در حال رشد یک فیلم گرافیتی شفاف در NI و انتقال دو طرفه آن بدون پلیمر

با تشکر از شما برای بازدید از Nature.com. نسخه مرورگر مورد استفاده شما از CSS محدود است. برای بهترین نتیجه ، توصیه می کنیم از نسخه جدیدتر مرورگر خود استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید). در ضمن ، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم ، ما سایت را بدون یک ظاهر طراحی شده یا جاوا اسکریپت نمایش می دهیم.
فیلم های گرافیتی نانو (NGF) نانومواد قوی هستند که می توانند توسط رسوب بخار شیمیایی کاتالیزوری تولید شوند ، اما سؤالاتی در مورد سهولت انتقال آنها و چگونگی تأثیر مورفولوژی سطح بر استفاده از آنها در دستگاه های نسل بعدی باقی مانده است. در اینجا ما رشد NGF را در دو طرف یک فویل نیکل پلی کریستالی (منطقه 55 سانتی متر مربع ، ضخامت در حدود 100 نانومتر) و انتقال بدون پلیمر آن (جلو و عقب ، ناحیه تا 6 سانتی متر مربع) گزارش می کنیم. با توجه به مورفولوژی فویل کاتالیزور ، دو فیلم کربن در خصوصیات بدنی و سایر خصوصیات آنها (مانند زبری سطح) متفاوت است. ما نشان می دهیم که NGF ها با پشتی سخت تر برای تشخیص NO2 مناسب هستند ، در حالی که NGF های نرم تر و رسانا تر در قسمت جلویی (2000 S/CM ، مقاومت در برابر ورق - 50 اهم در متر مربع) می توانند هادی های قابل دوام باشند. کانال یا الکترود سلول خورشیدی (از آنجا که 62 ٪ از نور مرئی را منتقل می کند). به طور کلی ، فرآیندهای رشد و حمل و نقل توصیف شده ممکن است به تحقق NGF به عنوان یک ماده کربن جایگزین برای کاربردهای فناوری کمک کند که در آن فیلم های گرافیتی گرافن و میکرون مناسب نیستند.
گرافیت یک ماده صنعتی گسترده است. نکته قابل توجه ، گرافیت دارای خواص چگالی جرم نسبتاً کم و هدایت حرارتی و الکتریکی در هواپیما بالا است و در محیط های حرارتی و شیمیایی خشن بسیار پایدار است. Flake Graphite یک ماده شروع مشهور برای Research Graphene3 است. هنگامی که به فیلم های نازک پردازش می شود ، می توان در طیف گسترده ای از برنامه ها ، از جمله سینک های گرما برای دستگاه های الکترونیکی مانند تلفن های هوشمند 4،5،6،7 ، به عنوان یک ماده فعال در سنسورها 8،9،10 و برای محافظت از تداخل الکترومغناطیسی 11 استفاده کرد. 12 و فیلم برای لیتوگرافی در ماوراء بنفش فوق العاده 13،14 ، کانال های انجام شده در سلول های خورشیدی 15،16. برای همه این برنامه ها ، اگر مناطق بزرگی از فیلم های گرافیتی (NGF) با ضخامت های کنترل شده در نانو <100 نانومتر بتوانند به راحتی تولید و حمل شوند ، این مزیت قابل توجه خواهد بود.
فیلم های گرافیتی با روش های مختلف تولید می شوند. در یک مورد ، تعبیه و گسترش به دنبال آن از لایه برداری برای تولید پوسته گرافن 10،11،17 استفاده شد. پوسته ها باید بیشتر به فیلم های ضخامت مورد نیاز پردازش شوند و اغلب برای تولید ورق های گرافیتی متراکم چند روز طول می کشد. رویکرد دیگر شروع با پیش سازهای جامد نمودار است. در صنعت ، ورق های پلیمرها کربن شده (در دمای 1000-1500 درجه سانتیگراد) و سپس گرافیک (در دمای 2800-3200 درجه سانتیگراد) برای تشکیل مواد لایه بندی شده به خوبی ساخته شده است. اگرچه کیفیت این فیلم ها زیاد است ، اما مصرف انرژی قابل توجه 1،18،19 و حداقل ضخامت به چند میکرون 1،18،19،20 است.
رسوب بخار شیمیایی کاتالیزوری (CVD) روشی شناخته شده برای تولید فیلم های گرافیتی گرافن و اولتراتین (<10 نانومتر) با کیفیت ساختاری بالا و هزینه مناسب 21،22،23،24،25،26،27 است. با این حال ، در مقایسه با رشد فیلمهای گرافیکی گرافن و اولتراتین 28 ، رشد و یا کاربرد NGF با استفاده از CVD حتی کمتر مورد بررسی قرار می گیرد.
فیلم های گرافن و گرافیتی با رشد CVD اغلب باید به بسترهای عملکردی 34 منتقل شوند. این انتقال فیلم نازک شامل دو روش اصلی 35 است: (1) انتقال غیر ETCH36،37 و (2) انتقال شیمیایی مرطوب مبتنی بر اچ (پشتیبانی شده) 14،34،38. هر روش دارای برخی از مزایا و معایب است و بسته به برنامه مورد نظر باید انتخاب شود ، همانطور که در جای دیگر 35،39 توضیح داده شده است. برای فیلم های گرافن/گرافیتی که بر روی بسترهای کاتالیزوری رشد می کنند ، از طریق فرآیندهای شیمیایی مرطوب (که از آن پلی متیل متاکریلات (PMMA) استفاده می شود ، متداول ترین لایه پشتیبانی است) اولین انتخاب 13،30،34،38،40،41،42 است. شما و همکاران ذکر شد که هیچ پلیمری برای انتقال NGF (اندازه نمونه تقریباً 4 سانتی متر مربع) 25،43 استفاده نشده است ، اما هیچ جزئیاتی در مورد ثبات نمونه و/یا جابجایی در هنگام انتقال ارائه نشده است. فرآیندهای شیمی مرطوب با استفاده از پلیمرها شامل چندین مرحله از جمله کاربرد و حذف متعاقب آن یک لایه پلیمری قربانی 30،38،40،41،42 است. این فرایند دارای مضرات است: به عنوان مثال ، باقیمانده های پلیمری می توانند خواص فیلم بزرگ شده را تغییر دهند. پردازش اضافی می تواند پلیمر باقیمانده را از بین ببرد ، اما این مراحل اضافی هزینه و زمان تولید فیلم 38،40 را افزایش می دهد. در طول رشد CVD ، لایه ای از گرافن نه تنها در قسمت جلوی فویل کاتالیزور (طرف مقابل جریان بخار) ، بلکه در قسمت پشت آن نیز قرار می گیرد. با این حال ، دومی یک محصول زباله محسوب می شود و با استفاده از پلاسما نرم 38،41 به سرعت قابل حذف است. بازیافت این فیلم می تواند به حداکثر رساندن عملکرد کمک کند ، حتی اگر از کیفیت کمتری نسبت به فیلم کربن چهره برخوردار باشد.
در اینجا ، ما از آماده سازی رشد دوقلوهای در مقیاس ویفر NGF با کیفیت ساختاری بالا بر روی فویل نیکل پلی کریستالی توسط CVD گزارش می کنیم. ارزیابی شد که چگونه زبری سطح جلو و عقب فویل بر مورفولوژی و ساختار NGF تأثیر می گذارد. ما همچنین انتقال مقرون به صرفه و سازگار با پلیمر از NGF را از هر دو طرف فویل نیکل بر روی بسترهای چند منظوره نشان می دهیم و نشان می دهیم که چگونه فیلم های جلو و عقب برای برنامه های مختلف مناسب هستند.
در بخش های بعدی بسته به تعداد لایه های گرافن انباشته شده ، ضخامت های مختلف فیلم گرافیتی را مورد بحث قرار می دهد: (i) گرافن تک لایه (SLG ، 1 لایه) ، (ii) چند لایه گرافن (FLG ، <10 لایه) ، (III) گرافن چند لایه (MLG ، 10-30 لایه) و (IV) NGF (300 لایه). دومی شایع ترین ضخامت است که به عنوان درصدی از مساحت (تقریباً 97 ٪ مساحت در 100 میکرومتر مربع) 30 بیان شده است. به همین دلیل کل فیلم به سادگی NGF نامیده می شود.
فویل های نیکل پلی کریستالی مورد استفاده برای سنتز فیلم های گرافن و گرافیت ، در نتیجه تولید و پردازش متعاقب آن دارای بافت های مختلفی هستند. ما اخیراً یک مطالعه را برای بهینه سازی روند رشد NGF30 گزارش دادیم. ما نشان می دهیم که پارامترهای فرآیند مانند زمان آنیل شدن و فشار محفظه در مرحله رشد نقش مهمی در به دست آوردن NGF های ضخامت یکنواخت دارند. در اینجا ، ما بیشتر در مورد رشد NGF در سطوح جبهه صیقلی (FS) و سطوح پشتی (BS) فویل نیکل بررسی کردیم (شکل 1A). سه نوع نمونه FS و BS مورد بررسی قرار گرفت ، که در جدول 1 ذکر شده است. پس از بازرسی بصری ، رشد یکنواخت NGF در هر دو طرف فویل نیکل (NIAG) را می توان با تغییر رنگ بستر فله Ni از یک رنگ خاکستری فلزی مشخص به رنگ خاکستری مات مشاهده کرد (شکل 1A) ؛ اندازه گیری میکروسکوپی تأیید شد (شکل 1B ، C). طیف معمولی رامان از FS-NGF مشاهده شده در منطقه روشن و نشان داده شده توسط فلش ​​های قرمز ، آبی و نارنجی در شکل 1b در شکل 1C نشان داده شده است. قله های مشخصه رامان گرافیت G (1683 سانتی متر - 1) و 2D (2696 cm - 1) رشد NGF بسیار کریستالی را تأیید می کنند (شکل 1C ، جدول SI1). در طول فیلم ، غالب طیف رامان با نسبت شدت (I2D/Ig) 0.3 ~ مشاهده شد ، در حالی که طیف رامان با I2D/Ig = 0.8 به ندرت مشاهده می شد. عدم وجود قله های معیوب (d = 1350 cm-1) در کل فیلم نشان دهنده کیفیت بالای رشد NGF است. نتایج مشابه رامان در نمونه BS-NGF به دست آمد (شکل SI1 A و B ، جدول SI1).
مقایسه NIAG FS- و BS-NGF: (الف) عکس نمونه NGF معمولی (NIAG) که نشان دهنده رشد NGF در مقیاس ویفر (55 cm2) و نمونه های فویل BS- و FS-NI است ، (b) تصاویر FS-NGF/ NI به دست آمده توسط یک میکروسکوپ نوری ، (C) Typify Tiply در Typifical Spectra ضبط شده است. در تصاویر FS -NGF/NI ، (E ، G) SEM در بزرگنمایی های مختلف BS -NGF/Ni را تنظیم می کند. فلش آبی نشانگر منطقه FLG است ، فلش نارنجی نشان دهنده منطقه MLG (در نزدیکی منطقه FLG) است ، فلش قرمز نشان دهنده منطقه NGF است و فلش Magenta نشانگر برابر است.
از آنجا که رشد به ضخامت بستر اولیه ، اندازه کریستال ، جهت گیری و مرزهای دانه بستگی دارد ، دستیابی به کنترل معقول ضخامت NGF در مناطق بزرگ یک چالش 20،34،44 است. در این مطالعه از محتوایی که قبلاً منتشر شده بود استفاده شده است. این فرایند منطقه ای روشن از 0.1 تا 3 ٪ در 100 میکرومتر 230 تولید می کند. در بخش های بعدی ، ما نتایج را برای هر دو نوع منطقه ارائه می دهیم. تصاویر SEM بزرگنمایی بالا وجود چندین منطقه کنتراست روشن در هر دو طرف را نشان می دهد (شکل 1F ، G) ، که نشانگر وجود مناطق FLG و MLG 30،45 است. این همچنین توسط پراکندگی رامان (شکل 1C) و نتایج TEM تأیید شد (بعداً در بخش "FS-NGF: ساختار و خواص" مورد بحث قرار گرفت). مناطق FLG و MLG مشاهده شده در نمونه های FS- و BS-NGF/NI (NGF جلو و عقب که روی Ni رشد کرده اند) ممکن است در دانه های بزرگ NI (111) که در طول قبل از انحق 22،30،45 شکل گرفته اند ، رشد کرده اند. تاشو در هر دو طرف مشاهده شد (شکل 1B ، با فلش های بنفش مشخص شده است). این چین ها به دلیل تفاوت زیاد در ضریب انبساط حرارتی بین گرافیت و بستر نیکل 30،38 ، اغلب در فیلم های گرافن و گرافیت CVD یافت می شوند.
تصویر AFM تأیید کرد که نمونه FS-NGF نسبت به نمونه BS-NGF مسطح تر است (شکل SI1) (شکل SI2). میانگین ریشه مربع (RMS) مقادیر زبری FS-NGF/Ni (شکل SI2C) و BS-NGF/NI (شکل SI2D) به ترتیب 82 و 200 نانومتر است (اندازه گیری شده در مساحت 20 20 20 میکرومتر مربع). زبری بالاتر را می توان بر اساس تجزیه و تحلیل سطح فویل نیکل (NIAR) در حالت دریافت شده درک کرد (شکل SI3). تصاویر SEM از FS و BS-NIAR در شکل SI3A-D نشان داده شده است ، که نشان دهنده مورفولوژی های مختلف سطح است: فویل FS-NI صیقلی دارای ذرات کروی نانو و میکرون است ، در حالی که فویل BS-NI بدون استفاده از نردبان تولید است. به عنوان ذرات با استحکام بالا. و نزول تصاویر با وضوح پایین و بالا از فویل نیکل آنیل (NIA) در شکل SI3E -H نشان داده شده است. در این ارقام ، ما می توانیم وجود چندین ذرات نیکل به اندازه میکرون را در دو طرف فویل نیکل مشاهده کنیم (شکل SI3E-H). دانه های بزرگ ممکن است دارای جهت گیری سطح نیکل (111) باشند ، همانطور که قبلاً 30،46 گزارش شده است. تفاوت معنی داری در مورفولوژی فویل نیکل بین FS-NIA و BS-NIA وجود دارد. زبری بالاتر BS-NGF/Ni به دلیل سطح غیرقابل استفاده BS-niar است ، که سطح آن حتی پس از بازپخت (شکل SI3) به طور قابل توجهی خشن باقی می ماند. این نوع خصوصیات سطح قبل از فرآیند رشد اجازه می دهد تا زبری فیلم های گرافن و گرافیت کنترل شود. لازم به ذکر است که بستر اصلی در طی رشد گرافن ، برخی از سازماندهی مجدد دانه را انجام داده است ، که کمی اندازه دانه را کاهش داده و تا حدودی زبری سطح بستر را در مقایسه با فویل آنیل شده و فیلم کاتالیزور 22 افزایش داده است.
تنظیم دقیق زبری سطح بستر ، زمان بازپرداخت (اندازه دانه) 30،47 و کنترل آزاد 43 به کاهش یکنواختی ضخامت منطقه ای به مقیاس μM2 و/یا حتی NM2 کمک می کند (به عنوان مثال ، تغییرات ضخامت چند نانومتر). برای کنترل زبری سطح بستر ، روش هایی مانند پولیش الکترولیتی از فویل نیکل حاصل می تواند 48 در نظر گرفته شود. سپس فویل نیکل تحت درمان می تواند در دمای پایین تر (<900 درجه سانتیگراد) 46 و زمان (<5 دقیقه) آنیل شود تا از تشکیل دانه های بزرگ نیکل (111) (که برای رشد FLG مفید است) جلوگیری شود.
SLG و FLG Graphene قادر به مقاومت در برابر تنش سطح اسیدها و آب نیستند و به لایه های پشتیبانی مکانیکی در طی فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب 22،34،38 نیاز دارند. برخلاف انتقال شیمیایی مرطوب از پلیمر تک لایه گرافن 38 ، ما دریافتیم که هر دو طرف NGF به عنوان رشد می توانند بدون پشتیبانی پلیمری منتقل شوند ، همانطور که در شکل 2A نشان داده شده است (برای جزئیات بیشتر به شکل SI4A مراجعه کنید). انتقال NGF به یک بستر معین با اچ کردن مرطوب فیلم زیرین NI30.49 آغاز می شود. نمونه های NGF/NI/NGF رشد یافته یک شبه در 15 میلی لیتر از 70 ٪ HNO3 رقیق شده با 600 میلی لیتر آب دیونیزه شده (DI) قرار گرفتند. بعد از اینکه فویل Ni کاملاً حل شد ، FS-NGF صاف باقی می ماند و روی سطح مایع شناور می شود ، دقیقاً مانند نمونه NGF/Ni/NGF ، در حالی که BS-NGF در آب غوطه ور است (شکل 2A ، B). NGF جدا شده سپس از یک لیوان حاوی آب دیونیزه تازه به یک لیوان دیگر منتقل شد و NGF جدا شده کاملاً شسته شد و چهار تا شش بار از طریق ظرف شیشه ای مقعر تکرار شد. سرانجام ، FS-NGF و BS-NGF روی بستر مورد نظر قرار گرفتند (شکل 2C).
فرآیند انتقال شیمیایی مرطوب بدون پلیمر برای NGF رشد یافته بر روی فویل نیکل: (الف) نمودار جریان فرآیند (برای جزئیات بیشتر به شکل SI4 مراجعه کنید) ، (ب) عکس دیجیتالی از NGF جدا شده پس از اچ (2 نمونه) ، (ج) مثال FS-و BS-NGF به SiO2/Si Subtrate (D) FS-NGF Transfert to Opt-ngf نمونه همان پانل D (به دو قسمت تقسیم شده است) ، به کاغذ C اندود شده با طلا و Nafion (بستر شفاف انعطاف پذیر ، لبه های مشخص شده با گوشه های قرمز) منتقل شده است.
توجه داشته باشید که انتقال SLG با استفاده از روشهای انتقال شیمیایی مرطوب نیاز به زمان کل پردازش 20-24 ساعت 38 دارد. با استفاده از تکنیک انتقال بدون پلیمر در اینجا (شکل SI4A) ، زمان کلی پردازش انتقال NGF به طور قابل توجهی کاهش می یابد (تقریباً 15 ساعت). این فرآیند شامل موارد زیر است: (مرحله 1) یک محلول اچینگ را تهیه کنید و نمونه را در آن قرار دهید (10 دقیقه پوند) ، سپس یک شب برای اچ کردن نیکل (7200 دقیقه) صبر کنید ، (مرحله 2) با آب دیونیزه شستشو دهید (مرحله - 3). در آب دیونیزه شده یا انتقال به بستر هدف (20 دقیقه) ذخیره کنید. آب به دام افتاده بین NGF و ماتریس فله با عمل مویرگی (با استفاده از کاغذ بلات) 38 برداشته می شود ، سپس قطرات آب باقی مانده با خشک شدن طبیعی (تقریباً 30 دقیقه) برداشته می شوند و در آخر نمونه به مدت 10 دقیقه خشک می شود. حداقل در یک اجاق خلاء (10-1 MBAR) در دمای 50-90 درجه سانتیگراد (60 دقیقه) 38.
گرافیت برای مقاومت در برابر حضور آب و هوا در دماهای نسبتاً بالا (200 درجه سانتیگراد) 50،51،52 شناخته شده است. ما نمونه ها را با استفاده از طیف سنجی رامان ، SEM و XRD پس از ذخیره در آب دیونیزه شده در دمای اتاق و در بطری های بسته شده برای هر نقطه از چند روز تا یک سال آزمایش کردیم (شکل SI4). هیچ تخریب قابل توجهی وجود ندارد. شکل 2C FS-NGF و BS-NGF را در آب دیونیزه شده آزاد نشان می دهد. ما آنها را در یک بستر SiO2 (300 نانومتر)/SI ضبط کردیم ، همانطور که در ابتدای شکل 2C نشان داده شده است. علاوه بر این ، همانطور که در شکل 2D ، E نشان داده شده است ، NGF مداوم را می توان به بسترهای مختلف مانند پلیمرها (پلی آمید Thermabright از Nexolve و Nafion) و کاغذ کربن با روکش طلا منتقل کرد. FS-NGF شناور به راحتی در بستر هدف قرار گرفت (شکل 2C ، D). با این حال ، نمونه های BS-NGF بزرگتر از 3 سانتی متر مربع هنگام غوطه ور شدن کاملاً در آب دشوار بود. معمولاً ، هنگامی که آنها شروع به چرخش در آب می کنند ، به دلیل دست زدن به بی دقتی ، گاهی اوقات به دو یا سه قسمت تقسیم می شوند (شکل 2E). به طور کلی ، ما قادر به دستیابی به انتقال بدون پلیمر PS- و BS-NGF (انتقال مداوم بدون رشد NGF/Ni/NGF در 6 cm2) برای نمونه ها تا 6 و 3 cm2 در منطقه بودیم. هر قطعه بزرگ یا کوچک باقیمانده می تواند (به راحتی در محلول اچینگ یا آب دیونیزه شده) در بستر مورد نظر (1 میلی متر مربع ، شکل SI4B ، مشاهده شود ، نمونه منتقل شده به شبکه مس را مشاهده کنید مانند "fs-ngf: ساختار و خواص (مورد بحث) تحت" ساختار و خواص ") یا برای استفاده از آینده (شکل SI4) بر اساس این آشکار می تواند بر اساس این آشکار ، ما بر اساس این نقص ، ما بر اساس این آشکار می شود. 98-99 ٪ (پس از رشد برای انتقال).
نمونه های انتقال بدون پلیمر با جزئیات مورد بررسی قرار گرفت. خصوصیات مورفولوژیکی سطح به دست آمده در FS- و BS-NGF/SIO2/SI (شکل 2C) با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM) و تصاویر SEM (شکل SI5 و شکل 3) نشان داد که این نمونه ها بدون میکروسکوپ منتقل می شوند. آسیب ساختاری قابل مشاهده مانند ترک ، سوراخ یا مناطق بدون کنترل. چین های موجود در NGF در حال رشد (شکل 3B ، D ، که توسط فلش ​​های بنفش مشخص شده است) پس از انتقال دست نخورده باقی مانده است. هر دو FS- و BS-NGF از مناطق FLG تشکیل شده اند (مناطق روشن نشان داده شده توسط فلش ​​های آبی در شکل 3). با کمال تعجب ، بر خلاف معدود مناطق آسیب دیده که به طور معمول در هنگام انتقال پلیمر فیلم های گرافیت اولتراتین مشاهده می شود ، چندین منطقه FLG و MLG به اندازه میکرون به NGF (که توسط فلش ​​های آبی در شکل 3D مشخص شده است) بدون ترک و استراحت منتقل شدند (شکل 3D). 3) بشر یکپارچگی مکانیکی بیشتر با استفاده از تصاویر TEM و SEM از NGF منتقل شده بر روی شبکه های مس توری-کربن ، همانطور که بعداً مورد بحث قرار گرفت ("FS-NGF: ساختار و خصوصیات") تأیید شد. BS-NGF/SIO2/SI منتقل شده از FS-NGF/SIO2/SI با مقادیر RMS از 140 نانومتر و 17 نانومتر ، به ترتیب ، همانطور که در شکل SI6A و B (20 20 20 میکرومتر مربع) نشان داده شده است ، سخت تر است. مقدار RMS از NGF که بر روی بستر SiO2/SI منتقل شده است (RMS <2 نانومتر) به طور قابل توجهی پایین تر (حدود 3 بار) از NGF رشد یافته در Ni (شکل SI2) است ، نشان می دهد که زبری اضافی ممکن است با سطح NI مطابقت داشته باشد. علاوه بر این ، تصاویر AFM انجام شده در لبه های نمونه های FS- و BS-NGF/SIO2/SI به ترتیب ضخامت NGF 100 و 80 نانومتر را نشان داد (شکل SI7). ضخامت کوچکتر BS-NGF ممکن است نتیجه ای باشد که سطح مستقیم در معرض گاز پیش ساز قرار نمی گیرد.
NGF (NIAG) بدون پلیمر در ویفر SIO2/SI (شکل 2C را ببینید): (A ، B) تصاویر SEM از FS-NGF منتقل شده: بزرگنمایی کم و زیاد (مربوط به مربع نارنجی در پانل). مناطق معمولی) - الف). (C ، D) تصاویر SEM از BS-NGF منتقل شده: بزرگنمایی کم و زیاد (مربوط به منطقه معمولی که توسط مربع نارنجی در پانل C نشان داده شده است). (E ، F) تصاویر AFM از FS- و BS-NGFS منتقل شده. فلش آبی نشان دهنده منطقه FLG - کنتراست روشن ، پیکان سیان - کنتراست MLG سیاه ، فلش قرمز - کنتراست سیاه نشان دهنده منطقه NGF است ، Arrow Magenta نشان دهنده برابر است.
ترکیب شیمیایی FS- و BS-NGFs رشد یافته و منتقل شده توسط طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت (شکل 4). اوج ضعیف در طیف های اندازه گیری شده مشاهده شد (شکل 4a ، b) ، مربوط به بستر نیکل (850 ولت) از رشد FS- و BS-NGFS (NIAG). هیچ قله ای در طیف اندازه گیری شده FS- و BS-NGF/SIO2/SI منتقل نشده وجود ندارد (شکل 4C ؛ نتایج مشابه برای BS-NGF/SIO2/SI نشان داده نشده است) ، نشان می دهد که هیچ آلودگی NI باقیمانده پس از انتقال وجود ندارد. شکل 4D-F طیفهای با وضوح بالا از سطح انرژی C 1 S ، O 1 S و Si 2P انرژی FS-NGF/SIO2/SI را نشان می دهد. انرژی اتصال C 1 S Graphite 284.4 EV53.54 است. شکل خطی قله های گرافیتی به طور کلی نامتقارن در نظر گرفته می شود ، همانطور که در شکل 4d54 نشان داده شده است. طیف C 1 S سطح هسته با وضوح بالا (شکل 4D) همچنین انتقال خالص را تأیید کرد (یعنی ، بدون مانده پلیمری) ، که مطابق با مطالعات قبلی 38 است. پهنای خط طیف C 1 S نمونه تازه رشد یافته (NIAG) و پس از انتقال به ترتیب 0.55 و 0.62 ولت است. این مقادیر بالاتر از SLG (0.49 ولت برای SLG در بستر SIO2) 38 است. با این حال ، این مقادیر کوچکتر از خطوط خطی که قبلاً گزارش شده بودند برای نمونه های گرافن پیرولیتیک بسیار گرا (75/0 ولت) 53،54،55 ، نشان می دهد که عدم وجود سایت های کربن معیوب در مواد فعلی است. طیفهای سطح زمین C 1 S و O 1 S نیز فاقد شانه ها هستند و نیاز به اوج اوج با وضوح بالا را از بین می برند. قله ماهواره ای π → π* در حدود 291.1 ولت وجود دارد که اغلب در نمونه های گرافیتی مشاهده می شود. سیگنال های 103 eV و 532.5 eV در طیف سطح هسته Si 2P و O 1 S (شکل 4E ، F) را به ترتیب به بستر SiO2 56 نسبت داده شده است. XPS یک تکنیک حساس به سطح است ، بنابراین سیگنال های مربوط به Ni و SiO2 تشخیص داده شده قبل و بعد از انتقال NGF ، به ترتیب فرض می شوند که از منطقه FLG سرچشمه می گیرند. نتایج مشابه برای نمونه های BS-NGF منتقل شده مشاهده شد (نشان داده نشده است).
نتایج NIAG XPS: (AC) طیف های بررسی ترکیبات اتمی مختلف عناصر مختلف FS-NGF/Ni ، BS-NGF/Ni و به ترتیب FS-NGF/SIO2/SI منتقل شده است. (D-F) طیف با وضوح بالا از سطح هسته C 1 S ، O 1S و Si 2P از نمونه FS-NGF/SIO2/SI.
کیفیت کلی کریستال های NGF منتقل شده با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD) مورد بررسی قرار گرفت. الگوهای XRD معمولی (شکل SI8) از FS- و BS-NGF/SIO2/SI منتقل شده وجود قله های پراش (0 0 0 2) و (0 0 0 4) را در 26.6 درجه و 54.7 درجه ، مشابه گرافیت نشان می دهد. بشر این کیفیت کریستالی بالای NGF را تأیید می کند و با فاصله لایه ای از D = 0.335 نانومتر مطابقت دارد ، که پس از مرحله انتقال حفظ می شود. شدت اوج پراش (0 0 0 2) تقریباً 30 برابر اوج پراش (0 0 0 4) است ، نشان می دهد که هواپیمای کریستالی NGF به خوبی با سطح نمونه تراز شده است.
با توجه به نتایج SEM ، طیف سنجی رامان ، XPS و XRD ، کیفیت BS-NGF/Ni همانند FS-NGF/Ni است ، اگرچه زبری RMS آن کمی بیشتر بود (شکل SI2 ، SI5) و SI7).
SLG ها با لایه های پشتیبانی پلیمری تا 200 نانومتر ضخامت می توانند روی آب شناور شوند. این مجموعه معمولاً در فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب با کمک پلیمر 22،38 استفاده می شود. گرافن و گرافیت آبگریز (زاویه مرطوب 80-90 درجه) 57 هستند. گزارش شده است که سطوح انرژی بالقوه هر دو گرافن و FLG کاملاً مسطح است ، با انرژی پتانسیل کم (1 kJ/mol) برای حرکت جانبی آب در سطح 58. با این حال ، انرژی تعامل محاسبه شده آب با گرافن و سه لایه گرافن تقریباً - 13 و 15 کیلوژول در مول ، 58 به ترتیب است ، که نشان می دهد تعامل آب با NGF (حدود 300 لایه) در مقایسه با گرافن کمتر است. این ممکن است یکی از دلایلی باشد که NGF آزاد روی سطح آب صاف باقی می ماند ، در حالی که گرافن آزاد (که در آب شناور می شود) فرفری می شود و خراب می شود. هنگامی که NGF کاملاً در آب غوطه ور است (نتایج برای NGF خشن و مسطح یکسان است) ، لبه های آن خم می شوند (شکل SI4). در مورد غوطه وری کامل ، انتظار می رود انرژی تعامل با آب NGF تقریباً دو برابر شود (در مقایسه با NGF شناور) و لبه های برابر NGF برای حفظ زاویه تماس زیاد (آبگریز). ما معتقدیم که می توان استراتژی هایی را برای جلوگیری از پیچ و خم لبه های NGF های تعبیه شده تدوین کرد. یک رویکرد استفاده از حلال های مختلط برای تعدیل واکنش مرطوب کننده فیلم گرافیت 59 است.
انتقال SLG به انواع مختلف بسترها از طریق فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب قبلاً گزارش شده است. به طور کلی پذیرفته شده است که نیروهای ضعیف ون در والس بین فیلم های گرافن/گرافیتی و بسترها وجود دارند (خواه بسترهای سفت و سخت مانند SiO2/SI38،41،46،60 ، SIC38 ، AU42 ، SI PILLARS22 و فیلم های کربن Lacy 30 ، 34 یا بسترهای قابل انعطاف مانند پلی آمید 37). در اینجا فرض می کنیم که تعامل از همان نوع غالب است. ما هیچ گونه خسارت یا لایه برداری از NGF را برای هیچ یک از بسترهای ارائه شده در اینجا در هنگام کار با مکانیکی (در حین توصیف تحت شرایط خلاء و/یا جوی یا در حین ذخیره سازی) مشاهده نکردیم (به عنوان مثال ، شکل 2 ، SI7 و SI9). علاوه بر این ، ما یک قله SIC در طیف XPS C 1 S از سطح هسته نمونه NGF/SIO2/SI مشاهده نکردیم (شکل 4). این نتایج نشان می دهد که هیچ پیوند شیمیایی بین NGF و بستر هدف وجود ندارد.
در بخش قبلی ، "انتقال بدون پلیمر از FS- و BS-NGF" ، ما نشان دادیم که NGF می تواند در دو طرف فویل نیکل رشد و انتقال کند. این FS-NGFS و BS-NGF از نظر زبری سطح یکسان نیستند ، و این باعث شد که ما مناسب ترین برنامه ها را برای هر نوع کشف کنیم.
با توجه به شفافیت و سطح صاف تر FS-NGF ، ما ساختار محلی ، خواص نوری و الکتریکی آن را با جزئیات بیشتر مورد مطالعه قرار دادیم. ساختار و ساختار FS-NGF بدون انتقال پلیمر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و تجزیه و تحلیل الگوی پراش الکترونی منطقه انتخاب شده (SAED) مشخص شد. نتایج مربوطه در شکل 5 نشان داده شده است. تصویربرداری مسطح با بزرگنمایی کم ، حضور مناطق NGF و FLG با خصوصیات کنتراست الکترونی مختلف ، یعنی مناطق تیره تر و روشن تر را نشان داد (شکل 5A). این فیلم به طور کلی یکپارچگی مکانیکی خوب و ثبات بین مناطق مختلف NGF و FLG را نشان می دهد ، با همپوشانی خوب و خسارت یا پارگی ، که توسط SEM (شکل 3) و مطالعات TEM با بزرگنمایی بالا نیز تأیید شده است (شکل 5C-E). به طور خاص ، در شکل 5D ساختار پل را در بزرگترین قسمت خود نشان می دهد (موقعیت مشخص شده توسط فلش ​​با نقطه سیاه در شکل 5D) ، که با یک شکل مثلثی مشخص می شود و از یک لایه گرافن با عرض حدود 51 تشکیل شده است. ترکیب با فاصله بین لوله ای 0.01 ± 0.33 نانومتر بیشتر به چندین لایه گرافن در باریکترین منطقه کاهش می یابد (انتهای فلش سیاه جامد در شکل 5 D).
تصویر TEM مسطح از یک نمونه NIAG بدون پلیمر بر روی یک شبکه مس توری کربن: (الف ، ب) تصاویر TEM با بزرگنمایی کم از جمله مناطق NGF و FLG ، (CE) تصاویر بزرگنمایی زیاد از مناطق مختلف در پانل A و پانل-B با همان رنگ مشخص شده اند. فلش های سبز در پانل های A و C نشانگر مناطق دایره ای از آسیب در هنگام تراز پرتو هستند. (F -I) در پانل های A تا C ، الگوهای SAED در مناطق مختلف به ترتیب توسط دایره های آبی ، سیان ، نارنجی و قرمز نشان داده شده است.
ساختار روبان در شکل 5c نشان می دهد (با فلش قرمز مشخص شده است) جهت گیری عمودی هواپیماهای مشبک گرافیتی ، که ممکن است به دلیل تشکیل نانوذرات در طول فیلم باشد (در شکل 5C) به دلیل استرس بیش از حد برشی 30،61،62. تحت TEM با وضوح بالا ، این نانوفولد 30 جهت گیری کریستالوگرافی متفاوتی نسبت به بقیه منطقه NGF دارند. هواپیماهای پایه شبکه گرافیت تقریباً به صورت عمودی گرایش دارند ، نه به صورت افقی مانند بقیه فیلم (در شکل 5C). به طور مشابه ، منطقه FLG گاهی اوقات چین های باند خطی و باریک مانند (مشخص شده توسط فلش ​​های آبی) را نشان می دهد ، که به ترتیب در بزرگنمایی کم و متوسط ​​در شکل 5B ، 5E ظاهر می شوند. inset در شکل 5E وجود لایه های گرافن دو و سه لایه در بخش FLG (فاصله بین پلاناری 0.01 ± 0.01 نانومتر) را تأیید می کند ، که با نتایج قبلی ما توافق خوبی دارد. علاوه بر این ، تصاویر SEM ضبط شده از NGF عاری از پلیمر که بر روی شبکه های مسی با فیلم های کربن Lacy منتقل شده اند (پس از انجام اندازه گیری TEM با نمای بالا) در شکل SI9 نشان داده شده است. منطقه FLG به خوبی معلق (با فلش آبی مشخص شده است) و منطقه شکسته در شکل SI9F. فلش آبی (در لبه NGF منتقل شده) به طور عمدی ارائه می شود تا نشان دهد که منطقه FLG می تواند در برابر فرآیند انتقال بدون پلیمر مقاومت کند. به طور خلاصه ، این تصاویر تأیید می کنند که NGF تا حدی معلق (از جمله منطقه FLG) حتی پس از جابجایی دقیق و قرار گرفتن در معرض خلاء زیاد در طول اندازه گیری TEM و SEM ، یکپارچگی مکانیکی را حفظ می کند (شکل SI9).
با توجه به صافی عالی NGF (شکل 5A را ببینید) ، جهت گیری ساختار SAED ، جهت گیری پوسته ها در امتداد محور دامنه [0001] دشوار نیست. بسته به ضخامت محلی فیلم و موقعیت مکانی آن ، چندین منطقه مورد علاقه (12 امتیاز) برای مطالعات پراش الکترونی مشخص شد. در شکل 5a -c ، چهار مورد از این مناطق معمولی با دایره های رنگی (آبی ، سیان ، نارنجی و کدگذاری شده قرمز) نشان داده شده و مشخص شده است. شکل 2 و 3 برای حالت SAED. شکل 5F و G از ناحیه FLG نشان داده شده در شکل 5 و 5 به دست آمد. همانطور که در شکل 5b و c نشان داده شده است. آنها یک ساختار شش ضلعی شبیه به Twisted Graphene63 دارند. به طور خاص ، شکل 5f سه الگوی فوق العاده با همان جهت گیری از محور منطقه [0001] ، که توسط 10 درجه و 20 درجه چرخانده می شود ، نشان می دهد ، همانطور که توسط عدم تطابق زاویه ای سه جفت بازتاب (10-10) مشهود است. به طور مشابه ، شکل 5G دو الگوی شش ضلعی فوقانی را که توسط 20 درجه چرخانده شده است نشان می دهد. دو یا سه گروه از الگوهای شش ضلعی در منطقه FLG می توانند از سه لایه گرافن درون هواپیما یا خارج از هواپیما 33 نسبت به یکدیگر بچرخند. در مقابل ، الگوهای پراش الکترونی در شکل 5H ، I (مربوط به منطقه NGF نشان داده شده در شکل 5a) یک الگوی [0001] واحد را با شدت پراش نقطه ای بالاتر ، مربوط به ضخامت مواد بیشتر نشان می دهد. این مدل های SAED با یک ساختار گرافیکی ضخیم تر و جهت گیری واسطه نسبت به FLG مطابقت دارند ، همانطور که از شاخص 64 استنباط می شود. خصوصیات خصوصیات کریستالی NGF همزیستی دو یا سه کریستالیت گرافیت (یا گرافن) را نشان داد. آنچه در منطقه FLG به ویژه قابل توجه است این است که کریستال ها دارای درجه خاصی از سوء استفاده از هواپیما یا خارج از هواپیما هستند. ذرات/لایه های گرافیتی با زاویه چرخش درون هواپیما از 17 درجه ، 22 درجه و 25 درجه قبلاً برای NGF رشد یافته در فیلم های Ni 64 گزارش شده است. مقادیر زاویه چرخش مشاهده شده در این مطالعه با زاویه های چرخش قبلاً مشاهده شده (1 ±) برای گرافن BLG63 پیچ خورده سازگار است.
خواص الکتریکی NGF/SIO2/SI در 300 K در طی مساحت 3 × 3 میلی متر مربع اندازه گیری شد. مقادیر غلظت حامل الکترون ، تحرک و هدایت به ترتیب 1020 × 1020 cm-3 ، 220 cm2 v-1 C-1 و 2000 S-CM-1 است. مقادیر تحرک و هدایت NGF ما شبیه به گرافیت طبیعی طبیعی و بالاتر از گرافیت پیرولیتیک بسیار گرا (تولید شده در 3000 درجه سانتیگراد) 29 است. مقادیر غلظت حامل الکترونی مشاهده شده دو مرتبه بالاتر از مواردی است که اخیراً گزارش شده است (10 7.25 سانتی متر در 3) برای فیلم های گرافیتی با ضخامت میکرون تهیه شده با استفاده از ورق های پلی آمید با درجه حرارت بالا (3200 درجه سانتیگراد).
ما همچنین اندازه گیری انتقال UV- قابل مشاهده را در FS-NGF منتقل شده به بسترهای کوارتز انجام دادیم (شکل 6). طیف حاصل انتقال تقریبا ثابت 62 ٪ در محدوده 350-800 نانومتر را نشان می دهد ، نشان می دهد که NGF برای نور قابل مشاهده شفاف است. در حقیقت ، نام "Kaust" را می توان در عکس دیجیتالی نمونه در شکل 6b مشاهده کرد. اگرچه ساختار نانوکریستالی NGF با SLG متفاوت است ، اما تعداد لایه ها را می توان با استفاده از قاعده 2.3 ٪ از دست دادن انتقال در هر لایه اضافی تخمین زد. طبق این رابطه ، تعداد لایه های گرافن با 38 ٪ از دست دادن انتقال 21 است. NGF رشد یافته به طور عمده از 300 لایه گرافن ، یعنی در حدود 100 نانومتر ضخامت تشکیل شده است (شکل 1 ، SI5 و SI7). بنابراین ، ما فرض می کنیم که شفافیت نوری مشاهده شده با مناطق FLG و MLG مطابقت دارد ، زیرا آنها در طول فیلم توزیع می شوند (شکل 1 ، 3 ، 5 و 6c). علاوه بر داده های ساختاری فوق ، هدایت و شفافیت نیز کیفیت کریستالی بالای NGF منتقل شده را تأیید می کند.
(الف) اندازه گیری انتقال UV- قابل مشاهده ، (ب) انتقال معمولی NGF در کوارتز با استفاده از یک نمونه نماینده. (ج) شماتیک NGF (جعبه تاریک) با مناطق FLG و MLG به طور مساوی توزیع شده به عنوان اشکال تصادفی خاکستری در طول نمونه (شکل 1 را ببینید) (تقریباً 0.1-3 ٪ مساحت در 100 میکرومتر مربع). اشکال تصادفی و اندازه آنها در نمودار فقط برای اهداف مصور است و با مناطق واقعی مطابقت ندارد.
NGF شفاف که توسط CVD رشد کرده است قبلاً به سطوح سیلیکون لخت منتقل شده و در سلولهای خورشیدی 15،16 استفاده شده است. راندمان تبدیل قدرت حاصل (PCE) 1.5 ٪ است. این NGF ها عملکردهای مختلفی مانند لایه های ترکیبی فعال ، مسیرهای حمل و نقل شارژ و الکترودهای شفاف 15،16 را انجام می دهند. با این حال ، فیلم گرافیت یکنواخت نیست. بهینه سازی بیشتر با کنترل دقیق مقاومت ورق و انتقال نوری الکترود گرافیت ضروری است ، زیرا این دو خاصیت نقش مهمی در تعیین مقدار PCE سلول خورشیدی 15،16 دارند. به طور معمول ، فیلم های گرافن 97.7 ٪ شفاف از نور مرئی هستند ، اما مقاومت به ورق 200-3000 اهم در متر مربع دارند. با افزایش تعداد لایه ها (انتقال چندگانه لایه های گرافن) و دوپینگ با HNO3 (30 اهم در متر مربع) 66 مقاومت سطح فیلم های گرافن را می توان کاهش داد. با این حال ، این فرایند مدت زمان زیادی طول می کشد و لایه های مختلف انتقال همیشه تماس خوبی را حفظ نمی کنند. قسمت جلوی ما NGF دارای خواصی مانند رسانایی 2000 S/cm ، مقاومت به ورق فیلم 50 اهم در متر مربع است. و شفافیت 62 ٪ ، آن را به یک جایگزین مناسب برای کانال های رسانا یا الکترودهای ضد سلول در سلول های خورشیدی 15،16 تبدیل کرد.
اگرچه ساختار و شیمی سطحی BS-NGF مشابه FS-NGF است ، اما زبری آن متفاوت است ("رشد FS- و BS-NGF"). پیش از این ، ما از فیلم فوق العاده نازک Graphite22 به عنوان سنسور گاز استفاده می کردیم. بنابراین ، ما امکان استفاده از BS-NGF را برای کارهای سنجش گاز آزمایش کردیم (شکل SI10). اول ، بخش های MM2 از BS-NGF بر روی تراشه سنسور الکترود بین سازنده (شکل SI10A-C) منتقل شدند. جزئیات تولید تراشه قبلاً گزارش شده بود. منطقه حساس فعال آن 9 میلی متر مربع است. در تصاویر SEM (شکل SI10B و C) ، الکترود طلای زیرین از طریق NGF به وضوح قابل مشاهده است. باز هم ، مشاهده می شود که پوشش تراشه یکنواخت برای همه نمونه ها حاصل شده است. اندازه گیری سنسور گاز از گازهای مختلف ثبت شد (شکل SI10D) (شکل SI11) و میزان پاسخ حاصل از آن در شکل نشان داده شده است. SI10G به احتمال زیاد با سایر گازهای تداخل آور از جمله SO2 (200 ppm) ، H2 (2 ٪) ، CH4 (200 ppm) ، CO2 (2 ٪) ، H2S (200 ppm) و NH3 (200 ppm). یک علت احتمالی NO2 است. ماهیت الکتروفیلی GAS22،68. هنگامی که روی سطح گرافن جذب می شود ، جذب جریان الکترون ها توسط سیستم را کاهش می دهد. مقایسه داده های زمان پاسخ سنسور BS-NGF با سنسورهای قبلاً منتشر شده در جدول SI2 ارائه شده است. مکانیسم فعال کردن سنسورهای NGF با استفاده از پلاسما UV ، پلاسما O3 یا حرارتی (50-150 درجه سانتیگراد) نمونه های در معرض در حال انجام است ، به طور ایده آل با اجرای سیستم های تعبیه شده 69.
در طی فرآیند CVD ، رشد گرافن در هر دو طرف بستر کاتالیزور 41 رخ می دهد. با این حال ، BS-Graphene معمولاً در طی فرآیند انتقال 41 بیرون می رود. در این مطالعه ، ما نشان می دهیم که رشد NGF با کیفیت بالا و انتقال NGF بدون پلیمر می تواند در هر دو طرف پشتیبانی کاتالیزور حاصل شود. BS-NGF نسبت به FS-NGF (100 نانومتر) نازک تر است (100 نانومتر) ، و این تفاوت با این واقعیت توضیح داده می شود که BS-NI مستقیماً در معرض جریان گاز پیشرو قرار نمی گیرد. ما همچنین دریافتیم که زبری بستر NIAR بر زبری NGF تأثیر می گذارد. این نتایج نشان می دهد که FS-NGF مسطح رشد یافته می تواند به عنوان یک ماده پیشرو برای گرافن (با استفاده از روش لایه برداری 70) یا به عنوان یک کانال رسانا در سلول های خورشیدی 15،16 استفاده شود. در مقابل ، BS-NGF برای تشخیص گاز (شکل SI9) و احتمالاً برای سیستم های ذخیره انرژی 71،72 استفاده می شود که زبری سطح آن مفید خواهد بود.
با توجه به موارد فوق ، ترکیب کار فعلی با فیلم های گرافیتی که قبلاً منتشر شده توسط CVD و استفاده از فویل نیکل مفید است ، مفید است. همانطور که در جدول 2 مشاهده می شود ، فشارهای بالاتر که ما از آن استفاده کردیم ، زمان واکنش (مرحله رشد) حتی در دماهای نسبتاً کم (در محدوده 850-1300 درجه سانتیگراد) را کوتاه کرد. ما همچنین به رشد بیشتری نسبت به حد معمول دست یافتیم و این نشانگر پتانسیل گسترش است. عوامل دیگری نیز در نظر گرفته شده است که برخی از آنها در جدول قرار داده ایم.
NGF با کیفیت بالا دو طرفه بر روی فویل نیکل توسط CVD کاتالیزوری رشد یافت. با از بین بردن بسترهای سنتی پلیمری (مانند موارد مورد استفاده در گرافن CVD) ، ما به انتقال مرطوب تمیز و بدون نقص NGF (رشد یافته در قسمت های پشتی و جلو فویل نیکل) به انواع بسترهای مهم فرآیند می رسیم. نکته قابل توجه ، NGF شامل مناطق FLG و MLG (به طور معمول 0.1 ٪ تا 3 ٪ در 100 میکرومتر) است که از نظر ساختاری به خوبی در فیلم ضخیم تر ادغام شده اند. TEM مسطح نشان می دهد که این مناطق از پشته های دو تا سه ذرات گرافیت/گرافن (کریستال یا لایه ها ، به ترتیب) تشکیل شده اند که برخی از آنها دارای عدم تطابق چرخشی 10-20 درجه هستند. مناطق FLG و MLG مسئول شفافیت FS-NGF به نور مرئی هستند. در مورد ورق های عقب ، آنها را می توان به موازات ورق های جلو حمل کرد و همانطور که نشان داده شده است ، می تواند یک هدف کاربردی (برای مثال ، برای تشخیص گاز) داشته باشد. این مطالعات برای کاهش زباله و هزینه در فرآیندهای CVD در مقیاس صنعتی بسیار مفید است.
به طور کلی ، ضخامت متوسط ​​CVD NGF بین گرافن (کم و چند لایه) گرافن و ورق های گرافیتی صنعتی (میکرومتر) قرار دارد. دامنه خصوصیات جالب آنها ، همراه با روش ساده ای که برای تولید و حمل و نقل آنها ایجاد کرده ایم ، این فیلم ها را به ویژه برای برنامه های کاربردی که نیاز به پاسخ عملکردی گرافیت دارند ، بدون هزینه فرآیندهای تولید صنعتی با انرژی پر انرژی در حال حاضر مناسب می کند.
یک فویل نیکل به ضخامت 25 میکرومتر (99.5 ٪ خلوص ، Goodfellow) در یک راکتور CVD تجاری (Aixstron 4 اینچی BMPRO) نصب شد. این سیستم با آرگون پاک شد و به فشار پایه 10-3 MBAR تخلیه شد. سپس فویل نیکل قرار گرفت. در AR/H2 (پس از پیش از آن ، فویل Ni به مدت 5 دقیقه ، فویل در معرض فشار 500 MBAR در دمای 900 درجه سانتیگراد قرار گرفت. NGF در یک جریان CH4/H2 (هر 100 سانتی متر 3) به مدت 5 دقیقه رسوب شد. نمونه سپس به دمای زیر 700 درجه سانتیگراد با استفاده از جریان AR (4000 cm3) در دمای 4000 سانتی متر در دقیقه 40 درجه سانتیگراد در دمای زیر 700 درجه سانتیگراد خنک شد.
مورفولوژی سطح نمونه با استفاده از SEM با استفاده از میکروسکوپ Zeiss Merlin (1 کیلو ولت ، 50 PA) مشاهده شد. زبری سطح نمونه و ضخامت NGF با استفاده از AFM (نماد ابعاد SPM ، بروکر) اندازه گیری شد. اندازه گیری TEM و SAED با استفاده از میکروسکوپ مکعب 80-300 FEI Titan مجهز به اسلحه انتشار میدان روشنایی بالا (300 کیلو ولت) ، یک تک رنگ وین از نوع FEI و یک اصلاح کننده ناهنجاری کروی CEOS برای به دست آوردن نتایج نهایی انجام شد. وضوح مکانی 0.09 نانومتر. نمونه های NGF برای تصویربرداری از TEM مسطح و تجزیه و تحلیل ساختار SAED به شبکه های مس روکش شده کربن منتقل شدند. بنابراین ، بسیاری از نمونه های نمونه در منافذ غشای حامی به حالت تعلیق در می آیند. نمونه های NGF منتقل شده توسط XRD انجام شد. الگوهای پراش پرتو X با استفاده از پراش سنج پودر (Brucker ، Shifter فاز D2 با منبع مس Kα ، 1.5418 Å و آشکارساز Lynxeye) با استفاده از یک منبع تابش مس با قطر نقطه پرتو 3 میلی متر بدست آمد.
چندین اندازه گیری نقطه رامان با استفاده از میکروسکوپ کانفوکال یکپارچه (Alpha 300 RA ، WITEC) ثبت شد. از لیزر 532 نانومتری با قدرت تحریک کم (25 ٪) برای جلوگیری از اثرات ناشی از حرارت استفاده شد. طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) بر روی یک طیف سنج Ultra Axis Axis Kratos در یک منطقه نمونه از 700 μ 300 میکرومتر مربع با استفاده از تابش تک رنگ AL Kα (Hν = 1486.6 EV) در یک قدرت 150 W وضوح به ترتیب در انرژی انتقال 160 EV و 20 EV به دست آمد. نمونه های NGF منتقل شده به SiO2 به قطعات (10 × 10 میلی متر مربع) با استفاده از لیزر فیبر Ytterbium PLS6MW (1.06 میکرومولار) در 30 W. تماس سیم مس (50 میکرومتر ضخامت) با استفاده از خمیر نقره ای در زیر میکروسکوپ نوری ساخته شدند. آزمایش های حمل و نقل الکتریکی و آزمایش هال بر روی این نمونه ها با 300 K و تغییر میدان مغناطیسی 9 tesla ± در یک سیستم اندازه گیری ویژگی های فیزیکی انجام شد (PPMS Evercool-II ، Quantum Design ، USA). طیف UV -VIS منتقل شده با استفاده از اسپکتروفتومتر LambDA 950 UV -VIS در محدوده 350-800 نانومتر NGF منتقل شده به بسترهای کوارتز و نمونه های مرجع کوارتز ثبت شد.
سنسور مقاومت شیمیایی (تراشه الکترود interdigitated) به یک صفحه مدار چاپی سفارشی 73 وصل شد و مقاومت به طور موقت استخراج شد. برد مدار چاپی که دستگاه در آن قرار دارد به پایانه های تماس وصل شده و در داخل محفظه سنجش گاز 74 قرار داده شده است. اندازه گیری مقاومت در ولتاژ 1 ولت با اسکن مداوم از پاکسازی تا قرار گرفتن در معرض گاز گرفته شده و دوباره پاکسازی می شود. محفظه در ابتدا با پاکسازی با نیتروژن در 200 cm3 به مدت 1 ساعت تمیز شد تا از حذف سایر آنالیت های موجود در محفظه ، از جمله رطوبت اطمینان حاصل شود. آنالیت های فردی سپس با بستن سیلندر N2 به آرامی در همان سرعت جریان 200 سانتی متر مکعب آزاد شدند.
نسخه اصلاح شده این مقاله منتشر شده است و از طریق پیوند در بالای مقاله قابل دسترسی است.
Inagaki ، M. and Kang ، F. علوم و مهندسی مواد کربن: اصول. نسخه دوم ویرایش شده است. 2014. 542.
Pearson ، HO کتابچه راهنمای کربن ، گرافیت ، الماس و فولرن ها: خواص ، پردازش و برنامه ها. نسخه اول ویرایش شده است. 1994 ، نیوجرسی.
Tsai ، W. et al. فیلمهای گرافن/گرافیتی چند لایه منطقه بزرگ به عنوان الکترودهای رسانا نازک شفاف. برنامه فیزیک رایت 95 (12) ، 123115 (2009).
خواص حرارتی Balandin AA از مواد کربن گرافن و نانوساختار. نات. مت 10 (8) ، 569-581 (2011).
Cheng KY ، Brown PW و Cahill DG هدایت حرارتی فیلم های گرافیتی رشد یافته در NI (111) توسط رسوب بخار شیمیایی با دمای پایین. ضرب المثل مت رابط 3 ، 16 (2016).
Hesjedal ، T. رشد مداوم فیلم های گرافن توسط رسوب بخار شیمیایی. برنامه فیزیک رایت 98 (13) ، 133106 (2011).