Eskerrik asko natura bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSS laguntza mugatua du. Emaitza onenak lortzeko, zure arakatzailearen bertsio berriagoa erabiltzea gomendatzen dugu (edo desgaitu bateragarritasun modua Internet Explorer-en). Bitartean, etengabeko laguntza ziurtatzeko, gunea estiloa edo javascript gabe bistaratzen ari gara.
Nanoscale grafito filmak (NGFS) lurruna kimikoen gordailu katalitikoaren bidez sor daitezkeen nanomaterial sendoak dira, baina galderak transferitzeko erraztasunari buruz eta gainazaleko morfologiak hurrengo belaunaldiko gailuetan erabiltzen dutenak. Hemen NGFren hazkundearen berri ematen dugu Nickel paper polikristalino baten bi aldeetan (55 cm2 eremua, 100 nm inguru lodiera) eta haren transferentzia polimerorik gabeko (aurrealdea eta atzekoa, 6 cm2 arte eremua). Katalizatzailearen paperaren morfologia dela eta, bi karbono filmak bere propietate fisikoetan eta bestelako ezaugarrietan desberdintzen dira (gainazalaren zimurtasuna adibidez). Atzera gogorragoa duten NGFak ez direla oso egokiak direla frogatzen dugu, aurreko aldean NGF eta eroale leunagoak eta eroaleagoak diren bitartean (2000 s / cm, xafla erresistentzia - 50 ohm / m2) eroale bideragarriak izan daitezke. eguzki gelaxkaren kanala edo elektrodoa (ikus daitekeen argiaren% 62 transmititzen duelako). Orokorrean, deskribatutako hazkunde eta garraio prozesuek NGFk karbono material alternatibo gisa konturatzen lagun dezake, grafeno eta mikro lodiko grafikoko filmak ez direla egokiak.
Grafitoa oso erabilitako material industriala da. Nabarmentzekoa da, grafitoak nahiko baxuko dentsitate eta plano handiko eroankortasun termiko eta elektriko handiko propietateak ditu, eta oso egonkorra da ingurune termiko eta kimiko gogorretan1,2. Makinen grafitoa grafeno ikertzaileentzako hasierako material ezaguna da3. Film meheetan prozesatzen denean, aplikazio sorta zabal batean erabil daiteke, smartphones4,5,6,7 bezalako gailu elektronikoetarako beroa barne, esaterako, sentsoreen 8,9,10 eta interferentzia elektromagnetikoen babesarekin. 12. Litografikoentzako filmak Muturreko Ultraviolet13,14, Solar Cells-en kateak zuzentzen15,16. Aplikazio horien guztiagatik, abantaila nabarmena izango litzateke grafito filmak (NGFS) nanoscale-n kontrolatutako lodiera duten lodierekin <100 nm-k erraz ekoiztu eta garraiatu ahal izango balira.
Grafito filmak hainbat metodoren bidez sortzen dira. Kasu batean, esfoliazioaren ondorioz jarraitutako kapsulazioa eta hedapena grafeno flakes 10,11,17 ekoizteko erabili ziren. Maluskulak beharrezko lodieraren filmetan prozesatu behar dira eta askotan zenbait egun behar izaten dira grafito xafla trinkoak sortzeko. Beste ikuspegi bat aitzindaria solido gifitiboekin hastea da. Industrian, polimeroen xaflak karbonizatuta daude (1000-1500 ºC-tan) eta ondoren grafitizatu (2800-3200 ºC-tan) ondo egituratutako geruzatutako materialak osatzeko. Film hauen kalitatea handia izan arren, energia kontsumoa esanguratsua da1,18,19 eta gutxieneko lodiera mikro batzuetara mugatuta dago1,1,18,19,20.
Vapor Kimika Kimika Gordailua (CVD) grafeno eta ultrhatina grafito filmak (<10 nm) ekoizteko metodo ezaguna da, kalitate estrukturala eta zentzuzko kostua21,22,23,24,25,26,24,25,26,24,21,26,24,21,22,23,24,21,26,24,21,22,23,24,21,26,24,21,226,24,21,22,23,24,25,26,27. Hala ere, grafenoaren eta ultrathin grafito filmen hazkundearekin alderatuta, CVD erabiliz NGF-ren hazkunde eta / edo aplikazioa are gehiago esploratu da11,13,29,30,31,32,33.
CVD Grown Grapene eta grafito filmak maiz transferitu behar dira substratu funtzionaletan34. Filmaren transferentzia mehe hauek bi metodo nagusi inplikatzen dituzte35: (1) Etch ez-formako transferentzia36,37 eta (2) Etch-oinarritutako transferentzia kimiko hezea (substratua onartzen da) 14,34,38. Metodo bakoitzak abantaila eta desabantaila batzuk ditu eta nahi den aplikazioaren arabera aukeratu behar dira, beste nondik norakoak deskribatu bezala35,39. For graphene/graphite films grown on catalytic substrates, transfer via wet chemical processes (of which polymethyl methacrylate (PMMA) is the most commonly used support layer) remains the first choice13,30,34,38,40,41,42. Zuk et al. Aipatu zen ez zela polimerorik erabili NGF transferentziarako (laginaren tamaina gutxi gorabehera 4 cm2) 25,43, baina ez da xehetasunik eman laginaren egonkortasunari eta / edo transferentzian zehar maneiatzeari buruz; Kimika hezeak polimeroak erabiliz hainbat pausotan datza, besteak beste, hosto polimeroen geruza eta ondoren kentzea polimeroen geruza 30,38,40,41,42. Prozesu honek desabantailak ditu: adibidez, polimeroen hondakinak haziaren propietateak alda ditzake38. Tratamendu osagarriak hondakin polimeroak kendu ditzake, baina urrats osagarri hauek film ekoizpenaren kostua eta ordua handitzen dituzte38,40. CVD hazkunde garaian, grafeno geruza bat jartzen da katalizatzailearen paperaren aurrealdean (lurrun-fluxuaren aldea), baita bizkarrean ere. Hala ere, azken hori hondakin produktu bat da eta plasma biguna38,41 azkar kendu daiteke. Film honek birziklatzea errendimendua maximizatzen lagun dezake, nahiz eta aurpegiko karbono filmak baino kalitate baxuagoa izan.
Hemen, NGF-ren hazkunde bifacial hazkundearen prestaketa salatu dugu, kalitate estruktural altuarekin, Nickel Paper Polycrystaline CVD bidez. Paperaren aurreko eta atzeko azalaren zimurtasunak NGFren morfologian eta egiturari eragiten dion nola eragiten duen ebaluatu zen. NGF-k, ingurumenarekiko erresistentzia handiko eta ingurumena errespetatzen dugu NGFren transferentzia, bi aldeetatik, NICKEL Paperaren bi aldeetatik, funtzio anitzeko azpiataletan eta aurreko eta atzeko filmak nola egokiak diren erakusten dugu hainbat aplikazioetarako.
Hurrengo atalek grafito-grafenoen lodiera desberdinak eztabaidatzen dituzte: (i) geruza bakarreko grafeno kopuruaren arabera (I) Gertaera bakarreko grafeno kopuruaren arabera (II) Geruza grafeno gutxi (FLG, <10 geruza), (III) grafeno anitzekoa (MLG, 10-30 geruza) eta (~) NGF (~ 300 geruza). Azken hau da eremuaren ehuneko gisa adierazten den lodiera ohikoena (100 μm2 bakoitzeko% 97 ingurukoa) 30. Horregatik, film osoa NGF deitzen zaio.
Grafeno eta grafito filmen sintesia egiteko erabiltzen diren nikelezko paper polikristalinak testura desberdinak dituzte fabrikazioaren eta ondorengo prozesatzearen ondorioz. Duela gutxi NGF30 hazkunde prozesua optimizatzeko ikerketa baten berri eman genuen. Hazkunde fasean denbora eta ganbera presioa esaterako, prozesu parametroak, esaterako, lanbide kritikoa jokatzen dute lodiera uniformeko NGFak lortzeko. Hemen, NGFren hazkundea areagotu genuen Fronte leundua (FS) eta Nickel Paperaren gainazalik gabeko (BS) gainazalak (1a irudia). FS eta BS lagin mota batzuk aztertu ziren, ikus-entzunezko ikuskapenean, NGFren hazkunde uniformea NICKEL paperaren bi aldeetan (NIAG) NIAG-ren bi aldeetan ikus daiteke Ni substratuaren kolore-aldaketaren arabera, kolore gris metaliko bat kolore grisarekin (1a irudia); Neurketa mikroskopikoak baieztatu ziren (1b irudia, c). Eskualde distiratsuan ikusitako FS-NGFren espektro tipikoa 1B irudian 1B irudian dagoen gorri, urdin eta laranja geziak adierazten da. Grafito G grafitoaren gailur bereizgarriek (1683 cm-1) eta 2D (2696 cm-1) berretsi dute NGF osoko hazkundea (1C. Irudia, SI1 taula). Filmean zehar, Raman espektroen nagusitasuna intentsitate-erlazioarekin (i2d / ig) ~ 0.3 ikusi zen, Raman espektroak I2D / IG = 0,8 oso gutxitan ikusi ziren. Film osoko gailur akastunik ez izateak NGF hazkundearen kalitate handia adierazten du. Antzeko Raman emaitzak lortu ziren BS-NGF laginean (SI1 A eta B irudia, SI1 taula).
NIAG FS- eta BS-NGF-ren konparazioa: (A) NGFren hazkundea (55 cm2) (km2) eta emaitza BS-eta FS-Ni foil laginak, (b) mikroskopio optiko batek lortutakoak, (c) Mikroskopio optiko batek lortutakoak, b panelean (d, f) sem posizio desberdinetan grabatuta. Irudiak FS-NGF / NI-n (E, G) SED irudietan, magnikazio desberdinetan BS -ngf / Ni multzoak dira. Gezi urdinak FLG eskualdeak adierazten du, Laranja geziak MLG eskualdea adierazten du (FLG eskualdearen ondoan), gezia gorriak NGF eskualdea adierazten du eta Magenta geziak tolestura adierazten du.
Hazkundea hasierako substratuaren, kristalen tamainaren, orientazioaren eta aleen mugen lodieraren araberakoa baita, NGF lodieraren zentzuzko kontrola lortzeak arlo handien gaineko erronka izaten jarraitzen du 20120,34,44. Azterketa honek aurretik argitaratutako edukia erabili zuen30. Prozesu honek 100 μm230eko 0,1 eta% 3ko eskualde distiratsua sortzen du. Hurrengo ataletan, bi eskualde moten emaitzak aurkezten ditugu. Handpen handiko SEM irudiek bi aldeetako hainbat kontraste gune argien presentzia erakusten dute (1f. Fig. Fig, g), FLG eta MLG eskualdeen presentzia30,45. Halaber, Raman sakabanaketa (1C. Irudia) eta temaren emaitzak ere baieztatu ziren ("FS-NGF: egitura eta propietateak" atalean eztabaidatu da). FS- eta BS-NGF / Ni laginak (aurreko eta atzeko ngf ngf-ean hazitako NIR) ikusitako FLG eta MLG eskualdeak NI (111) alera handiak izan dira 200.2,30,45 urteetan. Bi aldeetan tolestuta ikusi zen (1b irudia, geziekin markatuta). Tolestura hauek maiz CVD hazi grafeno eta grafitoetan aurkitzen dira grafitoaren eta Nikel Substratuaren arteko hedapen termikoaren koefizientearen alde handia dela eta.
AFM irudiak baieztatu du FS-NGF lagina BS-NGF lagina (SI1 irudia) baino (SI2 irudia) baino. FS-NGF / NI-ren (SI2C. SI2C) eta BS-NGF / NI (irudia eta 200 eta 200 NM (irudia eta 200 eta 200 nm (20 eta 200 μ2-ko azalera) dira. Zakartasun handiagoa uler daiteke Nikelaren (NIAR) paperaren gainazalaren azterketan oinarrituta, jasotako egoeran (SI3 irudia). FS eta BS-NIAR irudiak SI3A-D irudietan agertzen dira, gainazaleko morfologiak erakusten dituztenak: leundutako FS-Ni paperak nano- eta mikro tamainako partikula esferikoak ditu, eta, berriz, BS-Ni paperak ekoizpen eskailera erakusten du. indar handia duten partikula gisa. eta gainbehera. Nikelezko foil (NIA) analizatutako bereizmen handiko irudiak SI3E-H irudian agertzen dira. Kopuru horietan, Nickel Paperaren bi aldeetako mikron tamainako hainbat partikulen presentzia behatu dezakegu (SI3E-H irudia). Ale handiek NI (111) gainazaleko orientazioa izan dezakete, aurrez jakinarazi zuten bezala30.46. Ezberdintasun nabarmenak daude Nickel Paper Morfologian FS-NIA eta BS-NIA artean. BS-NGF / Ni-ren zimurtasun handiagoa BS-NIAR-en gainazalik gabeko azalera da, eta horren azalera nabarmen latza da estutu ondoren (SI3 irudia). Hazkunde prozesua baino lehen azalera karakterizazio mota honek kontrolatu beharreko grafenoen eta grafitoen zineen zimurtasuna ahalbidetzen du. Kontuan izan behar da jatorrizko substratuak grafeno hazkuntzaren inguruan berrantolaketa bat jasan zuela, aleak tamaina txikitu duela eta, zertxobait gutxitu baitzen substratuaren gainazalaren zimurtasuna, foil eta katalizatzailearen filmarekin alderatuta.
Substratuaren gainazalaren zimurtasuna, outaling denbora (alearen tamaina) 30,47 (alearen tamaina) eta askatzeko kontrola43-k eskualdeko NGF lodiera uniformetasuna murrizten lagunduko du μm2 eta / edo NM2 eskala (hau da, nanometro gutxiren lodiera). Substratuaren gainazalaren zimurtasuna kontrolatzeko, sortutako nikelezko paperaren leuntze elektrolitikoa bezalako metodoak48 har daitezke. Nikelezko papera pretreated tenperatura baxuagoan (<900 ° C) 46 eta ordua (<5 min) (111) aleak eratzea (FLG hazkuntzarako onuragarria da).
SLG eta FLG grafenoak ezin dira azidoen eta uraren gainazaleko tentsioa jasan, laguntza kimikoen transferentzia prozesuetan euskarri mekanikoko geruzak behar izanez gero22,34,38. Geruza bakarreko grafenearen transferentzia kimikoen transferentzia kimikoaren kontrastean 38, aurkitu dugu NGF bezalako bi aldeak polimeroen euskarri gabe transferitu daitezkeela, 2A irudian erakusten den moduan (ikus Si4a irudian xehetasun gehiago lortzeko). NGFren transferentzia substratu jakin batera, NI30.49 filmaren azpiko grabaketa bustiarekin hasten da. Gaueko NGF / NI / NGF laginak gauean jarri ziren% 70% HNO3-k 600 ml-ko ureztatutako 600 ml diluitu. NI papera erabat disolbatuta egon ondoren, FS-NGFak laua izaten jarraitzen du eta likidoaren gainazalean flotatzen da, NGF / NI / NGF lagina bezala, eta BS-NGF uretan murgilduta dagoen bitartean (2a, B). NGF isolatua ur deionizatutako ur edalontzi batetik beste edalontzi batera transferitu zen eta NGF isolatua ondo garbitu zen, lau eta sei aldiz errepikatuz beirazko plater konkretuan. Azkenean, FS-NGF eta BS-NGF nahi duzun substratuan jarri ziren (2C irudia).
NGF-k ez du POLIMER-Free Transfer Prozesu Kimika Nikelaren Flow Diagrama (ikusi SI4 frogagiria xehetasun gehiagorako), (b) bereizitako NGF-ren argazki digitala NI grabaketaren ondoren (eta BS-NGF transferentzia SiO2 / NGF transferentzia Opaque polimeroen substratuari (e) transferentzia. BS-NGF D Panel D panel gisa (bi zatitan banatuta), urrezko plated c paper eta nafion transferitu (substratu garden garden malgua, ertz gorriekin markatutako ertzak).
Kontuan izan TRANSFERENTZIA Kimika Hezetako metodoak erabiliz egindako SLG transferentziak 20-24 orduko 38 prozesatzeko denbora behar duela. Hemen frogatutako polimero gabeko transferentzia teknikarekin (SI4A irudia), NGF transferentzia prozesatzeko denbora orokorra nabarmen murrizten da (gutxi gorabehera 15 ordu). Prozesua honako hau da: (1. urratsa) prestatu grabaketa irtenbidea eta lagina bertan jarri (~ 10 minutu), eta itxaron gaua Ni Grant (~ 7200 minutu), (2. urratsa) Garbitu ur desionizatutako urarekin (3. urratsa). Gorde desionizatutako uretan edo transferitu substratu helburuetara (20 min). NGFren eta ontziratuen matrizearen artean harrapatuta dago, kapilar-ekintzek (paperezko papera erabiliz) kentzen dute 38, eta, ondoren, geratzen diren ur tantak lehortze naturalek kentzen dituzte (gutxi gorabehera 30 min), eta azkenean lagina 10 minutuz lehortu da. min hutsean (10-1 mbar) 50-90 ºC-tan (60 min) 38.
Grafitoa uretan eta aireko presentzia jasaten du tenperatura nahiko altuak (200 ° C) 50.51,52. Laginak probatu genituen Raman espektroskopia, sem eta XRD erabiliz, ur deionizatutako urez tenperaturan eta egun batzuetan urtebetera bitarteko botila zigilatuetan (SI4 irudia). Ez da degradazio nabarmenik. 2C irudian FS-NGF eta BS-NGF-k ur desionizatuan erakusten du. SiO2 (300 nm) / SI substratu batean harrapatu genituen, 2C irudiaren hasieran erakusten den moduan. Gainera, 2D irudian, e, NGF etengabea erakusten den moduan, polimeroek (nexolezko poliamida termibramentua eta nafion) eta urre estalitako karbono papera bezalako substratuetara eraman dezakete. FS-NGF flotagarria xede substratuan erraz jarri zen (2C, D). Hala ere, 3 cm2 baino gehiagoko BS-NGF laginak zailak izan ziren uretan erabat murgildutakoan. Normalean, uretan jaurtitzen hasten direnean, manipulazio arduragabeak direla eta, batzuetan, bi edo hiru zatitan apurtzen dira (2E irudia). Orokorrean, PS- eta BS-NGF (etengabeko transferentzia etengabea NGF / NI / NGF hazkunde gabe 6 cm2) laginak lortu ahal izan ditugu, hurrenez hurren, 6 eta 3 cm2 eremutan. Geratzen diren pieza handi edo txikiak (erraz ikus daitezkeen soluzioan edo ur desionizatutakoan), ikus daiteke "FS-NGF-ri dagokionez," FS-NGF-n: Egitura eta Propietateak (eztabaidatu) "Eztabaidatuz) edo etorkizuneko erabilerarako (irudia). Irizpide hau oinarritzat hartuta, ngf-k gehienez ere estimatu dezakegu % 98-99 (transferentziarako hazkundearen ondoren).
Polimeroik gabeko laginak zehatz-mehatz aztertu ziren. FS-eta BS-NGF / SIO2 / SI-n lortutako ezaugarri morfologikoak (2C irudia) mikroskopia optikoa (OM) eta SEM irudiak erabiliz (SI5 irudia eta 3. irudia) erakutsi zuten lagin horiek mikroskopiarik gabe transferitu zirela. Egiturazko kalteak ikusgai, hala nola pitzadurak, zuloak edo kontrolik gabeko guneak. NGF hazten ari diren tolesturak (3b irudia, d, geziak moreak markatuta) bere horretan mantendu ziren transferitu ondoren. Bai FS-eta BS-NGFS FLG eskualdeek osatzen dute (3. irudian gezi urdinek adierazitako eskualde distiratsuak). Harrigarria bada ere, Ultrathin grafikoko filmen transferentziaren kasuan ikusitako kaltetutako eskualde bakanekin, Mikro tamainako Hainbat FLG eta MLG eskualdeetara konektatzen dira NGFra (3Dko geziak urdinez markatuta) pitzadurak edo etenik gabe transferitu ziren (3D. irudia). 3). . Osotasun mekanikoa areagotu zen Geroko karbono kobrezko sareetan transferitutako NGFren tenperatura eta SEM irudiak erabiliz, geroago ("FS-NGF: egitura eta propietateak") eztabaidatu zen bezala. Transferitutako BS-NGF / SIO2 / Si FS-NGF / SIO2 / SI longeragoa da 140 nm eta 17 nm-ko RMS balioekin, hurrenez hurren, Si6a eta B irudian (20 × 20 μm2). SIO2 / SI substratuan transferitutako NGFren balioa (RMS <2 nm) nabarmenagoa da (3 aldiz) NI-n hazi den NGF (SI2 irudia) baino. Horrez gain, FS-eta BS-NGF / SIO2 / SI laginen ertzetan egindako AFM irudiek NGF lodiera 100 eta 80 nm-ko lodiera erakutsi zuten hurrenez hurren (SI7 irudia). BS-NGFren lodiera txikiagoa azalaren emaitza izan daiteke aitzindariaren gasaren aurrean ez egotea.
NGF transferitu (NIAG) polimero gabe SiO2 / si wafer-en (ikus 2C irudia): (a, b) transferitutako FS-NGF-ren irudiak: handitzea baxua eta altua (paneleko laranja karratuari dagozkionak). Eremu tipikoak) - a). (c, d) transferitutako BS-NGF-ren irudiak: handitzeko baxua eta altua (C) panelean lauki laranjak erakusten duen eremu tipikoari dagokiona. (e, f) AFM transferitutako FS- eta BS-NGFS. Gezi urdinak FLG eskualdea adierazten du - kontraste distiratsua, zian gezia - Black MLG kontrastea, gezi gorria - kontraste beltza NGF eskualdea adierazten du, Magenta Gelak tolestura adierazten du.
Hazten eta Transferitutako FS-eta BS-NGFSren konposizio kimikoa X-Ray PhotoElectron espektroskopiak (XPS) aztertu zituen (4. irudia). Neurtutako espektroetan gailur ahul bat ikusi zen (4a, B), NI Substratu (850 e) rako (Niag) (Niag). Ez dira transferitutako FS-NGF / SIO2 / SI-ren espektro neurtutako gailurrik. Ez dira erakusten BS-NGF / SIO2 / SI-ren antzeko emaitzak. 4D-F zifrak C 1 S, O 1 S eta Si 2P-ren% 2P-ren espektroak erakutsi dituzte FS-NGF / SIO2 / SI. Grafitoaren C 1 S-ren energia loteslea 284.4 EV53.54 da. Grafito gailurren forma lineala asimetrikoa dela uste da, 4D54 irudian erakusten den moduan. Bereizmen handiko Core Core Core CO-M Spectrum (4.D irudia) ere transferentzia hutsa (hau da, ez da polimeroen hondakinik ez), aurreko ikasketekin bat datorrena38. C 1 S 1 s espektroaren mihiak (NIAG) eta transferentziaren ondoren 0,55 eta 0,62 EV dira, hurrenez hurren. Balio horiek SLG (0,49 EV SLG SIO2 substratu batean) baino handiagoa da 38. Hala ere, balio horiek aurrez jakinarazi baino txikiagoak dira, oso orientatutako grafeno pirolitiko laginetara (~ 0,75 ev) 53.54,55, egungo materialean karbono gune akastunik eza adieraziz. C 1 S eta O 1 S 1. mailako espektroak ere sorbaldak falta dira, bereizmen handiko gailurra deconvolution54 bereizmen beharra ezabatuz. Π → π * satelite gailurra dago 291.1 EV inguruan, maiz grafito laginetan ikusten dena. 103 EV eta 532.5 EV seinaleak SI 2P eta O 1 s Core Mailako espektroetan (ikus 4e, F) SiO2 56 substratuari egozten zaizkio, hurrenez hurren. XPS gainazaleko sentikorreko teknika da, beraz, NI eta SIO2-ri dagozkien seinaleak NGF transferentziaren aurretik eta ondoren detektatu dira, hurrenez hurren, FLG eskualdearen jatorria dela uste da. Antzeko emaitzak ikusi dira BS-NGF laginak (ez dira erakusten) transferitu.
Niag XPS emaitzak: (AC) Inkesta FS-NGF / Ni, BS-NGF / NI eta transferitu den FS-NGF / SIO2 / SI transferitutako FS-NGF / NI-ren konposizio atomiko desberdinen espektroak hurrenez hurren. (D-F) bereizmen handiko Core Mailako Core Mailetan C 1 S, O 1s eta Si 2P FS-NGF / SIO2 / SI lagina.
Transferitutako NGF kristalen kalitate orokorra X izpien difrakzioa (XRD) erabiliz ebaluatu zen. Transferitutako FS-eta BS-NGF / SIO2 / SI-ren XRD eredu tipikoak (0 0 0 2) eta (0 0 0 4) eta 56,6 ° eta 54,7 ° -koa erakusten dute, grafitoaren antzekoa. . Horrek NGFren kalitate kristal altua berresten du eta D = 0,335 nm-ko interlayer distantziari dagokio, transferentzia pausoaren ondoren mantentzen dena. Difrakzio gailurraren intentsitatea (0 0 0 2) gutxi gorabehera 30 aldiz da gutxi gorabehera difrakzio gailurretik (0 0 0 4), NGF kristal planoa laginaren gainazalarekin ondo lerrokatuta dagoela adieraziz.
Sem, Raman espektroskopia, XPS eta XRDren emaitzen arabera, BS-NGF / Ni kalitatea FS-NGF / NIren berdina zela aurkitu zen, nahiz eta bere RMS zakarra zertxobait handiagoa izan (SI2, SI2, SI5) eta SI7).
SLGek polimeroen laguntza-geruzak 200 nm lodiera arte uretan flotatu dezake. Konfigurazio hau normalean polimeroen laguntza kimikoen transferentzia prozesuetan erabiltzen da22,38. Grafenoa eta grafitoa hidrofoboak dira (angelu hezea 80-90 °) 57. Bi grafenoaren eta FLGren energia-gainazal potentzialak nahiko lauak direla jakinarazi dute, energia potentzial baxua (~ 1 kj / mol), gainazalean ur-mugimendua alboko zen58an. Hala ere, uretatik hiru grafeno-geruza kalkulatutako elkarrekintza kalkulatutakoak, gutxi gorabehera, 13 eta 15 kJ / MOL dira, hurrenez hurren, urriaren interakzioa NGF (300 geruza inguru) txikiagoa dela adieraziz, grafenoarekin alderatuta. Hori izan daiteke NGF-k uraren azalean laua izaten jarraitzen duen arrazoietako bat, grafenoa (uretan flotatzen duena) kizkurtzen eta apurtzen da. NGF erabat uretan murgilduta dagoenean (emaitzak NGF zakarra eta laua da), bere ertzak bihurritu egiten dira (SI4 irudia). Murgiltze osoaren kasuan, espero da NGF-uretako interakzioaren energia ia bikoiztu dela (NGF flotagarriarekin alderatuta) eta NGF-ren ertzak kontaktu angelu altua mantentzeko (hidrofobia) mantentzeko. Uste dugu estrategiak garatu daitezkeela NGFS kapsulatuen ertzak saihesteko. Planteamendu bat disolbatzaile mistoak erabiltzea da grafito filmaren erreakzio bustia modulatzeko59.
Aurretik jakinarazi da testu kimikoen transferentzia prozesu bidez SLG-ren transferentzia. Orokorrean onartzen da Van der Waals-en Filmak eta Substratuen artean (SiO2 / si38.411,46,60, SIC38, AU42, SI Pillars22 eta Lacy Carbon filmak30, 34 edo substratu malguak, hala nola, poliimidoa 37). Hemen suposatzen dugu mota bereko interakzioak nagusi direla. Ez genuen NGFren kalterik behatu hemen manipulazio mekanikoan (hutsean edo / edo atmosferako baldintzetan edo biltegiratzean) (adibidez, 2. irudia eta SI9). Gainera, ez dugu XPS C 1 s espektroan SIC gailurra behatu NGF / SIO2 / SI laginaren mailetan (4. irudia). Emaitza horiek adierazten dute ez dagoela NGF eta xede substratuaren arteko lotura kimikorik.
Aurreko atalean, "FS- eta BS-NGF-ren transferentzia polimeroak", erakutsi dugu NGF-k Nickel paperaren bi aldeetan hazi eta transferitu dezakeela. FS-NGF eta BS-NGF hauek ez dira berdinak gainazal zakarritasunari dagokionez, eta horrek mota bakoitzerako aplikazio egokienak esploratu zizkigun.
FS-NGFren gardentasuna eta azal leunagoa kontuan hartuta, bertako egitura, propietate optikoak eta elektrikoak zehatzago aztertu genituen. FS-NGFren egitura eta egitura polimeroen transferentziarik gabe transmisio elektronikoaren mikroskopia (TEM) irudiak eta hautatutako eremuaren elektroien analisia (Saiak) izan ziren. Dagozkien emaitzak 5. irudian agertzen dira. Planar temaren irudiak NGF eta FLG eskualdeen presentzia elektroien kontraste desberdinen ezaugarriak dituztenak agerian utzi zituen, hau da, ilunagoak eta distiratsuagoak dira, hurrenez hurren (5a irudia). Filmak, oro har, NGF eta FLG eskualde desberdinen arteko osotasun eta egonkortasun mekaniko ona erakusten du, gainjarpen ona eta kalterik edo malkoik gabe, SEM (3. irudia) eta handitasun handiko ikasketak ere (5C-E irudia). Bereziki, 5D irudian. Zubiaren egitura bere zatirik handienean erakusten da (5D irudian puntu beltzak markatutako posizioa, forma triangeluarra da eta 51 inguruko zabalera duen grafeno geruza batek osatzen du. 0,33 ± 0,01 NM arteko interplanar tartea duen konposizioa areagotzen da grafeno geruza batzuetara eskualde estuenean (5. irudian gezi beltz sendoaren amaiera).
Planar-free Niag lagin baten irudia karbono-lacy kobrezko sareta batean: (a, b) handitzeko tarte baxuak NGF eta FLG eskualdeak barne, paneleko eta paneleko hainbat eskualdeetako handitze-irudiak kolore bereko geziak markatuta daude. A eta C paneletan geziak berdeak kalteen arlo zirkularrak adierazten dituzte habe lerrokatze garaian. (I) Paneletan, A-tik C paneletan, eskualde desberdinetako saiakuntzak urdin, zian, laranja eta zirkulu gorriek adierazten dute, hurrenez hurren.
5C irudiko zinta egiturak (gezi gorriarekin markatuta) grafito-planoen orientazio bertikala da, filmean nanofoldak eratuz (5C irudian) gehienez azpimarratu gabeko zizaila estresa dela eta 30,61,62. Bereizmen handiko tenperadaren arabera, nanofolds 30 horiek NGF eskualdeko gainerako herrialdeak baino beste orientazio kristalografiko desberdina erakusten dute; Grafitoen izandako plano basalek ia bertikalki orientatuta daude, gainontzeko filmak bezala (5C irudian). Era berean, FLGren eskualdeak noizean behin banda itxurako tolestura linealak eta estuak erakusten ditu (geziak urdinez markatuta), 5b irudietan, 5b irudikapenetan, 5En, hurrenez hurren. 5. irudiko sarrerak FLG sektoreko bi eta hiru geruzaren grafeno geruzen presentzia berresten du (interplanar distantzia 0,33 ± 0,01 nm), gure aurreko emaitzak 30ekin ados dagoena. Gainera, polimero gabeko NGF-ren irudiak grabatu zituzten kobre-sareetan kobrezko saretuetan lacy karbono filmekin transferituta (goiko ikuspuntu temaren neurketak egin ondoren) si9 irudian agertzen dira. Ondo esekitako FLG eskualdea (gezi urdinarekin markatuta) eta SI9F irudian hautsitako eskualdea. Gezi urdina (transferitutako NGFren ertzean) nahita aurkezten da FLG eskualdeak transferentzia prozesua polimero gabe aurre egin dezakeela erakusteko. Laburbilduz, irudi horiek baieztatzen dute partzialki bertan behera utzitako NGF (FLG eskualdea barne) osotasun mekanikoa mantentzen duela ere manipulazio zorrotza eta hutsean egon ondoren, tenplu eta sem neurketetan zehar (SI9 irudia).
NGFren lautada bikaina dela eta (ikus 5a irudia), ez da zaila malutak [0001] domeinuaren ardatzean orientatzea, said egitura aztertzeko. Filmaren tokiko lodieraren eta kokapenaren arabera, intereseko hainbat eskualde (12 puntu) identifikatu ziren elektroien difrakzio ikasketetarako. 5A-C irudietan, eskualde tipiko horietatik lau koloretako zirkuluekin (urdina, zian, laranja eta kode gorria) erakusten da. 2. eta 3. irudiak said moduan. 5F eta G zifrak 5. eta 5. irudietan erakusten ziren FLG eskualdeetatik lortu ziren. 5b eta C irudietan erakusten den moduan, hurrenez hurren. Egitura hexagonala dute, bihurritutako grafenearen antzeko63. Bereziki, 5F irudiak hiru eredu esposatu ditu [0001] eremuaren ardatzaren orientazio bera dutenak, 10 ° eta 20 ° biratuz, hiru (10-10) hausnarketen angeluarrek frogatzen duten moduan. Era berean, 5G irudiak 20 ° -rek biratutako bi eredu hexagonalak erakusten ditu. FLG eskualdean bi edo hiru eredu hexagonal talde sor daitezke, hiru planoan edo hegazkinetik kanpoko grafeno geruzatatik 33 elkarren artean biratu. Aitzitik, 5. irudiko elektroien difrakzio ereduak (5a irudian agertzen diren NGF eskualdeari dagokiona) [0001] eredu bakarra erakusten du, puntualaren difrakzio intentsitate orokorrarekin, material lodiera handiagoari dagokiona. Eredu-eredu horiek FLG-k baino egitura grafitiko lodiagoari eta bitarteko orientazioari dagokio, 64. aurkibidean azaltzen den moduan. NGFren propietate kristalinoak karakterizatzeak bi edo hiru grafito (edo grafeno) kristalizatutako bizikidetza agerian utzi zuen. FLG eskualdean bereziki aipagarria da kristaliek nolabaiteko hegazkina edo hegazkinez kanpoko mentsazio maila dute. Aurretik 17 °, 22 ° eta 25 ° -ko planoko biraketa angeluak dituzten grafito partikulak / geruzak NGF-k NID 64 filmetan hazi dira. Azterketa honetan ikusitako biraketa angeluen balioak bat datoz aldez aurretik behatutako biraketa angeluekin (± 1 °) Blg63 grafeno bihurritzeko.
NGF / SIO2 / SI-ren propietate elektrikoak 300 k-tan neurtu ziren 10 × 3 mm2-ko azalera. Garraiolariaren kontzentrazioaren, mugikortasun eta eroankortasunaren balioak 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 eta 2000 S-CM-1 dira, hurrenez hurren. Gure NGFren mugikortasuna eta eroankortasun-balioak grafito naturalaren antzekoak dira eta komertzialki eskuragarri dauden grafito pirolitiko oso erabilgarriak baino (3000 ºC-tan ekoizten dira) 29. Behatutako elektroi-garraiolariaren kontzentrazio-balioak duela gutxi jakinarazten direnak (7,25 × 10 cm-3) baino handiagoa dira (7,25 × 10 cm-3) grafiko handiko grafikoko filmetarako.
FS-NGF-n TransmitiCesk-en neurketak ere egin ditugu Quartz Substratuetara (6. irudia). Emaitzen den espektroak 350-800 nm bitarteko% 62ko igarobide ia etengabea erakusten du, NGF argi ikusgai dagoenaren zeharkakoa dela adieraziz. Izan ere, "Kaust" izena 6B irudiko laginaren argazki digitalean ikus daiteke. NGFren egitura nanokristalinoa SLGren desberdina den arren, geruza kopurua gutxi gorabehera kalkulatu daiteke geruza gehigarri bakoitzeko% 2,3ko transmisioaren galeraren araua erabiliz65. Harreman horren arabera,% 38ko transmisio galera duten grafeno geruza kopurua 21 da. Grown NGF-k batez ere 300 grafeno geruzaz osatuta daude, hau da, 100 nm-ko lodiera (1. irudia, SI5 eta SI7 irudia). Hori dela eta, ikusitako gardentasun optikoa FLG eta MLG eskualdeei dagokie, filmean zehar banatzen direnez (1, 3, 5 eta 6C). Aurreko egiturazko datuek, eroankortasuna eta gardentasunak ere transferitutako NGFren kalitate kristalino handia berresten dute.
(a) UV ikusgai transmisioaren neurketa, b) Lesio ordezkaritzako NGF transferentzia tipikoa. (c) ngf-ren eskema (kutxa iluna) berdinketa berdintasunez banatutako FLG eta MLG eskualdeetan, lagin osoan ausazko forma gris gisa markatuta (ikus 1. irudia) (100 μm2-ko% 0,1-3 inguru). Diagramako ausazko forma eta tamaina ilustratiboetarako soilik dira eta ez dira benetako guneekin bat datozenak.
CVD-k hazitako NGF zeharrargitsua aurretik silikona gainazal biluzietara transferitu da eta eguzki zelulak15,16. Lortutako potentzia bihurtzeko eraginkortasuna (PCE)% 1,5 da. NGF hauek funtzio anitz egiten dituzte, esaterako, geruza konposatu aktiboak, garraio bideak kargatu eta elektrodo gardenak15,16. Hala ere, grafito filma ez da uniformea. Optimizazio gehiago beharrezkoa da grafito elektrodoaren oinarrizko erresistentzia eta igarotze optikoa arretaz kontrolatuz, bi propietate horiek paper garrantzitsua betetzen baitute Eguzki zelula -15.16-ren PCE balioa zehazteko. Normalean, grafeno filmak% 97,7 gardena dira, baina 200-3000 ohm / SQ.16-ren oinarrizko erresistentzia dute. Grafeno filmen gainazaleko erresistentzia murriztu daiteke geruza kopurua (grafeno geruza transferentzia anitz) eta HNO3 (~ 30 Ohm / SQ) dopinarekin handituz. 66. Hala ere, prozesu honek denbora luzea behar du eta transferentzia geruza ezberdinek ez dute beti harreman ona mantentzen. Gure aurreko alboko NGF-k 2000 s / cm eroankortasuna bezalako propietateak ditu, 50 OHM / SQ-ren aurkako erresistentzia. eta% 62 gardentasuna, alternatiba bideragarria bihurtuz, eguzki zeluletan kanal eroaleentzat edo kontraerasoen elektrodoetarako15,16.
BS-NGFren egitura eta gainazal kimika FS-NGFren antzekoak izan arren, bere zimurtasuna ezberdina da ("FS- eta BS-NGF" hazkundea). Aurretik, film grafitoaren ultra-mehea erabili genuen gas sentsore gisa. Hori dela eta, BS-NGF erabiltzeko bideragarritasuna probatu genuen gasaren sentsoretako zereginetarako (SI10 irudia). Lehenik eta behin, BS-NGF-ko MM2 tamainako zatiak elektrodo sentsorearen txipa (SI10A-C irudia) transdigitatzeko transferitu ziren. Txiparen fabrikazioaren xehetasunak lehenago jakinarazi ziren; Bere eremu sentikor aktiboa 9 mm267 da. SEM irudietan (SI10B eta C irudia), azpiko urrezko elektrodoa argi eta garbi ikusten da NGF bidez. Berriz ere ikus daiteke lagin guztientzako txipa uniformea lortu zela. Gasaren sentsoreen neurketak hainbat gas grabatu ziren (SI10D irudia) (SI11 irudia) eta lortutako erantzun tasak pikuetan agertzen dira. Si10g. Litekeena da SO2 (200 ppm), H2 (200 ppm), CO2 (% 2), H2S (200 PPM), eta NH3 (200) (200) (200) (200) (200 ppm). Kausa posible bat ez da 2. Gas22,68 izaera elektrofilikoa. Grafenoaren gainazalean adsorbatzen denean, sistemak gaur egungo elektroien xurgapena murrizten du. Aurretik argitaratutako sentsoreekin BS-NGF sentsorearen erantzunaren datuak alderatuz gero, Si2 taulan aurkezten da. NGF sentsoreak aktibatzeko mekanismoa UV plasma, O3 plasma edo termikoa erabiliz (50-150 ° C) agerian dauden laginen tratamendua etengabea da, etengabe sistemak kapsulatutako sistemak ezartzea da69.
CVD prozesuan zehar, grafenoaren hazkundea Catalyst substratuaren bi aldeetan gertatzen da41. Hala ere, BS-grafena normalean transferentzia prozesuan iraultzen da41. Ikerketa honetan, kalitate handiko NGF hazkundea eta NGF polimero gabeko transferentzia egin daitezke katalizatzailearen euskarriaren bi aldeetan lor daitekeela. BS-NGF FS-NM (~ 80 nm) da FS-NM (~ 100 nm) baino, eta desberdintasun hori azaltzen da BS-Ni ez dela zuzenean aitzindarako gas-fluxuaren aurrean azaltzen. Niarr substratuaren zimurtasunak NGFren zimurtasunean eragiten duela ere aurkitu dugu. Emaitza hauek adierazten dute FS-NGF plano plano planoa grafeno gisa (exfoliation metodoaren arabera) edo eguzki zelulen kanal eroale gisa15,16-ko kanal eroale gisa. Aitzitik, BS-NGF gas hautemateko (SI9 irudia) eta, agian, energia biltegiratzeko sistemak71,72 erabiliko dira.
Aurrekoa kontuan hartuta, erabilgarria da CVD-k hazitako grafito-filmekin eta Nickel Papera erabiliz argitaratutako egungo lana uztartzea. 2. taulan ikus daitekeenez, erabili dugun presio altuagoak erreakzio-denbora (hazkunde fasea) laburtu zuten tenperatura nahiko baxuetan (850-1300 ºC-ko tartean). Normala baino hazkunde handiagoa lortu genuen, hedapenerako potentziala adieraziz. Kontuan hartu beharreko beste faktore batzuk daude, eta horietako batzuk mahaian sartu ditugu.
Alde bikoitzeko kalitate handiko NGF Nickel Paper-en hazi zen CVD katalitikoaren bidez. Polimeroen substratu tradizionalak ezabatuz (CVD grafenoetan erabiltzen direnak, adibidez, CVD grafenoan erabilitakoak), NGF (nikelaren atzeko aldean hazitako eta aurreko aldeetan hazitako eta aurreko aldeak) prozesu kritikoko substratu batzuetara lortzen ditugu. NBEk, NGFk FLG eta MLG eskualdeak (normalean% 0,1 eta% 3,1 eta% 3,1 eta% 3,1) film luzean oso ondo integratuta daude. Planar Tem-ek erakusten du eskualde horiek bi edo hiru eta hiru grafito partikula (kristal edo geruzak, hurrenez hurren). FLG eta MLG eskualdeak dira FS-NGF-ren gardentasunaz argi ikusgai. Atzeko orriak dagokionez, aurreko orrien paraleloan eraman daitezke eta, erakusten den moduan, helburu funtzionala izan dezake (adibidez, gas hautemateko). Ikasketa hauek oso erabilgarriak dira industria-eskalako CVD prozesuetan hondakinak eta kostuak murrizteko.
Oro har, CVD NGF-ren batez besteko lodiera grafeno eta industriako (mikrometroa) grafito-xafla artean dago. Bere propietate interesgarrien sorta, produkzio eta garraiorako garatu dugun metodo sinplearekin konbinatuta, film hauek bereziki egokiak dira grafitoaren erantzun funtzionala behar duten aplikazioetarako, gaur egun erabiltzen diren industria-produkzio prozesu intentsiboak izan gabe.
25 μm-lodiko nickel papera (% 99,5 garbitasuna, goodfellow) CVD erreaktore komertzial batean instalatu zen (Aixtron 4 hazbeteko BMPRO). Sistema argonekin garbitu eta 10-3 mbarren oinarri-presio batera ebakuatu zen. Orduan, nikel papera jarri zen. ar / h2-n (NI papera 5 minutuz aurrez atxikita egon ondoren, 900 ºC-ko 500 mbar-ko presioaren eraginpean zegoen. Lagina 700 ºC-ko tenperaturara hoztu zen Ar fluxua (4000 cm3) 40 ° C-tan. Deskribatzen dira NGF hazkunde prozesua optimizatzeko xehetasunak. BUSONNOME30.
Laginaren azaleraren morfologia SEM bidez ikusi zen Zeiss Merlin mikroskopio bat erabiliz (1 KV, 50 PA) erabiliz. Laginaren gainazalaren zimurtasuna eta NGF lodiera AFM erabiliz (dimentsioko ikonoa, Bruker) erabiliz neurtu ziren. Tem eta saiakuntzaren neurketak Fei Titan 80-300 mikroskopio bat erabiliz egin ziren, distira handiko eremuko emisio pistola batekin (300 KV), Fei Wien motako monokromatorria eta CEOS Lens Aberazio Zuzentzaile esferikoa, azken emaitzak lortzeko. Ebazpen espaziala 0,09 nm. NGF laginak karbono-lacy estalitako kobrezko sareetara transferitu ziren temaren irudi lauak eta egituraren azterketa. Horrela, lagin-flocs gehienak eten egiten dira mintz euskarriaren poroetan. Transferitutako NGF laginak XRD-k aztertu zituen. X izpien difrakzio ereduak hauts difractometro bat erabiliz lortu ziren (Brucker, D2 faseko aldatzailea CU Kα iturria, 1.5418 Å eta Lynxeye detektagailua) CU erradiazio iturria erabiliz 3 mm-ko habe-lekua duen diametroa erabiliz.
Raman puntuko neurketa ugari grabatu ziren mikroskopio konfokal integratzailea erabiliz (Alpha 300 Ra, WITEC). Ilusio baxuko potentzia duen 532 nm laserra (% 25) erabili zen termikoki eragindako efektuak ekiditeko. X-Ray PhotoElectron espektroskopia (XPS) Ultra espektrometro batean 300 × 700 μm2-ko lagin-eremuan egin zen, eta 150 W.-ko espektroak 150 W.-ko espektro-espektroetan lortu ziren, hurrenez hurren, 160 EV eta 20 EV. SIO2-ra transferitutako NGF laginak piezetan moztu ziren (3 × 10 mm2) PLS6MW (1,06 μm) Ytterbium zuntz laser bidez 30 W. Copper Wire kontaktuetan (50 μm lodiera) zilarrezko pasta erabiliz mikroskopio optiko baten azpian. Garraio elektrikoa eta aretoaren efektu esperimentuak egin ziren lagin horietan 300 k-tan eta 9 teslako eremu magnetikoaren aldakuntza propietate fisikoetan (Evercool-II.a, Kuantum Design, AEB). Transmititutako UV-Vis espektroak Lambda 950 UV-ren espektrofotometro bat erabiliz grabatu ziren 350-800 NM NGF tarteetan Quartz substratuak eta kuartzo erreferentziako laginetara transferituta.
Erresistentzia kimikoaren sentsorea (elektrodoen arteko elektrodoen txipa) kableatu zen inprimatutako zirkuitu pertsonalizatua 73 eta erresistentzia iragazi egin zen. Gailua kokatuta dagoen zirkuitu inprimatutako taula Kontaktu terminaletara konektatuta dago eta gasaren sentsazio ganbera 74an kokatuta dago. Erresistentziaren neurketak 1 V-ko tentsioan hartu ziren, etengabeko eskaneatzearekin gasaren esposiziora eta berriro garbitzeko. Ganbera hasieran garbitu zen nitrogenoarekin 200 CM3-rekin garbituz, ordubetez, ganbaran dauden beste analito guztiak kentzeko, hezetasuna barne. Analisi indibidualak poliki-poliki ganbaran askatu ziren 200 cm3-ko fluxu-tasa berean, N2 zilindroa itxiz.
Artikulu honen bertsio berrikusia argitaratu da eta artikuluaren goiko aldean esteka bidez sar daiteke.
Inagaki, M. eta Kang, F. Karbono Materialak Zientzia eta Ingeniaritza: Oinarriak. Bigarren edizioa editatu da. 2014. 542.
Pearson, HO eskuliburua karbono, grafitoa, diamante eta fullerenes: propietateak, prozesamenduak eta aplikazioak. Lehen edizioa editatu da. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Arlo zabaleko grafeno grafeno / grafitoak. Eskaera. Fisika. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Balandin Grafeno eta nanoegituratutako karbono materialen propietate termikoak. Nat. Matt. 10 (8), 569-581 (2011).
Cheng ky, marroi pw eta cahill dg grafitoen eroankortasun termikoa NI (111) tenperatura baxuko lurrunaren gordailu kimikoaren bidez. adberbioa. Matt. 3. interfazea, 16 (2016).
HesJedal, T. Grafeno filmen etengabeko hazkundea, lurrun kimikoen gordailuaren bidez. Eskaera. Fisika. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Posta: 2012ko abuztuaren 23a