Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn o borwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y canlyniadau gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio fersiwn newydd o'ch porwr (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn arddangos y wefan heb steilio na JavaScript.
Mae ffilmiau graffit nanosgâl (NGFs) yn nanoddeunyddiau cadarn y gellir eu cynhyrchu trwy ddyddodiad anwedd cemegol catalytig, ond mae cwestiynau'n parhau ynghylch eu rhwyddineb trosglwyddo a sut mae morffoleg arwyneb yn effeithio ar eu defnydd mewn dyfeisiau cenhedlaeth nesaf. Yma rydym yn adrodd am dwf NGF ar ddwy ochr ffoil nicel polygrisialog (arwynebedd 55 cm2, trwch tua 100 nm) a'i drosglwyddiad di-polymer (blaen a chefn, arwynebedd hyd at 6 cm2). Oherwydd morffoleg ffoil y catalydd, mae'r ddwy ffilm garbon yn wahanol yn eu priodweddau ffisegol a nodweddion eraill (megis garwedd arwyneb). Rydym yn dangos bod NGFs ag ochr gefn fwy garw yn addas iawn ar gyfer canfod NO2, tra gall NGFs llyfnach a mwy dargludol ar yr ochr flaen (2000 S/cm, gwrthiant dalen – 50 ohms/m2) fod yn ddargludyddion hyfyw. sianel neu electrod y gell solar (gan ei bod yn trosglwyddo 62% o olau gweladwy). At ei gilydd, gall y prosesau twf a chludiant a ddisgrifir helpu i wireddu NGF fel deunydd carbon amgen ar gyfer cymwysiadau technolegol lle nad yw ffilmiau graffit micron-drwchus a graffen yn addas.
Mae graffit yn ddeunydd diwydiannol a ddefnyddir yn helaeth. Yn arbennig, mae gan graffit briodweddau dwysedd màs cymharol isel a dargludedd thermol a thrydanol uchel yn y plân, ac mae'n sefydlog iawn mewn amgylcheddau thermol a chemegol llym1,2. Mae graffit naddion yn ddeunydd cychwyn adnabyddus ar gyfer ymchwil i graffen3. Pan gaiff ei brosesu'n ffilmiau tenau, gellir ei ddefnyddio mewn ystod eang o gymwysiadau, gan gynnwys sinciau gwres ar gyfer dyfeisiau electronig fel ffonau clyfar4,5,6,7, fel deunydd gweithredol mewn synwyryddion8,9,10 ac ar gyfer amddiffyn rhag ymyrraeth electromagnetig11.12 a ffilmiau ar gyfer lithograffeg mewn uwchfioled eithafol13,14, gan ddargludo sianeli mewn celloedd solar15,16. Ar gyfer yr holl gymwysiadau hyn, byddai'n fantais sylweddol pe bai modd cynhyrchu a chludo ardaloedd mawr o ffilmiau graffit (NGFs) â thrwch a reolir yn y nanosgâl <100 nm yn hawdd.
Cynhyrchir ffilmiau graffit gan ddefnyddio amrywiol ddulliau. Mewn un achos, defnyddiwyd mewnosod ac ehangu ac yna plicio i gynhyrchu naddion graffen10,11,17. Rhaid prosesu'r naddion ymhellach yn ffilmiau o'r trwch gofynnol, ac yn aml mae'n cymryd sawl diwrnod i gynhyrchu dalennau graffit trwchus. Dull arall yw dechrau gyda rhagflaenwyr solet y gellir eu graffitio. Mewn diwydiant, caiff dalennau o bolymerau eu carboneiddio (ar 1000–1500 °C) ac yna eu graffiteiddio (ar 2800–3200 °C) i ffurfio deunyddiau haenog sydd wedi'u strwythuro'n dda. Er bod ansawdd y ffilmiau hyn yn uchel, mae'r defnydd o ynni yn sylweddol1,18,19 ac mae'r trwch lleiaf wedi'i gyfyngu i ychydig ficronau1,18,19,20.
Mae dyddodiad anwedd cemegol catalytig (CVD) yn ddull adnabyddus ar gyfer cynhyrchu ffilmiau graffen a graffit ultradenau (<10 nm) gydag ansawdd strwythurol uchel a chost resymol21,22,23,24,25,26,27. Fodd bynnag, o'i gymharu â thwf ffilmiau graffen a graffit ultradenau28, mae twf arwynebedd mawr a/neu gymhwyso NGF gan ddefnyddio CVD hyd yn oed yn cael ei archwilio llai11,13,29,30,31,32,33.
Yn aml mae angen trosglwyddo ffilmiau graffen a graffit a dyfir mewn CVD i swbstradau swyddogaethol34. Mae'r trosglwyddiadau ffilm denau hyn yn cynnwys dau brif ddull35: (1) trosglwyddo heb ysgythru36,37 a (2) trosglwyddo cemegol gwlyb yn seiliedig ar ysgythru (swbstrad â chymorth)14,34,38. Mae gan bob dull rai manteision ac anfanteision a rhaid eu dewis yn dibynnu ar y cymhwysiad bwriadedig, fel y disgrifir mewn man arall35,39. Ar gyfer ffilmiau graffen/graffit a dyfir ar swbstradau catalytig, trosglwyddo trwy brosesau cemegol gwlyb (y mae polymethyl methacrylate (PMMA) yn haen gynnal a ddefnyddir amlaf) yw'r dewis cyntaf o hyd13,30,34,38,40,41,42. You et al. Crybwyllwyd na ddefnyddiwyd unrhyw bolymer ar gyfer trosglwyddo NGF (maint y sampl tua 4 cm2)25,43, ond ni ddarparwyd unrhyw fanylion ynghylch sefydlogrwydd a/neu drin y sampl yn ystod y trosglwyddo; Mae prosesau cemeg wlyb sy'n defnyddio polymerau yn cynnwys sawl cam, gan gynnwys rhoi haen polymer aberthol ar waith ac yna ei thynnu30,38,40,41,42. Mae gan y broses hon anfanteision: er enghraifft, gall gweddillion polymer newid priodweddau'r ffilm sydd wedi'i thyfu38. Gall prosesu ychwanegol gael gwared ar bolymer gweddilliol, ond mae'r camau ychwanegol hyn yn cynyddu cost ac amser cynhyrchu ffilm38,40. Yn ystod twf CVD, mae haen o graffen yn cael ei dyddodi nid yn unig ar ochr flaen ffoil y catalydd (yr ochr sy'n wynebu llif y stêm), ond hefyd ar ei gefn. Fodd bynnag, ystyrir bod yr olaf yn gynnyrch gwastraff a gellir ei dynnu'n gyflym gan plasma meddal38,41. Gall ailgylchu'r ffilm hon helpu i wneud y mwyaf o'r cynnyrch, hyd yn oed os yw o ansawdd is na ffilm carbon wyneb.
Yma, rydym yn adrodd ar baratoi twf deuwynebol NGF ar raddfa wafer gydag ansawdd strwythurol uchel ar ffoil nicel polygrisialog trwy CVD. Aseswyd sut mae garwedd wyneb blaen a chefn y ffoil yn effeithio ar forffoleg a strwythur NGF. Rydym hefyd yn dangos trosglwyddiad NGF cost-effeithiol a chyfeillgar i'r amgylchedd, heb bolymer, o ddwy ochr ffoil nicel i swbstradau amlswyddogaethol ac yn dangos sut mae'r ffilmiau blaen a chefn yn addas ar gyfer amrywiol gymwysiadau.
Mae'r adrannau canlynol yn trafod gwahanol drwch ffilmiau graffit yn dibynnu ar nifer yr haenau graffen wedi'u pentyrru: (i) graffen un haen (SLG, 1 haen), (ii) graffen ychydig haenau (FLG, < 10 haen), (iii) graffen amlhaen (MLG, 10-30 haen) a (iv) NGF (~300 haen). Yr olaf yw'r trwch mwyaf cyffredin a fynegir fel canran o'r arwynebedd (tua 97% o'r arwynebedd fesul 100 µm2)30. Dyna pam y gelwir y ffilm gyfan yn syml yn NGF.
Mae gan ffoiliau nicel polygrisialog a ddefnyddir ar gyfer synthesis ffilmiau graffen a graffit weadau gwahanol o ganlyniad i'w gweithgynhyrchu a'u prosesu dilynol. Yn ddiweddar, fe wnaethom adrodd ar astudiaeth i optimeiddio'r broses dwf o NGF30. Rydym yn dangos bod paramedrau proses fel amser anelio a phwysau'r siambr yn ystod y cyfnod twf yn chwarae rhan hanfodol wrth gael NGFs o drwch unffurf. Yma, fe wnaethom ymchwilio ymhellach i dwf NGF ar arwynebau blaen wedi'u sgleinio (FS) ac arwynebau cefn heb eu sgleinio (BS) ffoil nicel (Ffig. 1a). Archwiliwyd tri math o samplau FS a BS, a restrir yn Nhabl 1. Ar ôl archwiliad gweledol, gellir gweld twf unffurf NGF ar ddwy ochr y ffoil nicel (NiAG) trwy newid lliw'r swbstrad Ni swmp o lwyd arian metelaidd nodweddiadol i liw llwyd matte (Ffig. 1a); cadarnhawyd mesuriadau microsgopig (Ffig. 1b, c). Dangosir sbectrwm Raman nodweddiadol o FS-NGF a welwyd yn y rhanbarth llachar ac a nodir gan saethau coch, glas ac oren yn Ffigur 1b yn Ffigur 1c. Mae copaon Raman nodweddiadol graffit G (1683 cm−1) a 2D (2696 cm−1) yn cadarnhau twf NGF crisialog iawn (Ffig. 1c, Tabl SI1). Drwy gydol y ffilm, gwelwyd goruchafiaeth o sbectrwm Raman gyda chymhareb dwyster (I2D/IG) ~0.3, tra anaml y gwelwyd sbectrwm Raman gydag I2D/IG = 0.8. Mae absenoldeb copaon diffygiol (D = 1350 cm-1) yn y ffilm gyfan yn dynodi ansawdd uchel twf NGF. Cafwyd canlyniadau Raman tebyg ar y sampl BS-NGF (Ffigur SI1 a a b, Tabl SI1).
Cymhariaeth o NiAG FS- a BS-NGF: (a) Ffotograff o sampl NGF (NiAG) nodweddiadol yn dangos twf NGF ar raddfa wafer (55 cm2) a'r samplau ffoil BS- ac FS-Ni canlyniadol, (b) Delweddau FS-NGF/Ni a gafwyd gan ficrosgop optegol, (c) sbectrwm Raman nodweddiadol a gofnodwyd mewn gwahanol safleoedd ym mhanel b, (d, f) Delweddau SEM ar wahanol chwyddiadau ar FS-NGF/Ni, (e, g) Delweddau SEM ar wahanol chwyddiadau Setiau BS -NGF/Ni. Mae'r saeth las yn nodi rhanbarth FLG, mae'r saeth oren yn nodi rhanbarth MLG (ger rhanbarth FLG), mae'r saeth goch yn nodi rhanbarth NGF, ac mae'r saeth magenta yn nodi'r plyg.
Gan fod twf yn dibynnu ar drwch y swbstrad cychwynnol, maint y grisial, cyfeiriadedd, a ffiniau grawn, mae cyflawni rheolaeth resymol ar drwch NGF dros ardaloedd mawr yn parhau i fod yn her20,34,44. Defnyddiodd yr astudiaeth hon gynnwys a gyhoeddwyd gennym yn flaenorol30. Mae'r broses hon yn cynhyrchu rhanbarth llachar o 0.1 i 3% fesul 100 µm230. Yn yr adrannau canlynol, rydym yn cyflwyno canlyniadau ar gyfer y ddau fath o ranbarth. Mae delweddau SEM chwyddiad uchel yn dangos presenoldeb sawl ardal cyferbyniad llachar ar y ddwy ochr (Ffig. 1f,g), sy'n dangos presenoldeb rhanbarthau FLG ac MLG30,45. Cadarnhawyd hyn hefyd gan ganlyniadau gwasgariad Raman (Ffig. 1c) a TEM (a drafodir yn ddiweddarach yn yr adran “FS-NGF: strwythur a phriodweddau”). Efallai bod y rhanbarthau FLG ac MLG a welwyd ar samplau FS- a BS-NGF/Ni (NGF blaen a chefn wedi'i dyfu ar Ni) wedi tyfu ar ronynnau Ni(111) mawr a ffurfiwyd yn ystod cyn-anelio22,30,45. Gwelwyd plygu ar y ddwy ochr (Ffig. 1b, wedi'i farcio â saethau porffor). Mae'r plygiadau hyn yn aml i'w cael mewn ffilmiau graffen a graffit a dyfir mewn CVD oherwydd y gwahaniaeth mawr yn y cyfernod ehangu thermol rhwng y graffit a'r swbstrad nicel30,38.
Cadarnhaodd y ddelwedd AFM fod y sampl FS-NGF yn fwy gwastad na'r sampl BS-NGF (Ffigur SI1) (Ffigur SI2). Gwerthoedd garwedd gwreiddyn cymedr sgwâr (RMS) FS-NGF/Ni (Ffig. SI2c) a BS-NGF/Ni (Ffig. SI2d) yw 82 a 200 nm, yn y drefn honno (wedi'u mesur dros ardal o 20 × 20 μm2). Gellir deall y garwedd uwch yn seiliedig ar ddadansoddiad arwyneb y ffoil nicel (NiAR) yn y cyflwr fel y'i derbyniwyd (Ffigur SI3). Dangosir delweddau SEM o FS a BS-NiAR yn Ffigurau SI3a–d, gan ddangos gwahanol forffolegau arwyneb: mae gan ffoil FS-Ni wedi'i sgleinio ronynnau sfferig maint nano a micron, tra bod ffoil BS-Ni heb ei sgleinio yn arddangos ysgol gynhyrchu fel gronynnau â chryfder uchel a dirywiad. Dangosir delweddau cydraniad isel ac uchel o ffoil nicel wedi'i anelio (NiA) yn Ffigur SI3e–h. Yn y ffigurau hyn, gallwn weld presenoldeb sawl gronyn nicel maint micron ar ddwy ochr y ffoil nicel (Ffig. SI3e–h). Gall gronynnau mawr fod â chyfeiriadedd arwyneb Ni(111), fel yr adroddwyd yn flaenorol30,46. Mae gwahaniaethau sylweddol ym morffoleg ffoil nicel rhwng FS-NiA a BS-NiA. Mae garwedd uwch BS-NGF/Ni oherwydd arwyneb heb ei sgleinio BS-NiAR, y mae ei arwyneb yn parhau i fod yn sylweddol arw hyd yn oed ar ôl anelio (Ffigur SI3). Mae'r math hwn o nodweddu arwyneb cyn y broses dyfu yn caniatáu rheoli garwedd ffilmiau graffen a graffit. Dylid nodi bod y swbstrad gwreiddiol wedi cael rhywfaint o ad-drefnu grawn yn ystod twf graffen, a leihaodd faint y grawn ychydig a chynyddodd garwedd arwyneb y swbstrad rhywfaint o'i gymharu â'r ffoil a'r ffilm catalydd wedi'u hanelio22.
Bydd mireinio garwedd wyneb y swbstrad, yr amser anelio (maint y grawn)30,47 a rheolaeth rhyddhau43 yn helpu i leihau unffurfiaeth trwch NGF rhanbarthol i'r raddfa µm2 a/neu hyd yn oed nm2 (h.y., amrywiadau trwch o ychydig nanometrau). I reoli garwedd wyneb y swbstrad, gellir ystyried dulliau fel caboli electrolytig y ffoil nicel sy'n deillio o hyn48. Yna gellir anelio'r ffoil nicel sydd wedi'i thrin ymlaen llaw ar dymheredd is (< 900 °C)46 ac amser (< 5 munud) i osgoi ffurfio grawn Ni(111) mawr (sy'n fuddiol ar gyfer twf FLG).
Nid yw graffen SLG a FLG yn gallu gwrthsefyll tensiwn arwyneb asidau a dŵr, gan olygu bod angen haenau cymorth mecanyddol yn ystod prosesau trosglwyddo cemegol gwlyb22,34,38. Mewn cyferbyniad â throsglwyddiad cemegol gwlyb graffen un haen â chymorth polymer38, gwelsom y gellir trosglwyddo'r ddwy ochr i'r NGF fel y'i tyfodd heb gymorth polymer, fel y dangosir yn Ffigur 2a (gweler Ffigur SI4a am fwy o fanylion). Mae trosglwyddo NGF i swbstrad penodol yn dechrau gydag ysgythru gwlyb y ffilm Ni30.49 sylfaenol. Gosodwyd y samplau NGF/Ni/NGF a dyfwyd dros nos mewn 15 mL o 70% HNO3 wedi'i wanhau â 600 mL o ddŵr wedi'i ddad-ïoneiddio (DI). Ar ôl i'r ffoil Ni doddi'n llwyr, mae FS-NGF yn aros yn wastad ac yn arnofio ar wyneb yr hylif, yn union fel y sampl NGF/Ni/NGF, tra bod BS-NGF wedi'i drochi mewn dŵr (Ffig. 2a,b). Yna trosglwyddwyd yr NGF ynysig o un bicer yn cynnwys dŵr dad-ïoneiddiedig ffres i bicer arall a golchwyd yr NGF ynysig yn drylwyr, gan ailadrodd bedair i chwe gwaith drwy'r ddysgl wydr ceugrwm. Yn olaf, gosodwyd FS-NGF a BS-NGF ar y swbstrad a ddymunir (Ffig. 2c).
Proses trosglwyddo cemegol gwlyb heb bolymer ar gyfer NGF wedi'i dyfu ar ffoil nicel: (a) Diagram llif proses (gweler Ffigur SI4 am fwy o fanylion), (b) Ffotograff digidol o NGF wedi'i wahanu ar ôl ysgythru Ni (2 sampl), (c) Enghraifft FS – a throsglwyddiad BS-NGF i swbstrad SiO2/Si, (d) Trosglwyddiad FS-NGF i swbstrad polymer afloyw, (e) BS-NGF o'r un sampl â phanel d (wedi'i rannu'n ddwy ran), wedi'i drosglwyddo i bapur C wedi'i blatio ag aur a Nafion (swbstrad tryloyw hyblyg, ymylon wedi'u marcio â chorneli coch).
Sylwch fod trosglwyddo SLG a gyflawnir gan ddefnyddio dulliau trosglwyddo cemegol gwlyb yn gofyn am gyfanswm amser prosesu o 20–24 awr 38. Gyda'r dechneg trosglwyddo di-polymer a ddangosir yma (Ffigur SI4a), mae cyfanswm yr amser prosesu trosglwyddo NGF yn cael ei leihau'n sylweddol (tua 15 awr). Mae'r broses yn cynnwys: (Cam 1) Paratoi hydoddiant ysgythru a rhoi'r sampl ynddo (~10 munud), yna aros dros nos am ysgythru Ni (~7200 munud), (Cam 2) Rinsiwch â dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio (Cam – 3). storio mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio neu drosglwyddo i'r swbstrad targed (20 munud). Caiff dŵr sydd wedi'i ddal rhwng yr NGF a'r matrics swmp ei dynnu trwy weithred gapilarïaidd (gan ddefnyddio papur blotio) 38, yna caiff y diferion dŵr sy'n weddill eu tynnu trwy sychu naturiol (tua 30 munud), ac yn olaf caiff y sampl ei sychu am 10 munud mewn popty gwactod (10–1 mbar) ar 50–90 °C (60 munud) 38.
Mae'n hysbys bod graffit yn gwrthsefyll presenoldeb dŵr ac aer ar dymheredd eithaf uchel (≥ 200 °C)50,51,52. Fe wnaethom brofi samplau gan ddefnyddio sbectrosgopeg Raman, SEM, ac XRD ar ôl eu storio mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio ar dymheredd ystafell ac mewn poteli wedi'u selio am unrhyw amser o ychydig ddyddiau i flwyddyn (Ffigur SI4). Nid oes unrhyw ddiraddiad amlwg. Mae Ffigur 2c yn dangos FS-NGF a BS-NGF annibynnol mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio. Fe'u daliwyd ar swbstrad SiO2 (300 nm)/Si, fel y dangosir ar ddechrau Ffigur 2c. Yn ogystal, fel y dangosir yn Ffigur 2d,e, gellir trosglwyddo NGF parhaus i wahanol swbstradau megis polymerau (polyamid Thermabright gan Nexolve a Nafion) a phapur carbon wedi'i orchuddio ag aur. Gosodwyd yr FS-NGF arnofiol yn hawdd ar y swbstrad targed (Ffig. 2c, d). Fodd bynnag, roedd samplau BS-NGF mwy na 3 cm2 yn anodd eu trin pan oeddent wedi'u trochi'n llwyr mewn dŵr. Fel arfer, pan fyddant yn dechrau rholio mewn dŵr, oherwydd trin diofal maent weithiau'n torri'n ddwy neu dair rhan (Ffig. 2e). Ar y cyfan, llwyddom i gyflawni trosglwyddiad di-polymer o PS- a BS-NGF (trosglwyddiad di-dor parhaus heb dwf NGF/Ni/NGF ar 6 cm2) ar gyfer samplau hyd at 6 a 3 cm2 o ran arwynebedd, yn y drefn honno. Gellir (gweld yn hawdd yn yr hydoddiant ysgythru neu ddŵr wedi'i ddad-ïoneiddio) unrhyw ddarnau mawr neu fach sy'n weddill ar y swbstrad a ddymunir (~1 mm2, Ffigur SI4b, gweler y sampl wedi'i drosglwyddo i grid copr fel yn “FS-NGF: Strwythur a Phriodweddau (a drafodwyd) o dan “Strwythur a Phriodweddau”) neu ei storio i'w ddefnyddio yn y dyfodol (Ffigur SI4). Yn seiliedig ar y maen prawf hwn, rydym yn amcangyfrif y gellir adfer NGF mewn cynnyrch o hyd at 98-99% (ar ôl twf ar gyfer trosglwyddo).
Dadansoddwyd samplau trosglwyddo heb bolymer yn fanwl. Dangosodd nodweddion morffolegol arwyneb a gafwyd ar FS- a BS-NGF/SiO2/Si (Ffig. 2c) gan ddefnyddio microsgopeg optegol (OM) a delweddau SEM (Ffig. SI5 a Ffig. 3) fod y samplau hyn wedi'u trosglwyddo heb ficrosgopeg. Difrod strwythurol gweladwy fel craciau, tyllau, neu ardaloedd heb eu rholio. Arhosodd y plygiadau ar yr NGF sy'n tyfu (Ffig. 3b, d, wedi'u marcio gan saethau porffor) yn gyfan ar ôl trosglwyddo. Mae FS- a BS-NGFs ill dau yn cynnwys rhanbarthau FLG (rhanbarthau llachar a nodir gan saethau glas yn Ffigur 3). Yn syndod, mewn cyferbyniad â'r ychydig ranbarthau sydd wedi'u difrodi a welir yn nodweddiadol yn ystod trosglwyddo polymer ffilmiau graffit ultradenau, trosglwyddwyd sawl rhanbarth FLG ac MLG maint micron sy'n cysylltu â'r NGF (a nodir gan saethau glas yn Ffigur 3d) heb graciau na thorriadau (Ffigur 3d). 3). Cadarnhawyd uniondeb mecanyddol ymhellach gan ddefnyddio delweddau TEM a SEM o NGF a drosglwyddwyd i gridiau copr les-carbon, fel y trafodwyd yn ddiweddarach (“FS-NGF: Strwythur a Phriodweddau”). Mae'r BS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd yn fwy garw na FS-NGF/SiO2/Si gyda gwerthoedd rms o 140 nm ac 17 nm, yn y drefn honno, fel y dangosir yn Ffigur SI6a a b (20 × 20 μm2). Mae gwerth RMS NGF a drosglwyddwyd i'r swbstrad SiO2/Si (RMS < 2 nm) yn sylweddol is (tua 3 gwaith) na gwerth NGF a dyfwyd ar Ni (Ffigur SI2), sy'n dangos y gallai'r garwedd ychwanegol gyfateb i wyneb Ni. Yn ogystal, dangosodd delweddau AFM a berfformiwyd ar ymylon samplau FS- a BS-NGF/SiO2/Si drwch NGF o 100 ac 80 nm, yn y drefn honno (Ffig. SI7). Gall trwch llai BS-NGF fod o ganlyniad i'r ffaith nad yw'r wyneb yn agored yn uniongyrchol i'r nwy rhagflaenydd.
NGF wedi'i drosglwyddo (NiAG) heb bolymer ar wafer SiO2/Si (gweler Ffigur 2c): (a,b) Delweddau SEM o FS-NGF wedi'i drosglwyddo: chwyddiad isel ac uchel (yn cyfateb i'r sgwâr oren yn y panel). Ardaloedd nodweddiadol) – a). (c,d) Delweddau SEM o BS-NGF wedi'i drosglwyddo: chwyddiad isel ac uchel (yn cyfateb i'r ardal nodweddiadol a ddangosir gan y sgwâr oren ym mhanel c). (e, f) Delweddau AFM o FS- a BS-NGFs wedi'u trosglwyddo. Mae saeth las yn cynrychioli rhanbarth FLG – cyferbyniad llachar, saeth cyan – cyferbyniad MLG du, saeth goch – cyferbyniad du yn cynrychioli rhanbarth NGF, mae saeth magenta yn cynrychioli'r plyg.
Dadansoddwyd cyfansoddiad cemegol yr FS- a BS-NGFs a dyfwyd a throsglwyddwyd gan sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (XPS) (Ffig. 4). Gwelwyd brig gwan yn y sbectrwm a fesurwyd (Ffig. 4a, b), yn cyfateb i'r swbstrad Ni (850 eV) o'r FS- a BS-NGFs a dyfwyd (NiAG). Nid oes unrhyw bigau yn y sbectrwm a fesurwyd o FS- a BS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd (Ffig. 4c; ni ddangosir canlyniadau tebyg ar gyfer BS-NGF/SiO2/Si), sy'n dangos nad oes unrhyw halogiad Ni gweddilliol ar ôl trosglwyddo. Mae Ffigurau 4d–f yn dangos y sbectrwm cydraniad uchel o lefelau egni C 1 s, O 1 s a Si 2p o FS-NGF/SiO2/Si. Egni rhwymo C 1 s o graffit yw 284.4 eV53.54. Yn gyffredinol, ystyrir bod siâp llinol copaon graffit yn anghymesur, fel y dangosir yn Ffigur 4d54. Cadarnhaodd y sbectrwm C 1 s lefel craidd cydraniad uchel (Ffig. 4d) drosglwyddiad pur hefyd (h.y., dim gweddillion polymer), sy'n gyson ag astudiaethau blaenorol38. Mae lledau llinell sbectrwm C 1 s y sampl newydd ei dyfu (NiAG) ac ar ôl trosglwyddo yn 0.55 a 0.62 eV, yn y drefn honno. Mae'r gwerthoedd hyn yn uwch na rhai SLG (0.49 eV ar gyfer SLG ar swbstrad SiO2)38. Fodd bynnag, mae'r gwerthoedd hyn yn llai na lledau llinell a adroddwyd yn flaenorol ar gyfer samplau graffen pyrolytig â chyfeiriadedd uchel (~0.75 eV)53,54,55, sy'n dangos absenoldeb safleoedd carbon diffygiol yn y deunydd cyfredol. Mae'r sbectrwm lefel daear C 1 s ac O 1 s hefyd yn brin o ysgwyddau, gan ddileu'r angen am ddadgydffurfiad brig cydraniad uchel54. Mae brig lloeren π → π* tua 291.1 eV, a welir yn aml mewn samplau graffit. Priodolir y signalau 103 eV a 532.5 eV yn y sbectrwm lefel craidd Si 2p ac O 1 s (gweler Ffig. 4e, f) i'r swbstrad SiO2 56, yn y drefn honno. Mae XPS yn dechneg sy'n sensitif i arwyneb, felly tybir bod y signalau sy'n cyfateb i Ni a SiO2 a ganfuwyd cyn ac ar ôl trosglwyddo NGF, yn y drefn honno, yn tarddu o ranbarth FLG. Gwelwyd canlyniadau tebyg ar gyfer samplau BS-NGF a drosglwyddwyd (heb eu dangos).
Canlyniadau NiAG XPS: (ac) Sbectrwm arolwg o wahanol gyfansoddiadau atomig elfennol o FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni a dyfwyd ac FS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd, yn y drefn honno. (d–f) Sbectrwm cydraniad uchel o lefelau craidd C 1 s, O 1s a Si 2p o'r sampl FS-NGF/SiO2/Si.
Aseswyd ansawdd cyffredinol y crisialau NGF a drosglwyddwyd gan ddefnyddio diffreithiant pelydr-X (XRD). Mae patrymau XRD nodweddiadol (Ffig. SI8) o FS- a BS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd yn dangos presenoldeb copaon diffreithiant (0 0 0 2) a (0 0 0 4) ar 26.6° a 54.7°, yn debyg i graffit. Mae hyn yn cadarnhau ansawdd crisialog uchel NGF ac yn cyfateb i bellter rhynghaen o d = 0.335 nm, a gynhelir ar ôl y cam trosglwyddo. Mae dwyster y brig diffreithiant (0 0 0 2) tua 30 gwaith dwyster y brig diffreithiant (0 0 0 4), sy'n dangos bod plân grisial NGF wedi'i alinio'n dda ag arwyneb y sampl.
Yn ôl canlyniadau SEM, sbectrosgopeg Raman, XPS ac XRD, canfuwyd bod ansawdd BS-NGF/Ni yr un fath ag ansawdd FS-NGF/Ni, er bod ei garwedd rms ychydig yn uwch (Ffigurau SI2, SI5) a SI7).
Gall SLGs gyda haenau cynnal polymer hyd at 200 nm o drwch arnofio ar ddŵr. Defnyddir y drefniant hwn yn gyffredin mewn prosesau trosglwyddo cemegol gwlyb â chymorth polymer22,38. Mae graffin a graffit yn hydroffobig (ongl wlyb 80–90°) 57. Adroddwyd bod arwynebau ynni potensial graffin a FLG yn eithaf gwastad, gydag ynni potensial isel (~1 kJ/mol) ar gyfer symudiad ochrol dŵr ar yr wyneb58. Fodd bynnag, mae'r ynni rhyngweithio cyfrifedig o ddŵr gyda graffin a thri haen o graffin tua −13 a −15 kJ/mol,58 yn y drefn honno, sy'n dangos bod rhyngweithio dŵr ag NGF (tua 300 o haenau) yn is o'i gymharu â graffin. Efallai mai dyma un o'r rhesymau pam mae NGF annibynnol yn aros yn wastad ar wyneb dŵr, tra bod graffin annibynnol (sy'n arnofio mewn dŵr) yn cyrlio i fyny ac yn chwalu. Pan fydd NGF wedi'i drochi'n llwyr mewn dŵr (mae'r canlyniadau yr un fath ar gyfer NGF garw a gwastad), mae ei ymylon yn plygu (Ffigur SI4). Yn achos trochi llwyr, disgwylir y bydd egni rhyngweithio NGF-dŵr bron yn dyblu (o'i gymharu ag NGF arnofiol) a bod ymylon yr NGF yn plygu i gynnal ongl gyswllt uchel (hydroffobigedd). Credwn y gellir datblygu strategaethau i osgoi cyrlio ymylon NGFs mewnosodedig. Un dull yw defnyddio toddyddion cymysg i addasu adwaith gwlychu'r ffilm graffit59.
Mae trosglwyddo SLG i wahanol fathau o swbstradau trwy brosesau trosglwyddo cemegol gwlyb wedi'i adrodd yn flaenorol. Yn gyffredinol, derbynnir bod grymoedd van der Waals gwan yn bodoli rhwng ffilmiau graffen/graffit a swbstradau (boed yn swbstradau anhyblyg fel SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, pileri Si22 a ffilmiau carbon les30,34 neu swbstradau hyblyg fel polyimid 37). Yma, rydym yn tybio bod rhyngweithiadau o'r un math yn drech. Ni welsom unrhyw ddifrod na phlicio NGF ar gyfer unrhyw un o'r swbstradau a gyflwynir yma yn ystod trin mecanyddol (yn ystod nodweddu o dan amodau gwactod a/neu atmosfferig neu yn ystod storio) (e.e., Ffigur 2, SI7 a SI9). Yn ogystal, ni welsom big SiC yn sbectrwm XPS C 1 s lefel craidd y sampl NGF/SiO2/Si (Ffig. 4). Mae'r canlyniadau hyn yn dangos nad oes unrhyw fond cemegol rhwng NGF a'r swbstrad targed.
Yn yr adran flaenorol, “Trosglwyddo FS- a BS-NGF heb bolymer,” dangoson ni y gall NGF dyfu a throsglwyddo ar ddwy ochr ffoil nicel. Nid yw'r FS-NGFs a'r BS-NGFs hyn yn union yr un fath o ran garwedd arwyneb, a achosodd i ni archwilio'r cymwysiadau mwyaf addas ar gyfer pob math.
Gan ystyried tryloywder ac arwyneb llyfnach FS-NGF, fe wnaethom astudio ei strwythur lleol, ei briodweddau optegol a thrydanol yn fanylach. Nodweddwyd strwythur a strwythur FS-NGF heb drosglwyddo polymer gan ddelweddu microsgopeg electron trawsyrru (TEM) a dadansoddiad patrwm diffractiad electron ardal ddethol (SAED). Dangosir y canlyniadau cyfatebol yn Ffigur 5. Datgelodd delweddu TEM planar chwyddiad isel bresenoldeb rhanbarthau NGF a FLG gyda nodweddion cyferbyniad electron gwahanol, h.y. ardaloedd tywyllach a mwy disglair, yn y drefn honno (Ffig. 5a). Mae'r ffilm yn gyffredinol yn arddangos uniondeb mecanyddol a sefydlogrwydd da rhwng gwahanol ranbarthau NGF a FLG, gyda gorgyffwrdd da a dim difrod na rhwygo, a gadarnhawyd hefyd gan astudiaethau SEM (Ffigur 3) ac astudiaethau TEM chwyddiad uchel (Ffigur 5c-e). Yn benodol, yn Ffig. Mae Ffigur 5d yn dangos strwythur y bont yn ei ran fwyaf (y safle a farcir gan y saeth ddotiog ddu yn Ffigur 5d), sy'n cael ei nodweddu gan siâp trionglog ac sy'n cynnwys haen graffen gyda lled o tua 51. Mae'r cyfansoddiad gyda bylchau rhyngblanar o 0.33 ± 0.01 nm wedi'i leihau ymhellach i sawl haen o graffen yn y rhanbarth culaf (diwedd y saeth ddu solet yn Ffigur 5 d).
Delwedd TEM planar o sampl NiAG heb bolymer ar grid copr les carbon: (a, b) Delweddau TEM chwyddiad isel gan gynnwys rhanbarthau NGF a FLG, (ce) Mae delweddau chwyddiad uchel o wahanol ranbarthau ym mhanel-a a phanel-b wedi'u marcio â saethau o'r un lliw. Mae saethau gwyrdd ym mhaneli a ac c yn dynodi ardaloedd crwn o ddifrod yn ystod aliniad y trawst. (f–i) Ym mhaneli a i c, mae patrymau SAED mewn gwahanol ranbarthau wedi'u nodi gan gylchoedd glas, gwyrddlas, oren a choch, yn y drefn honno.
Mae'r strwythur rhuban yn Ffigur 5c yn dangos (wedi'i farcio â saeth goch) cyfeiriadedd fertigol y planau dellt graffit, a all fod oherwydd ffurfio nanoblygiadau ar hyd y ffilm (mewnosodiad yn Ffigur 5c) oherwydd straen cneifio gormodol heb ei ddigolledu30,61,62. O dan TEM cydraniad uchel, mae'r nanoblygiadau hyn 30 yn arddangos cyfeiriadedd crisialograffig gwahanol i weddill rhanbarth yr NGF; mae planau gwaelodol y dellt graffit wedi'u cyfeirio bron yn fertigol, yn hytrach nag yn llorweddol fel gweddill y ffilm (mewnosodiad yn Ffigur 5c). Yn yr un modd, mae rhanbarth FLG weithiau'n arddangos plygiadau llinol a chul tebyg i fand (wedi'u marcio gan saethau glas), sy'n ymddangos ar chwyddiad isel a chanolig yn Ffigurau 5b, 5e, yn y drefn honno. Mae'r mewnosodiad yn Ffigur 5e yn cadarnhau presenoldeb haenau graffen dwy a thri haen yn sector FLG (pellter rhyngblanar 0.33 ± 0.01 nm), sy'n cytuno'n dda â'n canlyniadau blaenorol30. Yn ogystal, dangosir delweddau SEM wedi'u recordio o NGF heb bolymer a drosglwyddwyd i gridiau copr gyda ffilmiau carbon les (ar ôl cynnal mesuriadau TEM o'r golwg uchaf) yn Ffigur SI9. Y rhanbarth FLG sydd wedi'i atal yn dda (wedi'i farcio â saeth las) a'r rhanbarth toredig yn Ffigur SI9f. Cyflwynir y saeth las (ar ymyl yr NGF a drosglwyddwyd) yn fwriadol i ddangos y gall y rhanbarth FLG wrthsefyll y broses drosglwyddo heb bolymer. I grynhoi, mae'r delweddau hyn yn cadarnhau bod NGF sydd wedi'i atal yn rhannol (gan gynnwys y rhanbarth FLG) yn cynnal cyfanrwydd mecanyddol hyd yn oed ar ôl ei drin yn drylwyr ac amlygiad i wactod uchel yn ystod mesuriadau TEM a SEM (Ffigur SI9).
Oherwydd gwastadrwydd rhagorol NGF (gweler Ffigur 5a), nid yw'n anodd cyfeirio'r naddion ar hyd echelin y parth [0001] i ddadansoddi strwythur SAED. Yn dibynnu ar drwch lleol y ffilm a'i lleoliad, nodwyd sawl rhanbarth o ddiddordeb (12 pwynt) ar gyfer astudiaethau diffractiad electronau. Yn Ffigurau 5a–c, dangosir pedwar o'r rhanbarthau nodweddiadol hyn a'u marcio â chylchoedd lliw (glas, cyan, oren, a choch wedi'u codio). Ffigurau 2 a 3 ar gyfer modd SAED. Cafwyd Ffigurau 5f a g o'r rhanbarth FLG a ddangosir yn Ffigurau 5 a 5. Fel y dangosir yn Ffigurau 5b ac c, yn y drefn honno. Mae ganddynt strwythur hecsagonol tebyg i graffen dirdro63. Yn benodol, mae Ffigur 5f yn dangos tri phatrwm wedi'u gosod ar ben ei gilydd gyda'r un cyfeiriadedd ag echelin y parth [0001], wedi'u cylchdroi 10° a 20°, fel y dangosir gan anghydweddiad onglog y tri phâr o adlewyrchiadau (10-10). Yn yr un modd, mae Ffigur 5g yn dangos dau batrwm hecsagonol wedi'u gosod ar ben ei gilydd wedi'u cylchdroi 20°. Gall dau neu dri grŵp o batrymau hecsagonol yn rhanbarth FLG ddeillio o dair haen graffen mewn-plân neu allan-o-blân 33 wedi'u cylchdroi o'i gymharu â'i gilydd. Mewn cyferbyniad, mae'r patrymau diffreithiant electronau yn Ffigur 5h,i (sy'n cyfateb i'r rhanbarth NGF a ddangosir yn Ffigur 5a) yn dangos un patrwm [0001] gyda dwyster diffreithiant pwynt uwch cyffredinol, sy'n cyfateb i drwch deunydd mwy. Mae'r modelau SAED hyn yn cyfateb i strwythur graffitig mwy trwchus a chyfeiriadedd canolradd na FLG, fel y'i casglwyd o'r mynegai 64. Datgelodd nodweddu priodweddau crisialog NGF gydfodolaeth dau neu dri chrisial graffit (neu graffen) wedi'u gosod ar ben ei gilydd. Yr hyn sy'n arbennig o nodedig yn rhanbarth FLG yw bod gan y crisialau rywfaint o gamgyfeiriadedd mewn-plân neu allan-o-blân. Mae gronynnau/haenau graffit gydag onglau cylchdroi mewn-plân o 17°, 22° a 25° wedi'u hadrodd yn flaenorol ar gyfer NGF a dyfwyd ar ffilmiau Ni 64. Mae'r gwerthoedd ongl cylchdroi a welwyd yn yr astudiaeth hon yn gyson ag onglau cylchdroi a welwyd yn flaenorol (±1°) ar gyfer graffen BLG63 wedi'i dirdroi.
Mesurwyd priodweddau trydanol NGF/SiO2/Si ar 300 K dros arwynebedd o 10×3 mm2. Gwerthoedd crynodiad, symudedd a dargludedd cludwyr electronau yw 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 a 2000 S-cm-1, yn y drefn honno. Mae gwerthoedd symudedd a dargludedd ein NGF yn debyg i graffit naturiol2 ac yn uwch na graffit pyrolytig hynod gyfeiriadol sydd ar gael yn fasnachol (a gynhyrchwyd ar 3000 °C)29. Mae'r gwerthoedd crynodiad cludwyr electronau a welwyd ddwy orchymyn maint yn uwch na'r rhai a adroddwyd yn ddiweddar (7.25 × 10 cm-3) ar gyfer ffilmiau graffit micron-drwchus a baratowyd gan ddefnyddio dalennau polyimid tymheredd uchel (3200 °C) 20.
Fe wnaethon ni hefyd gynnal mesuriadau trawsyriant UV-gweladwy ar FS-NGF a drosglwyddwyd i swbstradau cwarts (Ffigur 6). Mae'r sbectrwm canlyniadol yn dangos trawsyriant bron yn gyson o 62% yn yr ystod 350–800 nm, sy'n dangos bod NGF yn dryloyw i olau gweladwy. Mewn gwirionedd, gellir gweld yr enw "KAUST" yn y ffotograff digidol o'r sampl yn Ffigur 6b. Er bod strwythur nanogrisialog NGF yn wahanol i strwythur SLG, gellir amcangyfrif nifer yr haenau'n fras gan ddefnyddio'r rheol o golled trawsyriant o 2.3% fesul haen ychwanegol65. Yn ôl y berthynas hon, nifer yr haenau graffen gyda cholled trawsyriant o 38% yw 21. Mae'r NGF a dyfwyd yn cynnwys 300 o haenau graffen yn bennaf, h.y. tua 100 nm o drwch (Ffig. 1, SI5 a SI7). Felly, rydym yn tybio bod y tryloywder optegol a welwyd yn cyfateb i ranbarthau FLG ac MLG, gan eu bod wedi'u dosbarthu ledled y ffilm (Ffigau 1, 3, 5 a 6c). Yn ogystal â'r data strwythurol uchod, mae dargludedd a thryloywder hefyd yn cadarnhau ansawdd crisialog uchel yr NGF a drosglwyddwyd.
(a) Mesuriad tryloywder gweladwy-UV, (b) trosglwyddiad NGF nodweddiadol ar gwarts gan ddefnyddio sampl gynrychioliadol. (c) Cynllun o NGF (blwch tywyll) gyda rhanbarthau FLG ac MLG wedi'u dosbarthu'n gyfartal wedi'u marcio fel siapiau llwyd ar hap ledled y sampl (gweler Ffigur 1) (tua 0.1–3% o arwynebedd fesul 100 μm2). At ddibenion darluniadol yn unig y mae'r siapiau ar hap a'u meintiau yn y diagram ac nid ydynt yn cyfateb i arwynebeddau gwirioneddol.
Mae NGF tryloyw a dyfwyd trwy CVD wedi'i drosglwyddo i arwynebau silicon noeth o'r blaen a'i ddefnyddio mewn celloedd solar15,16. Yr effeithlonrwydd trosi pŵer (PCE) sy'n deillio o hyn yw 1.5%. Mae'r NGFs hyn yn cyflawni sawl swyddogaeth megis haenau cyfansoddyn gweithredol, llwybrau cludo gwefr, ac electrodau tryloyw15,16. Fodd bynnag, nid yw'r ffilm graffit yn unffurf. Mae angen optimeiddio ymhellach trwy reoli gwrthiant y ddalen a thryloywder optegol yr electrod graffit yn ofalus, gan fod y ddau briodwedd hyn yn chwarae rhan bwysig wrth bennu gwerth PCE y gell solar15,16. Yn nodweddiadol, mae ffilmiau graffen yn 97.7% yn dryloyw i olau gweladwy, ond mae ganddynt wrthiant dalen o 200–3000 ohms/sg.16. Gellir lleihau gwrthiant arwyneb ffilmiau graffen trwy gynyddu nifer yr haenau (trosglwyddo lluosog o haenau graffen) a dopio â HNO3 (~30 Ohm/sg.)66. Fodd bynnag, mae'r broses hon yn cymryd amser hir ac nid yw'r gwahanol haenau trosglwyddo bob amser yn cynnal cyswllt da. Mae gan ein NGF ochr flaen briodweddau fel dargludedd o 2000 S/cm, gwrthiant dalen ffilm o 50 ohm/sg. a 62% o dryloywder, gan ei wneud yn ddewis arall hyfyw ar gyfer sianeli dargludol neu electrodau gwrth mewn celloedd solar15,16.
Er bod strwythur a chemeg arwyneb BS-NGF yn debyg i FS-NGF, mae ei garwedd yn wahanol (“Twf FS- a BS-NGF”). Yn flaenorol, fe wnaethom ddefnyddio graffit ffilm ultra-denau22 fel synhwyrydd nwy. Felly, fe wnaethom brofi hyfywedd defnyddio BS-NGF ar gyfer tasgau synhwyro nwy (Ffigur SI10). Yn gyntaf, trosglwyddwyd rhannau maint mm2 o BS-NGF i'r sglodion synhwyrydd electrod rhyng-gydbwyso (Ffigur SI10a-c). Adroddwyd ar fanylion gweithgynhyrchu'r sglodion yn flaenorol; ei ardal sensitif weithredol yw 9 mm267. Yn y delweddau SEM (Ffigur SI10b ac c), mae'r electrod aur sylfaenol yn weladwy'n glir trwy'r NGF. Unwaith eto, gellir gweld bod gorchudd sglodion unffurf wedi'i gyflawni ar gyfer pob sampl. Cofnodwyd mesuriadau synhwyrydd nwy o wahanol nwyon (Ffig. SI10d) (Ffig. SI11) a dangosir y cyfraddau ymateb canlyniadol yn Ffig. SI10g. Yn debygol gyda nwyon ymyrrol eraill gan gynnwys SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ac NH3 (200 ppm). Un achos posibl yw NO2. Natur electroffilig y nwy22,68. Pan gaiff ei amsugno ar wyneb graffen, mae'n lleihau amsugno cerrynt electronau gan y system. Cyflwynir cymhariaeth o ddata amser ymateb y synhwyrydd BS-NGF â synwyryddion a gyhoeddwyd yn flaenorol yn Nhabl SI2. Mae'r mecanwaith ar gyfer ail-actifadu synwyryddion NGF gan ddefnyddio plasma UV, plasma O3 neu driniaeth thermol (50–150°C) o samplau agored yn parhau, ac yn ddelfrydol mae gweithredu systemau mewnosodedig69 yn dilyn.
Yn ystod y broses CVD, mae twf graffen yn digwydd ar ddwy ochr y swbstrad catalydd41. Fodd bynnag, fel arfer caiff BS-graffen ei daflu allan yn ystod y broses drosglwyddo41. Yn yr astudiaeth hon, rydym yn dangos y gellir cyflawni twf NGF o ansawdd uchel a throsglwyddo NGF di-bolymer ar ddwy ochr y gefnogaeth catalydd. Mae BS-NGF yn deneuach (~80 nm) na FS-NGF (~100 nm), ac mae'r gwahaniaeth hwn yn cael ei egluro gan y ffaith nad yw BS-Ni yn agored yn uniongyrchol i lif y nwy rhagflaenydd. Gwelsom hefyd fod garwedd y swbstrad NiAR yn dylanwadu ar garwedd yr NGF. Mae'r canlyniadau hyn yn dangos y gellir defnyddio'r FS-NGF planar a dyfwyd fel deunydd rhagflaenydd ar gyfer graffen (trwy ddull plicio70) neu fel sianel ddargludol mewn celloedd solar15,16. Mewn cyferbyniad, bydd BS-NGF yn cael ei ddefnyddio ar gyfer canfod nwy (Ffig. SI9) ac o bosibl ar gyfer systemau storio ynni71,72 lle bydd ei garwedd arwyneb yn ddefnyddiol.
O ystyried yr uchod, mae'n ddefnyddiol cyfuno'r gwaith cyfredol â ffilmiau graffit a gyhoeddwyd yn flaenorol a dyfwyd trwy CVD a defnyddio ffoil nicel. Fel y gwelir yn Nhabl 2, byrhaodd y pwysau uwch a ddefnyddiwyd gennym yr amser adwaith (cyfnod twf) hyd yn oed ar dymheredd cymharol isel (yn yr ystod o 850–1300 °C). Gwnaethom hefyd gyflawni twf mwy nag arfer, sy'n dangos potensial i ehangu. Mae ffactorau eraill i'w hystyried, ac rydym wedi cynnwys rhai ohonynt yn y tabl.
Tyfwyd NGF dwy ochr o ansawdd uchel ar ffoil nicel trwy CVD catalytig. Trwy ddileu swbstradau polymer traddodiadol (fel y rhai a ddefnyddir mewn graffen CVD), rydym yn cyflawni trosglwyddiad gwlyb glân a di-nam o NGF (wedi'i dyfu ar ochrau cefn a blaen ffoil nicel) i amrywiaeth o swbstradau sy'n hanfodol i brosesau. Yn arbennig, mae NGF yn cynnwys rhanbarthau FLG ac MLG (fel arfer 0.1% i 3% fesul 100 µm2) sydd wedi'u hintegreiddio'n strwythurol yn dda i'r ffilm fwy trwchus. Mae TEM planar yn dangos bod y rhanbarthau hyn yn cynnwys pentyrrau o ddau i dri gronyn graffit/graffen (crisialau neu haenau, yn y drefn honno), ac mae gan rai ohonynt anghydweddiad cylchdro o 10–20°. Mae'r rhanbarthau FLG ac MLG yn gyfrifol am dryloywder FS-NGF i olau gweladwy. O ran y dalennau cefn, gellir eu cario'n gyfochrog â'r dalennau blaen ac, fel y dangosir, gallant fod â phwrpas swyddogaethol (er enghraifft, ar gyfer canfod nwy). Mae'r astudiaethau hyn yn ddefnyddiol iawn ar gyfer lleihau gwastraff a chostau mewn prosesau CVD ar raddfa ddiwydiannol.
Yn gyffredinol, mae trwch cyfartalog NGF CVD rhwng graffin (haen isel ac aml-haen) a thaflenni graffit diwydiannol (micromedr). Mae ystod eu priodweddau diddorol, ynghyd â'r dull syml rydym wedi'i ddatblygu ar gyfer eu cynhyrchu a'u cludo, yn gwneud y ffilmiau hyn yn arbennig o addas ar gyfer cymwysiadau sy'n gofyn am ymateb swyddogaethol graffit, heb gost y prosesau cynhyrchu diwydiannol sy'n defnyddio llawer o ynni a ddefnyddir ar hyn o bryd.
Gosodwyd ffoil nicel 25-μm o drwch (purdeb 99.5%, Goodfellow) mewn adweithydd CVD masnachol (Aixtron BMPro 4-modfedd). Cafodd y system ei phurgio ag argon a'i wagio i bwysau sylfaenol o 10-3 mbar. Yna gosodwyd ffoil nicel mewn Ar/H2 (Ar ôl cyn-anelio'r ffoil Ni am 5 munud, cafodd y ffoil ei hamlygu i bwysau o 500 mbar ar 900 °C. Dyddodwyd NGF mewn llif o CH4/H2 (100 cm3 yr un) am 5 munud. Yna oerwyd y sampl i dymheredd islaw 700 °C gan ddefnyddio llif Ar (4000 cm3) ar 40 °C/mun. Disgrifir manylion ar optimeiddio'r broses twf NGF mewn man arall30.
Delweddwyd morffoleg arwyneb y sampl gan ddefnyddio SEM gan ddefnyddio microsgop Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Mesurwyd garwedd arwyneb y sampl a thrwch NGF gan ddefnyddio AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Cynhaliwyd mesuriadau TEM a SAED gan ddefnyddio microsgop Ciwbig FEI Titan 80–300 wedi'i gyfarparu â gwn allyriadau maes disgleirdeb uchel (300 kV), monocromatwr math Wien FEI a chywirwr aberiad sfferig lens CEOS i gael y canlyniadau terfynol. Datrysiad gofodol 0.09 nm. Trosglwyddwyd samplau NGF i gridiau copr wedi'u gorchuddio â les carbon ar gyfer delweddu TEM gwastad a dadansoddi strwythur SAED. Felly, mae'r rhan fwyaf o fflociau'r sampl wedi'u hatal ym mandyllau'r bilen gynhaliol. Dadansoddwyd samplau NGF a drosglwyddwyd gan XRD. Cafwyd patrymau diffractiad pelydr-X gan ddefnyddio diffractomedr powdr (Brucker, newidydd cyfnod D2 gyda ffynhonnell Cu Kα, 1.5418 Å a synhwyrydd LYNXEYE) gan ddefnyddio ffynhonnell ymbelydredd Cu gyda diamedr smotyn trawst o 3 mm.
Cofnodwyd nifer o fesuriadau pwynt Raman gan ddefnyddio microsgop confocal integreiddiol (Alpha 300 RA, WITeC). Defnyddiwyd laser 532 nm gyda phŵer cyffroi isel (25%) i osgoi effeithiau a achosir gan wres. Perfformiwyd sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (XPS) ar sbectromedr Kratos Axis Ultra dros ardal sampl o 300 × 700 μm2 gan ddefnyddio ymbelydredd Al Kα monocromatig (hν = 1486.6 eV) ar bŵer o 150 W. Cafwyd sbectrwm datrysiad ar egni trosglwyddo o 160 eV a 20 eV, yn y drefn honno. Torrwyd samplau NGF a drosglwyddwyd i SiO2 yn ddarnau (3 × 10 mm2 yr un) gan ddefnyddio laser ffibr ytterbiwm PLS6MW (1.06 μm) ar 30 W. Gwnaed cysylltiadau gwifren gopr (50 μm o drwch) gan ddefnyddio past arian o dan ficrosgop optegol. Cynhaliwyd arbrofion cludiant trydanol ac effaith Hall ar y samplau hyn ar 300 K ac amrywiad maes magnetig o ± 9 Tesla mewn system mesur priodweddau ffisegol (PPMS EverCool-II, Quantum Design, UDA). Cofnodwyd sbectrwm UV-vis a drosglwyddwyd gan ddefnyddio sbectroffotomedr UV-vis Lambda 950 yn yr ystod NGF 350–800 nm a drosglwyddwyd i swbstradau cwarts a samplau cyfeirio cwarts.
Cafodd y synhwyrydd gwrthiant cemegol (sglodion electrod rhyngddoledig) ei wifro i fwrdd cylched printiedig personol 73 ac echdynnwyd y gwrthiant dros dro. Mae'r bwrdd cylched printiedig y mae'r ddyfais wedi'i lleoli arno wedi'i gysylltu â'r terfynellau cyswllt a'i osod y tu mewn i'r siambr synhwyro nwy 74. Cymerwyd mesuriadau gwrthiant ar foltedd o 1 V gyda sgan parhaus o buro i amlygiad nwy ac yna buro eto. Glanhawyd y siambr i ddechrau trwy buro â nitrogen ar 200 cm3 am 1 awr i sicrhau bod yr holl ddadansoddion eraill a oedd yn bresennol yn y siambr yn cael eu tynnu, gan gynnwys lleithder. Yna rhyddhawyd yr dadansoddion unigol yn araf i'r siambr ar yr un gyfradd llif o 200 cm3 trwy gau'r silindr N2.
Mae fersiwn ddiwygiedig o'r erthygl hon wedi'i chyhoeddi a gellir ei gweld drwy'r ddolen ar frig yr erthygl.
Inagaki, M. a Kang, F. Gwyddor a Pheirianneg Deunyddiau Carbon: Hanfodion. Ail argraffiad wedi'i olygu. 2014. 542.
Pearson, HO Llawlyfr Carbon, Graffit, Diemwnt a Fullerenau: Priodweddau, Prosesu a Chymwysiadau. Golygwyd yr argraffiad cyntaf. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Ffilmiau graffen/graffit amlhaenog arwynebedd mawr fel electrodau dargludol tenau tryloyw. cymhwysiad. ffiseg. Wright. 95(12), 123115(2009).
Priodweddau thermol graffen a deunyddiau carbon nanostrwythuredig Balandin AA. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW a Cahill DG Dargludedd thermol ffilmiau graffit a dyfir ar Ni (111) trwy ddyddodiad anwedd cemegol tymheredd isel. adferf. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Twf parhaus ffilmiau graffen trwy ddyddodiad anwedd cemegol. cymhwysiad. ffiseg. Wright. 98(13), 133106(2011).
Amser postio: Awst-23-2024