Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzerin versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı nəticələr üçün brauzerinizin daha yeni versiyasından istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stil və ya JavaScript olmadan göstəririk.
Nanomiqyaslı qrafit təbəqələri (NGF) katalitik kimyəvi buxar çöküntüsü ilə istehsal edilə bilən möhkəm nanomateriallardır, lakin onların ötürülməsinin asanlığı və səth morfologiyasının yeni nəsil cihazlarda istifadəsinə necə təsir etməsi ilə bağlı suallar qalır. Burada polikristal nikel folqanın hər iki tərəfində (sahəsi 55 sm2, qalınlığı təxminən 100 nm) NGF-nin böyüməsini və onun polimersiz ötürülməsini (ön və arxa, sahəsi 6 sm2-ə qədər) təqdim edirik. Katalizator folqasının morfologiyasına görə, iki karbon təbəqəsi fiziki xüsusiyyətləri və digər xüsusiyyətləri (məsələn, səthin pürüzlülüyü) ilə fərqlənir. Daha kobud arxa tərəfə malik NGF-lərin NO2 aşkarlanması üçün yaxşı uyğun olduğunu, ön tərəfdəki daha hamar və daha keçirici NGF-lərin (2000 S/sm2, təbəqə müqaviməti – 50 ohm/m2) isə günəş batareyasının kanal və ya elektrod keçiriciləri ola biləcəyini nümayiş etdiririk (çünki görünən işığın 62%-ni ötürür). Ümumilikdə, təsvir edilən böyümə və daşınma prosesləri qrafen və mikron qalınlığında qrafit filmlərinin uyğun olmadığı texnoloji tətbiqlər üçün alternativ karbon materialı kimi NGF-nin tətbiqinə kömək edə bilər.
Qrafit geniş istifadə olunan sənaye materialıdır. Xüsusilə, qrafit nisbətən aşağı kütlə sıxlığı və yüksək müstəvi istilik və elektrik keçiriciliyi xüsusiyyətlərinə malikdir və sərt istilik və kimyəvi mühitlərdə çox sabitdir1,2. Lopa qrafit qrafen tədqiqatları üçün tanınmış başlanğıc materialdır3. Nazik təbəqələrə çevrildikdə, o, smartfonlar kimi elektron cihazlar üçün istilik radiatorları4,5,6,7, sensorlarda aktiv material kimi8,9,10 və elektromaqnit müdaxiləsindən qorunma11,12 və həddindən artıq ultrabənövşəyi şüalarda litoqrafiya üçün təbəqələrdə13,14, günəş batareyalarında keçirici kanallarda15,16 da daxil olmaqla geniş tətbiq sahələrində istifadə edilə bilər. Bütün bu tətbiqlər üçün nanoskalada <100 nm qalınlığında idarə olunan qrafit təbəqələrinin (NGF) geniş sahələrinin asanlıqla istehsal və daşınması əhəmiyyətli bir üstünlük olardı.
Qrafit plyonkaları müxtəlif üsullarla istehsal olunur. Bir halda, qrafen lopalarının istehsalı üçün yerləşdirmə və genişləndirmə, ardınca isə aşındırma istifadə edilmişdir10,11,17. Lopalar lazımi qalınlıqdakı plyonkalara əlavə olaraq emal olunmalıdır və sıx qrafit təbəqələrinin istehsalı üçün çox vaxt bir neçə gün vaxt lazımdır. Başqa bir yanaşma qrafitləşdirilə bilən bərk prekursorlardan başlamaqdır. Sənayedə polimer təbəqələri karbonlaşdırılır (1000–1500 °C-də) və sonra yaxşı strukturlaşdırılmış laylı materiallar yaratmaq üçün qrafitləşdirilir (2800–3200 °C-də). Bu plyonkaların keyfiyyəti yüksək olsa da, enerji sərfiyyatı əhəmiyyətlidir1,18,19 və minimum qalınlıq bir neçə mikronla məhdudlaşır1,18,19,20.
Katalitik kimyəvi buxar çöküntüsü (KKÇ) yüksək struktur keyfiyyətinə və münasib qiymətə malik qrafen və ultra nazik qrafit təbəqələrinin (<10 nm) istehsalı üçün tanınmış bir üsuldur21,22,23,24,25,26,27. Lakin, qrafen və ultra nazik qrafit təbəqələrinin28 böyüməsi ilə müqayisədə, KKÇ istifadə edərək NGF-nin geniş ərazidə böyüməsi və/və ya tətbiqi daha az araşdırılmışdır11,13,29,30,31,32,33.
CVD-də yetişdirilən qrafen və qrafit filmlərinin tez-tez funksional substratlara köçürülməsi lazımdır34. Bu nazik film köçürmələri iki əsas metodu əhatə edir35: (1) aşındırılmamış köçürmə36,37 və (2) aşındırma əsaslı yaş kimyəvi köçürmə (substrat dəstəklənir)14,34,38. Hər bir metodun bəzi üstünlükləri və çatışmazlıqları var və başqa yerdə təsvir edildiyi kimi nəzərdə tutulan tətbiqdən asılı olaraq seçilməlidir35,39. Katalitik substratlarda yetişdirilən qrafen/qrafit filmləri üçün yaş kimyəvi proseslər vasitəsilə köçürmə (bunlardan polimetil metakrilat (PMMA) ən çox istifadə edilən dayaq təbəqəsidir) birinci seçim olaraq qalır13,30,34,38,40,41,42. You və digərləri. NGF köçürməsi üçün heç bir polimerin istifadə edilmədiyi (nümunə ölçüsü təxminən 4 sm2)25,43 qeyd edildi, lakin köçürmə zamanı nümunənin sabitliyi və/və ya işlənməsi ilə bağlı heç bir məlumat verilmədi; Polimerlərdən istifadə edərək yaş kimya prosesləri qurbanlıq polimer təbəqəsinin tətbiqi və sonradan çıxarılması da daxil olmaqla bir neçə mərhələdən ibarətdir30,38,40,41,42. Bu prosesin mənfi cəhətləri var: məsələn, polimer qalıqları yetişdirilən filmin xüsusiyyətlərini dəyişdirə bilər38. Əlavə emal qalıq polimeri çıxara bilər, lakin bu əlavə addımlar film istehsalının dəyərini və vaxtını artırır38,40. CVD böyüməsi zamanı qrafen təbəqəsi yalnız katalizator folqasının ön tərəfində (buxar axınına baxan tərəf) deyil, həm də arxa tərəfində çökür. Lakin sonuncu tullantı məhsulu hesab olunur və yumşaq plazma ilə tez bir zamanda çıxarıla bilər38,41. Bu filmin təkrar emalı, üz karbon filmindən daha aşağı keyfiyyətli olsa belə, məhsuldarlığı maksimum dərəcədə artırmağa kömək edə bilər.
Burada, CVD üsulu ilə polikristal nikel folqa üzərində yüksək struktur keyfiyyətinə malik NGF-nin lövhə miqyaslı bifasial böyüməsinin hazırlanmasını təqdim edirik. Folqanın ön və arxa səthinin pürüzlülüyünün NGF-nin morfologiyasına və quruluşuna necə təsir etdiyi qiymətləndirilmişdir. Həmçinin, NGF-nin nikel folqanın hər iki tərəfindən çoxfunksiyalı substratlara səmərəli və ekoloji cəhətdən təmiz polimersiz ötürülməsini nümayiş etdirir və ön və arxa təbəqələrin müxtəlif tətbiqlər üçün necə uyğun olduğunu göstəririk.
Növbəti bölmələrdə üst-üstə yığılmış qrafen təbəqələrinin sayından asılı olaraq müxtəlif qrafit təbəqə qalınlıqları müzakirə olunur: (i) tək qatlı qrafen (SLG, 1 qat), (ii) bir neçə qatlı qrafen (FLG, < 10 qat), (iii) çox qatlı qrafen (MLG, 10-30 qat) və (iv) NGF (~300 qat). Sonuncu, sahənin faizi ilə ifadə edilən ən çox yayılmış qalınlıqdır (100 µm2-də təxminən 97% sahə)30. Buna görə də bütün təbəqə sadəcə NGF adlanır.
Qrafen və qrafit filmlərinin sintezi üçün istifadə olunan polikristal nikel folqaları istehsalı və sonrakı emalı nəticəsində fərqli teksturalara malikdir. Bu yaxınlarda NGF30-un böyümə prosesini optimallaşdırmaq üçün bir araşdırma təqdim etdik. Göstəririk ki, böyümə mərhələsində tavlama müddəti və kamera təzyiqi kimi proses parametrləri vahid qalınlıqdakı NGF-lərin əldə edilməsində mühüm rol oynayır. Burada nikel folqasının cilalanmış ön (FS) və cilalanmamış arxa (BS) səthlərində NGF-nin böyüməsini daha da araşdırdıq (Şəkil 1a). Cədvəl 1-də sadalanan üç növ FS və BS nümunəsi araşdırıldı. Vizual yoxlama zamanı nikel folqasının (NiAG) hər iki tərəfində NGF-nin vahid böyüməsi, toplu Ni substratının rənginin xarakterik metal gümüşü bozdan tutqun boz rəngə dəyişməsi ilə görünə bilər (Şəkil 1a); mikroskopik ölçmələr təsdiqləndi (Şəkil 1b, c). Parlaq bölgədə müşahidə edilən və Şəkil 1b-də qırmızı, mavi və narıncı oxlarla göstərilən tipik FS-NGF Raman spektri Şəkil 1c-də göstərilmişdir. Qrafit G (1683 sm−1) və 2D (2696 sm−1) xarakterik Raman pikləri yüksək kristallik NGF-nin böyüməsini təsdiqləyir (Şəkil 1c, Cədvəl SI1). Film boyunca intensivlik nisbəti (I2D/IG) ~0.3 olan Raman spektrlərinin üstünlük təşkil etməsi, I2D/IG = 0.8 olan Raman spektrlərinin isə nadir hallarda müşahidə edilməsi müşahidə edilmişdir. Bütün filmdə qüsurlu piklərin (D = 1350 sm-1) olmaması NGF böyüməsinin yüksək keyfiyyətini göstərir. BS-NGF nümunəsində oxşar Raman nəticələri əldə edilmişdir (Şəkil SI1 a və b, Cədvəl SI1).
NiAG FS- və BS-NGF-nin müqayisəsi: (a) Plitə miqyasında (55 sm2) NGF böyüməsini göstərən tipik NGF (NiAG) nümunəsinin fotoşəkili və nəticədə əldə edilən BS- və FS-Ni folqa nümunələri, (b) Optik mikroskopla əldə edilən FS-NGF Şəkilləri/Ni, (c) b panelində fərqli mövqelərdə qeydə alınan tipik Raman spektrləri, (d, f) FS-NGF/Ni üzərində fərqli böyütmələrdə SEM şəkilləri, (e, g) Müxtəlif böyütmələrdə SEM şəkilləri BS -NGF/Ni təyin edir. Mavi ox FLG bölgəsini, narıncı ox MLG bölgəsini (FLG bölgəsinin yaxınlığında), qırmızı ox NGF bölgəsini və bənövşəyi ox isə qatlanmanı göstərir.
Böyümə ilkin substratın qalınlığından, kristal ölçüsündən, istiqamətindən və dənə sərhədlərindən asılı olduğundan, geniş ərazilərdə NGF qalınlığının ağlabatan şəkildə idarə olunmasına nail olmaq çətin olaraq qalır20,34,44. Bu tədqiqatda əvvəllər dərc etdiyimiz məzmundan istifadə edilmişdir30. Bu proses 100 µm üçün 0,1-dən 3%-ə qədər parlaq bir bölgə yaradır230. Növbəti bölmələrdə hər iki növ bölgə üçün nəticələri təqdim edirik. Yüksək böyüdücü SEM şəkilləri hər iki tərəfdə bir neçə parlaq kontrast sahənin mövcudluğunu göstərir (Şəkil 1f, g), bu da FLG və MLG bölgələrinin mövcudluğunu göstərir30,45. Bu, Raman səpələnməsi (Şəkil 1c) və TEM nəticələri ilə də təsdiqləndi (daha sonra "FS-NGF: struktur və xüsusiyyətlər" bölməsində müzakirə olunacaq). FS- və BS-NGF/Ni nümunələrində müşahidə edilən FLG və MLG bölgələri (Ni üzərində yetişdirilən ön və arxa NGF) əvvəlcədən tavlama zamanı əmələ gələn böyük Ni(111) dənələrində böyümüş ola bilər22,30,45. Hər iki tərəfdə qatlanma müşahidə edilmişdir (Şəkil 1b, bənövşəyi oxlarla işarələnmişdir). Qrafit və nikel substratı arasında istilik genişlənmə əmsalındakı böyük fərqə görə bu qatlanmalara tez-tez CVD-də yetişdirilən qrafen və qrafit filmlərində rast gəlinir30,38.
AFM təsviri FS-NGF nümunəsinin BS-NGF nümunəsindən daha düz olduğunu təsdiqlədi (Şəkil SI1) (Şəkil SI2). FS-NGF/Ni (Şəkil SI2c) və BS-NGF/Ni (Şəkil SI2d) üçün kök orta kvadrat (RMS) pürüzlülük dəyərləri müvafiq olaraq 82 və 200 nm-dir (20 × 20 μm2 sahə üzərində ölçülür). Daha yüksək pürüzlülük, nikel (NiAR) folqasının qəbul edilmiş vəziyyətdə səth təhlili əsasında başa düşülə bilər (Şəkil SI3). FS və BS-NiAR-ın SEM təsvirləri müxtəlif səth morfologiyalarını nümayiş etdirən Şəkil SI3a–d-də göstərilmişdir: cilalanmış FS-Ni folqasında nano- və mikron ölçülü sferik hissəciklər var, cilalanmamış BS-Ni folqa isə istehsal nərdivanını yüksək möhkəmliyə və azalmaya malik hissəciklər kimi göstərir. Tavlanmış nikel folqasının (NiA) aşağı və yüksək qətnaməli təsvirləri Şəkil SI3e–h-də göstərilmişdir. Bu şəkillərdə nikel folqasının hər iki tərəfində bir neçə mikron ölçülü nikel hissəciklərinin mövcudluğunu müşahidə edə bilərik (Şəkil SI3e–h). Böyük dənəciklər əvvəllər bildirildiyi kimi Ni(111) səth istiqamətinə malik ola bilər30,46. FS-NiA və BS-NiA arasında nikel folqa morfologiyasında əhəmiyyətli fərqlər var. BS-NGF/Ni-nin daha yüksək kələ-kötürlüyü, cilalanmamış BS-NiAR səthi ilə əlaqədardır, səthi tavlandıqdan sonra belə əhəmiyyətli dərəcədə kələ-kötür qalır (Şəkil SI3). Böyümə prosesindən əvvəl bu tip səth xarakteristikası qrafen və qrafit filmlərinin kələ-kötürlüyünün idarə olunmasına imkan verir. Qeyd etmək lazımdır ki, orijinal substrat qrafen böyüməsi zamanı bəzi dənəciklərin yenidən qurulmasına məruz qalıb ki, bu da tavlanmış folqa və katalizator filmi ilə müqayisədə dənəcik ölçüsünü bir qədər azaltmış və substratın səth kələ-kötürlüyünü bir qədər artırmışdır22.
Substratın səthinin pürüzlülüyünün, tavlama müddətinin (dənəcik ölçüsünün)30,47 və buraxılma nəzarətinin43 dəqiq tənzimlənməsi regional NGF qalınlığının vahidliyini µm2 və/və ya hətta nm2 miqyasına qədər azaltmağa kömək edəcək (yəni, bir neçə nanometr qalınlıq dəyişiklikləri). Substratın səthinin pürüzlülüyünü idarə etmək üçün yaranan nikel folqasının elektrolitik cilalanması kimi üsullar nəzərdən keçirilə bilər48. Əvvəlcədən işlənmiş nikel folqa daha sonra böyük Ni(111) dənəciklərinin əmələ gəlməsinin qarşısını almaq üçün daha aşağı temperaturda (<900 °C)46 və vaxtda (<5 dəq) tavlana bilər (bu, FLG böyüməsi üçün faydalıdır).
SLG və FLG qrafenləri turşuların və suyun səth gərginliyinə davam gətirə bilmir və yaş kimyəvi köçürmə prosesləri zamanı mexaniki dəstək təbəqələri tələb edir22,34,38. Polimerlə dəstəklənən tək qatlı qrafenlərin yaş kimyəvi köçürməsindən fərqli olaraq, Şəkil 2a-da göstərildiyi kimi (ətraflı məlumat üçün Şəkil SI4a-ya baxın), böyümüş NGF-nin hər iki tərəfinin polimer dəstəyi olmadan köçürülə biləcəyini aşkar etdik. NGF-nin müəyyən bir substrata köçürülməsi altındakı Ni30.49 filminin yaş aşındırılması ilə başlayır. Yetişdirilmiş NGF/Ni/NGF nümunələri bir gecə ərzində 600 ml deionlaşdırılmış (DI) su ilə seyreltilmiş 15 ml 70% HNO3-də yerləşdirildi. Ni folqa tamamilə həll edildikdən sonra, FS-NGF düz qalır və NGF/Ni/NGF nümunəsi kimi mayenin səthində üzür, BS-NGF isə suya batırılır (Şəkil 2a,b). Daha sonra təcrid olunmuş NGF, təzə deionlaşdırılmış su olan bir stəkanda digərinə köçürüldü və təcrid olunmuş NGF, içbükey şüşə qabda dörd-altı dəfə təkrarlanaraq yaxşıca yuyuldu. Nəhayət, FS-NGF və BS-NGF istənilən substratın üzərinə yerləşdirildi (Şəkil 2c).
Nikel folqa üzərində yetişdirilən NGF üçün polimersiz yaş kimyəvi köçürmə prosesi: (a) Proses axın diaqramı (ətraflı məlumat üçün Şəkil SI4-ə baxın), (b) Ni aşındırmasından sonra ayrılmış NGF-nin rəqəmsal fotoşəkili (2 nümunə), (c) FS – və BS-NGF-nin SiO2/Si substratına köçürülməsinə nümunə, (d) FS-NGF-nin qeyri-şəffaf polimer substrata köçürülməsi, (e) d paneli ilə eyni nümunədən BS-NGF (iki hissəyə bölünmüş), qızılı örtüklü C kağızına və Nafiona (çevik şəffaf substrat, kənarları qırmızı künclərlə işarələnmiş) köçürülmüşdür.
Qeyd edək ki, yaş kimyəvi köçürmə metodlarından istifadə etməklə həyata keçirilən SLG köçürməsi ümumi emal müddəti 20-24 saatdır 38. Burada göstərilən polimersiz köçürmə texnikası ilə (Şəkil SI4a), ümumi NGF köçürmə emal müddəti əhəmiyyətli dərəcədə azalır (təxminən 15 saat). Proses aşağıdakılardan ibarətdir: (Addım 1) Aşındırma məhlulu hazırlayın və nümunəni içinə qoyun (~10 dəqiqə), sonra Ni aşındırılması üçün bir gecə gözləyin (~7200 dəqiqə), (Addım 2) Deionlaşdırılmış su ilə yuyun (Addım – 3). Deionlaşdırılmış suda saxlayın və ya hədəf substrata köçürün (20 dəq). NGF ilə toplu matrisa arasında qalan su kapilyar təsirlə (ləkələmə kağızı istifadə edərək) 38 çıxarılır, sonra qalan su damcıları təbii qurutma ilə çıxarılır (təxminən 30 dəq) və nəhayət, nümunə 50-90 °C (60 dəq) temperaturda vakuum sobasında (10-1 mbar) 10 dəq qurudulur 38.
Qrafitin kifayət qədər yüksək temperaturda (≥ 200 °C)50,51,52 su və havanın mövcudluğuna davam gətirdiyi məlumdur. Nümunələri otaq temperaturunda deionlaşdırılmış suda və bir neçə gündən bir ilə qədər qapalı şüşələrdə saxladıqdan sonra Raman spektroskopiyası, SEM və XRD istifadə edərək sınaqdan keçirdik (Şəkil SI4). Heç bir nəzərəçarpacaq dərəcədə parçalanma yoxdur. Şəkil 2c-də deionlaşdırılmış suda sərbəst dayanan FS-NGF və BS-NGF göstərilir. Şəkil 2c-nin əvvəlində göstərildiyi kimi, onları SiO2 (300 nm)/Si substratında tutduq. Bundan əlavə, Şəkil 2d,e-də göstərildiyi kimi, davamlı NGF polimerlər (Nexolve və Nafion-dan Thermabright poliamidi) və qızılı örtüklü karbon kağızı kimi müxtəlif substratlara köçürülə bilər. Üzən FS-NGF hədəf substratına asanlıqla yerləşdirildi (Şəkil 2c, d). Lakin, 3 sm2-dən böyük BS-NGF nümunələri tamamilə suya batırıldıqda idarə etmək çətin idi. Adətən, suda yuvarlanmağa başlayanda, ehtiyatsızlıq üzündən bəzən iki və ya üç hissəyə bölünürlər (Şəkil 2e). Ümumilikdə, müvafiq olaraq 6 və 3 sm2-ə qədər sahəyə malik nümunələr üçün PS- və BS-NGF-nin polimersiz ötürülməsinə (NGF/Ni/NGF böyüməsi olmadan 6 sm2-də davamlı sorunsuz ötürülmə) nail ola bildik. Qalan hər hansı böyük və ya kiçik hissələr istənilən substratda (~1 mm2, Şəkil SI4b, nümunəyə "FS-NGF: Struktur və Xüsusiyyətlər ("Struktur və Xüsusiyyətlər" bölməsində müzakirə olunur)" kimi mis şəbəkəsinə köçürülə bilər və ya gələcək istifadə üçün saxlanıla bilər (Şəkil SI4). Bu meyara əsasən, NGF-nin 98-99%-ə qədər məhsuldarlıqla bərpa edilə biləcəyini təxmin edirik (köçürmə üçün böyümədən sonra).
Polimersiz köçürmə nümunələri ətraflı təhlil edildi. Optik mikroskopiya (OM) və SEM görüntülərindən (Şəkil SI5 və Şəkil 3) istifadə edərək FS- və BS-NGF/SiO2/Si (Şəkil 2c) üzərində əldə edilən səth morfoloji xüsusiyyətləri bu nümunələrin mikroskopiyasız köçürüldüyünü göstərdi. Çatlar, dəliklər və ya açılmamış sahələr kimi görünən struktur zədələnmələr. Böyüyən NGF-dəki qıvrımlar (Şəkil 3b, d, bənövşəyi oxlarla işarələnmiş) köçürüldükdən sonra toxunulmaz qaldı. Həm FS-, həm də BS-NGF-lər FLG bölgələrindən ibarətdir (Şəkil 3-də mavi oxlarla işarələnmiş parlaq bölgələr). Təəccüblüdür ki, ultra nazik qrafit filmlərinin polimer köçürülməsi zamanı adətən müşahidə edilən bir neçə zədələnmiş bölgədən fərqli olaraq, NGF-yə birləşən bir neçə mikron ölçülü FLG və MLG bölgələri (Şəkil 3d-də mavi oxlarla işarələnmiş) çatlar və ya qırılmalar olmadan köçürüldü (Şəkil 3d). 3). Daha sonra müzakirə edildiyi kimi, krujeva-karbon mis torlarına köçürülmüş NGF-nin TEM və SEM görüntülərindən istifadə edərək mexaniki bütövlük daha da təsdiqləndi ("FS-NGF: Struktur və Xüsusiyyətlər"). Şəkil SI6a və b-də göstərildiyi kimi (20 × 20 μm2), köçürülmüş BS-NGF/SiO2/Si, müvafiq olaraq 140 nm və 17 nm orta rms dəyərləri ilə FS-NGF/SiO2/Si-dən daha kobuddur. SiO2/Si substratına köçürülmüş NGF-nin RMS dəyəri (RMS < 2 nm), Ni üzərində yetişdirilən NGF-dən xeyli aşağıdır (təxminən 3 dəfə) (Şəkil SI2), bu da əlavə kobudluğun Ni səthinə uyğun gələ biləcəyini göstərir. Bundan əlavə, FS- və BS-NGF/SiO2/Si nümunələrinin kənarlarında aparılan AFM görüntüləri müvafiq olaraq 100 və 80 nm NGF qalınlığı göstərdi (Şəkil SI7). BS-NGF-nin daha kiçik qalınlığı, səthin birbaşa öncü qaza məruz qalmamasının nəticəsi ola bilər.
SiO2/Si lövhəsində polimersiz köçürülmüş NGF (NiAG) (Şəkil 2c-yə baxın): (a,b) köçürülmüş FS-NGF-nin SEM şəkilləri: aşağı və yüksək böyütmə (paneldəki narıncı kvadrata uyğundur). Tipik sahələr) – a). (c,d) köçürülmüş BS-NGF-nin SEM şəkilləri: aşağı və yüksək böyütmə (c panelindəki narıncı kvadratla göstərilən tipik sahəyə uyğundur). (e, f) köçürülmüş FS- və BS-NGF-lərin AFM şəkilləri. Mavi ox FLG bölgəsini - parlaq kontrastı, firuzəyi ox - qara MLG kontrastını, qırmızı ox - qara kontrast NGF bölgəsini, bənövşəyi ox isə qatı təmsil edir.
Yetişdirilmiş və köçürülmüş FS- və BS-NGF-lərin kimyəvi tərkibi rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) ilə təhlil edilmişdir (Şəkil 4). Ölçülmüş spektrlərdə zəif bir pik müşahidə edilmişdir (Şəkil 4a, b), yetişdirilmiş FS- və BS-NGF-lərin (NiAG) Ni substratına (850 eV) uyğundur. Ötürülmüş FS- və BS-NGF/SiO2/Si-nin ölçülmüş spektrlərində heç bir pik yoxdur (Şəkil 4c; BS-NGF/SiO2/Si üçün oxşar nəticələr göstərilməyib), bu da köçürülmədən sonra qalıq Ni çirklənməsinin olmadığını göstərir. Şəkil 4d–f-də FS-NGF/SiO2/Si-nin C1s, O1s və Si2p enerji səviyyələrinin yüksək qətnaməli spektrləri göstərilir. Qrafitin C1s-nin bağlanma enerjisi 284.4 eV53.54-dür. Qrafit piklərinin xətti forması, Şəkil 4d54-də göstərildiyi kimi, ümumiyyətlə asimmetrik hesab olunur. Yüksək qətnaməli əsas səviyyəli C1s spektri (Şəkil 4d) də təmiz ötürülməni (yəni polimer qalıqlarının olmamasını) təsdiqlədi ki, bu da əvvəlki tədqiqatlarla uyğun gəlir38. Təzə yetişdirilmiş nümunənin (NiAG) və ötürülmədən sonrakı C1s spektrlərinin xətt enləri müvafiq olaraq 0,55 və 0,62 eV-dir. Bu dəyərlər SLG-nin dəyərlərindən (SiO2 substratında SLG üçün 0,49 eV)38 daha yüksəkdir. Lakin, bu dəyərlər əvvəllər yüksək istiqamətli pirolitik qrafen nümunələri üçün bildirilən xətt enlərindən (~0,75 eV)53,54,55 daha kiçikdir ki, bu da mövcud materialda qüsurlu karbon sahələrinin olmamasını göstərir. C1s və O1s yer səviyyəsindəki spektrlərdə də çiyinlər yoxdur, bu da yüksək qətnaməli pik dekonvolyusiyasına ehtiyacı aradan qaldırır54. Qrafit nümunələrində tez-tez müşahidə olunan 291,1 eV ətrafında π → π* peyk pik var. Si 2p və O 1 s əsas səviyyə spektrlərindəki 103 eV və 532,5 eV siqnallar (Şəkil 4e, f-ə baxın) müvafiq olaraq SiO2 56 substratına aid edilir. XPS səthə həssas bir texnikadır, buna görə də NGF ötürülməsindən əvvəl və sonra aşkar edilən Ni və SiO2-yə uyğun siqnalların FLG bölgəsindən qaynaqlandığı güman edilir. Oxşar nəticələr köçürülmüş BS-NGF nümunələri üçün də müşahidə edilmişdir (göstərilməyib).
NiAG XPS nəticələri: (ac) Müvafiq olaraq yetişdirilmiş FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni və köçürülmüş FS-NGF/SiO2/Si-nin müxtəlif elementar atom tərkiblərinin tədqiqat spektrləri. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si nümunəsinin əsas səviyyələri C 1 s, O 1s və Si 2p-nin yüksək dəqiqlikli spektrləri.
Transfer edilmiş NGF kristallarının ümumi keyfiyyəti rentgen difraksiyası (XRD) istifadə edilərək qiymətləndirilmişdir. Transfer edilmiş FS- və BS-NGF/SiO2/Si-nin tipik XRD nümunələri (Şəkil SI8) qrafitə bənzər şəkildə 26.6° və 54.7°-də difraksiya piklərinin (0 0 0 2) və (0 0 0 4) mövcudluğunu göstərir. Bu, NGF-nin yüksək kristal keyfiyyətini təsdiqləyir və transfer mərhələsindən sonra saxlanılan d = 0.335 nm təbəqələrarası məsafəyə uyğundur. Difraksiya pikinin intensivliyi (0 0 0 2) difraksiya pikinin (0 0 0 4) təxminən 30 dəfəsidir ki, bu da NGF kristal müstəvisinin nümunə səthi ilə yaxşı uyğunlaşdığını göstərir.
SEM, Raman spektroskopiyası, XPS və XRD nəticələrinə görə, BS-NGF/Ni-nin keyfiyyətinin FS-NGF/Ni ilə eyni olduğu aşkar edilmişdir, baxmayaraq ki, onun rms pürüzlülüyü bir qədər yüksək idi (Şəkillər SI2, SI5) və SI7).
200 nm qalınlığa qədər polimer dayaq təbəqələri olan SLG-lər su üzərində üzə bilər. Bu qurğu adətən polimer köməkli yaş kimyəvi köçürmə proseslərində istifadə olunur22,38. Qrafen və qrafit hidrofobdur (yaş bucağı 80–90°)57. Həm qrafenin, həm də FLG-nin potensial enerji səthlərinin olduqca düz olduğu, suyun səthdə yan hərəkəti üçün aşağı potensial enerjiyə (~1 kJ/mol) malik olduğu bildirilir58. Lakin, suyun qrafen və üç qrafen təbəqəsi ilə hesablanmış qarşılıqlı təsir enerjiləri müvafiq olaraq təxminən −13 və −15 kJ/mol58-dir ki, bu da suyun NGF (təxminən 300 təbəqə) ilə qarşılıqlı təsirinin qrafenlə müqayisədə daha aşağı olduğunu göstərir. Bu, sərbəst dayanan NGF-nin suyun səthində düz qalmasının, sərbəst dayanan qrafenin (suda üzən) isə qıvrılıb parçalanmasının səbəblərindən biri ola bilər. NGF tamamilə suya batırıldıqda (nəticələr kobud və düz NGF üçün eynidir), kənarları əyilir (Şəkil SI4). Tam batırılma halında, NGF-su qarşılıqlı təsir enerjisinin demək olar ki, ikiqat artması (üzən NGF ilə müqayisədə) və NGF-nin kənarlarının yüksək təmas bucağını (hidrofobiklik) qorumaq üçün qatlanması gözlənilir. İnanırıq ki, daxil edilmiş NGF-lərin kənarlarının qıvrılmasının qarşısını almaq üçün strategiyalar hazırlana bilər. Bir yanaşma qrafit təbəqəsinin islanma reaksiyasını modulyasiya etmək üçün qarışıq həlledicilərdən istifadə etməkdir59.
SLG-nin müxtəlif növ substratlara yaş kimyəvi ötürmə prosesləri vasitəsilə ötürülməsi əvvəllər bildirilmişdir. Qrafen/qrafit filmləri və substratlar (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunları22 kimi sərt substratlar və krujeva karbon filmləri30, 34 və ya poliimid 37 kimi elastik substratlar) arasında zəif van der Waals qüvvələrinin mövcud olduğu ümumiyyətlə qəbul edilir. Burada eyni tipli qarşılıqlı təsirlərin üstünlük təşkil etdiyini fərz edirik. Mexaniki işləmə zamanı (vakuum və/və ya atmosfer şəraitində və ya saxlama zamanı xarakteristika zamanı) burada təqdim olunan heç bir substrat üçün NGF-nin zədələnməsini və ya soyulmasını müşahidə etmədik (məsələn, Şəkil 2, SI7 və SI9). Bundan əlavə, NGF/SiO2/Si nümunəsinin əsas səviyyəsinin XPS C 1 s spektrində SiC pikini müşahidə etmədik (Şəkil 4). Bu nəticələr NGF ilə hədəf substrat arasında heç bir kimyəvi əlaqənin olmadığını göstərir.
Əvvəlki bölmədə, "FS- və BS-NGF-nin polimersiz ötürülməsi"ndə, NGF-nin nikel folqasının hər iki tərəfində böyüyə və ötürülə biləcəyini nümayiş etdirdik. Bu FS-NGF və BS-NGF-lər səth pürüzlülüyü baxımından eyni deyil və bu da bizi hər bir növ üçün ən uyğun tətbiqləri araşdırmağa sövq etdi.
FS-NGF-nin şəffaflığını və daha hamar səthini nəzərə alaraq, onun lokal quruluşunu, optik və elektrik xüsusiyyətlərini daha ətraflı araşdırdıq. Polimer ötürülməsi olmadan FS-NGF-nin quruluşu və quruluşu ötürmə elektron mikroskopiyası (TEM) görüntüləməsi və seçilmiş sahə elektron difraksiyası (SAED) nümunə təhlili ilə xarakterizə edilmişdir. Müvafiq nəticələr Şəkil 5-də göstərilmişdir. Aşağı böyüdücü düz TEM görüntüləməsi fərqli elektron kontrast xüsusiyyətlərinə, yəni müvafiq olaraq daha tünd və daha parlaq sahələrə malik NGF və FLG bölgələrinin mövcudluğunu aşkar etmişdir (Şəkil 5a). Film ümumilikdə NGF və FLG-nin müxtəlif bölgələri arasında yaxşı mexaniki bütövlük və sabitlik nümayiş etdirir, yaxşı üst-üstə düşür və zədələnmə və ya cırılma yoxdur ki, bu da SEM (Şəkil 3) və yüksək böyüdücü TEM tədqiqatları (Şəkil 5c-e) ilə təsdiqlənmişdir. Xüsusilə, Şəkil 5d-də ən böyük hissəsindəki körpü quruluşu (Şəkil 5d-də qara nöqtəli oxla işarələnmiş mövqe) üçbucaqlı forma ilə xarakterizə olunur və təxminən 51 enində qrafen təbəqəsindən ibarətdir. 0,33 ± 0,01 nm müstəvilərarası məsafəyə malik tərkib ən dar bölgədə (Şəkil 5d-də qara oxun ucu) bir neçə qrafen təbəqəsinə qədər azaldılır.
Karbon krujevalı mis şəbəkəsində polimersiz NiAG nümunəsinin düz TEM təsviri: (a, b) NGF və FLG bölgələrini əhatə edən aşağı böyüdücü TEM təsvirləri, (ce) a və b panellərindəki müxtəlif bölgələrin yüksək böyüdücü təsvirləri eyni rəngli oxlarla işarələnmişdir. a və c panellərindəki yaşıl oxlar şüa hizalanması zamanı dairəvi zədələnmə sahələrini göstərir. (f–i) a-dan c-yə qədər olan panellərdə müxtəlif bölgələrdəki SAED naxışları müvafiq olaraq mavi, firuzəyi, narıncı və qırmızı dairələrlə göstərilir.
Şəkil 5c-dəki lent quruluşu, qrafit qəfəs müstəvilərinin şaquli istiqamətini göstərir (qırmızı oxla işarələnmişdir), bu, artıq kompensasiya olunmamış kəsmə gərginliyi səbəbindən film boyunca nanoqırlıqların əmələ gəlməsi ilə əlaqəli ola bilər (Şəkil 5c-də əlavə). Yüksək qətnaməli TEM altında bu nanoqırlıqlar 30 NGF bölgəsinin qalan hissəsindən fərqli kristalloqrafik istiqamət nümayiş etdirir; qrafit qəfəsinin bazal müstəviləri filmin qalan hissəsi kimi üfüqi deyil, demək olar ki, şaquli istiqamətdədir (Şəkil 5c-də əlavə). Eynilə, FLG bölgəsi bəzən xətti və dar zolaq kimi qıvrımlar (mavi oxlarla işarələnmiş) göstərir ki, bunlar müvafiq olaraq Şəkil 5b, 5e-də aşağı və orta böyütmədə görünür. Şəkil 5e-dəki əlavə, FLG sektorunda iki və üç qatlı qrafen təbəqələrinin mövcudluğunu təsdiqləyir (müstəvilərarası məsafə 0,33 ± 0,01 nm), bu da əvvəlki nəticələrimizlə yaxşı uyğun gəlir30. Bundan əlavə, (yuxarı görünüşlü TEM ölçmələri aparıldıqdan sonra) krujeva karbon təbəqələri ilə mis torlarına köçürülmüş polimersiz NGF-nin qeydə alınmış SEM görüntüləri Şəkil SI9-da göstərilmişdir. Şəkil SI9f-də yaxşı asılmış FLG bölgəsi (mavi oxla işarələnmiş) və qırılmış bölgə. Mavi ox (köçürülmüş NGF-nin kənarında) FLG bölgəsinin polimer olmadan köçürmə prosesinə müqavimət göstərə biləcəyini göstərmək üçün qəsdən təqdim edilmişdir. Xülasə, bu görüntülər qismən asılmış NGF-nin (FLG bölgəsi daxil olmaqla) TEM və SEM ölçmələri zamanı ciddi işləmə və yüksək vakuuma məruz qalma halında belə mexaniki bütövlüyü qoruduğunu təsdiqləyir (Şəkil SI9).
NGF-nin əla düzlüyünə görə (Şəkil 5a-ya baxın), SAED strukturunu təhlil etmək üçün lopaları [0001] domen oxu boyunca istiqamətləndirmək çətin deyil. Filmin yerli qalınlığından və yerindən asılı olaraq, elektron difraksiyası tədqiqatları üçün bir neçə maraq sahəsi (12 nöqtə) müəyyən edilmişdir. Şəkil 5a–c-də bu tipik bölgələrdən dördü göstərilir və rəngli dairələrlə (mavi, firuzəyi, narıncı və qırmızı kodlanmış) işarələnmişdir. Şəkil 2 və 3 SAED rejimi üçün. Şəkil 5f və g şəkilləri Şəkil 5 və 5-də göstərilən FLG bölgəsindən əldə edilmişdir. Şəkil 5b və c-də göstərildiyi kimi, müvafiq olaraq. Onlar bükülmüş qrafenə63 bənzər altıbucaqlı quruluşa malikdirlər. Xüsusilə, Şəkil 5f, üç cüt (10-10) əksin bucaq uyğunsuzluğu ilə sübut edildiyi kimi, 10° və 20° ilə fırlanan [0001] zona oxunun eyni istiqamətinə malik üç üst-üstə düşmüş nümunəni göstərir. Eynilə, Şəkil 5g, 20° ilə fırlanan iki üst-üstə qoyulmuş altıbucaqlı naxışı göstərir. FLG bölgəsində iki və ya üç altıbucaqlı naxış qrupu, bir-birinə nisbətən fırlanan üç müstəvidaxili və ya müstəvidən kənar qrafen təbəqəsindən 33 yarana bilər. Bunun əksinə olaraq, Şəkil 5h,i-dəki elektron difraksiya naxışları (Şəkil 5a-da göstərilən NGF bölgəsinə uyğundur) daha böyük material qalınlığına uyğun olaraq ümumi daha yüksək nöqtə difraksiya intensivliyinə malik tək bir [0001] naxış göstərir. Bu SAED modelləri, indeks 64-dən çıxarıldığı kimi, FLG-dən daha qalın qrafit quruluşuna və aralıq istiqamətə uyğundur. NGF-nin kristal xüsusiyyətlərinin xarakteristikası iki və ya üç üst-üstə qoyulmuş qrafit (və ya qrafen) kristallitinin birgə mövcudluğunu aşkar etdi. FLG bölgəsində xüsusilə diqqətəlayiq olan şey, kristallitlərin müəyyən dərəcədə müstəvidaxili və ya müstəvidən kənar oriyentasiyaya malik olmasıdır. Ni 64 filmlərində yetişdirilən NGF üçün əvvəllər 17°, 22° və 25° müstəvidə fırlanma bucaqlarına malik qrafit hissəcikləri/təbəqələri bildirilmişdir. Bu tədqiqatda müşahidə edilən fırlanma bucağı dəyərləri, bükülmüş BLG63 qrafen üçün əvvəllər müşahidə edilən fırlanma bucaqları (±1°) ilə uyğun gəlir.
NGF/SiO2/Si-nin elektrik xüsusiyyətləri 300 K-də 10×3 mm2 sahə üzərində ölçülmüşdür. Elektron daşıyıcısının konsentrasiyası, hərəkətliliyi və keçiriciliyi müvafiq olaraq 1,6 × 1020 sm-3, 220 sm-2 V-1 C-1 və 2000 S-sm-1-dir. NGF-imizin hərəkətliliyi və keçiriciliyi təbii qrafit2-yə bənzəyir və ticari olaraq mövcud olan yüksək istiqamətli pirolitik qrafitdən (3000 °C-də istehsal olunur)29 daha yüksəkdir. Müşahidə edilən elektron daşıyıcısının konsentrasiyası dəyərləri, yüksək temperaturlu (3200 °C) poliimid təbəqələrindən istifadə edərək hazırlanmış mikron qalınlığında qrafit filmləri üçün bu yaxınlarda bildirilənlərdən (7,25 × 10 sm-3) iki dəfə yüksəkdir 20.
Biz həmçinin kvars substratlarına köçürülmüş FS-NGF üzərində UB-görünən keçiricilik ölçmələrini apardıq (Şəkil 6). Nəticədə əldə edilən spektr 350-800 nm diapazonunda demək olar ki, sabit 62% keçiricilik göstərir ki, bu da NGF-nin görünən işığa şəffaf olduğunu göstərir. Əslində, "KAUST" adını Şəkil 6b-dəki nümunənin rəqəmsal fotoşəkilində görmək olar. NGF-nin nanokristal quruluşu SLG-nin quruluşundan fərqli olsa da, təbəqələrin sayı əlavə təbəqə üçün 2,3% ötürmə itkisi qaydasından istifadə etməklə təxminən hesablana bilər65. Bu əlaqəyə görə, 38% ötürmə itkisi olan qrafen təbəqələrinin sayı 21-dir. Yetişdirilmiş NGF əsasən 300 qrafen təbəqəsindən, yəni təxminən 100 nm qalınlığında ibarətdir (Şəkil 1, SI5 və SI7). Buna görə də, müşahidə olunan optik şəffaflığın FLG və MLG bölgələrinə uyğun olduğunu fərz edirik, çünki onlar film boyunca paylanmışdır (Şəkil 1, 3, 5 və 6c). Yuxarıda göstərilən struktur məlumatlarına əlavə olaraq, keçiricilik və şəffaflıq da köçürülmüş NGF-nin yüksək kristal keyfiyyətini təsdiqləyir.
(a) UB-görünən keçiricilik ölçməsi, (b) nümayəndəli nümunədən istifadə edərək kvars üzərində tipik NGF ötürülməsi. (c) Nümunə boyunca bərabər paylanmış FLG və MLG bölgələri boz təsadüfi formalar kimi işarələnmiş NGF-nin (qaranlıq qutu) sxemi (Şəkil 1-ə baxın) (100 μm2 üçün təxminən 0,1–3% sahə). Diaqramdakı təsadüfi formalar və onların ölçüləri yalnız illüstrativ məqsədlər üçündür və faktiki sahələrə uyğun gəlmir.
CVD tərəfindən yetişdirilən şəffaf NGF əvvəllər çılpaq silikon səthlərə köçürülmüş və günəş batareyalarında istifadə edilmişdir15,16. Nəticədə yaranan güc çevrilmə səmərəliliyi (PCE) 1,5%-dir. Bu NGF-lər aktiv birləşmə təbəqələri, yük daşıma yolları və şəffaf elektrodlar15,16 kimi bir çox funksiyanı yerinə yetirir. Lakin, qrafit təbəqəsi vahid deyil. Bu iki xüsusiyyət günəş batareyasının PCE dəyərinin müəyyən edilməsində mühüm rol oynadığı üçün qrafit elektrodunun təbəqə müqavimətini və optik keçiriciliyini diqqətlə idarə etməklə daha da optimallaşdırma zəruridir15,16. Tipik olaraq, qrafin təbəqələri görünən işığa 97,7% şəffafdır, lakin təbəqə müqaviməti 200-3000 ohm/kv.16 təşkil edir. Qrafin təbəqələrinin səth müqaviməti təbəqələrin sayını artırmaqla (qrafin təbəqələrinin çoxlu köçürülməsi) və HNO3 (~30 Ohm/kv.) ilə aşqarlamaqla azaldıla bilər66. Lakin bu proses uzun çəkir və fərqli ötürmə təbəqələri həmişə yaxşı təmas saxlamır. Ön tərəfimizdəki NGF keçiriciliyi 2000 S/sm2, film təbəqəsinin müqaviməti 50 ohm/kv.m və 62% şəffaflıq kimi xüsusiyyətlərə malikdir ki, bu da onu günəş batareyalarında keçirici kanallar və ya əks elektrodlar üçün əlverişli alternativ halına gətirir15,16.
BS-NGF-nin strukturu və səth kimyası FS-NGF-yə bənzəsə də, onun pürüzlülüyü fərqlidir ("FS- və BS-NGF-nin böyüməsi"). Əvvəllər qaz sensoru kimi ultra nazik təbəqəli qrafit22-dən istifadə edirdik. Buna görə də, qaz sensoru tapşırıqları üçün BS-NGF-dən istifadənin mümkünlüyünü sınaqdan keçirdik (Şəkil SI10). Əvvəlcə BS-NGF-nin mm2 ölçülü hissələri rəqəmlərarası elektrod sensor çipinə köçürüldü (Şəkil SI10a-c). Çipin istehsal detalları əvvəllər bildirilmişdi; onun aktiv həssas sahəsi 9 mm267-dir. SEM şəkillərində (Şəkil SI10b və c), altındakı qızıl elektrod NGF vasitəsilə aydın görünür. Yenə də bütün nümunələr üçün vahid çip örtüyünün əldə edildiyini görmək olar. Müxtəlif qazların qaz sensoru ölçmələri qeydə alınıb (Şəkil SI10d) (Şəkil SI11) və nəticədə alınan cavab dərəcələri Şəkil SI10g-də göstərilib. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) və NH3 (200 ppm) daxil olmaqla digər müdaxilə edən qazlarla ehtimal olunur. Mümkün səbəblərdən biri NO2-dir. Qazın elektrofil təbiəti22,68. Qrafenin səthində adsorbsiya edildikdə, sistem tərəfindən elektronların cərəyan udulmasını azaldır. BS-NGF sensorunun cavab müddəti məlumatlarının əvvəllər dərc edilmiş sensorlarla müqayisəsi Cədvəl SI2-də təqdim edilmişdir. Açıq nümunələrin UB plazma, O3 plazma və ya termal (50–150°C) emalından istifadə edərək NGF sensorlarını yenidən aktivləşdirmək mexanizmi davam edir və ideal olaraq daxili sistemlərin tətbiqi69.
CVD prosesi zamanı katalizator substratının hər iki tərəfində qrafen böyüməsi baş verir41. Lakin, BS-qrafen adətən transfer prosesi zamanı atılır41. Bu tədqiqatda katalizator dayağının hər iki tərəfində yüksək keyfiyyətli NGF böyüməsi və polimersiz NGF ötürülməsinin əldə edilə biləcəyini nümayiş etdiririk. BS-NGF FS-NGF-dən (~100 nm) daha nazikdir (~80 nm) və bu fərq BS-Ni-nin birbaşa öncü qaz axınına məruz qalmaması ilə izah olunur. Həmçinin, NiAR substratının kələ-kötürlüyünün NGF-nin kələ-kötürlüyünə təsir etdiyini aşkar etdik. Bu nəticələr göstərir ki, yetişdirilən düz FS-NGF qrafen üçün öncü material kimi (soyma metodu ilə70) və ya günəş batareyalarında keçirici kanal kimi istifadə edilə bilər15,16. Bunun əksinə olaraq, BS-NGF qaz aşkarlanması üçün (Şəkil SI9) və ehtimal ki, səth kələ-kötürlüyünün faydalı olacağı enerji saxlama sistemləri üçün71,72 istifadə ediləcək.
Yuxarıda göstərilənləri nəzərə alaraq, mövcud işi əvvəllər dərc edilmiş CVD ilə yetişdirilmiş və nikel folqa istifadə edilmiş qrafit filmləri ilə birləşdirmək faydalıdır. Cədvəl 2-də göründüyü kimi, istifadə etdiyimiz daha yüksək təzyiqlər nisbətən aşağı temperaturlarda (850–1300 °C diapazonunda) belə reaksiya müddətini (böyümə mərhələsini) qısaltdı. Həmçinin, genişlənmə potensialını göstərən adi haldan daha böyük artım əldə etdik. Nəzərə alınmalı digər amillər də var ki, bunlardan bəzilərini cədvələ daxil etdik.
Nikel folqa üzərində katalitik CVD vasitəsilə iki tərəfli yüksək keyfiyyətli NGF yetişdirilmişdir. Ənənəvi polimer substratlarını (məsələn, CVD qrafenində istifadə olunanlar) aradan qaldırmaqla, NGF-nin (nikel folqanın arxa və ön tərəflərində yetişdirilən) müxtəlif proses üçün vacib substratlara təmiz və qüsursuz nəm ötürülməsinə nail oluruq. Xüsusilə, NGF, daha qalın təbəqəyə struktur olaraq yaxşı inteqrasiya olunmuş FLG və MLG bölgələrini (adətən 100 µm2 üçün 0,1%-dən 3%-ə qədər) əhatə edir. Düz TEM göstərir ki, bu bölgələr iki-üç qrafit/qrafen hissəciklərindən (müvafiq olaraq 10-20° fırlanma uyğunsuzluğuna malik kristallar və ya təbəqələr) ibarət yığınlardan ibarətdir. FLG və MLG bölgələri FS-NGF-nin görünən işığa şəffaflığından məsuldur. Arxa təbəqələrə gəldikdə isə, onlar ön təbəqələrə paralel aparıla bilər və göstərildiyi kimi, funksional məqsədə malik ola bilər (məsələn, qaz aşkarlanması üçün). Bu tədqiqatlar sənaye miqyaslı CVD proseslərində tullantıların və xərclərin azaldılması üçün çox faydalıdır.
Ümumiyyətlə, CVD NGF-nin orta qalınlığı (aşağı və çoxqatlı) qrafen və sənaye (mikrometr) qrafit təbəqələri arasındadır. Onların maraqlı xüsusiyyətlərinin çeşidi, istehsalı və daşınması üçün hazırladığımız sadə metodla birlikdə, bu filmləri hazırda istifadə olunan enerji tələb edən sənaye istehsal proseslərinin xərci olmadan qrafitin funksional reaksiyasını tələb edən tətbiqlər üçün xüsusilə uyğun edir.
Kommersiya məqsədli CVD reaktoruna (Aixtron 4 düymlük BMPro) 25 μm qalınlığında nikel folqa (99,5% təmizlik, Goodfellow) quraşdırılmışdır. Sistem arqonla təmizlənmiş və 10-3 mbar baza təzyiqinə qədər boşaldılmışdır. Daha sonra nikel folqa Ar/H2-də yerləşdirilmişdir (Ni folqa 5 dəqiqə əvvəlcədən tavlandıqdan sonra folqa 900 °C-də 500 mbar təzyiqə məruz qalmışdır. NGF 5 dəqiqə ərzində CH4/H2 (hər biri 100 sm3) axınında çökdürülmüşdür. Daha sonra nümunə 40 °C/dəq-də Ar axını (4000 sm3) istifadə edərək 700 °C-dən aşağı temperatura qədər soyudulmuşdur. NGF böyümə prosesinin optimallaşdırılması ilə bağlı təfərrüatlar başqa yerdə təsvir edilmişdir30.
Nümunənin səth morfologiyası Zeiss Merlin mikroskopu (1 kV, 50 pA) istifadə edərək SEM ilə vizuallaşdırıldı. Nümunənin səthinin pürüzlülüyü və NGF qalınlığı AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) istifadə edilərək ölçüldü. TEM və SAED ölçmələri son nəticələr əldə etmək üçün yüksək parlaqlıqlı sahə emissiya silahı (300 kV), FEI Wien tipli monoxromator və CEOS linzalı sferik aberrasiya korrektoru ilə təchiz olunmuş FEI Titan 80–300 Cubed mikroskopu istifadə edilərək həyata keçirildi. fəza qətnaməsi 0,09 nm. NGF nümunələri düz TEM görüntüləməsi və SAED struktur təhlili üçün karbon krujeva ilə örtülmüş mis torlara köçürüldü. Beləliklə, nümunə floklarının əksəriyyəti dəstəkləyici membranın məsamələrində asılı vəziyyətdədir. Köçürülmüş NGF nümunələri XRD ilə təhlil edildi. Rentgen difraksiyası nümunələri, şüa nöqtəsi diametri 3 mm olan Cu şüalanma mənbəyindən istifadə edərək toz difraktometr (Brucker, Cu Kα mənbəyi olan D2 fazalı dəyişdirici, 1.5418 Å və LYNXEYE detektoru) istifadə edilərək əldə edilmişdir.
İnteqrasiyaedici konfokal mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) istifadə edilərək bir neçə Raman nöqtəsi ölçməsi qeydə alınıb. Termik induksiyalı təsirlərin qarşısını almaq üçün aşağı həyəcanlanma gücünə (25%) malik 532 nm lazer istifadə edilib. Rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) Kratos Axis Ultra spektrometrində 300 × 700 μm2 nümunə sahəsi üzərində 150 Vt gücündə monoxromatik Al Kα şüalanması (hν = 1486,6 eV) istifadə edilərək aparılıb. Çözünürlük spektrləri müvafiq olaraq 160 eV və 20 eV ötürmə enerjilərində əldə edilib. SiO2 üzərinə köçürülən NGF nümunələri 30 Vt gücündə PLS6MW (1,06 μm) itterbium lifli lazer istifadə edilərək parçalara (hər biri 3 × 10 mm2) kəsilib. Mis məftil kontaktları (50 μm qalınlığında) optik mikroskop altında gümüş pasta istifadə edilərək hazırlanıb. Elektrik nəqli və Holl effekti təcrübələri bu nümunələr üzərində 300 K temperaturda və ± 9 Tesla maqnit sahəsi variasiyasında fiziki xüsusiyyətlər ölçmə sistemində (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ABŞ) aparılmışdır. Ötürülən UB-vis spektrləri kvars substratlarına və kvars istinad nümunələrinə köçürülmüş 350-800 nm NGF diapazonunda Lambda 950 UB-vis spektrofotometri istifadə edilərək qeydə alınmışdır.
Kimyəvi müqavimət sensoru (rəqəmlərarası elektrod çipi) xüsusi çap dövrə lövhəsinə 73 qoşulmuş və müqavimət müvəqqəti olaraq çıxarılmışdır. Cihazın yerləşdiyi çap dövrə lövhəsi kontakt terminallarına qoşulmuş və qaz sensor kamerasının 74 içərisinə yerləşdirilmişdir. Müqavimət ölçmələri 1 V gərginlikdə təmizlənmədən qaz məruz qalmasına qədər davamlı tarama ilə aparılmış və sonra yenidən təmizlənmişdir. Kamera əvvəlcə nəm də daxil olmaqla, kamerada mövcud olan bütün digər analitlərin çıxarılmasını təmin etmək üçün 200 sm3 azotla 1 saat ərzində təmizlənərək təmizlənmişdir. Daha sonra fərdi analitlər N2 silindrini bağlayaraq eyni 200 sm3 axın sürəti ilə kameraya yavaş-yavaş buraxılmışdır.
Bu məqalənin yenidən işlənmiş versiyası dərc edilib və məqalənin yuxarısındakı link vasitəsilə əldə edilə bilər.
İnagaki, M. və Kang, F. Karbon Materialları Elmi və Mühəndisliyi: Əsaslar. İkinci nəşr redaktə edilib. 2014. 542.
Pearson, HO, Karbon, Qrafit, Almaz və Fullerenlər üzrə Təlimat: Xüsusiyyətlər, Emal və Tətbiqlər. Birinci nəşr redaktə edilib. 1994, Nyu-Cersi.
Tsai, W. və b. Geniş sahəli çoxqatlı qrafen/qrafit filmləri şəffaf nazik keçirici elektrodlar kimi. tətbiqi. fizika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Qrafen və nanostrukturlu karbon materiallarının istilik xüsusiyyətləri. Nat. Mat. 10(8), 569–581 (2011).
Çenq KY, Braun PV və Keyhill DG Ni (111) üzərində aşağı temperaturlu kimyəvi buxar çöküntüsü ilə yetişdirilən qrafit filmlərinin istilik keçiriciliyi. zərf. Mat. İnterfeys 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kimyəvi buxar çöküntüsü ilə qrafen filmlərinin davamlı böyüməsi. tətbiqi. fizika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Yazı vaxtı: 23 Avqust 2024