Hvala vam što ste posjetili prirodu.com. Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku CSS-a. Za najbolje rezultate, preporučujemo da koristite noviju verziju vašeg pretraživača (ili onemogućite režim kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bi se osigurala stalna podrška, mi prikazujemo web mjesto bez oblikovanja ili JavaScripta.
Nanoscale grafitni filmovi (NGF) su robusni nanomaterijali koji se mogu proizvesti katalitičkim odlaganjem o hemijskoj pare, ali pitanja ostaju o njihovoj jednostavnosti prijenosa i kako površinska morfologija utječe na njihovu upotrebu u uređajima za sljedeću generaciju. Ovdje izvještavamo o rastu NGF-a s obje strane polikristalne niklne folije (površine 55 cm2, debljine oko 100 Nm) i njegov prijenos bez polimera (prednji i leđa, površina do 6 cm2). Zbog morfologije katalizatora folije, dva karbonska filma razlikuju se u svojim fizičkim svojstvima i drugim karakteristikama (kao što su površinska hrapavost). Pokazujemo da su NGF-ovi sa ružnim stražnjim dijelom pogodne za otkrivanje NO2, dok je glađač i provetniji NGF-ovi na prednjoj strani (2000 s / cm, otpornost lima - 50 ohma / m2) može biti održivi vodiči. Kanal ili elektroda solarne ćelije (jer prenosi 62% vidljive svjetlosti). Sveukupno, opisani rast i transportni procesi mogu pomoći u realizaciji NGF-a kao alternativnog ugljičnog materijala za tehnološke primjene u kojima grafitni grafitni filmovi grafikona i mikrona nisu prikladni.
Grafit je široko korišten industrijski materijal. Obično, grafit ima svojstva relativno male masovne gustoće i visoke ulazne toplotne i električne provodljivosti i vrlo je stabilno u teškim termičkim i hemijskim okruženjima1,2. Flake grafit je dobro poznati početni materijal za istraživanje grafena3. Kada se prerađuje u tanke filmove, može se koristiti u širokom rasponu aplikacija, uključujući hladnjak za elektroničke uređaje poput pametnih telefona4,5,6,7, kao aktivni materijal u senzorima8,9,10 i za elektromagnetsku zaštitu od interferencije11. 12 i filmovi za litografiju u ekstremnim ultraljubičastom13,14, provode kanale u solarnim ćelijama15,16. Za sve ove aplikacije bila bi značajna prednost ako su velika područja grafitnih filmova (NGF-a) s debljinama kontroliranim u nanozak <100 nm, mogu se lako proizvoditi i prevoziti.
Grafitni filmovi proizvodi se raznim metodama. U jednom slučaju, ugradnja i ekspanzija praćena pilićom korišteni su za proizvodnju grafenskih pahuljica10,11,17. Pahuljice moraju biti dodatno obrađene u filmove potrebne debljine, a često traje nekoliko dana za proizvodnju gustih grafitnih listova. Drugi pristup je započeti grafikoni čvrsti prekursori. U industriji, listovi polimera su karbonizirani (na 1000-1500 ° C), a zatim grafimizirani (na 2800-3200 ° C) za formiranje dobro strukturiranih slojevitih materijala. Iako je kvaliteta ovih filmova visoka, potrošnja energije je značajna1,18,19, a minimalna debljina ograničena je na nekoliko mikrona1,18,19,20.
Taloženje katalitičkog hemijskog pare (CVD) je poznata metoda za proizvodnju grafitnih filmova grafikona i ultra tatina (<10 Nm) sa visokim strukturnim kvalitetom i razumnim troškovima21,22,22,24,25,26,27. Međutim, u usporedbi s rastom grafikona i ultra tajnih grafitnih filmova28, rast velikog područja i / ili primjena NGF-a pomoću CVD-a još manje je istraženo11,13,29,30,31,32,33.
CVD-Grown Grafene i grafitni filmovi često se moraju prenijeti na funkcionalne podloge34. Ovi tanki filmski transferi uključuju dvije glavne metode35: (1) netkani transfer36,37 i (2) ETCH-ov mokri hemijski prijenos (podložni podržani) 14,34,38. Svaka metoda ima neke prednosti i nedostatke i moraju se odabrati ovisno o namjeravanoj aplikaciji, kako je opisano drugdje35,39. Za grafitne / grafitne filmove uzgajane na katalitičkim podlozima, prenošenje putem mokrih hemijskih procesa (od kojih je polimetil metakrilat (PMMA) najčešće korišteni sloj za podršku) ostaje prvi izbor13,30,34,38,40,41,42. Ti i dr. Spomenuto je da nijedan polimer nije korišten za NGF transfer (veličina uzorka približno 4 cm2) 25,43, ali nisu pruženi nikakvi detalji u pogledu stabilnosti uzoraka i / ili rukovanja tokom prenosa; Vlažni procesi hemije pomoću polimera sastoje se od nekoliko koraka, uključujući aplikaciju i naknadno uklanjanje žrtvenog polimernog sloja30,38,40,41,42. Ovaj proces ima nedostatke: Na primjer, ostaci polimera mogu promijeniti svojstva odraslih filma38. Dodatna obrada može ukloniti preostali polimer, ali ovi dodatni koraci povećavaju troškove i vrijeme filmske produkcije38,40. Tijekom rasta civilnog cifera deponovan je ne samo na prednjoj strani folije katalizatora (strana okrenuta protokom pare), već i na stražnjoj strani. Međutim, potonji se smatra otpadnim proizvodom i može se brzo ukloniti mekom plazmom38,41. Recikliranje ovog filma može pomoći maksimiziranju prinosa, čak i ako je niže kvalitete od filma za lice.
Ovdje izvještavamo o pripremi bifacilnog rasta rezistera za reef s visokim strukturnim kvalitetom na polikristalnoj nikl foliji po CVD-u. Procijenjeno je kako hrapavost prednje i stražnje površine folije utječe na morfologiju i strukturu NGF-a. Također demonstriramo ekonomičan i ekološki prihvatljiv prijenos NGF-a s obje strane nikla folije na višenamjenske podloge i pokaži kako su prednji i zadnji filmovi pogodni za razne aplikacije.
Sljedeći odjeljci razgovaraju o različitim grafitnim debljinama filma, ovisno o broju složenih slojeva grafena: (i) jednoslojni grafen (SLG, 1 sloj), (ii) nekoliko slojeva (FLG, <10 slojeva), (IV, 10-30 slojeva) i (iv) NGF (~ 300 slojeva). Potonje je najčešća debljina izražena kao procenat površine (približno 97% površine 100 μm2) 30. Zato se cijeli film jednostavno naziva NGF.
Polikristalni nikl folija koji se koriste za sintezu grafikonskih i grafitnih filmova imaju različite teksture kao rezultat njihove proizvodnje i naknadne obrade. Nedavno smo prijavili studiju da bismo optimizirali proces rasta NGF30. Pokazujemo da su procesni parametri poput treniranja vremena i pritiska komore tokom faze rasta igraju kritičnu ulogu u dobijanju NGF-a ujednačenoj debljini. Ovdje smo dalje istraživali rast NGF-a na poliranim prednjim (FS) i nepolitimnim stražnjim (BS) površinama niklske folije (Sl. 1A). Tri vrste uzoraka FS i BS su ispitane, navedene u tablici 1. Na vizuelnom inspekciji, ujednačen rast NGF-a na obje strane niklovnog folije (NIAG) može se vidjeti promjenom boje od karakterističnog metalnog srebrnog sive boje do mat sive boje (Sl. 1A); Potvrđena su mikroskopska mjerenja (Sl. 1b, C). Tipični raman spektar FS-NGF-a promatra se u svijetloj regiji i naznačene crvenim, plavim i narančastim strelicama na slici 1b prikazano je na slici 1c. Karakteristični Raman Peaks of Graphite G (1683 cm-1) i 2D (2696 cm-1) potvrđuju rast visoko kristalnog NGF-a (Sl. 1C, tablica SI1). Kroz film, primijećeno je prevladavanje raman spektra s omjerom intenziteta (I2D / IG) ~ 0,3, dok je Raman spektra s I2D / IG = 0,8 rijetko primijećen. Nepostojanje neispravnih vrhova (d = 1350 cm-1) u cijelom filmu ukazuje na visoku kvalitetu rasta NGF-a. Slični raman rezultati dobiveni su na uzorku BS-NGF (slika SI1 A i B, tablica SI1).
Poređenje NIAG FS- i BS-NGF-a: (a) Uzorak tipičnog NGF-a (NIAG) koji prikazuje rast NGF-a na skali od refera (55 cm2) i FS-NI folike, (c) tipični raman spektri zabilježeni na različitim položajima u panelu B, (D, F) sem slike na različitim Povećanja na FS-NGF / NI, (E, G) SEM slikama na različitim povećalištima BS -NGF / NI. Plava strelica ukazuje na regiju FLG-a, narančasta strelica ukazuje na regiju MLG (u blizini regije FLG), crvena strelica ukazuje na regiju NGF-a, a magenta strelica ukazuje na magenta.
Budući da rast ovisi o debljini početnog supstrata, kristalne veličine, orijentacije i granica zrna, postizanje razumne kontrole debljine NGF-a na velikim područjima ostaje izazov20,34,44. Ova studija koristila je sadržaj koji smo ranije objavili30. Ovaj proces stvara svijetlu regiju od 0,1 do 3% na 100 μm230. U sljedećim odjeljcima predstavljamo rezultate za obje vrste regija. Visoko uvećanje Sem slike pokazuju prisustvo nekoliko svijetlih kontrasta površina sa obje strane (Sl. 1F, G), što ukazuje na prisustvo FLG i MLG regiona30,45. To je potvrdilo i Ramans Rasing (Sl. 1c) i tem rezultati (raspravlja se kasnije u odjeljku "FS-NGF: struktura i svojstva"). RG i MLG regije primijećeni na FS-i BS-NGF / NI uzorci (prednji i stražnji NGF koji se uzgajaju na ni) mogu se uzgajati na velikim nij (111) zrnjivima formiranim tijekom pretponeznosti22,30,45. Sklapanje je primijećeno s obje strane (Sl. 1b, označeno ljubičastom strelicama). Ove se nabore često nalaze u CVD-odraslim grafikonima i grafitnim filmovima zbog velike razlike u koeficijent toplinskom ekspanzijom između grafita i nikla supstrata30,38.
AFM slika potvrdila je da je uzorak FS-NGF-a bio ravan od uzorka BS-NGF (slika SI1) (slika SI2). Troot srednje kvadratne (RMS) vrijednosti hrapavosti FS-NGF / Ni (Sl. SI2C) i BS-N2D / Ni (Sl. SI2D) su 82 i 200 Nm, odnosno (mjerena na površinu od 20 × 20 μm2). Veća hrapavost može se shvatiti na osnovu površinske analize nikla (niar) folije u asbembinutom stanju (slika SI3). Sem slike FS i BS-niar prikazane su na slikama SI3A-D, demonstrirajući različite površinske morfologije: polirana FS-ni folija ima nano- i mikrona veličine sferne čestice, dok nepažene bs-ni folije pokazuje proizvodne ljestvice. kao čestice s velikom čvrstoćom. i pad. Slike niske i visoke rezolucije o žarljivoj nikl foliji (NIA) prikazane su na slici SI3E-H. U tim podacima možemo promatrati prisustvo nekoliko čestica nikla veličine mikrona na obje strane niklovne folije (Sl. Si3e-H). Velika žitarica mogu imati ni (111) površinu, kao što je prethodno izvijestilo30,46. Postoje značajne razlike u morfologiji nikla FIL-a između FS-nia i BS-NIA. Veća hrapavost BS-NGF / NI nastala je zbog nepolirane površine BS-niar, od čega ostaje značajno grub čak i nakon žarstva (slika SI3). Ova vrsta karakterizacije površine prije postupka rasta omogućava kontroliranje hrapavosti grafikona i grafitnih filmova. Treba napomenuti da je originalna supstrata prošla neko reorganizaciju zrna tokom rasta grafena, što je malo smanjilo veličinu zrna i nešto povećalo površinsku hrapavost podloge u odnosu na Fill Foliju i Catalyst Film22.
Fino podešavanje podložne površine podloge, vrijeme žarenja (dimenzija zrna) 30,47 i kontrola oslobađanja43 pomoći će u smanjenju uniformnosti regionalne debljine NGF-a na skali μm2 i / ili čak nm2 (tj. Debljina varijacija nekoliko nanometara). Za kontrolu površinske hrapavosti podloge, metode poput elektrolitičkog poliranja rezultirajuće nikločne folije mogu se smatrati 40. Prevremena nikl folija može se zatim iskleti na nižoj temperaturi (<900 ° C) 46 i vreme (<5 min) kako bi se izbjeglo stvaranje velikih Ni (111) zrna (što je korisno za rast flg).
SLG i FLG Graphene ne može izdržati površinsku napetost kiselina i vode, zahtijevajući mehaničke slojeve podrške tijekom mokrim prenosom kemikalija22,34,38. Za razliku od vlažnog kemijskog prijenosa jednoslojnog grafena koji podržavaju polimerne snage38, otkrili smo da se obje strane nevladine organizacije mogu prenijeti bez polimerne podrške, kao što je prikazano na slici 2A (vidi sliku SI4a za više detalja). Prijenos NGF-a na određeni supstrat započinje vlažnim jedrenjem osnovnog NI30.49 filma. Uzorci uzgojenih NGF / Ni / NGF-a postavljeni su preko noći u 15 ml od 70% HNO3 razblažene sa 600 ml deionizirane (di) vode. Nakon što je ni folija potpuno raspuštena, FS-NGF ostaje ravan i lebdi na površini tečnosti, poput uzorka NGF / NHF-a, dok je BS-NGF uronjen u vodu (Sl. 2a, b). Izolovani NGF je zatim prebačen iz jedne čaše koje sadrži svježu deioniziranu vodu na drugu čašu, a izolirani NGF temeljito je isprao, ponavljajući četiri do šest puta kroz konkavno stakleno jelo. Konačno, FS-NGF i BS-NGF postavljeni su na željenu podlogu (Sl. 2c).
Polimer-Free Mov proces prenosa za hemijsku prenosu za NGF na nikloj foliju: (a) Dijagram protoka procesa (vidi digitalnu fotografiju odvojenog NGF-a nakon NI-a (2 NGF prenose na SIO2 / SI supstrat za opstru (e) FS-NGF prenošenje na neprozirno polimerno supstrat, (e) bs-ngf iz Isti uzorak kao ploča D (podijeljen u dva dijela), prebačen u pozlaćeni C papir i nafion (fleksibilna prozirna podloška, ivica označena crvenim uglovima).
Imajte na umu da SLG transfer izveden pomoću mokrih hemijskih metoda prijenosa zahtijeva ukupno vrijeme obrade od 20-24 sata 38. Pomoću tehnike prenosa bez polimera demonstrirana ovdje (Slika SI4A), ukupno vrijeme prenosa NGF-a značajno je smanjeno (otprilike 15 sati). Proces se sastoji od: (korak 1) pripremajući otopinu i stavite uzorak u njega (~ 10 minuta), a zatim pričekajte preko noći za NI Etching (~ 7200 minuta), (korak 2) isperite s deioniziranom vodom (korak - 3). Čuvati u deioniziranoj vodi ili premještanju na ciljnu podlogu (20 min). Voda zarobljena između NGF-a i rasutih matrica uklanja se kapilarnim akcijama (koristeći papir za mrljanje) 38, tada se preostale kapljice vode uklanjaju prirodnim sušenjem (otprilike 30 min), a na kraju je uzorak osušen 10 min. Min u vakuum pećnici (10-1 mbar) na 50-90 ° C (60 min) 38.
Poznato je da izdrži grafit prisustvo vode i zraka na prilično visokim temperaturama (≥ 200 ° C) 50,51,52. Testirali smo uzorke koristeći Raman Spectroscopy, Sem i XRD nakon skladištenja u deioniziranoj vodi na sobnoj temperaturi i zapečaćenih boca za bilo gdje od nekoliko dana do jedne godine (slika SI4). Ne postoji uočljiva degradacija. Slika 2c prikazuje slobodno stojeći FS-NGF i BS-NGF u deioniziranoj vodi. Uhvatili smo ih na sivo2 (300 Nm) / SI supstrat, kao što je prikazano na početku slike 2c. Uz to, kao što je prikazano na slici 2D, E, kontinuirano NGF može se prenijeti na različite podloge poput polimera (terminsko-poliamid iz nexolve i nafiona) i ugljičnog papira sa zlatnim slojem. Plutajući FS-NGF lako je postavljen na ciljnu podlogu (Sl. 2c, D). Međutim, uzorci BS-NGF-a veći od 3 cm2 bili su teški za rukovanje kada se u potpunosti uronjeni u vodu. Obično, kada počnu prevrtati u vodi, zbog nepažljivog rukovanja, ponekad se provali na dva ili tri dijela (Sl. 2e). Sve u svemu, mogli smo postići transfer PS i BS-NGF-a bez polimera (kontinuirani bešavni transfer bez rasta NGF / NHF-a na 6 cm2) za uzorke do 6 i 3 cm2 u prostoru, respektivno. Bilo koji preostali veliki ili mali komadi mogu se (lako vidjeti u otopini ili deioniziranoj vodi) na željenom supstratu (~ 1 mm2, SIMB, pogledajte uzorke i Struktura za buduću upotrebu (slika SI4). Na osnovu ovog kriterija procjenjujemo da se NGF može obnoviti u prinosima do 98-99% (nakon 98-99% (nakon Rast za transfer).
Uzorci prenosa bez polimera su detaljno analizirani. Površinske morfološke karakteristike dobivene na FS-i BS-NGF / SIO2 / SI (Sl. 2c) koristeći optičku mikroskopiju (OM) i SEM slike (Sl. SI5 i Sl. 3) pokazali su da su ti uzorci preneseni bez mikroskopije. Vidljiva strukturalna šteta kao što su pukotine, rupe ili odmotana područja. Nabori na rastućem NGF-u (Sl. 3b, d, označene ljubičastom strelicama) ostale su netaknute nakon prijenosa. Oba FS- i BS-NGF-ovi sastoje se od regija FLG (svijetle regije označene plavim strelicama na slici 3). Iznenađujuće, za razliku od nekoliko oštećenih regija, koje se obično primećuju tokom polimernog prenosa ultra tatinskih grafitnih filmova, nekoliko mlg regija veličine i MLG-a koji se povezuju s NGF-om (označenim plavim strelicama na slici 3D) prenošene su bez pukotina ili pauze (slika 3D). 3). . Mehanički integritet je dodatno potvrđen pomoću TEM i SEM slika NGF-a prenesenih na čipke-Carbon bakrene mreže, kao što je rečeno kasnije ("FS-NGF: struktura i svojstva"). Preneseni BS-NGF / SIO2 / SI je Rougher od FS-NGF / SIO2 / SI s RMS vrijednostima od 140 Nm, odnosno 17 Nm, kao što je prikazano na slici SI6A i B (20 × 20 μm2). RMS vrijednost NGF-a prenesena je na SIO2 / SI supstrat (RMS <2 Nm) značajno niža (oko 3 puta) od onog od NGF-a na NI (Slika SI2), što ukazuje na to da dodatna hrapavost može odgovarati na površinu ni. Pored toga, AFM slike izvedene na ivicama FS-i BS-NGF / SIO2 / SI uzoraka pokazale su debljine NGF-a od 100 i 80 Nm (Sl. SI7). Manja debljina BS-NGF-a može biti rezultat površine koja nije direktno izložena prekursonu plinu.
Prenesen NGF (Niag) bez polimera na SIO2 / Si Wafer (vidi sliku 2c): (a, b) sem slike prenesenog FS-NGF-a: nisko i veliko povećavanje (odgovaraju narančastoj četvrti u ploči). Tipična područja) - a). (C, D) Sem slike prenesenog BS-NGF-a: nisko i veliko uvećanje (što odgovara tipičnom području prikazano narančastom kvadratnom pločom C). (e, f) AFM slike prenesenih FS- i BS-NGF-a. Plava strelica predstavlja regiju FLG - svijetli kontrast, cyan arrow - crna MLG kontrast, crvena strelica - crni kontrast predstavlja regiju NGF-a, magenta strelica predstavlja preklopnik.
Hemijski sastav uzgajanog i prenesenog FS- i BS-NGF-a analiziran je rendgenskim fotoelektronskim spektroskopijom (XPS) (Sl. 4). Primjećen je slabi vrh u izmjerenoj spektru (Sl. 4a, b), što odgovara ni supstratu (850 ev) odraslih FS-a i BS-NGF-a (NIAG). Ne postoje vrhovi u izmjerenoj spektri prenesenog FS-a i BS-NGF / SI2 / SI (Sl. 4C; slični rezultati za BS-NGF / SIO2 / SI nisu prikazani), što ukazuje da ne postoji zaostala za kontaminaciju NI nakon prijenosa. Podaci 4D-F prikazuju spektra visoke rezolucije C 1 S, 1 S i SI 2P energije FS-NGF / SIO2 / SI. Vezna energija C 1 S grafita je 284.4 EV53.54. Linearni oblik grafitnih vrhova uglavnom se smatra asimetričnim, kao što je prikazano na slici 4D54. Spektar od jezgre visoke rezolucije C 1 S (Sl. 4D) također je potvrdio čisti prijenos (tj. Nema polimernih ostataka), što je u skladu s prethodnim studijama38. Linijske širine C 1 S spektra svježe odraženog uzorka (NIAG) i nakon prijenosa su 0,55 i 0,62 eV, respektivno. Ove vrijednosti su veće od SLG-a (0,49 eV za SLG na sivogodišnjem supstratu) 38. Međutim, ove su vrijednosti manje od prethodno prijavljenih linija liništa za vrlo orijentirane pirolitičke uzorke grafena (~ 0,75 eV) 53,54,55, što ukazuje na nepostojanje neispravnih ugljičnih web lokacija u trenutnom materijalu. Spektra prizemne razine C 1 S i O 1 S nedostaju i ramena, eliminirajući potrebu za vrhunskom dekonvoluciji54. Postoji π π → π * satelitski vrh oko 291.1 EV, koji se često promatra u grafitnim uzorcima. Signali 103 EV i 532.5 EV u SI 2P i O 1 S Core spektri (vidi Sl. 4e, f) pripisuju se supstratu SIO2 56. XPS je tehnika osjetljiva na površinu, tako da signali koji odgovaraju NI i SIO2 otkriveni prije i nakon prijenosa NGF-a, pretpostavljaju se da potiču iz regije FLG. Primjećeni su slični rezultati za prenesene BS-NGF uzorke (nije prikazano).
Rezultati Niag XPS: (AC) Istraživački spektar različitih elementarnih atomskih kompozicija odraslih FS-NGF / NI, BS-NGF / Ni i prenose FS-NGF / SIO2 / SI. (D-F) Spektri visokog rezolucije osnovnih nivoa C 1 S, O 1S i SI 2P FS-NGF / SIO2 / SI uzorak.
Ukupni kvalitet prenesenih kristala NGF-a procijenjen je korištenjem rendgenskih difrakcija (XRD). Tipični XRD uzorci (Sl. SI8) prenesenih FS- i BS-NGF / SIO2 / Si Prikaži prisustvo difrakcijskih vrhova (0 0 0 2) i (0 0 4 4) na 26.6 ° i 54.7 °, slično grafitu. . Ovo potvrđuje visoku kristalnu kvalitetu NGF-a i odgovara razdaljivanju među rasporeda od d = 0,335 Nm, koja se održava nakon koraka prijenosa. Intenzitet difrakcijskog vrha (0 0 0 2) je otprilike 30 puta veći od difrakcijskog vrha (0 0 0 4), što ukazuje da je NGF kristalna ravnina dobro usklađena sa površinom uzorka.
Prema rezultatima Sem, Raman Spectroskopije, XPS i XRD, utvrđeno je da je kvaliteta BS-NGF / NI bila ista kao FS-NGF / NA, iako je njegova hrapavost RMS bila nešto viša (brojke SI2, SI5) i SI7).
SLG s polimernim slojevima za podršku do 200 Nm debljine mogu plutati na vodi. Ova se postavlja se obično koristi u mokrim prenosom mokrim prenosom od polimera 22,38. Grafen i grafit su hidrofobni (vlažni ugao 80-90 °) 57. Potencijalne energetske površine i grafena i FLG-a prijavljeno je da su prilično ravne, sa niskom potencijalnom energijom (~ 1 kJ / MOL) za bočno kretanje vode na površini58. Međutim, izračunata energija za interakciju vode sa grafenom i tri sloja grafena otprilike su - 13 i - 15 kj / MOL, 58, što ukazuje na interakciju vode s NGF-om (oko 300 slojeva) u odnosu na grafikona. Ovo je možda jedan od razloga zašto samostojeći NGF ostaje ravan na površini vode, dok samostojeća grafena (koja lebdi u vodi) uvija se i pokvari. Kad se NGF potpuno uronjeno u vodu (rezultati su isti za grub i ravni NGF), savijanje ivica (slika SI4). U slučaju potpunog uranjanja, očekuje se da se energija interakcije s vodom NGF gotovo udvostruči (u odnosu na plutajuću NGF) i da ivice NGF-a savijaju da održavaju visoki kontaktni ugao (hidrofobičnost). Vjerujemo da se strategije mogu razviti kako bi se izbjeglo uvijanje rubova ugrađenih NGF-ova. Jedan je pristup upotreba mješovitih otapala za modulirati reakciju vlažnosti grafitnog filma59.
Prijenos SLG-a na razne vrste podloge prethodno je prijavljen vlažni procesi prenosa kemikalije. Općenito je prihvaćeno da Slaba Van der Waals Enting između grafitnih filmova i podloga (Budi strogi podloge kao što su SIC38 / SI38,41,46,60, SIC38, AU42, SI Stubovi22 i čipke Carbon Films30, 34 ili fleksibilne podloge poput Poliimida 37). Ovdje pretpostavljamo da interakcije iste vrste prevladavaju. Nismo primijetili nikakvu štetu ili piling NGF-a za bilo koji od supstrata koji su ovdje predstavljeni tijekom mehaničkog rukovanja (tokom karakterizacije pod vakuum i / ili atmosferskim uvjetima ili tokom skladištenja) (npr. Slika 2, SI7 i SI9). Pored toga, nismo promatrali SIC vrh u XPS C 1 S spektru jezgrenog nivoa NGF / SIO2 / SI uzorka (Sl. 4). Ovi rezultati pokazuju da ne postoji kemijska veza između NGF-a i ciljne podloge.
U prethodnom odjeljku, "Polimer-besplatan transfer FS-a i BS-NGF-a", pokazali smo da NGF može rasti i prebaciti na obje strane nikl folije. Ovi FS-NGFS i BS-NGF-ovi nisu identični u pogledu površinske hrapavosti, što nas je potaknulo da istražimo najprikladnije aplikacije za svaku vrstu.
S obzirom na transparentnost i glatku površinu FS-NGF-a, detaljnije smo proučavali njegovu lokalnu strukturu, optičku i električnu svojstva. Struktura i struktura FS-NGF-a bez premještanja polimera odlikuje se prijenosom elektronske mikroskopije (Tem) i odabrano analizu obrasca elektronskog difrakcije (SAED). Odgovarajući rezultati prikazani su na slici 5. Planarna slika niskog uvećanja otkrila je prisustvo NGF-a i FLG regiona s različitim elektronskim kontrastnim karakteristikama, tj. Tamnijim i svjetlijim područjima, odnosno (Sl. 5A). Film Sveukupno izlaže dobar mehanički integritet i stabilnost između različitih regija NGF-a i FLG-a, sa dobrim preklapanjem i bez oštećenja ili kidanja, koji je također potvrdio SEM (Slika 3) i visoke temske studije (Slika 5C-E). Konkretno, na slici 5D pokazuje strukturu mosta po najvećem dijelu (položaj označen crnom isprekidanom strelicom na slici 5D), koji karakterizira trokutasti oblik i sastoji se od sloja grafikona širine od oko 51. Sastav sa međuplanarom razmakom od 0,33 ± 0,01 NM dodatno se smanjuje na nekoliko slojeva grafena u najužem regiji (kraj čvrste crne strelice na slici 5 d).
Planar TEM Slika niag uzorka bez polimera na bakrenoj mreži: (a, b) Slike niskog uvećanja, uključujući NGF i FLG regije, (CE) Visoke pojave različitih regija i panela su označene strelice iste boje. Zelene strelice u panelima A i C prikazuju kružna područja oštećenja tokom poravnanja snopa. (F-I) u panelima A do C, SAED uzorci u različitim regijama označeni su plavim, cijanom, narandžastim i crvenim krugovima, respektivno.
Struktura vrpce na slici 5c prikazuje (označena crvenom strelicom) Vertikalna orijentacija grafitnih rešetkinih aviona, koja mogu biti posljedica formiranja nanofoldsa duž filma (umet na slici 5c) zbog viška nekompenziranog stresnog stresa30,61,62. Pod temom visoke rezolucije, ovi nanofolds 30 pokazuju različitu kristalografsku orijentaciju od ostatka regije NGF-a; Bazalni avioni grafitske rešetke su orijentirani gotovo okomito, a ne vodoravno poput ostatka filma (umetnik na slici 5c). Slično tome, region FLG-a povremeno pokazuje linearne i uske nabore pojaseva (označene plavim strelicama), koji se pojavljuju na niskom i srednjem uvećanju u slikama 5b, respektivno. Inset na slici 5e potvrđuje prisustvo dvo- i troslojnih slojeva grafena u sektoru flg (međuplanar udaljenost 0,33 ± 0,01 Nm), što je u dobrom sporazumu s našim prethodnim rezultatima30. Pored toga, snimljene SEM slike NGF-a bez polimera prebačeno na bakrene rešetke sa čipkim karbonskim filmovima (nakon izvođenja top za pregled mjerenja) prikazane su na slici SI9. Dobro suspendovana FLG regija (označena plavom strelicom) i polomljenim regijama na slici SI9F. Plava strelica (na rubu prenesenog NGF-a) namjerno se prikazuje da pokaže da se region FLG može odoljeti postupku prijenosa bez polimera. Ukratko, ove slike potvrđuju da je djelomično suspendovano NGF (uključujući regiju FLG) održava mehanički integritet čak i nakon rigoroznog rukovanja i izloženosti visokoj vakuumu tokom mjerenja TEM i SEM).
Zbog odlične ravnost NGF-a (vidi sliku 5a), nije teško orijentirati pahuljice duž [0001] asona domene za analizu SAED strukture. Ovisno o lokalnoj debljini filma i njegove lokacije, identificirano je nekoliko regija zanimljivih (12 bodova) za studije difrakcije elektrona. U slikama 5A-C prikazane su četiri ove tipične regije i označene obojenim krugovima (plavim, cijan, narandžastim i crvenim kodiranim). Slike 2 i 3 za SAED režim. Slike 5F i G dobivene su iz regije FLG prikazane u slikama 5 i 5. Kao što je prikazano na brojkama 5b i C, respektivno. Imaju šesterokutnu strukturu sličnu upletenoj grafikonu63. Posebno, Slika 5F prikazuje tri superirana obrasca s istom orijentacijom osi zona [0001], rotirana za 10 ° i 20 °, kako svjedoče ugaonu neusklađenost od tri para (10-10) refleksije. Slično tome, slika 5G prikazuje dva napetospoređena šesterokutna uzorci rotirana za 20 °. Dvije ili tri grupe šesterokutnih obrazaca u regiji FLG-a mogu nastati iz tri ravnine ili van ravnine grafenskih slojeva 33 rotiranog u odnosu na odnose jedni s drugima. Suprotno tome, uzorci difrakcije elektrona na slici 5h, i (koji odgovaraju regiji NGF-a prikazane na slici 5a) prikazuju jedan (0001] uzorak sa ukupnim intenzitetom difrakcije viših tačaka, što odgovara većoj debljini materijala. Ovi SAED modeli odgovaraju gušćim grafičkim strukturi i srednjim orijentaciji od FLG-a, kao što su zaključeni iz indeksa 64. Karakterizacija kristalnih svojstava NGF-a otkrila je suživot dva ili tri supenzonirana grafitna (ili grafikona). Ono što je posebno zapaženo u regiji FLG-a je da kristalliti imaju određeni stupanj u ravni ili van ravnine. Grafitne čestice / slojevi s uglovima rotacije u ravni od 17 °, 22 ° i 25 ° prethodno su prijavljeni za NGF na Grown na ni 64 filmovima. Vrijednosti u kut rotacije primijećene u ovoj studiji su u skladu s prethodno primijećenim uglovima vrtnje (± 1 °) za upleteno BLG63 grafene.
Električna svojstva NGF / SIO2 / SI izmjerena su na 300 k na površini od 10 × 3 mm2. Vrijednosti koncentracije elektrona, mobilnosti i provodljivosti su 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 i 2000 S-CM-1, respektivno. Vrijednosti mobilnosti i provodljivosti naše NGF slične su prirodnom grafičkom2 i veće od komercijalno dostupnog visoko orijentiranog pirolitičkog grafita (proizvedeno na 3000 ° C) 29. Promatrane vrijednosti koncentracije elektrona su dvije rekle veličine veće od onih koji su nedavno prijavljeni (7,25 × 10 cm-3) za grafitne filmove u mikronu pripremljenim korištenjem poliimidnih listova visoke temperature (3200 ° C) 20.
Također smo izvršili UV-vidljiva mjerenja prenosa na FS-NGF prenesenu na kvarcne podloge (slika 6). Rezultirajući spektar prikazuje gotovo stalnu propusnost od 62% u rasponu 350-800 Nm, što ukazuje da je NGF proziran na vidljivo svjetlo. U stvari, naziv "Kaust" može se vidjeti na digitalnoj fotografiji uzorka na slici 6b. Iako se nanokristalna struktura NGF razlikuje od one SLG-a, broj slojeva može se grubo procijeniti pomoću pravila od 2,3% gubitka prijenosa po dodatnom sloju65. Prema ovom odnosu, broj grapskih slojeva sa 38% gubitka prijenosa je 21. Grown NGF se uglavnom sastoji od 300 grapskih slojeva, tj. Debljine oko 100 Nm (Sl. 1, SI5 i SI7). Stoga pretpostavljamo da promatrana optička transparentnost odgovara regijama FLG-a i MLG-a, jer su distribuirani u cijelom filmu (Sl. 1, 3, 5 i 6c). Pored gore navedenih strukturalnih podataka, provodljivosti i transparentnosti takođe potvrđuju visoku kristalnu kvalitetu prenesenog NGF-a.
(a) UV-vidljivo mjerenje prenosa, (b) tipično NGF prijenos na kvarc koriste se za reprezentativni uzorak. (c) Shema NGF-a (tamna kutija) s ravnomjerno raspoređenim FLG-om i MLG regijama označenim kao sivi slučajni oblici u cijelom uzorku (vidi sliku 1) (približno 0,1-3% površine po 100 μm2). Slučajni oblici i njihove veličine u dijagramu su samo u ilustrativne svrhe i ne odgovaraju stvarnim područjima.
Translucent NGF koji je Grown CVD prethodno prebačen na gole silikonske površine i koristi se u solarnim ćelijama15,16. Rezultirajuća efikasnost pretvorbe snage (PCE) je 1,5%. Ovi NGF-ovi obavljaju više funkcija poput aktivnih slojeva slojeva, punjenja putnika i prozirne elektrode15,16. Međutim, grafitni film nije ujednačen. Daljnja optimizacija potrebna je pažljivo kontrolom otpornosti na list i optičkoj propusnosti grafitne elektrode jer ova dva svojstva igraju važnu ulogu u određivanju vrijednosti PCE-a15,16. Tipično, filmovi grafena su 97,7% transparentnog za vidljivo svjetlo, ali imaju otpor lima od 200-3000 ohma / sq.16. Površinska otpornost grafenskih filmova može se smanjiti povećanjem broja slojeva (višestruki prijenos grapskih slojeva) i doping sa HNO3 (~ 30 ohm / sq.) 66. Međutim, ovaj proces traje dugo i različiti slojevi prijenosa ne održavaju uvijek dobar kontakt. Naša prednja strana NGF ima svojstva poput provodljivosti 2000 S / cm, otpornost na film 50 ohm / sq. i 62% transparentnosti, što ga čini održivom alternativom za provodljive kanale ili brojača elektrode u solarnim ćelijama15,16.
Iako su struktura i površinska hemija BS-NGF-a slična FS-NGF-u, njegova hrapavost je različita ("rast FS-i BS-NGF"). Ranije smo koristili ultra tanki film grafite22 kao senzor gasa. Stoga smo testirali izvodljivost korištenja BS-NGF-a za zadatke osjetljivosti na plin (slika SI10). Prvo, porcije MM2 veličine BS-NGF-a prebačeni su na interdigitacijski senzor elektrode (slika SI10A-C). Prethodno su prijavljeni podaci o proizvodnji čipa; Njegovo aktivno osjetljivo područje je 9 mm267. U Sem slikama (slika SI10B i C), osnovna zlatna elektroda jasno je vidljiva kroz NGF. Opet se vidi da je ujednačena pokrivenost čipova postignuta za sve uzorke. Zabilježene su mjerenja senzora plina različitih plinova (Sl. SI10D) (Sl. SI11) i rezultirajuće stope odgovora prikazane su na Sl. Si10g. Vjerojatno s drugim miješajućim plinovima, uključujući SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) i NH3 (200 ppm). Jedan mogući uzrok je NO2. Elektrofilna priroda plina22,68. Kada se pridruže na površini grafena, smanjuje trenutnu apsorpciju elektrona pomoću sistema. Poređenje vremena odziva podataka o senzoru BS-NGF-a s prethodno objavljenim senzorima prikazano je u tablici SI2. Mehanizam za ponovno aktiviranje NGF senzora pomoću UV plazme, O3 plazme ili termički (50-150 ° C) tretman izloženih uzoraka u idealnom slučaju, a slijedi implementacija ugrađenih sistema69.
Tokom procesa CVD-a, rast grafena javlja se na obje strane supstrata katalizatora41. Međutim, BS-Grapene se obično izbacuje tokom procesa prijenosa41. U ovoj studiji demonstriramo da se visokokvalitetni rast NGF-a i NGF-a bez polimera mogu se postići s obje strane nosača katalizatora. BS-NGF je tanji (~ 80 Nm) od FS-NMF (~ 100 Nm), a ta razlika objašnjava činjenicom da BS-NI nije izravno izložen protoku plina prekursora. Također smo otkrili da hrapavost niarskog supstrata utječe na hrapavost NGF-a. Ovi rezultati pokazuju da se rasli planar FS-NGF može koristiti kao prekursor materijal za grafikonu (metodom pilinga70) ili kao provodljiv kanal u solarnim ćelijama15,16. Suprotno tome, BS-NGF će se koristiti za otkrivanje plina (Sl. SI9) i eventualno za sustave za skladištenje energije71,72 gdje će njena hrapavost površine biti korisna.
S obzirom na gore navedeno, korisno je kombinirati trenutni rad s prethodno objavljenim grafitnim filmovima koji su porasli dimenzijama i pomoću nikl folije. Kao što se može vidjeti u tablici 2, veći pritisci koje smo koristili skraćeni su vremenom reakcijskog vremena (faza rasta) čak i na relativno niskim temperaturama (u rasponu od 850-1300 ° C). Takođe smo postigli veći rast nego inače, što ukazuje na potencijal za širenje. Postoje i drugi faktori koje treba uzeti u obzir, od kojih smo neki uključeni u tablicu.
Dvostrana visokokvalitetna NGF-a uzgajana je na nikloj foliji kataliznim CVD-om. Eliminiranjem tradicionalnih polimernih podloga (poput onih koji se koriste u CVD Grapene) postižemo čist i oštećeni vlažni prijenos NGF-a (uzgaja na stražnjoj i prednjoj strani nikl folije) na različite procesne supstracije. NI morsko, NGF uključuje FLG i MLG regije (obično 0,1% na 3% na 100 μm2) koji su strukturno dobro integrirani u debljeg filma. Planar tem pokazuje da su ove regije sastoje se od hrpa od dvije do tri grafitne / grafitne čestice (kristale ili slojeve, odnosno, od kojih neki imaju rotacijsku neusklađenost od 10-20 °. RG i MLG regije odgovorni su za transparentnost FS-NGF-a na vidljivo svjetlo. Što se tiče stražnjih listova, mogu se nositi paralelno s prednjim listovima i, kao što je prikazano, mogu imati funkcionalnu svrhu (na primjer, za otkrivanje plina). Ove su studije vrlo korisne za smanjenje otpada i troškova u CVD procesima industrijskih razmjera.
Općenito, prosječna debljina CVD NGF-a nalazi se između (niskih i višeslojnih) grafitnih grafitnih grafitnih listova (mikrometrije). Raspon njihovih zanimljivih svojstava, u kombinaciji sa jednostavnom metodom koju smo razvili za njihovu proizvodnju i transport, čini ove filmove posebno pogodne za aplikacije koje zahtijevaju funkcionalni odgovor grafita, bez trošenja koji se trenutno koriste troškovi energetskih intenzivnih industrijskih procesa proizvodnje.
U komercijalnom CVD reaktoru (Aixtron 4 inčni BMPRO) instaliran je folija debele nikl. Sistem je pročišćen argonom i evakuiran u osnovni pritisak od 10-3 mbar. Tada je postavljena niklna folija. U AR / H2 (nakon prethodno žanjenje NI folije za 5 min izložen je pritisku od 500 mbar na 900 ° C. Potom je uzorak za 5 min. (4000 cm3) na 40 ° C / min. Pojedinosti o optimizaciji procesa rasta NGF-a opisani su drugdje30.
Površinska morfologija uzorka vizualizirana je SEM pomoću ZEISS MERLIN MICROSCOPA (1 KV, 50 PA). Oduševljenje površine uzorka i debljina NGF-a izmjerena su pomoću AFM-a (ikona dimenzija SPM, Bruker). TEM i SAED mjerenja izvedena su pomoću kockanog mikroskopa FEI TITAN 80-300 opremljenog poljem za emisiju visokog svjetline (300 kV), monohromatorom tipa Fei Wien i CEOS CENTRA Sferial Aberacijski korektor za prikupljanje. Prostorna rezolucija 0,09 Nm. Uzorci NGF-a prebačeni su na bakrene rešetke za bakrene rešetke za karbon za ravne izmjene i SAED analizu strukture. Dakle, većina uzorka floča suspendirana je u porama potpornog membrana. Preneseni uzorci NGF analizirani su XRD-om. Rendgenski razlika u obliku difrakcije dobiveni su pomoću difraktometra pudera (Brucker, D2 fazni shifter sa Cu Kα izvorom, 1.5418 Å i Lynxeye Detector) pomoću CU zračenja sa zračnim mjestima promjera 3 mm.
Nekoliko dimenzija ramana zabilježena je pomoću integriranog konfokalnog mikroskopa (alfa 300 RA, WITEC). Za izbjegavanje termički indukovanih efekata korišten je 532 NM laserom sa niskom uzbunom (25%). Rendgenski fotoelektronska spektroskopija (XPS) izvedena je na ultra ultra ultra na uzoru preko uzorka od 300 × 700 μm2 pomoću monohromatičnog zvuka Al Kα (Hν = 1486.6 EV) na snazi 150 W. Rezolucije Spectra dobivene su na prijenosnim energijama od 160 EV i 20 EV, respektivno. Uzorci NGF-a prebačeni na SIO2 su izrezani na komade (3 × 10 mm2) koristeći PLS6MW (1,06 μm) ytterbium vlaknastim laserom na 30 W. bakrenih žičanih kontakata (debljine 50 μm) izmišljeni su pomoću srebrne paste pod optičkim mikroskopom. Električni eksperimenti za transport i Hall izvršeni su na ovim uzorcima na 300 k i magnetskoj varijaciji polja od ± 9 Tesle u mjernom sustavu fizičkih svojstava (PPMS Evercool-II, kvantni dizajn, USA). Prenosivi UV-Vis spektri zabilježeni su pomoću LAMBDA 950 UV-VIS spektrofotometra u 350-800 NM NGF raspon prenesenim na kvarcne podloge i kvarcne referentne uzorke.
Senzor hemijskog otpora (interdigitani strod čip) ožičen je na prilagođenu štampanu ploču 73, a otpornost je izvučena prolazno. Odštampana pločica na kojoj se nalazi uređaj povezan je sa kontaktnim terminalima i postavljen unutar komore za osjetljivost na plin 74. Merenja otpora snimljena su na naponu od 1 v sa neprekidnim skeniranjem iz izlaganja plina, a zatim ponovo pročisti. Vijeće je u početku očišćeno čišćenjem sa azotom na 200 cm3 na 1 sat kako bi se osiguralo uklanjanje svih ostalih analitika prisutnih u Domu, uključujući vlagu. Pojedinačni anatiti su tada polako pušteni u komoru na istom protoku od 200 cm3 zatvaranjem N2 cilindra.
Revidirana verzija ovog članka objavljena je i može se pristupiti putem veze na vrhu članka.
Inagaki, M. i Kang, F. Ugljični materijali Nauka i inženjering: Osnove. Drugo izdanje uređeno. 2014. 542.
Pearson, HO priručnik ugljika, grafita, dijamanta i fullenena: svojstva, obrada i aplikacije. Prvo izdanje je uređeno. 1994., New Jersey.
Tsai, W. i dr. Veliki višeslojni grafen / grafitni filmovi kao prozirne tanke provodljive elektrode. Aplikacija. Fizika. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Balandin AA toplotna svojstva grafena i nanostrukturiranih ugljičnih materijala. Nat. Matt. 10 (8), 569-581 (2011).
Cheng KY, smeđa PW i Cahill dg toplotna provodljivost grafitnih filmova uzgajana na Ni (111) sa niskom temperaturnom hemijskom taložnom pare. adverb. Matt. Interfejs 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kontinuirani rast grafenskih filmova po hemijskom talomu pare. Aplikacija. Fizika. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Pošta: Aug-23-2024