Go raibh maith agat as cuairt a thabhairt ar Nature.com. Tá tacaíocht theoranta do CSS sa leagan brabhsálaí atá in úsáid agat. Chun na torthaí is fearr a fháil, molaimid duit leagan níos nuaí de do bhrabhsálaí a úsáid (nó Mód Comhoiriúnachta a dhíchumasú in Internet Explorer). Idir an dá linn, chun tacaíocht leanúnach a chinntiú, táimid ag taispeáint an tsuímh gan stíl ná JavaScript.
Is nana-ábhair láidre iad scannáin ghraifíte nanoscála (NGFanna) ar féidir iad a tháirgeadh trí thaisceadh gaile ceimiceach catalaíoch, ach tá ceisteanna ann fós faoina n-éascaíocht aistrithe agus an chaoi a mbíonn tionchar ag moirfeolaíocht an dromchla ar a n-úsáid i bhfeistí den chéad ghlúin eile. Anseo, tuairiscímid fás NGF ar an dá thaobh de scragall nicil pholachriostalach (achar 55 cm2, tiús thart ar 100 nm) agus a aistriú saor ó pholaiméir (tosaigh agus cúl, achar suas le 6 cm2). Mar gheall ar mhoirfeolaíocht an scragall chatalaíoch, tá difríocht idir an dá scannán carbóin ina n-airíonna fisiceacha agus tréithe eile (amhail garbh-dhromchla). Léirímid go bhfuil NGFanna le cúl níos garbh oiriúnach go maith chun NO2 a bhrath, agus gur féidir le NGFanna níos míne agus níos seoltaí ar an taobh tosaigh (2000 S/cm, friotaíocht bileoige – 50 ohms/m2) a bheith ina seoltóirí inmharthana. cainéal nó leictreoid na cille gréine (ós rud é go dtarchuireann sé 62% den solas infheicthe). Tríd is tríd, féadfaidh na próisis fáis agus iompair a thuairiscítear cabhrú le NGF a bhaint amach mar ábhar carbóin malartach d'fheidhmchláir theicneolaíocha nach bhfuil scannáin ghraifíte micreathonn agus micreathonn-thiubh oiriúnach.
Is ábhar tionsclaíoch a úsáidtear go forleathan é graifít. Go háirithe, tá airíonna dlús maise réasúnta íseal agus seoltacht theirmeach agus leictreach ard in-phlána ag graifít, agus tá sé an-chobhsaí i dtimpeallachtaí teirmeacha agus ceimiceacha crua1,2. Is ábhar tosaigh aitheanta é graifít calógach le haghaidh taighde ar ghraifít3. Nuair a dhéantar scannáin thanaí de, is féidir é a úsáid i raon leathan feidhmchlár, lena n-áirítear doirteal teasa le haghaidh gléasanna leictreonacha amhail fóin chliste4,5,6,7, mar ábhar gníomhach i braiteoirí8,9,10 agus le haghaidh cosaint trasnaíochta leictreamaighnéadaí11.12 agus scannáin le haghaidh litagrafaíochta in ultraivialait mhór13,14, bealaí seoltóireachta i gcealla gréine15,16. I gcás na bhfeidhmchlár seo go léir, bheadh sé ina bhuntáiste suntasach dá bhféadfaí limistéir mhóra scannán graifíte (NGFanna) le tiús atá rialaithe sa nanoscála <100 nm a tháirgeadh agus a iompar go héasca.
Déantar scannáin ghraifíte a tháirgeadh trí mhodhanna éagsúla. I gcás amháin, baineadh úsáid as leabú agus leathnú agus ansin scafa chun calóga graiféine a tháirgeadh10,11,17. Caithfear na calóga a phróiseáil tuilleadh i scannáin den tiús riachtanach, agus is minic a thógann sé roinnt laethanta bileoga graifíte dlútha a tháirgeadh. Cur chuige eile is ea tosú le réamhtheachtaithe soladacha inghraifíte. Sa tionscal, déantar bileoga polaiméirí a charbónú (ag 1000–1500 °C) agus ansin iad a ghraifítiú (ag 2800–3200 °C) chun ábhair shrathacha dea-struchtúrtha a fhoirmiú. Cé go bhfuil cáilíocht na scannán seo ard, tá an tomhaltas fuinnimh suntasach1,18,19 agus tá an tiús íosta teoranta do chúpla miocrón1,18,19,20.
Is modh aitheanta é taisceadh gaile ceimiceach catalaíoch (CVD) chun scannáin ghraiféine agus graifíte ultrathanaí (<10 nm) a tháirgeadh a bhfuil ardchaighdeán struchtúrach agus costas réasúnta acu21,22,23,24,25,26,27. Mar sin féin, i gcomparáid le fás scannán ghraiféine agus graifíte ultrathanaí28, ní dhéantar an oiread céanna iniúchadh ar fhás agus/nó ar chur i bhfeidhm NGF ar limistéir mhóra ag baint úsáide as CVD11,13,29,30,31,32,33.
Is minic a bhíonn gá scannáin ghrafáin agus ghrafáin atá fásaithe i CVD a aistriú chuig foshraitheanna feidhmiúla34. Baineann dhá phríomhmhodh leis na haistrithe scannán tanaí seo35: (1) aistriú neamh-eitseála36,37 agus (2) aistriú ceimiceach fliuch bunaithe ar eits (le tacaíocht foshraithe)14,34,38. Tá buntáistí agus míbhuntáistí ag baint le gach modh agus ní mór iad a roghnú ag brath ar an bhfeidhmchlár atá beartaithe, mar a thuairiscítear in áit eile35,39. Maidir le scannáin ghrafáin/ghraifíte atá fásaithe ar foshraitheanna catalaíocha, is é an chéad rogha fós aistriú trí phróisis cheimiceacha fliucha (arb é polaiméitil meataicriláit (PMMA) an ciseal tacaíochta is coitianta a úsáidtear)13,30,34,38,40,41,42. You et al. Luadh nár úsáideadh aon pholaiméir le haghaidh aistriú NGF (méid an tsampla thart ar 4 cm2)25,43, ach níor soláthraíodh aon sonraí maidir le cobhsaíocht agus/nó láimhseáil an tsampla le linn aistrithe; Tá roinnt céimeanna i bpróisis cheimice fliucha a úsáideann polaiméirí, lena n-áirítear cur i bhfeidhm agus baint ina dhiaidh sin ciseal polaiméire íobartach30,38,40,41,42. Tá míbhuntáistí ag baint leis an bpróiseas seo: mar shampla, is féidir le hiarmhair polaiméire airíonna an scannáin fhásta38 a athrú. Is féidir le próiseáil bhreise polaiméir iarmharach a bhaint, ach méadaíonn na céimeanna breise seo costas agus am táirgthe scannáin38,40. Le linn fáis CVD, déantar ciseal graiféine a thaisceadh ní hamháin ar thaobh tosaigh an scragall catalaíoch (an taobh atá os comhair an tsreafa gaile), ach ar a chúl freisin. Mar sin féin, meastar gur táirge dramhaíola é an dara ceann agus is féidir é a bhaint go tapa le plasma bog38,41. Is féidir le hathchúrsáil an scannáin seo cabhrú le toradh a uasmhéadú, fiú má tá sé de chaighdeán níos ísle ná scannán carbóin aghaidhe.
Anseo, tuairiscímid ullmhú fáis dé-aghaidheach ar scála vaiféil de NGF le caighdeán struchtúrach ard ar scragall nicil pholachriostalach trí CVD. Rinneadh measúnú ar an gcaoi a mbíonn tionchar ag garbhacht dhromchla tosaigh agus chúl an scragall ar mhórfhoirmiú agus struchtúr NGF. Léirímid freisin aistriú NGF atá cost-éifeachtach agus neamhdhíobhálach don chomhshaol agus saor ó pholaiméir ó dhá thaobh an scragall nicil ar foshraitheanna ilfheidhmeacha agus taispeánaimid conas atá na scannáin tosaigh agus chúl oiriúnach d'fheidhmchláir éagsúla.
Pléitear sna hailt seo a leanas tiús éagsúla scannán graifíte ag brath ar líon na sraitheanna graiféine cruachta: (i) graiféin aonchiseal (SLG, 1 shraith), (ii) graiféin cúpla sraithe (FLG, < 10 sraith), (iii) graiféin ilchiseal (MLG, 10-30 sraith) agus (iv) NGF (~300 sraith). Is é an dara ceann an tiús is coitianta a chuirtear in iúl mar chéatadán den achar (thart ar 97% den achar in aghaidh an 100 µm2)30. Sin é an fáth a dtugtar NGF ar an scannán iomlán.
Bíonn uigeachtaí difriúla ag scragall nicil pholachriostalach a úsáidtear chun scannáin ghraiféine agus graifíte a shintéisiú mar thoradh ar a monarú agus a bpróiseáil ina dhiaidh sin. Tuairiscíomar le déanaí staidéar chun próiseas fáis NGF30 a bharrfheabhsú. Taispeánaimid go bhfuil ról ríthábhachtach ag paraiméadair phróisis amhail am annála agus brú an tseomra le linn chéim an fháis chun NGFanna de thiús aonfhoirmeach a fháil. Anseo, rinneamar imscrúdú breise ar fhás NGF ar dhromchlaí tosaigh snasta (FS) agus cúil neamhshnasta (BS) scragall nicil (Fíor 1a). Rinneadh scrúdú ar thrí chineál samplaí FS agus BS, atá liostaithe i dTábla 1. Tar éis cigireachta amhairc, is féidir fás aonfhoirmeach NGF ar an dá thaobh den scragall nicil (NiAG) a fheiceáil tríd an athrú datha ar an tsubstráit Ni mórchóir ó liath airgid miotalach tréith go dath liath neamhlonrach (Fíor 1a); deimhníodh tomhais mhicreascópacha (Fíor 1b, c). Taispeántar speictream Raman tipiciúil de FS-NGF a breathnaíodh sa réigiún geal agus a léirítear le saigheada dearga, gorma agus oráiste i bhFíor 1b i bhFíor 1c. Deimhníonn buaicphointí Raman tréithiúla graifíte G (1683 cm−1) agus 2D (2696 cm−1) fás NGF ardchriostalach (Fíor 1c, Tábla SI1). Ar fud an scannáin, breathnaíodh ceannasacht speictrim Raman le cóimheas déine (I2D/IG) ~0.3, agus is annamh a breathnaíodh speictrim Raman le I2D/IG = 0.8. Léiríonn easpa buaicphointí lochtacha (D = 1350 cm-1) sa scannán iomlán ardcháilíocht fhás NGF. Fuarthas torthaí Raman comhchosúla ar an sampla BS-NGF (Fíor SI1 a agus b, Tábla SI1).
Comparáid idir NiAG FS- agus BS-NGF: (a) Grianghraf de shampla tipiciúil NGF (NiAG) ina bhfuil fás NGF ar scála vaiféir (55 cm2) agus na samplaí scragall BS- agus FS-Ni a eascraíonn as, (b) Íomhánna FS-NGF/Ni a fhaightear le micreascóp optúil, (c) speictrim tipiciúla Raman taifeadta ag suíomhanna éagsúla i bpainéal b, (d, f) Íomhánna SEM ag formhéaduithe éagsúla ar FS-NGF/Ni, (e, g) Íomhánna SEM ag formhéaduithe éagsúla Tacair BS -NGF/Ni. Léiríonn an tsaighead ghorm réigiún FLG, léiríonn an tsaighead oráiste réigiún MLG (gar do réigiún FLG), léiríonn an tsaighead dhearg réigiún NGF, agus léiríonn an tsaighead magenta an fillteán.
Ós rud é go mbraitheann fás ar thiús an tsubstráit tosaigh, ar mhéid an chriostail, ar threoshuíomh, agus ar theorainneacha gráin, is dúshlán fós é rialú réasúnta a bhaint amach ar thiús NGF thar limistéir mhóra20,34,44. Bhain an staidéar seo úsáid as ábhar a d’fhoilsíomar roimhe seo30. Táirgeann an próiseas seo réigiún geal de 0.1 go 3% in aghaidh gach 100 µm230. Sna hailt seo a leanas, cuirimid torthaí i láthair don dá chineál réigiúin. Taispeánann íomhánna SEM ard-mhéadúcháin láithreacht roinnt limistéar codarsnachta geala ar an dá thaobh (Fíor 1f,g), rud a léiríonn láithreacht réigiúin FLG agus MLG30,45. Deimhníodh é seo freisin le torthaí scaipeadh Raman (Fíor 1c) agus TEM (pléitear níos déanaí sa chuid “FS-NGF: struchtúr agus airíonna”). D’fhéadfadh sé gur fhás na réigiúin FLG agus MLG a breathnaíodh ar shamplaí FS- agus BS-NGF/Ni (NGF tosaigh agus cúil a fhástar ar Ni) ar ghráin mhóra Ni(111) a foirmíodh le linn réamh-annealing22,30,45. Breathnaíodh fillteán ar an dá thaobh (Fíor 1b, marcáilte le saigheada corcra). Is minic a fhaightear na fillteáin seo i scannáin ghraifíne agus graifíte a fhástar le CVD mar gheall ar an difríocht mhór i gcomhéifeacht leathnú teirmeach idir an graifít agus an tsubstráit nicil30,38.
Dheimhnigh an íomhá AFM go raibh an sampla FS-NGF níos cothroime ná an sampla BS-NGF (Fíor SI1) (Fíor SI2). Is iad 82 agus 200 nm, faoi seach (tomhaiste thar achar 20 × 20 μm2) luachanna garbha fréimhe meánchearnóige (RMS) FS-NGF/Ni (Fíor SI2c) agus BS-NGF/Ni (Fíor SI2d). Is féidir an garbha níos airde a thuiscint bunaithe ar anailís dhromchla an scragall nicil (NiAR) sa stát mar a fuarthas é (Fíor SI3). Taispeántar íomhánna SEM de FS agus BS-NiAR i bhFíor SI3a–d, rud a léiríonn moirfeolaíochtaí dromchla éagsúla: tá cáithníní sféarúla nana- agus micrónmhéide ag scragall FS-Ni snasta, agus taispeánann scragall BS-Ni neamhsnasta dréimire táirgthe mar cháithníní a bhfuil neart agus meath ard acu. Taispeántar íomhánna ísealtaifigh agus ardtaifigh de scragall nicil annealed (NiA) i bhFíor SI3e–h. Sna figiúirí seo, is féidir linn roinnt cáithníní nicil de mhéid micrón a fheiceáil ar an dá thaobh den scragall nicil (Fíor SI3e–h). D’fhéadfadh treoshuíomh dromchla Ni(111) a bheith ag gráinní móra, mar a tuairiscíodh roimhe seo30,46. Tá difríochtaí suntasacha i moirfeolaíocht scragall nicil idir FS-NiA agus BS-NiA. Tá garbhacht níos airde BS-NGF/Ni mar gheall ar dhromchla neamhshnasta BS-NiAR, a fhanann a dhromchla garbh go suntasach fiú tar éis annealing (Fíor SI3). Ligeann an cineál seo tréithrithe dromchla roimh an bpróiseas fáis do gharbhacht na scannán graiféine agus graifíte a bheith rialaithe. Ba chóir a thabhairt faoi deara gur atheagraíodh an tsubstráit bhunaidh roinnt gráin le linn fás graiféine, rud a laghdaigh méid an ghráin beagán agus a mhéadaigh garbhacht dromchla an tsubstráit beagán i gcomparáid leis an scannán scragall agus catalaíoch annealaithe22.
Trí gharbhacht dhromchla an tsubstráit, am análaithe (méid gráin)30,47 agus rialú scaoilte43 a mhionchoigeartú, cabhrófar le haonfhoirmeacht thiús réigiúnach NGF a laghdú go dtí an scála µm2 agus/nó fiú nm2 (i.e., athruithe tiús cúpla nanaiméadar). Chun garbhacht dhromchla an tsubstráit a rialú, is féidir modhanna ar nós snasú leictrealaíoch an scragall nicil mar thoradh air sin a mheas48. Ansin, is féidir an scragall nicil réamhchóireáilte a anáil ag teocht níos ísle (< 900 °C)46 agus am (< 5 nóiméad) chun foirmiú gráin mhóra Ni(111) a sheachaint (rud atá tairbheach d'fhás FLG).
Ní féidir le graifín SLG agus FLG teannas dromchla aigéid agus uisce a sheasamh, agus bíonn sraitheanna tacaíochta meicniúla ag teastáil le linn próiseas aistrithe ceimicigh fliuch22,34,38. I gcodarsnacht leis an aistriú ceimiceach fliuch de ghraifín aonchiseal atá tacaithe le polaiméir38, fuarthas amach gur féidir an dá thaobh den NGF mar a fhástar é a aistriú gan tacaíocht polaiméir, mar a thaispeántar i bhFíor 2a (féach Fíor SI4a le haghaidh tuilleadh sonraí). Tosaíonn aistriú NGF chuig foshraith ar leith le greanadh fliuch an scannáin Ni30.49 atá faoina bhun. Cuireadh na samplaí NGF/Ni/NGF fásaithe thar oíche i 15 mL de 70% HNO3 caolaithe le 600 mL d'uisce dí-ianaithe (DI). Tar éis don scragall Ni a bheith tuaslagtha go hiomlán, fanann FS-NGF cothrom agus snámhann sé ar dhromchla an leachta, díreach cosúil leis an sampla NGF/Ni/NGF, agus BS-NGF tumtha in uisce (Fíor 2a,b). Ansin aistríodh an NGF aonraithe ó bhéicéar amháin ina raibh uisce dí-ianaithe úr go beicéar eile agus niteadh an NGF aonraithe go maith, ag déanamh arís ceithre nó sé huaire tríd an mhias gloine cóncáibheach. Ar deireadh, cuireadh FS-NGF agus BS-NGF ar an tsubstráit inmhianaithe (Fíor 2c).
Próiseas aistrithe ceimicigh fliuch saor ó pholaiméir le haghaidh NGF a fhástar ar scragall nicil: (a) Léaráid sreafa próisis (féach Fíor SI4 le haghaidh tuilleadh sonraí), (b) Grianghraf digiteach de NGF scartha tar éis greanadh Ni (2 shampla), (c) Sampla FS – agus aistriú BS-NGF chuig foshraith SiO2/Si, (d) Aistriú FS-NGF chuig foshraith polaiméire teimhneach, (e) BS-NGF ón sampla céanna le painéal d (roinnte ina dhá chuid), aistrithe chuig páipéar C órphlátáilte agus Nafion (foshraith trédhearcach solúbtha, imill marcáilte le coirnéil dearga).
Tabhair faoi deara go n-éilíonn aistriú SLG a dhéantar ag baint úsáide as modhanna aistrithe ceimiceacha fliucha am próiseála iomlán de 20–24 uair an chloig 38. Leis an teicníc aistrithe saor ó pholaiméir a léirítear anseo (Fíor SI4a), laghdaítear an t-am próiseála foriomlán aistrithe NGF go suntasach (thart ar 15 uair an chloig). Is éard atá sa phróiseas: (Céim 1) Tuaslagán greanta a ullmhú agus an sampla a chur ann (~10 nóiméad), ansin fanacht thar oíche le haghaidh greanta Ni (~7200 nóiméad), (Céim 2) Sruthlaigh le huisce dí-ianaithe (Céim – 3). stóráil in uisce dí-ianaithe nó aistrigh chuig an tsubstráit sprice (20 nóiméad). Baintear uisce atá gafa idir an NGF agus an maitrís mórchóir trí ghníomh ribeach (ag baint úsáide as páipéar blotála) 38, ansin baintear na braoiníní uisce atá fágtha trí thriomú nádúrtha (thart ar 30 nóiméad), agus ar deireadh triomaítear an sampla ar feadh 10 nóiméad. nóiméad in oigheann folúis (10–1 mbar) ag 50–90 °C (60 nóiméad) 38.
Is eol go seasann graifít in aghaidh uisce agus aeir ag teochtaí sách ard (≥ 200 °C)50,51,52. Rinneamar tástáil ar shamplaí ag baint úsáide as speictreascópacht Raman, SEM, agus XRD tar éis iad a stóráil in uisce dí-ianaithe ag teocht an tseomra agus i mbuidéil shéalaithe ar feadh tréimhse ó chúpla lá go bliain amháin (Fíor SI4). Níl aon dhíghrádú suntasach ann. Taispeánann Fíor 2c FS-NGF agus BS-NGF neamhspleácha in uisce dí-ianaithe. Ghabhamar iad ar shubstráit SiO2 (300 nm)/Si, mar a thaispeántar ag tús Fíor 2c. Ina theannta sin, mar a thaispeántar i bhFíor 2d,e, is féidir NGF leanúnach a aistriú chuig foshraitheanna éagsúla amhail polaiméirí (polaimíd Thermabright ó Nexolve agus Nafion) agus páipéar carbóin atá brataithe le hór. Cuireadh an FS-NGF snámhach go héasca ar an tsubstráit sprice (Fíor 2c, d). Mar sin féin, bhí sé deacair samplaí BS-NGF níos mó ná 3 cm2 a láimhseáil nuair a bhí siad tumtha go hiomlán in uisce. De ghnáth, nuair a thosaíonn siad ag rolladh in uisce, mar gheall ar láimhseáil mhíchúramach, briseann siad ina dhá chuid nó ina dtrí chuid uaireanta (Fíor 2e). Tríd is tríd, bhíomar in ann aistriú gan pholaiméir de PS- agus BS-NGF (aistriú leanúnach gan uaim gan fás NGF/Ni/NGF ag 6 cm2) a bhaint amach le haghaidh samplaí suas le 6 agus 3 cm2 in achar, faoi seach. Is féidir aon phíosaí móra nó beaga atá fágtha (le feiceáil go héasca sa tuaslagán greanta nó san uisce dí-ianaithe) a chur ar an tsubstráit atá ag teastáil (~1 mm2, Fíor SI4b, féach sampla aistrithe chuig eangach copair mar atá i “FS-NGF: Struchtúr agus Airíonna (pléite) faoi “Struchtúr agus Airíonna”) nó a stóráil lena úsáid sa todhchaí (Fíor SI4). Bunaithe ar an gcritéar seo, measaimid gur féidir NGF a aisghabháil i dtáirgeacht suas le 98-99% (tar éis fáis le haghaidh aistrithe).
Rinneadh anailís mhionsonraithe ar shamplaí aistrithe gan polaiméir. Léirigh tréithe moirfeolaíocha dromchla a fuarthas ar FS- agus BS-NGF/SiO2/Si (Fíor 2c) ag baint úsáide as micreascópacht optúil (OM) agus íomhánna SEM (Fíor SI5 agus Fíor 3) gur aistríodh na samplaí seo gan micreascópacht. Damáiste struchtúrach le feiceáil amhail scoilteanna, poill, nó limistéir neamhrollta. D'fhan na fillteacha ar an NGF atá ag fás (Fíor 3b, d, marcáilte le saigheada corcra) slán tar éis an aistrithe. Tá FS- agus BS-NGFanna araon comhdhéanta de réigiúin FLG (réigiúin gheala léirithe ag saigheada gorma i bhFíor 3). Ar ionadh, i gcodarsnacht leis na cúpla réigiún damáiste a fheictear de ghnáth le linn aistriú polaiméire scannán graifíte ultra-thanaí, aistríodh roinnt réigiún FLG agus MLG de mhéid micrón a nascann leis an NGF (marcáilte le saigheada gorma i bhFíor 3d) gan scoilteanna ná briseadh (Fíor 3d). 3). Deimhníodh sláine mheicniúil tuilleadh ag baint úsáide as íomhánna TEM agus SEM de NGF a aistríodh ar eangacha copair lása-charbóin, mar a phléitear níos déanaí (“FS-NGF: Struchtúr agus Airíonna”). Tá an BS-NGF/SiO2/Si aistrithe níos garbh ná FS-NGF/SiO2/Si le luachanna rms de 140 nm agus 17 nm, faoi seach, mar a thaispeántar i bhFíor SI6a agus b (20 × 20 μm2). Tá luach RMS NGF aistrithe chuig an tsubstráit SiO2/Si (RMS < 2 nm) i bhfad níos ísle (thart ar 3 huaire) ná luach NGF a fhástar ar Ni (Fíor SI2), rud a léiríonn go bhféadfadh an garbhacht bhreise a bheith comhfhreagrach don dromchla Ni. Ina theannta sin, léirigh íomhánna AFM a rinneadh ar imill na samplaí FS- agus BS-NGF/SiO2/Si tiús NGF de 100 agus 80 nm, faoi seach (Fíor SI7). D’fhéadfadh sé gur toradh é tiús níos lú BS-NGF ar gan an dromchla a bheith nochta go díreach don ghás réamhtheachtaí.
NGF aistrithe (NiAG) gan pholaiméir ar sceallóg SiO2/Si (féach Fíor 2c): (a,b) Íomhánna SEM de FS-NGF aistrithe: formhéadú íseal agus ard (a fhreagraíonn don chearnóg oráiste sa phainéal). Limistéir tipiciúla) – a). (c,d) Íomhánna SEM de BS-NGF aistrithe: formhéadú íseal agus ard (a fhreagraíonn don limistéar tipiciúil a thaispeántar leis an gcearnóg oráiste i bpainéal c). (e, f) Íomhánna AFM de FS- agus BS-NGFanna aistrithe. Léiríonn saighead ghorm réigiún FLG – codarsnacht gheal, saighead cian – codarsnacht dhubh MLG, saighead dhearg – codarsnacht dhubh léiríonn sé réigiún NGF, léiríonn saighead magenta an fillteán.
Rinneadh anailís ar chomhdhéanamh ceimiceach na FS- agus BS-NGFanna fásaithe agus aistrithe trí speictreascópacht fhótaileictreon X-gha (XPS) (Fíor 4). Breathnaíodh buaic lag sna speictrim tomhaiste (Fíor 4a, b), a fhreagraíonn don tsubstráit Ni (850 eV) de na FS- agus BS-NGFanna fásaithe (NiAG). Níl aon bhuaiceanna sna speictrim tomhaiste de FS- agus BS-NGF/SiO2/Si aistrithe (Fíor 4c; ní thaispeántar torthaí comhchosúla do BS-NGF/SiO2/Si), rud a léiríonn nach bhfuil aon éilliú Ni iarmharach ann tar éis aistrithe. Taispeánann Fíoracha 4d–f na speictrim ardtaifigh de na leibhéil fuinnimh C 1 s, O 1 s agus Si 2p de FS-NGF/SiO2/Si. Is é 284.4 eV53.54 fuinneamh ceangailteach C 1 s graifíte. Meastar go ginearálta go bhfuil cruth líneach buaicphointí graifíte neamhshiméadrach, mar a thaispeántar i bhFíor 4d54. Dheimhnigh an speictream C 1 s ardtaifigh ar leibhéal an chroí (Fíor 4d) aistriú íon freisin (i.e., gan aon iarmhair pholaiméire), rud atá comhsheasmhach le staidéir roimhe seo38. Is iad 0.55 agus 0.62 eV, faoi seach, leithead líne speictream C 1 s an tsampla úr-fhásta (NiAG) agus tar éis aistrithe. Tá na luachanna seo níos airde ná luachanna SLG (0.49 eV do SLG ar foshraith SiO2)38. Mar sin féin, tá na luachanna seo níos lú ná leithead líne a tuairiscíodh roimhe seo do shamplaí graiféine pirilíteacha atá dírithe go hard (~0.75 eV)53,54,55, rud a léiríonn easpa suíomhanna carbóin lochtacha san ábhar reatha. Tá easpa guaillí ag speictream leibhéal na talún C 1 s agus O 1 s freisin, rud a chuireann deireadh leis an ngá atá le díchonbhlúiriú buaicphointí ardtaifigh54. Tá buaic satailíte π → π* timpeall 291.1 eV, rud a fheictear go minic i samplaí graifíte. Cuirtear na comharthaí 103 eV agus 532.5 eV sna speictrim leibhéal croí Si 2p agus O 1 s (féach Fíor 4e, f) i leith an tsubstráit SiO2 56, faoi seach. Is teicníc íogair dromchla í XPS, mar sin glactar leis go dtagann na comharthaí a fhreagraíonn do Ni agus SiO2 a bhraitear roimh agus tar éis aistriú NGF, faoi seach, ón réigiún FLG. Breathnaíodh torthaí comhchosúla i gcás samplaí BS-NGF aistrithe (nach bhfuil léirithe).
Torthaí NiAG XPS: (ac) Speictrim suirbhé de chomhdhéanamh adamhach eiliminteach éagsúil de FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni agus FS-NGF/SiO2/Si aistrithe, faoi seach. (d–f) Speictrim ardtaifigh de na leibhéil chroí C 1 s, O 1s agus Si 2p den sampla FS-NGF/SiO2/Si.
Rinneadh measúnú ar cháilíocht fhoriomlán na gcriostal NGF aistrithe ag baint úsáide as difreactadh X-gha (XRD). Léiríonn patrúin tipiciúla XRD (Fíor SI8) de FS- agus BS-NGF/SiO2/Si aistrithe láithreacht buaicphointí difreactadh (0 0 0 2) agus (0 0 0 4) ag 26.6° agus 54.7°, cosúil le graifít. Deimhníonn sé seo cáilíocht ardchriostalach NGF agus comhfhreagraíonn sé d'achar idirchiseal d = 0.335 nm, a chothabháiltear tar éis chéim an aistrithe. Tá déine na buaice difreactadh (0 0 0 2) thart ar 30 uair níos mó ná déine na buaice difreactadh (0 0 0 4), rud a léiríonn go bhfuil plána criostail an NGF ailínithe go maith le dromchla an tsampla.
De réir thorthaí SEM, speictreascópacht Raman, XPS agus XRD, fuarthas amach go raibh cáilíocht BS-NGF/Ni mar an gcéanna le cáilíocht FS-NGF/Ni, cé go raibh a gharbhacht rms beagán níos airde (Fíoracha SI2, SI5) agus SI7).
Is féidir le SLGanna le sraitheanna tacaíochta polaiméire suas le 200 nm ar tiús snámh ar uisce. Úsáidtear an socrú seo go coitianta i bpróisis aistrithe ceimiceacha fliucha le cúnamh polaiméir22,38. Tá graifín agus graifít hidrofóbach (uillinn fhliuch 80–90°)57. Tuairiscíodh go bhfuil dromchlaí fuinnimh phoitéinsiúil an ghraifíne agus an FLG araon sách cothrom, le fuinneamh poitéinsiúil íseal (~1 kJ/mol) le haghaidh gluaiseacht cliathánach uisce ag an dromchla58. Mar sin féin, tá na fuinnimh idirghníomhaíochta ríofa d'uisce le graifín agus trí shraith de ghraifín thart ar −13 agus −15 kJ/mol,58 faoi seach, rud a léiríonn go bhfuil idirghníomhaíocht uisce le NGF (thart ar 300 sraith) níos ísle i gcomparáid le graifín. D'fhéadfadh gurb é seo ceann de na cúiseanna a bhfanann NGF neamhspleách cothrom ar dhromchla an uisce, agus graifín neamhspleách (a shnámhann in uisce) ag lúbadh suas agus ag briseadh síos. Nuair a bhíonn NGF tumtha go hiomlán in uisce (tá na torthaí mar an gcéanna do NGF garbh agus cothrom), lúbaíonn a imill (Fíor SI4). I gcás tumoideachais iomláin, meastar go ndúblófar beagnach fuinneamh idirghníomhaíochta NGF-uisce (i gcomparáid le NGF snámhach) agus go bhfillteann imill an NGF chun uillinn teagmhála ard (hidreafóbacht) a choinneáil. Creidimid gur féidir straitéisí a fhorbairt chun lúbadh imill NGFanna leabaithe a sheachaint. Cur chuige amháin is ea tuaslagóirí measctha a úsáid chun imoibriú fliuchta an scannáin graifíte a mhodhnú59.
Tuairiscíodh roimhe seo aistriú SLG chuig cineálacha éagsúla foshraitheanna trí phróisis aistrithe ceimiceacha fliucha. Glactar leis go ginearálta go bhfuil fórsaí laga van der Waals ann idir scannáin graiféine/graifíte agus foshraitheanna (bíodh siad ina foshraitheanna righne amhail SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, piléir Si22 agus scannáin charbóin lása30,34 nó foshraitheanna solúbtha amhail polaimíd 37). Anseo glacaimid leis gurb iad idirghníomhaíochtaí den chineál céanna is mó atá i réim. Níor thugamar faoi deara aon damáiste ná feannadh NGF d'aon cheann de na foshraitheanna a chuirtear i láthair anseo le linn láimhseála meicniúla (le linn tréithrithe faoi fholús agus/nó coinníollacha atmaisféaracha nó le linn stórála) (m.sh., Fíor 2, SI7 agus SI9). Ina theannta sin, níor thugamar faoi deara buaic SiC i speictream XPS C 1 s leibhéal croí an tsampla NGF/SiO2/Si (Fíor 4). Léiríonn na torthaí seo nach bhfuil aon nasc ceimiceach idir NGF agus an foshraith sprice.
Sa chuid roimhe seo, “Aistriú saor ó pholaiméir FS- agus BS-NGF,” léirigh muid gur féidir le NGF fás agus aistriú ar an dá thaobh de scragall nicil. Níl na FS-NGFanna agus BS-NGFanna seo mar an gcéanna i dtéarmaí garbh-dhromchla, rud a spreag sinn chun na feidhmeanna is oiriúnaí do gach cineál a iniúchadh.
Agus trédhearcacht agus dromchla mín FS-NGF á mbreithniú, rinneamar staidéar níos mine ar a struchtúr áitiúil, ar a airíonna optúla agus leictreacha. Rinneadh tréithriú ar struchtúr agus struchtúr FS-NGF gan aistriú polaiméir trí íomháú micreascópacht leictreon tarchurtha (TEM) agus anailís ar phatrún difreactadh leictreon limistéir roghnaithe (SAED). Taispeántar na torthaí comhfhreagracha i bhFíor 5. Léirigh íomháú TEM planar íseal-mhéadúcháin láithreacht réigiúin NGF agus FLG le tréithe codarsnachta leictreon éagsúla, i.e. limistéir níos dorcha agus níos gile, faoi seach (Fíor 5a). Taispeánann an scannán sláine mheicniúil agus cobhsaíocht mhaith idir na réigiúin éagsúla de NGF agus FLG, le forluí maith agus gan aon damáiste ná cuimilt, rud a dheimhnigh staidéir SEM (Fíor 3) agus TEM ard-mhéadúcháin (Fíor 5c-e) freisin. Go háirithe, i bhFíor 5d, taispeánann Fíor 5d struchtúr an droichid ag a chuid is mó (an suíomh atá marcáilte leis an tsaighead poncaithe dubh i bhFíor 5d), atá tréithrithe ag cruth triantánach agus atá comhdhéanta de shraith graiféine le leithead de thart ar 51. Laghdaítear an comhdhéanamh le spásáil idirphlánach de 0.33 ± 0.01 nm tuilleadh go roinnt sraitheanna graiféine sa réigiún is cúinge (deireadh na saighde dubha soladacha i bhFíor 5 d).
Íomhá TEM phlánach de shampla NiAG saor ó pholaiméir ar eangach copair lása carbóin: (a, b) Íomhánna TEM ísealmhéadúcháin lena n-áirítear réigiúin NGF agus FLG, (ce) Tá saigheada den dath céanna marcáilte ar íomhánna ardmhéadúcháin de réigiúin éagsúla i bpainéal-a agus painéal-b. Léiríonn saigheada glasa i bpainéil a agus c limistéir chiorclacha damáiste le linn ailíniú bhíoma. (f–i) I bpainéil a go c, léirítear patrúin SAED i réigiúin éagsúla le ciorcail ghorma, cian, oráiste agus dearga, faoi seach.
Léiríonn an struchtúr ribíneach i bhFíor 5c (marcáilte le saighead dhearg) treoshuíomh ingearach na bplánaí laitíse graifíte, rud a d'fhéadfadh a bheith mar gheall ar fhoirmiú nana-fhilleadh feadh an scannáin (inset i bhFíor 5c) mar gheall ar strus lomadh neamhchúitithe iomarcach30,61,62. Faoi TEM ardtaifigh, taispeánann na nana-fhilleadh 30 seo treoshuíomh criostalagrafach difriúil ná an chuid eile den réigiún NGF; tá na pláin bhunacha den laitíse graifíte dírithe beagnach go hingearach, seachas go cothrománach cosúil leis an gcuid eile den scannán (inset i bhFíor 5c). Ar an gcaoi chéanna, taispeánann réigiún FLG fillteacha líneacha agus caola cosúil le bandaí ó am go chéile (marcáilte le saigheada gorma), a fheictear ag formhéadú íseal agus meánach i bhFíor 5b, 5e, faoi seach. Deimhníonn an t-inset i bhFíor 5e láithreacht sraitheanna graiféine dhá agus trí shraith san earnáil FLG (fad idirphlánach 0.33 ± 0.01 nm), rud atá i gcomhréir mhaith lenár dtorthaí roimhe seo30. Ina theannta sin, taispeántar íomhánna SEM taifeadta de NGF saor ó pholaiméir a aistríodh chuig eangacha copair le scannáin charbóin lása (tar éis tomhais TEM ó bharr a dhéanamh) i bhFíor SI9. An réigiún FLG atá ar fionraí go maith (marcáilte le saighead ghorm) agus an réigiún briste i bhFíor SI9f. Cuirtear an tsaighead ghorm (ag imeall an NGF aistrithe) i láthair d'aon ghnó chun a léiriú gur féidir leis an réigiún FLG seasamh in aghaidh an phróisis aistrithe gan polaiméir. Mar achoimre, dearbhaíonn na híomhánna seo go gcoinníonn NGF atá ar fionraí go páirteach (lena n-áirítear an réigiún FLG) sláine mheicniúil fiú tar éis láimhseála dian agus nochtadh d'fholús ard le linn tomhais TEM agus SEM (Fíor SI9).
Mar gheall ar chomhréidheacht den scoth NGF (féach Fíor 5a), níl sé deacair na calóga a threorú feadh ais an fhearainn [0001] chun struchtúr SAED a anailísiú. Ag brath ar thiús áitiúil an scannáin agus a shuíomh, sainaithníodh roinnt réigiún spéise (12 phointe) le haghaidh staidéir difreactadh leictreon. I bhFíor 5a–c, taispeántar ceithre cinn de na réigiúin tipiciúla seo agus marcáilte le ciorcail dhaite (códaithe gorm, cian, oráiste, agus dearg). Fíor 2 agus 3 le haghaidh mód SAED. Fuarthas Fíor 5f agus g ón réigiún FLG a thaispeántar i bhFíor 5 agus 5. Mar a thaispeántar i bhFíor 5b agus c, faoi seach. Tá struchtúr heicseagánach acu cosúil le graifín casta63. Go háirithe, taispeánann Fíor 5f trí phatrún forshuite leis an treoshuíomh céanna d'ais an chrios [0001], rothlaithe 10° agus 20°, mar is léir ón neamhréir uilleach idir na trí phéire frithchaitheamh (10-10). Ar an gcaoi chéanna, taispeánann Fíor 5g dhá phatrún heicseagánacha forshuite atá rothlaithe 20°. Is féidir le dhá nó trí ghrúpa de phatrúin heicseagánacha i réigiún FLG teacht as trí shraith graiféine in-phlána nó lasmuigh den phlána 33 atá rothlaithe i gcoibhneas lena chéile. I gcodarsnacht leis sin, taispeánann na patrúin difreactaithe leictreon i bhFíor 5h,i (a fhreagraíonn don réigiún NGF a thaispeántar i bhFíor 5a) patrún aonair [0001] le déine difreactaithe pointe níos airde ar an iomlán, rud a fhreagraíonn do thiús ábhair níos mó. Freagraíonn na samhlacha SAED seo do struchtúr grafaitice níos tibhe agus treoshuíomh idirmheánach ná FLG, mar a thuigtear ón innéacs 64. Léirigh tréithriú airíonna criostalacha NGF comhbhaint dhá nó trí chriostal graifíte (nó graiféine) forshuite. Is suntasach go háirithe i réigiún FLG go bhfuil méid áirithe mí-threoshuímh in-phlána nó lasmuigh den phlána ag na criostailítí. Tuairiscíodh cáithníní/sraitheanna graifíte le huillinneacha rothlaithe in-phlána de 17°, 22° agus 25° roimhe seo le haghaidh NGF a fhástar ar scannáin Ni 64. Tá na luachanna uillinn rothlaithe a breathnaíodh sa staidéar seo comhsheasmhach le huillinneacha rothlaithe a breathnaíodh roimhe seo (±1°) le haghaidh graifín casta BLG63.
Tomhaiseadh airíonna leictreacha NGF/SiO2/Si ag 300 K thar achar 10 × 3 mm2. Is iad luachanna tiúchan, soghluaisteacht agus seoltacht iompróra leictreon ná 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 agus 2000 S-cm-1, faoi seach. Tá luachanna soghluaisteachta agus seoltachta ár NGF cosúil le graifít nádúrtha2 agus níos airde ná graifít pirilíteach ard-dhírithe atá ar fáil go tráchtála (a tháirgtear ag 3000 °C)29. Tá na luachanna tiúchana iompróra leictreon breathnaithe dhá ord méide níos airde ná na cinn a tuairiscíodh le déanaí (7.25 × 10 cm-3) do scannáin graifíte micrón-thiubha a ullmhaíodh ag baint úsáide as bileoga polaimíde ardteochta (3200 °C)20.
Rinneamar tomhais tarchurtha UV-infheicthe ar FS-NGF a aistríodh chuig foshraitheanna grianchloiche freisin (Fíor 6). Taispeánann an speictream mar thoradh air sin tarchurtha beagnach tairiseach de 62% sa raon 350–800 nm, rud a léiríonn go bhfuil NGF tréshoilseach don solas infheicthe. Go deimhin, is féidir an t-ainm “KAUST” a fheiceáil sa ghrianghraf digiteach den sampla i bhFíor 6b. Cé go bhfuil struchtúr nanachriostalach NGF difriúil ó struchtúr SLG, is féidir líon na sraitheanna a mheas go garbh ag baint úsáide as riail an chaillteanais tarchurtha 2.3% in aghaidh an tsraith bhreise65. De réir an chaidrimh seo, is é 21 líon na sraitheanna graiféine a bhfuil caillteanas tarchurtha 38% acu. Is éard atá sa NGF fásaithe den chuid is mó 300 sraith graiféine, ie thart ar 100 nm ar tiús (Fíor 1, SI5 agus SI7). Dá bhrí sin, glacaimid leis go gcomhfhreagraíonn an trédhearcacht optúil breathnaithe do na réigiúin FLG agus MLG, ós rud é go bhfuil siad dáilte ar fud an scannáin (Fíor 1, 3, 5 agus 6c). Chomh maith leis na sonraí struchtúracha thuas, dearbhaíonn seoltacht agus trédhearcacht ardcháilíocht chriostalach an NGF aistrithe freisin.
(a) Tomhas tarchurtha infheicthe UV, (b) aistriú tipiciúil NGF ar ghrianchloch ag baint úsáide as sampla ionadaíoch. (c) Sceitse den NGF (bosca dorcha) le réigiúin FLG agus MLG dáilte go cothrom marcáilte mar chruthanna randamacha liatha ar fud an tsampla (féach Fíor 1) (thart ar 0.1–3% den achar in aghaidh an 100 μm2). Chun críocha léirithe amháin atá na cruthanna randamacha agus a méideanna sa léaráid agus ní fhreagraíonn siad do na hachair iarbhír.
Aistríodh NGF tréshoilseach a fhástar trí CVD roimhe seo chuig dromchlaí sileacain lom agus úsáideadh é i gcealla gréine15,16. Is é 1.5% an éifeachtúlacht chomhshó cumhachta (PCE) a eascraíonn as sin. Comhlíonann na NGFanna seo feidhmeanna iomadúla amhail sraitheanna comhdhúile gníomhacha, conairí iompair luchta, agus leictreoidí trédhearcacha15,16. Mar sin féin, níl an scannán graifíte aonfhoirmeach. Tá gá le tuilleadh optamaithe trí fhriotaíocht an bhileoige agus tarchur optúil an leictreoid graifíte a rialú go cúramach, ós rud é go bhfuil ról tábhachtach ag an dá airí seo maidir le luach PCE na cille gréine15,16 a chinneadh. De ghnáth, bíonn scannáin ghraifíne 97.7% trédhearcach don solas infheicthe, ach tá friotaíocht bhileoige de 200–3000 óm/cearnach16 acu. Is féidir friotaíocht dromchla scannán graifíne a laghdú trí líon na sraitheanna a mhéadú (aistriú il de shraitheanna graifíne) agus trí dhópáil le HNO3 (~30 Óm/cearnach)66. Mar sin féin, tógann an próiseas seo tamall fada agus ní choinníonn na sraitheanna aistrithe éagsúla teagmháil mhaith i gcónaí. Tá airíonna ar nós seoltacht 2000 S/cm, friotaíocht leatháin scannáin 50 ohm/cearnach agus trédhearcacht 62% ag ár NGF taobh tosaigh, rud a fhágann gur rogha inmharthana é do chainéil sheoltacha nó leictreoidí frithpháirteacha i gcealla gréine15,16.
Cé go bhfuil struchtúr agus ceimic dhromchla BS-NGF cosúil le FS-NGF, tá a gharbhacht difriúil (“Fás FS- agus BS-NGF”). Roimhe seo, d'úsáideamar graifít scannáin ultra-thanaí22 mar braiteoir gáis. Dá bhrí sin, rinneamar tástáil ar indéantacht BS-NGF a úsáid le haghaidh tascanna braite gáis (Fíor SI10). Ar dtús, aistríodh codanna mm2 de BS-NGF chuig an sliseanna braiteora leictreoid idirnasctha (Fíor SI10a-c). Tuairiscíodh sonraí monaraíochta na sliseanna roimhe seo; is é 9 mm267 a limistéar íogair gníomhach. Sna híomhánna SEM (Fíor SI10b agus c), tá an leictreoid óir atá faoina bhun le feiceáil go soiléir tríd an NGF. Arís, is féidir a fheiceáil gur baineadh clúdach sliseanna aonfhoirmeach amach do na samplaí uile. Taifeadadh tomhais braiteora gáis de gháis éagsúla (Fíor SI10d) (Fíor SI11) agus taispeántar na rátaí freagartha mar thoradh orthu i bhFíor SI10g. Is dócha le gáis chur isteach eile lena n-áirítear SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) agus NH3 (200 ppm). Is cúis amháin a d'fhéadfadh a bheith leis seo ná NO2, nádúr leictrifileach an gháis22,68. Nuair a dhéantar é a ionsú ar dhromchla graiféine, laghdaíonn sé ionsú reatha na leictreon ag an gcóras. Cuirtear comparáid idir sonraí am freagartha an braiteora BS-NGF le braiteoirí a foilsíodh roimhe seo i láthair i dTábla SI2. Tá an mheicníocht chun braiteoirí NGF a athghníomhachtú ag baint úsáide as plasma UV, plasma O3 nó cóireáil theirmeach (50–150°C) ar shamplaí nochta ar siúl, agus más féidir córais leabaithe a chur i bhfeidhm ina dhiaidh sin69.
Le linn an phróisis CVD, tarlaíonn fás graiféine ar an dá thaobh den tsubstráit chatalaíoch41. Mar sin féin, is gnách go scaoiltear BS-graiféin amach le linn an phróisis aistrithe41. Sa staidéar seo, léirímid gur féidir fás NGF ardchaighdeáin agus aistriú NGF saor ó pholaiméir a bhaint amach ar an dá thaobh den tacaíocht chatalaíoch. Tá BS-NGF níos tanaí (~80 nm) ná FS-NGF (~100 nm), agus mínítear an difríocht seo leis an bhfíric nach bhfuil BS-Ni nochtaithe go díreach don sreabhadh gáis réamhtheachtaí. Fuaireamar amach freisin go mbíonn tionchar ag garbhúlacht an tsubstráit NiAR ar gharbhúlacht an NGF. Léiríonn na torthaí seo gur féidir an FS-NGF planar fásaithe a úsáid mar ábhar réamhtheachtaí do ghraiféin (trí mhodh dífholúcháin70) nó mar chainéal seoltaí i gcealla gréine15,16. I gcodarsnacht leis sin, úsáidfear BS-NGF chun gás a bhrath (Fíor SI9) agus b'fhéidir le haghaidh córais stórála fuinnimh71,72 áit a mbeidh a gharbhúlacht dromchla úsáideach.
Agus an méid thuas á chur san áireamh, is fiú an obair reatha a chomhcheangal le scannáin ghraifíte a foilsíodh roimhe seo a fhástar trí CVD agus scragall nicil á úsáid. Mar is léir i dTábla 2, ghiorraigh na brúnna níos airde a d'úsáideamar an t-am imoibrithe (céim fáis) fiú ag teochtaí réasúnta ísle (sa raon 850–1300 °C). Bhaineamar fás níos mó amach ná mar is gnách freisin, rud a léiríonn acmhainneacht le haghaidh leathnú. Tá fachtóirí eile le breithniú, agus tá cuid acu curtha san áireamh againn sa tábla.
Fásadh NGF déthaobhach ardchaighdeáin ar scragall nicil trí CVD catalaíoch. Trí fhoshraitheanna polaiméire traidisiúnta (mar iad siúd a úsáidtear i ngraifín CVD) a dhíchur, bainimid amach aistriú fliuch glan agus saor ó lochtanna de NGF (a fhásann ar chúl agus ar thaobh tosaigh scragall nicil) chuig réimse foshraitheanna ríthábhachtacha ó thaobh próisis de. Go háirithe, áirítear le NGF réigiúin FLG agus MLG (de ghnáth 0.1% go 3% in aghaidh an 100 µm2) atá comhtháite go maith ó thaobh struchtúir de sa scannán níos tibhe. Léiríonn TEM planar go bhfuil na réigiúin seo comhdhéanta de chruacha de dhá nó trí cháithnín graifíte/graifíne (criostail nó sraitheanna, faoi seach), agus tá mí-oiriúnú rothlach de 10–20° ag cuid acu. Tá na réigiúin FLG agus MLG freagrach as trédhearcacht FS-NGF don solas infheicthe. Maidir leis na bileoga cúil, is féidir iad a iompar comhthreomhar leis na bileoga tosaigh agus, mar a thaispeántar, is féidir cuspóir feidhmiúil a bheith acu (mar shampla, chun gás a bhrath). Tá na staidéir seo an-úsáideach chun dramhaíl agus costais a laghdú i bpróisis CVD ar scála tionsclaíoch.
Go ginearálta, tá tiús meánach NGF CVD idir bileoga graifíne (íseal- agus ilchisealacha) agus bileoga graifíte tionsclaíocha (micriméadair). Fágann raon a n-airíonna suimiúla, in éineacht leis an modh simplí atá forbartha againn dá dtáirgeadh agus dá n-iompar, na scannáin seo an-oiriúnach d'fheidhmchláir a éilíonn freagairt fheidhmiúil graifíte, gan chostas na bpróiseas táirgthe tionsclaíoch atá dian ar fhuinneamh a úsáidtear faoi láthair.
Suiteáladh scragall nicil 25 μm ar tiús (íonacht 99.5%, Goodfellow) in imoibritheoir CVD tráchtála (Aixtron 4-orlach BMPro). Glanadh an córas le hargón agus folmhaíodh é go brú bonn de 10-3 mbar. Ansin cuireadh scragall nicil in Ar/H2 (Tar éis réamh-annealú an scragall Ni ar feadh 5 nóiméad, nochtadh an scragall do bhrú 500 mbar ag 900 °C. Taiscíodh NGF i sreabhadh CH4/H2 (100 cm3 an ceann) ar feadh 5 nóiméad. Fuaraíodh an sampla ansin go teocht faoi bhun 700 °C ag baint úsáide as sreabhadh Ar (4000 cm3) ag 40 °C/nóim. Tá sonraí maidir le hoptamú an phróisis fáis NGF curtha síos in áit eile30.
Rinneadh moirfeolaíocht dhromchla an tsampla a léirshamhlú trí SEM ag baint úsáide as micreascóp Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Tomhaiseadh garbhúlacht dhromchla an tsampla agus tiús NGF ag baint úsáide as AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Rinneadh tomhais TEM agus SAED ag baint úsáide as micreascóp Ciúbach FEI Titan 80–300 atá feistithe le gunna astaíochta réimse ard-ghile (300 kV), monacrómatóir de chineál Wien FEI agus ceartóir seachráin sféarúla lionsa CEOS chun na torthaí deiridh a fháil. taifeach spásúil 0.09 nm. Aistríodh samplaí NGF chuig eangacha copair brataithe le lása carbóin le haghaidh íomháú TEM cothrom agus anailís struchtúir SAED. Dá bhrí sin, tá formhór na bhflocán samplach ar fionraí i bpiocháin an scannáin tacaíochta. Rinneadh anailís ar shamplaí NGF aistrithe trí XRD. Fuarthas patrúin difreactachta X-ghathacha ag baint úsáide as difreactóiméadar púdair (Brucker, aistritheoir céime D2 le foinse Cu Kα, 1.5418 Å agus brathadóir LYNXEYE) ag baint úsáide as foinse radaíochta Cu le trastomhas spota bhíoma de 3 mm.
Taifeadadh roinnt tomhais phointe Raman ag baint úsáide as micreascóp comhfhócasach comhtháthaithe (Alpha 300 RA, WITeC). Baineadh úsáid as léasar 532 nm le cumhacht spreagtha íseal (25%) chun éifeachtaí teirmeacha a sheachaint. Rinneadh speictreascópacht fhótaileictreon X-gha (XPS) ar speictriméadar Kratos Axis Ultra thar achar samplach de 300 × 700 μm2 ag baint úsáide as radaíocht mhonacrómatach Al Kα (hν = 1486.6 eV) ag cumhacht 150 W. Fuarthas speictrim réitigh ag fuinnimh tarchuir de 160 eV agus 20 eV, faoi seach. Gearradh samplaí NGF a aistríodh chuig SiO2 ina bpíosaí (3 × 10 mm2 an ceann) ag baint úsáide as léasar snáithín iteirbiam PLS6MW (1.06 μm) ag 30 W. Rinneadh teagmhálacha sreinge copair (50 μm ar tiús) ag baint úsáide as greamaigh airgid faoi mhicreascóp optúil. Rinneadh turgnaimh iompair leictrigh agus éifeacht Halla ar na samplaí seo ag 300 K agus athrú réimse maighnéadaigh de ± 9 Tesla i gcóras tomhais airíonna fisiceacha (PPMS EverCool-II, Quantum Design, SAM). Taifeadadh speictrim UV-vis tarchurtha ag baint úsáide as speictreafótaiméadar UV-vis Lambda 950 sa raon NGF 350–800 nm a aistríodh chuig foshraitheanna grianchloiche agus samplaí tagartha grianchloiche.
Rinneadh an braiteoir friotaíochta ceimiceach (sliseanna leictreoid idirnasctha) a shreangú le bord ciorcaid phriontáilte saincheaptha 73 agus baineadh an fhriotaíocht go sealadach. Tá an bord ciorcaid phriontáilte ar a bhfuil an fheiste suite ceangailte leis na críochfoirt teagmhála agus curtha taobh istigh den seomra braite gáis 74. Tógadh tomhais friotaíochta ag voltas 1 V le scanadh leanúnach ó ghlanadh go nochtadh gáis agus ansin glanadh arís. Glanadh an seomra ar dtús trí nítrigin a ghlanadh ag 200 cm3 ar feadh 1 uair an chloig chun a chinntiú go mbainfí na hanailítí eile go léir a bhí i láthair sa seomra, lena n-áirítear taise. Scaoileadh na hanailítí aonair go mall isteach sa seomra ansin ag an ráta sreafa céanna de 200 cm3 tríd an sorcóir N2 a dhúnadh.
Tá leagan athbhreithnithe den alt seo foilsithe agus is féidir rochtain a fháil air tríd an nasc ag barr an ailt.
Inagaki, M. agus Kang, F. Eolaíocht agus Innealtóireacht Ábhar Carbóin: Bunúsacha. An dara heagrán, eagraithe. 2014. 542.
Pearson, HO Lámhleabhar Carbóin, Graifíte, Diamant agus Fullerenes: Airíonna, Próiseáil agus Feidhmeanna. Tá an chéad eagrán curtha in eagar. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Scannáin ghraiféine/graifíte ilchisealacha achar mór mar leictreoidí seoltaí tanaí trédhearcacha. feidhmchlár. fisic. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Airíonna teirmeacha graiféine agus ábhar carbóin nana-struchtúrtha. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW agus Cahill DG Seoltacht theirmeach scannán graifíte a fhástar ar Ni (111) trí thaisceadh gaile ceimiceach ísealteochta. dobhriathar. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Fás leanúnach scannán graiféine trí thaisceadh gaile ceimiceach. cur i bhfeidhm. fisic. Wright. 98(13), 133106(2011).
Am an phoist: 23 Lúnasa 2024