Kiitos, että kävit Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi suosittelemme, että käytät uudempaa selainversiota (tai poistat yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin näytämme sivuston ilman tyylittelyä tai JavaScriptiä jatkuvan tuen varmistamiseksi.
Nanoskaalan grafiittikalvot (NGF) ovat kestäviä nanomateriaaleja, joita voidaan tuottaa katalyyttisellä kemiallisella höyrypinnoituksella, mutta niiden siirron helppous ja pinnan morfologia vaikuttavat niiden käyttöön seuraavan sukupolven laitteissa ovat edelleen epäselviä. Tässä raportissa raportoimme NGF:n kasvusta polykiteisen nikkelikalvon molemmille puolille (pinta-ala 55 cm2, paksuus noin 100 nm) ja sen polymeerittömästä siirrosta (etu- ja takapuoli, pinta-ala jopa 6 cm2). Katalyyttikalvon morfologian vuoksi nämä kaksi hiilikalvoa eroavat toisistaan fysikaalisten ominaisuuksiensa ja muiden ominaisuuksiensa (kuten pinnan karheuden) suhteen. Osoitamme, että karheamman takapuolen NGF:t soveltuvat hyvin NO2:n havaitsemiseen, kun taas etupuolella olevat sileämmät ja johtavammat NGF:t (2000 S/cm, arkin resistanssi – 50 ohmia/m2) voivat olla käyttökelpoisia johtimia, aurinkokennon kanavaa tai elektrodia (koska se läpäisee 62 % näkyvästä valosta). Kaiken kaikkiaan kuvatut kasvu- ja kuljetusprosessit voivat auttaa NGF:n toteuttamisessa vaihtoehtoisena hiilimateriaalina teknologisissa sovelluksissa, joissa grafeeni ja mikronin paksuiset grafiittikalvot eivät sovellu.
Grafiitti on laajalti käytetty teollisuusmateriaali. Erityisesti grafiitilla on suhteellisen alhainen massatiheys ja korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus tasossa, ja se on erittäin stabiili ankarissa lämpö- ja kemiallisissa ympäristöissä1,2. Hiutalegrafiitti on tunnettu lähtöaine grafeenitutkimuksessa3. Ohuiksi kalvoiksi prosessoituna sitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa, mukaan lukien jäähdytyselementit elektronisissa laitteissa, kuten älypuhelimissa4,5,6,7, aktiivisena materiaalina antureissa8,9,10 ja sähkömagneettisten häiriöiden suojauksessa11,12 sekä kalvot litografiaan äärimmäisessä ultraviolettisäteilyssä13,14 ja johtavat kanavat aurinkokennoissa15,16. Kaikissa näissä sovelluksissa olisi merkittävä etu, jos suuria alueita grafiittikalvoja (NGF), joiden paksuus on nanoskaalassa alle 100 nm, voitaisiin helposti tuottaa ja kuljettaa.
Grafiittikalvoja valmistetaan useilla eri menetelmillä. Yhdessä tapauksessa grafeenihiutaleiden tuottamiseen käytettiin upottamista ja laajentamista, jota seurasi kuorinta10,11,17. Hiutaleet on edelleen käsiteltävä tarvittavan paksuisiksi kalvoiksi, ja tiheiden grafiittilevyjen valmistaminen kestää usein useita päiviä. Toinen lähestymistapa on aloittaa grafitoituvista kiinteistä esiasteista. Teollisuudessa polymeerilevyt hiilestetään (1000–1500 °C:ssa) ja sitten grafitoidaan (2800–3200 °C:ssa) hyvin strukturoitujen kerrosmateriaalien muodostamiseksi. Vaikka näiden kalvojen laatu on korkea, energiankulutus on merkittävä1,18,19 ja vähimmäispaksuus on rajoitettu muutamaan mikroniin1,18,19,20.
Katalyyttinen kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) on tunnettu menetelmä grafeenin ja ultraohuiden grafiittikalvojen (<10 nm) tuottamiseksi, joilla on korkea rakenteellinen laatu ja kohtuulliset kustannukset21,22,23,24,25,26,27. Verrattuna grafeenin ja ultraohuiden grafiittikalvojen28 kasvuun, NGF:n laaja-alaista kasvua ja/tai käyttöä CVD:n avulla tutkitaan kuitenkin vielä vähemmän11,13,29,30,31,32,33.
CVD-kasvatetut grafeeni- ja grafiittikalvot on usein siirrettävä toiminnallisille alustoille34. Näihin ohutkalvosiirtoihin kuuluu kaksi päämenetelmää35: (1) ei-etsaussiirto36,37 ja (2) etsauspohjainen märkäkemiallinen siirto (substraattituettuna)14,34,38. Kummallakin menetelmällä on omat etunsa ja haittansa, ja ne on valittava aiotun sovelluksen mukaan, kuten muualla on kuvattu35,39. Katalyyttisille alustoille kasvatetuille grafeeni/grafiittikalvoille siirto märkäkemiallisilla prosesseilla (joista polymetyylimetakrylaatti (PMMA) on yleisimmin käytetty tukikerros) on edelleen ensisijainen valinta13,30,34,38,40,41,42. You et al. Mainittiin, että NGF-siirtoon ei käytetty polymeeriä (näytteen koko noin 4 cm2)25,43, mutta näytteen stabiilisuudesta ja/tai käsittelystä siirron aikana ei annettu yksityiskohtia; Polymeerejä käyttävät märkäkemialliset prosessit koostuvat useista vaiheista, mukaan lukien uhrautuvan polymeerikerroksen levittäminen ja sitä seuraava poistaminen30,38,40,41,42. Tällä prosessilla on haittoja: esimerkiksi polymeerijäämät voivat muuttaa kasvatetun kalvon ominaisuuksia38. Lisäkäsittely voi poistaa jäännöspolymeeriä, mutta nämä lisävaiheet lisäävät kalvon tuotantokustannuksia ja -aikaa38,40. CVD-kasvun aikana grafeenikerros kerrostuu paitsi katalyyttikalvon etupuolelle (höyryvirtausta kohti olevalle puolelle) myös sen takapuolelle. Jälkimmäistä pidetään kuitenkin jätetuotteena, ja se voidaan poistaa nopeasti pehmeällä plasmalla38,41. Tämän kalvon kierrätys voi auttaa maksimoimaan saannon, vaikka se olisi laadultaan heikompilaatuista kuin pintahiilikalvo.
Tässä raportissa esittelemme CVD-menetelmällä valmistetun kiekkomittakaavan kaksifaasisen NGF:n kasvatuksen polykiteiselle nikkelikalvolle, jolla on korkea rakenteellinen laatu. Arvioitiin, miten folion etu- ja takapinnan karheus vaikuttaa NGF:n morfologiaan ja rakenteeseen. Esittelemme myös kustannustehokkaan ja ympäristöystävällisen polymeerittömän NGF:n siirron nikkelifolion molemmilta puolilta monitoimisille alustoille ja osoitamme, miten etu- ja takakalvot soveltuvat erilaisiin sovelluksiin.
Seuraavissa osioissa käsitellään erilaisia grafiittikalvon paksuuksia pinottujen grafeenikerrosten lukumäärän mukaan: (i) yksikerroksinen grafeeni (SLG, 1 kerros), (ii) muutamakerroksinen grafeeni (FLG, < 10 kerrosta), (iii) monikerroksinen grafeeni (MLG, 10–30 kerrosta) ja (iv) NGF (~300 kerrosta). Jälkimmäinen on yleisin paksuus ilmaistuna pinta-alan prosentteina (noin 97 % pinta-alasta per 100 µm2)30. Siksi koko kalvoa kutsutaan yksinkertaisesti NGF:ksi.
Grafeeni- ja grafiittikalvojen synteesiin käytetyillä polykiteisillä nikkelikalvoilla on erilaiset rakenteet niiden valmistuksen ja sitä seuraavan prosessoinnin seurauksena. Hiljattain raportoimme tutkimuksen NGF30:n kasvuprosessin optimoimiseksi. Osoitamme, että prosessiparametrit, kuten hehkutusaika ja kammion paine kasvuvaiheen aikana, ovat ratkaisevassa roolissa tasapaksuisten NGF:ien saamisessa. Tässä tutkimuksessa tutkimme tarkemmin NGF:n kasvua nikkelikalvon kiillotetuilla etu- (FS) ja kiillottamattomilla takapinnoilla (BS) (kuva 1a). Tutkimme kolmen tyyppisiä näytettä, FS ja BS, jotka on lueteltu taulukossa 1. Visuaalisessa tarkastelussa NGF:n tasainen kasvu nikkelikalvon (NiAG) molemmilla puolilla voidaan havaita nikkelisubstraatin värinmuutoksesta ominaisesta metallisesta hopeanharmaasta mattaharmaaksi (kuva 1a); mikroskooppiset mittaukset vahvistettiin (kuva 1b, c). Kuvassa 1b kirkkaalla alueella havaittu ja punaisilla, sinisillä ja oransseilla nuolilla merkitty FS-NGF:n tyypillinen Raman-spektri on esitetty kuvassa 1c. Grafiitin G (1683 cm−1) ja 2D:n (2696 cm−1) tunnusomaiset Raman-piikit vahvistavat erittäin kiteisen NGF:n kasvun (kuva 1c, taulukko SI1). Koko kalvon alueella havaittiin vallitsevan Raman-spektrejä, joiden intensiteettisuhde (I2D/IG) oli ~0,3, kun taas Raman-spektrejä, joiden I2D/IG oli 0,8, havaittiin harvoin. Viallisten piikkien (D = 1350 cm−1) puuttuminen koko kalvosta osoittaa NGF:n kasvun korkeaa laatua. Samanlaisia Raman-tuloksia saatiin BS-NGF-näytteellä (kuva SI1 a ja b, taulukko SI1).
NiAG FS- ja BS-NGF:n vertailu: (a) Valokuva tyypillisestä NGF (NiAG) -näytteestä, joka näyttää NGF:n kasvun kiekkoskaalassa (55 cm2) ja tuloksena olevat BS- ja FS-Ni-kalvonäytteet, (b) Optisella mikroskoopilla saadut FS-NGF-kuvat/Ni, (c) tyypilliset Raman-spektrit, jotka on tallennettu eri kohdista ruudussa b, (d, f) SEM-kuvat eri suurennoksilla FS-NGF/Ni:llä, (e, g) SEM-kuvat eri suurennoksilla. Asettaa BS-NGF/Ni:n. Sininen nuoli osoittaa FLG-alueen, oranssi nuoli osoittaa MLG-alueen (lähellä FLG-aluetta), punainen nuoli osoittaa NGF-alueen ja magenta-nuoli osoittaa taitoksen.
Koska kasvu riippuu alkuperäisen substraatin paksuudesta, kiteen koosta, orientaatiosta ja raerajoista, NGF:n paksuuden kohtuullisen hallinnan saavuttaminen suurilla alueilla on edelleen haasteellista20,34,44. Tässä tutkimuksessa käytettiin aiemmin julkaisemaamme materiaalia30. Tämä prosessi tuottaa kirkkaan alueen, joka on 0,1–3 % per 100 µm230. Seuraavissa osioissa esittelemme tuloksia molemmille aluetyypeille. Suurella suurennuksella varustetut SEM-kuvat osoittavat useiden kirkkaiden kontrastialueiden läsnäolon molemmilla puolilla (kuva 1f, g), mikä viittaa FLG- ja MLG-alueiden läsnäoloon30,45. Tämä vahvistettiin myös Raman-sironnalla (kuva 1c) ja TEM-tuloksilla (käsitellään myöhemmin osiossa ”FS-NGF: rakenne ja ominaisuudet”). FS- ja BS-NGF/Ni-näytteissä (etu- ja taka-NGF kasvatettu Ni:llä) havaitut FLG- ja MLG-alueet ovat saattaneet kasvaa suurilla Ni(111)-rakeilla, jotka muodostuivat esikäsittelyn aikana22,30,45. Taitoksia havaittiin molemmilla puolilla (kuva 1b, merkitty violeteilla nuolilla). Näitä taitoksia esiintyy usein CVD-kasvatetuissa grafeeni- ja grafiittikalvoissa grafiitin ja nikkelisubstraatin lämpölaajenemiskertoimen suuren eron vuoksi30,38.
AFM-kuva vahvisti, että FS-NGF-näyte oli litteämpi kuin BS-NGF-näyte (kuva SI1) (kuva SI2). FS-NGF/Ni:n (kuva SI2c) ja BS-NGF/Ni:n (kuva SI2d) karheusarvot (RMS) ovat vastaavasti 82 ja 200 nm (mitattuna 20 × 20 μm2:n alueelta). Suurempi karheus voidaan ymmärtää nikkelikalvon (NiAR) pinta-analyysin perusteella lähtötilassa (kuva SI3). FS:n ja BS-NiAR:n SEM-kuvat on esitetty kuvissa SI3a–d, ja ne havainnollistavat erilaisia pintamorfologioita: kiillotetussa FS-Ni-kalvossa on nano- ja mikronikokoisia pallomaisia hiukkasia, kun taas kiillottamattomassa BS-Ni-kalvossa on tuotantotikkaita, joissa on suuri lujuus ja lasku. Hehkutetun nikkelikalvon (NiA) matalan ja korkean resoluution kuvat on esitetty kuvassa SI3e–h. Näissä kuvioissa voimme havaita useiden mikronikokoisten nikkelihiukkasten läsnäolon nikkelifolion molemmilla puolilla (kuva SI3e–h). Suurilla rakeilla voi olla Ni(111)-pintaorientaatio, kuten aiemmin on raportoitu30,46. Nikkelifolioiden morfologiassa on merkittäviä eroja FS-NiA:n ja BS-NiA:n välillä. BS-NGF/Ni:n suurempi karheus johtuu BS-NiAR:n kiillottamattomasta pinnasta, jonka pinta pysyy merkittävästi karheana myös hehkutuksen jälkeen (kuva SI3). Tämäntyyppinen pinnan karakterisointi ennen kasvuprosessia mahdollistaa grafeeni- ja grafiittikalvojen karheuden hallinnan. On huomattava, että alkuperäinen substraatti kävi läpi jonkin verran raekokoa uudelleenjärjestelyn grafeenin kasvun aikana, mikä pienensi hieman raekokoa ja lisäsi jonkin verran substraatin pinnan karheutta verrattuna hehkutettuun kalvoon ja katalyyttikalvoon22.
Substraatin pinnan karheuden, hehkutusajan (raekoko)30,47 ja vapautumisen hallinnan43 hienosäätö auttaa vähentämään alueellista NGF:n paksuuden tasaisuutta µm2- ja/tai jopa nm2-mittakaavaan (eli muutaman nanometrin paksuusvaihteluihin). Substraatin pinnan karheuden hallitsemiseksi voidaan harkita menetelmiä, kuten syntyneen nikkelifolion elektrolyyttistä kiillotusta48. Esikäsitelty nikkelifolio voidaan sitten hehkuttaa alemmassa lämpötilassa (< 900 °C)46 ja ajassa (< 5 min), jotta vältetään suurten Ni(111)-rakeiden muodostuminen (mikä on hyödyllistä FLG:n kasvulle).
SLG- ja FLG-grafeeni eivät kestä happojen ja veden pintajännitystä, joten märkäkemiallisissa siirtoprosesseissa tarvitaan mekaanisia tukikerroksia22,34,38. Toisin kuin polymeerillä tuetun yksikerroksisen grafeenin38 märkäkemiallisessa siirrossa, havaitsimme, että kasvaneen NGF:n molemmat puolet voidaan siirtää ilman polymeeritukea, kuten kuvassa 2a on esitetty (katso lisätietoja kuvasta SI4a). NGF:n siirto tietylle substraatille alkaa alla olevan Ni30.49-kalvon märkäetsauksella. Kasvatetut NGF/Ni/NGF-näytteet asetettiin yön yli 15 ml:aan 70-prosenttista HNO3-liuosta, joka oli laimennettu 600 ml:lla deionisoitua (DI) vettä. Kun Ni-kalvo on täysin liuennut, FS-NGF pysyy tasaisena ja kelluu nesteen pinnalla, aivan kuten NGF/Ni/NGF-näyte, kun taas BS-NGF on upotettu veteen (kuva 2a, b). Eristetty NGF siirrettiin sitten yhdestä tuoretta deionisoitua vettä sisältävästä dekantterilasista toiseen dekantterilasiin ja eristetty NGF pestiin huolellisesti, toistaen 4–6 kertaa koveran lasimaljan läpi. Lopuksi FS-NGF ja BS-NGF asetettiin halutulle substraatille (kuva 2c).
Polymeeritön märkäkemiallinen siirtoprosessi nikkelifoliolle kasvatetulle NGF:lle: (a) Prosessikaavio (katso lisätietoja kuvasta SI4), (b) Digitaalinen valokuva erotetusta NGF:stä Ni-etsauksen jälkeen (2 näytettä), (c) Esimerkki FS – ja BS-NGF:n siirto SiO2/Si-substraatille, (d) FS-NGF:n siirto läpinäkymättömälle polymeerisubstraatille, (e) BS-NGF samasta näytteestä kuin paneeli d (jaettu kahteen osaan), siirretty kullatulle C-paperille ja Nafionille (joustava läpinäkyvä substraatti, reunat merkitty punaisilla kulmilla).
Huomaa, että märkäkemiallisilla siirtomenetelmillä suoritettu SLG-siirto vaatii kokonaiskäsittelyajan 20–24 tuntia 38. Tässä esitetyllä polymeerittömällä siirtotekniikalla (kuva SI4a) NGF-siirron kokonaiskäsittelyaika lyhenee merkittävästi (noin 15 tuntia). Prosessi koostuu seuraavista vaiheista: (Vaihe 1) Valmistele etsausliuos ja aseta näyte siihen (~10 minuuttia), odota sitten yön yli Ni-etsausta varten (~7200 minuuttia), (Vaihe 2) Huuhtele deionisoidulla vedellä (Vaihe 3). Säilytä deionisoidussa vedessä tai siirrä kohdesubstraattiin (20 min). NGF:n ja massamatriisin väliin jäänyt vesi poistetaan kapillaari-ilmiöllä (imupaperilla) 38, minkä jälkeen jäljellä olevat vesipisarat poistetaan luonnollisella kuivauksella (noin 30 min), ja lopuksi näytettä kuivataan 10 minuuttia tyhjiöuunissa (10–1 mbar) 50–90 °C:ssa (60 min) 38.
Grafiitin tiedetään kestävän veden ja ilman läsnäoloa melko korkeissa lämpötiloissa (≥ 200 °C)50,51,52. Testasimme näytteitä Raman-spektroskopialla, SEM:llä ja XRD:llä säilytyksen jälkeen deionisoidussa vedessä huoneenlämmössä ja suljetuissa pulloissa muutamasta päivästä vuoteen (kuva SI4). Havaittavaa hajoamista ei ole. Kuva 2c esittää vapaasti seisovia FS-NGF:iä ja BS-NGF:ää deionisoidussa vedessä. Taltioimme ne SiO2 (300 nm)/Si-substraatille, kuten kuvan 2c alussa on esitetty. Lisäksi, kuten kuvassa 2d,e on esitetty, jatkuvaa NGF:ää voidaan siirtää erilaisille alustoille, kuten polymeereille (Thermabright-polyamidi Nexolvelta ja Nafionilta) ja kullatulle hiilipaperille. Kelluva FS-NGF oli helppo asettaa kohdesubstraatille (kuva 2c, d). Yli 3 cm2:n kokoisia BS-NGF-näytteitä oli kuitenkin vaikea käsitellä, kun ne upotettiin kokonaan veteen. Yleensä kun ne alkavat pyöriä vedessä, ne rikkoutuvat huolimattoman käsittelyn vuoksi kahteen tai kolmeen osaan (kuva 2e). Kaiken kaikkiaan pystyimme saavuttamaan polymeerittömän PS- ja BS-NGF:n siirron (jatkuva saumaton siirto ilman NGF/Ni/NGF-kasvua 6 cm2:n alueella) näytteille, joiden pinta-ala oli enintään 6 ja 3 cm2. Jäljelle jääneet suuret tai pienet palat voidaan (helposti nähtävissä etsausliuoksessa tai deionisoidussa vedessä) sijoittaa halutulle alustalle (~1 mm2, kuva SI4b, katso näyte, joka on siirretty kupariverkkoon kuten kohdassa "FS-NGF: Rakenne ja ominaisuudet (käsitelty) kohdassa "Rakenne ja ominaisuudet") tai varastoida myöhempää käyttöä varten (kuva SI4). Tämän kriteerin perusteella arvioimme, että NGF:ää voidaan ottaa talteen jopa 98–99 %:n saannolla (siirtoa varten tapahtuvan kasvatuksen jälkeen).
Siirtonäytteitä ilman polymeeriä analysoitiin yksityiskohtaisesti. FS- ja BS-NGF/SiO2/Si-näytteille (kuva 2c) optisella mikroskopialla (OM) ja SEM-kuvilla (kuva SI5 ja kuva 3) saadut pinnan morfologiset ominaisuudet osoittivat, että nämä näytteet siirrettiin ilman mikroskopiaa. Näkyviä rakenteellisia vaurioita, kuten halkeamia, reikiä tai rullautumattomia alueita, oli havaittavissa. Kasvavan NGF:n taitokset (kuva 3b, d, merkitty violeteilla nuolilla) pysyivät ehjinä siirron jälkeen. Sekä FS- että BS-NGF:t koostuvat FLG-alueista (kirkkaat alueet merkitty sinisillä nuolilla kuvassa 3). Yllättäen, toisin kuin harvoissa vaurioituneissa alueissa, joita tyypillisesti havaitaan erittäin ohuiden grafiittikalvojen polymeerisiirron aikana, useat mikronin kokoiset FLG- ja MLG-alueet, jotka yhdistyvät NGF:ään (merkitty sinisillä nuolilla kuvassa 3d), siirrettiin ilman halkeamia tai murtumia (kuva 3d). 3). Mekaanista eheyttä varmistettiin edelleen käyttämällä TEM- ja SEM-kuvia NGF:stä, joka siirrettiin pitsi-hiili-kupariverkkoihin, kuten myöhemmin käsitellään ("FS-NGF: Rakenne ja ominaisuudet"). Siirretty BS-NGF/SiO2/Si on karheampaa kuin FS-NGF/SiO2/Si, ja sen rms-arvot ovat vastaavasti 140 nm ja 17 nm, kuten kuvissa SI6a ja b (20 × 20 μm2) on esitetty. SiO2/Si-substraatille siirretyn NGF:n RMS-arvo (RMS < 2 nm) on merkittävästi pienempi (noin 3 kertaa) kuin nikkelille kasvatetun NGF:n (kuva SI2), mikä viittaa siihen, että lisäkarheus saattaa liittyä nikkelipintaan. Lisäksi FS- ja BS-NGF/SiO2/Si-näytteiden reunoille tehdyt AFM-kuvat osoittivat NGF:n paksuudeksi 100 ja 80 nm (kuva SI7). BS-NGF:n pienempi paksuus voi johtua siitä, että pinta ei ole suoraan alttiina lähtökaasulle.
Siirretty NGF (NiAG) ilman polymeeriä SiO2/Si-kiekolle (katso kuva 2c): (a, b) Siirretyn FS-NGF:n SEM-kuvat: pieni ja suuri suurennus (vastaa oranssia neliötä paneelissa). Tyypilliset alueet) – a). (c, d) Siirretyn BS-NGF:n SEM-kuvat: pieni ja suuri suurennus (vastaa oranssin neliön osoittamaa tyypillistä aluetta paneelissa c). (e, f) Siirrettyjen FS- ja BS-NGF:ien AFM-kuvat. Sininen nuoli edustaa FLG-aluetta – kirkas kontrasti, syaani nuoli – musta MLG-kontrasti, punainen nuoli – musta kontrasti edustaa NGF-aluetta, magentanvärinen nuoli edustaa taitosta.
Kasvatettujen ja siirrettyjen FS- ja BS-NGF-yhdisteiden kemiallinen koostumus analysoitiin röntgenfotoelektronispektroskopialla (XPS) (kuva 4). Mitatuissa spektreissä havaittiin heikko piikki (kuva 4a, b), joka vastaa kasvatettujen FS- ja BS-NGF-yhdisteiden (NiAG) Ni-substraattia (850 eV). Siirrettyjen FS- ja BS-NGF/Si-yhdisteiden mitatuissa spektreissä ei ole piikkejä (kuva 4c; vastaavia tuloksia BS-NGF/Si:lle ei ole esitetty), mikä osoittaa, ettei siirron jälkeen ole jäljellä Ni-kontaminaatiota. Kuvat 4d–f esittävät FS-NGF/SiO2/Si:n C 1 s-, O 1 s- ja Si 2p -energiatasojen korkearesoluutioisia spektrejä. Grafiitin C 1 s:n sitoutumisenergia on 284,4 eV53,54. Grafiittipiikkien lineaarista muotoa pidetään yleisesti epäsymmetrisenä, kuten kuvassa 4d54 on esitetty. Korkean resoluution ydintason C 1 s -spektri (kuva 4d) vahvisti myös puhtaan siirron (eli ei polymeerijäämiä), mikä on yhdenmukaista aiempien tutkimusten kanssa38. Tuorekasvatetun näytteen (NiAG) ja siirron jälkeisen spektrin viivanleveydet ovat vastaavasti 0,55 ja 0,62 eV. Nämä arvot ovat korkeampia kuin SLG:n (0,49 eV SLG:lle SiO2-substraatilla)38. Nämä arvot ovat kuitenkin pienempiä kuin aiemmin raportoidut viivanleveydet erittäin orientoiduille pyrolyyttisille grafeeninäytteille (~0,75 eV)53,54,55, mikä osoittaa viallisten hiilikohtien puuttumisen nykyisestä materiaalista. C 1 s:n ja O 1 s:n maanpinnan spektreistä puuttuu myös olkapäät, mikä eliminoi tarpeen korkean resoluution piikkien dekonvoluutiolle54. 291,1 eV:n ympärillä on π → π* -satelliittipiikki, jota usein havaitaan grafiittinäytteissä. Si2p- ja O1s-ydinspektrien 103 eV:n ja 532,5 eV:n signaalit (katso kuva 4e, f) on liitetty vastaavasti SiO2 56 -substraattiin. XPS on pintaherkkä tekniikka, joten ennen NGF-siirtoa ja sen jälkeen havaittujen Ni:tä ja SiO2:ta vastaavien signaalien oletetaan olevan peräisin FLG-alueelta. Samanlaisia tuloksia havaittiin siirretyille BS-NGF-näytteille (ei esitetty).
NiAG XPS -tulokset: (ac) Kasvatettujen FS-NGF/Ni:n, BS-NGF/Ni:n ja siirrettyjen FS-NGF/Si:n eri alkuaineiden atomikoostumusten tutkimusspektrit. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si-näytteen ydintasojen C 1 s, O 1 s ja Si 2p korkearesoluutioiset spektrit.
Siirrettyjen NGF-kiteiden yleinen laatu arvioitiin röntgendiffraktiolla (XRD). Siirrettyjen FS- ja BS-NGF/SiO2/Si:n tyypillisissä XRD-kuvioissa (kuva SI8) näkyvät diffraktiopiikit (0 0 0 2) ja (0 0 0 4) 26,6°:ssa ja 54,7°:ssa, mikä on samanlaista kuin grafiitilla. Tämä vahvistaa NGF:n korkean kiteisen laadun ja vastaa välikerroksen etäisyyttä d = 0,335 nm, joka säilyy siirtovaiheen jälkeen. Diffraktiopiikin (0 0 0 2) intensiteetti on noin 30 kertaa suurempi kuin diffraktiopiikin (0 0 0 4), mikä osoittaa, että NGF-kidetaso on hyvin linjassa näytteen pinnan kanssa.
SEM-, Raman-spektroskopia-, XPS- ja XRD-tulosten mukaan BS-NGF/Ni:n laadun havaittiin olevan sama kuin FS-NGF/Ni:n, vaikkakin sen rms-karheus oli hieman suurempi (kuvat SI2, SI5 ja SI7).
Jopa 200 nm:n paksuisilla polymeeritukikerroksilla varustetut SLG:t voivat kellua veden pinnalla. Tätä järjestelyä käytetään yleisesti polymeeriavusteisissa märkäkemiallisissa siirtoprosesseissa22,38. Grafeeni ja grafiitti ovat hydrofobisia (märkäkulma 80–90°)57. Sekä grafeenin että FLG:n potentiaalienergiapintojen on raportoitu olevan melko tasaisia, ja veden sivuttaisliikkeen potentiaalienergia pinnalla on alhainen (~1 kJ/mol)58. Veden, grafeenin ja kolmen grafeenikerroksen lasketut vuorovaikutusenergiat ovat kuitenkin noin −13 ja −15 kJ/mol,58, mikä osoittaa, että veden ja NGF:n (noin 300 kerrosta) vuorovaikutus on pienempi kuin grafeenin. Tämä voi olla yksi syy siihen, miksi vapaasti seisova NGF pysyy tasaisena veden pinnalla, kun taas vapaasti seisova grafeeni (joka kelluu vedessä) käpertyy ja hajoaa. Kun NGF upotetaan kokonaan veteen (tulokset ovat samat karkealle ja tasaiselle NGF:lle), sen reunat taipuvat (kuva SI4). Täydellisen upotuksen tapauksessa NGF:n ja veden vuorovaikutusenergian odotetaan lähes kaksinkertaistuvan (verrattuna kelluvaan NGF:ään) ja NGF:n reunat taittuvat ylläpitääkseen korkean kosketuskulman (hydrofobisuuden). Uskomme, että voidaan kehittää strategioita upotettujen NGF:ien reunojen käpristymisen välttämiseksi. Yksi lähestymistapa on käyttää liuottimia grafiittikalvon kostutusreaktion moduloimiseksi.
SLG:n siirtymistä erityyppisille alustoille märkien kemiallisten siirtoprosessien avulla on raportoitu aiemmin. On yleisesti hyväksyttyä, että grafeeni/grafiittikalvojen ja alustojen välillä on heikkoja van der Waalsin voimia (olivatpa ne jäykkiä alustoja, kuten SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si-pilareita22 ja pitsisiä hiilikalvoja30, 34 tai joustavia alustoja, kuten polyimidi 37). Tässä oletamme, että samantyyppiset vuorovaikutukset ovat vallitsevia. Emme havainneet NGF:n vaurioita tai irtoamista missään tässä esitetyistä alustoista mekaanisen käsittelyn aikana (karakterisoinnin aikana tyhjiössä ja/tai ilmakehän olosuhteissa tai varastoinnin aikana) (esim. kuva 2, SI7 ja SI9). Lisäksi emme havainneet SiC-piikkiä NGF/SiO2/Si-näytteen ydintason XPS C1s-spektrissä (kuva 4). Nämä tulokset osoittavat, että NGF:n ja kohdealustan välillä ei ole kemiallista sidosta.
Edellisessä osiossa ”FS- ja BS-NGF:ien polymeeritön siirto” osoitimme, että NGF voi kasvaa ja siirtyä nikkelifolion molemmille puolille. Nämä FS-NGF:t ja BS-NGF:t eivät ole identtisiä pinnan karheuden suhteen, mikä sai meidät tutkimaan sopivimpia sovelluksia kullekin tyypille.
Ottaen huomioon FS-NGF:n läpinäkyvyyden ja sileämmän pinnan, tutkimme sen paikallista rakennetta, optisia ja sähköisiä ominaisuuksia yksityiskohtaisemmin. FS-NGF:n rakennetta ja polymeerisiirtoa vailla olevaa rakennetta karakterisoitiin läpäisyelektronimikroskopiakuvantamisella (TEM) ja valitun alueen elektronidiffraktiokuvioanalyysillä (SAED). Vastaavat tulokset on esitetty kuvassa 5. Alhaisen suurennoksen tasomainen TEM-kuvantaminen paljasti NGF- ja FLG-alueiden läsnäolon, joilla on erilaiset elektronikontrastiominaisuudet, eli tummemmat ja kirkkaammat alueet (kuva 5a). Kalvolla on kaiken kaikkiaan hyvä mekaaninen eheys ja stabiilius NGF:n ja FLG:n eri alueiden välillä, hyvä päällekkäisyys eikä vaurioita tai repeytymiä esiinny, mikä vahvistettiin myös SEM- (kuva 3) ja suuren suurennoksen TEM-tutkimuksilla (kuva 5c-e). Erityisesti kuvassa 5d on esitetty siltarakenne suurimmassa osassaan (kuvassa 5d mustalla pisteviivalla merkitty kohta), jolle on ominaista kolmion muoto ja joka koostuu noin 51 um leveästä grafeenikerroksesta. Koostumus, jonka tasojen välinen etäisyys on 0,33 ± 0,01 nm, pelkistyy edelleen useiksi grafeenikerroksiksi kapeimmalla alueella (kuvan 5 d yhtenäisen mustan nuolen pää).
Polymeerittömän NiAG-näytteen tasomainen TEM-kuva hiilipitsikupariverkolla: (a, b) Pienellä suurennuksella varustetut TEM-kuvat, jotka sisältävät NGF- ja FLG-alueet, (ce) Eri alueiden suurennuksella varustetut kuvat ruuduissa a ja b on merkitty samanvärisillä nuolilla. Vihreät nuolet ruuduissa a ja c osoittavat pyöreitä vaurioalueita säteen kohdistuksen aikana. (f–i) Paneeleissa a–c eri alueiden SAED-kuviot on merkitty vastaavasti sinisillä, syaanilla, oranssilla ja punaisilla ympyröillä.
Kuvassa 5c oleva nauharakenne näyttää (punaisella nuolella merkittynä) grafiittihila-tasojen pystysuuntaisen suunnan, joka voi johtua nanopoimujen muodostumisesta kalvon suuntaisesti (kuvan 5c sisäkuva) liiallisen kompensoimattoman leikkausjännityksen vuoksi30,61,62. Korkean resoluution TEM:ssä näillä nanopoimuilla 30 on erilainen kristallografinen suuntautuminen kuin muulla NGF-alueella; grafiittihilan perustasot ovat lähes pystysuorassa eivätkä vaakasuunnassa kuten muu osa kalvoa (kuvan 5c sisäkuva). Vastaavasti FLG-alueella esiintyy toisinaan lineaarisia ja kapeita nauhamaisia poimuja (merkitty sinisillä nuolilla), jotka näkyvät pienellä ja keskisuurella suurennuksella kuvissa 5b ja 5e. Kuvan 5e sisäkuva vahvistaa kaksi- ja kolmikerroksisten grafeenikerrosten läsnäolon FLG-sektorissa (tasojen välinen etäisyys 0,33 ± 0,01 nm), mikä on hyvässä sopusoinnussa aiempien tulostemme30 kanssa. Lisäksi kuvassa SI9 on esitetty tallennetut SEM-kuvat polymeerittömästä NGF:stä, joka on siirretty kupariverkkoihin, joissa on pitsisiä hiilikalvoja (ylhäältä katsottuna tehtyjen TEM-mittausten jälkeen). Hyvin suspendoitu FLG-alue (merkitty sinisellä nuolella) ja katkoviivalla varustettu alue näkyvät kuvassa SI9f. Sininen nuoli (siirretyn NGF:n reunassa) on tarkoituksella esitetty osoittamaan, että FLG-alue kestää siirtoprosessia ilman polymeeriä. Yhteenvetona voidaan todeta, että nämä kuvat vahvistavat, että osittain suspendoitu NGF (mukaan lukien FLG-alue) säilyttää mekaanisen eheytensä jopa tiukan käsittelyn ja korkealle tyhjiölle altistumisen jälkeen TEM- ja SEM-mittausten aikana (kuva SI9).
NGF:n erinomaisen tasaisuuden ansiosta (katso kuva 5a) hiutaleiden suuntaaminen [0001]-domeeniakselin suuntaisesti SAED-rakenteen analysoimiseksi ei ole vaikeaa. Kalvon paikallisesta paksuudesta ja sijainnista riippuen elektronidiffraktiotutkimuksia varten tunnistettiin useita kiinnostuksen kohteena olevia alueita (12 pistettä). Kuvissa 5a–c on esitetty neljä näistä tyypillisistä alueista, jotka on merkitty värillisillä ympyröillä (sininen, syaani, oranssi ja punainen koodattu). Kuvat 2 ja 3 esittävät SAED-tilaa. Kuvat 5f ja g on saatu kuvissa 5 ja 5 esitetystä FLG-alueesta. Kuten kuvissa 5b ja c on esitetty, niillä on kuusikulmainen rakenne, joka on samanlainen kuin kierretyllä grafeenilla63. Erityisesti kuva 5f esittää kolme päällekkäistä kuviota, joilla on sama [0001]-vyöhykeakselin suunta, kierrettynä 10° ja 20°, mikä ilmenee kolmen (10-10)-heijastusparin kulmaepäsuhtasta. Vastaavasti kuvassa 5g on esitetty kaksi päällekkäistä kuusikulmaista kuviota, joita on kierretty 20°. Kaksi tai kolme kuusikulmaisten kuvioiden ryhmää FLG-alueella voi syntyä kolmesta toisiinsa nähden tasossa olevasta tai tasosta poispäin olevasta grafeenikerroksesta 33. Sitä vastoin kuvan 5h,i elektronidiffraktiokuviot (jotka vastaavat kuvassa 5a esitettyä NGF-aluetta) osoittavat yhden [0001]-kuvion, jolla on korkeampi pistediffraktiointensiteetti, mikä vastaa suurempaa materiaalin paksuutta. Nämä SAED-mallit vastaavat paksumpaa grafiittista rakennetta ja välimuotoa kuin FLG, kuten indeksistä 64 päätellään. NGF:n kiteisten ominaisuuksien karakterisointi paljasti kahden tai kolmen päällekkäisen grafiitti- (tai grafeeni-) kiteen rinnakkaiseloa. Erityisen huomionarvoista FLG-alueella on, että kiteillä on tietty aste tasossa olevaa tai tasosta poispäin suuntautumista. Grafiittihiukkasia/kerroksia, joiden tasossa olevat kiertokulmat ovat 17°, 22° ja 25°, on aiemmin raportoitu Ni 64 -kalvoille kasvatetulle NGF:lle. Tässä tutkimuksessa havaitut pyörimiskulman arvot ovat yhdenmukaisia aiemmin havaittujen kierretyn BLG63-grafeenin pyörimiskulmien (±1°) kanssa.
NGF/SiO2/Si:n sähköiset ominaisuudet mitattiin 300 K:n lämpötilassa 10 × 3 mm2:n alueella. Elektroninkuljettajien konsentraation, liikkuvuuden ja johtavuuden arvot olivat vastaavasti 1,6 × 1020 cm⁻³, 220 cm⁻¹ V⁻¹ C⁻¹ ja 2000 S⁻¹. NGF:n liikkuvuus- ja johtavuusarvot ovat samankaltaisia kuin luonnongrafiitilla2 ja korkeammat kuin kaupallisesti saatavilla olevalla erittäin orientoidulla pyrolyyttisellä grafiitilla (tuotettu 3000 °C:ssa)29. Havaitut elektroninkuljettajien konsentraatioarvot ovat kaksi kertaluokkaa korkeammat kuin äskettäin raportoidut arvot (7,25 × 10 cm⁻³) mikronin paksuisille grafiittikalvoille, jotka on valmistettu käyttämällä korkean lämpötilan (3200 °C) polyimidilevyjä20.
Suoritimme myös UV-Vis-läpäisymittauksia kvartsialustoille siirretylle FS-NGF:lle (kuva 6). Tuloksena oleva spektri osoittaa lähes vakion 62 %:n läpäisyn aallonpituusalueella 350–800 nm, mikä osoittaa, että NGF on läpikuultava näkyvälle valolle. Itse asiassa nimi "KAUST" näkyy näytteen digitaalisessa valokuvassa kuvassa 6b. Vaikka NGF:n nanokiteinen rakenne eroaa SLG:n rakenteesta, kerrosten lukumäärä voidaan karkeasti arvioida käyttämällä 2,3 %:n läpäisyhäviön sääntöä lisäkerrosta kohden65. Tämän suhteen mukaan grafeenikerrosten lukumäärä, joilla on 38 %:n läpäisyhäviö, on 21. Kasvatettu NGF koostuu pääasiassa 300 grafeenikerroksesta, eli noin 100 nm:n paksuisista (kuva 1, SI5 ja SI7). Siksi oletamme, että havaittu optinen läpinäkyvyys vastaa FLG- ja MLG-alueita, koska ne ovat jakautuneet koko kalvoon (kuvat 1, 3, 5 ja 6c). Edellä mainittujen rakennetietojen lisäksi myös johtavuus ja läpinäkyvyys vahvistavat siirretyn NGF:n korkean kiteisen laadun.
(a) UV-Vis-läpäisymittaus, (b) tyypillinen NGF:n siirto kvartsille edustavaa näytettä käyttäen. (c) Kaaviokuva NGF:stä (tumma laatikko), jossa tasaisesti jakautuneet FLG- ja MLG-alueet on merkitty harmailla satunnaisilla muodoilla koko näytteeseen (katso kuva 1) (noin 0,1–3 % pinta-alasta / 100 μm2). Kaaviossa olevat satunnaiset muodot ja niiden koot ovat vain havainnollistavia eivätkä vastaa todellisia pinta-aloja.
CVD-menetelmällä kasvatettua läpikuultavaa NGF:ää on aiemmin siirretty paljaille piipinnoille ja käytetty aurinkokennoissa15,16. Tuloksena oleva tehonmuunnoshyötysuhde (PCE) on 1,5 %. Nämä NGF:t suorittavat useita toimintoja, kuten aktiivisten yhdisteiden kerroksia, varauksen kuljetusreittejä ja läpinäkyviä elektrodeja15,16. Grafiittikalvo ei kuitenkaan ole tasainen. Lisäoptimointi on tarpeen säätämällä huolellisesti grafiittielektrodin pintaresistanssia ja optista läpäisykykyä, koska näillä kahdella ominaisuudella on tärkeä rooli aurinkokennon PCE-arvon määrittämisessä15,16. Tyypillisesti grafeenikalvot ovat 97,7-prosenttisesti läpinäkyviä näkyvälle valolle, mutta niiden pintaresistanssi on 200–3000 ohmia/neliömetri16. Grafeenikalvojen pintaresistanssia voidaan vähentää lisäämällä kerrosten määrää (grafeenikerrosten useita siirtoja) ja seostamalla HNO3:lla (~30 ohmia/neliömetri)66. Tämä prosessi vie kuitenkin kauan, eivätkä eri siirtokerrokset aina säilytä hyvää kontaktia. Etupuolen NGF-kalvollamme on ominaisuuksia, kuten johtavuus 2000 S/cm, kalvon resistanssi 50 ohmia/neliömetri ja läpinäkyvyys 62 %, mikä tekee siitä käyttökelpoisen vaihtoehdon johtaville kanaville tai vastaelektrodeille aurinkokennoissa15,16.
Vaikka BS-NGF:n rakenne ja pintakemia ovat samankaltaisia kuin FS-NGF:llä, sen karheus on erilainen ("FS- ja BS-NGF:n kasvu"). Aiemmin käytimme erittäin ohutta grafiittikalvoa22 kaasuanturina. Siksi testasimme BS-NGF:n käyttökelpoisuutta kaasunmittaustehtävissä (kuva SI10). Ensin mm2:n kokoisia osia BS-NGF:stä siirrettiin lomittuvan elektrodin anturipiirille (kuva SI10a-c). Sirun valmistustiedot on raportoitu aiemmin; sen aktiivinen herkkä alue on 9 mm267. SEM-kuvissa (kuva SI10b ja c) alla oleva kultaelektrodi näkyy selvästi NGF:n läpi. Jälleen voidaan nähdä, että kaikille näytteille saavutettiin tasainen sirun peitto. Eri kaasujen kaasuanturimittaukset tallennettiin (kuva SI10d) (kuva SI11) ja tuloksena olevat vastenopeudet on esitetty kuvissa SI10g. Todennäköisesti muiden häiritsevien kaasujen, kuten SO2:n (200 ppm), H2:n (2 %), CH4:n (200 ppm), CO2:n (2 %), H2S:n (200 ppm) ja NH3:n (200 ppm), kanssa. Yksi mahdollinen syy on NO2. Kaasun elektrofiilinen luonne22,68. Kun se adsorboituu grafeenin pintaan, se vähentää järjestelmän elektronien virranabsorptiota. BS-NGF-anturin vasteaikatietojen vertailu aiemmin julkaistuihin antureihin on esitetty taulukossa SI2. Mekanismi NGF-antureiden uudelleenaktivoimiseksi käyttämällä UV-plasmaa, O3-plasmaa tai lämpökäsittelyä (50–150 °C) altistuneille näytteille on käynnissä, ja ihanteellisessa tapauksessa sulautettujen järjestelmien käyttöönotto69.
CVD-prosessin aikana grafeenin kasvua tapahtuu katalyyttialustan molemmille puolille41. BS-grafeeni kuitenkin yleensä poistuu siirtoprosessin aikana41. Tässä tutkimuksessa osoitamme, että korkealaatuinen NGF:n kasvu ja polymeeritön NGF:n siirto voidaan saavuttaa katalyyttialustaa molemmille puolille. BS-NGF on ohuempi (~80 nm) kuin FS-NGF (~100 nm), ja tämä ero selittyy sillä, että BS-Ni ei ole suoraan alttiina lähtökaasun virtaukselle. Havaitsimme myös, että NiAR-alustan karheus vaikuttaa NGF:n karheuteen. Nämä tulokset osoittavat, että kasvatettua tasomaista FS-NGF:ää voidaan käyttää grafeenin lähtömateriaalina (kuorintamenetelmällä70) tai johtavana kanavana aurinkokennoissa15,16. Sitä vastoin BS-NGF:ää käytetään kaasun havaitsemiseen (kuva SI9) ja mahdollisesti energian varastointijärjestelmissä71,72, joissa sen pinnan karheus on hyödyllinen.
Ottaen huomioon edellä mainitun, on hyödyllistä yhdistää nykyinen työ aiemmin julkaistuihin CVD-menetelmällä ja nikkelifoliolla kasvatettuihin grafiittikalvoihin. Kuten taulukosta 2 voidaan nähdä, käyttämämme korkeammat paineet lyhensivät reaktioaikaa (kasvuvaihetta) jopa suhteellisen matalissa lämpötiloissa (850–1300 °C:n välillä). Saavutimme myös tavallista suuremman kasvun, mikä viittaa laajenemispotentiaaliin. On myös muita huomioon otettavia tekijöitä, joista joitakin olemme sisällyttäneet taulukkoon.
Kaksipuolinen korkealaatuinen NGF kasvatettiin nikkelifoliolle katalyyttisellä CVD-menetelmällä. Poistamalla perinteiset polymeerisubstraatit (kuten CVD-grafeenissa käytetyt) saavutimme puhtaan ja virheettömän NGF:n märkäsiirron (kasvatettu nikkelifolion taka- ja etupuolelle) erilaisille prosessikriittisille substraateille. Erityisesti NGF sisältää FLG- ja MLG-alueita (tyypillisesti 0,1–3 % per 100 µm2), jotka ovat rakenteellisesti hyvin integroituneet paksumpaan kalvoon. Tasomainen TEM osoittaa, että nämä alueet koostuvat kahdesta kolmeen grafiitti/grafeenihiukkaseen (kiteisiin tai kerroksiin) muodostuvista pinoista, joista joillakin on 10–20°:n pyörimiskulman epäsuhta. FLG- ja MLG-alueet vastaavat FS-NGF:n läpinäkyvyydestä näkyvälle valolle. Takalevyt voidaan kuljettaa yhdensuuntaisesti etulevyjen kanssa ja, kuten on esitetty, niillä voi olla toiminnallinen tarkoitus (esimerkiksi kaasun havaitsemiseen). Nämä tutkimukset ovat erittäin hyödyllisiä jätteen ja kustannusten vähentämiseksi teollisen mittakaavan CVD-prosesseissa.
Yleisesti ottaen CVD-NGF:n keskimääräinen paksuus sijoittuu (matala- ja monikerroksisen) grafeenin ja teollisten (mikrometri) grafiittilevyjen välille. Niiden monipuoliset ominaisuudet yhdistettynä kehittämäämme yksinkertaiseen tuotanto- ja kuljetusmenetelmään tekevät näistä kalvoista erityisen sopivia sovelluksiin, jotka vaativat grafiitin toiminnallista vastetta ilman nykyisin käytössä olevien energiaintensiivisten teollisten tuotantoprosessien kustannuksia.
Kaupalliseen CVD-reaktoriin (Aixtron 4-inch BMPro) asennettiin 25 μm paksu nikkelikalvo (puhtaus 99,5 %, Goodfellow). Järjestelmä huuhdeltiin argonilla ja tyhjennettiin 10-3 mbarin peruspaineeseen. Sitten nikkelikalvo asetettiin Ar/H2-seokseen (Ni-kalvon 5 minuutin esilämmityksen jälkeen se altistettiin 500 mbarin paineelle 900 °C:ssa). NGF:ää kerrostettiin CH4/H2-virtauksessa (100 cm3 kumpaakin) 5 minuutin ajan. Näyte jäähdytettiin sitten alle 700 °C:n lämpötilaan Ar-virtauksella (4000 cm3) nopeudella 40 °C/min. Yksityiskohdat NGF:n kasvuprosessin optimoinnista on kuvattu muualla30.
Näytteen pinnan morfologia visualisoitiin SEM-kuvantamisella käyttäen Zeiss Merlin -mikroskooppia (1 kV, 50 pA). Näytteen pinnan karheus ja NGF:n paksuus mitattiin AFM-menetelmällä (Dimension Icon SPM, Bruker). TEM- ja SAED-mittaukset tehtiin käyttämällä FEI Titan 80–300 Cubed -mikroskooppia, joka oli varustettu kirkkaalla kenttäemissiopyssyllä (300 kV), FEI Wien -tyyppisellä monokromaattorilla ja CEOS-linssin palloaberraatiokorjaimella lopullisten tulosten saamiseksi. Spatiaalinen resoluutio oli 0,09 nm. NGF-näytteet siirrettiin hiilipitsipäällysteisille kupariverkkoille tasomaista TEM-kuvantamista ja SAED-rakenneanalyysiä varten. Näin ollen suurin osa näyteflokeista on suspendoituneena tukikalvon huokosiin. Siirretyt NGF-näytteet analysoitiin XRD:llä. Röntgendiffraktiokuviot saatiin käyttämällä jauhediffraktometriä (Brucker, D2-vaiheensiirrin Cu Kα-lähteellä, 1,5418 Å ja LYNXEYE-detektori) käyttäen Cu-säteilylähdettä, jonka sädepisteen halkaisija oli 3 mm.
Useita Raman-pistemittauksia tallennettiin integroivalla konfokaalimikroskoopilla (Alpha 300 RA, WITeC). Lämpövaikutusten välttämiseksi käytettiin 532 nm:n laseria, jonka viritysteho oli alhainen (25 %). Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS) suoritettiin Kratos Axis Ultra -spektrometrillä 300 × 700 μm2:n näytealueella käyttäen monokromaattista Al Kα-säteilyä (hν = 1486,6 eV) 150 W:n teholla. Resoluutiospektrit saatiin vastaavasti 160 eV:n ja 20 eV:n läpäisyenergioilla. SiO2:lle siirretyt NGF-näytteet leikattiin paloiksi (3 × 10 mm2 kukin) käyttämällä PLS6MW (1,06 μm) ytterbiumkuitulaseria 30 W:n teholla. Kuparilankakontaktit (50 μm paksut) valmistettiin hopeapastalla optisen mikroskoopin alla. Näille näytteille tehtiin sähkönsiirto- ja Hall-ilmiökokeita 300 K:n lämpötilassa ja ± 9 Teslan magneettikentän vaihtelulla fysikaalisten ominaisuuksien mittausjärjestelmässä (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Läpäissyt UV-vis-spektrit tallennettiin Lambda 950 UV-vis-spektrofotometrillä 350–800 nm:n NGF-alueella ja siirrettiin kvartsialustoille ja kvartsireferenssinäytteille.
Kemiallinen resistanssianturi (lomitettu elektrodisiru) kytkettiin mittatilaustyönä tehtyyn piirilevyyn 73 ja resistanssi poistettiin lyhytaikaisesti. Laite sijaitseva piirilevy on kytketty kosketusliittimiin ja asetettu kaasuanturikammion 74 sisään. Resistanssimittaukset tehtiin 1 V:n jännitteellä jatkuvalla skannauksella puhdistuksesta kaasualtistukseen ja sen jälkeen uudelleen puhdistukseen. Kammio puhdistettiin aluksi puhaltamalla siitä typpeä 200 cm3:n virtauksella 1 tunnin ajan kaikkien muiden kammiossa olevien analyyttien, myös kosteuden, poistamiseksi. Yksittäiset analyytit vapautettiin sitten hitaasti kammioon samalla 200 cm3:n virtausnopeudella sulkemalla N2-sylinteri.
Artikkelista on julkaistu tarkistettu versio, johon pääsee käsiksi artikkelin yläosassa olevan linkin kautta.
Inagaki, M. ja Kang, F. Hiilimateriaalitiede ja -tekniikka: Perusteet. Toinen painos, toimitettu. 2014. 542.
Pearson, HO. Hiilen, grafiitin, timantin ja fullereenien käsikirja: ominaisuudet, käsittely ja sovellukset. Ensimmäistä painosta on toimitettu. 1994, New Jersey.
Tsai, W. ym. Laajat monikerroksiset grafeeni/grafiittikalvot läpinäkyvinä ohuina johtavina elektrodeina. Sovellus. Fysiikka. Wright. 95(12), 123-115(2009).
Balandin AA Grafeenin ja nanorakenteisten hiilimateriaalien lämpöominaisuudet. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ja Cahill DG Ni(111):lle matalan lämpötilan kemiallisella höyrypinnoituksella kasvatettujen grafiittikalvojen lämmönjohtavuus. adverbi. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Grafeenikalvojen jatkuva kasvu kemiallisella höyrypinnoituksella. sovellus. fysiikka. Wright. 98(13), 133106(2011).
Julkaisun aika: 23. elokuuta 2024