Züchten eines durchscheinenden Graphitfilms auf Ni und dessen polymerfreier Zweiwegetransfer

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Nanoskalige Graphitfilme (NGFs) sind robuste Nanomaterialien, die durch katalytische chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden können. Es bleiben jedoch Fragen hinsichtlich ihrer einfachen Übertragbarkeit und wie sich die Oberflächenmorphologie auf ihre Verwendung in Geräten der nächsten Generation auswirkt. Hier berichten wir über das Wachstum von NGF auf beiden Seiten einer polykristallinen Nickelfolie (Fläche 55 cm², Dicke ca. 100 nm) und ihre polymerfreie Übertragung (Vorder- und Rückseite, Fläche bis zu 6 cm²). Aufgrund der Morphologie der Katalysatorfolie unterscheiden sich die beiden Kohlenstofffilme in ihren physikalischen Eigenschaften und anderen Merkmalen (wie der Oberflächenrauheit). Wir zeigen, dass NGFs mit rauerer Rückseite gut zur NO2-Erkennung geeignet sind, während glattere und leitfähigere NGFs auf der Vorderseite (2000 S/cm, Schichtwiderstand – 50 Ohm/m²) brauchbare Leiter sein können. Kanal oder Elektrode der Solarzelle (da sie 62 % des sichtbaren Lichts durchlässt). Insgesamt können die beschriebenen Wachstums- und Transportprozesse dazu beitragen, NGF als alternatives Kohlenstoffmaterial für technologische Anwendungen zu realisieren, für die Graphen und mikrometerdicke Graphitfilme nicht geeignet sind.
Graphit ist ein weit verbreitetes Industriematerial. Graphit zeichnet sich insbesondere durch eine relativ geringe Massendichte sowie eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit in der Ebene aus und ist in rauen thermischen und chemischen Umgebungen sehr stabil1,2. Flockengraphit ist ein bekanntes Ausgangsmaterial für die Graphenforschung3. Zu dünnen Filmen verarbeitet, kann er in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter als Kühlkörper für elektronische Geräte wie Smartphones4,5,6,7, als aktives Material in Sensoren8,9,10 und zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen11,12 sowie als Filme für die Lithografie im extremen Ultraviolettbereich13,14 und als Leiterbahnen in Solarzellen15,16. Für all diese Anwendungen wäre es ein erheblicher Vorteil, wenn große Flächen von Graphitfilmen (NGFs) mit Dicken im Nanobereich <100 nm einfach hergestellt und transportiert werden könnten.
Graphitfilme werden mit verschiedenen Methoden hergestellt. In einem Fall wurden Graphenflocken durch Einbettung und Expansion mit anschließender Exfoliation hergestellt10,11,17. Die Flocken müssen zu Filmen der gewünschten Dicke weiterverarbeitet werden, wobei die Herstellung dichter Graphitschichten oft mehrere Tage dauert. Ein anderer Ansatz besteht darin, von graphitierbaren festen Vorläufern auszugehen. In der Industrie werden Polymerschichten karbonisiert (bei 1000–1500 °C) und anschließend graphitiert (bei 2800–3200 °C), um gut strukturierte Schichtmaterialien zu bilden. Obwohl die Qualität dieser Filme hoch ist, ist der Energieverbrauch erheblich1,18,19 und die Mindestdicke ist auf wenige Mikrometer begrenzt1,18,19,20.
Die katalytische chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine bekannte Methode zur Herstellung von Graphen und ultradünnen Graphitfilmen (<10 nm) mit hoher Strukturqualität und angemessenen Kosten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27. Im Vergleich zum Wachstum von Graphen und ultradünnen Graphitfilmen 28 ist das großflächige Wachstum und/oder die Anwendung von NGF mittels CVD jedoch noch weniger erforscht 11, 13, 29, 30, 31, 32, 33.
Mittels CVD gewachsene Graphen- und Graphitfilme müssen häufig auf funktionale Substrate übertragen werden34. Für diese Dünnschichtübertragungen sind zwei Hauptmethoden erforderlich35: (1) ätzfreie Übertragung36,37 und (2) ätzbasierte nasschemische Übertragung (substratgestützt)14,34,38. Jede Methode hat einige Vor- und Nachteile und muss je nach beabsichtigter Anwendung ausgewählt werden, wie an anderer Stelle beschrieben35,39. Für Graphen-/Graphitfilme, die auf katalytischen Substraten gewachsen sind, bleibt die Übertragung über nasschemische Prozesse (wobei Polymethylmethacrylat (PMMA) die am häufigsten verwendete Trägerschicht ist) die erste Wahl13,30,34,38,40,41,42. You et al. Es wurde erwähnt, dass für die NGF-Übertragung kein Polymer verwendet wurde (Probengröße ungefähr 4 cm2)25,43, es wurden jedoch keine Details bezüglich der Probenstabilität und/oder Handhabung während der Übertragung bereitgestellt; Nasschemische Prozesse mit Polymeren umfassen mehrere Schritte, darunter das Aufbringen und anschließende Entfernen einer Opferpolymerschicht30,38,40,41,42. Dieser Prozess hat Nachteile: Beispielsweise können Polymerrückstände die Eigenschaften des gewachsenen Films verändern38. Durch zusätzliche Verarbeitung kann das restliche Polymer entfernt werden, aber diese zusätzlichen Schritte erhöhen die Kosten und den Zeitaufwand der Filmherstellung38,40. Während des CVD-Wachstums wird eine Graphenschicht nicht nur auf der Vorderseite der Katalysatorfolie (der dem Dampfstrom zugewandten Seite) abgelagert, sondern auch auf ihrer Rückseite. Letztere gilt jedoch als Abfallprodukt und kann durch sanftes Plasma schnell entfernt werden38,41. Das Recycling dieses Films kann zur Maximierung der Ausbeute beitragen, selbst wenn seine Qualität geringer ist als die des Kohlenstoff-Obermaterials.
Hier berichten wir über die Herstellung von NGF im Wafermaßstab mit hoher Strukturqualität auf polykristalliner Nickelfolie mittels CVD. Es wurde untersucht, wie sich die Rauheit der Vorder- und Rückseite der Folie auf Morphologie und Struktur von NGF auswirkt. Wir demonstrieren außerdem die kostengünstige und umweltfreundliche polymerfreie Übertragung von NGF von beiden Seiten der Nickelfolie auf multifunktionale Substrate und zeigen, wie sich die Vorder- und Rückseitenfolien für verschiedene Anwendungen eignen.
Die folgenden Abschnitte behandeln unterschiedliche Graphitfilmdicken in Abhängigkeit von der Anzahl der gestapelten Graphenschichten: (i) einlagiges Graphen (SLG, 1 Schicht), (ii) mehrlagiges Graphen (FLG, < 10 Schichten), (iii) mehrlagiges Graphen (MLG, 10–30 Schichten) und (iv) NGF (~ 300 Schichten). Letztere ist die häufigste Dicke, ausgedrückt als Flächenprozentsatz (ca. 97 % Fläche pro 100 µm²)30. Deshalb wird der gesamte Film einfach als NGF bezeichnet.
Polykristalline Nickelfolien, die zur Synthese von Graphen- und Graphitfilmen verwendet werden, weisen aufgrund ihrer Herstellung und anschließenden Verarbeitung unterschiedliche Texturen auf. Wir haben kürzlich über eine Studie zur Optimierung des Wachstumsprozesses von NGF30 berichtet. Wir zeigen, dass Prozessparameter wie Glühzeit und Kammerdruck während der Wachstumsphase eine entscheidende Rolle bei der Erzielung von NGFs mit gleichmäßiger Dicke spielen. Hier haben wir das Wachstum von NGF auf polierten Vorder- (FS) und unpolierten Rückseiten (BS) von Nickelfolie weiter untersucht (Abb. 1a). Drei Arten von FS- und BS-Proben wurden untersucht, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Bei visueller Inspektion ist das gleichmäßige Wachstum von NGF auf beiden Seiten der Nickelfolie (NiAG) durch die Farbänderung des Ni-Substrats von einem charakteristischen metallischen Silbergrau zu einem matten Grau zu erkennen (Abb. 1a); mikroskopische Messungen wurden bestätigt (Abb. 1b, c). Ein typisches Raman-Spektrum von FS-NGF, das im hellen Bereich beobachtet und in Abbildung 1b durch rote, blaue und orange Pfeile gekennzeichnet ist, ist in Abbildung 1c dargestellt. Die charakteristischen Raman-Spektren von Graphit G (1683 cm−1) und 2D (2696 cm−1) bestätigen das Wachstum von hochkristallinem NGF (Abb. 1c, Tabelle SI1). Im gesamten Film wurden überwiegend Raman-Spektren mit einem Intensitätsverhältnis (I2D/IG) von ~0,3 beobachtet, während Raman-Spektren mit I2D/IG = 0,8 selten waren. Das Fehlen fehlerhafter Peaks (D = 1350 cm−1) im gesamten Film weist auf die hohe Qualität des NGF-Wachstums hin. Ähnliche Raman-Ergebnisse wurden für die BS-NGF-Probe erzielt (Abbildung SI1 a und b, Tabelle SI1).
Vergleich von NiAG FS- und BS-NGF: (a) Foto einer typischen NGF (NiAG)-Probe, die NGF-Wachstum im Wafermaßstab (55 cm2) und die daraus resultierenden BS- und FS-Ni-Folienproben zeigt, (b) Mit einem optischen Mikroskop aufgenommene FS-NGF/Ni-Bilder, (c) typische Raman-Spektren, die an verschiedenen Positionen in Feld b aufgezeichnet wurden, (d, f) SEM-Bilder bei verschiedenen Vergrößerungen auf FS-NGF/Ni, (e, g) SEM-Bilder bei verschiedenen Vergrößerungen von BS-NGF/Ni. Der blaue Pfeil zeigt den FLG-Bereich an, der orangefarbene Pfeil den MLG-Bereich (in der Nähe des FLG-Bereichs), der rote Pfeil den NGF-Bereich und der magentafarbene Pfeil die Falte.
Da das Wachstum von der Dicke des ursprünglichen Substrats, der Kristallgröße, Ausrichtung und den Korngrenzen abhängt, bleibt es eine Herausforderung, die NGF-Dicke über große Flächen angemessen zu kontrollieren20,34,44. In dieser Studie wurden zuvor von uns veröffentlichte Inhalte verwendet30. Dieser Prozess erzeugt einen hellen Bereich von 0,1 bis 3 % pro 100 µm230. In den folgenden Abschnitten präsentieren wir die Ergebnisse für beide Arten von Bereichen. SEM-Bilder mit hoher Vergrößerung zeigen das Vorhandensein mehrerer heller Kontrastbereiche auf beiden Seiten (Abb. 1f,g), was auf das Vorhandensein von FLG- und MLG-Bereichen hinweist30,45. Dies wurde auch durch Raman-Streuung (Abb. 1c) und TEM-Ergebnisse (später im Abschnitt „FS-NGF: Struktur und Eigenschaften“ besprochen) bestätigt. Die auf FS- und BS-NGF/Ni-Proben (Vorder- und Rückseite von NGF, das auf Ni gewachsen ist) beobachteten FLG- und MLG-Bereiche könnten auf großen Ni(111)-Körnern gewachsen sein Auf beiden Seiten wurden Falten beobachtet (Abb. 1b, mit violetten Pfeilen markiert). Diese Falten treten häufig in CVD-gewachsenen Graphen- und Graphitfilmen auf, da der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen Graphit und Nickelsubstrat stark unterschiedlich ist 30,38.
Das AFM-Bild bestätigte, dass die FS-NGF-Probe flacher war als die BS-NGF-Probe (Abbildung SI1) (Abbildung SI2). Die quadratischen Mittelwerte der Rauheit (RMS) von FS-NGF/Ni (Abb. SI2c) und BS-NGF/Ni (Abb. SI2d) betragen 82 bzw. 200 nm (gemessen über eine Fläche von 20 × 20 μm2). Die höhere Rauheit lässt sich anhand der Oberflächenanalyse der Nickelfolie (NiAR) im Anlieferungszustand erklären (Abbildung SI3). Abbildungen SI3a–d zeigen SEM-Bilder von FS und BS-NiAR, die unterschiedliche Oberflächenmorphologien veranschaulichen: Polierte FS-Ni-Folie weist sphärische Partikel in Nano- und Mikrongröße auf, während unpolierte BS-Ni-Folie eine leiterförmige Produktion mit hoher Festigkeit und Abfall aufweist. Abbildungen SI3e–h zeigen Bilder von geglühter Nickelfolie (NiA) mit niedriger und hoher Auflösung. In diesen Abbildungen können wir das Vorhandensein mehrerer mikrometergroßer Nickelpartikel auf beiden Seiten der Nickelfolie erkennen (Abb. SI3e–h). Große Körner können, wie bereits zuvor berichtet, eine Ni(111)-Oberflächenausrichtung aufweisen30,46. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Morphologie der Nickelfolien zwischen FS-NiA und BS-NiA. Die höhere Rauheit von BS-NGF/Ni ist auf die unpolierte Oberfläche von BS-NiAR zurückzuführen, deren Oberfläche auch nach dem Glühen deutlich rau bleibt (Abbildung SI3). Diese Art der Oberflächencharakterisierung vor dem Wachstumsprozess ermöglicht die Kontrolle der Rauheit von Graphen- und Graphitfilmen. Es ist zu beachten, dass das ursprüngliche Substrat während des Graphenwachstums eine gewisse Kornneuordnung durchlief, wodurch die Korngröße leicht verringert und die Oberflächenrauheit des Substrats im Vergleich zur geglühten Folie und zum Katalysatorfilm etwas erhöht wurde22.
Durch Feinabstimmung der Oberflächenrauheit des Substrats, der Glühzeit (Korngröße)30,47 und der Freisetzungskontrolle43 lässt sich die regionale Dickengleichmäßigkeit der NGF auf den µm2- und/oder sogar nm2-Bereich reduzieren (d. h. Dickenschwankungen von wenigen Nanometern). Zur Kontrolle der Oberflächenrauheit des Substrats können Methoden wie das elektrolytische Polieren der resultierenden Nickelfolie in Betracht gezogen werden48. Die vorbehandelte Nickelfolie kann anschließend bei niedrigerer Temperatur (< 900 °C)46 und Zeit (< 5 min) geglüht werden, um die Bildung großer Ni(111)-Körner zu vermeiden (was das FLG-Wachstum begünstigt).
SLG- und FLG-Graphen kann der Oberflächenspannung von Säuren und Wasser nicht standhalten und benötigt daher während nasschemischer Übertragungsverfahren mechanische Stützschichten22,34,38. Im Gegensatz zur nasschemischen Übertragung von polymergestütztem einlagigem Graphen38 haben wir festgestellt, dass beide Seiten des gewachsenen NGF ohne Polymerunterstützung übertragen werden können, wie in Abbildung 2a gezeigt (weitere Einzelheiten siehe Abbildung SI4a). Die Übertragung von NGF auf ein bestimmtes Substrat beginnt mit dem Nassätzen des darunterliegenden Ni30.49-Films. Die gewachsenen NGF/Ni/NGF-Proben wurden über Nacht in 15 ml 70%ige HNO3 gelegt, die mit 600 ml deionisiertem (DI) Wasser verdünnt war. Nachdem die Ni-Folie vollständig aufgelöst ist, bleibt FS-NGF flach und schwimmt auf der Oberfläche der Flüssigkeit, genau wie die NGF/Ni/NGF-Probe, während BS-NGF in Wasser eingetaucht ist (Abb. 2a,b). Das isolierte NGF wurde anschließend aus einem Becherglas mit frischem deionisiertem Wasser in ein anderes Becherglas überführt und gründlich gewaschen. Dieser Vorgang wurde vier- bis sechsmal durch die konkave Glasschale wiederholt. Abschließend wurden FS-NGF und BS-NGF auf das gewünschte Substrat aufgebracht (Abb. 2c).
Polymerfreier nasschemischer Übertragungsprozess für auf Nickelfolie gewachsenes NGF: (a) Prozessablaufdiagramm (weitere Einzelheiten siehe Abbildung SI4), (b) Digitalfoto des abgetrennten NGF nach dem Ni-Ätzen (2 Proben), (c) Beispiel für FS- und BS-NGF-Übertragung auf SiO2/Si-Substrat, (d) FS-NGF-Übertragung auf undurchsichtiges Polymersubstrat, (e) BS-NGF aus derselben Probe wie Tafel d (in zwei Teile geteilt), übertragen auf vergoldetes C-Papier und Nafion (flexibles transparentes Substrat, Kanten mit roten Ecken markiert).
Beachten Sie, dass die SLG-Übertragung mit nasschemischen Übertragungsverfahren eine Gesamtverarbeitungszeit von 20–24 Stunden erfordert 38. Mit der hier gezeigten polymerfreien Übertragungstechnik (Abbildung SI4a) wird die Gesamtverarbeitungszeit für die NGF-Übertragung erheblich reduziert (ca. 15 Stunden). Der Prozess umfasst: (Schritt 1) ​​Bereiten Sie eine Ätzlösung vor und legen Sie die Probe hinein (~10 Minuten), warten Sie dann über Nacht, bis das Ni geätzt ist (~7200 Minuten), (Schritt 2) Spülen Sie mit deionisiertem Wasser (Schritt – 3). Lagern Sie in deionisiertem Wasser oder übertragen Sie es auf das Zielsubstrat (20 Min.). Zwischen dem NGF und der Hauptmatrix eingeschlossenes Wasser wird durch Kapillarwirkung (mit Löschpapier) entfernt38, dann werden die verbleibenden Wassertropfen durch natürliches Trocknen entfernt (ca. 30 Min.) und schließlich wird die Probe 10 Min. in einem Vakuumofen (10–1 mbar) bei 50–90 °C getrocknet (60 Min.) 38.
Graphit ist dafür bekannt, der Anwesenheit von Wasser und Luft bei ziemlich hohen Temperaturen (≥ 200 °C) standzuhalten50,51,52. Wir testeten Proben mittels Raman-Spektroskopie, SEM und XRD, nachdem wir sie in deionisiertem Wasser bei Raumtemperatur und in verschlossenen Flaschen für einige Tage bis zu einem Jahr gelagert hatten (Abbildung SI4). Es gab keine erkennbare Zersetzung. Abbildung 2c zeigt freistehendes FS-NGF und BS-NGF in deionisiertem Wasser. Wir erfassten sie auf einem SiO2 (300 nm)/Si-Substrat, wie am Anfang von Abbildung 2c gezeigt. Zudem kann kontinuierliches NGF, wie in Abbildung 2d,e gezeigt, auf verschiedene Substrate wie Polymere (Thermabright-Polyamid von Nexolve und Nafion) und goldbeschichtetes Kohlepapier übertragen werden. Das schwimmende FS-NGF ließ sich leicht auf dem Zielsubstrat platzieren (Abb. 2c, d). BS-NGF-Proben, die größer als 3 cm2 waren, waren jedoch schwierig zu handhaben, wenn sie vollständig in Wasser eingetaucht waren. Wenn sie im Wasser zu rollen beginnen, zerbrechen sie normalerweise aufgrund unvorsichtiger Handhabung in zwei oder drei Teile (Abb. 2e). Alles in allem konnten wir eine polymerfreie Übertragung von PS- und BS-NGF (kontinuierliche nahtlose Übertragung ohne NGF/Ni/NGF-Wachstum bei 6 cm2) für Proben mit einer Fläche von bis zu 6 bzw. 3 cm2 erreichen. Alle verbleibenden großen oder kleinen Stücke können auf das gewünschte Substrat (~1 mm2, Abbildung SI4b, siehe auf das Kupfergitter übertragene Probe wie in „FS-NGF: Struktur und Eigenschaften (besprochen) unter „Struktur und Eigenschaften“) aufgebracht oder für die spätere Verwendung aufbewahrt werden (Abbildung SI4). Basierend auf diesem Kriterium schätzen wir, dass NGF in Ausbeuten von bis zu 98 – 99 % zurückgewonnen werden kann (nach dem Wachstum für die Übertragung).
Transferproben ohne Polymer wurden detailliert analysiert. Die mittels optischer Mikroskopie (OM) und SEM-Bildern (Abb. SI5 und Abb. 3) an FS- und BS-NGF/SiO2/Si (Abb. 2c) erhaltenen oberflächenmorphologischen Eigenschaften zeigten, dass diese Proben ohne Mikroskopie übertragen wurden. Sichtbare Strukturschäden wie Risse, Löcher oder abgerollte Bereiche blieben erhalten. Die Falten auf dem wachsenden NGF (Abb. 3b, d, markiert durch violette Pfeile) blieben nach der Übertragung intakt. Sowohl FS- als auch BS-NGFs bestehen aus FLG-Regionen (helle Regionen, markiert durch blaue Pfeile in Abbildung 3). Überraschenderweise wurden im Gegensatz zu den wenigen beschädigten Regionen, die typischerweise während der Polymerübertragung von ultradünnen Graphitfilmen beobachtet werden, mehrere mikrometergroße FLG- und MLG-Regionen, die mit dem NGF verbunden sind (markiert durch blaue Pfeile in Abbildung 3d), ohne Risse oder Brüche übertragen (Abbildung 3d). Die mechanische Integrität wurde weiter bestätigt, indem TEM- und SEM-Bilder von auf Kupfergitter aus Spitzenkohlenstoff übertragenem NGF verwendet wurden, wie später erläutert („FS-NGF: Struktur und Eigenschaften“). Das übertragene BS-NGF/SiO2/Si ist mit RMS-Werten von 140 nm und 17 nm rauer als FS-NGF/SiO2/Si, wie in Abbildung SI6a und b (20 × 20 μm2) gezeigt. Der RMS-Wert von auf das SiO2/Si-Substrat übertragenem NGF (RMS < 2 nm) ist erheblich niedriger (etwa dreimal) als der von auf Ni gewachsenem NGF (Abbildung SI2), was darauf hindeutet, dass die zusätzliche Rauheit der Ni-Oberfläche entsprechen könnte. Außerdem zeigten AFM-Bilder, die an den Kanten von FS- und BS-NGF/SiO2/Si-Proben durchgeführt wurden, NGF-Dicken von 100 bzw. 80 nm (Abb. SI7). Die geringere Dicke von BS-NGF kann darauf zurückzuführen sein, dass die Oberfläche dem Vorläufergas nicht direkt ausgesetzt ist.
Übertragenes NGF (NiAG) ohne Polymer auf SiO2/Si-Wafer (siehe Abbildung 2c): (a,b) SEM-Bilder des übertragenen FS-NGF: niedrige und hohe Vergrößerung (entsprechend dem orangefarbenen Quadrat im Feld). Typische Bereiche) – a). (c,d) SEM-Bilder des übertragenen BS-NGF: niedrige und hohe Vergrößerung (entsprechend dem typischen Bereich, der durch das orangefarbene Quadrat in Feld c dargestellt wird). (e, f) AFM-Bilder der übertragenen FS- und BS-NGFs. Blauer Pfeil stellt den FLG-Bereich dar – heller Kontrast, cyanfarbener Pfeil – schwarzer MLG-Kontrast, roter Pfeil – schwarzer Kontrast stellt den NGF-Bereich dar, magentafarbener Pfeil stellt die Falte dar.
Die chemische Zusammensetzung der gewachsenen und übertragenen FS- und BS-NGFs wurde mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert (Abb. 4). In den gemessenen Spektren (Abb. 4a, b) wurde ein schwacher Peak beobachtet, der dem Ni-Substrat (850 eV) der gewachsenen FS- und BS-NGFs (NiAG) entspricht. In den gemessenen Spektren der übertragenen FS- und BS-NGF/SiO2/Si gibt es keine Peaks (Abb. 4c; ähnliche Ergebnisse für BS-NGF/SiO2/Si werden nicht gezeigt), was darauf hindeutet, dass nach der Übertragung keine Ni-Verunreinigung mehr vorhanden ist. Die Abbildungen 4d–f zeigen die hochauflösenden Spektren der Energieniveaus C1s, O1s und Si2p von FS-NGF/SiO2/Si. Die Bindungsenergie von C1s von Graphit beträgt 284,4 eV53,54. Die lineare Form von Graphitspitzen wird im Allgemeinen als asymmetrisch angesehen, wie in Abbildung 4d54 gezeigt. Das hochauflösende C1s-Spektrum auf Kernebene (Abb. 4d) bestätigte auch eine reine Übertragung (d. h. keine Polymerrückstände), was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt38. Die Linienbreiten der C1s-Spektren der frisch gewachsenen Probe (NiAG) und nach der Übertragung betragen 0,55 bzw. 0,62 eV. Diese Werte sind höher als die von SLG (0,49 eV für SLG auf einem SiO2-Substrat)38. Diese Werte sind jedoch kleiner als die zuvor gemeldeten Linienbreiten für hochorientierte pyrolytische Graphenproben (~0,75 eV)53,54,55, was auf das Fehlen defekter Kohlenstoffstellen im aktuellen Material hindeutet. Den C1s- und O1s-Grundspektren fehlen außerdem Schultern, sodass keine hochauflösende Peak-Dekonvolution erforderlich ist54. Es gibt einen π → π*-Satellitenpeak bei etwa 291,1 eV, der häufig in Graphitproben beobachtet wird. Die Signale bei 103 eV und 532,5 eV in den Si 2p- und O 1 s-Kernniveauspektren (siehe Abb. 4e, f) werden jeweils dem SiO2 56-Substrat zugeordnet. XPS ist eine oberflächensensitive Technik, daher wird angenommen, dass die Signale für Ni und SiO2, die vor bzw. nach dem NGF-Transfer detektiert wurden, aus der FLG-Region stammen. Ähnliche Ergebnisse wurden für transferierte BS-NGF-Proben beobachtet (nicht dargestellt).
NiAG XPS-Ergebnisse: (ac) Übersichtsspektren verschiedener elementarer Atomzusammensetzungen von gewachsenem FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni und übertragenem FS-NGF/SiO2/Si. (d–f) Hochauflösende Spektren der Kernniveaus C 1 s, O 1s und Si 2p der FS-NGF/SiO2/Si-Probe.
Die Gesamtqualität der übertragenen NGF-Kristalle wurde mittels Röntgenbeugung (XRD) beurteilt. Typische XRD-Muster (Abb. SI8) von übertragenem FS- und BS-NGF/SiO2/Si zeigen das Vorhandensein von Beugungsspitzen (0 0 0 2) und (0 0 0 4) bei 26,6° und 54,7°, ähnlich wie bei Graphit. Dies bestätigt die hohe Kristallqualität von NGF und entspricht einem Schichtabstand von d = 0,335 nm, der nach dem Übertragungsschritt beibehalten wird. Die Intensität der Beugungsspitze (0 0 0 2) ist etwa 30-mal so hoch wie die der Beugungsspitze (0 0 0 4), was darauf hindeutet, dass die NGF-Kristallebene gut mit der Probenoberfläche ausgerichtet ist.
Den Ergebnissen von SEM, Raman-Spektroskopie, XPS und XRD zufolge war die Qualität von BS-NGF/Ni dieselbe wie die von FS-NGF/Ni, obwohl die rms-Rauheit etwas höher war (Abbildungen SI2, SI5 und SI7).
SLGs mit bis zu 200 nm dicken Polymerträgerschichten können auf Wasser schwimmen. Dieser Aufbau wird häufig in polymerunterstützten nasschemischen Übertragungsprozessen verwendet22,38. Graphen und Graphit sind hydrophob (Nasswinkel 80–90°) 57 . Die potenziellen Energieoberflächen von Graphen und FLG sind Berichten zufolge recht flach, mit geringer potenzieller Energie (~1 kJ/mol) für die seitliche Bewegung von Wasser an der Oberfläche58. Die berechneten Wechselwirkungsenergien von Wasser mit Graphen und drei Lagen Graphen betragen jedoch etwa − 13 und − 15 kJ/mol,58 was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung von Wasser mit NGF (etwa 300 Lagen) geringer ist als mit Graphen. Dies kann einer der Gründe sein, warum freistehendes NGF flach auf der Wasseroberfläche liegen bleibt, während freistehendes Graphen (das auf Wasser schwimmt) sich aufrollt und zerfällt. Wenn NGF vollständig in Wasser eingetaucht wird (die Ergebnisse sind für raues und flaches NGF identisch), verbiegen sich seine Kanten (Abbildung SI4). Bei vollständigem Eintauchen ist zu erwarten, dass sich die Wechselwirkungsenergie zwischen NGF und Wasser (im Vergleich zu schwimmendem NGF) fast verdoppelt und sich die Kanten des NGF falten, um einen hohen Kontaktwinkel (Hydrophobie) aufrechtzuerhalten. Wir glauben, dass Strategien entwickelt werden können, um das Einrollen der Kanten eingebetteter NGFs zu vermeiden. Ein Ansatz ist die Verwendung gemischter Lösungsmittel zur Modulation der Benetzungsreaktion des Graphitfilms59.
Über die Übertragung von SLG auf verschiedene Substrattypen mittels nasschemischer Übertragungsverfahren wurde bereits berichtet. Es ist allgemein anerkannt, dass zwischen Graphen-/Graphitfilmen und Substraten (seien es starre Substrate wie SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si-Säulen22 und netzartige Kohlenstofffilme30, 34 oder flexible Substrate wie Polyimid 37) schwache Van-der-Waals-Kräfte bestehen. Wir gehen hier davon aus, dass Wechselwirkungen desselben Typs überwiegen. Wir haben bei keinem der hier vorgestellten Substrate während der mechanischen Handhabung (während der Charakterisierung unter Vakuum und/oder atmosphärischen Bedingungen oder während der Lagerung) eine Beschädigung oder Ablösung des NGF festgestellt (z. B. Abbildung 2, SI7 und SI9). Darüber hinaus haben wir im XPS-C1s-Spektrum des Kernniveaus der NGF/SiO2/Si-Probe (Abb. 4) keinen SiC-Peak beobachtet. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass keine chemische Bindung zwischen NGF und dem Zielsubstrat besteht.
Im vorherigen Abschnitt „Polymerfreier Transfer von FS- und BS-NGF“ haben wir gezeigt, dass NGF auf beiden Seiten von Nickelfolie wachsen und übertragen werden kann. Da die Oberflächenrauheit dieser FS-NGFs und BS-NGFs unterschiedlich ist, haben wir die am besten geeigneten Anwendungen für jeden Typ untersucht.
In Anbetracht der Transparenz und der glatteren Oberfläche von FS-NGF haben wir seine lokale Struktur sowie seine optischen und elektrischen Eigenschaften genauer untersucht. Struktur und Aufbau von FS-NGF ohne Polymertransfer wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Musteranalyse mit ausgewählter Bereichselektronenbeugung (SAED) charakterisiert. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Planare TEM-Bilder mit geringer Vergrößerung zeigten das Vorhandensein von NGF- und FLG-Regionen mit unterschiedlichen Elektronenkontrasteigenschaften, d. h. dunkleren bzw. helleren Bereichen (Abb. 5a). Der Film weist insgesamt eine gute mechanische Integrität und Stabilität zwischen den verschiedenen Regionen von NGF und FLG auf, mit guter Überlappung und ohne Beschädigungen oder Risse, was auch durch SEM- (Abbildung 3) und TEM-Studien mit hoher Vergrößerung (Abbildung 5c-e) bestätigt wurde. Insbesondere zeigt Abbildung 5d die Brückenstruktur an ihrem breitesten Teil (die durch den schwarz gepunkteten Pfeil in Abbildung 5d markierte Position), die durch eine dreieckige Form gekennzeichnet ist und aus einer Graphenschicht mit einer Breite von etwa 51 besteht. Die Zusammensetzung mit einem Interplanarabstand von 0,33 ± 0,01 nm wird im engsten Bereich (Ende des durchgezogenen schwarzen Pfeils in Abbildung 5 d) weiter auf mehrere Graphenschichten reduziert.
Planares TEM-Bild einer polymerfreien NiAG-Probe auf einem kohlenstoffhaltigen Kupfergitter: (a, b) TEM-Bilder mit geringer Vergrößerung, einschließlich NGF- und FLG-Bereichen. (ce) Bilder mit hoher Vergrößerung verschiedener Bereiche in Bild a und Bild b sind mit gleichfarbigen Pfeilen markiert. Grüne Pfeile in den Bildfeldern a und c zeigen kreisförmige Bereiche an, die während der Strahlausrichtung beschädigt wurden. (f–i) In den Bildfeldern a bis c sind SAED-Muster in verschiedenen Bereichen durch blaue, cyanfarbene, orangefarbene bzw. rote Kreise gekennzeichnet.
Die Bandstruktur in Abbildung 5c ​​zeigt (mit rotem Pfeil markiert) die vertikale Ausrichtung der Graphitgitterebenen, die auf die Bildung von Nanofalten entlang des Films (Einschub in Abbildung 5c) aufgrund übermäßiger, nicht kompensierter Scherspannung zurückzuführen sein könnte30,61,62. Unter hochauflösender TEM weisen diese Nanofalten 30 eine andere kristallografische Ausrichtung auf als der Rest der NGF-Region; die Basalebenen des Graphitgitters sind fast vertikal ausgerichtet, anstatt horizontal wie der Rest des Films (Einschub in Abbildung 5c). Ebenso weist die FLG-Region gelegentlich lineare und schmale bandartige Falten auf (mit blauen Pfeilen markiert), die bei geringer und mittlerer Vergrößerung in Abbildung 5b bzw. 5e erscheinen. Der Einschub in Abbildung 5e bestätigt das Vorhandensein von zwei- und dreilagigen Graphenschichten im FLG-Sektor (interplanarer Abstand 0,33 ± 0,01 nm), was gut mit unseren früheren Ergebnissen übereinstimmt30. Zusätzlich werden in Abbildung SI9 aufgezeichnete SEM-Bilder von polymerfreiem NGF gezeigt, das auf Kupfergitter mit spitzenartigen Kohlenstofffilmen übertragen wurde (nach Durchführung von TEM-Messungen in der Draufsicht). Der gut suspendierte FLG-Bereich (mit blauem Pfeil markiert) und der unterbrochene Bereich sind in Abbildung SI9f dargestellt. Der blaue Pfeil (am Rand des übertragenen NGF) wird absichtlich dargestellt, um zu demonstrieren, dass der FLG-Bereich dem Übertragungsprozess ohne Polymer standhalten kann. Zusammenfassend bestätigen diese Bilder, dass teilweise suspendiertes NGF (einschließlich des FLG-Bereichs) seine mechanische Integrität sogar nach strenger Handhabung und Einwirkung von Hochvakuum während TEM- und SEM-Messungen beibehält (Abbildung SI9).
Aufgrund der hervorragenden Ebenheit von NGF (siehe Abbildung 5a) ist es nicht schwierig, die Flocken entlang der [0001]-Domänenachse auszurichten, um die SAED-Struktur zu analysieren. Abhängig von der lokalen Dicke des Films und seiner Lage wurden mehrere interessante Bereiche (12 Punkte) für Elektronenbeugungsstudien identifiziert. In den Abbildungen 5a–c sind vier dieser typischen Bereiche dargestellt und mit farbigen Kreisen markiert (blau, cyan, orange und rot kodiert). Abbildungen 2 und 3 für den SAED-Modus. Abbildungen 5f und g wurden aus dem in den Abbildungen 5 und 5 gezeigten FLG-Bereich gewonnen. Wie in Abbildung 5b bzw. c gezeigt, haben sie eine hexagonale Struktur ähnlich wie verdrilltes Graphen63. Insbesondere zeigt Abbildung 5f drei überlagerte Muster mit der gleichen Ausrichtung der [0001]-Zonenachse, die um 10° und 20° gedreht sind, wie die Winkelfehlanpassung der drei Paare von (10-10)-Reflexen zeigt. Ebenso zeigt Abbildung 5g zwei überlagerte, um 20° gedrehte hexagonale Muster. Zwei oder drei Gruppen hexagonaler Muster in der FLG-Region können aus drei in der Ebene oder außerhalb der Ebene liegenden Graphenschichten 33 entstehen, die relativ zueinander gedreht sind. Im Gegensatz dazu zeigen die Elektronenbeugungsmuster in Abbildung 5h,i (entsprechend der in Abbildung 5a gezeigten NGF-Region) ein einzelnes [0001]-Muster mit einer insgesamt höheren Punktbeugungsintensität, was einer größeren Materialdicke entspricht. Diese SAED-Modelle entsprechen einer dickeren Graphitstruktur und einer dazwischenliegenden Ausrichtung als FLG, wie aus dem Index 64 geschlossen werden kann. Die Charakterisierung der kristallinen Eigenschaften von NGF ergab das gleichzeitige Vorhandensein von zwei oder drei überlagerten Graphit- (oder Graphen-)Kristalliten. Besonders bemerkenswert in der FLG-Region ist, dass die Kristallite einen gewissen Grad an In-Plane- oder Out-of-Plane-Fehlorientierung aufweisen. Graphitpartikel/-schichten mit Rotationswinkeln in der Ebene von 17°, 22° und 25° wurden bereits für NGF auf Ni64-Filmen beschrieben. Die in dieser Studie beobachteten Rotationswinkelwerte stimmen mit zuvor beobachteten Rotationswinkeln (±1°) für verdrilltes BLG63-Graphen überein.
Die elektrischen Eigenschaften von NGF/SiO2/Si wurden bei 300 K über eine Fläche von 10×3 mm2 gemessen. Die Werte für Elektronenträgerkonzentration, Mobilität und Leitfähigkeit betragen 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 bzw. 2000 S-cm-1. Die Mobilitäts- und Leitfähigkeitswerte unseres NGF sind mit denen von natürlichem Graphit2 vergleichbar und höher als die von handelsüblichem hochorientiertem pyrolytischem Graphit (hergestellt bei 3000 °C)29. Die beobachteten Elektronenträgerkonzentrationswerte sind zwei Größenordnungen höher als die kürzlich gemeldeten (7,25 × 10 cm-3) für mikrometerdicke Graphitfilme, die unter Verwendung von Hochtemperatur-Polyimidfolien (3200 °C) hergestellt wurden 20.
Wir haben auch UV-sichtbare Transmissionsmessungen an auf Quarzsubstrate übertragenem FS-NGF durchgeführt (Abbildung 6). Das resultierende Spektrum zeigt eine nahezu konstante Transmission von 62 % im Bereich von 350 bis 800 nm, was darauf hindeutet, dass NGF für sichtbares Licht durchlässig ist. Tatsächlich ist der Name „KAUST“ auf dem digitalen Foto der Probe in Abbildung 6b zu sehen. Obwohl sich die nanokristalline Struktur von NGF von der von SLG unterscheidet, kann die Anzahl der Schichten grob mithilfe der Regel von 2,3 % Transmissionsverlust pro zusätzlicher Schicht65 geschätzt werden. Gemäß dieser Beziehung beträgt die Anzahl der Graphenschichten mit 38 % Transmissionsverlust 21. Das gewachsene NGF besteht hauptsächlich aus 300 Graphenschichten, d. h. mit einer Dicke von etwa 100 nm (Abb. 1, SI5 und SI7). Daher nehmen wir an, dass die beobachtete optische Transparenz den FLG- und MLG-Bereichen entspricht, da diese über den gesamten Film verteilt sind (Abb. 1, 3, 5 und 6c). Neben den oben genannten Strukturdaten bestätigen auch Leitfähigkeit und Transparenz die hohe kristalline Qualität des übertragenen NGF.
(a) Messung der UV-sichtbaren Transmission. (b) Typischer NGF-Transfer auf Quarz anhand einer repräsentativen Probe. (c) Schematische Darstellung von NGF (dunkler Kasten) mit gleichmäßig verteilten FLG- und MLG-Regionen, die als graue Zufallsformen über die gesamte Probe verteilt sind (siehe Abbildung 1) (ca. 0,1–3 % Fläche pro 100 μm²). Die Zufallsformen und ihre Größen im Diagramm dienen nur zur Veranschaulichung und entsprechen nicht den tatsächlichen Flächen.
Durch CVD gewachsenes, durchscheinendes NGF wurde bereits auf blanke Siliziumoberflächen übertragen und in Solarzellen verwendet15,16. Der resultierende Wirkungsgrad (PCE) beträgt 1,5 %. Diese NGFs erfüllen mehrere Funktionen wie z. B. als aktive Verbindungsschichten, Ladungstransportwege und transparente Elektroden15,16. Der Graphitfilm ist jedoch nicht einheitlich. Eine weitere Optimierung ist durch sorgfältige Kontrolle des Flächenwiderstands und der optischen Durchlässigkeit der Graphitelektrode erforderlich, da diese beiden Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des PCE-Werts der Solarzelle spielen15,16. Typischerweise sind Graphenfilme zu 97,7 % transparent für sichtbares Licht, haben jedoch einen Flächenwiderstand von 200 bis 3000 Ohm/sq.16. Der Oberflächenwiderstand von Graphenfilmen kann durch Erhöhung der Anzahl der Schichten (mehrfache Übertragung von Graphenschichten) und Dotierung mit HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 verringert werden. Dieser Prozess dauert jedoch lange und die verschiedenen Übertragungsschichten halten nicht immer guten Kontakt. Unser NGF für die Vorderseite weist Eigenschaften wie eine Leitfähigkeit von 2000 S/cm, einen Filmflächenwiderstand von 50 Ohm/Quadrat und eine Transparenz von 62 % auf, was es zu einer sinnvollen Alternative für leitfähige Kanäle oder Gegenelektroden in Solarzellen macht15,16.
Obwohl Struktur und Oberflächenchemie von BS-NGF denen von FS-NGF ähneln, ist seine Rauheit unterschiedlich („Wachstum von FS- und BS-NGF“). Zuvor verwendeten wir ultradünnen Graphitfilm22 als Gassensor. Daher testeten wir die Anwendbarkeit von BS-NGF für Gassensoraufgaben (Abbildung SI10). Zunächst wurden mm2-große Portionen von BS-NGF auf den Sensorchip mit interdigitierenden Elektroden übertragen (Abbildung SI10a-c). Herstellungsdetails des Chips wurden bereits veröffentlicht; seine aktive sensitive Fläche beträgt 9 mm267. In den SEM-Bildern (Abbildung SI10b und c) ist die darunterliegende Goldelektrode deutlich durch das NGF sichtbar. Auch hier ist zu erkennen, dass für alle Proben eine gleichmäßige Chipbedeckung erreicht wurde. Gassensormessungen verschiedener Gase wurden aufgezeichnet (Abb. SI10d) (Abb. SI11) und die resultierenden Reaktionsraten sind in den Abbildungen SI10g dargestellt. Wahrscheinlich mit anderen Störgasen, einschließlich SO2 (200 ppm), H2 (2 %), CH4 (200 ppm), CO2 (2 %), H2S (200 ppm) und NH3 (200 ppm). Eine mögliche Ursache ist NO2. Elektrophile Natur des Gases22,68. Bei Adsorption an der Oberfläche von Graphen verringert sich die Stromaufnahme von Elektronen durch das System. Ein Vergleich der Reaktionszeitdaten des BS-NGF-Sensors mit zuvor veröffentlichten Sensoren ist in Tabelle SI2 dargestellt. Der Mechanismus zur Reaktivierung von NGF-Sensoren mittels UV-Plasma, O3-Plasma oder thermischer (50 – 150 °C) Behandlung exponierter Proben ist im Gange, idealerweise gefolgt von der Implementierung eingebetteter Systeme69.
Während des CVD-Prozesses wächst Graphen auf beiden Seiten des Katalysatorsubstrats41. BS-Graphen wird jedoch normalerweise während des Übertragungsprozesses ausgestoßen41. In dieser Studie zeigen wir, dass qualitativ hochwertiges NGF-Wachstum und polymerfreier NGF-Transfer auf beiden Seiten des Katalysatorträgers erreicht werden können. BS-NGF ist dünner (~80 nm) als FS-NGF (~100 nm), und dieser Unterschied erklärt sich dadurch, dass BS-Ni dem Präkursor-Gasstrom nicht direkt ausgesetzt ist. Wir haben auch festgestellt, dass die Rauheit des NiAR-Substrats die Rauheit des NGF beeinflusst. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das gewachsene planare FS-NGF als Präkursormaterial für Graphen (durch Exfoliationsverfahren70) oder als leitfähiger Kanal in Solarzellen15,16 verwendet werden kann. Im Gegensatz dazu wird BS-NGF zur Gasdetektion (Abb. SI9) und möglicherweise für Energiespeichersysteme71,72 eingesetzt, wo seine Oberflächenrauheit nützlich sein wird.
Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, die vorliegende Arbeit mit bereits veröffentlichten Graphitfilmen zu kombinieren, die mittels CVD und Nickelfolie hergestellt wurden. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, verkürzten die von uns verwendeten höheren Drücke die Reaktionszeit (Wachstumsphase) selbst bei relativ niedrigen Temperaturen (im Bereich von 850–1300 °C). Wir erzielten zudem ein stärkeres Wachstum als üblich, was auf Expansionspotenzial hindeutet. Es sind noch weitere Faktoren zu berücksichtigen, von denen wir einige in die Tabelle aufgenommen haben.
Doppelseitiger, hochwertiger NGF wurde mittels katalytischer CVD auf Nickelfolie gezüchtet. Durch den Verzicht auf herkömmliche Polymersubstrate (wie sie bei CVD-Graphen verwendet werden) erreichen wir eine saubere und fehlerfreie Nassübertragung von NGF (gezüchtet auf der Vorder- und Rückseite von Nickelfolie) auf eine Vielzahl prozesskritischer Substrate. NGF enthält insbesondere FLG- und MLG-Bereiche (typischerweise 0,1 % bis 3 % pro 100 µm²), die strukturell gut in die dickere Folie integriert sind. Planare TEM-Aufnahmen zeigen, dass diese Bereiche aus Stapeln von zwei bis drei Graphit-/Graphenpartikeln (Kristallen bzw. Schichten) bestehen, von denen einige einen Rotationsversatz von 10–20° aufweisen. Die FLG- und MLG-Bereiche sind für die Transparenz von FS-NGF für sichtbares Licht verantwortlich. Die Rückseiten können parallel zu den Vorderseiten verlegt werden und, wie gezeigt, einen funktionalen Zweck erfüllen (z. B. zur Gasdetektion). Diese Untersuchungen sind sehr hilfreich, um Abfall und Kosten bei industriellen CVD-Prozessen zu reduzieren.
Die durchschnittliche Dicke von CVD-NGF liegt im Allgemeinen zwischen Graphen (niedrig- und mehrlagig) und industriellen (Mikrometer-)Graphitschichten. Die Bandbreite ihrer interessanten Eigenschaften, kombiniert mit der einfachen Methode, die wir für ihre Herstellung und ihren Transport entwickelt haben, macht diese Schichten besonders geeignet für Anwendungen, die die funktionale Reaktion von Graphit erfordern, ohne die Kosten der derzeit energieintensiven industriellen Produktionsprozesse.
Eine 25 μm dicke Nickelfolie (99,5 % Reinheit, Goodfellow) wurde in einen kommerziellen CVD-Reaktor (Aixtron 4-Zoll BMPro) eingebaut. Das System wurde mit Argon gespült und auf einen Basisdruck von 10-3 mbar evakuiert. Anschließend wurde die Nickelfolie in Argon/H2 eingelegt. Nach 5-minütigem Vorglühen der Nickelfolie wurde diese bei 900 °C einem Druck von 500 mbar ausgesetzt. NGF wurde 5 Minuten lang in einem CH4/H2-Strom (je 100 cm3) abgeschieden. Die Probe wurde anschließend mit einem Argonstrom (4000 cm3) bei 40 °C/min auf unter 700 °C abgekühlt. Details zur Optimierung des NGF-Wachstumsprozesses werden an anderer Stelle beschrieben30.
Die Oberflächenmorphologie der Probe wurde mittels SEM unter Verwendung eines Zeiss Merlin-Mikroskops (1 kV, 50 pA) visualisiert. Die Oberflächenrauheit der Probe und die NGF-Dicke wurden mittels AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) gemessen. TEM- und SAED-Messungen wurden mit einem FEI Titan 80–300 Cubed-Mikroskop durchgeführt, das mit einer hochbrillanten Feldemissionskanone (300 kV), einem FEI Wien-Monochromator und einem CEOS-Linsen-Sphärenaberrationskorrektor ausgestattet war, um die endgültigen Ergebnisse zu erhalten. Räumliche Auflösung 0,09 nm. NGF-Proben wurden für die flache TEM-Abbildung und SAED-Strukturanalyse auf mit Kohlenstofffaser beschichtete Kupfergitter übertragen. Somit sind die meisten Probenflocken in den Poren der Trägermembran suspendiert. Übertragene NGF-Proben wurden mittels XRD analysiert. Röntgenbeugungsmuster wurden mit einem Pulverdiffraktometer (Brucker, D2-Phasenschieber mit Cu-Kα-Quelle, 1,5418 Å und LYNXEYE-Detektor) unter Verwendung einer Cu-Strahlungsquelle mit einem Strahlfleckdurchmesser von 3 mm erhalten.
Mit einem integrierenden Konfokalmikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) wurden mehrere Raman-Punktmessungen aufgezeichnet. Zur Vermeidung thermisch bedingter Effekte wurde ein 532-nm-Laser mit geringer Anregungsleistung (25 %) verwendet. Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurde auf einem Kratos Axis Ultra-Spektrometer über eine Probenfläche von 300 × 700 μm² mit monochromatischer Al-Kα-Strahlung (hν = 1486,6 eV) bei einer Leistung von 150 W durchgeführt. Aufgelöste Spektren wurden bei Transmissionsenergien von 160 eV bzw. 20 eV erhalten. Auf SiO² übertragene NGF-Proben wurden mit einem PLS6MW (1,06 μm) Ytterbium-Faserlaser bei 30 W in Stücke (je 3 × 10 mm²) geschnitten. Kupferdrahtkontakte (50 μm dick) wurden unter einem optischen Mikroskop aus Silberpaste hergestellt. An diesen Proben wurden elektrische Transport- und Hall-Effekt-Experimente bei 300 K und einer Magnetfeldvariation von ± 9 Tesla in einem System zur Messung physikalischer Eigenschaften (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) durchgeführt. Die Transmissions-UV-Vis-Spektren wurden mit einem Lambda 950 UV-Vis-Spektrophotometer im NGF-Bereich von 350–800 nm aufgezeichnet und auf Quarzsubstrate und Quarzreferenzproben übertragen.
Der chemische Widerstandssensor (interdigitaler Elektrodenchip) wurde mit einer kundenspezifischen Leiterplatte 73 verdrahtet und der Widerstand vorübergehend ermittelt. Die Leiterplatte, auf der sich das Gerät befindet, ist mit den Kontaktanschlüssen verbunden und befindet sich in der Gasmesskammer 74. Die Widerstandsmessungen erfolgten bei einer Spannung von 1 V mit einem kontinuierlichen Scan von der Spülung über die Gasbeaufschlagung bis hin zur erneuten Spülung. Die Kammer wurde zunächst eine Stunde lang mit 200 cm3 Stickstoff gespült, um sicherzustellen, dass alle anderen in der Kammer vorhandenen Analyten, einschließlich Feuchtigkeit, entfernt wurden. Die einzelnen Analyten wurden dann durch Schließen der N2-Flasche langsam mit der gleichen Durchflussrate von 200 cm3 in die Kammer freigesetzt.
Eine überarbeitete Version dieses Artikels wurde veröffentlicht und kann über den Link oben im Artikel abgerufen werden.
Inagaki, M. und Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Zweite Auflage. 2014. 542.
Pearson, HO Handbuch für Kohlenstoff, Graphit, Diamant und Fullerene: Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendungen. Die erste Ausgabe wurde bearbeitet. 1994, New Jersey.
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Veröffentlichungszeit: 23. August 2024