن) مع مناطق FLG وMLG موزعة بالتساوي، مُعلَّمة بأشكال عشوائية رمادية في جميع أنحاء العينة (انظر الشكل 1) (حوالي 0.1-3% مساحة لكل 100 ميكرومتر مربع). الأشكال العشوائية وأحجامها في الرسم التخطيطي هي لأغراض توضيحية فقط، ولا تُطابق المساحات الفعلية.
سبق نقل أغشية الجرافيت النانوية الشفافة، المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، إلى أسطح السيليكون العارية واستخدامها في الخلايا الشمسية. 15،16 وتبلغ كفاءة تحويل الطاقة (PCE) الناتجة 1.5%. تؤدي هذه الأغشية وظائف متعددة، مثل طبقات المركبات النشطة، ومسارات نقل الشحنة، والأقطاب الشفافة. 15،16 إلا أن غشاء الجرافيت ليس متجانسًا. ويلزم إجراء المزيد من التحسينات من خلال التحكم الدقيق في مقاومة الصفيحة والنفاذية الضوئية لقطب الجرافيت، نظرًا لأهمية هاتين الخاصيتين في تحديد قيمة كفاءة تحويل الطاقة (PCE) للخلية الشمسية. 15،16 عادةً ما تكون أغشية الجرافين شفافة للضوء المرئي بنسبة 97.7%، ولكن لديها مقاومة صفيحة تتراوح بين 200 و3000 أوم/م². 16 ويمكن تقليل مقاومة سطح أغشية الجرافين عن طريق زيادة عدد الطبقات (نقل طبقات الجرافين المتعددة) والتطعيم بـ HNO3 (~30 أوم/م²). 66 مع ذلك، تستغرق هذه العملية وقتًا طويلاً، ولا تحافظ طبقات النقل المختلفة دائمًا على اتصال جيد. يتميز غشاء NGF الأمامي لدينا بخصائص مثل موصلية 2000 S/cm، ومقاومة صفائح الغشاء 50 أوم/م²، وشفافية 62%، مما يجعله بديلاً عمليًا للقنوات الموصلة أو الأقطاب الكهربائية المضادة في الخلايا الشمسية15،16.
على الرغم من أن بنية وكيمياء سطح BS-NGF متشابهة مع FS-NGF، إلا أن خشونة سطحها مختلفة ("نمو FS وBS-NGF"). في السابق، استخدمنا طبقة رقيقة جدًا من الجرافيت22 كمستشعر للغاز. لذلك، اختبرنا جدوى استخدام BS-NGF لمهام استشعار الغاز (الشكل SI10). أولاً، تم نقل أجزاء بحجم مم2 من BS-NGF إلى شريحة مستشعر القطب المتداخل (الشكل SI10a-c). تم الإبلاغ عن تفاصيل تصنيع الشريحة سابقًا؛ تبلغ مساحتها الحساسة النشطة 9 مم267. في صور المجهر الإلكتروني الماسح (الشكلان SI10b وc)، يكون القطب الذهبي الأساسي مرئيًا بوضوح من خلال NGF. مرة أخرى، يمكن ملاحظة أنه تم تحقيق تغطية موحدة للرقاقة لجميع العينات. تم تسجيل قياسات مستشعر الغاز لمختلف الغازات (الشكل SI10d) (الشكل SI11) وتظهر معدلات الاستجابة الناتجة في الأشكال SI10g. من المحتمل أن يكون ذلك مرتبطًا بغازات أخرى متداخلة، بما في ذلك ثاني أكسيد الكبريت (200 جزء في المليون)، والهيدروجين (2%)، والميثان (200 جزء في المليون)، وثاني أكسيد الكربون (2%)، وكبريتات الهيدروجين (200 جزء في المليون)، والأمونيا (200 جزء في المليون). أحد الأسباب المحتملة هو ثاني أكسيد النيتروجين. الطبيعة المحبة للإلكترونات للغاز22،68. عند امتزازه على سطح الجرافين، فإنه يقلل من امتصاص النظام للتيار الكهربائي. يُعرض في الجدول SI2 مقارنة بين بيانات زمن استجابة مستشعر BS-NGF والمستشعرات المنشورة سابقًا. آلية إعادة تنشيط مستشعرات NGF باستخدام بلازما الأشعة فوق البنفسجية، أو بلازما الأوزون، أو المعالجة الحرارية (50-150 درجة مئوية) للعينات المكشوفة جارية، ومن الأفضل اتباعها بتطبيق أنظمة مدمجة69.
خلال عملية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، ينمو الجرافين على جانبي ركيزة المحفز41. ومع ذلك، عادةً ما يُقذف جرافين BS أثناء عملية النقل41. في هذه الدراسة، نُبيّن إمكانية تحقيق نمو عالي الجودة لـ NGF ونقل NGF بدون بوليمر على جانبي دعامة المحفز. BS-NGF أرق (~80 نانومتر) من FS-NGF (~100 نانومتر)، ويُفسر هذا الاختلاف بعدم تعرض BS-Ni مباشرةً لتدفق غاز المادة الأولية. كما وجدنا أن خشونة ركيزة NiAR تؤثر على خشونة NGF. تشير هذه النتائج إلى إمكانية استخدام FS-NGF المستوي المُنمّى كمادة أولية للجرافين (بطريقة التقشير70) أو كقناة موصلة في الخلايا الشمسية15،16. على النقيض من ذلك، سيتم استخدام BS-NGF للكشف عن الغاز (الشكل SI9) وربما لأنظمة تخزين الطاقة71،72 حيث ستكون خشونة سطحه مفيدة.
بناءً على ما سبق، من المفيد دمج العمل الحالي مع أغشية الجرافيت المنشورة سابقًا، والتي نُمِّيت بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار الكيميائي (CVD) باستخدام رقائق النيكل. وكما هو موضح في الجدول 2، فإن الضغوط العالية التي استخدمناها قلَّصت زمن التفاعل (مرحلة النمو) حتى في درجات حرارة منخفضة نسبيًا (بين 850 و1300 درجة مئوية). كما حققنا نموًا أكبر من المعتاد، مما يشير إلى إمكانية التمدد. هناك عوامل أخرى يجب مراعاتها، وقد أدرجنا بعضها في الجدول.
تم تنمية NGF عالي الجودة ثنائي الجانب على رقاقة النيكل بواسطة الترسيب الكيميائي البخاري التحفيزي. من خلال التخلص من ركائز البوليمر التقليدية (مثل تلك المستخدمة في الجرافين CVD)، نحقق نقلًا رطبًا نظيفًا وخاليًا من العيوب لـ NGF (المُنمّى على الجانبين الخلفي والأمامي لرقاقة النيكل) إلى مجموعة متنوعة من الركائز المهمة للعملية. والجدير بالذكر أن NGF يتضمن مناطق FLG وMLG (عادةً من 0.1% إلى 3% لكل 100 ميكرومتر مربع) مدمجة هيكليًا بشكل جيد في الفيلم الأكثر سمكًا. يُظهر المجهر الإلكتروني النافذ المستوي أن هذه المناطق تتكون من أكوام من جسيمين إلى ثلاثة جسيمات من الجرافيت/الجرافين (بلورات أو طبقات، على التوالي)، بعضها لديه عدم تطابق دوراني يتراوح بين 10 و20 درجة. منطقتا FLG وMLG مسؤولتان عن شفافية FS-NGF للضوء المرئي. أما بالنسبة للصفائح الخلفية، فيمكن حملها بالتوازي مع الصفائح الأمامية، وكما هو موضح، يمكن أن يكون لها غرض وظيفي (على سبيل المثال، للكشف عن الغاز). تعتبر هذه الدراسات مفيدة جدًا لتقليل النفايات والتكاليف في عمليات الترسيب الكيميائي للبخار على نطاق صناعي.
بشكل عام، يقع متوسط ​​سمك أغشية نانوية عامل نمو الترسيب الكيميائي للبخار (CVD NGF) بين صفائح الجرافين (منخفضة ومتعددة الطبقات) والجرافيت الصناعي (الميكرومتر). إن تنوع خصائصها المميزة، بالإضافة إلى الطريقة البسيطة التي طورناها لإنتاجها ونقلها، يجعل هذه الأغشية مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب الاستجابة الوظيفية للجرافيت، دون تكلفة عمليات الإنتاج الصناعي كثيفة الاستهلاك للطاقة المستخدمة حاليًا.
تم تركيب رقاقة نيكل بسُمك 25 ميكرومتر (بنقاء 99.5%، جودفيلو) في مفاعل ترسيب بخاري تجاري (Aixtron 4-inch BMPro). تم تطهير النظام بالأرجون، ثم تم تفريغه إلى ضغط أساسي قدره 10-3 ملي بار. ثم وُضعت رقاقة النيكل في محلول Ar/H2 (بعد التلدين المسبق لرقاقة النيكل لمدة 5 دقائق، عُرضت الرقاقة لضغط 500 ملي بار عند درجة حرارة 900 درجة مئوية). تم ترسيب NGF في تدفق CH/H2 (100 سم3 لكل منهما) لمدة 5 دقائق. ثم بُرِّدت العينة إلى درجة حرارة أقل من 700 درجة مئوية باستخدام تدفق Ar (4000 سم3) عند 40 درجة مئوية/دقيقة. وُصفت تفاصيل تحسين عملية نمو NGF في مكان آخر.30
تم تصوير مورفولوجيا سطح العينة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) باستخدام مجهر زايس ميرلين (1 كيلو فولت، 50 بيكو أمبير). قُيست خشونة سطح العينة وسمك غشاء عامل النمو العصبي (NGF) باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) (Dimension Icon SPM, Bruker). أُجريت قياسات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وطبقة SAED باستخدام مجهر FEI Titan 80–300 Cubed المزود بمسدس انبعاث مجال عالي السطوع (300 كيلو فولت)، ومونوكروماتور من نوع FEI Wien، ومصحح انحراف كروي لعدسة CEOS للحصول على النتائج النهائية. دقة مكانية 0.09 نانومتر. نُقلت عينات غشاء عامل النمو العصبي (NGF) إلى شبكات نحاسية مطلية بطبقة كربونية مخيطة لتصوير غشاء نافذ مسطح وتحليل بنية غشاء SAED. وبالتالي، تُعلق معظم كتل العينة في مسام الغشاء الداعم. حُللت عينات غشاء عامل النمو العصبي المنقولة بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD). تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية باستخدام مقياس حيود المسحوق (محول الطور Brucker D2 مع مصدر Cu Kα، 1.5418 Å وكاشف LYNXEYE) باستخدام مصدر إشعاع Cu بقطر بقعة شعاع يبلغ 3 مم.
تم تسجيل العديد من قياسات نقطة رامان باستخدام مجهر بؤري متكامل (Alpha 300 RA، WITeC). تم استخدام ليزر بطول موجة 532 نانومتر وقوة إثارة منخفضة (25%) لتجنب التأثيرات الحرارية. تم إجراء مطيافية ضوئية إلكترونية بالأشعة السينية (XPS) على مطياف Kratos Axis Ultra على مساحة عينة 300 × 700 ميكرومتر مربع باستخدام إشعاع أحادي اللون Al Kα (hν = 1486.6 إلكترون فولت) بقوة 150 واط. تم الحصول على أطياف الدقة عند طاقات انتقال 160 إلكترون فولت و20 إلكترون فولت على التوالي. تم تقطيع عينات NGF المنقولة إلى SiO2 إلى قطع (3 × 10 مم مربع لكل منها) باستخدام ليزر ألياف الإيتربيوم PLS6MW (1.06 ميكرومتر) بقوة 30 واط. تم تصنيع نقاط اتصال سلكية نحاسية (سمكها 50 ميكرومتر) باستخدام عجينة الفضة تحت المجهر الضوئي. أُجريت تجارب النقل الكهربائي وتأثير هول على هذه العينات عند درجة حرارة 300 كلفن وتغير في المجال المغناطيسي قدره ± 9 تسلا، وذلك باستخدام نظام قياس الخواص الفيزيائية (PPMS EverCool-II، Quantum Design، الولايات المتحدة الأمريكية). سُجِّلت أطياف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية المنقولة باستخدام مطياف لامدا 950 للأشعة فوق البنفسجية-المرئية في نطاق 350-800 نانومتر من مجال نانوي فلوري، ثم نُقلت إلى ركائز الكوارتز وعينات الكوارتز المرجعية.
تم توصيل مستشعر المقاومة الكيميائية (شريحة قطب كهربائي متشابك) بلوحة دوائر مطبوعة مخصصة 73، وتم استخراج المقاومة مؤقتًا. وُصلت لوحة الدوائر المطبوعة التي يوجد عليها الجهاز بأطراف التلامس ووُضعت داخل حجرة استشعار الغاز 74. أُخذت قياسات المقاومة عند جهد 1 فولت مع مسح مستمر من التطهير إلى التعرض للغاز، ثم التطهير مرة أخرى. نُظِّفت الحجرة أولًا بالتطهير بالنيتروجين بمعدل 200 سم3 لمدة ساعة واحدة لضمان إزالة جميع المُحللات الأخرى الموجودة فيها، بما في ذلك الرطوبة. ثم أُطلقت المُحللات الفردية ببطء إلى الحجرة بنفس معدل التدفق البالغ 200 سم3 عن طريق إغلاق أسطوانة N2.
تم نشر نسخة منقحة من هذه المقالة ويمكن الوصول إليها من خلال الرابط الموجود أعلى المقالة.
إيناغاكي، م. وكانغ، ف. علوم وهندسة مواد الكربون: الأساسيات. الطبعة الثانية، 2014. 542.
بيرسون، HO، دليل الكربون والجرافيت والماس والفوليرينات: الخصائص والمعالجة والتطبيقات. تم تحرير الطبعة الأولى. ١٩٩٤، نيوجيرسي.
تساي، و. وآخرون. أغشية الجرافين/الجرافيت متعددة الطبقات ذات مساحة كبيرة كأقطاب كهربائية موصلة رقيقة وشفافة. تطبيقات. فيزياء. رايت. 95(12)، 123115(2009).
Balandin AA، الخواص الحرارية للجرافين ومواد الكربون النانوية. مجلة المواد الطبيعية 10(8)، 569-581 (2011).
تشنغ كي واي، براون بي دبليو، وكاهيل دي جي. التوصيل الحراري لأغشية الجرافيت المزروعة على النيكل (111) بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار عند درجة حرارة منخفضة. ظرف. مات. واجهة 3، 16 (2016).
هيسجيدال، ت. النمو المستمر لأغشية الجرافين بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار. تطبيقات. فيزياء. رايت. 98(13)، 133106(2011).