Tapadh leibh airson tadhal air Nature.com. Tha taic CSS cuibhrichte aig an dreach den bhrobhsair a tha thu a’ cleachdadh. Airson na toraidhean as fheàrr, tha sinn a’ moladh gun cleachd thu dreach nas ùire den bhrobhsair agad (no gun cuir thu dheth Modh Co-chòrdalachd ann an Internet Explorer). Aig an aon àm, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, tha sinn a’ taisbeanadh an làraich gun stoidhle no JavaScript.
Tha filmichean grafait nanosgèile (NGFan) nan nano-stuthan làidir a ghabhas dèanamh le tasgadh smùid ceimigeach catalaíoch, ach tha ceistean ann fhathast mu cho furasta ‘s a tha iad an gluasad agus mar a bheir morf-eòlas uachdar buaidh air an cleachdadh ann an innealan an ath ghinealaich. An seo tha sinn ag aithris fàs NGF air gach taobh de foil nicil polycrystalline (farsaingeachd 55 cm2, tiugh mu 100 nm) agus a ghluasad gun polymer (aghaidh is cùl, farsaingeachd suas ri 6 cm2). Air sgàth morf-eòlas foil an catalaíoch, tha an dà fhilm gualain eadar-dhealaichte nan feartan corporra agus feartan eile (leithid garbh-chruth uachdar). Tha sinn a’ sealltainn gu bheil NGFan le cùl nas garbh freagarrach airson lorg NO2, agus faodaidh NGFan nas socair agus nas giùlain air an taobh aghaidh (2000 S/cm, strì an duilleig - 50 ohms/m2) a bhith nan giùlan obrachail. seanail no electrod na cealla grèine (leis gu bheil e a’ sgaoileadh 62% de sholas faicsinneach). Gu h-iomlan, faodaidh na pròiseasan fàis is còmhdhail a chaidh a mhìneachadh cuideachadh le bhith a’ tuigsinn NGF mar stuth gualain eile airson tagraidhean teicneòlais far nach eil filmichean grafait agus micron-tiugh freagarrach.
'S e stuth gnìomhachais a thathas a' cleachdadh gu farsaing a th' ann an grafait. Gu sònraichte, tha feartan aig grafait le dùmhlachd mais an ìre mhath ìosal agus seoltachd teirmeach is dealain àrd sa phlèana, agus tha e gu math seasmhach ann an àrainneachdan teirmeach is ceimigeach cruaidh1,2. 'S e stuth tòiseachaidh ainmeil a th' ann an grafait flake airson rannsachadh grafein3. Nuair a thèid a phròiseasadh gu filmichean tana, faodar a chleachdadh ann an raon farsaing de thagraidhean, a' gabhail a-steach sincichean teas airson innealan dealanach leithid fònaichean sgairteil4,5,6,7, mar stuth gnìomhach ann an mothachairean8,9,10 agus airson dìon eadar-theachd electromagnetic11.12 agus filmichean airson lithagrafaidheachd ann an ultraviolet anabarrach13,14, seanalan giùlain ann an ceallan grèine15,16. Airson nan tagraidhean sin uile, bhiodh e na bhuannachd mhòr nam biodh e furasta raointean mòra de fhilmichean grafait (NGFn) le tiughs fo smachd anns an nanosgèile <100 nm a thoirt gu buil agus a ghiùlan.
Bithear a’ dèanamh fhilmichean grafait le diofar dhòighean. Ann an aon chùis, chaidh leabachadh agus leudachadh agus an uairsin sgrìobadh a chleachdadh gus calgain grafaein a dhèanamh10,11,17. Feumar na calgain a phròiseasadh tuilleadh gu bhith nan filmichean den tighead a tha a dhìth, agus gu tric bheir e grunn làithean gus duilleagan grafait dùmhail a dhèanamh. Is e dòigh-obrach eile tòiseachadh le ro-ruithearan cruaidh a ghabhas grafait. Ann an gnìomhachas, bidh duilleagan de phoileimearan air an carbonachadh (aig 1000–1500 °C) agus an uairsin air an grafaitachadh (aig 2800–3200 °C) gus stuthan sreathanach le deagh structar a chruthachadh. Ged a tha càileachd nam filmichean sin àrd, tha an caitheamh lùtha cudromach1,18,19 agus tha an tighead as ìsle cuibhrichte gu beagan mhicro-nan1,18,19,20.
Tha tasgadh smùid ceimigeach catalaíoch (CVD) na dhòigh ainmeil airson filmichean grafaein agus grafaite tana (<10 nm) a dhèanamh le càileachd structarail àrd agus cosgais reusanta21,22,23,24,25,26,27. Ach, an taca ri fàs fhilmichean grafaein agus grafaite tana28, chan eil fàs agus/no cleachdadh NGF ann an sgìrean mòra a’ cleachdadh CVD air a sgrùdadh cho mòr11,13,29,30,31,32,33.
Feumaidh filmichean grafaein is grafait a tha air am fàs ann an CVD a bhith air an gluasad gu fo-stratan gnìomhach gu tric34. Tha dà phrìomh dhòigh anns na gluasadan film tana seo35: (1) gluasad gun ghràbhaladh36,37 agus (2) gluasad ceimigeach fliuch stèidhichte air gràbhaladh (le taic bho fho-strat)14,34,38. Tha buannachdan agus eas-bhuannachdan aig gach dòigh agus feumar an taghadh a rèir an tagraidh a tha san amharc, mar a chaidh a mhìneachadh ann an àite eile35,39. Airson filmichean grafaein/grafait a tha air am fàs air fo-stratan catalaíoch, is e gluasad tro phròiseasan ceimigeach fliuch (agus is e polymethyl methacrylate (PMMA) an sreath taic as cumanta) a’ chiad roghainn13,30,34,38,40,41,42. You et al. Chaidh iomradh a thoirt nach deach polymer a chleachdadh airson gluasad NGF (meud sampall timcheall air 4 cm2)25,43, ach cha deach mion-fhiosrachadh a thoirt seachad a thaobh seasmhachd agus/no làimhseachadh sampall rè gluasad; Tha grunn cheumannan ann am pròiseasan ceimigeachd fliuch a’ cleachdadh poileimeirean, a’ gabhail a-steach cur an sàs agus às dèidh sin toirt air falbh sreath poileimeir ìobairteach30,38,40,41,42. Tha eas-bhuannachdan aig a’ phròiseas seo: mar eisimpleir, faodaidh fuigheall poileimeir feartan an fhilm fhàs atharrachadh38. Faodaidh giullachd a bharrachd poileimeir fuigheall a thoirt air falbh, ach bidh na ceumannan a bharrachd seo ag àrdachadh cosgais agus ùine cinneasachadh film38,40. Rè fàs CVD, tha sreath de ghraifein air a thasgadh chan ann a-mhàin air aghaidh foil an catalyst (an taobh a tha mu choinneimh sruth na smùide), ach cuideachd air a chùlaibh. Ach, thathas den bheachd gur e toradh sgudail a th’ anns an fhear mu dheireadh agus faodar a thoirt air falbh gu sgiobalta le plasma bog38,41. Faodaidh ath-chuairteachadh an fhilm seo cuideachadh le bhith a’ meudachadh an toradh, eadhon ged a tha e de chàileachd nas ìsle na film gualain aghaidh.
An seo, tha sinn ag aithris ullachadh fàs dà-aghaidheach NGF air sgèile wafer le càileachd structarail àrd air foil nicil polycrystalline le CVD. Chaidh measadh a dhèanamh air mar a bheir garbh-chruth aghaidh is cùil an fhoil buaidh air morf-eòlas agus structar NGF. Bidh sinn cuideachd a’ taisbeanadh gluasad NGF gun phoilimear cosg-èifeachdach agus càirdeil don àrainneachd bho gach taobh de foil nicil gu fo-stratan ioma-ghnìomhach agus a’ sealltainn mar a tha na filmichean aghaidh is cùil freagarrach airson diofar thagraidhean.
Tha na h-earrannan a leanas a’ beachdachadh air diofar thiughs film grafait a rèir àireamh nan sreathan grafait cruachta: (i) grafait aon-fhilleadh (SLG, 1 shreath), (ii) grafait beagan shreathan (FLG, < 10 sreathan), (iii) grafait ioma-fhilleadh (MLG, 10-30 sreathan) agus (iv) NGF (~300 sreathan). Is e an tè mu dheireadh an tighead as cumanta air a chur an cèill mar cheudad den raon (timcheall air 97% den raon gach 100 µm2)30. Sin as coireach gu bheil an fhilm gu lèir air ainmeachadh mar NGF.
Tha inneach eadar-dhealaichte aig foilichean nicil poile-chriostalach a thathas a’ cleachdadh airson co-chur fhilmichean grafaìn agus grafait mar thoradh air an dèanamh agus an giullachd às dèidh sin. O chionn ghoirid dh’innis sinn mu sgrùdadh gus pròiseas fàis NGF30 a bharrachadh. Tha sinn a’ sealltainn gu bheil paramadairean pròiseis leithid ùine annealing agus cuideam seòmar rè ìre an fhàs a’ cluich pàirt chudromach ann a bhith a’ faighinn NGFan de thiughas èideadh. An seo, rinn sinn sgrùdadh nas mionaidiche air fàs NGF air uachdaran aghaidh snasta (FS) agus cùl neo-snasta (BS) de foil nicil (Figear 1a). Chaidh trì seòrsaichean de shamhlaichean FS agus BS a sgrùdadh, air an liostadh ann an Clàr 1. Às dèidh sgrùdadh lèirsinneach, chithear fàs èideadh NGF air gach taobh den foil nicil (NiAG) leis an atharrachadh dath air an t-substrate Ni mòr bho liath airgid meatailteach àbhaisteach gu dath liath neo-shoilleir (Figear 1a); chaidh tomhais microscopach a dhearbhadh (Figear 1b, c). Tha speactram Raman àbhaisteach de FS-NGF a chithear anns an roinn shoilleir agus air a chomharrachadh le saigheadan dearga, gorma is orains ann am Figear 1b air a shealltainn ann am Figear 1c. Tha na prìomh mhullaichean Raman aig grafait G (1683 cm−1) agus 2D (2696 cm−1) a’ dearbhadh fàs NGF criostalach (Figear 1c, Clàr SI1). Tron fhilm, chaidh prìomhachas de speactra Raman le co-mheas dian (I2D/IG) ~0.3 fhaicinn, agus is ann ainneamh a chithear speactra Raman le I2D/IG = 0.8. Tha dìth mhullaichean easbhaidheach (D = 1350 cm-1) anns an fhilm gu lèir a’ nochdadh càileachd àrd fàs NGF. Fhuaireadh toraidhean Raman coltach ris air an sampall BS-NGF (Figear SI1 a agus b, Clàr SI1).
Coimeas eadar NiAG FS- agus BS-NGF: (a) Dealbh de shampall àbhaisteach NGF (NiAG) a’ sealltainn fàs NGF aig sgèile wafer (55 cm2) agus na sampallan foil BS- agus FS-Ni a thig às, (b) Dealbhan FS-NGF/Ni air an faighinn le miocroscop optigeach, (c) speactra Raman àbhaisteach air an clàradh aig diofar shuidheachaidhean ann am pannal b, (d, f) Dealbhan SEM aig diofar mheudachaidhean air FS-NGF/Ni, (e, g) Dealbhan SEM aig diofar mheudachaidhean Seataichean BS -NGF/Ni. Tha an t-saighead ghorm a’ comharrachadh roinn FLG, tha an t-saighead orains a’ comharrachadh roinn MLG (faisg air roinn FLG), tha an t-saighead dhearg a’ comharrachadh roinn NGF, agus tha an t-saighead magenta a’ comharrachadh an fhilleadh.
Leis gu bheil fàs an urra ri tiugh an t-substrate tùsail, meud criostail, treòrachadh, agus crìochan gràin, tha e fhathast na dhùbhlan smachd reusanta fhaighinn air tiugh NGF thairis air raointean mòra20,34,44. Chleachd an sgrùdadh seo susbaint a dh’fhoillsich sinn roimhe30. Bidh am pròiseas seo a’ toirt a-mach raon soilleir de 0.1 gu 3% gach 100 µm230. Anns na h-earrannan a leanas, tha sinn a’ taisbeanadh thoraidhean airson an dà sheòrsa roinne. Tha ìomhaighean SEM le meudachadh àrd a’ sealltainn gu bheil grunn raointean eadar-dhealaichte soilleir air gach taobh (Figear 1f,g), a’ nochdadh gu bheil roinnean FLG agus MLG ann30,45. Chaidh seo a dhearbhadh cuideachd le sgapadh Raman (Figear 1c) agus toraidhean TEM (air a dheasbad nas fhaide air adhart san earrann “FS-NGF: structar agus feartan”). Is dòcha gun do dh’fhàs na roinnean FLG agus MLG a chaidh fhaicinn air sampallan FS- agus BS-NGF / Ni (NGF aghaidh is cùil air fhàs air Ni) air gràinean mòra Ni (111) a chaidh a chruthachadh rè ro-annealing22,30,45. Chaidh pasgadh fhaicinn air gach taobh (Figear 1b, air a chomharrachadh le saigheadan purpaidh). Gheibhear na pasgadh seo gu tric ann am filmichean grafaein is grafait air an fàs le CVD air sgàth an eadar-dhealachaidh mhòir ann an co-èifeachd leudachaidh teirmeach eadar an grafait agus an t-substrate nicil30,38.
Dhearbh an ìomhaigh AFM gu robh an sampall FS-NGF nas rèidhe na an sampall BS-NGF (Figear SI1) (Figear SI2). Tha luachan garbh-cheàrnach cuibheasach freumhach (RMS) FS-NGF/Ni (Figear SI2c) agus BS-NGF/Ni (Figear SI2d) 82 agus 200 nm, fa leth (air an tomhas thairis air raon de 20 × 20 μm2). Faodar an garbh-cheàrnachd nas àirde a thuigsinn stèidhichte air mion-sgrùdadh uachdar an fhoil nicil (NiAR) anns an staid mar a fhuaireadh e (Figear SI3). Tha ìomhaighean SEM de FS agus BS-NiAR air an sealltainn ann am Figearan SI3a–d, a’ sealltainn diofar morf-eòlasan uachdar: tha mìrean cruinn meud nano- agus micron aig foil FS-Ni snasta, agus tha fàradh cinneasachaidh aig foil BS-Ni neo-snasaichte mar mìrean le neart agus crìonadh àrd. Tha ìomhaighean rùn ìosal agus àrd de fhoil nicil annealed (NiA) air an sealltainn ann am Figear SI3e–h. Anns na figearan seo, chì sinn làthaireachd grunn ghràineanan nicil meud micron air gach taobh den foil nicil (Figear SI3e–h). Dh’ fhaodadh gum bi treòrachadh uachdar Ni(111) aig gràinean mòra, mar a chaidh aithris roimhe30,46. Tha eadar-dhealachaidhean mòra ann am morf-eòlas foil nicil eadar FS-NiA agus BS-NiA. Tha garbh-chruth nas àirde BS-NGF/Ni mar thoradh air uachdar neo-sholaisichte BS-NiAR, agus tha an uachdar fhathast gu math garbh eadhon às deidh a bhith air a losgadh (Figear SI3). Leigidh an seòrsa seo de chomharrachadh uachdar mus tòisich am pròiseas fàis le smachd a chumail air garbh-chruth fhilmichean grafait agus grafait. Bu chòir a thoirt fa-near gun deach beagan ath-eagrachaidh gràin a dhèanamh air an t-substrate tùsail rè fàs grafait, a lughdaich meud a’ ghràin beagan agus a mheudaich garbh-chruth uachdar an t-substrate beagan an taca ris an foil agus am film catalyst air a losgadh22.
Cuidichidh mìneachadh mìn air garbh-chruth uachdar an t-substrate, ùine teasachaidh (meud gràin)30,47 agus smachd sgaoilidh43 le bhith a’ lughdachadh co-ionannachd tighead NGF roinneil chun sgèile µm2 agus/no eadhon nm2 (ie, atharrachaidhean tighead de bheagan nanometers). Gus smachd a chumail air garbh-chruth uachdar an t-substrate, faodar beachdachadh air dòighean leithid snasadh electrolytic den foil nicil a thig às a sin48. Faodar an uairsin am foil nicil ro-làimhseachaidh a th’ air a theasachadh aig teòthachd nas ìsle (< 900 °C)46 agus ùine (< 5 min) gus casg a chuir air cruthachadh gràinean mòra Ni(111) (a tha buannachdail airson fàs FLG).
Chan urrainn dha grafain SLG agus FLG seasamh an aghaidh teannachadh uachdar aigéid is uisge, agus mar sin feumaidh e sreathan taice meacanaigeach rè phròiseasan gluasaid ceimigeach fliuch22,34,38. An coimeas ri gluasad ceimigeach fliuch grafain aon-fhilleadh le taic polymer38, fhuair sinn a-mach gum faodar an dà thaobh den NGF mar a tha e air fàs a ghluasad às aonais taic polymer, mar a chithear ann am Figear 2a (faic Figear SI4a airson tuilleadh fiosrachaidh). Bidh gluasad NGF gu fo-strat sònraichte a’ tòiseachadh le searbhag fliuch den fhilm Ni30.49 a tha fon talamh. Chaidh na sampallan NGF/Ni/NGF a chaidh fhàs a chur thar oidhche ann an 15 mL de 70% HNO3 air a lagachadh le 600 mL de dh’uisge dì-ionichte (DI). Às deidh don foil Ni a bhith air a sgaoileadh gu tur, bidh FS-NGF a’ fuireach rèidh agus a’ fleòdradh air uachdar an leaghan, dìreach mar an sampall NGF/Ni/NGF, agus tha BS-NGF air a bhogadh ann an uisge (Figear 2a,b). Chaidh an NGF aonaraichte an uair sin a ghluasad bho aon bhèicear anns an robh uisge dì-ionichte ùr gu bèicear eile agus chaidh an NGF aonaraichte a nighe gu mionaideach, ga ath-aithris ceithir gu sia tursan tron mhias glainne concave. Mu dheireadh, chaidh FS-NGF agus BS-NGF a chur air an t-substrate a bha a dhìth (Figear 2c).
Pròiseas gluasaid ceimigeach fliuch gun phoilimeir airson NGF air fhàs air foil nicil: (a) Diagram sruthadh a’ phròiseis (faic Figear SI4 airson tuilleadh fiosrachaidh), (b) Dealbh didseatach de NGF air a sgaradh às dèidh searbhag Ni (2 shampall), (c) Eisimpleir FS – agus gluasad BS-NGF gu fo-strat SiO2/Si, (d) Gluasad FS-NGF gu fo-strat poileimeir neo-shoilleir, (e) BS-NGF bhon aon shampall ri pannal d (air a roinn ann an dà phàirt), air a ghluasad gu pàipear C òr-phlàtaichte agus Nafion (fo-strat sùbailte follaiseach, oirean air an comharrachadh le oiseanan dearga).
Thoir an aire gu bheil feum aig gluasad SLG a thèid a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh dhòighean gluasaid ceimigeach fliuch air ùine giollachd iomlan de 20–24 uair a thìde 38. Leis an dòigh gluasaid gun phoilimear a chithear an seo (Figear SI4a), tha an ùine giollachd iomlan airson gluasad NGF air a lùghdachadh gu mòr (timcheall air 15 uair a thìde). Tha am pròiseas a’ toirt a-steach: (Ceum 1) Ullaich fuasgladh gràbhaidh agus cuir an sampall ann (~ 10 mionaidean), an uairsin feith thar oidhche airson gràbhadh Ni (~ 7200 mionaid), (Ceum 2) Sruthlaich le uisge dì-ionichte (Ceum – 3). stòraich ann an uisge dì-ionichte no gluais chun t-substrate targaid (20 mionaid). Thèid uisge a tha glaiste eadar an NGF agus am maitrís mòr a thoirt air falbh le gnìomh capillary (a’ cleachdadh pàipear blotting) 38, an uairsin thèid na boinneagan uisge a tha air fhàgail a thoirt air falbh le tiormachadh nàdarrach (timcheall air 30 mionaid), agus mu dheireadh thèid an sampall a thiormachadh airson 10 mionaidean. mionaid ann an àmhainn falamh (10–1 mbar) aig 50–90 °C (60 mionaid) 38.
Tha fios gu bheil grafait a’ seasamh an aghaidh uisge is èadhair aig teòthachd gu math àrd (≥ 200 °C)50,51,52. Rinn sinn deuchainn air sampallan a’ cleachdadh speactroscopaidh Raman, SEM, agus XRD às deidh an stòradh ann an uisge dì-ionichte aig teòthachd an t-seòmair agus ann am botail ròinichte airson àite sam bith bho beagan làithean gu bliadhna (Figear SI4). Chan eil crìonadh follaiseach ann. Tha Figear 2c a’ sealltainn FS-NGF agus BS-NGF neo-eisimeileach ann an uisge dì-ionichte. Ghlac sinn iad air fo-strat SiO2 (300 nm) / Si, mar a chithear aig toiseach Figear 2c. A bharrachd air an sin, mar a chithear ann am Figear 2d,e, faodar NGF leantainneach a ghluasad gu diofar fho-stratan leithid polymers (Thermabright polyamide bho Nexolve agus Nafion) agus pàipear gualain còmhdaichte le òr. Bha an FS-NGF fleòdraidh furasta a chuir air an fho-strat targaid (Figear 2c, d). Ach, bha e duilich sampallan BS-NGF nas motha na 3 cm2 a làimhseachadh nuair a bha iad air am bogadh gu tur ann an uisge. Mar as trice, nuair a thòisicheas iad a’ roiligeadh ann an uisge, air sgàth làimhseachadh neo-chùramach bidh iad uaireannan a’ briseadh ann an dà no trì pàirtean (Figear 2e). Gu h-iomlan, bha sinn comasach air gluasad gun phoilimeir de PS- agus BS-NGF (gluasad leantainneach gun fhiosta gun fhàs NGF / Ni / NGF aig 6 cm2) a choileanadh airson sampallan suas ri 6 agus 3 cm2 ann an farsaingeachd, fa leth. Faodar pìosan mòra no beaga sam bith a tha air fhàgail (ri fhaicinn gu furasta anns an fhuasgladh gràbhalaidh no uisge dì-ionichte) a chuir air an t-substrate a tha thu ag iarraidh (~ 1 mm2, Figear SI4b, faic sampall air a ghluasad gu griod copair mar ann an “FS-NGF: Structar agus Feartan (air a dheasbad) fo “Structar agus Feartan”) no a stòradh airson a chleachdadh san àm ri teachd (Figear SI4). Stèidhichte air an t-slat-tomhais seo, tha sinn a’ meas gun gabh NGF fhaighinn air ais ann an toradh suas ri 98-99% (às deidh fàs airson gluasad).
Chaidh sampallan gluasaid às aonais polymer a sgrùdadh gu mionaideach. Sheall feartan morf-eòlach uachdar a fhuaireadh air FS- agus BS-NGF/SiO2/Si (Figear 2c) a’ cleachdadh microscopy optigeach (OM) agus ìomhaighean SEM (Figear SI5 agus Figear 3) gun deach na sampallan seo a ghluasad às aonais microscopy. Milleadh structarail faicsinneach leithid sgàinidhean, tuill, no raointean gun roiligeadh. Dh’fhan na filltean air an NGF a bha a’ fàs (Figear 3b, d, air an comharrachadh le saigheadan purpaidh) slàn às deidh an gluasaid. Tha an dà chuid FS- agus BS-NGFan air an dèanamh suas de roinnean FLG (roinnean soilleir air an comharrachadh le saigheadan gorma ann am Figear 3). Gu h-iongantach, an coimeas ris na beagan roinnean millte a chithear mar as trice rè gluasad polymer de fhilmichean grafait ultrathin, chaidh grunn roinnean FLG agus MLG meud micron a bha a’ ceangal ris an NGF (air an comharrachadh le saigheadan gorma ann am Figear 3d) a ghluasad às aonais sgàinidhean no briseadh (Figear 3d). 3). Chaidh ionracas meacanaigeach a dhearbhadh tuilleadh le bhith a’ cleachdadh ìomhaighean TEM agus SEM de NGF air a ghluasad gu griodan copair lace-carbon, mar a chaidh a dheasbad nas fhaide air adhart (“FS-NGF: Structar agus Feartan”). Tha am BS-NGF/SiO2/Si a chaidh a ghluasad nas garbh na FS-NGF/SiO2/Si le luachan rms de 140 nm agus 17 nm, fa leth, mar a chithear ann am Figear SI6a agus b (20 × 20 μm2). Tha luach RMS NGF a chaidh a ghluasad air an t-substrate SiO2/Si (RMS < 2 nm) gu math nas ìsle (mu 3 uiread) na luach NGF a chaidh fhàs air Ni (Figear SI2), a’ nochdadh gum faodadh an garbhachd a bharrachd a bhith co-ionnan ri uachdar Ni. A bharrachd air an sin, sheall ìomhaighean AFM a chaidh a dhèanamh air oirean shampaill FS- agus BS-NGF/SiO2/Si tighead NGF de 100 agus 80 nm, fa leth (Figear SI7). Is dòcha gur e an tighead nas lugha de BS-NGF toradh an uachdar gun a bhith fosgailte gu dìreach don ghas ro-ruithear.
NGF (NiAG) air a ghluasad gun phoilimear air uaifear SiO2/Si (faic Figear 2c): (a,b) Ìomhaighean SEM de FS-NGF air a ghluasad: meudachadh ìosal is àrd (a rèir a’ cheàrnaig orains sa phannal). Raointean àbhaisteach) – a). (c,d) Ìomhaighean SEM de BS-NGF air a ghluasad: meudachadh ìosal is àrd (a rèir na sgìre àbhaisteach a chithear leis a’ cheàrnag orains ann am pannal c). (e, f) Ìomhaighean AFM de FS- agus BS-NGFan air an gluasaid. Tha saighead ghorm a’ riochdachadh roinn FLG – iomsgaradh soilleir, saighead cyan – iomsgaradh MLG dubh, saighead dhearg – iomsgaradh dubh a’ riochdachadh roinn NGF, saighead magenta a’ riochdachadh an fhilleadh.
Chaidh co-dhèanamh ceimigeach nan FS- agus BS-NGFan a chaidh fhàs agus a ghluasad a sgrùdadh le speactroscopaidh foto-electron X-ghath (XPS) (Figear 4). Chaidh bàrr lag fhaicinn anns na speactraman tomhaiste (Figear 4a, b), a’ freagairt ris an t-substrate Ni (850 eV) de na FS- agus BS-NGFan a chaidh fhàs (NiAG). Chan eil bàrr sam bith anns na speactraman tomhaiste de FS- agus BS-NGF/SiO2/Si a chaidh a ghluasad (Figear 4c; chan eil toraidhean coltach ri BS-NGF/SiO2/Si air an sealltainn), a’ nochdadh nach eil truailleadh Ni air fhàgail às dèidh gluasad. Tha figearan 4d–f a’ sealltainn nan speactraman àrd-rèiteachaidh de na h-ìrean lùtha C 1 s, O 1 s agus Si 2p de FS-NGF/SiO2/Si. Is e lùth ceangail C 1 s grafait 284.4 eV53.54. Thathas den bheachd gu bheil cumadh loidhneach nam beann grafait neo-chothromach sa chumantas, mar a chithear ann am Figear 4d54. Dhearbh an speactram C 1 s aig ìre cridhe àrd-rèiteachaidh (Figear 4d) cuideachd gluasad fìor-ghlan (ie, gun fhuigheall polymer), a tha a rèir sgrùdaidhean roimhe38. Tha leudan loidhne nan speactra C 1 s den sampall ùr-fhàs (NiAG) agus às deidh gluasad 0.55 agus 0.62 eV, fa leth. Tha na luachan seo nas àirde na luachan SLG (0.49 eV airson SLG air fo-strat SiO2)38. Ach, tha na luachan seo nas lugha na na leudan loidhne a chaidh aithris roimhe airson sampallan grafait pyrolytic àrd-stiùiridh (~ 0.75 eV)53,54,55, a’ nochdadh nach eil làraichean gualain easbhaidheach anns an stuth làithreach. Tha dìth ghuailnean aig na speactra ìre talmhainn C 1 s agus O 1 s cuideachd, a’ cur às don fheum air dì-chonnspaid beann àrd-rèiteachaidh54. Tha bàrr saideal π → π* timcheall air 291.1 eV, a chithear gu tric ann an sampallan grafait. Tha na comharran 103 eV agus 532.5 eV anns na speactra ìre cridhe Si 2p agus O 1 s (faic Figear 4e, f) air an cur às leth an t-substrate SiO2 56, fa leth. Tha XPS na dhòigh-obrach mothachail air uachdar, agus mar sin thathas a’ gabhail ris gu bheil na comharran a tha a’ freagairt ri Ni agus SiO2 a chaidh a lorg ro agus às deidh gluasad NGF, fa leth, a’ tighinn bhon roinn FLG. Chaidh toraidhean coltach fhaicinn airson sampallan BS-NGF a chaidh a ghluasad (gun a shealltainn).
Toraidhean NiAG XPS: (ac) Speactram sgrùdaidh de dhiofar cho-dhèanamh atamach eileamaideach de FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni agus FS-NGF/SiO2/Si a chaidh fhàs, fa leth. (d–f) Speactram àrd-rèiteachaidh de na h-ìrean cridhe C 1 s, O 1s agus Si 2p den sampall FS-NGF/SiO2/Si.
Chaidh càileachd iomlan nan criostalan NGF a chaidh a ghluasad a mheasadh le bhith a’ cleachdadh diffraction ghathan-X (XRD). Tha pàtrain XRD àbhaisteach (Figear SI8) de FS- agus BS-NGF/SiO2/Si a chaidh a ghluasad a’ sealltainn gu bheil prìomhan diffraction (0 0 0 2) agus (0 0 0 4) aig 26.6° agus 54.7°, coltach ri grafait. Tha seo a’ dearbhadh càileachd criostalach àrd NGF agus a’ freagairt ri astar eadar-fhilleadh de d = 0.335 nm, a tha air a chumail suas às deidh a’ cheum gluasaid. Tha dian a’ phrìomh diffraction (0 0 0 2) timcheall air 30 uair nas motha na dian a’ phrìomh diffraction (0 0 0 4), a’ nochdadh gu bheil plèana criostail NGF air a cho-thaobhadh gu math ri uachdar an t-sampall.
A rèir thoraidhean SEM, speactroscopaidh Raman, XPS agus XRD, chaidh càileachd BS-NGF/Ni a lorg mar an ceudna ri càileachd FS-NGF/Ni, ged a bha a garbh-chruth rms beagan nas àirde (Figearan SI2, SI5) agus SI7).
Faodaidh SLGn le sreathan taice polymer suas ri 200 nm de thighead seòladh air uisge. Tha an suidheachadh seo air a chleachdadh gu cumanta ann am pròiseasan gluasaid ceimigeach fliuch le taic polymer22,38. Tha graphene agus graphite hydrophobic (ceàrn fliuch 80–90°) 57. Chaidh aithris gu bheil uachdar lùth comasach an dà chuid graphene agus FLG gu math rèidh, le lùth comasach ìosal (~ 1 kJ / mol) airson gluasad taobhach uisge aig an uachdar58. Ach, tha na lùths eadar-obrachaidh àireamhaichte de dh’ uisge le graphene agus trì sreathan de graphene timcheall air − 13 agus − 15 kJ / mol,58 fa leth, a’ nochdadh gu bheil eadar-obrachadh uisge le NGF (mu 300 sreath) nas ìsle an taca ri graphene. Is dòcha gur e seo aon de na h-adhbharan carson a tha NGF neo-eisimeileach a’ fuireach rèidh air uachdar uisge, agus graphene neo-eisimeileach (a bhios a’ seòladh ann an uisge) a’ lùbadh suas agus a’ briseadh sìos. Nuair a thèid NGF a bhogadh gu tur ann an uisge (tha na toraidhean mar an ceudna airson NGF garbh agus rèidh), bidh na h-oirean aige a’ lùbadh (Figear SI4). Ma thèid an stuth a bhogadh gu tur, thathar an dùil gum bi lùth eadar-obrachaidh NGF-uisge cha mhòr dùbailte (an taca ri NGF fleòdraidh) agus gum bi oirean an NGF a’ pasgadh gus ceàrn conaltraidh àrd (uisge-phobachd) a chumail suas. Tha sinn a’ creidsinn gun gabh ro-innleachdan a leasachadh gus casg a chuir air lùbadh oirean NGFn leabaithe. Is e aon dòigh-obrach fuasglaidhean measgaichte a chleachdadh gus ath-bhualadh fliuchaidh an fhilm grafait a mhodachadh59.
Chaidh aithris roimhe seo air gluasad SLG gu diofar sheòrsaichean de shubstratan tro phròiseasan gluasaid ceimigeach fliuch. Thathas a’ gabhail ris san fharsaingeachd gu bheil feachdan lag van der Waals ann eadar filmichean grafaìn/grafait agus bun-stuthan (biodh e nan bun-stuthan cruaidh leithid SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, colbhan Si22 agus filmichean gualain lacy30,34 no bun-stuthan sùbailte leithid polyimide 37). An seo tha sinn a’ gabhail ris gu bheil eadar-obrachaidhean den aon seòrsa a’ faighinn làmh an uachdair. Cha do chunnaic sinn milleadh no rùsgadh sam bith de NGF airson gin de na bun-stuthan a tha air an taisbeanadh an seo rè làimhseachadh meacanaigeach (rè comharrachadh fo chumhachan falamh agus/no àile no rè stòradh) (me, Figear 2, SI7 agus SI9). A bharrachd air an sin, cha do chunnaic sinn bàrr SiC ann an speactram XPS C 1 s ìre cridhe an t-sampall NGF/SiO2/Si (Figear 4). Tha na toraidhean seo a’ nochdadh nach eil ceangal ceimigeach eadar NGF agus an t-substrate targaid.
Anns an earrann roimhe, “Gluasad gun phoileimear de FS- agus BS-NGF,” sheall sinn gum faod NGF fàs agus gluasad air gach taobh de foil nicil. Chan eil na FS-NGFan agus BS-NGFan seo co-ionann a thaobh garbh-uachdar, agus thug sin oirnn sgrùdadh a dhèanamh air na tagraidhean as freagarraiche airson gach seòrsa.
A’ beachdachadh air follaiseachd agus uachdar nas mìne FS-NGF, rinn sinn sgrùdadh nas mionaidiche air a structar ionadail, feartan optigeach agus dealain. Chaidh structar agus structar FS-NGF gun ghluasad polymer a chomharrachadh le ìomhaighean microscopaidh tar-chuir electron (TEM) agus mion-sgrùdadh pàtran diffraction electron raon taghte (SAED). Tha na toraidhean co-fhreagarrach air an sealltainn ann am Figear 5. Nochd ìomhaighean TEM planar le meudachadh ìosal gu robh roinnean NGF agus FLG ann le feartan eadar-dhealaichte eadar-dhealaichte de electron, ie raointean nas dorcha agus nas soilleire, fa leth (Figear 5a). Tha am film san fharsaingeachd a’ nochdadh deagh shlàinte meacanaigeach agus seasmhachd eadar na diofar roinnean de NGF agus FLG, le deagh thar-tharraing agus gun mhilleadh no reubadh, a chaidh a dhearbhadh cuideachd le sgrùdaidhean SEM (Figear 3) agus TEM le meudachadh àrd (Figear 5c-e). Gu sònraichte, ann am Figear. Tha Figear 5d a’ sealltainn structar na drochaid aig a’ phàirt as motha aige (an suidheachadh air a chomharrachadh leis an t-saighead dhubh le dotagan ann am Figear 5d), a tha air a chomharrachadh le cumadh triantanach agus air a dhèanamh suas de shreath graphene le leud timcheall air 51. Tha an co-dhèanamh le beàrnan eadar-phlànair de 0.33 ± 0.01 nm air a lùghdachadh tuilleadh gu grunn shreathan de ghraiféin anns an roinn as cumhainge (deireadh na saighead dubha soladach ann am Figear 5 d).
Ìomhaigh TEM rèidh de shampall NiAG gun phoilimear air greideal copair le lacaidh charboin: (a, b) Ìomhaighean TEM le meudachadh ìosal a’ gabhail a-steach roinnean NGF agus FLG, (ce) Tha ìomhaighean le meudachadh àrd de dhiofar roinnean ann am pannal-a agus pannal-b air an comharrachadh le saighdean den aon dath. Tha saighdean uaine ann am pannalan a agus c a’ comharrachadh raointean cruinn de mhilleadh rè co-thaobhadh a’ ghioma. (f–i) Ann am pannalan a gu c, tha pàtrain SAED ann an diofar roinnean air an comharrachadh le cearcallan gorma, cyan, orains agus dearga, fa leth.
Tha an structar riobanach ann am Figear 5c a’ sealltainn (air a chomharrachadh le saighead dhearg) treòrachadh dìreach nam plèanaichean laitís grafait, a dh’ fhaodadh a bhith mar thoradh air cruthachadh nanofolds air feadh an fhilm (inset ann am Figear 5c) air sgàth cus cuideam rùsgaidh neo-dhìolaidh30,61,62. Fo TEM àrd-rèiteachaidh, tha na nanofolds 30 seo a’ nochdadh treòrachadh criostail-eòlach eadar-dhealaichte bhon chòrr de roinn NGF; tha na plèanaichean bunaiteach den laitís grafait air an stiùireadh cha mhòr gu dìreach, seach gu còmhnard mar a tha a’ chòrr den fhilm (inset ann am Figear 5c). San aon dòigh, bidh roinn FLG uaireannan a’ nochdadh filltean loidhneach is cumhang coltach ri còmhlan (air an comharrachadh le saighdean gorma), a nochdas aig meudachadh ìosal is meadhanach ann am Figearan 5b, 5e, fa leth. Tha an seat ann am Figear 5e a’ dearbhadh gu bheil sreathan grafain dà- is trì-fhilleadh ann an roinn FLG (astar eadar-phlannach 0.33 ± 0.01 nm), a tha ann an deagh cho-chòrdadh ris na toraidhean roimhe againn30. A bharrachd air sin, chithear ìomhaighean SEM clàraichte de NGF gun phoilimeir air an gluasad gu greideal copair le filmichean gualain le lacys (às dèidh tomhais TEM bho mhullach a dhèanamh) ann am Figear SI9. An roinn FLG a tha crochte gu math (air a chomharrachadh le saighead ghorm) agus an roinn briste ann am Figear SI9f. Tha an t-saighead ghorm (aig oir an NGF a chaidh a ghluasad) air a thaisbeanadh a dh’aona ghnothach gus sealltainn gum faod an roinn FLG seasamh an aghaidh a’ phròiseas gluasaid às aonais poileimeir. Mar gheàrr-chunntas, tha na h-ìomhaighean seo a’ dearbhadh gu bheil NGF a tha crochte gu ìre (a’ gabhail a-steach an roinn FLG) a’ cumail suas slàinteachd mheacanaigeach eadhon às dèidh làimhseachadh cruaidh agus nochdadh do fhalamh àrd rè tomhais TEM agus SEM (Figear SI9).
Air sgàth cho rèidh ‘s a tha NGF (faic Figear 5a), chan eil e doirbh na sgoltagan a stiùireadh air feadh axis an raoin [0001] gus structar SAED a sgrùdadh. A rèir tighead ionadail an fhilm agus a shuidheachadh, chaidh grunn roinnean inntinneach (12 puingean) a chomharrachadh airson sgrùdaidhean diffraction electron. Ann am Figearan 5a–c, tha ceithir de na roinnean àbhaisteach sin air an sealltainn agus air an comharrachadh le cearcallan dathte (gorm, cyan, orains, agus dearg le còd). Figearan 2 agus 3 airson modh SAED. Fhuaireadh Figearan 5f agus g bhon roinn FLG a chithear ann am Figearan 5 agus 5. Mar a chithear ann am Figearan 5b agus c, fa leth. Tha structar sia-thaobhach aca coltach ri graphene toinnte63. Gu sònraichte, tha Figear 5f a’ sealltainn trì pàtrain air an cur thairis leis an aon stiùireadh ri axis na sòn [0001], air an cuairteachadh le 10° agus 20°, mar a chithear bhon neo-cho-fhreagarrachd ceàrnach de na trì paidhrichean de fhaileasan (10-10). San aon dòigh, tha Figear 5g a’ sealltainn dà phàtran sia-thaobhach air an cur thairis air a chèile agus air an rothladh 20°. Faodaidh dà no trì buidhnean de phàtranan sia-thaobhach ann an roinn FLG èirigh bho thrì sreathan grafaìn 33 sa phlèana no a-mach às a’ phlèana air an rothladh an coimeas ri chèile. An coimeas ri sin, tha na pàtrain diffraction electron ann am Figear 5h,i (a tha a’ freagairt ris an roinn NGF a chithear ann am Figear 5a) a’ sealltainn aon phàtran [0001] le dian diffraction puing nas àirde san fharsaingeachd, a tha a’ freagairt ri tiughas stuth nas motha. Tha na modailean SAED seo a’ freagairt ri structar grafait nas tiugh agus treòrachadh eadar-mheadhanach na FLG, mar a chithear bhon chlàr-amais 64. Nochd comharrachadh feartan criostalach NGF co-sheasmhachd dà no trì criostalan grafait (no grafaìn) air an cur thairis air a chèile. Is e an rud a tha gu sònraichte cudromach ann an roinn FLG gu bheil ìre àraid de mhì-threòrachadh sa phlèana no a-mach às a’ phlèana aig na criostalan. Chaidh mìrean/sreathan grafait le ceàrnan rothlaidh sa phlèana de 17°, 22° agus 25° aithris roimhe seo airson NGF air fhàs air filmichean Ni 64. Tha na luachan ceàrn rothlaidh a chaidh fhaicinn san sgrùdadh seo a rèir ceàrnan rothlaidh a chaidh fhaicinn roimhe (±1°) airson grafain BLG63 toinnte.
Chaidh feartan dealain NGF/SiO2/Si a thomhas aig 300 K thairis air raon de 10 × 3 mm2. Tha luachan dùmhlachd, gluasadachd agus seoltachd giùlan electron 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 agus 2000 S-cm-1, fa leth. Tha luachan gluasadachd agus seoltachd an NGF againn coltach ri grafait nàdarrach2 agus nas àirde na grafait pyrolytic àrd-stiùiridh a tha ri fhaighinn gu malairteach (air a thoirt gu buil aig 3000 °C)29. Tha na luachan dùmhlachd giùlan electron a chaidh fhaicinn dà òrdugh meudachd nas àirde na an fheadhainn a chaidh aithris o chionn ghoirid (7.25 × 10 cm-3) airson filmichean grafait micron-tiugh air an ullachadh a’ cleachdadh siotaichean polyimide àrd-theodhachd (3200 °C)20.
Rinn sinn tomhais tar-chuir UV-faicsinneach cuideachd air FS-NGF a chaidh a ghluasad gu fo-stratan grian-chlach (Figear 6). Tha an speactram a thig às a’ sealltainn tar-chuir cha mhòr seasmhach de 62% anns an raon 350–800 nm, a’ nochdadh gu bheil NGF tar-shoilleir do sholas faicsinneach. Gu dearbh, chithear an t-ainm “KAUST” anns an dealbh didseatach den sampall ann am Figear 6b. Ged a tha structar nanocrystalline NGF eadar-dhealaichte bho structar SLG, faodar an àireamh de shreathan a thomhas gu garbh a’ cleachdadh riaghailt call tar-chuir 2.3% gach sreath a bharrachd65. A rèir a’ chàirdeis seo, tha an àireamh de shreathan graphene le call tar-chuir 38% 21. Tha an NGF a chaidh fhàs sa mhòr-chuid air a dhèanamh suas de 300 sreath graphene, ie mu 100 nm de thighead (Figear 1, SI5 agus SI7). Mar sin, tha sinn a’ gabhail ris gu bheil an follaiseachd optigeach a chaidh fhaicinn a’ freagairt ris na roinnean FLG agus MLG, leis gu bheil iad air an sgaoileadh air feadh an fhilm (Figearan 1, 3, 5 agus 6c). A bharrachd air an dàta structarail gu h-àrd, tha seoltachd agus follaiseachd cuideachd a’ dearbhadh càileachd criostalach àrd an NGF a chaidh a ghluasad.
(a) Tomhas tar-chuir UV-faicsinneach, (b) gluasad NGF àbhaisteach air grian-chlach a’ cleachdadh sampall riochdachail. (c) Dealbh sgemataigeach de NGF (bogsa dorcha) le roinnean FLG agus MLG air an sgaoileadh gu cothromach air an comharrachadh mar chumaidhean liath air thuaiream air feadh an t-sampall (faic Figear 1) (timcheall air 0.1–3% den raon gach 100 μm2). Tha na cumaidhean air thuaiream agus na meudan aca san diagram airson adhbharan mìneachaidh a-mhàin agus chan eil iad a’ freagairt ris na fìor raointean.
Chaidh NGF follaiseach a chaidh fhàs le CVD a ghluasad roimhe seo gu uachdaran silicon lom agus a chleachdadh ann an ceallan grèine15,16. Tha an èifeachdas tionndaidh cumhachd (PCE) a thig às a sin 1.5%. Bidh na NGFan seo a’ coileanadh iomadh gnìomh leithid sreathan todhar gnìomhach, slighean còmhdhail cosgais, agus electrodan follaiseach15,16. Ach, chan eil am film grafait aonfhoirmeil. Feumar tuilleadh leasachaidh le bhith a’ cumail smachd faiceallach air an aghaidh-shligheach agus tar-chuir optigeach an electrod grafait, leis gu bheil pàirt chudromach aig an dà fheart seo ann a bhith a’ dearbhadh luach PCE na cealla grèine15,16. Mar as trice, tha filmichean grafait 97.7% follaiseach do sholas faicsinneach, ach tha aghaidh-shligheach de 200–3000 ohms/ceàrnagach16 aca. Faodar aghaidh-shligheach uachdar fhilmichean grafait a lùghdachadh le bhith ag àrdachadh àireamh nan sreathan (iomadh gluasad de shreathan grafait) agus a’ dopadh le HNO3 (~30 Ohm/ceàrnagach)66. Ach, bheir am pròiseas seo ùine mhòr agus chan eil na diofar shreathan gluasaid an-còmhnaidh a’ cumail deagh cheangal. Tha feartan aig an NGF aghaidh againn leithid seoltachd 2000 S/cm, strì an aghaidh film 50 ohm/ceàrnagach agus follaiseachd 62%, ga dhèanamh na roghainn eile a tha freagarrach airson seanalan giùlain no electrodan an-aghaidh ann an ceallan grèine15,16.
Ged a tha structar agus ceimigeachd uachdar BS-NGF coltach ri FS-NGF, tha a gharbhachd eadar-dhealaichte (“Fàs FS- agus BS-NGF”). Roimhe seo, chleachd sinn grafait film tana ultra22 mar sensor gas. Mar sin, rinn sinn deuchainn air comasachd BS-NGF a chleachdadh airson gnìomhan mothachaidh gas (Figear SI10). An toiseach, chaidh pàirtean de BS-NGF meud mm2 a ghluasad chun chip mothachaidh electrode eadar-fhighte (Figear SI10a-c). Chaidh mion-fhiosrachadh saothrachaidh a’ chip aithris roimhe seo; tha an raon mothachail gnìomhach aige 9 mm267. Anns na h-ìomhaighean SEM (Figear SI10b agus c), tha an electrod òir fon talamh ri fhaicinn gu soilleir tron NGF. A-rithist, chithear gun deach còmhdach chip aonfhoirmeil a choileanadh airson a h-uile sampall. Chaidh tomhais mothachaidh gas de dhiofar ghasaichean a chlàradh (Figear SI10d) (Figear SI11) agus tha na h-ìrean freagairt a thig às a sin air an sealltainn ann am Figearan SI10g. Is coltach le gasaichean eile a tha a’ cur bacadh orra, nam measg SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) agus NH3 (200 ppm). Is e aon adhbhar a dh’ fhaodadh a bhith ann NO2. nàdar electrophilic a’ ghasa22,68. Nuair a thèid a ghlacadh air uachdar graphene, bidh e a’ lughdachadh gabhail a-steach sruth dealanan leis an t-siostam. Tha coimeas eadar dàta ùine freagairt an sensor BS-NGF le mothachairean a chaidh fhoillseachadh roimhe air a thaisbeanadh ann an Clàr SI2. Tha an dòigh-obrach airson mothachairean NGF ath-ghnìomhachadh a’ cleachdadh plasma UV, plasma O3 no làimhseachadh teirmeach (50–150°C) de shamhlaichean fosgailte a’ dol air adhart, agus gu h-iomchaidh thèid siostaman leabaithe a chur an gnìomh69.
Rè a’ phròiseis CVD, bidh fàs graphene a’ tachairt air gach taobh den t-substrate catalyst41. Ach, mar as trice bidh BS-graphene air a thilgeil a-mach rè a’ phròiseis gluasaid41. Anns an sgrùdadh seo, tha sinn a’ sealltainn gum faodar fàs NGF àrd-inbhe agus gluasad NGF gun polymer a choileanadh air gach taobh den taic catalyst. Tha BS-NGF nas taine (~80 nm) na FS-NGF (~100 nm), agus tha an diofar seo air a mhìneachadh leis nach eil BS-Ni fosgailte gu dìreach do shruth a’ ghasa ro-ruithear. Fhuair sinn a-mach cuideachd gu bheil garbh-chruth an t-substrate NiAR a’ toirt buaidh air garbh-chruth an NGF. Tha na toraidhean seo a’ nochdadh gum faodar an FS-NGF planar fhàs a chleachdadh mar stuth ro-ruithear airson graphene (le dòigh exfoliation70) no mar sheanal giùlain ann an ceallan grèine15,16. An coimeas ri sin, thèid BS-NGF a chleachdadh airson lorg gas (Figear SI9) agus is dòcha airson siostaman stòraidh lùtha71,72 far am bi a gharbh-chruth uachdar feumail.
A’ beachdachadh air na tha gu h-àrd, tha e feumail an obair làithreach a chur còmhla ri filmichean grafait a chaidh fhoillseachadh roimhe a chaidh fhàs le CVD agus a’ cleachdadh foil nicil. Mar a chithear ann an Clàr 2, ghiorraich na cuideaman nas àirde a chleachd sinn an ùine freagairt (ìre fàis) eadhon aig teòthachdan an ìre mhath ìosal (anns an raon 850–1300 °C). Choilean sinn fàs nas motha na an àbhaist cuideachd, a’ nochdadh comas airson leudachadh. Tha factaran eile ri bheachdachadh, agus tha cuid dhiubh sin air an toirt a-steach sa chlàr.
Chaidh NGF dà-thaobhach àrd-inbhe fhàs air foil nicil le CVD catalaíseach. Le bhith a’ cuir às do shubstratan polymer traidiseanta (leithid an fheadhainn a thathas a’ cleachdadh ann an graphene CVD), bidh sinn a’ coileanadh gluasad fliuch glan is gun locht de NGF (air fhàs air cùl is aghaidh foil nicil) gu measgachadh de shubstratan pròiseas-chudromach. Gu sònraichte, tha roinnean FLG agus MLG (mar as trice 0.1% gu 3% gach 100 µm2) ann an NGF a tha air an amalachadh gu math gu structarail a-steach don fhilm nas tiugh. Tha TEM planar a’ sealltainn gu bheil na roinnean sin air an dèanamh suas de chruachan de dhà no trì gràinean grafait / graphene (criostalan no sreathan, fa leth), agus tha mì-cho-fhreagarrachd rothlach de 10–20° aig cuid dhiubh. Tha na roinnean FLG agus MLG an urra ri follaiseachd FS-NGF do sholas faicsinneach. A thaobh nan duilleagan cùil, faodar an giùlan co-shìnte ris na duilleagan aghaidh agus, mar a chithear, faodaidh adhbhar gnìomhach a bhith aca (mar eisimpleir, airson lorg gas). Tha na sgrùdaidhean seo glè fheumail airson sgudal agus cosgaisean a lughdachadh ann am pròiseasan CVD air sgèile gnìomhachais.
San fharsaingeachd, tha tighead cuibheasach CVD NGF eadar duilleagan grafait (ìosal-fhilleadh agus ioma-fhilleadh) agus duilleagan grafait gnìomhachais (microméadar). Tha raon nan feartan inntinneach aca, còmhla ris an dòigh shìmplidh a leasaich sinn airson an cinneasachadh agus an còmhdhail, a’ dèanamh na filmichean seo gu sònraichte freagarrach airson tagraidhean a dh’ fheumas freagairt gnìomhach grafait, gun chosgais nam pròiseasan cinneasachaidh gnìomhachais dian-lùtha a thathas a’ cleachdadh an-dràsta.
Chaidh foil nicil 25-μm de thighead (99.5% purrachd, Goodfellow) a chuir a-steach ann an reactar CVD malairteach (Aixtron 4-òirleach BMPro). Chaidh an siostam a ghlanadh le argon agus a fhalamhachadh gu cuideam bunaiteach de 10-3 mbar. An uairsin chaidh foil nicil a chuir ann an Ar/H2 (Às deidh ro-annealing am foil Ni airson 5 mionaidean, chaidh am foil fhoillseachadh do chuideam de 500 mbar aig 900 °C. Chaidh NGF a thasgadh ann an sruth de CH4/H2 (100 cm3 gach fear) airson 5 mionaidean. An uairsin chaidh an sampall fhuarachadh gu teòthachd fo 700 °C a’ cleachdadh sruth Ar (4000 cm3) aig 40 °C/min. Tha mion-fhiosrachadh mu bhith ag adhartachadh pròiseas fàis NGF air a mhìneachadh ann an àiteachan eile30.
Chaidh morf-eòlas uachdar an t-sampall a dhèanamh follaiseach le SEM a’ cleachdadh miocroscop Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Chaidh garbh-chruth uachdar an t-sampall agus tiughas NGF a thomhas a’ cleachdadh AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Chaidh tomhais TEM agus SAED a dhèanamh a’ cleachdadh miocroscop ciùbach FEI Titan 80–300 uidheamaichte le gunna sgaoilidh achaidh àrd-shoilleireachd (300 kV), monochromator seòrsa FEI Wien agus ceartaiche claonadh cruinne lionsa CEOS gus na toraidhean deireannach fhaighinn. rùn fànais 0.09 nm. Chaidh sampallan NGF a ghluasad gu greideal copair còmhdaichte le lacy carbon airson ìomhaighean TEM rèidh agus mion-sgrùdadh structar SAED. Mar sin, tha a’ mhòr-chuid de na flocan sampall crochte ann am pores a’ membran taice. Chaidh sampallan NGF a chaidh a ghluasad a sgrùdadh le XRD. Fhuaireadh pàtrain diffraction ghathan-X le bhith a’ cleachdadh diffractometer pùdar (Brucker, gluasaid ìre D2 le stòr Cu Kα, 1.5418 Å agus lorgaire LYNXEYE) a’ cleachdadh stòr rèididheachd Cu le trast-thomhas spot beam de 3 mm.
Chaidh grunn thomhasan puing Raman a chlàradh le bhith a’ cleachdadh miocroscop confocal amalachaidh (Alpha 300 RA, WITeC). Chaidh laser 532 nm le cumhachd brosnachaidh ìosal (25%) a chleachdadh gus buaidhean teirmeach a sheachnadh. Chaidh speactroscopaidh foto-electron X-ghath (XPS) a dhèanamh air speactromeatair Kratos Axis Ultra thairis air raon sampall de 300 × 700 μm2 a’ cleachdadh rèididheachd Al Kα monocromatach (hν = 1486.6 eV) aig cumhachd 150 W. Fhuaireadh speactraman rùn aig lùths tar-chuir de 160 eV agus 20 eV, fa leth. Chaidh sampallan NGF a chaidh a ghluasad gu SiO2 a ghearradh ann am pìosan (3 × 10 mm2 gach fear) a’ cleachdadh laser snàithleach ytterbium PLS6MW (1.06 μm) aig 30 W. Chaidh ceanglaichean uèir copair (50 μm de thighead) a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh pas airgid fo mhicrosgop optigeach. Chaidh deuchainnean còmhdhail dealain agus buaidh Hall a dhèanamh air na sampallan seo aig 300 K agus atharrachadh raoin magnetach de ± 9 Tesla ann an siostam tomhais feartan corporra (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Chaidh speactra UV–vis tar-chuir a chlàradh le bhith a’ cleachdadh speactrofotomeatair UV–vis Lambda 950 anns an raon NGF 350–800 nm air a ghluasad gu fo-stratan grian-chloiche agus sampallan iomraidh grian-chloiche.
Chaidh am mothachair strì an aghaidh cheimigeach (sliseag electrode eadar-fhighte) a cheangal ri bòrd cuairte clò-bhuailte gnàthaichte 73 agus chaidh an strì a thoirt a-mach airson greis. Tha am bòrd cuairte clò-bhuailte air a bheil an inneal suidhichte ceangailte ris na cinn-cheangail agus air a chur taobh a-staigh seòmar mothachaidh gas 74. Chaidh tomhais strì a ghabhail aig bholtaids de 1 V le sganadh leantainneach bho ghlanadh gu nochdadh gas agus an uairsin glanadh a-rithist. Chaidh an seòmar a ghlanadh an toiseach le bhith ga ghlanadh le naitridean aig 200 cm3 airson 1 uair a thìde gus dèanamh cinnteach gun deach na h-anailitichean eile uile a bha an làthair anns an t-seòmar a thoirt air falbh, a’ gabhail a-steach taiseachd. Chaidh na h-anailitichean fa leth an uairsin a leigeil ma sgaoil mean air mhean a-steach don t-seòmar aig an aon ìre sruthadh de 200 cm3 le bhith a’ dùnadh an t-siolandair N2.
Chaidh dreach ath-sgrùdaichte den artaigil seo fhoillseachadh agus gheibhear cothrom air tron cheangal aig mullach an artaigil.
Inagaki, M. agus Kang, F. Saidheans agus Innleadaireachd Stuthan Carbon: Bun-bheachdan. An dàrna deasachadh deasaichte. 2014. 542.
Pearson, HO Leabhar-làimhe air Carbon, Grafait, Daoimean agus Fullerenes: Feartan, Giullachd agus Cleachdaidhean. Chaidh a’ chiad deasachadh a dheasachadh. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Filmichean grafaein/grafait ioma-fhilleadh farsaingeachd mhòr mar electrodan giùlain tana follaiseach. tagradh. fiosaig. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Feartan teirmeach graphene agus stuthan gualain nanostructaraichte. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW agus Cahill DG Seoltachd teirmeach fhilmichean grafait air am fàs air Ni (111) le tasgadh smùid ceimigeach aig teòthachd ìosal. co-fhacal. Matt. Eadar-aghaidh 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Fàs leantainneach fhilmichean grafain le tasgadh smùid ceimigeach. tagradh. fiosaig. Wright. 98(13), 133106(2011).
Àm puist: 23 Lùnastal 2024