Diolch am ymweld â natur.com. Mae gan y fersiwn o'r porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y canlyniadau gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio fersiwn mwy 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 nanoscale (NGFs) yn nanoddefnyddiau cadarn y gellir eu cynhyrchu trwy ddyddodiad anwedd cemegol catalytig, ond erys cwestiynau ynghylch eu rhwyddineb trosglwyddo a sut mae morffoleg arwyneb yn effeithio ar eu defnydd mewn dyfeisiau cenhedlaeth nesaf. Yma rydym yn adrodd ar dwf NGF ar ddwy ochr ffoil nicel polycrystalline (ardal 55 cm2, trwch tua 100 nm) a'i drosglwyddiad heb bolymer (blaen a chefn, ardal hyd at 6 cm2). Oherwydd morffoleg y ffoil catalydd, mae'r ddwy ffilm garbon yn wahanol yn eu priodweddau ffisegol a nodweddion eraill (megis garwedd arwyneb). Rydym yn dangos bod NGFs sydd â chefn mwy garw yn addas iawn ar gyfer canfod NO2, tra gall NGFs llyfnach a mwy dargludol ar yr ochr flaen (2000 s/cm, ymwrthedd 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 graphene a micron-drwchus yn addas.
Mae graffit yn ddeunydd diwydiannol a ddefnyddir yn helaeth. Yn nodedig, mae gan graffit briodweddau dwysedd màs cymharol isel a dargludedd thermol a thrydanol uchel yn yr awyren, ac mae'n sefydlog iawn mewn amgylcheddau thermol a chemegol llym1,2. Mae FLAKE GRAPHITE yn ddeunydd cychwynnol adnabyddus ar gyfer ymchwil graphene3. Pan gaiff ei brosesu yn ffilmiau tenau, gellir ei ddefnyddio mewn ystod eang o gymwysiadau, gan gynnwys sinciau gwres ar gyfer dyfeisiau electronig fel ffonau smart4,5,6,7, fel deunydd gweithredol mewn synwyryddion8,9,10 ac ar gyfer amddiffyn ymyrraeth electromagnetig11. 12 a ffilmiau ar gyfer lithograffeg mewn uwchfioled eithafol13,14, gan gynnal 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) gyda thrwch yn y nanoscale <100 nm.
Mae ffilmiau graffit yn cael eu cynhyrchu gan amrywiol ddulliau. Mewn un achos, defnyddiwyd ymgorffori ac ehangu ac yna alltudiad i gynhyrchu naddion graphene10,11,17. Rhaid prosesu'r naddion ymhellach i ffilmiau o'r trwch gofynnol, ac yn aml mae'n cymryd sawl diwrnod i gynhyrchu cynfasau graffit trwchus. Dull arall yw dechrau gyda rhagflaenwyr solet graffiedig. Mewn diwydiant, mae dalennau o bolymerau yn cael eu carboneiddio (ar 1000–1500 ° C) ac yna eu graffio (ar 2800–3200 ° C) i ffurfio deunyddiau haenog wedi'u strwythuro'n dda. Er bod ansawdd y ffilmiau hyn yn uchel, mae'r defnydd o ynni yn arwyddocaol1,18,19 ac mae'r trwch lleiaf wedi'i gyfyngu i ychydig microns1,18,19,20.
Mae dyddodiad anwedd cemegol catalytig (CVD) yn ddull adnabyddus ar gyfer cynhyrchu ffilmiau graffit graphene ac ultrathin (<10 nm) gydag ansawdd strwythurol uchel a chost resymol21,22,23,24,24,25,26,27. Fodd bynnag, o'i gymharu â thwf graphene a ffilmiau graffit ultrathin28, mae twf ardal fawr 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 graphene a graffit a dyfir gan CVD i swbstradau swyddogaethol34. Mae'r trosglwyddiadau ffilm tenau hyn yn cynnwys dau brif ddull35: (1) Trosglwyddo di-etch36,37 a (2) trosglwyddiad cemegol gwlyb wedi'i seilio ar ysgythriad (swbstrad wedi'i gefnogi) 14,34,38. Mae gan bob dull rai manteision ac anfanteision a rhaid ei ddewis yn dibynnu ar y cais a fwriadwyd, fel y disgrifir mewn man arall35,39. Ar gyfer ffilmiau graphene/graffit sy'n cael eu tyfu ar swbstradau catalytig, trosglwyddo trwy brosesau cemegol gwlyb (y mae methacrylate polymethyl (PMMA) yw'r haen gymorth a ddefnyddir amlaf) yn parhau i fod y dewis cyntaf13,30,30,34,34,38,40,41,42. Ti et al. Soniwyd na ddefnyddiwyd unrhyw bolymer ar gyfer trosglwyddo NGF (maint sampl oddeutu 4 cm2) 25,43, ond ni ddarparwyd unrhyw fanylion ynghylch sefydlogrwydd sampl a/neu drin yn ystod y trosglwyddiad; Mae prosesau cemeg gwlyb sy'n defnyddio polymerau yn cynnwys sawl cam, gan gynnwys cymhwysiad a chael gwared ar haen polymer aberthol wedi hynny30,38,40,41,42. Mae gan y broses hon anfanteision: er enghraifft, gall gweddillion polymer newid priodweddau'r ffilm a dyfir38. Gall prosesu ychwanegol gael gwared ar bolymer gweddilliol, ond mae'r camau ychwanegol hyn yn cynyddu cost ac amser cynhyrchu ffilm38,40. Yn ystod tyfiant CVD, mae haen o graphene yn cael ei ddyddodi nid yn unig ar ochr flaen y ffoil catalydd (yr ochr sy'n wynebu'r llif stêm), ond hefyd ar ei ochr gefn. Fodd bynnag, mae'r olaf yn cael ei ystyried yn gynnyrch gwastraff a gellir ei dynnu'n gyflym gan plasma meddal38,41. Gall ailgylchu'r ffilm hon helpu i gynyddu cynnyrch i'r eithaf, hyd yn oed os yw o ansawdd is na ffilm carbon wyneb.
Yma, rydym yn adrodd ar baratoi twf bifacial ar raddfa wafer NGF gydag ansawdd strwythurol uchel ar ffoil nicel polycrystalline gan CVD. Aseswyd sut mae garwedd wyneb blaen a chefn y ffoil yn effeithio ar forffoleg a strwythur NGF. Rydym hefyd yn dangos trosglwyddiad cost-effeithiol ac amgylcheddol gyfeillgar heb bolymer o NGF o ddwy ochr ffoil nicel i swbstradau amlswyddogaethol ac yn dangos sut mae'r ffilmiau blaen a chefn yn addas ar gyfer cymwysiadau amrywiol.
Mae'r adrannau canlynol yn trafod gwahanol drwch ffilm graffit yn dibynnu ar nifer yr haenau graphene wedi'u pentyrru: (i) graphene haen sengl (slg, 1 haen), (ii) ychydig o haenau haen (flg, <10 haen), (iii) graphene amlhaenog (mlg). Yr olaf yw'r trwch mwyaf cyffredin a fynegir fel canran o'r arwynebedd (tua 97% arwynebedd fesul 100 µm2) 30. Dyna pam y gelwir y ffilm gyfan yn NGF yn syml.
Mae gan ffoil nicel polycrystalline a ddefnyddir ar gyfer synthesis ffilmiau graphene a graffit weadau gwahanol o ganlyniad i'w gweithgynhyrchu a'u prosesu wedi hynny. Yn ddiweddar, gwnaethom adrodd ar astudiaeth i wneud y gorau o broses twf NGF30. Rydym yn dangos bod paramedrau prosesau fel amser anelio a phwysau siambr yn ystod y cam twf yn chwarae rhan hanfodol wrth gael NGFs o drwch unffurf. Yma, gwnaethom ymchwilio ymhellach i dwf NGF ar arwynebau blaen caboledig (FS) ac cefn heb ei leoli (BS) ffoil nicel (Ffig. 1 A). Archwiliwyd tri math o samplau FS a BS, a restrir yn Nhabl 1. Wrth archwilio gweledol, gellir gweld tyfiant unffurf NGF ar ddwy ochr y ffoil nicel (NIAG) trwy newid lliw y swbstrad swmp Ni swmp o lwyd arian metelaidd nodweddiadol i liw llwyd matte (Ffig. 1a); Cadarnhawyd mesuriadau microsgopig (Ffig. 1 B, C). Dangosir sbectrwm Raman nodweddiadol o FS-NGF a welwyd yn y rhanbarth disglair a'i nodi 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. 1 C, Tabl SI1). Trwy gydol y ffilm, anaml y gwelwyd amlygrwydd sbectra Raman gyda chymhareb dwyster (I2D/IG) ~ 0.3, tra anaml y gwelwyd sbectra Raman ag 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 nodweddiadol (NIAG) yn dangos twf NGF ar raddfa wafer (55 cm2) a'r samplau ffoil BS- a FS-ni sy'n deillio o hyn, (b) cofnodion FS-NG (bs-NI, ficrosgop o ran microsgop, (c). Delweddau SEM ar wahanol chwyddiadau ar FS -NGF/NI, (E, G) Delweddau SEM ar wahanol chwyddiadau gwahanol setiau BS -ngf/Ni. Mae'r saeth las yn nodi'r rhanbarth FLG, mae'r saeth oren yn nodi'r rhanbarth MLG (ger rhanbarth FLG), mae'r saeth goch yn nodi'r rhanbarth NGF, ac mae'r saeth magenta yn nodi'r plyg.
Gan fod twf yn dibynnu ar drwch y swbstrad cychwynnol, maint grisial, cyfeiriadedd a ffiniau grawn, mae sicrhau rheolaeth resymol ar drwch NGF dros ardaloedd mawr yn parhau i fod yn her20,34,44. Defnyddiodd yr astudiaeth hon gynnwys a gyhoeddwyd gennym o'r blaen30. Mae'r broses hon yn cynhyrchu rhanbarth disglair 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), gan nodi presenoldeb rhanbarthau FLG a MLG30,45. Cadarnhawyd hyn hefyd trwy wasgaru Raman (Ffig. 1 C) a chanlyniadau TEM (a drafodwyd yn ddiweddarach yn yr adran “FS-NGF: Strwythur ac Eiddo”). Efallai bod y rhanbarthau FLG a MLG a arsylwyd ar samplau FS- a BS-NGF/NI (NGF blaen a chefn a dyfir ar Ni) wedi tyfu ar rawn Ni (111) mawr a ffurfiwyd yn ystod cyn-anelu22,30,45. Gwelwyd plygu ar y ddwy ochr (Ffig. 1 B, wedi'i farcio â saethau porffor). Mae'r plygiadau hyn i'w cael yn aml mewn ffilmiau graphene a graffit a dyfir gan CVD oherwydd y gwahaniaeth mawr yng nghyfernod 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). Mae gwerthoedd garwedd sgwâr cymedrig gwreiddiau (RMS) FS-NGF/Ni (Ffig. SI2C) a BS-NGF/Ni (Ffig. SI2D) yn 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 a gafodd ei dderbyn (Ffigur SI3). Dangosir delweddau SEM o FS a BS-NIAR yn ffigurau Si3a-D, sy'n dangos gwahanol forffolegau arwyneb: mae gan ffoil FS-ni caboledig ronynnau sfferig maint nano a micron, tra bod ffoil BS-Ni heb eu haddasu yn arddangos ysgol gynhyrchu. fel gronynnau â chryfder uchel. a dirywiad. Dangosir delweddau cydraniad isel ac uchel o ffoil nicel annealed (NIA) yn Ffigur Si3e -H. Yn y ffigurau hyn, gallwn arsylwi presenoldeb sawl gronyn nicel maint micron ar ddwy ochr y ffoil nicel (Ffig. Si3e-H). Efallai y bydd gan rawn mawr gyfeiriadedd wyneb Ni (111), fel yr adroddwyd yn flaenorol30,46. Mae gwahaniaethau sylweddol mewn morffoleg ffoil nicel rhwng FS-NIA a BS-NIA. Mae garwedd uwch BS-NGF/Ni yn ganlyniad i arwyneb heb ei addoli BS-niar, y mae ei wyneb 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 dwf yn caniatáu i garwedd ffilmiau graphene a graffit gael eu rheoli. Dylid nodi bod y swbstrad gwreiddiol wedi cael rhywfaint o ad -drefnu grawn yn ystod tyfiant graphene, a oedd yn lleihau maint y grawn ychydig ac wedi cynyddu garwedd arwyneb y swbstrad rhywfaint o'i gymharu â'r ffoil annealed a'r ffilm catalydd22.
Bydd tiwnio garwedd arwyneb y swbstrad, amser anelio (maint grawn) 30,47 a rheolaeth rhyddhau43 yn helpu i leihau unffurfiaeth trwch NGF rhanbarthol i raddfa µm2 a/neu hyd yn oed NM2 (hy amrywiadau trwch o ychydig nanometrau). Er mwyn rheoli garwedd arwyneb y swbstrad, gellir ystyried dulliau fel caboli electrolytig y ffoil nicel sy'n deillio o hyn48. Yna gellir anelu'r ffoil nicel pretreated ar dymheredd is (<900 ° C) 46 ac amser (<5 munud) er mwyn osgoi ffurfio grawn Ni (111) mawr (sy'n fuddiol ar gyfer twf FLG).
Ni all SLG a FLG graphene wrthsefyll tensiwn wyneb asidau a dŵr, sy'n gofyn am haenau cymorth mecanyddol yn ystod prosesau trosglwyddo cemegol gwlyb22,34,38. Mewn cyferbyniad â throsglwyddiad cemegol gwlyb graphene38 un haen a gefnogir gan bolymer, gwelsom y gellir trosglwyddo dwy ochr y NGF fel a dyfir heb gefnogaeth polymer, fel y dangosir yn Ffigur 2A (gweler Ffigur Si4a am ragor o fanylion). Mae trosglwyddo NGF i swbstrad penodol yn dechrau gydag ysgythriad gwlyb o'r ffilm NI30.49 sylfaenol. Gosodwyd y samplau NGF/Ni/NGF a dyfwyd dros nos mewn 15 ml o 70% HNO3 wedi'u gwanhau â 600 ml o ddŵr wedi'i ddad -ddyneiddio (DI). Ar ôl i'r ffoil Ni gael ei thoddi'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 yn cael ei drochi mewn dŵr (Ffig. 2 A, B). Yna trosglwyddwyd yr NGF ynysig o un bicer yn cynnwys dŵr ffres wedi'i ddad -ddyneiddio i bicer arall a golchwyd yr NGF ynysig yn drylwyr, gan ailadrodd bedair i chwe gwaith trwy'r ddysgl wydr ceugrwm. Yn olaf, gosodwyd FS-NGF a BS-NGF ar y swbstrad a ddymunir (Ffig. 2 C).
Proses trosglwyddo cemegol gwlyb heb bolymer ar gyfer NGF a dyfir ar ffoil nicel: (a) Diagram llif proses (gweler Ffigur SI4 am fwy o fanylion), (b) Ffotograff digidol o NGF sydd wedi'i wahanu ar ôl ysgythru Gogledd Iwerddon (2 sampl), (c) Enghraifft fs-a throsglwyddo bs-ngf i siO2/Si) Yr un sampl â phanel D (wedi'i rannu'n ddwy ran), wedi'i drosglwyddo i bapur C platiog aur a NAFion (swbstrad tryloyw hyblyg, ymylon wedi'u marcio â chorneli coch).
Sylwch fod trosglwyddo SLG a berfformir gan ddefnyddio dulliau trosglwyddo cemegol gwlyb yn gofyn am gyfanswm amser prosesu o 20–24 awr 38. Gyda'r dechneg trosglwyddo heb bolymer wedi'i dangos yma (Ffigur SI4A), mae'r amser prosesu trosglwyddo NGF cyffredinol yn cael ei leihau'n sylweddol (tua 15 awr). Mae'r broses yn cynnwys: (Cam 1) paratoi toddiant ysgythru a gosod y sampl ynddo (~ 10 munud), yna arhoswch dros nos am ysgythru Ni (~ 7200 munud), (cam 2) rinsiwch â dŵr wedi'i ddad -ddyneiddio (cam - 3). storio mewn dŵr wedi'i ddad -ddyneiddio neu ei drosglwyddo i swbstrad targed (20 munud). Mae dŵr sy'n cael ei ddal rhwng yr NGF a'r matrics swmp yn cael ei dynnu trwy weithred capilari (gan ddefnyddio papur blotio) 38, yna mae'r defnynnau dŵr sy'n weddill yn cael eu tynnu trwy sychu naturiol (tua 30 munud), ac yn olaf mae'r sampl yn cael ei sychu am 10 munud. min mewn popty gwactod (10–1 mbar) ar 50-90 ° C (60 munud) 38.
Gwyddys bod graffit yn gwrthsefyll presenoldeb dŵr ac aer ar dymheredd eithaf uchel (≥ 200 ° C) 50,51,52. Fe wnaethon ni brofi samplau gan ddefnyddio sbectrosgopeg Raman, SEM, a XRD ar ôl eu storio mewn dŵr wedi'i ddad -ddyneiddio ar dymheredd yr ystafell ac mewn poteli wedi'u selio am unrhyw le o ychydig ddyddiau i flwyddyn (Ffigur SI4). Nid oes diraddiad amlwg. Mae Ffigur 2c yn dangos FS-NGF annibynnol a BS-NGF mewn dŵr wedi'i ddad-ddyneiddio. Fe wnaethon ni eu dal 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 swbstradau amrywiol fel polymerau (polyamid thermabright o Nexolve a Nafion) a phapur carbon wedi'i orchuddio ag aur. Roedd y FS-NGF arnofio yn hawdd ei osod ar y swbstrad targed (Ffig. 2 C, D). Fodd bynnag, roedd yn anodd trin samplau BS-NGF sy'n fwy na 3 cm2 wrth ymgolli yn llwyr mewn dŵr. Fel arfer, pan fyddant yn dechrau rholio mewn dŵr, oherwydd ei drin yn ddiofal maent weithiau'n torri'n ddwy neu dair rhan (Ffig. 2E). At ei gilydd, roeddem yn gallu trosglwyddo PS- a BS-NGF heb bolymer (trosglwyddiad di-dor parhaus heb dwf NGF/Ni/NGF ar 6 cm2) ar gyfer samplau hyd at 6 a 3 cm2 yn yr ardal, yn y drefn honno. Gall unrhyw ddarnau mawr neu fach sy'n weddill gael eu gweld (yn hawdd yn y toddiant ysgythru neu'r dŵr wedi'i ddad-ddyneiddio) ar y swbstrad a ddymunir (~ 1 mm2, ffigur Si4b, gweler y sampl a drosglwyddir i grid copr fel yn “FS-NGF: strwythur ac eiddo (a drafodir) o dan“ strwythur a phriodweddau ”neu storio ar gyfer y dyfodol, ein bod yn cael eu hargymell, ein bod yn cael eu hargymell (ffigur y mae hyn yn cael eu hargymell, yn cael ei seilio ar yr hyn, yn cael ei seilio ar y ffigur hwn, yn gallu bod yn y dyfodol, yn cael ei seilio ar yr hyn sy'n cael ei ddefnyddio (ffigur y mae hyn yn cael ei ddefnyddio (ffigur yn cael ei ddefnyddio (ffigur yn cael eu hargymell, yn cael eu hargymell (ffigur yn cael eu hargymell (ffigur y dylid ei ddefnyddio (ffigur y dylid ei ail-lenwi (ffigur y dylid ei ddefnyddio (ffigur yn cael eu hargymell (ffigur y dylid ei ail-lenwi (ffigur. 98-99% (ar ôl twf i'w drosglwyddo).
Dadansoddwyd samplau trosglwyddo heb bolymer yn fanwl. Dangosodd nodweddion morffolegol arwyneb a gafwyd ar FS- a BS-NGF/SIO2/SI (Ffig. 2 C) gan ddefnyddio microsgopeg optegol (OM) a delweddau SEM (Ffig. Si5 a Ffig. 3) fod y samplau hyn wedi'u trosglwyddo heb ficrosgopeg. Niwed strwythurol gweladwy fel craciau, tyllau, neu ardaloedd heb eu rheoli. Arhosodd y plygiadau ar y NGF sy'n tyfu (Ffig. 3 B, D, wedi'i farcio gan saethau porffor) yn gyfan ar ôl trosglwyddo. Mae FS- a BS-NFFs yn cynnwys rhanbarthau FLG (rhanbarthau llachar wedi'u nodi gan saethau glas yn Ffigur 3). Yn rhyfeddol, mewn cyferbyniad â'r ychydig ranbarthau sydd wedi'u difrodi a welwyd yn nodweddiadol wrth drosglwyddo polymer ffilmiau graffit ultrathin, trosglwyddwyd sawl rhanbarth FLG a MLG maint micron sy'n cysylltu â'r NGF (wedi'u marcio gan saethau glas yn Ffigur 3D) heb graciau na seibiannau (Ffigur 3D). 3). . Cadarnhawyd cywirdeb 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 ac eiddo”). Mae'r BS-NGF/SIO2/SI a drosglwyddwyd yn fwy garw na FS-NGF/SIO2/SI gyda gwerthoedd RMS o 140 nm a 17 nm, yn y drefn honno, fel y dangosir yn Ffigur Si6a a B (20 × 20 μm2). Mae gwerth RMS NGF a drosglwyddir i'r swbstrad SiO2/Si (rms <2 nm) yn sylweddol is (tua 3 gwaith) na NGF a dyfir ar Ni (Ffigur SI2), sy'n dangos y gall y garwedd ychwanegol gyfateb i arwyneb 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 wyneb ddim yn agored i'r nwy rhagflaenol yn uniongyrchol.
NGF a drosglwyddwyd (NIAG) heb bolymer ar SiO2/Si Wafer (gweler Ffigur 2C): (A, B) Delweddau SEM o FS-NGF a drosglwyddwyd: chwyddiad isel ac uchel (sy'n cyfateb i'r sgwâr oren yn y panel). Ardaloedd nodweddiadol) - a). (C, D) Delweddau SEM o BS-NGF a drosglwyddwyd: Chwyddiad isel ac uchel (sy'n cyfateb i'r ardal nodweddiadol a ddangosir gan y Sgwâr Oren ym Mhanel C). (E, F) Delweddau AFM o FS- a BS-NGFs a drosglwyddwyd. Mae saeth las yn cynrychioli rhanbarth FLG - cyferbyniad llachar, saeth cyan - cyferbyniad MLG du, saeth goch - mae cyferbyniad du yn cynrychioli rhanbarth NGF, saeth magenta yn cynrychioli'r plyg.
Dadansoddwyd cyfansoddiad cemegol y FS- a BS-NGFs tyfu a throsglwyddo gan sbectrosgopeg ffotodrydanol pelydr-X (XPS) (Ffig. 4). Gwelwyd brig gwan yn y sbectra mesuredig (Ffig. 4 A, B), sy'n cyfateb i swbstrad Ni (850 eV) y FS- a BS-NGFs tyfu (NIAG). Nid oes copaon yn y sbectra pwyllog o FS- a BS-NGF/SIO2/Si a drosglwyddwyd (Ffig. 4 C; ni ddangosir canlyniadau tebyg ar gyfer BS-NGF/SIO2/Si), sy'n dangos nad oes halogiad NI gweddilliol ar ôl trosglwyddo. Mae ffigurau 4D-F yn dangos sbectra cydraniad uchel y C 1 S, O 1 S a Si 2c lefelau egni FS-NGF/SIO2/Si. Egni rhwymol C 1 s o graffit yw 284.4 EV53.54. Yn gyffredinol, ystyrir siâp llinellol copaon graffit yn anghymesur, fel y dangosir yn Ffigur 4D54. Cadarnhaodd y sbectrwm lefel graidd cydraniad uchel C 1 S (Ffig. 4D) drosglwyddiad pur hefyd (h.y., dim gweddillion polymer), sy'n gyson ag astudiaethau blaenorol38. Mae lled -linach sbectra C 1 s y sampl a dyfir yn ffres (NIAG) ac ar ôl eu trosglwyddo yn 0.55 a 0.62 eV, yn y drefn honno. Mae'r gwerthoedd hyn yn uwch na gwerthoedd SLG (0.49 eV ar gyfer SLG ar swbstrad SiO2) 38. Fodd bynnag, mae'r gwerthoedd hyn yn llai na lled -linthau a adroddwyd yn flaenorol ar gyfer samplau graphene pyrolytig sy'n canolbwyntio iawn (~ 0.75 eV) 53,54,55, gan nodi absenoldeb safleoedd carbon diffygiol yn y deunydd cyfredol. Nid oes gan y sbectra lefel daear C 1 S ac O 1 s ysgwyddau hefyd, gan ddileu'r angen am ddadelfennu 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 sbectra lefel graidd Si 2c ac O 1 S (gweler Ffig. 4E, f) i swbstrad SiO2 56, yn y drefn honno. Mae XPS yn dechneg sy'n sensitif i'r wyneb, felly tybir bod y signalau sy'n cyfateb i NI a SIO2 a ganfyddir cyn ac ar ôl trosglwyddo NGF, yn y drefn honno, yn tarddu o'r rhanbarth FLG. Gwelwyd canlyniadau tebyg ar gyfer samplau BS-NGF a drosglwyddwyd (nas dangosir).
Canlyniadau NIAG XPS: (AC) Sbectra arolwg gwahanol gyfansoddiadau atomig elfennol o FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni a throsglwyddo FS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd, yn y drefn honno. (D-F) Sbectra cydraniad uchel o'r lefelau craidd C 1 S, O 1S a Si 2c 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 rhyng -chwarae o D = 0.335 nm, sy'n cael ei gynnal ar ôl y cam trosglwyddo. Mae dwyster y brig diffreithiant (0 0 0 2) oddeutu 30 gwaith yn fwy na'r uchafbwynt diffreithiant (0 0 0 4), sy'n dangos bod yr awyren grisial NGF wedi'i halinio'n dda ag arwyneb y sampl.
Yn ôl canlyniadau SEM, sbectrosgopeg Raman, XPS a 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 â haenau cynnal polymer hyd at 200 nm o drwch arnofio ar ddŵr. Defnyddir y setup hwn yn gyffredin mewn prosesau trosglwyddo cemegol gwlyb gyda chymorth polymer22,38. Mae graphene a graffit yn hydroffobig (ongl wlyb 80-90 °) 57. Adroddwyd bod arwynebau egni posibl graphene a FLG yn eithaf gwastad, gydag egni potensial isel (~ 1 kJ/mol) ar gyfer symudiad ochrol dŵr ar yr wyneb58. Fodd bynnag, mae egni rhyngweithio cyfrifedig dŵr â graphene a thair haen o graphene oddeutu - 13 a - 15 kJ/mol, 58 yn y drefn honno, gan nodi bod rhyngweithio dŵr â NGF (tua 300 haen) yn is o gymharu â graphene. Efallai mai dyma un o'r rhesymau pam mae NGF annibynnol yn aros yn wastad ar wyneb dŵr, tra bod graphene annibynnol (sy'n arnofio mewn dŵr) yn cyrlio i fyny ac yn torri i lawr. Pan fydd NGF wedi'i drochi yn llwyr mewn dŵr (mae'r canlyniadau yr un peth ar gyfer NGF garw a gwastad), mae ei ymylon yn plygu (Ffigur SI4). Yn achos trochi llwyr, disgwylir bod yr egni rhyngweithio dŵr NGF bron yn cael ei ddyblu (o'i gymharu â NGF arnofio) a bod ymylon y NGF yn plygu i gynnal ongl gyswllt uchel (hydroffobigedd). Credwn y gellir datblygu strategaethau i osgoi cyrlio ymylon NGFs wedi'u hymgorffori. Un dull yw defnyddio toddyddion cymysg i fodiwleiddio adwaith gwlychu'r ffilm graffit59.
Adroddwyd yn flaenorol am drosglwyddo SLG i wahanol fathau o swbstradau trwy brosesau trosglwyddo cemegol gwlyb. Derbynnir yn gyffredinol bod grymoedd gwan van der Waals yn bodoli rhwng ffilmiau graphene/graffit a swbstradau (boed yn swbstradau anhyblyg fel SiO2/Si38,41,46,60, SIC38, AU42, SI Pileri22 a Lacy Carbon Films30, 34 neu PolyMible fel polyM. Yma rydym yn tybio bod rhyngweithiadau o'r un math yn dominyddu. Ni wnaethom arsylwi ar 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 y storfa) (ee, Ffigur 2, Si7 a Si9). Yn ogystal, ni wnaethom arsylwi brig SIC yn sbectrwm XPS C 1 S ar lefel graidd y sampl NGF/SIO2/SI (Ffig. 4). Mae'r canlyniadau hyn yn dangos nad oes bond cemegol rhwng NGF a'r swbstrad targed.
Yn yr adran flaenorol, “trosglwyddo FS- a BS-NGF heb bolymer,” gwnaethom ddangos 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 ysgogodd ni i archwilio'r cymwysiadau mwyaf addas ar gyfer pob math.
O ystyried tryloywder ac arwyneb llyfnach FS-NGF, gwnaethom astudio ei strwythur lleol, ei briodweddau optegol a thrydanol yn fwy manwl. Nodweddwyd strwythur a strwythur FS-NGF heb drosglwyddo polymer gan ddelweddu microsgopeg electron trawsyrru (TEM) a dadansoddiad patrwm diffreithiant electron ardal (SAED) dethol. Dangosir y canlyniadau cyfatebol yn Ffigur 5. Datgelodd delweddu TEM planar chwyddo isel bresenoldeb rhanbarthau NGF a FLG gyda nodweddion cyferbyniad electronau gwahanol, hy ardaloedd tywyllach a mwy disglair, yn y drefn honno (Ffig. 5a). Mae'r ffilm yn gyffredinol yn arddangos cyfanrwydd mecanyddol da a sefydlogrwydd rhwng gwahanol ranbarthau NGF a FLG, gyda gorgyffwrdd da a dim difrod na rhwygo, a gadarnhawyd hefyd gan SEM (Ffigur 3) ac astudiaethau TEM chwyddiad uchel (Ffigur 5C-E). Yn benodol, yn Ffig. Mae Ffigur 5d yn dangos strwythur y bont ar ei ran fwyaf (y safle sydd wedi'i farcio gan y saeth ddotiog ddu yn Ffigur 5D), sy'n cael ei nodweddu gan siâp trionglog ac sy'n cynnwys haen graphene gyda lled o tua 51. Mae'r cyfansoddiad â bylchau rhyngblanar o 0.33 ± 0.01 nm yn cael ei leihau ymhellach i sawl haen o graphene yn y rhanbarth culaf (pen y saeth ddu solet yn Ffigur 5 D).
Delwedd Planar TEM o sampl NIAG heb bolymer ar grid copr lacy carbon: (a, b) Mae delweddau TEM chwyddo isel gan gynnwys rhanbarthau NGF a FLG, (CE) delweddau chwyddiad uchel o wahanol ranbarthau ym mhanel-A a phanel-B yn saethau wedi'u marcio o'r un lliw. Mae saethau gwyrdd ym mhaneli A a C yn dynodi ardaloedd cylchol o ddifrod wrth aliniad trawst. (F - I) Ym mhaneli A i C, mae patrymau SAED mewn gwahanol ranbarthau yn cael eu nodi gan gylchoedd glas, cyan, oren a choch, yn y drefn honno.
Mae strwythur y rhuban yn Ffigur 5C yn dangos (wedi'i farcio â saeth goch) cyfeiriadedd fertigol yr awyrennau dellt graffit, a allai fod oherwydd ffurfio nanofolds ar hyd y ffilm (mewnosodiad yn Ffigur 5C) oherwydd gormod o straen heb ei ddigolledu heb ei ddigolledu30,61,62. O dan TEM cydraniad uchel, mae'r nanofolds 30 hyn yn arddangos cyfeiriadedd crisialograffig gwahanol na gweddill rhanbarth NGF; Mae awyrennau gwaelodol y dellt graffit wedi'u gogwyddo 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 chwyddhad isel a chanolig yn Ffigurau 5b, 5e, yn y drefn honno. Mae'r mewnosodiad yn Ffigur 5E yn cadarnhau presenoldeb haenau graphene dwy a thair haen yn y 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 lacy (ar ôl perfformio mesuriadau TEM golygfa uchaf) yn Ffigur SI9. Y rhanbarth FLG wedi'i atal yn dda (wedi'i farcio â saeth las) a'r rhanbarth toredig yn Ffigur SI9F. Cyflwynir y saeth las (ar ymyl y NGF a drosglwyddwyd) yn fwriadol i ddangos y gall rhanbarth FLG wrthsefyll y broses drosglwyddo heb bolymer. I grynhoi, mae'r delweddau hyn yn cadarnhau bod NGF wedi'i atal yn rhannol (gan gynnwys rhanbarth FLG) yn cynnal cyfanrwydd mecanyddol hyd yn oed ar ôl trin ac amlygiad trylwyr 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 yr echel parth [0001] i ddadansoddi'r strwythur SAED. Yn dibynnu ar drwch lleol y ffilm a'i lleoliad, nodwyd sawl rhanbarth o ddiddordeb (12 pwynt) ar gyfer astudiaethau diffreithiant electronau. Yn Ffigurau 5a - c, mae pedwar o'r rhanbarthau nodweddiadol hyn yn cael eu dangos a'u marcio â chylchoedd lliw (glas, cyan, oren a chod coch). 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 ganddyn nhw strwythur hecsagonol tebyg i graphene63 troellog. Yn benodol, mae Ffigur 5f yn dangos tri phatrwm wedi'u harosod gyda'r un cyfeiriadedd â'r echel parth [0001], wedi'u cylchdroi gan 10 ° ac 20 °, fel y gwelir yn y camgymhariad onglog o'r tri phâr o adlewyrchiadau (10-10). Yn yr un modd, mae Ffigur 5G yn dangos dau batrwm hecsagonol wedi'u harosod wedi'u cylchdroi 20 °. Gall dau neu dri grŵp o batrymau hecsagonol yn rhanbarth FLG ddeillio o dri haenau graphene yn yr awyren neu y tu allan i'r awyren 33 wedi'u cylchdroi o'i gymharu â'i gilydd. Mewn cyferbyniad, mae'r patrymau diffreithiant electron 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 fwy o drwch deunydd. Mae'r modelau SAED hyn yn cyfateb i strwythur graffitig mwy trwchus a chyfeiriadedd canolradd na FLG, fel y'u casglwyd o fynegai 64. Datgelodd nodweddu priodweddau crisialog NGF gydfodoli dau neu dri crisialau graffit (neu graphene) arosodedig. Yr hyn sy'n arbennig o nodedig yn rhanbarth FLG yw bod gan y crisialau rywfaint o gamarweiniad yn yr awyren neu y tu allan i'r awyren. Adroddwyd yn flaenorol am ronynnau/haenau graffit ag onglau cylchdroi yn yr awyren o 17 °, 22 ° a 25 ° ar gyfer NGF a dyfwyd ar ffilmiau Ni 64. Mae'r gwerthoedd ongl cylchdro a welwyd yn yr astudiaeth hon yn gyson ag onglau cylchdroi a arsylwyd yn flaenorol (± 1 °) ar gyfer graphene blg63 troellog.
Mesurwyd priodweddau trydanol NGF/SIO2/SI ar 300 K dros ardal o 10 × 3 mm2. Gwerthoedd crynodiad cludwyr electronau, symudedd a dargludedd 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 graffit2 naturiol ac yn uwch nag sydd ar gael yn fasnachol graffit pyrolytig hynod ganolog (a gynhyrchir ar 3000 ° C) 29. Mae'r gwerthoedd crynodiad cludwr electronau a arsylwyd yn ddau orchymyn maint yn uwch na'r rhai yr adroddwyd yn ddiweddar (7.25 × 10 cm-3) ar gyfer ffilmiau graffit micron-drwchus a baratowyd gan ddefnyddio taflenni polyimide tymheredd uchel (3200 ° C) 20.
Gwnaethom hefyd berfformio mesuriadau trosglwyddo UV-weladwy ar FS-NGF a drosglwyddwyd i swbstradau cwarts (Ffigur 6). Mae'r sbectrwm sy'n deillio o hyn yn dangos trosglwyddiad bron yn gyson o 62% yn yr ystod 350–800 nm, gan nodi 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 nanocrystalline NGF yn wahanol i SLG, gellir amcangyfrif nifer yr haenau yn fras gan ddefnyddio'r rheol o golled trosglwyddo 2.3% fesul haen ychwanegol65. Yn ôl y berthynas hon, nifer yr haenau graphene gyda cholled trosglwyddo 38% yw 21. Mae'r NGF a dyfir yn cynnwys 300 o haenau graphene yn bennaf, hy tua 100 nm o drwch (Ffig. 1, Si5 a Si7). Felly, rydym yn cymryd yn ganiataol bod y tryloywder optegol a arsylwyd yn cyfateb i ranbarthau FLG a MLG, gan eu bod yn cael eu dosbarthu trwy gydol y ffilm (Ffigys. 1, 3, 5 a 6C). Yn ychwanegol at y data strwythurol uchod, mae dargludedd a thryloywder hefyd yn cadarnhau ansawdd crisialog uchel yr NGF a drosglwyddwyd.
(A) Mesur trawsyrru UV-weladwy, (b) Trosglwyddo NGF nodweddiadol ar gwarts gan ddefnyddio sampl gynrychioliadol. (c) Sgematig o NGF (blwch tywyll) gyda rhanbarthau FLG a MLG wedi'u dosbarthu'n gyfartal wedi'u marcio fel siapiau ar hap llwyd trwy'r sampl (gweler Ffigur 1) (tua 0.1–3% arwynebedd fesul 100 μm2). Mae'r siapiau ar hap a'u meintiau yn y diagram at ddibenion eglurhaol yn unig ac nid ydynt yn cyfateb i ardaloedd gwirioneddol.
Mae'r NGF tryleu a dyfwyd gan CVD wedi'i drosglwyddo o'r blaen i arwynebau silicon noeth a'i ddefnyddio mewn celloedd solar15,16. Yr effeithlonrwydd trosi pŵer sy'n deillio o hynny (PCE) yw 1.5%. Mae'r NGFs hyn yn cyflawni sawl swyddogaeth fel haenau cyfansawdd gweithredol, llwybrau cludo gwefru, ac electrodau tryloyw15,16. Fodd bynnag, nid yw'r ffilm graffit yn unffurf. Mae angen optimeiddio pellach trwy reoli gwrthiant dalen a thrawsyriant optegol yr electrod graffit yn ofalus, gan fod y ddau eiddo hyn yn chwarae rhan bwysig wrth bennu gwerth PCE y cell solar15,16. Yn nodweddiadol, mae ffilmiau graphene yn 97.7% yn dryloyw i olau gweladwy, ond mae ganddynt wrthwynebiad dalen o 200–3000 ohms/metr sgwâr. Gellir lleihau ymwrthedd wyneb ffilmiau graphene trwy gynyddu nifer yr haenau (trosglwyddo lluosog haenau graphene) a dopio gyda HNO3 (~ 30 ohm/sgwâr) 66. Fodd bynnag, mae'r broses hon yn cymryd amser hir ac nid yw'r gwahanol haenau trosglwyddo bob amser yn cadw cyswllt da. Mae gan ein ochr flaen NGF briodweddau fel dargludedd 2000 s/cm, gwrthiant dalen ffilm 50 ohm/sgwâr. a thryloywder 62%, gan ei wneud yn ddewis arall hyfyw ar gyfer sianeli dargludol neu electrodau gwrth -electrodau mewn celloedd solar15,16.
Er bod strwythur a chemeg wyneb BS-NGF yn debyg i FS-NGF, mae ei garwedd yn wahanol (“twf FS- a BS-NGF”). Yn flaenorol, gwnaethom ddefnyddio ffilm ultra-denau Graphite22 fel synhwyrydd nwy. Felly, gwnaethom brofi ymarferoldeb defnyddio BS-NGF ar gyfer tasgau synhwyro nwy (Ffigur SI10). Yn gyntaf, trosglwyddwyd dognau maint MM2 o BS-NGF i'r sglodyn synhwyrydd electrod rhyng-ddigidol (Ffigur SI10A-C). Adroddwyd yn flaenorol am fanylion gweithgynhyrchu'r sglodyn; ei ardal sensitif weithredol yw 9 mm267. Yn y delweddau SEM (Ffigur SI10B ac C), mae'r electrod aur sylfaenol i'w weld yn glir trwy'r NGF. Unwaith eto, gellir gweld bod sylw sglodion unffurf wedi'i gyflawni ar gyfer pob sampl. Cofnodwyd mesuriadau synhwyrydd nwy o nwyon amrywiol (Ffig. SI10D) (Ffig. SI11) a dangosir y cyfraddau ymateb sy'n deillio o hyn yn Ffigys. Si10g. Yn debygol gyda nwyon eraill sy'n ymyrryd gan gynnwys SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) a NH3 (200 ppm). Un achos posib yw NO2. Natur electroffilig y GAS22,68. Wrth gael ei adsorbed ar wyneb graphene, mae'n lleihau amsugno cyfredol 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 -ysgogi synwyryddion NGF gan ddefnyddio plasma UV, plasma O3 neu driniaeth thermol (50-150 ° C) o samplau agored yn barhaus, yn ddelfrydol ac yna gweithredu systemau gwreiddio69.
Yn ystod y broses CVD, mae tyfiant graphene yn digwydd ar ddwy ochr y swbstrad catalydd41. Fodd bynnag, mae BS-graphene fel arfer yn cael 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 heb bolymer ar ddwy ochr y gefnogaeth catalydd. Mae BS-NGF yn deneuach (~ 80 nm) na FS-NGF (~ 100 nm), ac eglurir y gwahaniaeth hwn gan y ffaith nad yw BS-NI yn agored yn uniongyrchol i'r llif nwy rhagflaenol. Gwelsom hefyd fod garwedd y swbstrad niar yn dylanwadu ar garwedd yr NGF. Mae'r canlyniadau hyn yn dangos y gellir defnyddio'r planar FS-NGF tyfu fel deunydd rhagflaenol ar gyfer graphene (trwy ddull alltudio70) 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 gan CVD a defnyddio ffoil nicel. Fel y gwelir yn Nhabl 2, roedd y pwysau uwch a ddefnyddiwyd gennym yn byrhau'r amser ymateb (cam twf) hyd yn oed ar dymheredd cymharol isel (yn yr ystod o 850–1300 ° C). Gwnaethom hefyd gyflawni mwy o dwf nag arfer, gan nodi potensial i ehangu. Mae yna ffactorau eraill i'w hystyried, y mae rhai ohonynt wedi'u cynnwys yn y tabl.
Tyfwyd NGF o ansawdd uchel ag ochrau dwbl ar ffoil nicel gan CVD catalytig. Trwy ddileu swbstradau polymer traddodiadol (fel y rhai a ddefnyddir mewn graphene CVD), rydym yn cyflawni NGF yn wlyb yn lân a heb ddiffygion (a dyfir ar ochrau cefn a blaen ffoil nicel) i amrywiaeth o swbstradau sy'n hanfodol i broses. Yn nodedig, mae NGF yn cynnwys rhanbarthau FLG a MLG (fel arfer 0.1% i 3% fesul 100 µm2) sydd wedi'u hintegreiddio'n dda yn strwythurol i'r ffilm fwy trwchus. Mae planar TEM yn dangos bod y rhanbarthau hyn yn cynnwys pentyrrau o ddau i dri gronyn graffit/graphene (crisialau neu haenau, yn y drefn honno), y mae gan rai ohonynt gamgymhariad cylchdro o 10-20 °. Mae rhanbarthau FLG a MLG yn gyfrifol am dryloywder FS-NGF i olau gweladwy. O ran y cynfasau cefn, gellir eu cario yn gyfochrog â'r cynfasau 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 taflenni graffit graphene a diwydiannol (micromedr) (micromedr) (micromedr). Mae ystod eu priodweddau diddorol, ynghyd â'r dull syml yr ydym 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 draul y prosesau cynhyrchu diwydiannol ynni-ddwys a ddefnyddir ar hyn o bryd.
Gosodwyd ffoil nicel 25-μm-trwchus (purdeb 99.5%, Goodfellow) mewn adweithydd CVD masnachol (BMPRO 4-modfedd Aixtron). Cafodd y system ei glanhau ag argon a'i symud i bwysedd sylfaenol o 10-3 mbar. Yna gosodwyd ffoil nicel. Yn AR/H2 (ar ôl cyn-anelio ffoil NI am 5 munud, roedd y ffoil yn agored i bwysau o 500 mbar ar 900 ° C. Adneuwyd NGF mewn llif o CH4/H2 (100 cm3 yr un) am 5 munud. Yna cafodd y sampl ei oeri i dymheredd o dan 700 ° CMA 40 cme) yw 4 cme) a ddisgrifir mewn rhannau eraill o reini30.
Delweddwyd morffoleg arwyneb y sampl gan SEM gan ddefnyddio microsgop Zeiss Merlin (1 kV, 50 Pa). Mesurwyd garwedd arwyneb y sampl a thrwch NGF gan ddefnyddio AFM (eicon dimensiwn SPM, Bruker). Cynhaliwyd mesuriadau TEM a SAED gan ddefnyddio microsgop ciwb Fei Titan 80–300 gyda gwn allyrru maes disgleirdeb uchel (300 kV), monocromator math Fei Wien a chywirydd aberration sfferig lens Prif Weithredwyr i gael y canlyniadau terfynol. Datrysiad Gofodol 0.09 nm. Trosglwyddwyd samplau NGF i gridiau copr wedi'u gorchuddio â charbon lacy ar gyfer delweddu TEM gwastad a dadansoddiad strwythur SAED. Felly, mae'r rhan fwyaf o'r fflocs sampl yn cael eu hatal ym mandyllau'r bilen ategol. Dadansoddwyd samplau NGF a drosglwyddwyd gan XRD. Cafwyd patrymau diffreithiant pelydr-X gan ddefnyddio diffractomedr powdr (Brucker, symudiad 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 sawl mesuriad Raman Point gan ddefnyddio microsgop confocal integreiddio (Alpha 300 RA, WiTEC). Defnyddiwyd laser 532 nm gyda phŵer cyffroi isel (25%) i osgoi effeithiau a achosir yn thermol. Perfformiwyd sbectrosgopeg ffotodrydanol pelydr-X (XPS) ar sbectromedr ultra echel Kratos dros ardal sampl o 300 × 700 μm2 gan ddefnyddio ymbelydredd monocromatig al kα (hν = 1486.6 eV) ar bŵer 150 W. Cafwyd sbectra datrysiad ar ôl trosglwyddo ar ôl trosglwyddo. Torrwyd samplau NGF a drosglwyddwyd i SiO2 yn ddarnau (3 × 10 mm2 yr un) gan ddefnyddio pls6MW (1.06 μm) ytterbium ffibr Laser ar 30 W. Lluniwyd cysylltiadau gwifren copr (50 μm o drwch) gan ddefnyddio past arian o dan ficrosgop optegol. Cynhaliwyd arbrofion trafnidiaeth drydanol ac effaith neuadd ar y samplau hyn ar 300 K ac amrywiad maes magnetig o ± 9 Tesla mewn system fesur priodweddau ffisegol (PPMS Evercool-II, dyluniad Quantum, UDA). Cofnodwyd sbectra UV -Vis a drosglwyddwyd gan ddefnyddio sbectroffotomedr Lambda 950 UV -Vis yn yr ystod NGF 350–800 nm a drosglwyddwyd i swbstradau cwarts a samplau cyfeirio cwarts.
Cafodd y synhwyrydd gwrthiant cemegol (sglodyn electrod rhyng -ddigidol) ei wifro i fwrdd cylched printiedig 73 a thynnwyd y gwrthiant yn dros dro. Mae'r bwrdd cylched printiedig y mae'r ddyfais wedi'i leoli arno wedi'i chysylltu â'r terfynellau cyswllt a'i gosod y tu mewn i'r siambr synhwyro nwy 74. Cymerwyd mesuriadau gwrthiant ar foltedd o 1 V gyda sgan parhaus o lanhau i amlygiad nwy ac yna carthu eto. Glanhawyd y siambr i ddechrau trwy lanhau gyda nitrogen ar 200 cm3 am 1 awr i sicrhau bod yr holl ddadansoddiadau eraill yn bresennol yn y siambr, gan gynnwys lleithder. Yna rhyddhawyd y dadansoddiadau unigol yn araf i'r siambr ar yr un gyfradd llif o 200 cm3 trwy gau'r silindr N2.
Cyhoeddwyd fersiwn ddiwygiedig o'r erthygl hon a gellir ei chyrchu trwy'r ddolen ar frig yr erthygl.
Inagaki, M. a Kang, F. Gwyddoniaeth a Pheirianneg Deunyddiau Carbon: Hanfodion. Ail argraffiad wedi'i olygu. 2014. 542.
Pearson, Ho Llawlyfr Carbon, Graffit, Diemwnt a Fullerenes: Priodweddau, Prosesu a Chymwysiadau. Mae'r rhifyn cyntaf wedi'i olygu. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Ffilmiau graphene/graffit amlhaenog ardal fawr fel electrodau dargludol tenau tryloyw. Cais. Ffiseg. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Priodweddau thermol Balandin AA o ddeunyddiau carbon graphene a nanostrwythuredig. 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. Rhyngwyneb 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Twf parhaus ffilmiau graphene trwy ddyddodiad anwedd cemegol. Cais. Ffiseg. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Amser Post: Awst-23-2024