رشد یک لایه گرافیت شفاف روی نیکل و انتقال دو طرفه آن بدون پلیمر

از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین نتیجه، توصیه می‌کنیم از نسخه جدیدتر مرورگر خود استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل یا جاوا اسکریپت نمایش می‌دهیم.
فیلم‌های گرافیتی نانومقیاس (NGFها) نانومواد مقاومی هستند که می‌توانند با رسوب بخار شیمیایی کاتالیزوری تولید شوند، اما سوالاتی در مورد سهولت انتقال آنها و چگونگی تأثیر مورفولوژی سطح بر استفاده از آنها در دستگاه‌های نسل بعدی باقی می‌ماند. در اینجا ما رشد NGF را در دو طرف یک فویل نیکل پلی کریستالی (مساحت 55 سانتی‌متر مربع، ضخامت حدود 100 نانومتر) و انتقال بدون پلیمر آن (جلو و عقب، مساحت تا 6 سانتی‌متر مربع) گزارش می‌دهیم. با توجه به مورفولوژی فویل کاتالیزور، دو فیلم کربنی از نظر خواص فیزیکی و سایر مشخصات (مانند زبری سطح) متفاوت هستند. ما نشان می‌دهیم که NGFهایی با سطح پشتی ناهموارتر برای تشخیص NO2 مناسب هستند، در حالی که NGFهای صاف‌تر و رساناتر در سمت جلو (2000 زیمنس بر سانتی‌متر، مقاومت صفحه - 50 اهم بر متر مربع) می‌توانند رساناهای مناسبی برای کانال یا الکترود سلول خورشیدی باشند (زیرا 62٪ از نور مرئی را منتقل می‌کنند). به طور کلی، فرآیندهای رشد و انتقال شرح داده شده ممکن است به تحقق NGF به عنوان یک ماده کربنی جایگزین برای کاربردهای فناوری که در آنها گرافن و لایه‌های گرافیتی با ضخامت میکرون مناسب نیستند، کمک کند.
گرافیت یک ماده صنعتی پرکاربرد است. نکته قابل توجه این است که گرافیت دارای خواص چگالی جرمی نسبتاً کم و رسانایی حرارتی و الکتریکی درون صفحه‌ای بالا است و در محیط‌های حرارتی و شیمیایی سخت بسیار پایدار است1،2. گرافیت ورقه‌ای یک ماده اولیه شناخته شده برای تحقیقات گرافن است3. هنگامی که به لایه‌های نازک تبدیل می‌شود، می‌تواند در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله هیت سینک برای دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلفن‌های هوشمند4،5،6،7، به عنوان یک ماده فعال در حسگرها8،9،10 و برای محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی11.12 و لایه‌هایی برای لیتوگرافی در اشعه ماوراء بنفش شدید13،14، کانال‌های رسانا در سلول‌های خورشیدی15،16، استفاده شود. برای همه این کاربردها، اگر بتوان نواحی بزرگی از لایه‌های گرافیتی (NGFs) با ضخامت‌های کنترل شده در مقیاس نانو <100 نانومتر را به راحتی تولید و حمل کرد، یک مزیت قابل توجه خواهد بود.
فیلم‌های گرافیتی با روش‌های مختلفی تولید می‌شوند. در یک مورد، از روش جاسازی و انبساط و به دنبال آن لایه‌برداری برای تولید ورقه‌های گرافن استفاده شد10،11،17. این ورقه‌ها باید بیشتر به فیلم‌هایی با ضخامت مورد نیاز تبدیل شوند و اغلب تولید ورق‌های گرافیتی متراکم چندین روز طول می‌کشد. رویکرد دیگر شروع با پیش‌ماده‌های جامد گرافیت‌پذیر است. در صنعت، ورق‌های پلیمری کربونیزه (در دمای 1000 تا 1500 درجه سانتیگراد) و سپس گرافیتیزه (در دمای 2800 تا 3200 درجه سانتیگراد) می‌شوند تا مواد لایه‌ای با ساختار خوب تشکیل شوند. اگرچه کیفیت این فیلم‌ها بالا است، اما مصرف انرژی قابل توجه است1،18،19 و حداقل ضخامت به چند میکرون محدود می‌شود1،18،19،20.
رسوب شیمیایی بخار کاتالیزوری (CVD) یک روش شناخته شده برای تولید گرافن و لایه‌های گرافیت فوق نازک (<10 نانومتر) با کیفیت ساختاری بالا و هزینه معقول است21،22،23،24،25،26،27. با این حال، در مقایسه با رشد گرافن و لایه‌های گرافیت فوق نازک28، رشد و/یا کاربرد NGF در سطح وسیع با استفاده از CVD حتی کمتر مورد بررسی قرار گرفته است11،13،29،30،31،32،33.
فیلم‌های گرافن و گرافیت رشد یافته با CVD اغلب نیاز به انتقال به زیرلایه‌های کاربردی دارند34. این انتقال‌های لایه نازک شامل دو روش اصلی35 هستند: (1) انتقال بدون اچ 36،37 و (2) انتقال شیمیایی مرطوب مبتنی بر اچ (پشتیبانی از زیرلایه)14،34،38. هر روش مزایا و معایبی دارد و باید بسته به کاربرد مورد نظر، همانطور که در جای دیگر توضیح داده شده است35،39، انتخاب شود. برای فیلم‌های گرافن/گرافیت رشد یافته بر روی زیرلایه‌های کاتالیزوری، انتقال از طریق فرآیندهای شیمیایی مرطوب (که پلی متیل متاکریلات (PMMA) رایج‌ترین لایه پشتیبان مورد استفاده است) همچنان انتخاب اول است13،30،34،38،40،41،42. شما و همکاران. ذکر شد که هیچ پلیمری برای انتقال NGF استفاده نشده است (اندازه نمونه تقریباً 4 سانتی‌متر مربع)25،43، اما هیچ جزئیاتی در مورد پایداری نمونه و/یا جابجایی در طول انتقال ارائه نشده است. فرآیندهای شیمی مرطوب با استفاده از پلیمرها شامل چندین مرحله هستند، از جمله اعمال و حذف بعدی یک لایه پلیمری قربانی30،38،40،41،42. این فرآیند معایبی دارد: به عنوان مثال، بقایای پلیمری می‌توانند خواص فیلم رشد یافته را تغییر دهند38. پردازش اضافی می‌تواند پلیمر باقیمانده را حذف کند، اما این مراحل اضافی هزینه و زمان تولید فیلم را افزایش می‌دهد38،40. در طول رشد CVD، یک لایه گرافن نه تنها در قسمت جلویی فویل کاتالیزور (طرفی که رو به جریان بخار است) بلکه در قسمت پشتی آن نیز رسوب می‌کند. با این حال، قسمت پشتی یک محصول زائد محسوب می‌شود و می‌توان آن را به سرعت توسط پلاسمای نرم حذف کرد38،41. بازیافت این فیلم می‌تواند به حداکثر رساندن بازده کمک کند، حتی اگر کیفیت پایین‌تری نسبت به فیلم کربنی سطحی داشته باشد.
در اینجا، ما تهیه رشد دو وجهی NGF در مقیاس ویفر با کیفیت ساختاری بالا بر روی فویل نیکل پلی کریستالی با روش CVD را گزارش می‌دهیم. ارزیابی شد که چگونه زبری سطح جلویی و پشتی فویل بر مورفولوژی و ساختار NGF تأثیر می‌گذارد. ما همچنین انتقال مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست NGF بدون پلیمر را از هر دو طرف فویل نیکل بر روی زیرلایه‌های چند منظوره نشان می‌دهیم و نشان می‌دهیم که چگونه فیلم‌های جلویی و پشتی برای کاربردهای مختلف مناسب هستند.
بخش‌های زیر ضخامت‌های مختلف فیلم گرافیت را بسته به تعداد لایه‌های گرافن روی هم چیده شده مورد بحث قرار می‌دهند: (i) گرافن تک لایه (SLG، 1 لایه)، (ii) گرافن چند لایه (FLG، < 10 لایه)، (iii) گرافن چند لایه (MLG، 10-30 لایه) و (iv) NGF (حدود 300 لایه). مورد دوم رایج‌ترین ضخامت است که به صورت درصد مساحت بیان می‌شود (تقریباً 97٪ مساحت در هر 100 میکرومتر مربع)30. به همین دلیل است که کل فیلم به سادگی NGF نامیده می‌شود.
فویل‌های نیکل پلی‌کریستال مورد استفاده برای سنتز لایه‌های گرافن و گرافیت، به دلیل تولید و پردازش بعدی، بافت‌های متفاوتی دارند. ما اخیراً مطالعه‌ای را برای بهینه‌سازی فرآیند رشد NGF30 گزارش کرده‌ایم. ما نشان می‌دهیم که پارامترهای فرآیند مانند زمان آنیل و فشار محفظه در طول مرحله رشد، نقش مهمی در به دست آوردن NGFها با ضخامت یکنواخت دارند. در اینجا، ما رشد NGF را روی سطوح جلویی صیقلی (FS) و پشتی صیقلی نشده (BS) فویل نیکل بیشتر بررسی کردیم (شکل 1a). سه نوع نمونه FS و BS بررسی شدند که در جدول 1 فهرست شده‌اند. پس از بازرسی بصری، رشد یکنواخت NGF در هر دو طرف فویل نیکل (NiAG) را می‌توان با تغییر رنگ زیرلایه نیکل توده‌ای از خاکستری نقره‌ای فلزی مشخصه به رنگ خاکستری مات مشاهده کرد (شکل 1a)؛ اندازه‌گیری‌های میکروسکوپی تأیید شدند (شکل 1b، c). طیف رامان معمولی FS-NGF که در ناحیه روشن مشاهده شده و با فلش‌های قرمز، آبی و نارنجی در شکل 1b نشان داده شده است، در شکل 1c نشان داده شده است. پیک‌های رامان مشخصه گرافیت G (1683 cm−1) و 2D (2696 cm−1) رشد NGF بسیار بلوری را تأیید می‌کنند (شکل 1c، جدول SI1). در سراسر فیلم، غلبه طیف‌های رامان با نسبت شدت (I2D/IG) ~0.3 مشاهده شد، در حالی که طیف‌های رامان با I2D/IG = 0.8 به ندرت مشاهده شدند. عدم وجود پیک‌های معیوب (D = 1350 cm−1) در کل فیلم، کیفیت بالای رشد NGF را نشان می‌دهد. نتایج رامان مشابهی در نمونه BS-NGF به دست آمد (شکل SI1 a و b، جدول SI1).
مقایسه NiAG FS- و BS-NGF: (الف) عکسی از یک نمونه NGF معمولی (NiAG) که رشد NGF را در مقیاس ویفر (55 سانتی‌متر مربع) نشان می‌دهد و نمونه‌های فویل BS- و FS-Ni حاصل، (ب) تصاویر FS-NGF/Ni به‌دست‌آمده توسط میکروسکوپ نوری، (ج) طیف‌های رامان معمولی ثبت‌شده در موقعیت‌های مختلف در پنل b، (د، و) تصاویر SEM در بزرگنمایی‌های مختلف روی FS-NGF/Ni، (ه، ز) تصاویر SEM در بزرگنمایی‌های مختلف مجموعه BS-NGF/Ni. فلش آبی ناحیه FLG را نشان می‌دهد، فلش نارنجی ناحیه MLG (نزدیک ناحیه FLG) را نشان می‌دهد، فلش قرمز ناحیه NGF را نشان می‌دهد و فلش سرخابی چین‌خوردگی را نشان می‌دهد.
از آنجایی که رشد به ضخامت زیرلایه اولیه، اندازه کریستال، جهت‌گیری و مرزدانه‌ها بستگی دارد، دستیابی به کنترل معقول ضخامت NGF در نواحی بزرگ همچنان یک چالش است20،34،44. این مطالعه از مطالبی که قبلاً منتشر کرده‌ایم30 استفاده کرده است. این فرآیند یک ناحیه روشن 0.1 تا 3٪ در هر 100 میکرومتر ایجاد می‌کند230. در بخش‌های بعدی، نتایج هر دو نوع ناحیه را ارائه می‌دهیم. تصاویر SEM با بزرگنمایی بالا، وجود چندین ناحیه کنتراست روشن را در هر دو طرف نشان می‌دهند (شکل 1f، g)، که نشان‌دهنده وجود نواحی FLG و MLG است30،45. این موضوع همچنین توسط پراکندگی رامان (شکل 1c) و نتایج TEM (که بعداً در بخش "FS-NGF: ساختار و خواص" مورد بحث قرار می‌گیرد) تأیید شد. نواحی FLG و MLG مشاهده شده در نمونه‌های FS- و BS-NGF/Ni (NGF جلویی و پشتی رشد یافته روی نیکل) ممکن است روی دانه‌های بزرگ Ni(111) که در طول پیش از آنیل تشکیل شده‌اند، رشد کرده باشند22،30،45. چین‌خوردگی در هر دو طرف مشاهده شد (شکل 1b، با فلش‌های بنفش مشخص شده است). این چین‌خوردگی‌ها اغلب در لایه‌های گرافن و گرافیت رشد یافته با روش CVD به دلیل تفاوت زیاد در ضریب انبساط حرارتی بین گرافیت و زیرلایه نیکل یافت می‌شوند30،38.
تصویر AFM تأیید کرد که نمونه FS-NGF مسطح‌تر از نمونه BS-NGF است (شکل SI1) (شکل SI2). مقادیر زبری جذر میانگین مربعات (RMS) FS-NGF/Ni (شکل SI2c) و BS-NGF/Ni (شکل SI2d) به ترتیب 82 و 200 نانومتر هستند (اندازه‌گیری شده در مساحت 20 × 20 میکرومتر مربع). زبری بالاتر را می‌توان بر اساس آنالیز سطح فویل نیکل (NiAR) در حالت اولیه (شکل SI3) درک کرد. تصاویر SEM از FS و BS-NiAR در شکل‌های SI3a-d نشان داده شده‌اند که مورفولوژی‌های سطحی متفاوتی را نشان می‌دهند: فویل FS-Ni صیقل داده شده دارای ذرات کروی در اندازه نانو و میکرون است، در حالی که فویل BS-Ni صیقل داده نشده، نردبان تولید را نشان می‌دهد. به عنوان ذراتی با استحکام بالا. و کاهش. تصاویر با وضوح پایین و بالا از فویل نیکل آنیل شده (NiA) در شکل SI3e-h نشان داده شده است. در این شکل‌ها، می‌توانیم وجود چندین ذره نیکل با اندازه میکرون را در دو طرف فویل نیکل مشاهده کنیم (شکل SI3e-h). دانه‌های بزرگ ممکن است جهت‌گیری سطحی Ni(111) داشته باشند، همانطور که قبلاً گزارش شده است30،46. تفاوت‌های قابل توجهی در مورفولوژی فویل نیکل بین FS-NiA و BS-NiA وجود دارد. زبری بالاتر BS-NGF/Ni به دلیل سطح صیقل‌نخورده BS-NiAR است که سطح آن حتی پس از آنیل شدن نیز به طور قابل توجهی ناهموار باقی می‌ماند (شکل SI3). این نوع توصیف سطح قبل از فرآیند رشد، امکان کنترل زبری لایه‌های گرافن و گرافیت را فراهم می‌کند. لازم به ذکر است که زیرلایه اصلی در طول رشد گرافن، دچار نوعی سازماندهی مجدد دانه‌ها شده است که اندازه دانه را کمی کاهش داده و زبری سطح زیرلایه را در مقایسه با فویل آنیل شده و لایه کاتالیزور تا حدودی افزایش داده است22.
تنظیم دقیق زبری سطح زیرلایه، زمان آنیل (اندازه دانه)30،47 و کنترل رهایش43 به کاهش یکنواختی ضخامت منطقه‌ای NGF تا مقیاس میکرومتر مربع و/یا حتی نانومتر مربع (یعنی تغییرات ضخامت چند نانومتر) کمک می‌کند. برای کنترل زبری سطح زیرلایه، می‌توان روش‌هایی مانند صیقل‌کاری الکترولیتی فویل نیکل حاصل را در نظر گرفت48. سپس فویل نیکل پیش تیمار شده را می‌توان در دمای پایین‌تر (<900 درجه سانتیگراد)46 و زمان (<5 دقیقه) آنیل کرد تا از تشکیل دانه‌های بزرگ Ni(111) (که برای رشد FLG مفید است) جلوگیری شود.
گرافن SLG و FLG قادر به تحمل کشش سطحی اسیدها و آب نیستند و در طول فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب به لایه‌های پشتیبان مکانیکی نیاز دارند22،34،38. برخلاف انتقال شیمیایی مرطوب گرافن تک لایه با پشتیبانی پلیمری38، دریافتیم که هر دو طرف NGF رشد یافته می‌توانند 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 زیرلایه مشخص با اچینگ مرطوب فیلم Ni30.49 زیرین آغاز می‌شود. نمونه‌های رشد یافته NGF/Ni/NGF به مدت یک شب در 15 میلی‌لیتر HNO3 70% رقیق شده با 600 میلی‌لیتر آب دیونیزه (DI) قرار داده شدند. پس از حل شدن کامل فویل نیکل، FS-NGF درست مانند نمونه NGF/Ni/NGF صاف می‌ماند و روی سطح مایع شناور می‌شود، در حالی که BS-NGF در آب غوطه‌ور است (شکل 2a،b). سپس NGF جدا شده از یک بشر حاوی آب دیونیزه تازه به بشر دیگری منتقل شد و NGF جدا شده کاملاً شسته شد و این کار چهار تا شش بار از طریق ظرف شیشه‌ای مقعر تکرار شد. در نهایت، FS-NGF و BS-NGF روی بستر مورد نظر قرار گرفتند (شکل 2c).
فرآیند انتقال شیمیایی مرطوب بدون پلیمر برای NGF رشد یافته روی فویل نیکل: (الف) نمودار جریان فرآیند (برای جزئیات بیشتر به شکل SI4 مراجعه کنید)، (ب) عکس دیجیتال از NGF جدا شده پس از اچینگ نیکل (2 نمونه)، (ج) مثال انتقال FS – و BS-NGF به زیرلایه SiO2/Si، (د) انتقال FS-NGF به زیرلایه پلیمری مات، (ه) BS-NGF از همان نمونه پنل d (به دو قسمت تقسیم شده)، منتقل شده به کاغذ C با روکش طلا و Nafion (زیرلایه شفاف انعطاف پذیر، لبه ها با گوشه های قرمز مشخص شده اند).
توجه داشته باشید که انتقال SLG که با استفاده از روش‌های انتقال شیمیایی مرطوب انجام می‌شود، به زمان کل پردازش 20 تا 24 ساعت نیاز دارد 38. با تکنیک انتقال بدون پلیمر که در اینجا نشان داده شده است (شکل SI4a)، زمان کلی پردازش انتقال NGF به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد (تقریباً 15 ساعت). این فرآیند شامل موارد زیر است: (مرحله 1) یک محلول اچینگ تهیه کنید و نمونه را در آن قرار دهید (حدود 10 دقیقه)، سپس یک شب برای اچینگ نیکل صبر کنید (حدود 7200 دقیقه)، (مرحله 2) با آب دیونیزه بشویید (مرحله 3). در آب دیونیزه نگهداری کنید یا به زیرلایه هدف منتقل کنید (20 دقیقه). آب محبوس شده بین NGF و ماتریس حجمی با عمل مویینگی (با استفاده از کاغذ خشک‌کن) 38 حذف می‌شود، سپس قطرات آب باقی مانده با خشک کردن طبیعی (تقریباً 30 دقیقه) حذف می‌شوند و در نهایت نمونه به مدت 10 دقیقه در یک آون خلاء (10 تا 1 میلی بار) در دمای 50 تا 90 درجه سانتیگراد (60 دقیقه) 38 خشک می‌شود.
گرافیت به مقاومت در برابر حضور آب و هوا در دماهای نسبتاً بالا (≥ 200 درجه سانتیگراد) معروف است50،51،52. ما نمونه‌ها را با استفاده از طیف‌سنجی رامان، SEM و XRD پس از نگهداری در آب دیونیزه در دمای اتاق و در بطری‌های دربسته برای هر مکانی از چند روز تا یک سال آزمایش کردیم (شکل SI4). هیچ تخریب قابل توجهی مشاهده نشد. شکل 2c، FS-NGF و BS-NGF آزاد را در آب دیونیزه نشان می‌دهد. ما آنها را همانطور که در ابتدای شکل 2c نشان داده شده است، روی یک زیرلایه SiO2 (300 نانومتر)/Si ثبت کردیم. علاوه بر این، همانطور که در شکل 2d، e نشان داده شده است، NGF پیوسته را می‌توان به زیرلایه‌های مختلفی مانند پلیمرها (پلی‌آمید Thermabright از Nexolve و Nafion) و کاغذ کربنی با روکش طلا منتقل کرد. FS-NGF شناور به راحتی روی زیرلایه هدف قرار داده شد (شکل 2c، d). با این حال، نمونه‌های BS-NGF بزرگتر از 3 سانتی‌متر مربع هنگام غوطه‌ور شدن کامل در آب، به سختی قابل جابجایی بودند. معمولاً، وقتی در آب شروع به غلتیدن می‌کنند، به دلیل بی‌دقتی در جابجایی، گاهی اوقات به دو یا سه قسمت می‌شکنند (شکل 2e). در مجموع، ما توانستیم انتقال بدون پلیمر PS- و BS-NGF (انتقال یکپارچه پیوسته بدون رشد NGF/Ni/NGF در 6 سانتی‌متر مربع) را برای نمونه‌هایی تا مساحت 6 و 3 سانتی‌متر مربع به ترتیب انجام دهیم. هر قطعه بزرگ یا کوچک باقی مانده را می‌توان (به راحتی در محلول اچینگ یا آب دیونیزه دیده می‌شود) روی زیرلایه مورد نظر (~1 میلی‌متر مربع، شکل SI4b، به نمونه منتقل شده به شبکه مسی مانند "FS-NGF: ساختار و خواص (مورد بحث) در بخش "ساختار و خواص" مراجعه کنید) مراجعه کرد یا برای استفاده در آینده ذخیره کرد (شکل SI4). بر اساس این معیار، ما تخمین می‌زنیم که NGF را می‌توان با بازده تا 98-99٪ (پس از رشد برای انتقال) بازیابی کرد.
نمونه‌های انتقال بدون پلیمر به طور مفصل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. ویژگی‌های مورفولوژیکی سطح به دست آمده روی 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 نمونه‌ها بدون میکروسکوپ منتقل شده‌اند. آسیب‌های ساختاری قابل مشاهده مانند ترک، سوراخ یا نواحی باز شده. چین‌های روی NGF در حال رشد (شکل 3b، d، که با فلش‌های بنفش مشخص شده‌اند) پس از انتقال دست نخورده باقی ماندند. هر دو FS- و BS-NGF از نواحی FLG تشکیل شده‌اند (مناطق روشن که با فلش‌های آبی در شکل 3 نشان داده شده‌اند). به طور شگفت‌آوری، برخلاف معدود نواحی آسیب‌دیده‌ای که معمولاً در طول انتقال پلیمر از لایه‌های گرافیتی فوق نازک مشاهده می‌شوند، چندین ناحیه FLG و MLG با اندازه میکرون که به NGF متصل هستند (که با فلش‌های آبی در شکل 3d مشخص شده‌اند) بدون ترک یا شکستگی منتقل شدند (شکل 3d). 3). یکپارچگی مکانیکی با استفاده از تصاویر TEM و SEM از NGF منتقل شده بر روی شبکه‌های مسی توری-کربنی، همانطور که بعداً مورد بحث قرار گرفت ("FS-NGF: ساختار و خواص")، بیشتر تأیید شد. BS-NGF/SiO2/Si منتقل شده، زبرتر از FS-NGF/SiO2/Si با مقادیر rms به ترتیب 140 نانومتر و 17 نانومتر است، همانطور که در شکل SI6a و b (20 × 20 میکرومتر مربع) نشان داده شده است. مقدار RMS NGF منتقل شده بر روی زیرلایه SiO2/Si (RMS < 2 نانومتر) به طور قابل توجهی کمتر (حدود 3 برابر) از NGF رشد یافته روی نیکل است (شکل SI2)، که نشان می‌دهد زبری اضافی ممکن است با سطح نیکل مطابقت داشته باشد. علاوه بر این، تصاویر AFM انجام شده بر روی لبه‌های نمونه‌های FS- و BS-NGF/SiO2/Si، ضخامت NGF را به ترتیب 100 و 80 نانومتر نشان دادند (شکل SI7). ضخامت کمتر BS-NGF ممکن است نتیجه‌ی عدم تماس مستقیم سطح با گاز پیش‌ساز باشد.
NGF منتقل شده (NiAG) بدون پلیمر روی 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 پنل). نواحی معمول) – a). (c,d) تصاویر SEM از BS-NGF منتقل شده: بزرگنمایی کم و زیاد (مربوط به ناحیه معمول نشان داده شده توسط مربع نارنجی در پنل c). (e,f) تصاویر AFM از FS- و BS-NGF های منتقل شده. فلش آبی نشان دهنده ناحیه FLG است – کنتراست روشن، فلش فیروزه ای – کنتراست سیاه MLG، فلش قرمز – کنتراست سیاه نشان دهنده ناحیه NGF، فلش سرخابی نشان دهنده تاخوردگی است.
ترکیب شیمیایی FS- و BS-NGF های رشد یافته و منتقل شده توسط طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) تجزیه و تحلیل شد (شکل 4). یک پیک ضعیف در طیف های اندازه گیری شده (شکل 4a، b) مشاهده شد که مربوط به زیرلایه نیکل (850 eV) FS- و BS-NGF های رشد یافته (NiAG) است. هیچ پیکی در طیف های اندازه گیری شده FS- و BS-NGF/SiO2/Si انتقال یافته وجود ندارد (شکل 4c؛ نتایج مشابه برای BS-NGF/SiO2/Si نشان داده نشده است)، که نشان می دهد هیچ آلودگی نیکل باقی مانده ای پس از انتقال وجود ندارد. شکل های 4d-f طیف های با وضوح بالا از سطوح انرژی C1s، O1s و Si2p FS-NGF/SiO2/Si را نشان می دهند. انرژی اتصال C1s گرافیت 284.4 eV53.54 است. شکل خطی پیک‌های گرافیت عموماً نامتقارن در نظر گرفته می‌شود، همانطور که در شکل 4d54 نشان داده شده است. طیف C1s با وضوح بالا در سطح هسته (شکل 4d) نیز انتقال خالص (یعنی بدون باقیمانده پلیمری) را تأیید کرد، که با مطالعات قبلی سازگار است38. پهنای خطوط طیف‌های C1s نمونه تازه رشد یافته (NiAG) و پس از انتقال به ترتیب 0.55 و 0.62 eV است. این مقادیر بالاتر از مقادیر SLG (0.49 eV برای SLG روی زیرلایه SiO2)38 هستند. با این حال، این مقادیر کوچکتر از پهنای خطوط گزارش شده قبلی برای نمونه‌های گرافن پیرولیتیک با جهت‌گیری بالا (~0.75 eV)53،54،55 هستند که نشان دهنده عدم وجود مکان‌های کربن معیوب در ماده فعلی است. طیف‌های سطح پایه C1s و O1s نیز فاقد شانه هستند و نیاز به تجزیه پیک با وضوح بالا را از بین می‌برند54. یک پیک ماهواره‌ای π → π* در حدود 291.1 eV وجود دارد که اغلب در نمونه‌های گرافیت مشاهده می‌شود. سیگنال‌های 103 eV و 532.5 eV در طیف‌های سطح هسته Si 2p و O 1s (شکل 4e، f را ببینید) به ترتیب به زیرلایه SiO2 56 نسبت داده می‌شوند. XPS یک تکنیک حساس به سطح است، بنابراین فرض می‌شود سیگنال‌های مربوط به Ni و SiO2 که به ترتیب قبل و بعد از انتقال NGF شناسایی شده‌اند، از ناحیه FLG سرچشمه می‌گیرند. نتایج مشابهی برای نمونه‌های BS-NGF منتقل شده مشاهده شد (نشان داده نشده است).
نتایج NiAG XPS: (ac) طیف‌های بررسی ترکیبات اتمی عنصری مختلف به ترتیب FS-NGF/Ni رشد یافته، BS-NGF/Ni و FS-NGF/SiO2/Si انتقال یافته. (d-f) طیف‌های با وضوح بالا از ترازهای هسته C1s، O1s و Si2p نمونه FS-NGF/SiO2/Si.
کیفیت کلی کریستال‌های NGF منتقل‌شده با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD) ارزیابی شد. الگوهای XRD معمول (شکل SI8) از FS- و BS-NGF/SiO2/Si منتقل‌شده، وجود پیک‌های پراش (0 0 0 2) و (0 0 0 4) را در زوایای 26.6 و 54.7 درجه، مشابه گرافیت، نشان می‌دهند. این موضوع کیفیت کریستالی بالای NGF را تأیید می‌کند و مربوط به فاصله بین لایه‌ای d = 0.335 نانومتر است که پس از مرحله انتقال حفظ می‌شود. شدت پیک پراش (0 0 0 2) تقریباً 30 برابر پیک پراش (0 0 0 4) است که نشان می‌دهد صفحه کریستالی NGF به خوبی با سطح نمونه هم‌تراز شده است.
طبق نتایج SEM، طیف‌سنجی رامان، XPS و XRD، کیفیت BS-NGF/Ni مشابه FS-NGF/Ni بود، اگرچه زبری rms آن کمی بالاتر بود (شکل‌های SI2، SI5) و SI7).
SLGها با لایه‌های پشتیبان پلیمری تا ضخامت 200 نانومتر می‌توانند روی آب شناور شوند. این چیدمان معمولاً در فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب به کمک پلیمر استفاده می‌شود22،38. گرافن و گرافیت آبگریز هستند (زاویه مرطوب 80-90 درجه)57. گزارش شده است که سطوح انرژی پتانسیل گرافن و FLG کاملاً مسطح هستند و انرژی پتانسیل کمی (~1 کیلوژول بر مول) برای حرکت جانبی آب در سطح دارند58. با این حال، انرژی‌های برهمکنش محاسبه‌شده آب با گرافن و سه لایه گرافن به ترتیب تقریباً 13- و 15- کیلوژول بر مول هستند58، که نشان می‌دهد برهمکنش آب با NGF (حدود 300 لایه) در مقایسه با گرافن کمتر است. این ممکن است یکی از دلایلی باشد که NGF مستقل روی سطح آب مسطح باقی می‌ماند، در حالی که گرافن مستقل (که در آب شناور است) جمع می‌شود و می‌شکند. وقتی NGF کاملاً در آب غوطه‌ور می‌شود (نتایج برای NGF خشن و مسطح یکسان است)، لبه‌های آن خم می‌شوند (شکل SI4). در صورت غوطه‌وری کامل، انتظار می‌رود که انرژی برهمکنش NGF-آب تقریباً دو برابر شود (در مقایسه با NGF شناور) و لبه‌های NGF برای حفظ زاویه تماس بالا (آبگریزی) تا شوند. ما معتقدیم که می‌توان استراتژی‌هایی را برای جلوگیری از پیچ خوردگی لبه‌های NGFهای جاسازی شده توسعه داد. یک رویکرد، استفاده از حلال‌های مخلوط برای تعدیل واکنش خیس شدن فیلم گرافیتی است59.
انتقال SLG به انواع مختلف زیرلایه‌ها از طریق فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب قبلاً گزارش شده است. به طور کلی پذیرفته شده است که نیروهای ضعیف واندروالسی بین لایه‌های گرافن/گرافیت و زیرلایه‌ها وجود دارد (چه زیرلایه‌های سفت و سخت مانند SiO2/Si38،41،46،60، SiC38، Au42، ستون‌های Si22 و لایه‌های کربن توری30، 34 یا زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر مانند پلی‌آمید 37). در اینجا فرض می‌کنیم که برهمکنش‌های از همین نوع غالب هستند. ما هیچ آسیب یا لایه‌برداری NGF را برای هیچ یک از زیرلایه‌های ارائه شده در اینجا در طول جابجایی مکانیکی (در طول مشخصه‌یابی تحت شرایط خلاء و/یا اتمسفر یا در طول ذخیره‌سازی) مشاهده نکردیم (به عنوان مثال، شکل 2، SI7 و SI9). علاوه بر این، ما پیک SiC را در طیف XPS C1s از سطح هسته نمونه NGF/SiO2/Si مشاهده نکردیم (شکل 4). این نتایج نشان می‌دهد که هیچ پیوند شیمیایی بین NGF و زیرلایه هدف وجود ندارد.
در بخش قبلی، «انتقال بدون پلیمر FS- و BS-NGF»، نشان دادیم که NGF می‌تواند در هر دو طرف فویل نیکل رشد کرده و انتقال یابد. این FS-NGFها و BS-NGFها از نظر زبری سطح یکسان نیستند، که ما را بر آن داشت تا مناسب‌ترین کاربردها را برای هر نوع بررسی کنیم.
با توجه به شفافیت و سطح صاف‌تر FS-NGF، ساختار موضعی، خواص نوری و الکتریکی آن را با جزئیات بیشتری مطالعه کردیم. ساختار و ساختار FS-NGF بدون انتقال پلیمر با تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و تجزیه و تحلیل الگوی پراش الکترونی ناحیه انتخاب شده (SAED) مشخص شد. نتایج مربوطه در شکل 5 نشان داده شده است. تصویربرداری TEM مسطح با بزرگنمایی کم، وجود نواحی NGF و FLG را با ویژگی‌های کنتراست الکترونی متفاوت، یعنی نواحی تیره‌تر و روشن‌تر، به ترتیب نشان داد (شکل 5a). این فیلم به طور کلی یکپارچگی مکانیکی و پایداری خوبی را بین نواحی مختلف NGF و FLG نشان می‌دهد، با همپوشانی خوب و بدون آسیب یا پارگی، که توسط SEM (شکل 3) و مطالعات TEM با بزرگنمایی بالا (شکل 5c-e) نیز تأیید شد. به طور خاص، در شکل 5d ساختار پل در بزرگترین قسمت آن (موقعیتی که با فلش نقطه‌چین سیاه در شکل 5d مشخص شده است) نشان داده شده است، که با شکل مثلثی مشخص می‌شود و از یک لایه گرافن با عرض حدود 51 تشکیل شده است. این ترکیب با فاصله بین صفحه‌ای 0.33 ± 0.01 نانومتر، در باریک‌ترین ناحیه (انتهای فلش مشکی توپر در شکل 5d) به چندین لایه گرافن کاهش می‌یابد.
تصویر TEM مسطح از یک نمونه NiAG بدون پلیمر روی یک شبکه مسی توری کربنی: (الف، ب) تصاویر TEM با بزرگنمایی کم شامل نواحی NGF و FLG، (س) تصاویر بزرگنمایی بالا از نواحی مختلف در پنل-الف و پنل-ب با فلش‌های همرنگ مشخص شده‌اند. فلش‌های سبز در پنل‌های الف و ج نواحی دایره‌ای آسیب‌دیده در حین ترازبندی پرتو را نشان می‌دهند. (ف-ی) در پنل‌های الف تا ج، الگوهای SAED در نواحی مختلف به ترتیب با دایره‌های آبی، فیروزه‌ای، نارنجی و قرمز نشان داده شده‌اند.
ساختار روبانی در شکل 5c (با فلش قرمز مشخص شده است) جهت‌گیری عمودی صفحات شبکه گرافیت را نشان می‌دهد که ممکن است به دلیل تشکیل نانوفولدها در امتداد فیلم (شکل داخلی در شکل 5c) به دلیل تنش برشی اضافی جبران نشده باشد30،61،62. تحت TEM با وضوح بالا، این نانوفولدها 30 جهت‌گیری کریستالوگرافی متفاوتی نسبت به بقیه ناحیه NGF نشان می‌دهند. صفحات پایه شبکه گرافیت تقریباً به صورت عمودی جهت‌گیری شده‌اند، نه مانند بقیه فیلم به صورت افقی (شکل داخلی در شکل 5c). به طور مشابه، ناحیه FLG گاهی اوقات چین‌های خطی و باریک نوار مانند (مشخص شده با فلش‌های آبی) را نشان می‌دهد که به ترتیب در بزرگنمایی کم و متوسط ​​در شکل‌های 5b و 5e ظاهر می‌شوند. شکل داخلی در شکل 5e وجود لایه‌های گرافن دو و سه لایه را در بخش FLG تأیید می‌کند (فاصله بین صفحه‌ای 0.33 ± 0.01 نانومتر) که با نتایج قبلی ما مطابقت خوبی دارد30. علاوه بر این، تصاویر SEM ثبت شده از NGF بدون پلیمر که بر روی شبکه‌های مسی با لایه‌های کربنی توری (پس از انجام اندازه‌گیری‌های TEM از نمای بالا) منتقل شده‌اند، در شکل SI9 نشان داده شده‌اند. ناحیه FLG کاملاً معلق (با فلش آبی مشخص شده است) و ناحیه شکسته در شکل SI9f. فلش آبی (در لبه NGF منتقل شده) عمداً ارائه شده است تا نشان دهد که ناحیه FLG می‌تواند در برابر فرآیند انتقال بدون پلیمر مقاومت کند. به طور خلاصه، این تصاویر تأیید می‌کنند که NGF تا حدی معلق (از جمله ناحیه FLG) حتی پس از جابجایی دقیق و قرار گرفتن در معرض خلاء بالا در طول اندازه‌گیری‌های TEM و SEM، یکپارچگی مکانیکی خود را حفظ می‌کند (شکل SI9).
با توجه به مسطح بودن عالی NGF (به شکل 5a مراجعه کنید)، جهت‌دهی پولک‌ها در امتداد محور دامنه [0001] برای تجزیه و تحلیل ساختار SAED دشوار نیست. بسته به ضخامت موضعی فیلم و محل آن، چندین ناحیه مورد علاقه (12 نقطه) برای مطالعات پراش الکترونی شناسایی شدند. در شکل‌های 5a-c، چهار مورد از این نواحی معمول نشان داده شده و با دایره‌های رنگی (با کدگذاری آبی، فیروزه‌ای، نارنجی و قرمز) مشخص شده‌اند. شکل‌های 2 و 3 برای حالت SAED. شکل‌های 5f و g از ناحیه FLG نشان داده شده در شکل‌های 5 و 5 به دست آمده‌اند. همانطور که به ترتیب در شکل‌های 5b و c نشان داده شده است. آنها ساختار شش ضلعی مشابه گرافن پیچ خورده63 دارند. به طور خاص، شکل 5f سه الگوی روی هم قرار گرفته با جهت‌گیری یکسان محور ناحیه [0001] را نشان می‌دهد که 10 درجه و 20 درجه چرخیده‌اند، همانطور که با عدم تطابق زاویه‌ای سه جفت بازتاب (10-10) مشهود است. به طور مشابه، شکل 5g دو الگوی شش ضلعی روی هم قرار گرفته را نشان می‌دهد که 20 درجه چرخیده‌اند. دو یا سه گروه از الگوهای شش ضلعی در ناحیه FLG می‌توانند از سه لایه گرافن درون صفحه‌ای یا برون صفحه‌ای 33 که نسبت به یکدیگر چرخیده‌اند، ناشی شوند. در مقابل، الگوهای پراش الکترونی در شکل 5h,i (مربوط به ناحیه NGF نشان داده شده در شکل 5a) یک الگوی واحد [0001] با شدت پراش نقطه‌ای کلی بالاتر را نشان می‌دهند که مربوط به ضخامت بیشتر ماده است. این مدل‌های SAED مطابق با شاخص 64، با ساختار گرافیتی ضخیم‌تر و جهت‌گیری میانی نسبت به FLG مطابقت دارند. توصیف خواص کریستالی NGF، همزیستی دو یا سه کریستالیت گرافیت (یا گرافن) روی هم قرار گرفته را نشان داد. آنچه به ویژه در ناحیه FLG قابل توجه است این است که کریستالیت‌ها درجه خاصی از جهت‌گیری نادرست درون صفحه‌ای یا برون صفحه‌ای دارند. ذرات/لایه‌های گرافیت با زوایای چرخش درون صفحه‌ای ۱۷، ۲۲ و ۲۵ درجه قبلاً برای NGF رشد یافته روی فیلم‌های Ni 64 گزارش شده‌اند. مقادیر زاویه چرخش مشاهده شده در این مطالعه با زوایای چرخش مشاهده شده قبلی (±۱ درجه) برای گرافن پیچ خورده BLG63 سازگار است.
خواص الکتریکی NGF/SiO2/Si در دمای 300 کلوین بر روی مساحتی به ابعاد 10×3 میلی‌متر مربع اندازه‌گیری شد. مقادیر غلظت، تحرک و رسانایی حامل الکترون به ترتیب 1.6 × 1020 cm-3، 220 cm2 V-1 C-1 و 2000 S-cm-1 است. مقادیر تحرک و رسانایی NGF ما مشابه گرافیت طبیعی 2 و بالاتر از گرافیت پیرولیتیک بسیار جهت‌دار موجود در بازار (تولید شده در دمای 3000 درجه سانتیگراد)29 است. مقادیر غلظت حامل الکترون مشاهده شده دو مرتبه بزرگتر از مقادیر گزارش شده اخیر (7.25 × 10 cm-3) برای فیلم‌های گرافیتی با ضخامت میکرون است که با استفاده از ورق‌های پلی‌آمید با دمای بالا (3200 درجه سانتیگراد) 20 تهیه شده‌اند.
ما همچنین اندازه‌گیری‌های عبور نور مرئی-فرابنفش را روی FS-NGF منتقل شده به زیرلایه‌های کوارتز انجام دادیم (شکل 6). طیف حاصل، عبور تقریباً ثابت 62٪ را در محدوده 350 تا 800 نانومتر نشان می‌دهد که نشان می‌دهد NGF نسبت به نور مرئی شفاف است. در واقع، نام "KAUST" را می‌توان در عکس دیجیتالی نمونه در شکل 6b مشاهده کرد. اگرچه ساختار نانوبلوری NGF با SLG متفاوت است، اما می‌توان تعداد لایه‌ها را با استفاده از قانون 2.3٪ افت عبور به ازای هر لایه اضافی تقریباً تخمین زد65. طبق این رابطه، تعداد لایه‌های گرافن با افت عبور 38٪، 21 است. NGF رشد یافته عمدتاً از 300 لایه گرافن تشکیل شده است، یعنی حدود 100 نانومتر ضخامت (شکل 1، SI5 و SI7). بنابراین، فرض می‌کنیم که شفافیت نوری مشاهده شده مربوط به نواحی FLG و MLG است، زیرا آنها در سراسر فیلم توزیع شده‌اند (شکل‌های 1، 3، 5 و 6c). علاوه بر داده‌های ساختاری فوق، رسانایی و شفافیت نیز کیفیت بلوری بالای NGF منتقل‌شده را تأیید می‌کنند.
(الف) اندازه‌گیری عبور نور مرئی در برابر اشعه ماوراء بنفش، (ب) انتقال معمول NGF روی کوارتز با استفاده از یک نمونه نماینده. (ج) شماتیک NGF (جعبه تاریک) با نواحی FLG و MLG با توزیع یکنواخت که به صورت اشکال تصادفی خاکستری در سراسر نمونه مشخص شده‌اند (شکل 1 را ببینید) (تقریباً 0.1 تا 3 درصد مساحت در هر 100 میکرومتر مربع). اشکال تصادفی و اندازه‌های آنها در نمودار فقط برای اهداف نمایشی هستند و با مساحت‌های واقعی مطابقت ندارند.
NGF شفاف رشد یافته توسط CVD قبلاً به سطوح سیلیکونی بدون پوشش منتقل شده و در سلول‌های خورشیدی استفاده شده است15،16. بازده تبدیل توان حاصل (PCE) 1.5٪ است. این NGFها عملکردهای متعددی مانند لایه‌های ترکیبی فعال، مسیرهای انتقال بار و الکترودهای شفاف15،16 را انجام می‌دهند. با این حال، فیلم گرافیتی یکنواخت نیست. بهینه‌سازی بیشتر با کنترل دقیق مقاومت صفحه‌ای و عبور نوری الکترود گرافیتی ضروری است، زیرا این دو ویژگی نقش مهمی در تعیین مقدار PCE سلول خورشیدی دارند15،16. معمولاً فیلم‌های گرافنی 97.7٪ در برابر نور مرئی شفاف هستند، اما مقاومت صفحه‌ای 200 تا 3000 اهم بر مربع دارند16. مقاومت سطحی فیلم‌های گرافنی را می‌توان با افزایش تعداد لایه‌ها (انتقال چندگانه لایه‌های گرافنی) و آلایش با HNO3 (حدود 30 اهم بر مربع)66 کاهش داد. با این حال، این فرآیند زمان زیادی می‌برد و لایه‌های انتقال مختلف همیشه تماس خوبی را حفظ نمی‌کنند. NGF سمت جلویی ما دارای خواصی مانند رسانایی 2000 زیمنس بر سانتی‌متر، مقاومت صفحه فیلم 50 اهم بر مربع و شفافیت 62٪ است که آن را به جایگزینی مناسب برای کانال‌های رسانا یا الکترودهای شمارنده در سلول‌های خورشیدی تبدیل می‌کند15،16.
اگرچه ساختار و شیمی سطح BS-NGF مشابه FS-NGF است، اما زبری آن متفاوت است ("رشد FS- و BS-NGF"). پیش از این، ما از گرافیت لایه نازک22 به عنوان حسگر گاز استفاده می‌کردیم. بنابراین، امکان‌سنجی استفاده از BS-NGF را برای وظایف حسگر گاز آزمایش کردیم (شکل SI10). ابتدا، بخش‌هایی به اندازه میلی‌متر مربع از BS-NGF به تراشه حسگر الکترود بین‌رقتی منتقل شدند (شکل SI10a-c). جزئیات ساخت تراشه قبلاً گزارش شده است؛ ناحیه حساس فعال آن 9 میلی‌متر مربع است. در تصاویر SEM (شکل SI10b و c)، الکترود طلای زیرین به وضوح از طریق NGF قابل مشاهده است. مجدداً، می‌توان مشاهده کرد که پوشش یکنواخت تراشه برای همه نمونه‌ها حاصل شده است. اندازه‌گیری‌های حسگر گاز از گازهای مختلف ثبت شد (شکل SI10d) (شکل SI11) و نرخ پاسخ حاصل در شکل‌های SI10g نشان داده شده است. احتمالاً با سایر گازهای مزاحم از جمله SO2 (200 ppm)، H2 (2%)، CH4 (200 ppm)، CO2 (2%)، H2S (200 ppm) و NH3 (200 ppm). یکی از دلایل احتمالی، ماهیت الکتروفیلی گاز NO2 است22،68. هنگامی که روی سطح گرافن جذب می‌شود، جذب جریان الکترون‌ها توسط سیستم را کاهش می‌دهد. مقایسه داده‌های زمان پاسخ حسگر BS-NGF با حسگرهای منتشر شده قبلی در جدول SI2 ارائه شده است. مکانیسم فعال‌سازی مجدد حسگرهای NGF با استفاده از پلاسمای UV، پلاسمای O3 یا عملیات حرارتی (50-150 درجه سانتیگراد) نمونه‌های در معرض قرار گرفته، در حال انجام است و در حالت ایده‌آل با پیاده‌سازی سیستم‌های تعبیه شده دنبال می‌شود69.
در طول فرآیند CVD، رشد گرافن در هر دو طرف بستر کاتالیزور رخ می‌دهد41. با این حال، BS-گرافن معمولاً در طول فرآیند انتقال خارج می‌شود41. در این مطالعه، ما نشان می‌دهیم که رشد NGF با کیفیت بالا و انتقال NGF بدون پلیمر را می‌توان در هر دو طرف پایه کاتالیزور به دست آورد. BS-NGF نازک‌تر (حدود 80 نانومتر) از FS-NGF (حدود 100 نانومتر) است و این تفاوت با این واقعیت توضیح داده می‌شود که BS-Ni مستقیماً در معرض جریان گاز پیش‌ساز قرار نمی‌گیرد. ما همچنین دریافتیم که زبری بستر NiAR بر زبری NGF تأثیر می‌گذارد. این نتایج نشان می‌دهد که FS-NGF مسطح رشد یافته می‌تواند به عنوان ماده پیش‌ساز برای گرافن (با روش لایه‌برداری70) یا به عنوان یک کانال رسانا در سلول‌های خورشیدی15،16 استفاده شود. در مقابل، BS-NGF برای تشخیص گاز (شکل SI9) و احتمالاً برای سیستم‌های ذخیره انرژی71،72 که زبری سطح آن مفید خواهد بود، استفاده خواهد شد.
با توجه به موارد فوق، ترکیب کار فعلی با فیلم‌های گرافیتی منتشر شده قبلی که با روش CVD و با استفاده از فویل نیکل رشد یافته‌اند، مفید است. همانطور که در جدول 2 مشاهده می‌شود، فشارهای بالاتری که ما استفاده کردیم، زمان واکنش (مرحله رشد) را حتی در دماهای نسبتاً پایین (در محدوده 850 تا 1300 درجه سانتیگراد) کوتاه کرد. ما همچنین به رشد بیشتری نسبت به حالت معمول دست یافتیم که نشان دهنده پتانسیل انبساط است. عوامل دیگری نیز برای بررسی وجود دارد که برخی از آنها را در جدول آورده‌ایم.
NGF دو طرفه با کیفیت بالا بر روی فویل نیکل با استفاده از CVD کاتالیزوری رشد داده شد. با حذف زیرلایه‌های پلیمری سنتی (مانند زیرلایه‌های مورد استفاده در گرافن CVD)، ما به انتقال مرطوب تمیز و بدون نقص NGF (رشد یافته در قسمت‌های پشتی و جلویی فویل نیکل) به انواع زیرلایه‌های حیاتی فرآیند دست می‌یابیم. نکته قابل توجه این است که NGF شامل نواحی FLG و MLG (معمولاً 0.1٪ تا 3٪ در هر 100 میکرومتر مربع) است که از نظر ساختاری به خوبی در فیلم ضخیم‌تر ادغام شده‌اند. TEM مسطح نشان می‌دهد که این نواحی از پشته‌هایی از دو تا سه ذره گرافیت/گرافن (به ترتیب کریستال یا لایه) تشکیل شده‌اند که برخی از آنها دارای عدم تطابق چرخشی 10 تا 20 درجه هستند. نواحی FLG و MLG مسئول شفافیت FS-NGF در برابر نور مرئی هستند. در مورد صفحات پشتی، آنها می‌توانند به موازات صفحات جلویی حمل شوند و همانطور که نشان داده شده است، می‌توانند یک هدف کاربردی (به عنوان مثال، برای تشخیص گاز) داشته باشند. این مطالعات برای کاهش ضایعات و هزینه‌ها در فرآیندهای CVD در مقیاس صنعتی بسیار مفید هستند.
به طور کلی، ضخامت متوسط ​​NGF حاصل از CVD بین گرافن (کم و چند لایه) و صفحات گرافیت صنعتی (میکرومتری) قرار دارد. طیف خواص جالب آنها، همراه با روش ساده‌ای که ما برای تولید و انتقال آنها توسعه داده‌ایم، این فیلم‌ها را به ویژه برای کاربردهایی که نیاز به پاسخ عملکردی گرافیت دارند، بدون هزینه فرآیندهای تولید صنعتی پرانرژی که در حال حاضر استفاده می‌شوند، مناسب می‌کند.
یک فویل نیکل با ضخامت 25 میکرومتر (با خلوص 99.5%، Goodfellow) در یک راکتور CVD تجاری (Aixtron 4-inch BMPro) نصب شد. سیستم با آرگون پر شده و تا فشار پایه 10-3 میلی بار تخلیه شد. سپس فویل نیکل در Ar/H2 قرار داده شد (پس از پیش پخت فویل نیکل به مدت 5 دقیقه، فویل در معرض فشار 500 میلی بار در دمای 900 درجه سانتیگراد قرار گرفت). NGF به مدت 5 دقیقه در جریانی از CH4/H2 (هر کدام 100 سانتی متر مکعب) رسوب داده شد. سپس نمونه با استفاده از جریان Ar (4000 سانتی متر مکعب) با سرعت 40 درجه سانتیگراد در دقیقه تا دمای زیر 700 درجه سانتیگراد خنک شد. جزئیات مربوط به بهینه سازی فرآیند رشد NGF در جای دیگر شرح داده شده است30.
مورفولوژی سطح نمونه با استفاده از میکروسکوپ Zeiss Merlin (1 کیلوولت، 50 پیکوآمپر) توسط SEM مشاهده شد. زبری سطح نمونه و ضخامت NGF با استفاده از AFM (Dimension Icon SPM، Bruker) اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری‌های TEM و SAED با استفاده از میکروسکوپ FEI Titan 80-300 Cubed مجهز به تفنگ انتشار میدان با روشنایی بالا (300 کیلوولت)، مونوکروماتور نوع FEI Wien و یک اصلاح‌کننده انحراف کروی لنز CEOS برای به دست آوردن نتایج نهایی انجام شد. وضوح مکانی 0.09 نانومتر. نمونه‌های NGF برای تصویربرداری TEM مسطح و تجزیه و تحلیل ساختار SAED به شبکه‌های مسی با پوشش توری کربنی منتقل شدند. بنابراین، بیشتر لخته‌های نمونه در منافذ غشای پشتیبان معلق هستند. نمونه‌های NGF منتقل شده توسط XRD تجزیه و تحلیل شدند. الگوهای پراش پرتو ایکس با استفاده از یک پراش‌سنج پودری (بروکر، تغییردهنده فاز D2 با منبع Cu Kα، 1.5418 Å و آشکارساز LYNXEYE) با استفاده از یک منبع تابش Cu با قطر نقطه پرتو 3 میلی‌متر به دست آمدند.
چندین اندازه‌گیری نقطه‌ای رامان با استفاده از میکروسکوپ کانفوکال یکپارچه (Alpha 300 RA، WITeC) ثبت شد. برای جلوگیری از اثرات ناشی از حرارت، از لیزر 532 نانومتر با توان تحریک پایین (25%) استفاده شد. طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) بر روی یک طیف‌سنج Kratos Axis Ultra بر روی یک نمونه با مساحت 300 × 700 میکرومتر مربع با استفاده از تابش تک‌رنگ Al Kα (hν = 1486.6 eV) با توان 150 وات انجام شد. طیف‌های با وضوح بالا به ترتیب در انرژی‌های انتقال 160 eV و 20 eV به دست آمدند. نمونه‌های NGF منتقل شده بر روی SiO2 با استفاده از لیزر فیبر ایتربیم PLS6MW (1.06 میکرومتر) با توان 30 وات به قطعاتی (هر کدام 3 × 10 میلی‌متر مربع) برش داده شدند. اتصالات سیم مسی (ضخامت 50 میکرومتر) با استفاده از خمیر نقره در زیر میکروسکوپ نوری ساخته شدند. آزمایش‌های انتقال الکتریکی و اثر هال بر روی این نمونه‌ها در دمای 300 کلوین و تغییرات میدان مغناطیسی ± 9 تسلا در یک سیستم اندازه‌گیری خواص فیزیکی (PPMS EverCool-II، Quantum Design، ایالات متحده آمریکا) انجام شد. طیف‌های UV-vis عبوری با استفاده از یک اسپکتروفتومتر UV-vis مدل Lambda 950 در محدوده NGF 350-800 نانومتر که به زیرلایه‌های کوارتز و نمونه‌های مرجع کوارتز منتقل شده بودند، ثبت شدند.
حسگر مقاومت شیمیایی (تراشه الکترود متصل به هم) به یک برد مدار چاپی سفارشی ۷۳ متصل شد و مقاومت به صورت گذرا استخراج شد. برد مدار چاپی که دستگاه روی آن قرار دارد به ترمینال‌های تماسی متصل شده و درون محفظه حسگر گاز ۷۴ قرار داده شده است. اندازه‌گیری‌های مقاومت در ولتاژ ۱ ولت با اسکن مداوم از زمان پاکسازی تا قرار گرفتن در معرض گاز و سپس دوباره پاکسازی انجام شد. محفظه در ابتدا با پاکسازی با نیتروژن با حجم ۲۰۰ سانتی‌متر مکعب به مدت ۱ ساعت تمیز شد تا از حذف سایر آنالیت‌های موجود در محفظه، از جمله رطوبت، اطمینان حاصل شود. سپس آنالیت‌های منفرد با بستن سیلندر N2 به آرامی با همان سرعت جریان ۲۰۰ سانتی‌متر مکعب به داخل محفظه آزاد شدند.
نسخه اصلاح‌شده این مقاله منتشر شده است و از طریق لینک بالای مقاله قابل دسترسی است.
ایناگاکی، م. و کانگ، ف. علم و مهندسی مواد کربنی: مبانی. ویرایش دوم. 2014. 542.
پیرسون، HO، کتابچه راهنمای کربن، گرافیت، الماس و فولرن‌ها: خواص، پردازش و کاربردها. چاپ اول ویرایش شده است. ۱۹۹۴، نیوجرسی.
تسای، دبلیو. و همکاران. لایه‌های گرافن/گرافیت چندلایه با مساحت بزرگ به عنوان الکترودهای رسانای نازک شفاف. کاربرد. فیزیک. رایت. 95(12)، 123115(2009).
بالاندین، AA، خواص حرارتی گرافن و مواد کربنی نانوساختار. نات. مت. 10(8)، 569–581 (2011).
چنگ کی وای، براون پی دبلیو و کاهیل دی جی، رسانایی حرارتی لایه‌های گرافیت رشد یافته روی نیکل (111) با رسوب بخار شیمیایی در دمای پایین. قید. مت. رابط 3، 16 (2016).
هسجدال، ت. رشد پیوسته لایه‌های گرافن با رسوب شیمیایی بخار. کاربرد. فیزیک. رایت. 98(13)، 133106(2011).