Tige tank foar it besykjen fan natuer.com. De ferzje fan browser dy't jo brûke hat CSS-stipe beheind. Foar bêste resultaten advisearje wy dat jo in nijere ferzje fan jo browser brûke (kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer útskeakelje). Yn 'e tuskentiid, om oanhâldende stipe te garandearjen, werjaan wy de side sûnder styling as javascript.
Nanoscale Graphite Films (NGF's) binne robúste nanenmaterialen dy't kinne wurde produsearre troch katalytyske dampsposysje, mar bliuwe oer har gemak fan 'e oerdracht en hoe't oerflak bliuwt har gebrûk yn' e folgjende generaasje apparaten beynfloedet. Hjir melde wy de groei fan NGF oan beide kanten fan in polycrystalline Nickel folie (gebiet 55 cm2, dikte oer 100 nm) en syn polymer-frije oerdracht (foar en werom, gebiet oant 6 cm2). Fanwegen de morfology fan 'e katalysator ferskille de twa koalstoffilms yn har fysike eigenskippen en oare skaaimerken (lykas oerflak rûchheid). Wy demonstrearje dat NGF's mei in Rougher-efterkant binne goed geskikt foar No2-deteksje, wylst glêdde en mear liedende NGF's oan 'e foarkant (2000 S / CM, SHES-ferset) kin libbensfetbere kondukteurs wêze. kanaal as elektrode fan 'e sinne-sel (om't it 62% fan sichtber ljocht stjoert). Oer it algemien, de beskreaune groei en ferfierproses kinne helpe om ngf te realisearjen as in alternatyf koalstofmateriaal foar technologyske applikaasjes wêr't grafyske en mikron-dikke grafyk-films net geskikt binne.
GRAPHITE is in breed brûkte yndustrieel materiaal. Opmerklik hat grafyt hat de eigenskippen fan relatyf lege massa tichtheid en hege yn-fleantúch-termyske en elektryske konduktiviteit, en is heul stâl yn hurde termyske en gemyske ommerken1,2. Flake GRAPHITE is in bekende startmateriaal foar Graphene Research3. As jo yn tinne films wurde ferwurke wurde yn in breed oanbod fan applikaasjes, ynklusyf hjitende apparaten, lykas SMARTPHONS4,5,6,9,9,10 en foar elektromagnetyske ynterferinsjepresjones11. 12 en films foar litografy yn ekstreme ultraviolet13,14, liedende kanalen yn Solar sellen15,16. Foar al dizze applikaasjes soe it in signifikant foardiel wêze as grutte gebieten fan grafykefilms (NGF's) mei dikten kontroleare yn 'e Nanoscale <100 NM koe maklik produsearre wurde en ferfierd.
Grafyk-films wurde produsearre troch ferskate metoaden. Yn ien gefal folge en útwreiding en útwreiding troch Exfoliation waarden brûkt om grafyske flakes te produsearjen fan grafyske flakes 10,11,17. De flagen moatte fierder ferwurke wurde yn films fan 'e fereaske dikte, en it duorret faaks ferskate dagen om dichte grafykblêden te produsearjen. In oare oanpak is om te begjinnen mei grafierde bêst foarnimmers. Yn 'e yndustry binne blêden fan polymers koalhypers (op 1000-1500 ° C) en dan grafyt (op 2800-3200 ° C) om goed struktureare lagen-materialen te foarmjen. Hoewol de kwaliteit fan dizze films heech is, is it enerzjybriefmakker signifise1,19,19 en de minimale dikte is beheind ta in pear mikrons1,18,20.
Catalytic chemical vapor deposition (CVD) is a well-known method for producing graphene and ultrathin graphite films (<10 nm) with high structural quality and reasonable cost21,22,23,24,25,26,27. Yn ferliking fergelike mei de groei fan grafyske films28, grut-gebiet groei en / of tapassing fan Ngf mei CVD is noch minder ferkend11.39,31,32,32,33,33,32,33,32,33,32,33,32,33,33,32,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,32,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,32,33,32,32,32,32,32,33,32,32,32,32,32,32,32,32,32,32,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,33,32
CVD-groeide Grape en Grafyk-films moatte faak oerbrocht wurde op funksjonele substraat34. Dizze tinne filmferfieringen omfetsje twa wichtichste metoaden35: (1) net-etch oerdracht36,37 en (2) etch-basearre wiete gemyske oerdracht (substraat stipe) 14,34,38. Elke metoade hat wat foardielen en neidielen en moatte wurde selekteare ôfhinklik fan 'e bedoelde applikaasje, lykas earne oerherne.39 .39 beskreaun .39. Foar grafyk / grafykefilm groeid op katalytyske substatsen, oerdrage fia wetlike prosessen (wêrfan polyTeth methacrylate (PMMA) is de meast brûkte stipe-laach) bliuwt de earste kar13.30,34,99,40,41,49. Jo et al. It waard neamd dat gjin polymer waard brûkt foar NGF-oerdracht (Sample-grutte sawat 4 cm2) 25,43, mar gjin details waarden levere oangeande sample stabiliteit en / of ôfhanneling; Wiete skiekunde dy't prosessen brûke, besteane út ferskate stappen, ynklusyf de applikaasje en folgjende ferwidering fan in offere-polymeerlaach30,99,41,42. Dit proses hat neidielen: Bygelyks kinne Polymerresaken de eigenskippen fan 'e folwoeksen film38 feroarje. Oanfoljende ferwurking kin de oerbleaune polymer ferwiderje, mar dizze ekstra stappen ferheegje de kosten en tiid fan filmproduksje38,40. Tidens CVD-groei wurdt in laach grafyk deponeare net allinich oan 'e foarkant fan' e katalysele folie (de kant nei de stoomstream), mar ek oan 'e efterkant. Dat lêste wurdt lykwols beskôge as in ôffalprodukt en kin rap wurde ferwidere troch sêfte plasma38,41. Dizze film recycling fan dizze film kin helpe om opbringst te maksimalisearjen, sels as it fan legere kwaliteit is dan face koalstoffilm.
Hjir rapporteare wy de tarieding fan wafelskaalbifaciale groei fan NGF mei hege struktuerkwaliteit op polycrynte nikkelfoline nikkel folie troch cvd. It waard beoardiele hoe't de rûchheid fan 'e foar- en eftergrûn fan' e folie de morfolgy en struktuer fan NGF beynfloedet. Wy demonstrearje ek kosten-effektive en miljeufreonlike en miljeu-frije oerdracht fan NGF fan 'e nikkel folie op multyfunksjonele substraten en sjen litte hoe't de foar- en efterste films geskikt binne foar ferskate applikaasjes.
De folgjende seksjes besprekke ferskate grafytfilms dikten ôfhinklik fan it berikken fan it oantal optreden (II) Grafyk (III) Multilayer Graphen (MLG, 10-30 Layers) en (IV) NGF (~ 300 Layers). Dat lêste is de meast foarkommende dikte útdrukt as in persintaazje gebiet (sawat 97% gebiet per 100 μm2) 30. Dêrom wurdt de heule film gewoan ngf neamd.
Polycrystalline Nickel Fooils brûkt foar de synthese fan grafyk en grafykefilms hawwe ferskate tekstueren as gefolch fan har fabrikaazje en folgjende ferwurking. Wy rapporteare koartlyn in stúdzje om it groeiproses fan NGF30 te optimalisearjen. Wy litte sjen dat proses-parameters lykas annabearjende tiid en keamersdruk yn 'e groeiplakken spielje in krityske rol yn it krijen fan NGF's fan unifoarme dikte. Hjir ûndersocht wy de groei fan NGF fierd op gepolijde front (FS) en unpolished Back (BS)-oerflakken fan nikkelfolie (fig. 1a). Trije soarten samples FS en BS waarden ûndersocht, neamd yn Tabel 1. By de fisuele ynspeksje is oan beide kanten fan 'e substrat fan in karakteristyk Metallic Sulver Gray oan in Matte Grey Color (Fig. 1a); Mikroskopyske mjittingen waarden befêstige (fig. 1b, c). In typysk raman spektrum fan FS-NGF observearre yn 'e ljochte regio en oanjûn troch read, blauwe en oranje pylken yn figuer 1b wurdt werjûn yn figuer 1C. De karakteristike raman-peaks fan grafyt g (1683 cm-1) en 2d (2696 cm-1) Befêstigje de groei fan heul kristalline Ngf (fig. 1c, tabel SI1). Troch de film, in oerwicht fan Raman Spectra mei yntinsiteitsferhâlding ~ 0,3 waard waarnommen, wylst Raman Spectra mei I2D / ig = 0,8 waarden selden waarnommen. It ûntbrekken fan defekt peaks (D = 1350 cm-1) yn 'e heule film toant de hege kwaliteit fan NGF-groei. Similar Raman Results waarden krigen op 'e BS-NGF-stekproef (figuer SI1 A en B, Tabel SI1).
Fergeliking fan Niag FS- en BS-NGF: (a) foto fan in typyske NGF (Niag)-ôfbyldings (55 cm2) en de resultearjende BS-en FS-NI-samples, (C) Typyske Raman Spectra opnommen by ferskate posysjes yn panelb, (D, f) SEM-ôfbyldings by ferskate magnifikaasjes op FS-NGF / Ni, (E, G) Sem-ôfbyldings by ferskate Magnifications Sets BS -GF / NI. De blauwe pylk toant de FLG-regio, de oranje-pylk toant de MLG-regio (by de FLG-regio), de reade pylk toant de NGF-regio, en de magenta-pylk toant de fold.
Sûnt groei hinget ôf fan 'e dikte fan' e inisjele substraat, crystalgrutte, oriïntaasje, en nôtgrinzen, wêrtroch ridlike kontrôle hat oer grutte gebieten oerbleaune ngf-gebieten oer grutte gebieten bliuwt. Dizze stúdzje brûkte ynhâld dy't wy earder30 publisearre. Dit proses produseart in ljochte regio fan 0,1 oant 3% per 100 μm230. Yn 'e folgjende seksjes presintearje wy resultaten foar beide soarten regio's. Hege fergrutting SEM-ôfbyldings litte de oanwêzigens fan ferskate ljochte kontrastgebieten oan beide kanten sjen (Fig. 1F, G), oanjout de oanwêzigens fan FLG- en MLG-regio's. Dit waard ek befêstige troch Raman-fersprieding (Fig. 1C) en TEM-resultaten (letter besprutsen yn 'e seksje "FS-NGF: struktuer en eigenskippen"). De FS-MLG-regio's waarnommen op FS- en BS-NGF / NI-samples (foar- en efterkant fangf groeid op NI) is sûnder groeid op grutte Ni (111) granen foarme tidens pre-urepoNing22.30,45. Opklapjen waard oan beide kanten waarnommen (Fig. 1b, markearre mei pearse pylken). Dizze folds wurde faak fûn yn CVD-groeide grafyske en grafykefilms fanwege it grutte ferskil yn 'e koëffisjint fan thermyske útwreiding tusken de grafyt en de nikkel substraat30.38.
De AFM-ôfbylding befêstige dat de FS-NGF-stekproef fladder wie as de BS-NGF-stekproef (figuer SI1) (Figuer SI2). De woartel gemiddelde fjouwerkant (rms) rûchheidswearden fan fs-ng / ni (fig. Si2c) en bs-ng / ni (fig. Si2d) binne respektivelik (mjitten oer in gebiet fan 20 × 20 μm2). De hegere rûch kin wurde begrepen op basis fan 'e oerflakanalyse fan' e nikkel (NIiar) folie yn 'e as-ûntfongen steat (figuer SI3). SEM-ôfbyldings fan FS en BS-NIiar binne werjûn yn sifers SI3A-D, demonstrearje fan ferskate oerflak: gepulla mei sferyske dieltsjes, wylst unpolished BS-Ni FOID eksposearje. as dieltsjes mei hege sterkte. en ferfal. Lege en hege resolúsje-ôfbyldings fan Anneealed Nickel Folie (Nia) wurde toand yn figuer SI3E-H. Yn dizze figueren kinne wy de oanwêzigens observearje fan ferskate mikron-grutte Nickel-dieltsjes oan beide kanten fan 'e nikkelfolie (Fig. SI3E-H). Grutte korrels kinne in ni (111) oerflakoriïntaasje hawwe, lykas earder rapporteare30,46. D'r binne wichtige ferskillen yn nikkelfolie-morfology tusken FS-Nia en BS-Nia. De hegere rûchheid fan BS-NGF / NI is te tankjen oan it unpolished oerflak fan BS-NIiar, it oerflak wêrfan de oerflak wêrtroch signifikant rûch betsjuttet nei annealing (figuer SI3). Dit soarte fan oerflakkarakteriezjen foardat it groeiproses de rûchheid fan grafyk en grafytfilms wurde regele. It moat opmurken wurde dat de orizjinele substraat guon nôt reorganisaasje ûndergie, dy't de nôtgrutte in bytsje fermindere en wat fergrutte it oerflakteafense fan 'e substraat yn ferliking mei de annaare folie en katalystefilm22.
Moai-ôfstimming fan it substraat-oerflakte, oer de oerstap (nôtwei) 30,47 en REACE Control33 sil yn it ferminderjen fan regionale NGF-dikte op 'e μm2 en / of sels NM2-fariaasjes fan in pear nanometer). Om it oerflakgehoogness te kontrolearjen fan 'e substraat, metoaden lykas elektrolytyske polearjen fan' e resultearjende nikkelfolie kin wurde beskôge as48. De plisteare nikkelfolie kin dan annulearje by in legere temperatuer (<900 ° C) 46 en tiid (<5 min) om de foarming fan grutte ni (111) granen te foarkommen (dat foardielich is foar FLG-groei).
SLG en FLG Grape is net yn steat om de oerflakspanning fan soeren en wetter te wjerstean, fereasket Mechanical Support-lagen tidens wiete gemyske transferproses22,38.38. Yn tsjinstelling ta de wiete gemyske oerdracht fan Polymer-stipe Grafiene38, fûnen wy dat beide kanten fan 'e as groeid NGF kinne wurde oerdroegen, lykas werjûn yn figuer 2A (sjoch Figuer SI4A foar mear details). Oerdracht fan NGF nei in gegeven substraat begjint mei wiet etsen fan 'e ûnderlizzende NI30.49-film. De folwoeksen / NI / NGF-samples waarden oernachtich pleatst yn 15 ml fan 70% HNO3 HNO3 verdund mei 600 ml deionisearre (di) wetter. Nei de Ni-folie wurdt folslein oplost, bliuwt FS-NGF op it oerflak fan 'e floeistof, krekt as de NGF / NI / NGF-stekproef, wylst BS-NGF amper wurdt ûnderdompele yn wetter (Fig. 2a, B). De isoleare NGF waard doe oerbrocht fan de iene beker dy't farske-deionisearre wetter hawwe nei in oare beker en de isoleare Ngf waard goed wosken, fjouwer nei seis kear troch it konkav glês skûtel wosken. Uteinlik waarden FS-NGF en BS-NGF pleatst op 'e winske substraat (Fig. 2C).
Polymer-frij wiete gemysk oerdrachtproses foar Ngf groeid op Nickel Flow (sjoch figuer SIVE FOAR NGF nei NGF (2 SI-substraat, (D) FS-NGF-oerdracht nei Opake Polymer Substraat, (e) BS-NGF fan itselde stekproef as paniel D (ferdield yn twa dielen), oerdroegen oan goud plated c papier en nafion (fleksibele transparante substraat, rânen markearre mei reade hoeken).
Tink derom dat SLG-oerdracht útfierde mei wiete gemyske oerdrachtmetoaden fereasket dat Metoaden in totale ferwurkingstiid fan 20-24 oeren 38 is. Mei de Polymer-frije transfertechnyk hjir demonstreare hjir (figuer Si4a), wurdt de totale ngf transferferwurkingstiid signifikant fermindere (sawat 15 oeren). It proses bestiet út: (Stap 1) In etsende oplossing tariede en it stekproef (~ 10 minuten), wachtsje dan oernachting foar Ni etsen), (Stap 2) Spoel mei deionisearre wetter (stap - 3). Bewarje yn deionisearre wetter as oerdracht nei doel substraat (20 min). Wetter Trapped tusken de NGF en de bulkmatrix wurdt troch kapillêre aksje ferwidere (mei it blinkende wetterferwidering wurde ferwidere troch natuerlik droegen (sawat 30 min), en einlings wurdt it foarsprong foar 10 min. min yn in fakuüm oven (10-1 mbar) by 50-90 ° C (60 min) 38.
Grafyk is bekend om de oanwêzigens fan wetter en loft te wjerstean tsjin frijwat hege temperatueren (≥ 200 ° C) 50,51,52. Wy testen monsters mei Raman Spectroskopy, SEM, SEM, SEM, en XR's nei opslach yn Deionized Water by keamertemperatuer en yn ôffal foar earne oant ien jier (Figuer SI4). D'r is gjin merkbere degradaasje. Figuer 2C toant FRY-NGF en BS-NGF yn deionisearre wetter. Wy hawwe se ferovere op in SIO2 (300 NM) / SI-substraat, lykas werjûn oan it begjin fan figuer 2C. Derneist, lykas werjûn yn figuer 2D, kinne E, trochgeande NGF oerdroegen wurde oan ferskate substraten lykas polymers (Thermabright polyamide fan nexolve en nafion) en nafion) en nafion) en gouden koalstofpapier. De driuwende FS-NGF waard maklik pleatst op it doel Substraat (Fig. 2C, D). BS-NGF-samples grutter dan 3 cm2 wiene lykwols lestich om te behanneljen as folslein yn wetter ûnderdompele. Normaal, as se begjinne te rôljen yn wetter, fanwegen soarchleaze ôfhanneling, brekke se soms yn twa of trije dielen (fig. 2e). Oer it algemien koene wy PolyMe-frije oerdracht fan PS- en BS-NGF berikke (trochgeande naamleaze oerdracht sûnder NGF / Ni / NGF groei op 6 cm2) foar samples oant 6 en 3 CM2 yn gebiet, respektivelik oant 6 en 3 CM2 yn 'e omkriten. Elke oerbleaune grutte as lytse stikken kinne wurde (maklik sjoen yn 'e etsen of deionisearre wetter (~ 1 mm-si4b: of bewiisde) foar takomed (figueren si4). Baso op dit kritearium, wy skatte dat ngf kin wurde hersteld Opbringst fan maksimaal 98-99% (nei groei foar oerdracht).
Oerdracht samples sûnder polymeer waarden yn detail analysearre. Surface Morphological-skaaimerken krigen op FS- en BS-NGF / SIO2 / SI (FIG. 2C) mei optyske mikroskopy (om) en semôfbyldings (ôfbylde. 3) Toant dat dizze samples waarden oerdroegen sûnder mikroskopy. Sichtbere strukturele skea lykas cracks, gatten, as ûnrêstige gebieten. De plooien op it groeiende NGF (fig. 3b, D, markearre troch pearse pylken) bleaune yntakt nei oerdracht. Beide FS- as BS-NGF's binne gearstald út FLG-regio's (heldere regio's oanjûn troch blauwe pylken yn figuer 3). Ferrassend yn tsjinstelling ta de pear beskeadige regio's wurde waarnommen tidens Ultrathin Grafytfilms, ferskate mikron-grutte FLG en MLG-regio's yn figuer 3D) waarden oerdroegen sûnder barsten (Figuer 3D). 3). . Mechanical-yntegriteit waard fierder befêstige mei temlike ôfbyldings fan Ngf oerdroegen oan Lace-koalstof koperde grids, lykas letter besprutsen ("FS-NGF: struktuer en eigenskippen"). It oerdroegen BS-NGF / SIO2 / SI is Rougher dan FS-NGF / SIO2 / SI mei RMS-wearden fan 140 NM, respektivelik, lykas werjûn yn SI6A en B (20 × 20 μm2). De RMS-wearde fan NGF oerbrocht nei de SIO2 / SI-substraat (RMS <2 NM) is signifikant legere (sawat 3 kear groeid op Ni (Figuer SI2), wat oanjout dat de ekstra rûch kin oerienkomme mei it NI-oerflak. Derneist útfierden AFM-ôfbyldings op 'e rânen fan FS- en BS-NGF / SIO2 / SI-samples toande NGF-dikten fan 100 en 80 NM, respektivelik (Fig. SI7). De lytsere dikte fan BS-NGF kin in gefolch wêze fan it oerflak dat net direkt bleatsteld wurdt oan it foarrinner.
Oerbrocht Ngf (niag) sûnder polymer op Sio2 / si-wafel (sjoch figuer 2c): (a, b) Sem) fan oerdroegen fs-ngf: Leech en hege fergrutting (oerienstimming mei it oranje plein). Typyske gebieten) - a). (c, d) sem-ôfbyldings fan oerdroegen bs-ngf: Leech en hege fergrutting (oerienkommende mei it typyske gebiet dat wurdt werjûn troch it oranje plein yn paniel c). (E, F) AFM-ôfbyldings fan oerdroegen FS- en BS-NGF's. Blauwe pylk fertsjintwurdiget de FLG-regio - ljochte kontrast, Cyaan-pylk - BLACK MLG Contrast, Red Arrow - Black Contrast fertsjintwurdiget de NGF-regio, Magenta-pylk fertsjintwurdiget de fold.
De gemyske gearstalling fan 'e groeid en oerdroegen FS- en BS-NGF's waarden analysearre troch X-Ray PhotoLectron Spectroscopy (XPS) (Fig. 4). In swakke peak waard waarnommen yn 'e mjitten spektra (fig. 4a, b), oerienkomt mei de NI-substraat (850 ev) fan' e folwoeksen fs- en BS-NGF's (Niag). D'r binne gjin peaks yn 'e mjitten spektra fan oerdroegen fs- en BS-NGF / SIO2 / SI (SimilarE resultaten foar BS-NGF / SI, oanjout dat d'r gjin resaminaasje is nei it oerdracht. Figueren 4D-F-show de spekt fan hege resolúsje fan 'e C 1 S, O 1 S en SI 2P Energy-nivo's fan FS-NGF / SIO2 / SI. De binende enerzjy fan C 1 S fan Graphite is 284,4 EV53.54. De lineêre foarm fan grafyk peaks wurdt algemien beskôge as asymmetrysk, lykas werjûn yn figuer 4d54. It hege resolúsje Core-nivo C 1 S-spektrum (Fig. 4D) befêstige ek pure transfer (ie, gjin polymerresten), dy't konsistint is mei foarige stúdzje. De linewiden fan 'e c 1 s-spektra fan' e nij groeide sample (niach) en nei oerdracht binne 0,55 en 0,62 ev, respektivelik binne. Dizze wearden binne heger dan dy fan SLG (0,49 EV foar SLG op in SIO2 Substraat) 38. Dizze wearden binne lykwols lytser dan earder rapporteare linewiden foar heul rjochte pyrolytyske grafyske samples (~ 0,75 eV) 53.54,55, oanjout de ôfwêzigens fan defekte koalsides yn it hjoeddeistige materiaal. De C 1 S en O 1 S-grûnnivo hawwe SPECRA Ek skuon skouders, eliminearren, eliminearje de needsaak foar heech-resolúsje Peak DeconVolution54. D'r is in π → π * Satellyt Peak om 291,1 EV, dy't faak wurdt waarnommen yn grafyk-samples. De 103 eV en 532.5 EV-sinjalen yn 'e SI 2P en O 1 S Core nivo spektra (sjoch Fig. 4e, f) wurde respektivelik taskreaun oan de SIO2 56 substraat. XPS is in oerflak-gefoelige technyk, sadat de sinjalen dy't oerienkomme mei Ni en SIO2 ûntdutsen, wurde respektivelik respektivelik oannommen, wurde oannommen om út 'e FLG-regio te ûntstean. Similar resultaten waarden waarnommen foar oerdroegen bs-ngf-samples (net sjen litten).
Niag XPS-resultaten: (AC) Spectra fan ferskate elemintêre atoidsmokaasjes fan groeid FS-NGF / NI, BS-NGF / Ni en oerdroegen FS-NGF / SIO2 / SID TIVE. (D-F) SPECTRA FAN DE CORE NEVELS C 1 S, O 1S EN SI 2P FAN DE FS-NGF / SIO2 / SI SAME.
De algemiene kwaliteit fan 'e oerdroegen NGF-kristallen waard beoardiele mei X-Ray Diffraksje (XRD). Typyske XRD-patroanen (Fig. SI8) fan oerdroegen FS- en BS-NGF / SIO2 / SI sjen litte de oanwêzigens fan diffakken peaks (0 0 0 4) op 26.6 ° en 54,7 °, gelyk oan grafyt. . Dit befêstiget de hege kristalline kwaliteit fan NGF en komt oerien mei in ynterlayerôfstân fan D = 0,335 NM, dy't wurdt ûnderhâlden nei de transferpost. De yntinsiteit fan 'e diffraksje-peak (0 0 0 2) is sawat 30 kear dat fan' e diffraksje peak (0 0 0 4), oanjout dat it NGF-kristalfleantúch goed is ôfstimd mei it foarbyld oerflak.
Neffens de resultaten fan Sem, Raman Spectroskopy, XPS en XR, de kwaliteit fan BS-NGF / Ni fûn itselde te wêzen as dy fan FS-NG / NI, hoewol de RMS-rûchheid wat heger wie (figuer SI2, SI5) en SI7).
SLG's mei Polymer-stipe Layers oant 200 NM-dik kin op wetter driuwen. Dizze opset wurdt faak brûkt yn polymer-bystien-bystiene wiete gemyske transferproses22,38. Grafyke en grafyt binne hydrofobysk (wiete hoeke 80-90 °) 57. De potensjele enerzjy-oerflakken fan beide grafyske en FLG binne rapporteare om frijwat plat te wêzen, mei lege potensjele enerzjy (~ 1 KJ / Mol) foar de laterale beweging fan wetter by it oerflak58. De berekkene ynteraksje enerzjy fan wetter mei Grafiene en trije lagen fan Grapten binne sawat - 13 en - 15 kj / mol, 58 oanjout dat de ynteraksje mei NGF (sawat 300 lagen) leger is fergelike mei Grafiene. Dit kin ien fan 'e redenen wêze wêrom Ngf flak bliuwt op it oerflak fan wetter, wylst Grape FREESTANDING (hokker driuwt yn wetter) krullen en brekt op en brekt dan ôf. Doe't NGF folslein immens is ûnderdompele yn wetter (resultaten binne itselde foar rûch en flat Ngf), syn rânen bûge (Figuer SI4). Yn it gefal fan folsleine immerspektearje, wurdt ferwachte dat de NGF-wetter-enerzjy hast ferdûbele (ferlike Ngf) en dat de rânen fan 'e NGF-hoeke in hege kontakthoeke (hydrophobyskheid) ûnderhâlde. Wy leauwe dat strategyen kinne wurde ûntwikkele wurde om kruljen fan 'e rânen fan ynbêde NGF's te foarkommen. Ien oanpak is om mingde oplosmiddels te brûken om de wietreaksje te modullearjen fan 'e grafykefilm59.
De oerdracht fan SLG nei ferskate soarten substraat fia wiete gemyske transferproses is earder rapporteare. It wurdt algemien aksepteare dat swarte Van Workels-krêften besteane en substraften (wês it rigide substraat sa as SIC38, SI-pylders22 en LACY CARBARE FILMS30, 34 as fleksibele substraat lykas PolyImide 37). Hjir nimme wy oan dat ynteraksjes fan itselde type predominearje. Wy hawwe gjin skea of peeling fan NGF observearre foar ien fan 'e substraten dy't hjir presinteare tidens meganyske ôfhanneling (by karakterisaasje ûnder fakuüm en / of atmosfearyske omstannichheden of tidens opslach) (bgl. Figuer 2, SI7 en SI9). Derneist hawwe wy gjin SIC-peak sjoen yn 'e XPS C 1 S-spektrum fan it kearn nivo fan it NGF / SIO2 / SI-stekproef (Fig. 4). Dizze resultaten jouwe oan dat der gjin gemyske bân is tusken NGF en it doel Substraat.
Yn 'e foarige seksje "Polymer-frije oerdracht fan FS- en BS-NGF," Wy bewize dat NGF kin groeie oan beide kanten fan nikkelfolie. Dizze FS-NGF's en BS-NGF's binne net identyk yn termen fan oerflakhandigens, dy't ús frege om de meast geskikte applikaasjes foar elk type te ferkennen foar elk type.
Oerwagende op it transparânsje en glêdsplak fan FS-NGF studeare wy syn lokale struktuer, optyske en elektryske eigenskippen yn mear detail. De struktuer en struktuer fan FS-NGF sûnder polymeerferkiezen waarden karakterisearre troch transmission Electron Microskopy (tem) ferbylding en selekteare gebiet Electron Diffraksje (SAED) Patroon-analyse. De oerienkommende resultaten wurde toand yn figuer 5. Lege fergrutting Plan Term iepenbiere de oanwêzigens fan NGF en FLG-regio's mei ferskate elektron kontrast-skaaimerken, oftewol tsjustere gebieten, respektivelik (ôfb. 5a). De film algemiene eksposearret goede meganyske yntegriteit en stabiliteit tusken de ferskillende regio's fan NGF en FLG, mei goede oerlaapje en gjin skea, dy't ek befêstige waard troch SEM (Figuer 3) en Hege Manging Tem-stúdzjes (Figuer 5C-E). Benammen yn Fig. Figuer 5D toant de brêge-struktuer op it grutste diel (de posysje markearre troch de Black-stippele), dy't wurdt karakterisearre troch in trijehoekige foarm en bestiet út in grafyske laach mei in breedte fan sawat 51. De komposysje mei in ynterplan-spaasjes fan 0.33 ± 0.01 NM wurdt fierder fermindere ta ferskate lagen grafen yn 'e smelste regio (ein fan' e solide swarte pylk yn figuer 5 d).
Planar Torg Ofbylding fan in polymer-frije niag-stekproef op in koalstof lacy-koper, ynklusyf ngf en famke-regio's fan ferskate regio's yn panel-a en paniel-b binne markearre pylken fan deselde kleur. Griene pylken yn panielen a en c oanjûn sirkulêre gebieten fan skea by beamferliening. (F-I) yn panielen A nei C, SAED-patroanen yn ferskate regio's wurde oanjûn troch blau, Cyan, oranje, en reade sirkels, respektivelik.
De lintstruktuer yn figuer 5c-shows (markearre mei reade pylk) de fertikale orioren fan 'e opstelling fan' e formaasje (ynset yn figuer 5c) fanwegen oermjittich unklearbere skearspless30.6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6,6 Under Tem High-resolúsje Tem, dizze Nanofolds 30 eksposearje in oare kristallografyske oriïntaasje dan de rest fan 'e NGF-regio; De basale fleantugen fan 'e grafyt-roaster binne earder fertikaal rjochte, ynstee fan horizontaal lykas de rest fan' e film (ynset yn figuer 5c). Likemin eksposeart de FLG-regio bytiden lineêr en smel band-achtige fold (markearre troch blauwe pylken), dy't ferskine by lege en medium fergrutting yn figuer 5b, 5e, 5e. It ynset yn figuer (befêstiget de oanwêzigens fan twa- en trije-laach grafyske lagen yn 'e FLG-sektor (Interplanar Ofstân 0.33 ± 0,01 NM), dat is yn goede oerienkomst mei ús foarige resultaten. Derneist opnommen SEM-ôfbyldings fan PolyMer-FERGESE NGF oerdroegen oan koperde grappen mei LACE-koalstoffilms (nei it útfieren fan topvichtmjittingen) wurde toand yn figuer SI9. De goed ophâlden FLG-regio (markearre mei blauwe pylk) en de brutsen regio yn si9f. De blauwe pylk (oan 'e râne fan' e oerdroegen NGF) is opsetlik presinteare om te demonstrearjen dat de FLG-regio it oerdrachtproses kin wjerstean, sûnder polymer. Yn gearfetting Befêstigje dizze ôfbyldings dat foar in part ophâlden NGF (ynklusyf de FLG-regio) ûnderhâldt meganyske yntegriteit sels nei strûge en bleatstelling oan hege fakuüm tidens ghoge fakuüm tidens tem en sem-mjittingen (figuer si9).
Fanwegen de poerbêste flatness fan NGF (sjoch figuer 5a) is it net lestich te oriïntearjen fan 'e flakken lâns de [0001] domeinassen om de saige struktuer te analysearjen. Ofhinklik fan 'e pleatslike dikte fan' e film en har lokaasje, waarden ferskate regio's fan belang (12 punten) identifisearre foar elektroanedeardestúdzjes. Yn figuer binne 5A-c, fjouwer fan dizze typyske regio's wurde werjûn en markearre mei kleurde sirkels (blau, Cyaan, cyaan, oranje, en read kodearre). Figuer 2 en 3 foar SAED-modus. Figueren 5F en G waarden krigen fan 'e FLG-regio werjûn yn figuer 5 en 5. Lykas werjûn yn sifers 5b en c, respektivelik. Se hawwe in hexagonale struktuer gelyk oan Twisted Grapen63. Benammen toant Figuer 5F trije superimposearre patroanen mei deselde oriïntaasje fan 'e [0001] sôneas, draaid troch 10 °, lykas bliken troch de hoeke mismatch fan' e trije pearen fan (10-10) Reflecty. Likemin toant figuer 5g twa superimposed hexagonale patroanen dy't wurde rotte mei 20 °. Twa as trije groepen hexagonale patroanen yn 'e FLG kinne ûntstean út trije yn-fleantúch of bûten-plane Graphene Laie Layers 33 roteare relatyf oan elkoar. Yn tsjinstellingspatroanen yn 'e Electron Diffraksjepatroanen yn Figuer 5, ik (oerienkomt mei de NGF-regio yn in single [0001] patroan sjen mei in overall-diffraksje-yntensiteit, oerienkomt mei gruttere materiaal dikte. Dizze SAED-modellen komme oerien mei in dikker grafytstruktuer en tuskenlizzende oriïntaasje dan flg, lykas ôflaat fan 'e kristalline fan' e kristalline fan 'e cristfall fan' e koestere fan twa of trije superimped grafyt (as grafyske) kristalliten. Wat is foaral opmerklik yn 'e FLG yn' e FLG-regio is dat de kristalliten in bepaalde graad hawwe fan yn-fleantúch of bûten-plane-misorientaasje. Grafytyske dieltsjes / Lagers mei yn-plane rotaasje hoeken fan 17 ° 22 ° 22 ° 22 ° binne earder rapporteare foar NGF groeid op NI 64 Films. De rotaasjewearden wurde waarnommen yn dizze stúdzje binne konsistint mei earder waarnommen rotaasjebylden (± 1 °) foar twisted blg63 grapke.
De elektryske eigenskippen fan NGF / SIO2 / SI waarden mjitten op 300 K oer in gebiet fan 10 × 3 mm2. De wearden fan it konsintraasje fan Electron-ferfierder, mobiliteit en konduktiviteit binne 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 v-c-1 en 2000 s-cm-1, respektivelik. De mobiliteit en konduktiviteit fan ús NGF binne gelyk oan natuerlike grafyk en heger dan kommersjeel beskikber heul rjochte pyrolytyske grafyt (produsearre op 3000 ° C) 29. De waarnimmende konsintraasjedoarren wearden fan 'e hifkerswearden binne twa oarders heger dan dy koartlyn rapporteare (7,25 × 10 cm-3) foar micron-dikke grafyk mei hege temperatuer (3200 ° C) Polyimide lekkens 20.
Wy hawwe ek Útsmingsgrounds útfierd op fs-NGF-oerbrocht nei Quartz-substraat (figuer 6). It resultearjende spektrum toant in hast konstante stjoerder fan 62% yn 'e berik 350-800 NM, oanjout dat NGF trochsichtich is foar sichtber ljocht. Eins kin de namme "kaust" sjoen wurde yn 'e digitale foto fan' e stekproef yn figuer 6b. Hoewol de Nanocrystalline-struktuer fan NGF oars is as dat fan SLG is, kinne it oantal lagen rûchwei wurde rûsd mei de regel fan 2,3% oerdrachtferlies per ekstra Layn65. Neffens dizze relaasje is it oantal grafyske lagen mei 38%-frijspanning 21. De groeid Ngf bestiet foaral út 300 Grape-lagen, dat is sawat 100 NM Dikke (Fig. 1, SI5). Dêrom geane wy derfan út dat it waarnommen optyske transparânsje oerienkomt mei de Flg- en MLG-regio's, om't se troch de heule film ferdield binne (fig. 1, 3, 5 en 6c). Neist de boppesteande strukturele gegevens, befêstigje de konduktiviteit en transparânsje ek de hege kristalline kwaliteit fan 'e oerdroegen NGF.
(a) UV-sichtbere mjittingsmjittingen, (b) typyske Ngf-oerdracht op kwarts mei in represintative stekproef. (c) skematysk fan NGF (donkere doaze) mei gelikense fersprieden FLG en MLG-regio's markearre as grize willekeurige foarmen yn 't libben yn' e stekproef (Sear. 0. 0,1-3% gebiet per 100 μm2). De willekeurige foarmen en har maten yn it diagram binne allinich foar yllustrative doelen en korrespondearje net mei werklike gebieten.
Asslucht Ngf groeid troch CVD is earder oerbrocht nei bleate Silicon-oerflakken en brûkt yn Solar Cells15,16. De resultearjende strekt konvertysk foar macht (PCE) is 1,5%. Dizze NGF's útfiere meardere funksjoneart lykas aktive gearstalde lagen, oplade ferfierpaden, en transparante elektroden15.16. De grafytfilm is lykwols net unifoarm. Fierdere optimisaasje is nedich troch soarchfâldich te kontrolearjen fan it blêdresistinsje en optyske stjoering fan 'e grafyk-elektrode, om't dizze twa eigenskippen in wichtige rol spielje by it bepalen fan' e PCE-wearde fan 'e Solar Cell15.16. Typysk binne grafyske films 97,7% transparant foar sichtber ljocht, mar hawwe in blêdresistinsje fan 200-3000 Ohmes / sq.16. It oerflakresjerking fan grafyske films kin wurde fermindere troch it oantal lagen te ferheegjen (meardere oerdracht fan grafyske lagen) en doping mei HNO3 (~ 30 OHM / SQ.) 66. Dit proses duorret lykwols in lange tiid en de ferskillende oerdrachtlagen hâlde lykwols net altyd goed kontakt. Us front Side NGF hat eigenskippen lykas konduktivaasje, 2000 S / CM, filmblêd ferset 50 OHM / SQ. en 62% transparânsje, wêrtroch it in libbensfetber alternatyf is foar grizende kanalen of teller elektroden yn Solar sellen15,16.
Hoewol de struktuer en oerflakkemy fan BS-NGF gelyk binne oan FS-NGF, is syn rûchheid oars ("Groei fan FS- en BS-NGF"). Earder brûkten wy Ultra-tinne film Graphite22 as in gas sensor. Dêrom testen wy de mooglikheid om BS-NGF te brûken foar gasgefoelde taken (figuer SI10). Earst waarden MM2-grutte dielen fan BS-NGF oerbrocht op 'e ynterdigitearende elektrode-sensor-chip (figuer SI10A-c). BESKERKINGSDATIONDEN FAN DE SKIP WURDE FOLLE FERSLAKT; It aktyf gefoelich gebiet is 9 mm267. Yn 'e SEM-ôfbyldings (figuer SI10B en C) is it ûnderlizzende gouden Electradiel dúdlik te sjen fia de NGF. Nochris kin it sjoen wurde dat unifoarme chip-dekking waard berikt foar alle samples. Gas sensor-mjittingen fan ferskate gassen waarden opnomd (fig. SI10D) (Fig. SI11 SI11) en de resultearjende antwurd-tariven wurde toand yn Fig. SI10G. Wierskynlik mei oare ynterferearjende gassen ynklusyf SO2 (200 PPM), H2 (2%), CH4 (200 PPM), CO2 (2%), H2S (200 PPM) en NH3 (200 PPM). Ien mooglike oarsaak is no2. Electrofilyske aard fan 'e gas22.68. As advertinsjes op it oerflak fan Grafen ferleget, fermindert it de hjoeddeistige opname fan elektroanen troch it systeem. In fergeliking fan 'e gegevens fan' e reaksjegegevens fan 'e BS-NGF-sensor mei earder publisearre sensors wurdt presinteare yn Tabel Si2. It meganisme foar aktivearen fan NGF-sensoren mei UV-plasma, O3 Plasma of Thermaal (50-150 °) behanneling fan bleatstelde samples, ideaal folge troch de ymplemintaasje fan ynbêde systemen9.
Tidens it CVD-proses komt Grafyske groei oan beide kanten fan 'e katalysator substra41. BS-Grape wurdt lykwols normaal útsteld tidens it transferproses41. Yn dizze stúdzje demonstrearje wy dat NGF-groei fan hege kwaliteit en polymer-fergese NGF-oerdracht fan hege kwaliteit kin wurde berikt oan beide kanten fan 'e CATALYST-stipe. BS-NGF is tinner (~ 80 NM) dan FS-NG), en dit ferskil wurdt útlein troch it feit dat BS-NI net direkt wurdt bleatsteld oan 'e foarrinner fan foarrinner. Wy fûnen ek dat de rûchheid fan 'e niar-substraat beynfloedet de rûchheid fan' e NGF. Dizze resultaten jouwe oan dat de groeide planar FS-NGF kin wurde brûkt as in foarrinnersmateriaal foar Grapten (troch Exfoli-metodus70) of as in konduktyf kanaal yn Solar Cells15,16 .16 Yn tsjinstelling sil BS-NGF brûkt wurde foar gasdeteksje (Fig. SI9) en mooglik foar enerzjy-opslachsystemen71,72 Wêr't it oerflaktrounens nuttich sil wêze.
Oerwagende it boppesteande is it handich om it hjoeddeistige wurk te kombinearjen mei earder publisearre grafykefilms groeid troch CVD en mei nikkelfolie. Lykas te sjen yn Tabel 2, de hegere druk dy't wy hawwe ynkoarte de reaksjetiid (groeiestage) sels yn relatyf lege temperatueren (yn it berik fan 850-1300 ° C). Wy hawwe ek gruttere groei berikt as normaal, oanjout dat potensjeel foar útwreiding oanjout. D'r binne oare faktoaren om te beskôgjen, guon wêrfan wy yn 'e tabel binne opnommen.
Dûbele-sidige NGF fan hege kwaliteit waard groeid op nikkelfolie troch katalytyske CVD. Troch eliminearjen fan tradisjonele polymer substraten (lykas dy brûkt yn CVD Graphene), berikke wy skjin en defekt-fergese wiete oerdracht fan NGF (groeid op 'e efterkant en foarkant fan nikkelfolgje fan nikkelfolge fan útgongspityske substraten. Opmerklik omfettet FLG-omfettet FLG- en MLG-regio's (typysk 0,1% oant 3% per 100 μm2) dy't struktureel goed yntegreare yn 'e dikker film. Planar-temjo docht dat dizze regio's binne gearstald út stapels fan twa oant trije grafyk / grafyske dieltsjes (kristallen of lagen, respektivelik hawwe), guon hawwe in rotaasjematch fan 10-20 °. De FLG- en MLG-regio's binne ferantwurdelik foar de transparânsje fan FS-NGF nei sichtber ljocht. Wat de efterste lekkens oanbelanget, kinne se parallel wurde droegen nei de foarkantblêden en, lykas werjûn, kin in funksjoneel doel hawwe (bygelyks, foar gasdeteksje). Dizze stúdzjes binne heul nuttich foar ferminderjen fan ôffal en kosten yn yndustriële skaal CVD-prosessen.
Yn 't algemien leit de gemiddelde dikte fan CVD NGF tusken (leech- en multi-laach) Grape en yndustriële (mikrometer) grafykblêden. It berik fan har ynteressante eigenskippen, kombineare mei de ienfâldige metoade dy't wy hawwe ûntwikkele, makket dizze films benammen op it funksjonele reaksje fan 'e útjefte fan' e enerzjy fan 'e enerzjy fan' e enerzjy-yntinsive produkten dy't wurde brûkt.
In 25-μm-dikke nikkelfolie (99,5% suvering, goodfellow) waard ynstalleare yn in kommersjele CVD-reaktor (Aixtron 4-inch Botter). It systeem waard skjinmakke mei argon en evakueare oan in basisdruk fan 10-3 mbar. Doe waard Nikkel folie pleatst. Yn AR / H2 (nei it foarôf te jaan fan 'e Ni folie foar 5 min, waard de folie bleatsteld oan in stream fan 500 ° COOLD yn in stream fan CH4 (4000 CMA (100 ° CO. Details oer optimisaasje fan it NGF-groeiende proses wurde oars beskreaun.
De oerflakmorfology fan 'e stekproef waard troch Sem visualisearre troch in Zeiss Merlin Microscope (1 KV, 50 PA). It foarbyld fan 'e stekproef-rûchheid en NGF-dikte waarden mjitten mei AFM (DIMENDY PIONS SPM, Bruker). Tem en SAED-mjittingen waarden útfierd mei in Fei Titan 80-300 Cubed Microscope foarsjoen fan in miksyf-miksyf-monochator en in CEO's lensferbine aberraasje-korrektuer om de definitive resultaten te krijen. Spatiale resolúsje 0,09 NM. NGF-samples waarden oerbrocht nei Conbon Lacy Coated Copper Grids foar platte Term Fage en Saed Structure analyse. Sa wurde FLOC's fan 'e sample-Flocs yn' e poriën fan it stypjende membraan ophâlden. Oerbrocht Ngf-samples waarden analysearre troch XRD. Patroanen fan X-Ray Diffractions waarden krigen mei in poeder diffractometer (Brucker, D2-faze shifter mei Cu Kα Boarne, 1.5418 Å-strieling mei in CU-strielboarne mei in beamspot diameter fan 3 mm.
Ferskate ramanten mjittingen waarden opnomd mei in yntegraasje fan in yntegraasje confale mikroskoop (Alpha 300 RA, Witec). In 532 NM Laser mei lege eksitaasjepower (25%) waard brûkt om thermally-induzeare effekten te foarkommen. X-RAY Knotosektro's spektroscopy (XPS) waard útfierd op in Kratos Axis Ultra Spectrometer oer in krêft fan 150 W. Resuliëe spektra krigen by transmoge-enerzjy fan 160 eV en 20 ev, respektivelik. NGF-samples oerbrocht nei SIO2 waarden yn stikken snien (3 × 10 mm2) mei help fan in pls6mw (1.06 μ (1.06 μ (1.06-kopergat (50 μm dik) wiene fabrisearre mei sulveren plak ûnder in optyske mikroskoop. Eksperiminten fan elektryske ferfier en Hall-effekt waarden útfierd op dizze samplen op 300 K en in magnetyske fjild fariaasje fan ± 9 TESLAY yn in fysike eigenskippen mjitstespels (PPMS EVERCOOL-II, Quantum Untwerp, Feriene Steaten). UV-VIS-spektra waarden opnommen mei in LambDa 950 UV-VIS SPECROPHOTOMOMET yn it 350-800 NM NGF-berik oerdroegen oan kwartservet Substart en kwarts referinsjekonstels.
De gemyske ferset Sensor (Interdigiteare Electrode-chip) waard bedroege oan in oanpaste printe Circuit Board 73 en de wjerstân waard earder ekstrahierd. It printe Circuit-boerd wêrop it apparaat is ferbûn oan 'e kontaktprinsje fan' e kontaktprate en pleatst yn 'e gasgenoaten waarden yn' e spanning fan 1 V nommen mei in trochgeande scan út it suvere en dan wer purge. De Keamer waard ynearsten skjinmakke troch te skjinmeitsjen mei it suden fan 200 CM3 foar 1 oere om te soargjen dat ferwidering fan alle oare analytes oanwêzich binne yn 'e keamer, ynklusyf focht. De yndividuele analyten waarden doe stadichoan frijlitten yn 'e keamer by deselde stream taryf fan 200 cm3 troch de N2-silinder te sluten.
In herziene ferzje fan dit artikel is publisearre en kin tagonklik wurde fia de keppeling oan 'e boppekant fan it artikel.
Inagaki, M. En Kang, F. Carbon Materialen Science and Engineering: Fundamentals. Twadde edysje bewurke. 2014. 542.
Pearson, Ho hânboek fan koalstof, grafyt, diamant en falleren: eigenskippen, ferwurkjen en applikaasjes. De earste edysje is bewurke. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Grut gebiet Multilayer Grape / Grafyk-films as transparante tinne geleidende elektroden. oanfraach. Natuerkunde. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Balandin Aa Thermyske eigenskippen fan Graphene en Nanostostureare koalstofmateriaal. Nat. Matt. 10 (8), 569-581 (2011).
Cheng ky, brune pw en cahill dg thermyske konduksje fan grafykefrolen groeid op ni (111) troch che-temperatuer cheal-temperatuer gemyske dampdedosysje. bywurd. Matt. Ynterface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Trochgeande groei fan grafyske films troch gemyske dampwedstriid. oanfraach. Natuerkunde. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Posttiid: Aug-23-2024