تنمية طبقة من الجرافيت الشفاف على النيكل ونقلها ثنائي الاتجاه بدون بوليمر

نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل النتائج، نوصي باستخدام إصدار أحدث من متصفحكم (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، نعرض الموقع بدون تنسيق أو جافا سكريبت.
تُعدّ أغشية الجرافيت النانوية (NGFs) مواد نانوية متينة يُمكن إنتاجها بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار التحفيزي، إلا أن سهولة نقلها وتأثير مورفولوجيا سطحها على استخدامها في أجهزة الجيل القادم لا تزال محل تساؤل. في هذه الدراسة، نُقدّم تقريرًا عن نمو أغشية الجرافيت النانوية على جانبي رقاقة نيكل متعددة البلورات (مساحة 55 سم²، وسُمك حوالي 100 نانومتر) ونقلها دون استخدام بوليمر (من الأمام والخلف، بمساحة تصل إلى 6 سم²). نظرًا لاختلاف مورفولوجيا رقاقة المحفز، يختلف غشاءا الكربون في خصائصهما الفيزيائية وغيرها من الخصائص (مثل خشونة السطح). نُبيّن أن أغشية الجرافيت النانوية ذات السطح الخلفي الأكثر خشونة مناسبة تمامًا للكشف عن ثاني أكسيد النيتروجين، بينما تُعدّ أغشية الجرافيت النانوية الأكثر نعومةً والأكثر توصيلًا على الجانب الأمامي (2000 سيمنز/سم، ومقاومة سطحية 50 أوم/م²) موصلات فعّالة. بشكل عام، قد تساعد عمليات النمو والنقل الموصوفة في تحقيق NGF كمادة كربونية بديلة للتطبيقات التكنولوجية حيث لا تكون أغشية الجرافين والجرافيت ذات السماكة الميكرونية مناسبة.
يُعدّ الجرافيت مادة صناعية واسعة الاستخدام. ومن أبرز خصائصه انخفاض كثافته نسبيًا، وارتفاع موصليته الحرارية والكهربائية في المستوى، فضلًا عن استقراره العالي في البيئات الحرارية والكيميائية القاسية^1،2. ويُعتبر الجرافيت الرقائقي مادةً أوليةً معروفةً لأبحاث الجرافين³. وعند معالجته إلى أغشية رقيقة، يُمكن استخدامه في طيف واسع من التطبيقات، بما في ذلك مشتتات الحرارة للأجهزة الإلكترونية كالهواتف الذكية^4،5،6،7، وكمادة فعّالة في أجهزة الاستشعار^8،9،10، وللحماية من التداخل الكهرومغناطيسي^11،12، وأغشية الطباعة الحجرية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصوى^13،14، وقنوات التوصيل في الخلايا الشمسية^15،16. وفي جميع هذه التطبيقات، سيكون من المزايا الهامة سهولة إنتاج ونقل مساحات كبيرة من أغشية الجرافيت النانوية (NGFs) ذات سماكات مضبوطة في النطاق النانوي (<100 نانومتر).
تُنتَج أغشية الجرافيت بطرقٍ متنوعة. ففي إحدى الحالات، استُخدمت عملية التضمين والتمديد متبوعةً بالتقشير لإنتاج رقائق الجرافين^10،11،17. ويجب معالجة هذه الرقائق لاحقًا لتكوين أغشية بالسماكة المطلوبة، وغالبًا ما يستغرق إنتاج صفائح جرافيت كثيفة عدة أيام. وثمة نهج آخر يتمثل في البدء بمواد أولية صلبة قابلة للجرافيت. ففي الصناعة، تُكربن صفائح البوليمرات (عند درجة حرارة 1000-1500 درجة مئوية) ثم تُجرافنت (عند درجة حرارة 2800-3200 درجة مئوية) لتشكيل مواد طبقية ذات بنية جيدة. وعلى الرغم من جودة هذه الأغشية العالية، إلا أن استهلاك الطاقة كبير^1،18،19، ويقتصر الحد الأدنى للسماكة على بضعة ميكرونات^{1،18،19،20}.
يُعدّ الترسيب الكيميائي للبخار التحفيزي (CVD) طريقةً معروفةً لإنتاج الجرافين وأغشية الجرافيت فائقة الرقة (أقل من 10 نانومتر) بجودة هيكلية عالية وتكلفة معقولة.^{21،22،23،24،25،26،27} ومع ذلك، بالمقارنة مع نمو الجرافين وأغشية الجرافيت فائقة الرقة،²⁸ فإنّ نمو و/أو تطبيق الجرافين النانوي الجرافيني (NGF) على مساحات واسعة باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار التحفيزي لا يزال مجالًا بحثيًا محدودًا.^{11،13،29،30،31،32،33}
غالبًا ما تتطلب أغشية الجرافين والجرافيت المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) نقلها إلى ركائز وظيفية.³⁴ وتشمل عمليات نقل هذه الأغشية الرقيقة طريقتين رئيسيتين:³⁵: (1) النقل بدون حفر^36،37 و(2) النقل الكيميائي الرطب القائم على الحفر (على ركيزة مدعومة)^14،34،38. لكل طريقة مزاياها وعيوبها، ويجب اختيارها بناءً على التطبيق المقصود، كما هو موضح في مراجع أخرى^35،39. بالنسبة لأغشية الجرافين/الجرافيت المُنمّاة على ركائز محفزة، يظل النقل عبر العمليات الكيميائية الرطبة (التي يُعد بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) طبقة الدعم الأكثر شيوعًا فيها) الخيار الأول^{13،30،34،38،40،41،42}. وقد ذُكر في دراسة يو وآخرون أنه لم يُستخدم أي بوليمر لنقل أغشية الجرافين النانوية (NGF) (حجم العينة حوالي 4 سم²)^25،43، ولكن لم تُقدّم أي تفاصيل بشأن استقرار العينة أو كيفية التعامل معها أثناء النقل. تتألف عمليات الكيمياء الرطبة باستخدام البوليمرات من عدة خطوات، تشمل وضع طبقة بوليمرية قابلة للاستهلاك ثم إزالتها لاحقًا.^{30،38،40،41،42} لهذه العملية عيوبها، فعلى سبيل المثال، قد تُغير بقايا البوليمر خصائص الفيلم المُنمّى.³⁸ يمكن إزالة البوليمر المتبقي بمعالجة إضافية، لكن هذه الخطوات الإضافية تزيد من تكلفة ووقت إنتاج الفيلم.^38،40 أثناء نمو طبقة الجرافين بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، تترسب طبقة من الجرافين ليس فقط على الوجه الأمامي لرقاقة المحفز (الجانب المواجه لتدفق البخار)، بل أيضًا على وجهها الخلفي. مع ذلك، يُعتبر الوجه الخلفي منتجًا ثانويًا، ويمكن إزالته بسرعة باستخدام البلازما اللينة.^38،41 يمكن أن تُساعد إعادة تدوير هذا الفيلم على زيادة الإنتاجية إلى أقصى حد، حتى وإن كانت جودته أقل من جودة فيلم الكربون الأمامي.
نقدم هنا تقريرًا عن تحضير طبقة رقيقة من ألياف النيكل النانوية (NGF) على رقائق النيكل متعددة البلورات، ذات جودة هيكلية عالية، بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). وقد تم تقييم تأثير خشونة السطحين الأمامي والخلفي للرقاقة على مورفولوجيا وبنية NGF. كما نوضح طريقة فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة لنقل NGF من كلا جانبي رقاقة النيكل إلى ركائز متعددة الوظائف دون استخدام البوليمر، ونبين كيف أن الأغشية الأمامية والخلفية مناسبة لتطبيقات متنوعة.
تتناول الأقسام التالية سماكات أغشية الجرافيت المختلفة تبعًا لعدد طبقات الجرافين المكدسة: (1) طبقة جرافين أحادية (طبقة واحدة)، (2) طبقات قليلة من الجرافين (أقل من 10 طبقات)، (3) طبقات متعددة من الجرافين (من 10 إلى 30 طبقة)، و(4) جرافين عالي السماكة (حوالي 300 طبقة). وتُعدّ الأخيرة السماكة الأكثر شيوعًا، حيث تُعبّر عنها كنسبة مئوية من المساحة (حوالي 97% من المساحة لكل 100 ميكرومتر مربع)³⁰. ولذلك يُطلق على الغشاء بأكمله اسم جرافين عالي السماكة.
تتميز رقائق النيكل متعددة البلورات المستخدمة في تصنيع أغشية الجرافين والجرافيت بنسيج مختلف نتيجةً لعملية تصنيعها ومعالجتها اللاحقة. وقد نشرنا مؤخرًا دراسةً لتحسين عملية نمو NGF30. بيّنا أن معايير العملية، مثل زمن التلدين وضغط الحجرة أثناء مرحلة النمو، تلعب دورًا حاسمًا في الحصول على أغشية NGF ذات سماكة منتظمة. في هذه الدراسة، بحثنا نمو NGF على السطح الأمامي المصقول (FS) والسطح الخلفي غير المصقول (BS) لرقائق النيكل (الشكل 1أ). تم فحص ثلاثة أنواع من العينات (FS وBS)، موضحة في الجدول 1. عند الفحص البصري، يمكن ملاحظة نمو NGF المنتظم على جانبي رقاقة النيكل (NiAG) من خلال تغير لون ركيزة النيكل من اللون الرمادي الفضي المعدني المميز إلى اللون الرمادي غير اللامع (الشكل 1أ)؛ وقد تم تأكيد ذلك بالقياسات المجهرية (الشكل 1ب، ج). يُظهر الشكل 1ج طيف رامان نموذجيًا لـ FS-NGF، والذي لوحظ في المنطقة الساطعة والمُشار إليها بالأسهم الحمراء والزرقاء والبرتقالية في الشكل 1ب. تؤكد قمم رامان المميزة للجرافيت G (1683 سم⁻¹) و2D (2696 سم⁻¹) نمو NGF عالي التبلور (الشكل 1ج، الجدول SI1). لوحظ في جميع أنحاء الغشاء غلبة أطياف رامان بنسبة شدة (I2D/IG) ≈ 0.3، بينما نادراً ما لوحظت أطياف رامان بنسبة I2D/IG = 0.8. يشير غياب قمم العيوب (D = 1350 سم⁻¹) في الغشاء بأكمله إلى جودة نمو NGF العالية. تم الحصول على نتائج رامان مماثلة على عينة BS-NGF (الشكل SI1 أ و ب، الجدول SI1).
مقارنة بين رقائق NiAG FS- وBS-NGF: (أ) صورة لعينة NGF نموذجية (NiAG) تُظهر نمو NGF على مستوى الرقاقة (55 سم²) وعينات رقائق BS- وFS-Ni الناتجة، (ب) صور FS-NGF/Ni تم الحصول عليها بواسطة مجهر ضوئي، (ج) أطياف رامان نموذجية مسجلة في مواقع مختلفة في اللوحة (ب)، (د، و) صور مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) بتكبيرات مختلفة على FS-NGF/Ni، (هـ، ز) صور مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) بتكبيرات مختلفة على 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 الطي.
بما أن النمو يعتمد على سُمك الركيزة الأولية، وحجم البلورات، واتجاهها، وحدود الحبيبات، فإن تحقيق تحكم معقول في سُمك طبقة الجرافين النانوية (NGF) على مساحات واسعة لا يزال يُمثل تحديًا^20،34،44. استخدمت هذه الدراسة محتوىً سبق نشره³⁰. تُنتج هذه العملية منطقة ساطعة بنسبة 0.1 إلى 3% لكل 100 ميكرومتر²³⁰. في الأقسام التالية، نعرض نتائج كلا النوعين من المناطق. تُظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عالية التكبير وجود العديد من مناطق التباين الساطع على كلا الجانبين (الشكل 1f، g)، مما يُشير إلى وجود مناطق الجرافين أحادي الطبقة (FLG) وأحادي الطبقة (MLG)^30،45. وقد تأكد ذلك أيضًا من خلال تشتت رامان (الشكل 1c) ونتائج المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) (التي ستُناقش لاحقًا في قسم "FS-NGF: التركيب والخصائص"). من المُحتمل أن تكون مناطق FLG وMLG المُلاحظة على عينات FS- وBS-NGF/Ni (طبقة الجرافين النانوية الأمامية والخلفية المُنمّاة على النيكل) قد نمت على حبيبات Ni(111) الكبيرة التي تشكلت أثناء المعالجة الحرارية المُسبقة^22،30،45. لوحظ وجود طيات على كلا الجانبين (الشكل 1ب، المشار إليه بالأسهم الأرجوانية). غالباً ما توجد هذه الطيات في أغشية الجرافين والجرافيت المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) نظراً للاختلاف الكبير في معامل التمدد الحراري بين الجرافيت وركيزة النيكل.
أكدت صورة المجهر الذري الماسح (AFM) أن عينة FS-NGF كانت أكثر استواءً من عينة BS-NGF (الشكل SI1) (الشكل SI2). بلغت قيم متوسط ​​الجذر التربيعي للخشونة (RMS) لعينتي FS-NGF/Ni (الشكل SI2c) وBS-NGF/Ni (الشكل SI2d) 82 و200 نانومتر على التوالي (تم قياسها على مساحة 20 × 20 ميكرومتر مربع). يمكن تفسير ارتفاع الخشونة بناءً على تحليل سطح رقاقة النيكل (NiAR) في حالتها الأصلية (الشكل SI3). تُظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لعينتي FS وBS-NiAR في الأشكال SI3a-d اختلافًا في مورفولوجيا السطح: تحتوي رقاقة FS-Ni المصقولة على جزيئات كروية نانوية وميكرونية الحجم، بينما تُظهر رقاقة BS-Ni غير المصقولة بنية متدرجة. تُظهر الأشكال من SI3e إلى SI3h صورًا منخفضة وعالية الدقة لرقائق النيكل المُعالجة حراريًا (NiA). في هذه الأشكال، يُمكننا ملاحظة وجود جزيئات نيكل بحجم ميكروني على جانبي رقاقة النيكل (الشكل SI3e-h). قد تمتلك الحبيبات الكبيرة اتجاهًا سطحيًا Ni(111)، كما ذُكر سابقًا^30،46. توجد اختلافات ملحوظة في مورفولوجيا رقائق النيكل بين FS-NiA وBS-NiA. تُعزى خشونة BS-NGF/Ni الأعلى إلى سطح BS-NiAR غير المصقول، والذي يبقى سطحه خشنًا بشكل ملحوظ حتى بعد المعالجة الحرارية (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 الحبيبات أثناء نمو الجرافين، مما أدى إلى انخفاض طفيف في حجم الحبيبات وزيادة طفيفة في خشونة سطح الركيزة مقارنة بالرقاقة الملدنة وفيلم المحفز 22.
يُسهم ضبط خشونة سطح الركيزة، ووقت التلدين (حجم الحبيبات)^30،47، والتحكم في التحرير⁴³ في تقليل عدم انتظام سُمك طبقة الجرافين النانوية (NGF) إلى مقياس الميكرومتر المربع و/أو حتى النانومتر المربع (أي اختلافات في السُمك لا تتجاوز بضعة نانومترات). وللتحكم في خشونة سطح الركيزة، يمكن النظر في طرق مثل التلميع الإلكتروليتي لرقاقة النيكل الناتجة⁴⁸. بعد ذلك، يمكن تلدين رقاقة النيكل المُعالجة مسبقًا عند درجة حرارة منخفضة (< 900 درجة مئوية)⁴⁶ ولمدة زمنية قصيرة (< 5 دقائق) لتجنب تكوّن حبيبات Ni(111) الكبيرة (وهو أمر مفيد لنمو طبقات الجرافين المتعددة).
لا يستطيع الجرافين أحادي الطبقة (SLG) وثنائي الطبقة (FLG) مقاومة التوتر السطحي للأحماض والماء، مما يستلزم استخدام طبقات دعم ميكانيكية أثناء عمليات النقل الكيميائي الرطب^22،34،38. على عكس النقل الكيميائي الرطب للجرافين أحادي الطبقة المدعوم بالبوليمر³⁸، وجدنا أنه يمكن نقل كلا جانبي الجرافين النانوي المُنمّى (NGF) دون الحاجة إلى دعم بوليمري، كما هو موضح في الشكل 2أ (انظر الشكل SI4أ لمزيد من التفاصيل). يبدأ نقل NGF إلى ركيزة معينة بالحفر الرطب لطبقة النيكل الأساسية^30.49. وُضعت عينات NGF/Ni/NGF المُنمّاة طوال الليل في 15 مل من حمض النيتريك (HNO₃) بتركيز 70% مُخفف بـ 600 مل من الماء منزوع الأيونات. بعد ذوبان رقاقة النيكل تمامًا، يبقى FS-NGF مسطحًا ويطفو على سطح السائل، تمامًا مثل عينة NGF/Ni/NGF، بينما يُغمر BS-NGF في الماء (الشكل 2أ، ب). ثم نُقلت عينة NGF المعزولة من كأس يحتوي على ماء منزوع الأيونات إلى كأس آخر، وغُسلت جيدًا، مع تكرار العملية من أربع إلى ست مرات عبر طبق زجاجي مقعر. وأخيرًا، وُضعت عينتا FS-NGF وBS-NGF على الركيزة المطلوبة (الشكل 2ج).
عملية النقل الكيميائي الرطب الخالية من البوليمر لـ NGF المزروع على رقائق النيكل: (أ) مخطط تدفق العملية (انظر الشكل SI4 لمزيد من التفاصيل)، (ب) صورة رقمية لـ NGF المفصول بعد حفر النيكل (عينتان)، (ج) مثال على نقل FS- وBS-NGF إلى ركيزة SiO2/Si، (د) نقل FS-NGF إلى ركيزة بوليمر معتمة، (هـ) BS-NGF من نفس العينة كما في اللوحة د (مقسمة إلى جزأين)، تم نقلها إلى ورق C مطلي بالذهب وNafion (ركيزة شفافة مرنة، حوافها مميزة بزوايا حمراء).
تجدر الإشارة إلى أن نقل طبقة الجرافين أحادية الطبقة (SLG) باستخدام طرق النقل الكيميائي الرطب يتطلب وقت معالجة إجمالي يتراوح بين 20 و24 ساعة³⁸. أما مع تقنية النقل الخالية من البوليمر الموضحة هنا (الشكل SI4a)، فيتم تقليل وقت معالجة نقل طبقة الجرافين النانوية (NGF) بشكل ملحوظ (حوالي 15 ساعة). تتكون العملية من: (الخطوة 1) تحضير محلول حفر ووضع العينة فيه (حوالي 10 دقائق)، ثم الانتظار طوال الليل لحفر النيكل (حوالي 72 دقيقة)، (الخطوة 2) الشطف بالماء منزوع الأيونات، (الخطوة 3) التخزين في الماء منزوع الأيونات أو النقل إلى الركيزة المستهدفة (20 دقيقة). تتم إزالة الماء المحتجز بين طبقة الجرافين النانوية (NGF) والمصفوفة الأساسية بفعل الخاصية الشعرية (باستخدام ورق الترشيح)³⁸، ثم تتم إزالة قطرات الماء المتبقية بالتجفيف الطبيعي (حوالي 30 دقيقة)، وأخيرًا يتم تجفيف العينة لمدة 10 دقائق في فرن تفريغ (10-1 ملي بار) عند درجة حرارة 50-90 درجة مئوية (60 دقيقة)³⁸.
من المعروف أن الجرافيت يتحمل وجود الماء والهواء عند درجات حرارة عالية نسبيًا (≥ 200 درجة مئوية)^50،51،52. اختبرنا عينات باستخدام مطيافية رامان، والمجهر الإلكتروني الماسح، وحيود الأشعة السينية بعد تخزينها في ماء منزوع الأيونات عند درجة حرارة الغرفة وفي زجاجات محكمة الإغلاق لفترات تتراوح من بضعة أيام إلى سنة (الشكل SI4). لم يُلاحظ أي تدهور ملحوظ. يُظهر الشكل 2ج أغشية FS-NGF وBS-NGF حرة في الماء منزوع الأيونات. قمنا بتثبيتها على ركيزة SiO₂ (300 نانومتر)/Si، كما هو موضح في بداية الشكل 2ج. بالإضافة إلى ذلك، وكما هو موضح في الشكلين 2د و2هـ، يمكن نقل أغشية NGF المتصلة إلى ركائز مختلفة مثل البوليمرات (بولي أميد Thermabright من Nexolve وNafion) وورق الكربون المطلي بالذهب. تم وضع أغشية FS-NGF العائمة بسهولة على الركيزة المستهدفة (الشكلان 2ج و2د). مع ذلك، كانت عينات BS-NGF التي تزيد مساحتها عن 3 سم² صعبة التعامل عند غمرها بالكامل في الماء. عادةً، عندما تبدأ بالتدحرج في الماء، قد تتكسر أحيانًا إلى جزأين أو ثلاثة أجزاء نتيجةً لسوء التعامل (الشكل 2هـ). عمومًا، تمكّنا من تحقيق نقل خالٍ من البوليمر لعينات PS-NGF وBS-NGF (نقل متواصل وسلس دون نمو NGF/Ni/NGF عند مساحة 6 سم²) لعينات تصل مساحتها إلى 6 و3 سم² على التوالي. يمكن رؤية أي قطع متبقية، كبيرة كانت أم صغيرة، بسهولة في محلول التخريش أو الماء منزوع الأيونات، على الركيزة المطلوبة (حوالي 1 مم²، الشكل SI4ب، انظر العينة المنقولة إلى شبكة نحاسية كما في "FS-NGF: التركيب والخصائص (المناقشة)" تحت "التركيب والخصائص") أو تخزينها للاستخدام المستقبلي (الشكل SI4). بناءً على هذا المعيار، نُقدّر أنه يمكن استعادة NGF بنسبة تصل إلى 98-99% (بعد النمو للنقل).
تم تحليل عينات النقل الخالية من البوليمر بالتفصيل. أظهرت خصائص مورفولوجيا السطح التي تم الحصول عليها على FS- وBS-NGF/SiO2/Si (الشكل 2ج) باستخدام المجهر الضوئي (OM) وصور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (الشكل SI5 والشكل 3) أن هذه العينات نُقلت دون الحاجة إلى فحص مجهري. لم تُلاحظ أي أضرار هيكلية ظاهرة مثل الشقوق أو الثقوب أو المناطق غير الملفوفة. بقيت طيات NGF النامية (الشكل 3ب، د، المشار إليها بالأسهم البنفسجية) سليمة بعد النقل. يتكون كل من FS- وBS-NGF من مناطق FLG (المناطق الساطعة المشار إليها بالأسهم الزرقاء في الشكل 3). والمثير للدهشة، على عكس المناطق القليلة المتضررة التي تُلاحظ عادةً أثناء نقل البوليمر لأغشية الجرافيت الرقيقة جدًا، فقد نُقلت عدة مناطق FLG وMLG بحجم الميكرون متصلة بـ NGF (المشار إليها بالأسهم الزرقاء في الشكل 3د) دون تشققات أو كسور (الشكل 3د). تم تأكيد السلامة الميكانيكية باستخدام صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لطبقة NGF المنقولة على شبكات نحاسية ذات بنية شبكية من الكربون، كما سيتم توضيحه لاحقًا ("FS-NGF: التركيب والخواص"). تتميز طبقة BS-NGF/SiO2/Si المنقولة بخشونة سطح أكبر من طبقة FS-NGF/SiO2/Si، حيث تبلغ قيم الجذر التربيعي المتوسط ​​(RMS) 140 نانومتر و17 نانومتر على التوالي، كما هو موضح في الشكلين SI6a وb (20 × 20 ميكرومتر مربع). وتُعد قيمة RMS لطبقة NGF المنقولة على ركيزة SiO2/Si (RMS < 2 نانومتر) أقل بكثير (حوالي 3 أضعاف) من قيمة RMS لطبقة NGF النامية على النيكل (الشكل SI2)، مما يشير إلى أن الخشونة الإضافية قد تكون ناتجة عن سطح النيكل. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت صور المجهر الذري الماسح (AFM) التي أُجريت على حواف عينات FS- وBS-NGF/SiO2/Si سماكة طبقة NGF تبلغ 100 و80 نانومتر على التوالي (الشكل SI7). قد يكون انخفاض سمك طبقة BS-NGF نتيجة لعدم تعرض السطح بشكل مباشر للغاز الأولي.
تم نقل طبقة NGF (NiAG) بدون بوليمر على رقاقة SiO2/Si (انظر الشكل 2ج): (أ، ب) صور مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) لطبقة FS-NGF المنقولة: تكبير منخفض وعالٍ (يتوافق مع المربع البرتقالي في اللوحة). مناطق نموذجية - أ). (ج، د) صور مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) لطبقة BS-NGF المنقولة: تكبير منخفض وعالٍ (يتوافق مع المنطقة النموذجية الموضحة بالمربع البرتقالي في اللوحة ج). (هـ، و) صور مجهرية للقوة الذرية (AFM) لطبقتي FS- وBS-NGF المنقولتين. 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 لطبقات FS- وBS-NGF النامية والمنقولة باستخدام مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) (الشكل 4). لوحظت قمة ضعيفة في الأطياف المقاسة (الشكل 4أ، ب)، تُشير إلى ركيزة النيكل (850 إلكترون فولت) لطبقات FS- وBS-NGF النامية (NiAG). لم تظهر أي قمم في الأطياف المقاسة لطبقات FS- وBS-NGF/SiO2/Si المنقولة (الشكل 4ج؛ لم تُعرض نتائج مماثلة لـ BS-NGF/SiO2/Si)، مما يدل على عدم وجود تلوث متبقٍ بالنيكل بعد النقل. تُظهر الأشكال 4د-4و أطيافًا عالية الدقة لمستويات طاقة C 1s وO 1s وSi 2p لطبقة FS-NGF/SiO2/Si. تبلغ طاقة ربط C 1s للجرافيت 284.4 إلكترون فولت. يُعتبر الشكل الخطي لقمم الجرافيت غير متناظر عمومًا، كما هو موضح في الشكل 4د54. وقد أكد طيف C 1s عالي الدقة (الشكل 4د) أيضًا عملية نقل نقية (أي بدون بقايا بوليمر)، وهو ما يتوافق مع الدراسات السابقة38. يبلغ عرض خط طيف C 1s للعينة حديثة النمو (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 التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لعينات الجرافين البيروليتي عالي التوجيه (~0.75 إلكترون فولت)53،54،55، مما يشير إلى عدم وجود مواقع كربون معيبة في المادة الحالية. تفتقر أطياف المستوى الأرضي C 1s وO 1s إلى الأكتاف، مما يُغني عن الحاجة إلى تحليل قمم الطيف بدقة عالية.⁵⁴ يوجد قمة ثانوية π → π* عند حوالي 291.1 إلكترون فولت، والتي تُلاحظ غالبًا في عينات الجرافيت. تُعزى الإشارات عند 103 إلكترون فولت و532.5 إلكترون فولت في أطياف المستوى الأساسي Si 2p وO 1s (انظر الشكل 4هـ، و) إلى ركيزة SiO₂،⁵⁶ على التوالي. تُعد تقنية XPS حساسة للسطح، لذا يُفترض أن الإشارات المقابلة للنيكل وSiO₂ التي تم الكشف عنها قبل وبعد نقل NGF، على التوالي، تنشأ من منطقة FLG. وقد لوحظت نتائج مماثلة لعينات BS-NGF المنقولة (غير موضحة).
نتائج مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) لطبقة NiAG: (أ) أطياف مسح التركيب الذري للعناصر المختلفة لطبقات FS-NGF/Ni وBS-NGF/Ni وFS-NGF/Si المنقولة، على التوالي. (د-و) أطياف عالية الدقة لمستويات الطاقة الأساسية C 1s وO 1s وSi 2p لعينة FS-NGF/SiO2/Si.
تم تقييم الجودة الإجمالية لبلورات NGF المنقولة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD). تُظهر أنماط حيود الأشعة السينية النموذجية (الشكل SI8) لعينات FS- وBS-NGF/SiO2/Si المنقولة وجود قمم حيود (0 0 0 2) و(0 0 0 4) عند 26.6° و54.7° على التوالي، وهي مشابهة للجرافيت. يؤكد هذا على الجودة البلورية العالية لـ NGF، ويتوافق مع مسافة بين الطبقات تبلغ d = 0.335 نانومتر، والتي تبقى ثابتة بعد عملية النقل. تبلغ شدة قمة الحيود (0 0 0 2) حوالي 30 ضعف شدة قمة الحيود (0 0 0 4)، مما يشير إلى أن مستوى بلورة NGF محاذٍ جيدًا لسطح العينة.
وفقًا لنتائج SEM، وقياس الطيف رامان، وXPS وXRD، وُجد أن جودة BS-NGF/Ni هي نفسها جودة FS-NGF/Ni، على الرغم من أن خشونة الجذر التربيعي المتوسط ​​كانت أعلى قليلاً (الشكلان SI2 وSI5) وSI7).
يمكن لطبقات الجرافين أحادية الطبقة (SLGs) المدعومة بطبقات بوليمرية يصل سمكها إلى 200 نانومتر أن تطفو على الماء. يُستخدم هذا الإعداد بشكل شائع في عمليات النقل الكيميائي الرطب بمساعدة البوليمر^22،38. يُعد كل من الجرافين والجرافيت كارهين للماء (زاوية التبلل 80-90 درجة)⁵⁷. وقد أشارت التقارير إلى أن أسطح طاقة الوضع لكل من الجرافين وطبقات الجرافين المتعددة (FLG) مسطحة نسبيًا، مع طاقة وضع 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/مول⁵⁸ على التوالي، مما يشير إلى أن تفاعل الماء مع الجرافين النانوي (NGF) (حوالي 300 طبقة) أقل مقارنةً بالجرافين. قد يكون هذا أحد أسباب بقاء الجرافين النانوي الحر مسطحًا على سطح الماء، بينما يلتف الجرافين الحر (الذي يطفو في الماء) ويتفكك. عند غمر غشاء الجرافيت النانوي (NGF) بالكامل في الماء (تكون النتائج متطابقة سواء كان خشنًا أو مسطحًا)، تنحني حوافه (الشكل SI4). في حالة الغمر الكامل، يُتوقع أن تتضاعف طاقة تفاعل غشاء الجرافيت النانوي مع الماء تقريبًا (مقارنةً بغشاء الجرافيت النانوي العائم)، وأن تنطوي حواف غشاء الجرافيت النانوي للحفاظ على زاوية تلامس عالية (خاصية كراهية الماء). نعتقد أنه يمكن تطوير استراتيجيات لتجنب انحناء حواف أغشية الجرافيت النانوية المدمجة. يتمثل أحد هذه الأساليب في استخدام مذيبات مختلطة لتعديل تفاعل ترطيب غشاء الجرافيت⁵⁹.
سبق الإبلاغ عن نقل طبقة الجرافين الأحادية (SLG) إلى أنواع مختلفة من الركائز عبر عمليات النقل الكيميائي الرطب. من المتعارف عليه وجود قوى فان دير فالس ضعيفة بين أغشية الجرافين/الجرافيت والركائز (سواء كانت ركائز صلبة مثل SiO2/Si38,41,46,60، SiC38، Au42، أعمدة السيليكون22، وأغشية الكربون الشبكية30,34، أو ركائز مرنة مثل البولي إيميد37). نفترض هنا أن التفاعلات من النوع نفسه هي السائدة. لم نلاحظ أي تلف أو تقشر لطبقة الجرافين النانوية (NGF) لأي من الركائز المعروضة هنا أثناء التعامل الميكانيكي (أثناء توصيفها في ظروف الفراغ و/أو الظروف الجوية أو أثناء التخزين) (انظر على سبيل المثال الشكل 2، SI7 وSI9). إضافةً إلى ذلك، لم نلاحظ وجود قمة SiC في طيف XPS C 1s للمستوى الأساسي لعينة NGF/SiO2/Si (الشكل 4). تشير هذه النتائج إلى عدم وجود رابطة كيميائية بين NGF والركيزة المستهدفة.
في القسم السابق، "نقل أغشية النيكل النانوية من نوعي FS- وBS-NGF بدون استخدام البوليمر"، أوضحنا إمكانية نمو أغشية النيكل النانوية وانتقالها على جانبي رقائق النيكل. تختلف أغشية FS-NGF وBS-NGF من حيث خشونة السطح، مما دفعنا إلى استكشاف التطبيقات الأنسب لكل نوع.
نظراً لشفافية وسطح FS-NGF الأكثر نعومة، درسنا بنيته المحلية وخصائصه البصرية والكهربائية بمزيد من التفصيل. تم توصيف بنية FS-NGF بدون نقل البوليمر باستخدام التصوير المجهري الإلكتروني النافذ (TEM) وتحليل نمط حيود الإلكترونات في منطقة مختارة (SAED). تظهر النتائج المقابلة في الشكل 5. كشف التصوير المجهري الإلكتروني النافذ المستوي ذو التكبير المنخفض عن وجود مناطق NGF وFLG ذات خصائص تباين إلكتروني مختلفة، أي مناطق داكنة وأخرى فاتحة على التوالي (الشكل 5أ). يُظهر الفيلم بشكل عام سلامة ميكانيكية جيدة واستقراراً بين مناطق NGF وFLG المختلفة، مع تداخل جيد وعدم وجود تلف أو تمزق، وهو ما تم تأكيده أيضاً بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (الشكل 3) ودراسات المجهر الإلكتروني النافذ ذات التكبير العالي (الشكل 5ج-هـ). على وجه الخصوص، يُظهر الشكل 5د بنية الجسر في أكبر جزء منها (الموضع المشار إليه بالسهم المنقط الأسود في الشكل 5د)، والتي تتميز بشكل مثلثي وتتكون من طبقة غرافين بعرض حوالي 51. يتم تقليل التركيب ذو المسافة بين المستويات 0.33 ± 0.01 نانومتر إلى عدة طبقات من الجرافين في أضيق منطقة (نهاية السهم الأسود الصلب في الشكل 5 د).
صورة مجهرية إلكترونية نافذة مستوية لعينة NiAG خالية من البوليمر على شبكة نحاسية كربونية: (أ، ب) صور مجهرية إلكترونية نافذة بتكبير منخفض تشمل مناطق NGF وFLG، (ج، هـ) صور بتكبير عالٍ لمناطق مختلفة في اللوحتين (أ) و(ب) مُشار إليها بأسهم من نفس اللون. تشير الأسهم الخضراء في اللوحتين (أ) و(ج) إلى مناطق دائرية متضررة أثناء محاذاة الشعاع. (و-ط) في اللوحات من (أ) إلى (ج)، تُشير الدوائر الزرقاء والسماوية والبرتقالية والحمراء، على التوالي، إلى أنماط حيود الإلكترونات المختارة (SAED) في مناطق مختلفة.
يُظهر التركيب الشريطي في الشكل 5ج (المُشار إليه بالسهم الأحمر) التوجه الرأسي لمستويات شبكة الجرافيت، والذي قد يعود إلى تكوّن طيات نانوية على طول الغشاء (المُدرج في الشكل 5ج) نتيجةً لزيادة إجهاد القص غير المُعاوَض^30،61،62. وباستخدام المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة، تُظهر هذه الطيات النانوية³⁰ توجهاً بلورياً مختلفاً عن بقية منطقة NGF؛ حيث تتجه المستويات القاعدية لشبكة الجرافيت عمودياً تقريباً، بدلاً من الاتجاه الأفقي كما هو الحال في بقية الغشاء (المُدرج في الشكل 5ج). وبالمثل، تُظهر منطقة FLG أحياناً طيات خطية وضيقة تشبه الشريط (المُشار إليها بالأسهم الزرقاء)، والتي تظهر عند التكبير المنخفض والمتوسط ​​في الشكلين 5ب و5هـ على التوالي. يؤكد الشكل المُدرج في الشكل 5هـ وجود طبقات من الجرافين ثنائية وثلاثية الطبقات في قطاع FLG (المسافة بين الطبقات 0.33 ± 0.01 نانومتر)، وهو ما يتوافق تمامًا مع نتائجنا السابقة³⁰. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) المُسجلة لـ NGF الخالي من البوليمر، والمُنقل إلى شبكات نحاسية ذات أغشية كربونية مُثقبة (بعد إجراء قياسات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) من الأعلى)، في الشكل SI9. يُظهر الشكل SI9f منطقة FLG المُعلقة جيدًا (المُشار إليها بالسهم الأزرق) والمنطقة المكسورة. تم وضع السهم الأزرق (عند حافة NGF المنقول) عمدًا لتوضيح قدرة منطقة FLG على مقاومة عملية النقل دون بوليمر. باختصار، تُؤكد هذه الصور أن NGF المُعلق جزئيًا (بما في ذلك منطقة FLG) يحافظ على سلامته الميكانيكية حتى بعد التعامل معه بقسوة والتعرض لفراغ عالٍ أثناء قياسات TEM وSEM (الشكل SI9).
بفضل استواء NGF الممتاز (انظر الشكل 5أ)، يسهل توجيه الرقائق على طول محور المجال [0001] لتحليل بنية SAED. وبناءً على سُمك الغشاء الموضعي وموقعه، تم تحديد عدة مناطق مهمة (12 نقطة) لدراسات حيود الإلكترون. في الأشكال 5أ-ج، تظهر أربع من هذه المناطق النموذجية ومُحددة بدوائر ملونة (أزرق، سماوي، برتقالي، وأحمر). الشكلان 2 و3 خاصان بوضع SAED. تم الحصول على الشكلين 5و و5ز من منطقة FLG الموضحة في الشكلين 5 و5. كما هو موضح في الشكلين 5ب و5ج، على التوالي، فإن لها بنية سداسية مشابهة للجرافين الملتوي. على وجه الخصوص، يُظهر الشكل 5f ثلاثة أنماط متراكبة لها نفس اتجاه محور المنطقة [0001]، مُدارة بزاوية 10° و20°، كما يتضح من عدم تطابق الزاوية بين أزواج الانعكاسات الثلاثة (10-10). وبالمثل، يُظهر الشكل 5g نمطين سداسيين متراكبين مُدارين بزاوية 20°. يمكن أن تنشأ مجموعتان أو ثلاث مجموعات من الأنماط السداسية في منطقة FLG من ثلاث طبقات من الجرافين داخل المستوى أو خارجه، مُدارة بالنسبة لبعضها البعض. في المقابل، تُظهر أنماط حيود الإلكترون في الشكلين 5h و5i (المقابلة لمنطقة NGF الموضحة في الشكل 5a) نمطًا واحدًا [0001] بكثافة حيود نقطية أعلى إجمالًا، ما يُشير إلى سُمك أكبر للمادة. تُشير نماذج حيود الإلكترونات الانتقائية هذه إلى بنية جرافيتية أكثر سمكًا وتوجيهًا متوسطًا مقارنةً بالجرافين ذي الطبقات الرقيقة (FLG)، كما يُستدل من المؤشر 64. وكشف توصيف الخصائص البلورية لجرافين الجرافين النانوي (NGF) عن وجود بلورتين أو ثلاث بلورات جرافيت (أو جرافين) متراكبة. والجدير بالذكر في منطقة الجرافين ذي الطبقات الرقيقة (FLG) هو أن البلورات تُظهر درجة معينة من عدم التوافق في المستوى أو خارجه. وقد سُجّلت سابقًا جزيئات/طبقات جرافيت بزوايا دوران في المستوى تبلغ 17° و22° و25° لجرافين الجرافين النانوي (NGF) المُنمّى على أغشية Ni 64. وتتوافق قيم زاوية الدوران المُلاحظة في هذه الدراسة مع زوايا الدوران المُلاحظة سابقًا (±1°) لجرافين BLG63 الملتوي.
تم قياس الخصائص الكهربائية لمركب NGF/SiO2/Si عند درجة حرارة 300 كلفن على مساحة 10×3 مم². بلغت قيم تركيز حاملات الإلكترون، وحركيتها، وموصليتها 1.6 × 10²⁰ سم⁻³، و220 سم² فولت⁻¹ كولوم⁻¹، و2000 سيمنز سم⁻¹ على التوالي. تتشابه قيم حركية وموصلية مركب NGF مع الجرافيت الطبيعي²، وهي أعلى من قيم الجرافيت البيروليتي عالي التوجيه المتوفر تجاريًا (المنتج عند 3000 درجة مئوية)²⁹. كما أن قيم تركيز حاملات الإلكترون المرصودة أعلى بمرتبتين من حيث الحجم من تلك التي تم الإبلاغ عنها مؤخرًا (7.25 × 10 سم⁻³) لأغشية الجرافيت ذات السماكة الميكرونية المحضرة باستخدام صفائح البوليميد عالية الحرارة (3200 درجة مئوية)²⁰.
أجرينا أيضًا قياسات نفاذية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية على طبقة FS-NGF المنقولة إلى ركائز الكوارتز (الشكل 6). يُظهر الطيف الناتج نفاذية ثابتة تقريبًا بنسبة 62% في نطاق 350-800 نانومتر، مما يدل على أن NGF شبه شفاف للضوء المرئي. في الواقع، يمكن رؤية اسم "KAUST" في الصورة الرقمية للعينة في الشكل 6ب. على الرغم من اختلاف البنية النانوية البلورية لـ NGF عن تلك الخاصة بـ SLG، يمكن تقدير عدد الطبقات تقريبًا باستخدام قاعدة فقدان النفاذية بنسبة 2.3% لكل طبقة إضافية.⁶⁵ وفقًا لهذه العلاقة، يبلغ عدد طبقات الجرافين التي تفقد نفاذية بنسبة 38%، 21 طبقة. تتكون طبقة NGF النامية بشكل أساسي من 300 طبقة جرافين، أي بسمك حوالي 100 نانومتر (الشكل 1، SI5 وSI7). لذا، نفترض أن الشفافية البصرية المرصودة تتوافق مع منطقتي FLG وMLG، نظرًا لتوزيعهما في جميع أنحاء الغشاء (الشكل 1، 3، 5، و6ج). إضافةً إلى البيانات التركيبية المذكورة أعلاه، تؤكد الموصلية والشفافية أيضًا الجودة البلورية العالية لطبقة NGF المنقولة.
(أ) قياس نفاذية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، (ب) نقل نموذجي لطبقة الجرافين النانوية على الكوارتز باستخدام عينة نموذجية. (ج) رسم تخطيطي لطبقة الجرافين النانوية (المربع الداكن) مع مناطق الجرافين أحادي الطبقة وأحادي الطبقة موزعة بالتساوي، ومُحددة بأشكال رمادية عشوائية في جميع أنحاء العينة (انظر الشكل 1) (مساحة تقريبية من 0.1 إلى 3% لكل 100 ميكرومتر مربع). الأشكال العشوائية وأحجامها في الرسم التخطيطي هي لأغراض التوضيح فقط ولا تُمثل المساحات الفعلية.
سبق أن نُقلت طبقات الجرافين النانوية الشفافة، المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار، إلى أسطح السيليكون المكشوفة واستُخدمت في الخلايا الشمسية^15،16. وبلغت كفاءة تحويل الطاقة الناتجة 1.5%. تؤدي هذه الطبقات وظائف متعددة، مثل طبقات المركبات النشطة، ومسارات نقل الشحنات، والأقطاب الكهربائية الشفافة^15،16. مع ذلك، فإن طبقة الجرافين غير متجانسة. لذا، يلزم إجراء المزيد من التحسينات من خلال التحكم الدقيق في مقاومة الطبقة ونفاذية الضوء لقطب الجرافيت، إذ تلعب هاتان الخاصيتان دورًا هامًا في تحديد قيمة كفاءة تحويل الطاقة للخلية الشمسية^15،16. عادةً، تكون طبقات الجرافين شفافة بنسبة 97.7% للضوء المرئي، لكن مقاومتها السطحية تتراوح بين 200 و3000 أوم/مربع¹⁶. يمكن تقليل مقاومة سطح طبقات الجرافين بزيادة عدد الطبقات (نقل طبقات الجرافين المتعددة) وتطعيمها بحمض النيتريك (حوالي 30 أوم/مربع)⁶⁶. مع ذلك، تستغرق هذه العملية وقتًا طويلاً، ولا تحافظ طبقات النقل المختلفة دائمًا على اتصال جيد. يتمتع الجانب الأمامي من NGF لدينا بخصائص مثل الموصلية 2000 S/cm، ومقاومة طبقة الفيلم 50 أوم/مربع، وشفافية 62٪، مما يجعله بديلاً قابلاً للتطبيق للقنوات الموصلة أو الأقطاب المضادة في الخلايا الشمسية15،16.
على الرغم من تشابه بنية وتركيب سطح BS-NGF مع FS-NGF، إلا أن خشونة سطحه تختلف ("نمو FS- وBS-NGF"). استخدمنا سابقًا طبقة رقيقة جدًا من الجرافيت²² كمستشعر للغاز. لذلك، اختبرنا جدوى استخدام BS-NGF في مهام استشعار الغاز (الشكل SI10). في البداية، نُقلت أجزاء من BS-NGF بحجم مليمتر مربع إلى شريحة مستشعر الأقطاب المتشابكة (الشكل SI10a-c). نُشرت تفاصيل تصنيع الشريحة سابقًا؛ وتبلغ مساحة حساسيتها الفعالة 9 مليمتر مربع. في صور المجهر الإلكتروني الماسح (الشكل SI10b وc)، يظهر قطب الذهب الأساسي بوضوح من خلال NGF. مرة أخرى، يتضح تحقيق تغطية موحدة للشريحة لجميع العينات. سُجلت قياسات مستشعر الغاز لغازات مختلفة (الشكل SI10d) (الشكل SI11)، وتظهر معدلات الاستجابة الناتجة في الشكل SI10g. من المحتمل وجود غازات متداخلة أخرى، بما في ذلك ثاني أكسيد الكبريت (200 جزء في المليون)، والهيدروجين (2%)، والميثان (200 جزء في المليون)، وثاني أكسيد الكربون (2%)، وكبريتيد الهيدروجين (200 جزء في المليون)، والأمونيا (200 جزء في المليون). أحد الأسباب المحتملة هو ثاني أكسيد النيتروجين. يتميز هذا الغاز بطبيعته المحبة للإلكترونات^22،68. فعند امتصاصه على سطح الجرافين، يقلل من امتصاص التيار للإلكترونات بواسطة النظام. تُعرض مقارنة لبيانات زمن استجابة مستشعر BS-NGF مع مستشعرات منشورة سابقًا في الجدول SI2. لا تزال آلية إعادة تنشيط مستشعرات NGF باستخدام بلازما الأشعة فوق البنفسجية، أو بلازما الأوزون، أو المعالجة الحرارية (50-150 درجة مئوية) للعينات المعرضة قيد البحث، ومن المأمول أن يتبع ذلك تطبيق أنظمة مدمجة⁶⁹.
أثناء عملية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، ينمو الجرافين على جانبي ركيزة المحفز⁴¹. ومع ذلك، عادةً ما يُقذف جرافين BS أثناء عملية النقل⁴¹. في هذه الدراسة، نُبين إمكانية تحقيق نمو عالي الجودة لجرافين NGF ونقله دون استخدام البوليمر على جانبي دعامة المحفز. يتميز جرافين BS-NGF بسماكة أقل (حوالي 80 نانومتر) من جرافين FS-NGF (حوالي 100 نانومتر)، ويُعزى هذا الاختلاف إلى عدم تعرض BS-Ni مباشرةً لتدفق غاز المادة الأولية. كما وجدنا أن خشونة ركيزة NiAR تؤثر على خشونة جرافين NGF. تشير هذه النتائج إلى إمكانية استخدام جرافين FS-NGF المُنمّى بشكل مستوٍ كمادة أولية للجرافين (بطريقة التقشير⁷⁰) أو كقناة موصلة في الخلايا الشمسية¹⁵،¹⁶. وعلى النقيض من ذلك، سيتم استخدام BS-NGF للكشف عن الغاز (الشكل SI9) وربما لأنظمة تخزين الطاقة 71،72 حيث ستكون خشونة سطحها مفيدة.
بالنظر إلى ما سبق، من المفيد دمج هذا العمل مع دراسات سابقة نُشرت حول أغشية الجرافيت المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) باستخدام رقائق النيكل. وكما هو موضح في الجدول 2، فإن الضغوط العالية التي استخدمناها قلّلت من زمن التفاعل (مرحلة النمو) حتى عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (في نطاق 850-1300 درجة مئوية). كما حققنا نموًا أكبر من المعتاد، مما يشير إلى إمكانية التوسع. وهناك عوامل أخرى يجب أخذها في الاعتبار، وقد أدرجنا بعضها في الجدول.
تمت زراعة طبقة NGF عالية الجودة على الوجهين على رقائق النيكل باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار التحفيزي. ومن خلال الاستغناء عن ركائز البوليمر التقليدية (مثل تلك المستخدمة في ترسيب الجرافين الكيميائي للبخار)، حققنا نقلًا رطبًا نظيفًا وخاليًا من العيوب لطبقة NGF (النامية على الوجهين الأمامي والخلفي لرقائق النيكل) إلى مجموعة متنوعة من الركائز الحساسة للعملية. والجدير بالذكر أن طبقة NGF تتضمن مناطق FLG وMLG (عادةً من 0.1% إلى 3% لكل 100 ميكرومتر مربع) مدمجة هيكليًا بشكل جيد في الطبقة السميكة. يُظهر المجهر الإلكتروني النافذ المستوي أن هذه المناطق تتكون من رُزم من جسيمين إلى ثلاثة جسيمات من الجرافيت/الجرافين (بلورات أو طبقات، على التوالي)، بعضها ذو عدم تطابق دوراني يتراوح بين 10 و20 درجة. مناطق FLG وMLG مسؤولة عن شفافية طبقة FS-NGF للضوء المرئي. أما بالنسبة للصفائح الخلفية، فيمكن وضعها بالتوازي مع الصفائح الأمامية، وكما هو موضح، يمكن أن يكون لها غرض وظيفي (على سبيل المثال، للكشف عن الغازات). تُعد هذه الدراسات مفيدة للغاية لتقليل النفايات والتكاليف في عمليات الترسيب الكيميائي للبخار على نطاق صناعي.
بشكل عام، يقع متوسط ​​سمك أغشية الجرافين النانوية المُصنّعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD NGF) بين سمك الجرافين (منخفض الطبقات ومتعدد الطبقات) وسمك صفائح الجرافيت الصناعية (بالميكرومتر). إن نطاق خصائصها المميزة، بالإضافة إلى الطريقة البسيطة التي طورناها لإنتاجها ونقلها، يجعل هذه الأغشية مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب الاستجابة الوظيفية للجرافيت، دون الحاجة إلى عمليات الإنتاج الصناعية كثيفة الاستهلاك للطاقة المستخدمة حاليًا.
تم تركيب رقاقة نيكل بسمك 25 ميكرومتر (نقاء 99.5%، من شركة Goodfellow) في مفاعل ترسيب كيميائي للبخار تجاري (Aixtron 4-inch BMPro). تم تنظيف النظام بغاز الأرجون وتفريغه إلى ضغط أساسي قدره 10⁻³ ملي بار. ثم وُضعت رقاقة النيكل في خليط من الأرجون والهيدروجين. بعد معالجة رقاقة النيكل حراريًا لمدة 5 دقائق، عُرضت لضغط 500 ملي بار عند درجة حرارة 900 درجة مئوية. رُسبت طبقة من ألياف النيكل النانوية في تيار من الميثان والهيدروجين (100 سم³ لكل منهما) لمدة 5 دقائق. ثم بُردت العينة إلى درجة حرارة أقل من 700 درجة مئوية باستخدام تيار من الأرجون (4000 سم³) بمعدل 40 درجة مئوية/دقيقة. تُوصف تفاصيل تحسين عملية نمو ألياف النيكل النانوية في مرجع آخر.
تم تصوير مورفولوجيا سطح العينة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) من نوع Zeiss Merlin (1 كيلو فولت، 50 بيكو أمبير). وقيس خشونة سطح العينة وسُمك طبقة ألياف النانو (NGF) باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) (Dimension Icon SPM، Bruker). أُجريت قياسات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وتحليل حيود الإلكترونات الانتقائي للمنطقة (SAED) باستخدام مجهر FEI Titan 80–300 Cubed مزود بمدفع انبعاث حقلي عالي السطوع (300 كيلو فولت)، وموحد لون من نوع FEI Wien، وعدسة CEOS لتصحيح الانحراف الكروي، وذلك للحصول على النتائج النهائية بدقة مكانية تبلغ 0.09 نانومتر. نُقلت عينات NGF إلى شبكات نحاسية مطلية بالكربون المثقب لإجراء تصوير TEM مسطح وتحليل بنية SAED. وبذلك، تتدلى معظم جزيئات العينة في مسام الغشاء الداعم. وخضعت عينات NGF المنقولة للتحليل باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD). تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية باستخدام مطياف حيود المساحيق (Brucker، D2 phase shifter مع مصدر Cu Kα، 1.5418 Å وكاشف LYNXEYE) باستخدام مصدر إشعاع Cu بقطر بقعة شعاع 3 مم.
تم تسجيل عدة قياسات رامان نقطية باستخدام مجهر متحد البؤر متكامل (Alpha 300 RA، WITeC). استُخدم ليزر بطول موجي 532 نانومتر وطاقة إثارة منخفضة (25%) لتجنب التأثيرات الحرارية. أُجري تحليل طيف الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) باستخدام مطياف Kratos Axis Ultra على مساحة عينة 300 × 700 ميكرومتر مربع، باستخدام إشعاع أحادي اللون من الألومنيوم Kα (hν = 1486.6 إلكترون فولت) بقدرة 150 واط. تم الحصول على أطياف الدقة عند طاقات نقل 160 إلكترون فولت و20 إلكترون فولت على التوالي. قُطعت عينات NGF المنقولة إلى SiO2 إلى قطع (3 × 10 مم² لكل قطعة) باستخدام ليزر ألياف الإيتربيوم PLS6MW (1.06 ميكرومتر) بقدرة 30 واط. صُنعت موصلات أسلاك نحاسية (بسماكة 50 ميكرومتر) باستخدام معجون فضي تحت المجهر الضوئي. أُجريت تجارب النقل الكهربائي وتأثير هول على هذه العينات عند درجة حرارة 300 كلفن ومجال مغناطيسي متغير بمقدار ± 9 تسلا باستخدام نظام قياس الخصائص الفيزيائية (PPMS EverCool-II، شركة Quantum Design، الولايات المتحدة الأمريكية). سُجلت أطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية المنقولة باستخدام مطياف Lambda 950 للأشعة فوق البنفسجية والمرئية في نطاق NGF من 350 إلى 800 نانومتر، ونُقلت إلى ركائز كوارتز وعينات كوارتز مرجعية.
تم توصيل مستشعر المقاومة الكيميائية (شريحة قطب كهربائي متشابك) بلوحة دوائر مطبوعة مخصصة (73)، وتم استخلاص المقاومة بشكل مؤقت. وُصلت لوحة الدوائر المطبوعة التي يوجد عليها الجهاز بأطراف التوصيل ووُضعت داخل حجرة استشعار الغاز (74). أُجريت قياسات المقاومة عند جهد 1 فولت مع مسح مستمر من مرحلة التنقية إلى مرحلة تعريض الغاز، ثم التنقية مرة أخرى. نُظفت الحجرة مبدئيًا بتمرير غاز النيتروجين بمعدل 200 سم³ لمدة ساعة واحدة لضمان إزالة جميع المواد التحليلية الأخرى الموجودة في الحجرة، بما في ذلك الرطوبة. بعد ذلك، أُطلقت المواد التحليلية بشكل تدريجي في الحجرة بنفس معدل التدفق البالغ 200 سم³ عن طريق إغلاق أسطوانة النيتروجين.
تم نشر نسخة منقحة من هذه المقالة ويمكن الوصول إليها من خلال الرابط الموجود أعلى المقالة.
إيناغاكي، م. وكانغ، ف. علم وهندسة مواد الكربون: الأساسيات. الطبعة الثانية المحررة. 2014. 542.
بيرسون، دليل الكربون والجرافيت والماس والفوليرين: الخصائص والمعالجة والتطبيقات. تم تحرير الطبعة الأولى. 1994، نيو جيرسي.
تساي، و. وآخرون. أغشية الجرافين/الجرافيت متعددة الطبقات ذات المساحة الكبيرة كأقطاب كهربائية موصلة رقيقة شفافة. تطبيق. فيزياء. رايت. 95(12)، 123115(2009).
بالاندين AA الخصائص الحرارية للجرافين ومواد الكربون النانوية. نات. مات. 10(8)، 569-581 (2011).
تشنغ كي واي، براون بي دبليو، وكاهيل دي جي. الموصلية الحرارية لأغشية الجرافيت المزروعة على النيكل (111) بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار عند درجة حرارة منخفضة. مجلة أدفيرب. مات. إنترفيس 3، 16 (2016).
هيسجدال، تي. النمو المستمر لأغشية الجرافين بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار. التطبيقات. الفيزياء. رايت. 98(13)، 133106(2011).