नी और उसके दो-तरफ़ा बहुलक-मुक्त हस्तांतरण पर एक पारभासी ग्रेफाइट फिल्म उगाना

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नैनोस्केल ग्रेफाइट फिल्म्स (एनजीएफ) मजबूत नैनोमैटेरियल्स हैं जो उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प बयान द्वारा निर्मित किए जा सकते हैं, लेकिन उनके हस्तांतरण में आसानी के बारे में प्रश्न बने हुए हैं और सतह आकृति विज्ञान अगली पीढ़ी के उपकरणों में उनके उपयोग को कैसे प्रभावित करता है। यहां हम एक पॉलीक्रिस्टलाइन निकल पन्नी (क्षेत्र 55 सेमी 2, मोटाई के बारे में 100 एनएम) और इसके बहुलक-मुक्त हस्तांतरण (सामने और पीछे, 6 सेमी 2 तक का क्षेत्र) के दोनों किनारों पर एनजीएफ की वृद्धि की रिपोर्ट करते हैं। उत्प्रेरक पन्नी की आकृति विज्ञान के कारण, दो कार्बन फिल्में उनके भौतिक गुणों और अन्य विशेषताओं (जैसे सतह खुरदरापन) में भिन्न होती हैं। हम प्रदर्शित करते हैं कि NGFs एक मोटे बैकसाइड के साथ NO2 का पता लगाने के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं, जबकि सामने की तरफ चिकनी और अधिक प्रवाहकीय NGFs (2000 s/cm, शीट प्रतिरोध - 50 ओम/m2) व्यवहार्य कंडक्टर हो सकते हैं। सौर सेल का चैनल या इलेक्ट्रोड (चूंकि यह 62% दृश्यमान प्रकाश को प्रसारित करता है)। कुल मिलाकर, वर्णित विकास और परिवहन प्रक्रियाएं तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए एक वैकल्पिक कार्बन सामग्री के रूप में एनजीएफ को महसूस करने में मदद कर सकती हैं जहां ग्राफीन और माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्में उपयुक्त नहीं हैं।
ग्रेफाइट एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली औद्योगिक सामग्री है। विशेष रूप से, ग्रेफाइट में अपेक्षाकृत कम द्रव्यमान घनत्व और उच्च-इन-प्लेन थर्मल और विद्युत चालकता के गुण होते हैं, और कठोर थर्मल और रासायनिक वातावरण 1,2 में बहुत स्थिर है। फ्लेक ग्रेफाइट ग्राफीन रिसर्च 3 के लिए एक प्रसिद्ध शुरुआती सामग्री है। जब पतली फिल्मों में संसाधित किया जाता है, तो इसका उपयोग अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जा सकता है, जिसमें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे स्मार्टफोन 4,5,6,7 के लिए हीट सिंक शामिल हैं, सेंसर 8,9,10 में एक सक्रिय सामग्री के रूप में और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस प्रोटेक्शन 11 में। 12 और चरम पराबैंगनी 13,14 में लिथोग्राफी के लिए फिल्में, सौर कोशिकाओं में चैनल का संचालन करती हैं 15,16। इन सभी अनुप्रयोगों के लिए, यह एक महत्वपूर्ण लाभ होगा यदि नैनोस्केल <100 एनएम में नियंत्रित मोटाई के साथ ग्रेफाइट फिल्मों (एनजीएफ) के बड़े क्षेत्रों को आसानी से उत्पादित और परिवहन किया जा सकता है।
ग्रेफाइट फिल्में विभिन्न तरीकों से निर्मित होती हैं। एक मामले में, एक्सफोलिएशन के बाद एम्बेडिंग और विस्तार का उपयोग ग्राफीन फ्लेक्स 10,11,17 का उत्पादन करने के लिए किया गया था। गुच्छे को आवश्यक मोटाई की फिल्मों में आगे संसाधित किया जाना चाहिए, और घने ग्रेफाइट शीट का निर्माण करने में अक्सर कई दिन लगते हैं। एक अन्य दृष्टिकोण ग्राफेबल ठोस अग्रदूतों के साथ शुरू करना है। उद्योग में, पॉलिमर की चादरें कार्बोनेटेड (1000-1500 डिग्री सेल्सियस पर) होती हैं और फिर अच्छी तरह से संरचित स्तरित सामग्री बनाने के लिए ग्राफिटाइज्ड (2800-3200 डिग्री सेल्सियस पर)। यद्यपि इन फिल्मों की गुणवत्ता अधिक है, ऊर्जा की खपत महत्वपूर्ण है 1,18,19 और न्यूनतम मोटाई कुछ माइक्रोन 1,18,19,20 तक सीमित है।
कैटेलिटिक केमिकल वाष्प डिपोजिशन (सीवीडी) उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता और उचित लागत 21,22,23,24,25,26,27 के साथ ग्राफीन और अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों (<10 एनएम) के उत्पादन के लिए एक प्रसिद्ध तरीका है। हालांकि, ग्राफीन और अल्ट्रैथिन ग्रेफाइट फिल्म्स 28 के विकास की तुलना में, सीवीडी का उपयोग करके एनजीएफ के बड़े क्षेत्र की वृद्धि और/या अनुप्रयोग और भी कम पता लगाया गया है।
सीवीडी-विकसित ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों को अक्सर कार्यात्मक सब्सट्रेट 34 पर स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। इन पतली फिल्म स्थानान्तरण में दो मुख्य विधियाँ 35 शामिल हैं: (1) गैर-एटीटीएस ट्रांसफर 36,37 और (2) ETCH- आधारित गीले रासायनिक हस्तांतरण (सब्सट्रेट समर्थित) 14,34,38। प्रत्येक विधि के कुछ फायदे और नुकसान होते हैं और इसे इच्छित एप्लिकेशन के आधार पर चुना जाना चाहिए, जैसा कि अन्यथा 35,39 के रूप में वर्णित है। कैटेलिटिक सब्सट्रेट पर उगाई जाने वाली ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों के लिए, गीले रासायनिक प्रक्रियाओं के माध्यम से स्थानांतरण (जिनमें से पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट (पीएमएमए) सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली समर्थन परत है) पहली पसंद 13,30,34,38,40,41,42 है। आप एट अल। यह उल्लेख किया गया था कि एनजीएफ ट्रांसफर (नमूना आकार लगभग 4 सेमी 2) 25,43 के लिए कोई बहुलक का उपयोग नहीं किया गया था, लेकिन ट्रांसफर के दौरान नमूना स्थिरता और/या हैंडलिंग के बारे में कोई विवरण नहीं दिया गया था; पॉलिमर का उपयोग करने वाली गीली रसायन विज्ञान प्रक्रियाओं में कई चरण शामिल हैं, जिनमें आवेदन और बाद में एक बलिदान बहुलक परत 30,38,40,41,42 को हटाना शामिल है। इस प्रक्रिया में नुकसान है: उदाहरण के लिए, बहुलक अवशेष विकसित फिल्म 38 के गुणों को बदल सकते हैं। अतिरिक्त प्रसंस्करण अवशिष्ट बहुलक को हटा सकता है, लेकिन ये अतिरिक्त चरण फिल्म निर्माण 38,40 की लागत और समय को बढ़ाते हैं। सीवीडी विकास के दौरान, ग्राफीन की एक परत को न केवल उत्प्रेरक पन्नी (भाप प्रवाह का सामना करने वाले पक्ष) के सामने की तरफ जमा किया जाता है, बल्कि इसके पीछे की तरफ भी। हालांकि, उत्तरार्द्ध को एक अपशिष्ट उत्पाद माना जाता है और इसे नरम प्लाज्मा 38,41 द्वारा जल्दी से हटाया जा सकता है। इस फिल्म को पुनर्चक्रण करने से उपज को अधिकतम करने में मदद मिल सकती है, भले ही यह फेस कार्बन फिल्म की तुलना में कम गुणवत्ता का हो।
यहां, हम सीवीडी द्वारा पॉलीक्रिस्टलाइन निकल पन्नी पर उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता के साथ एनजीएफ के वेफर-स्केल द्विभाजित विकास की तैयारी की रिपोर्ट करते हैं। यह मूल्यांकन किया गया था कि पन्नी के सामने और पीछे की सतह की खुरदरापन एनजीएफ की आकृति विज्ञान और संरचना को कैसे प्रभावित करता है। हम मल्टीफंक्शनल सबस्ट्रेट्स पर निकल पन्नी के दोनों किनारों से एनजीएफ के लागत प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल बहुलक-मुक्त हस्तांतरण का प्रदर्शन करते हैं और दिखाते हैं कि विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए आगे और पीछे की फिल्में कैसे उपयुक्त हैं।
निम्नलिखित खंड स्टैक्ड ग्राफीन परतों की संख्या के आधार पर विभिन्न ग्रेफाइट फिल्म मोटाई पर चर्चा करते हैं: (i) सिंगल लेयर ग्राफीन (एसएलजी, 1 लेयर), (ii) कुछ लेयर ग्राफीन (एफएलजी, <10 लेयर्स), (iii) मल्टीलेयर ग्राफीन (एमएलजी, 10-30 लेयर्स) और (IV) एनजीएफ (~ 300 लेयर्स)। उत्तरार्द्ध सबसे आम मोटाई है जो क्षेत्र के प्रतिशत के रूप में व्यक्त की गई है (लगभग 97% क्षेत्र प्रति 100 माइक्रोन 2) 30। इसलिए पूरी फिल्म को केवल NGF कहा जाता है।
ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों के संश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फ़ॉइल में उनके निर्माण और बाद में प्रसंस्करण के परिणामस्वरूप अलग -अलग बनावट हैं। हमने हाल ही में NGF30 की विकास प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए एक अध्ययन की सूचना दी। हम दिखाते हैं कि विकास चरण के दौरान समय और चैम्बर दबाव जैसे प्रक्रिया पैरामीटर समान मोटाई के एनजीएफ प्राप्त करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यहां, हमने आगे पॉलिश किए गए मोर्चे (एफएस) पर एनजीएफ के विकास की जांच की और निकेल पन्नी (छवि 1 ए) के बैक (बीएस) सतहों को अनप्लिश किया गया। तीन प्रकार के नमूनों एफएस और बीएस की जांच की गई, तालिका 1 में सूचीबद्ध। दृश्य निरीक्षण पर, निकेल पन्नी (एनआईएजी) के दोनों किनारों पर एनजीएफ की समान वृद्धि को एक विशेषता धातु चांदी ग्रे से एक मैट ग्रे रंग (छवि 1 ए) से बल्क नी सब्सट्रेट के रंग परिवर्तन द्वारा देखा जा सकता है; सूक्ष्म माप की पुष्टि की गई (छवि 1 बी, सी)। FS-NGF का एक विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रम उज्ज्वल क्षेत्र में देखा गया और चित्रा 1 बी में लाल, नीले और नारंगी तीर द्वारा इंगित किया गया है। ग्रेफाइट जी (1683 सेमी) 1) और 2 डी (2696 सेमी) 1) की विशेषता रमन चोटियाँ अत्यधिक क्रिस्टलीय एनजीएफ (छवि 1 सी, टेबल एसआई 1) के विकास की पुष्टि करती हैं। फिल्म के दौरान, तीव्रता अनुपात (I2D/IG) ~ 0.3 के साथ रमन स्पेक्ट्रा की एक प्रबलता देखी गई, जबकि I2D/IG = 0.8 के साथ रमन स्पेक्ट्रा शायद ही कभी देखी गई थी। पूरी फिल्म में दोषपूर्ण चोटियों (डी = 1350 सेमी -1) की अनुपस्थिति एनजीएफ विकास की उच्च गुणवत्ता को इंगित करती है। इसी तरह के रमन परिणाम बीएस-एनजीएफ नमूने (चित्रा SI1 A और B, टेबल SI1) पर प्राप्त किए गए थे।
NIAG FS- और BS-NGF की तुलना: (ए) एक विशिष्ट एनजीएफ (एनआईएजी) नमूने की तस्वीर वेफर स्केल (55 सेमी 2) पर एनजीएफ वृद्धि दिखाते हुए और परिणामस्वरूप बीएस- और एफएस-एनआई पन्नी नमूनों, (बी) एफएस-एनजीएफ छवियों/ अलग-अलग छवियों को अलग करना एफएस -एनजीएफ/नी, (ई, जी) एसईएम छवियों पर अलग -अलग परिमाणों पर बीएस -एनजीएफ/एनआई सेट करता है। नीला तीर FLG क्षेत्र को इंगित करता है, नारंगी तीर MLG क्षेत्र (FLG क्षेत्र के पास) को इंगित करता है, लाल तीर NGF क्षेत्र को इंगित करता है, और मैजेंटा तीर गुना को इंगित करता है।
चूंकि विकास प्रारंभिक सब्सट्रेट, क्रिस्टल आकार, अभिविन्यास और अनाज की सीमाओं की मोटाई पर निर्भर करता है, बड़े क्षेत्रों में एनजीएफ मोटाई का उचित नियंत्रण प्राप्त करना एक चुनौती 20,34,44 है। इस अध्ययन में हमने पहले 30 प्रकाशित की गई सामग्री का उपयोग किया था। यह प्रक्रिया 0.1 से 3% प्रति 100 माइक्रोन 230 का उज्ज्वल क्षेत्र पैदा करती है। निम्नलिखित अनुभागों में, हम दोनों प्रकार के क्षेत्रों के लिए परिणाम प्रस्तुत करते हैं। उच्च आवर्धन SEM छवियां दोनों पक्षों (छवि 1F, G) पर कई उज्ज्वल विपरीत क्षेत्रों की उपस्थिति को दिखाती हैं, जो FLG और MLG क्षेत्रों की उपस्थिति को दर्शाती हैं। यह रमन बिखरने (छवि 1 सी) और टीईएम परिणामों (बाद में "एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण") में चर्चा की गई थी। FS- और BS-NGF/NI नमूनों (NI पर उगाए गए आगे और पीछे NGF) पर देखे गए FLG और MLG क्षेत्र बड़े NI (111) अनाज पर बढ़े हो सकते हैं जो पूर्व-एनीलिंग 222,30,45 के दौरान गठित हो सकते हैं। दोनों पक्षों पर तह देखी गई (छवि 1 बी, बैंगनी तीरों के साथ चिह्नित)। ये सिलवटों को अक्सर सीवीडी-विकसित ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों में पाए जाते हैं, जो ग्रेफाइट और निकल सब्सट्रेट 30,38 के बीच थर्मल विस्तार के गुणांक में बड़े अंतर के कारण होते हैं।
AFM छवि ने पुष्टि की कि FS-NGF नमूना BS-NGF नमूने (चित्रा SI1) (चित्रा SI2) की तुलना में चापलूसी था। FS-NGF/NI (Fig। SI2C) और BS-NGF/NI (Fig। SI2D) के रूट मीन स्क्वायर (RMS) खुरदरापन मान क्रमशः 82 और 200 एनएम हैं (20 × 20 μM2 के क्षेत्र में मापा जाता है)। उच्च खुरदरापन को प्राप्त राज्य (चित्रा SI3) में निकल (NIAR) पन्नी के सतह विश्लेषण के आधार पर समझा जा सकता है। FS और BS-Niar की SEM छवियों को SI3A-D में दिखाया गया है, अलग-अलग सतह आकारिकी का प्रदर्शन करते हुए: पॉलिश FS-NI पन्नी में नैनो- और माइक्रोन-आकार के गोलाकार कण हैं, जबकि अनप्लिश्ड BS-NI फ़ॉइल एक उत्पादन सीढ़ी प्रदर्शित करता है। उच्च शक्ति वाले कणों के रूप में। और गिरावट। एनीलड निकेल पन्नी (एनआईए) की कम और उच्च रिज़ॉल्यूशन की छवियां चित्र SI3E -H में दिखाए गए हैं। इन आंकड़ों में, हम निकल पन्नी (छवि। SI3E-H) के दोनों किनारों पर कई माइक्रोन-आकार के निकल कणों की उपस्थिति का निरीक्षण कर सकते हैं। बड़े अनाज में एक नी (111) सतह अभिविन्यास हो सकता है, जैसा कि पहले बताया गया था कि 30,46। एफएस-एनआईए और बीएस-एनआईए के बीच निकल पन्नी आकृति विज्ञान में महत्वपूर्ण अंतर हैं। BS-NGF/NI की उच्च खुरदरापन BS-Niar की अप्रकाशित सतह के कारण है, जिसकी सतह annealing (चित्रा SI3) के बाद भी काफी खुरदरी है। विकास प्रक्रिया से पहले इस प्रकार की सतह के लक्षण वर्णन से ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों की खुरदरापन को नियंत्रित किया जा सकता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मूल सब्सट्रेट ने ग्राफीन की वृद्धि के दौरान कुछ अनाज पुनर्गठन किया, जिसने अनाज के आकार को थोड़ा कम कर दिया और कुछ हद तक सब्सट्रेट की सतह की खुरदरापन को बढ़ा दिया, जो कि एनीलड फ़ॉइल और उत्प्रेरक फिल्म 22 की तुलना में है।
सब्सट्रेट सतह खुरदरापन, एनीलिंग टाइम (अनाज का आकार) 30,47 और रिलीज़ कंट्रोल 43 को ठीक करना, क्षेत्रीय एनजीएफ मोटाई की एकरूपता को µM2 और/या यहां तक ​​कि NM2 स्केल (यानी, कुछ नैनोमीटर की मोटाई भिन्नता) को कम करने में मदद करेगा। सब्सट्रेट की सतह खुरदरापन को नियंत्रित करने के लिए, परिणामस्वरूप निकल पन्नी के इलेक्ट्रोलाइटिक पॉलिशिंग जैसे तरीकों को 48 माना जा सकता है। बड़े नी (111) अनाज (जो कि FLG विकास के लिए फायदेमंद है) के गठन से बचने के लिए प्रेट्रीटेड निकेल पन्नी को कम तापमान (<900 ° C) 46 और समय (<5 मिनट) पर कम किया जा सकता है।
एसएलजी और एफएलजी ग्राफीन एसिड और पानी की सतह के तनाव का सामना करने में असमर्थ है, जिससे गीले रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रियाओं के दौरान यांत्रिक समर्थन परतों की आवश्यकता होती है 22,34,38। बहुलक-समर्थित एकल-परत ग्राफीन 38 के गीले रासायनिक हस्तांतरण के विपरीत, हमने पाया कि एएस-विकसित एनजीएफ के दोनों पक्षों को बहुलक समर्थन के बिना स्थानांतरित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है (अधिक विवरण के लिए चित्र SI4A देखें)। किसी दिए गए सब्सट्रेट में एनजीएफ का स्थानांतरण अंतर्निहित NI30.49 फिल्म के गीले नक़्क़ाशी के साथ शुरू होता है। उगाए गए NGF/NI/NGF के नमूनों को रातोंरात 70% HNO3 के 15 मिलीलीटर में 600 मिलीलीटर विआयनीकृत (DI) पानी के साथ रखा गया था। नी पन्नी पूरी तरह से भंग होने के बाद, एफएस-एनजीएफ सपाट रहता है और तरल की सतह पर तैरता है, जैसे कि एनजीएफ/एनआई/एनजीएफ नमूना, जबकि बीएस-एनजीएफ पानी में डूब जाता है (छवि 2 ए, बी)। अलग -थलग एनजीएफ को तब एक बीकर से ताजा विआयनीकृत पानी से दूसरे बीकर में स्थानांतरित कर दिया गया था और अलग -थलग एनजीएफ को अच्छी तरह से धोया गया था, जो अवतल ग्लास डिश के माध्यम से चार से छह बार दोहराता था। अंत में, एफएस-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ को वांछित सब्सट्रेट (छवि 2 सी) पर रखा गया था।
निकेल पन्नी पर उगाए गए एनजीएफ के लिए पॉलिमर-मुक्त गीला रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रिया: (ए) प्रक्रिया प्रवाह आरेख (अधिक विवरण के लिए चित्रा SI4 देखें), (बी) नी इचिंग (2 नमूने) के बाद अलग-अलग एनजीएफ की डिजिटल फोटोग्राफ (2 नमूने), (सी) उदाहरण एफएस-और बीएस-एनजीएफ ट्रांसफर टू पैनल डी (दो भागों में विभाजित) के रूप में नमूना, गोल्ड प्लेटेड सी पेपर और नफियन (लचीले पारदर्शी सब्सट्रेट, लाल कोनों के साथ चिह्नित किनारों) में स्थानांतरित किया गया।
ध्यान दें कि गीले रासायनिक हस्तांतरण विधियों का उपयोग करके किए गए एसएलजी हस्तांतरण के लिए कुल प्रसंस्करण समय 20-24 घंटे 38 की आवश्यकता होती है। बहुलक-मुक्त हस्तांतरण तकनीक के साथ यहां प्रदर्शित किया गया (चित्रा SI4A), समग्र एनजीएफ स्थानांतरण प्रसंस्करण समय काफी कम हो गया है (लगभग 15 घंटे)। इस प्रक्रिया में शामिल हैं: (चरण 1) एक नक़्क़ाशी समाधान तैयार करें और उसमें नमूना रखें (~ 10 मिनट), फिर रात भर की प्रतीक्षा करें नी नॉटिंग (~ 7200 मिनट), (चरण 2) विआयनीकृत पानी (चरण - 3) के साथ कुल्ला। विआयनीकृत पानी में स्टोर करें या टारगेट सब्सट्रेट (20 मिनट) में स्थानांतरित करें। एनजीएफ और बल्क मैट्रिक्स के बीच फंसे पानी को केशिका एक्शन (ब्लॉटिंग पेपर का उपयोग करके) 38 द्वारा हटा दिया जाता है, फिर शेष पानी की बूंदों को प्राकृतिक सुखाने (लगभग 30 मिनट) द्वारा हटा दिया जाता है, और अंत में नमूना 10 मिनट के लिए सूख जाता है। 50-90 डिग्री सेल्सियस (60 मिनट) 38 पर एक वैक्यूम ओवन (10-1 mbar) में न्यूनतम।
ग्रेफाइट को पानी और हवा की उपस्थिति का सामना करने के लिए जाना जाता है, जो कि उच्च तापमान () 200 ° C) 50,51,52 पर है। हमने कमरे के तापमान पर विआयनीकृत पानी में और कुछ दिनों से एक वर्ष (चित्रा SI4) के लिए कहीं भी सील की गई बोतलों में रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, SEM और XRD का उपयोग करके नमूनों का परीक्षण किया। कोई ध्यान देने योग्य गिरावट नहीं है। चित्रा 2 सी विआयनीकृत पानी में फ्री-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ दिखाता है। हमने उन्हें एक SiO2 (300 एनएम)/SI सब्सट्रेट पर कैप्चर किया, जैसा कि चित्र 2C की शुरुआत में दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, जैसा कि चित्र 2 डी, ई में दिखाया गया है, निरंतर एनजीएफ को विभिन्न सब्सट्रेट जैसे कि पॉलिमर (नेक्सोल्व और एनएएफआईओएन से थर्मैबराइट पॉलीमाइड) और गोल्ड-लेपित कार्बन पेपर जैसे विभिन्न सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जा सकता है। फ्लोटिंग एफएस-एनजीएफ को आसानी से लक्ष्य सब्सट्रेट (छवि 2 सी, डी) पर रखा गया था। हालांकि, 3 सेमी 2 से बड़े बीएस-एनजीएफ के नमूने पूरी तरह से पानी में डूबा होने पर संभालना मुश्किल था। आमतौर पर, जब वे पानी में रोल करना शुरू करते हैं, तो लापरवाह हैंडलिंग के कारण वे कभी -कभी दो या तीन भागों (छवि 2e) में टूट जाते हैं। कुल मिलाकर, हम क्रमशः 6 और 3 सेमी 2 तक के नमूनों के लिए पीएस- और बीएस-एनजीएफ (एनजीएफ/एनआई/एनजीएफ वृद्धि के बिना 6 सेमी 2 पर निरंतर सहज हस्तांतरण) के बहुलक-मुक्त हस्तांतरण को प्राप्त करने में सक्षम थे। किसी भी शेष बड़े या छोटे टुकड़े वांछित सब्सट्रेट (~ 1 मिमी 2, चित्रा SI4B पर आसानी से नक़्क़ाशी समाधान या विआयनीकृत पानी में देखे जा सकते हैं), "एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुणों के तहत) के रूप में कॉपर ग्रिड को कॉपर ग्रिड में स्थानांतरित किया गया नमूना देखें या भविष्य के उपयोग के लिए स्टोर करें। 98-99% (हस्तांतरण के लिए वृद्धि के बाद)।
बहुलक के बिना स्थानांतरण नमूनों का विस्तार से विश्लेषण किया गया। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (ओएम) और एसईएम छवियों (छवि। एसआई 5 और अंजीर। 3) का उपयोग करके एफएस- और बीएस-एनजीएफ/एसआईओ 2/एसआई (छवि 2 सी) पर प्राप्त भूतल रूपात्मक विशेषताओं से पता चला है कि इन नमूनों को माइक्रोस्कोपी के बिना स्थानांतरित किया गया था। दृश्यमान संरचनात्मक क्षति जैसे कि दरारें, छेद, या अनियंत्रित क्षेत्रों। बढ़ते एनजीएफ (छवि 3 बी, डी, बैंगनी तीरों द्वारा चिह्नित) पर सिलवटों को स्थानांतरित करने के बाद बरकरार रहा। एफएस- और बीएस-एनजीएफ दोनों एफएलजी क्षेत्रों (चित्रा 3 में नीले तीर द्वारा इंगित उज्ज्वल क्षेत्र) से बने हैं। हैरानी की बात यह है कि कुछ क्षतिग्रस्त क्षेत्रों के विपरीत, आमतौर पर अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों के बहुलक हस्तांतरण के दौरान मनाया जाता है, कई माइक्रोन-आकार के एफएलजी और एमएलजी क्षेत्रों को एनजीएफ से जोड़ने वाले (चित्रा 3 डी में नीले तीर द्वारा चिह्नित) को दरार या ब्रेक (चित्रा 3 डी) के बिना स्थानांतरित किया गया था। 3)। । यांत्रिक अखंडता को टीईएम और एसईएम छवियों का उपयोग करके आगे की पुष्टि की गई थी, जो कि लेस-कार्बन कॉपर ग्रिड पर स्थानांतरित की गई थी, जैसा कि बाद में चर्चा की गई थी ("एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण")। हस्तांतरित BS-NGF/SiO2/Si क्रमशः 140 एनएम और 17 एनएम के आरएमएस मूल्यों के साथ FS-NGF/SiO2/SI की तुलना में मोटा है, जैसा कि चित्र SI6A और B (20 × 20 μM2) में दिखाया गया है। NGF का RMS मान SiO2/Si सब्सट्रेट (RMS <2 NM) पर स्थानांतरित किया गया है, NI (चित्रा SI2) पर उगाए गए NGF की तुलना में काफी कम (लगभग 3 गुना) है, यह दर्शाता है कि अतिरिक्त खुरदरापन NI सतह के अनुरूप हो सकता है। इसके अलावा, एफएस- और बीएस-एनजीएफ/एसआईओ 2/एसआई के नमूनों के किनारों पर एएफएम छवियों ने क्रमशः 100 और 80 एनएम की एनजीएफ मोटाई दिखाई (छवि। एसआई 7)। बीएस-एनजीएफ की छोटी मोटाई सतह को सीधे अग्रदूत गैस के संपर्क में नहीं होने का परिणाम हो सकती है।
SiO2/Si वेफर पर बहुलक के बिना NGF (NIAG) स्थानांतरित किया गया (चित्र 2C देखें): (ए, बी) ट्रांसफर एफएस-एनजीएफ की एसईएम छवियां: कम और उच्च आवर्धन (पैनल में नारंगी वर्ग के अनुरूप)। विशिष्ट क्षेत्र) - ए)। (सी, डी) हस्तांतरित बीएस-एनजीएफ की एसईएम छवियां: कम और उच्च आवर्धन (पैनल सी में नारंगी वर्ग द्वारा दिखाए गए विशिष्ट क्षेत्र के अनुरूप)। (ई, एफ) हस्तांतरित एफएस- और बीएस-एनजीएफ की एएफएम छवियां। ब्लू एरो FLG क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है - उज्ज्वल कंट्रास्ट, सियान तीर - काला MLG कंट्रास्ट, लाल तीर - काला कंट्रास्ट NGF क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है, मैजेंटा तीर गुना का प्रतिनिधित्व करता है।
एफएस- और बीएस-एनजीएफएस की रासायनिक संरचना का विश्लेषण एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) (छवि 4) द्वारा किया गया था। मापा स्पेक्ट्रा (छवि 4 ए, बी) में एक कमजोर शिखर देखा गया था, जो कि एफएस- और बीएस-एनजीएफएस (एनआईएजी) के नी सब्सट्रेट (850 ईवी) के अनुरूप है। हस्तांतरित FS- और BS-NGF/SiO2/Si (Fig। 4C; BS-NGF/SiO2/Si के लिए समान परिणाम नहीं दिखाए गए हैं) के मापा स्पेक्ट्रा में कोई चोटियां नहीं हैं, यह दर्शाता है कि हस्तांतरण के बाद कोई अवशिष्ट NI संदूषण नहीं है। आंकड़े 4D-F FS-NGF/SiO2/Si के C 1 S, O 1 S और SI 2P ऊर्जा स्तरों के उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा को दिखाते हैं। ग्रेफाइट के C 1 S की बाध्यकारी ऊर्जा 284.4 EV53.54 है। ग्रेफाइट चोटियों के रैखिक आकार को आमतौर पर विषम माना जाता है, जैसा कि चित्र 4D54 में दिखाया गया है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन कोर-लेवल सी 1 एस स्पेक्ट्रम (छवि 4 डी) ने भी शुद्ध हस्तांतरण (यानी, कोई बहुलक अवशेष नहीं) की पुष्टि की, जो पिछले अध्ययन 38 के अनुरूप है। ताजा उगाए गए नमूने (एनआईएजी) के सी 1 एस स्पेक्ट्रा के लाइनविड्स और स्थानांतरण के बाद क्रमशः 0.55 और 0.62 ईवी हैं। ये मान SLG की तुलना में अधिक हैं (SIO2 सब्सट्रेट पर SLG के लिए 0.49 EV) 38। हालांकि, ये मान वर्तमान सामग्री में दोषपूर्ण कार्बन साइटों की अनुपस्थिति का संकेत देते हुए, अत्यधिक उन्मुख पायरोलाइटिक ग्राफीन नमूनों (~ 0.75 ईवी) 53,54,55 के लिए पहले से रिपोर्ट किए गए लाइनविड्स की तुलना में छोटे हैं। C 1 S और O 1 S ग्राउंड लेवल स्पेक्ट्रा में भी कंधे की कमी होती है, जिससे उच्च-रिज़ॉल्यूशन पीक डिकॉनवोल्यूशन 54 की आवश्यकता को समाप्त किया जाता है। 291.1 ईवी के आसपास एक π → π* उपग्रह शिखर है, जो अक्सर ग्रेफाइट नमूनों में देखा जाता है। SI 2P और O 1 S कोर लेवल स्पेक्ट्रा में 103 EV और 532.5 EV सिग्नल (चित्र 4E, F देखें) को क्रमशः SiO2 56 सब्सट्रेट के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। XPS एक सतह-संवेदनशील तकनीक है, इसलिए NGF हस्तांतरण से पहले और बाद में NI और SIO2 के अनुरूप संकेतों को क्रमशः FLG क्षेत्र से उत्पन्न होने के लिए माना जाता है। इसी तरह के परिणाम हस्तांतरित बीएस-एनजीएफ नमूनों (नहीं दिखाए गए) के लिए देखे गए थे।
NIAG XPS परिणाम: (AC) बड़े FS-NGF/NI, BS-NGF/NI के विभिन्न मौलिक परमाणु रचनाओं का सर्वेक्षण स्पेक्ट्रा और क्रमशः FS-NGF/SiO2/SI को स्थानांतरित किया गया। ।
स्थानांतरित एनजीएफ क्रिस्टल की समग्र गुणवत्ता का मूल्यांकन एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) का उपयोग करके किया गया था। ट्रांसफर FS- और BS-NGF/SiO2/Si के विशिष्ट XRD पैटर्न (Fig। SI8) में विवर्तन चोटियों (0 0 0 2) और (0 0 0 4) की उपस्थिति 26.6 ° और 54.7 ° पर, ग्रेफाइट के समान है। । यह एनजीएफ की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करता है और डी = 0.335 एनएम की एक इंटरलेयर दूरी से मेल खाती है, जिसे स्थानांतरण कदम के बाद बनाए रखा जाता है। विवर्तन शिखर (0 0 0 2) की तीव्रता लगभग 30 गुना है जो विवर्तन शिखर (0 0 0 4) की है, यह दर्शाता है कि एनजीएफ क्रिस्टल विमान नमूना सतह के साथ अच्छी तरह से संरेखित है।
SEM, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, XPS और XRD के परिणामों के अनुसार, BS-NGF/NI की गुणवत्ता FS-NGF/NI के समान पाया गया, हालांकि इसकी RMS खुरदरापन थोड़ा अधिक था (आंकड़े SI2, SI5) और SI7)।
बहुलक समर्थन परतों के साथ एसएलजी 200 एनएम मोटी तक पानी पर तैर सकते हैं। यह सेटअप आमतौर पर बहुलक-सहायता प्राप्त गीले रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रियाओं 222,38 में उपयोग किया जाता है। ग्राफीन और ग्रेफाइट हाइड्रोफोबिक (गीले कोण 80-90 °) 57 हैं। सतह 58 पर पानी के पार्श्व आंदोलन के लिए कम संभावित ऊर्जा (~ 1 kJ/mol) के साथ, ग्राफीन और FLG दोनों की संभावित ऊर्जा सतहों को काफी सपाट होने की सूचना दी गई है। हालांकि, ग्राफीन और ग्राफीन की तीन परतें के साथ पानी की परिकलित इंटरैक्शन ऊर्जा लगभग - 13 और - 15 kJ/mol, 58 क्रमशः है, यह दर्शाता है कि NGF (लगभग 300 परतों) के साथ पानी की बातचीत ग्राफीन की तुलना में कम है। यह एक कारण हो सकता है कि फ्रीस्टैंडिंग एनजीएफ पानी की सतह पर सपाट रहता है, जबकि फ्रीस्टैंडिंग ग्राफीन (जो पानी में तैरता है) कर्ल करता है और टूट जाता है। जब एनजीएफ पूरी तरह से पानी में डूब जाता है (परिणाम किसी न किसी और फ्लैट एनजीएफ के लिए समान होते हैं), इसके किनारों को मोड़ (चित्रा SI4)। पूर्ण विसर्जन के मामले में, यह उम्मीद की जाती है कि एनजीएफ-वाटर इंटरैक्शन एनर्जी लगभग दोगुनी हो गई है (फ्लोटिंग एनजीएफ की तुलना में) और यह कि एनजीएफ के किनारों को एक उच्च संपर्क कोण (हाइड्रोफोबिसिटी) बनाए रखने के लिए गुना है। हम मानते हैं कि एम्बेडेड एनजीएफ के किनारों के कर्लिंग से बचने के लिए रणनीतियों को विकसित किया जा सकता है। एक दृष्टिकोण ग्रेफाइट फिल्म 59 के गीला प्रतिक्रिया को संशोधित करने के लिए मिश्रित सॉल्वैंट्स का उपयोग करना है।
गीले रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रियाओं के माध्यम से विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट के लिए एसएलजी का स्थानांतरण पहले बताया गया है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि कमजोर वैन डेर वाल्स बल ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों और सब्सट्रेट के बीच मौजूद हैं (यह कठोर सब्सट्रेट जैसे कि SIO2/SI38,41,46,60, SIC38, AU42, SI पिलर्स 22 और लैसी कार्बन फिल्म्स 30, 34 या लचीली सब्सट्रेट जैसे पॉलीमाइड 37)। यहाँ हम मानते हैं कि एक ही प्रकार के इंटरैक्शन प्रबल होते हैं। हमने यांत्रिक हैंडलिंग (वैक्यूम और/या वायुमंडलीय स्थितियों के तहत या भंडारण के दौरान या भंडारण के दौरान या भंडारण के दौरान) (जैसे, चित्रा 2, SI7 और SI9) के दौरान यहां प्रस्तुत किसी भी सब्सट्रेट के लिए एनजीएफ के किसी भी नुकसान या छीलने का निरीक्षण नहीं किया। इसके अलावा, हमने NGF/SiO2/Si नमूने (छवि 4) के कोर स्तर के XPS C 1 S स्पेक्ट्रम में एक SIC शिखर का निरीक्षण नहीं किया। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि एनजीएफ और लक्ष्य सब्सट्रेट के बीच कोई रासायनिक बंधन नहीं है।
पिछले अनुभाग में, "एफएस- और बीएस-एनजीएफ के बहुलक-मुक्त हस्तांतरण", हमने प्रदर्शित किया कि एनजीएफ बढ़ सकता है और निकेल पन्नी के दोनों किनारों पर स्थानांतरित हो सकता है। ये FS-NGFS और BS-NGFs सतह खुरदरापन के संदर्भ में समान नहीं हैं, जिसने हमें प्रत्येक प्रकार के लिए सबसे उपयुक्त अनुप्रयोगों का पता लगाने के लिए प्रेरित किया।
एफएस-एनजीएफ की पारदर्शिता और चिकनी सतह को ध्यान में रखते हुए, हमने इसकी स्थानीय संरचना, ऑप्टिकल और विद्युत गुणों का अधिक विस्तार से अध्ययन किया। बहुलक हस्तांतरण के बिना FS-NGF की संरचना और संरचना को ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) इमेजिंग और चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन (SAED) पैटर्न विश्लेषण द्वारा चित्रित किया गया था। इसी परिणामों को चित्र 5 में दिखाया गया है। कम आवर्धन प्लानर टीईएम इमेजिंग ने एनजीएफ और एफएलजी क्षेत्रों की उपस्थिति को अलग -अलग इलेक्ट्रॉन कंट्रास्ट विशेषताओं, यानी गहरे और उज्जवल क्षेत्रों के साथ क्रमशः (छवि 5 ए) के साथ प्रकट किया। फिल्म समग्र रूप से एनजीएफ और एफएलजी के विभिन्न क्षेत्रों के बीच अच्छी यांत्रिक अखंडता और स्थिरता का प्रदर्शन करती है, जिसमें अच्छा ओवरलैप और कोई नुकसान या फाड़ नहीं है, जिसे एसईएम (चित्रा 3) और उच्च आवर्धन टीईएम अध्ययन (चित्रा 5 सी-ई) द्वारा भी पुष्टि की गई थी। विशेष रूप से, अंजीर में। चित्रा 5 डी अपने सबसे बड़े हिस्से में पुल संरचना को दर्शाता है (चित्र 5 डी में काले बिंदीदार तीर द्वारा चिह्नित स्थिति), जो एक त्रिकोणीय आकार की विशेषता है और इसमें लगभग 51 की चौड़ाई के साथ एक ग्राफीन परत होती है। 0.33 ± 0.01 एनएम के एक इंटरप्लेनर रिक्ति के साथ रचना सबसे संकीर्ण क्षेत्र (चित्रा 5 डी में ठोस काले तीर के अंत) में ग्राफीन की कई परतों तक कम हो जाती है।
एक कार्बन लैसी कॉपर ग्रिड पर एक बहुलक-मुक्त एनआईएजी नमूने की प्लानर टीईएम छवि: (ए, बी) एनजीएफ और एफएलजी क्षेत्रों सहित कम आवर्धन टीईएम छवियां, (सीई) पैनल-ए और पैनल-बी में विभिन्न क्षेत्रों की उच्च आवर्धन छवियां एक ही रंग के तीर चिह्नित हैं। पैनल ए और सी में हरे तीर बीम संरेखण के दौरान क्षति के गोलाकार क्षेत्रों का संकेत देते हैं। ।
चित्रा 5 सी में रिबन संरचना दिखाती है (लाल तीर के साथ चिह्नित) ग्रेफाइट जाली विमानों के ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास, जो कि फिल्म के साथ नैनोफोल्ड्स के गठन के कारण हो सकता है (चित्रा 5C में इनसेट) अतिरिक्त असंबद्ध कतरनी तनाव 30,61,62 के कारण हो सकता है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीईएम के तहत, ये नैनोफोल्ड्स 30 एनजीएफ क्षेत्र के बाकी हिस्सों की तुलना में एक अलग क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास प्रदर्शित करते हैं; ग्रेफाइट जाली के बेसल विमानों को लगभग लंबवत रूप से उन्मुख किया जाता है, बजाय यह फिल्म के बाकी हिस्सों की तरह क्षैतिज रूप से (चित्र 5 सी में इनसेट)। इसी तरह, FLG क्षेत्र कभी-कभी रैखिक और संकीर्ण बैंड जैसी सिलवटों (नीले तीर द्वारा चिह्नित) को प्रदर्शित करता है, जो क्रमशः 5 बी, 5 ई में कम और मध्यम आवर्धन पर दिखाई देते हैं। चित्रा 5E में इनसेट FLG क्षेत्र (इंटरप्लेनर दूरी 0.33 ± 0.01 एनएम) में दो- और तीन-परत ग्राफीन परतों की उपस्थिति की पुष्टि करता है, जो हमारे पिछले परिणामों के साथ अच्छे समझौते में है। इसके अतिरिक्त, बहुलक-मुक्त एनजीएफ की रिकॉर्ड की गई एसईएम छवियों को कॉपर ग्रिड पर लेसी कार्बन फिल्मों (टॉप-व्यू टीईएम मापों के प्रदर्शन के बाद) के साथ ट्रांसफर किया गया है। अच्छी तरह से निलंबित FLG क्षेत्र (नीले तीर के साथ चिह्नित) और चित्रा SI9F में टूटे हुए क्षेत्र। नीला तीर (हस्तांतरित एनजीएफ के किनारे पर) जानबूझकर यह प्रदर्शित करने के लिए प्रस्तुत किया गया है कि एफएलजी क्षेत्र बहुलक के बिना हस्तांतरण प्रक्रिया का विरोध कर सकता है। सारांश में, ये चित्र इस बात की पुष्टि करते हैं कि आंशिक रूप से निलंबित एनजीएफ (एफएलजी क्षेत्र सहित) टीईएम और एसईएम माप (चित्रा एसआई 9) के दौरान उच्च वैक्यूम के लिए कठोर हैंडलिंग और एक्सपोज़र के बाद भी यांत्रिक अखंडता को बनाए रखता है।
एनजीएफ की उत्कृष्ट सपाटता (चित्र 5 ए देखें) के कारण, एसएईडी संरचना का विश्लेषण करने के लिए [0001] डोमेन अक्ष के साथ गुच्छे को उन्मुख करना मुश्किल नहीं है। फिल्म की स्थानीय मोटाई और इसके स्थान के आधार पर, इलेक्ट्रॉन विवर्तन अध्ययन के लिए रुचि के कई क्षेत्रों (12 अंक) की पहचान की गई थी। आंकड़े 5 ए -सी में, इन विशिष्ट क्षेत्रों में से चार को रंगीन हलकों (नीले, सियान, नारंगी और लाल कोडित) के साथ दिखाया और चिह्नित किया जाता है। SAED मोड के लिए आंकड़े 2 और 3। आंकड़े 5 और 5 आंकड़े 5 और 5 में दिखाए गए FLG क्षेत्र से प्राप्त किए गए थे। जैसा कि क्रमशः आंकड़े 5B और C में दिखाया गया है। उनके पास ट्विस्टेड ग्राफीन 63 के समान एक हेक्सागोनल संरचना है। विशेष रूप से, चित्रा 5F [0001] ज़ोन अक्ष के समान अभिविन्यास के साथ तीन सुपरिंपोज्ड पैटर्न दिखाता है, जिसे 10 ° और 20 ° से घुमाया जाता है, जैसा कि तीन जोड़े (10-10) प्रतिबिंबों के कोणीय बेमेल द्वारा स्पष्ट किया गया है। इसी तरह, चित्रा 5 जी में 20 ° द्वारा घुमाए गए दो सुपरइम्पोज़्ड हेक्सागोनल पैटर्न को दिखाया गया है। एफएलजी क्षेत्र में हेक्सागोनल पैटर्न के दो या तीन समूह तीन इन-प्लेन या आउट-ऑफ-प्लेन ग्राफीन परतों से उत्पन्न हो सकते हैं 33 एक दूसरे के सापेक्ष घुमाए गए। इसके विपरीत, चित्रा 5 एच में इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न, I (चित्रा 5 ए में दिखाए गए एनजीएफ क्षेत्र के अनुरूप) एक एकल [0001] पैटर्न को समग्र उच्च बिंदु विवर्तन तीव्रता के साथ दिखाते हैं, जो अधिक से अधिक सामग्री मोटाई के अनुरूप है। ये SAED मॉडल FLG की तुलना में एक मोटी ग्रेफिटिक संरचना और मध्यवर्ती अभिविन्यास के अनुरूप हैं, जैसा कि इंडेक्स 64 से अनुमानित है। NGF के क्रिस्टलीय गुणों की विशेषता ने दो या तीन सुपरिम्पोज्ड ग्रेफाइट (या ग्राफीन) क्रिस्टलीय के सह -अस्तित्व को प्रकट किया। एफएलजी क्षेत्र में विशेष रूप से उल्लेखनीय है कि क्रिस्टलीय में एक निश्चित डिग्री इन-प्लेन या आउट-ऑफ-प्लेन गलतफहमी है। 17 °, 22 ° और 25 ° के इन-प्लेन रोटेशन कोणों के साथ ग्रेफाइट कण/परतें पहले NI 64 फिल्मों पर एनजीएफ के लिए रिपोर्ट की गई हैं। इस अध्ययन में देखे गए रोटेशन कोण मान मुड़ BLG63 ग्राफीन के लिए पहले से देखे गए रोटेशन कोण (° 1 °) के अनुरूप हैं।
NGF/SiO2/Si के विद्युत गुणों को 10 × 3 मिमी 2 के क्षेत्र में 300 K पर मापा गया था। इलेक्ट्रॉन वाहक एकाग्रता, गतिशीलता और चालकता के मान क्रमशः 1.6 × 1020 सेमी -3, 220 सेमी 2 वी -1 सी -1 और 2000 एस-सीएम -1 हैं। हमारे एनजीएफ की गतिशीलता और चालकता मूल्य प्राकृतिक ग्रेफाइट 2 के समान हैं और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध उच्च उन्मुख पायरोलाइटिक ग्रेफाइट (3000 डिग्री सेल्सियस पर उत्पादित) 29 से अधिक हैं। देखे गए इलेक्ट्रॉन वाहक एकाग्रता मान उच्च तापमान (3200 ° C) पॉलीमाइड शीट 20 का उपयोग करके तैयार किए गए माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्मों के लिए हाल ही में रिपोर्ट किए गए (7.25 × 10 सेमी -3) की तुलना में अधिक परिमाण के दो आदेश हैं।
हमने क्वार्ट्ज सब्सट्रेट (चित्रा 6) में स्थानांतरित किए गए एफएस-एनजीएफ पर यूवी-विज़िबल ट्रांसमिटेंस माप भी किया। परिणामस्वरूप स्पेक्ट्रम 350-800 एनएम की सीमा में 62% का लगभग निरंतर संचारण दिखाता है, यह दर्शाता है कि एनजीएफ दृश्य प्रकाश के लिए पारभासी है। वास्तव में, "KAUST" नाम को चित्र 6 बी में नमूने की डिजिटल तस्वीर में देखा जा सकता है। यद्यपि एनजीएफ की नैनोक्रिस्टलाइन संरचना एसएलजी से अलग है, परतों की संख्या को अतिरिक्त लेयर 65 के अनुसार 2.3% ट्रांसमिशन लॉस के नियम का उपयोग करके मोटे तौर पर अनुमानित किया जा सकता है। इस संबंध के अनुसार, 38% ट्रांसमिशन लॉस के साथ ग्राफीन परतों की संख्या 21 है। बड़े किए गए एनजीएफ में मुख्य रूप से 300 ग्राफीन परतें होती हैं, यानी लगभग 100 एनएम मोटी (छवि 1, एसआई 5 और एसआई 7)। इसलिए, हम मानते हैं कि मनाया गया ऑप्टिकल पारदर्शिता FLG और MLG क्षेत्रों से मेल खाती है, क्योंकि वे पूरी फिल्म (Figs। 1, 3, 5 और 6C) में वितरित किए जाते हैं। उपरोक्त संरचनात्मक डेटा के अलावा, चालकता और पारदर्शिता भी हस्तांतरित एनजीएफ की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करती है।
(ए) यूवी-विज़िबल ट्रांसमिटेंस मापन, (बी) एक प्रतिनिधि नमूने का उपयोग करके क्वार्ट्ज पर विशिष्ट एनजीएफ स्थानांतरण। । आरेख में यादृच्छिक आकार और उनके आकार केवल चित्रण उद्देश्यों के लिए हैं और वास्तविक क्षेत्रों के अनुरूप नहीं हैं।
सीवीडी द्वारा उगाए गए पारभासी एनजीएफ को पहले नंगे सिलिकॉन सतहों पर स्थानांतरित कर दिया गया है और इसका उपयोग सौर कोशिकाओं 15,16 में किया गया है। परिणामी बिजली रूपांतरण दक्षता (PCE) 1.5%है। ये एनजीएफ कई कार्य करते हैं जैसे कि सक्रिय यौगिक परतें, चार्ज ट्रांसपोर्ट पाथवे और पारदर्शी इलेक्ट्रोड्स 15,16। हालांकि, ग्रेफाइट फिल्म एक समान नहीं है। ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के शीट प्रतिरोध और ऑप्टिकल ट्रांसमिशन को ध्यान से नियंत्रित करके आगे अनुकूलन आवश्यक है, क्योंकि ये दो गुण सौर सेल 15,16 के पीसीई मूल्य को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। आमतौर पर, ग्राफीन फिल्में दृश्यमान प्रकाश के लिए 97.7% पारदर्शी होती हैं, लेकिन 200-3000 ओम/SQ.16 की शीट प्रतिरोध होती है। ग्राफीन फिल्मों की सतह प्रतिरोध को परतों की संख्या (ग्राफीन परतों के कई हस्तांतरण) और HNO3 (~ 30 ओम/वर्ग) 66 के साथ डोपिंग बढ़ाकर कम किया जा सकता है। हालांकि, इस प्रक्रिया में एक लंबा समय लगता है और विभिन्न स्थानांतरण परतें हमेशा अच्छे संपर्क को बनाए नहीं रखती हैं। हमारे फ्रंट साइड एनजीएफ में चालकता 2000 एस/सेमी, फिल्म शीट प्रतिरोध 50 ओम/एसक्यू जैसे गुण हैं। और 62% पारदर्शिता, यह कंडक्टिव चैनलों या सौर कोशिकाओं में काउंटर इलेक्ट्रोड के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बन गया है। 15,16।
यद्यपि बीएस-एनजीएफ की संरचना और सतह रसायन विज्ञान एफएस-एनजीएफ के समान हैं, इसकी खुरदरापन अलग है ("एफएस- और बीएस-एनजीएफ की वृद्धि")। पहले, हमने गैस सेंसर के रूप में अल्ट्रा-पतली फिल्म ग्रेफाइट 22 का उपयोग किया। इसलिए, हमने गैस सेंसिंग कार्यों (चित्रा SI10) के लिए BS-NGF का उपयोग करने की व्यवहार्यता का परीक्षण किया। सबसे पहले, BS-NGF के MM2- आकार के भागों को इंटरडिगिटेटिंग इलेक्ट्रोड सेंसर चिप (चित्रा SI10A-C) पर स्थानांतरित किया गया था। चिप का निर्माण विवरण पहले बताया गया था; इसका सक्रिय संवेदनशील क्षेत्र 9 mm267 है। SEM छवियों (चित्रा SI10B और C) में, अंतर्निहित सोने का इलेक्ट्रोड NGF के माध्यम से स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। फिर, यह देखा जा सकता है कि सभी नमूनों के लिए वर्दी चिप कवरेज प्राप्त किया गया था। विभिन्न गैसों के गैस सेंसर माप दर्ज किए गए (अंजीर। SI10D) (छवि। SI11) और परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया दर अंजीर में दिखाए गए हैं। SI10G। SO2 (200 पीपीएम), एच 2 (2%), सीएच 4 (200 पीपीएम), सीओ 2 (2%), एच 2 एस (200 पीपीएम) और एनएच 3 (200 पीपीएम) सहित अन्य हस्तक्षेप करने वाली गैसों के साथ संभावना है। एक संभावित कारण NO2 है। GAS22,68 की इलेक्ट्रोफिलिक प्रकृति। जब ग्राफीन की सतह पर adsorbed, यह सिस्टम द्वारा इलेक्ट्रॉनों के वर्तमान अवशोषण को कम करता है। पहले प्रकाशित सेंसर के साथ बीएस-एनजीएफ सेंसर के प्रतिक्रिया समय डेटा की तुलना तालिका SI2 में प्रस्तुत की गई है। यूवी प्लाज्मा, ओ 3 प्लाज्मा या थर्मल (50-150 डिग्री सेल्सियस) का उपयोग करके एनजीएफ सेंसर को पुन: सक्रिय करने के लिए तंत्र उजागर नमूनों का उपचार जारी है, आदर्श रूप से एम्बेडेड सिस्टम 69 के कार्यान्वयन के बाद।
सीवीडी प्रक्रिया के दौरान, ग्राफीन की वृद्धि उत्प्रेरक सब्सट्रेट 41 के दोनों किनारों पर होती है। हालांकि, बीएस-ग्राफीन को आमतौर पर ट्रांसफर प्रोसेस 41 के दौरान बाहर कर दिया जाता है। इस अध्ययन में, हम प्रदर्शित करते हैं कि उत्प्रेरक समर्थन के दोनों किनारों पर उच्च गुणवत्ता वाले एनजीएफ वृद्धि और बहुलक-मुक्त एनजीएफ हस्तांतरण प्राप्त किया जा सकता है। बीएस-एनजीएफ एफएस-एनजीएफ (~ 100 एनएम) की तुलना में पतला (~ 80 एनएम) है, और इस अंतर को इस तथ्य से समझाया गया है कि बीएस-एनआई सीधे अग्रदूत गैस प्रवाह के संपर्क में नहीं है। हमने यह भी पाया कि NIAR सब्सट्रेट की खुरदरापन NGF की खुरदरापन को प्रभावित करता है। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि विकसित प्लानर एफएस-एनजीएफ का उपयोग ग्राफीन के लिए एक अग्रदूत सामग्री के रूप में (एक्सफोलिएशन विधि 70 द्वारा) या सौर कोशिकाओं 15,16 में एक प्रवाहकीय चैनल के रूप में किया जा सकता है। इसके विपरीत, बीएस-एनजीएफ का उपयोग गैस का पता लगाने (छवि। SI9) के लिए किया जाएगा और संभवतः ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए 71,72 जहां इसकी सतह खुरदरापन उपयोगी होगा।
उपरोक्त को ध्यान में रखते हुए, सीवीडी द्वारा उगाई गई पहले से प्रकाशित ग्रेफाइट फिल्मों के साथ वर्तमान काम को संयोजित करना और निकेल पन्नी का उपयोग करना उपयोगी है। जैसा कि तालिका 2 में देखा जा सकता है, उच्च दबावों का हमने अपेक्षाकृत कम तापमान (850-1300 डिग्री सेल्सियस की सीमा में) पर भी प्रतिक्रिया समय (विकास चरण) का उपयोग किया। हमने भी सामान्य से अधिक वृद्धि हासिल की, विस्तार के लिए क्षमता का संकेत दिया। विचार करने के लिए अन्य कारक हैं, जिनमें से कुछ हमने तालिका में शामिल किए हैं।
डबल-साइडेड हाई-क्वालिटी एनजीएफ को कैटेलिटिक सीवीडी द्वारा निकल पन्नी पर उगाया गया था। पारंपरिक बहुलक सब्सट्रेट (जैसे कि सीवीडी ग्राफीन में उपयोग किए जाने वाले) को समाप्त करके, हम विभिन्न प्रकार की प्रक्रिया-महत्वपूर्ण सब्सट्रेट के लिए एनजीएफ (निकेल पन्नी के पीछे और सामने के किनारों पर उगाए गए) के स्वच्छ और दोष-मुक्त गीले हस्तांतरण को प्राप्त करते हैं। विशेष रूप से, एनजीएफ में एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र (आमतौर पर 0.1% से 3% प्रति 100 माइक्रोन 2) शामिल हैं जो संरचनात्मक रूप से अच्छी तरह से मोटी फिल्म में एकीकृत होते हैं। प्लानर टीईएम से पता चलता है कि ये क्षेत्र दो से तीन ग्रेफाइट/ग्राफीन कणों (क्रिस्टल या परतों, क्रमशः) के ढेर से बने होते हैं, जिनमें से कुछ में 10-20 ° का घूर्णी बेमेल है। FLG और MLG क्षेत्र FS-NGF की पारदर्शिता के लिए दृश्यमान प्रकाश के लिए जिम्मेदार हैं। पीछे की चादरों के लिए, उन्हें सामने की चादरों के समानांतर ले जाया जा सकता है और, जैसा कि दिखाया गया है, एक कार्यात्मक उद्देश्य हो सकता है (उदाहरण के लिए, गैस का पता लगाने के लिए)। ये अध्ययन औद्योगिक पैमाने पर सीवीडी प्रक्रियाओं में कचरे और लागत को कम करने के लिए बहुत उपयोगी हैं।
सामान्य तौर पर, सीवीडी एनजीएफ की औसत मोटाई (निम्न- और बहु-परत) ग्राफीन और औद्योगिक (माइक्रोमीटर) ग्रेफाइट शीट के बीच होती है। उनके दिलचस्प गुणों की सीमा, जो हमने उनके उत्पादन और परिवहन के लिए विकसित की गई सरल विधि के साथ संयुक्त की है, इन फिल्मों को विशेष रूप से ग्रेफाइट की कार्यात्मक प्रतिक्रिया की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है, वर्तमान में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा-गहन औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियाओं के खर्च के बिना।
एक वाणिज्यिक सीवीडी रिएक्टर (Aixtron 4-इंच BMPRO) में एक 25-μm- मोटी निकेल पन्नी (99.5% शुद्धता, गुडफेलो) स्थापित किया गया था। सिस्टम को आर्गन के साथ शुद्ध किया गया था और 10-3 mbar के आधार दबाव के लिए निकाला गया था। तब निकल पन्नी को रखा गया था। एआर/एच 2 में (5 मिनट के लिए नी पन्नी को पूर्व-एनालिंग करने के बाद, पन्नी को 900 डिग्री सेल्सियस पर 500 एमबीआरए के दबाव के संपर्क में लाया गया था। एनजीएफ को 5 मिनट के लिए सीएच 4/एच 2 (100 सेमी 3 प्रत्येक) के प्रवाह में जमा किया गया था। नमूना तब एआर फ्लो (4000 सेमी 3) के बारे में 700 डिग्री सेल्सियस का उपयोग कर रहा था।
नमूने की सतह आकृति विज्ञान को एक ज़ीस मर्लिन माइक्रोस्कोप (1 केवी, 50 पीए) का उपयोग करके एसईएम द्वारा कल्पना की गई थी। नमूना सतह खुरदरापन और एनजीएफ मोटाई को एएफएम (आयाम आइकन एसपीएम, ब्रूकर) का उपयोग करके मापा गया था। TEM और SAED माप को एक FEI टाइटन 80-300 क्यूबेड माइक्रोस्कोप का उपयोग करके किया गया था, जो एक उच्च चमक क्षेत्र उत्सर्जन बंदूक (300 kV), एक FEI वीन प्रकार मोनोक्रोमेटर और एक सीईओ लेंस गोलाकार विपत्तिकरण सुधारक से लैस अंतिम परिणाम प्राप्त करने के लिए किया गया था। स्थानिक संकल्प 0.09 एनएम। एनजीएफ नमूनों को फ्लैट टीईएम इमेजिंग और एसएईडी संरचना विश्लेषण के लिए कार्बन लेसी लेपित कॉपर ग्रिड में स्थानांतरित किया गया था। इस प्रकार, अधिकांश नमूना Flocs सहायक झिल्ली के छिद्रों में निलंबित हैं। स्थानांतरित एनजीएफ नमूनों का विश्लेषण एक्सआरडी द्वारा किया गया था। एक्स-रे विवर्तन पैटर्न एक पाउडर डिफ्रेक्टोमीटर (ब्रुकर, डी 2 चरण शिफ्टर के साथ Cu Kα स्रोत, 1.5418 Å और Lynxeye डिटेक्टर) का उपयोग करके 3 मिमी के बीम स्पॉट व्यास के साथ Cu विकिरण स्रोत का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे।
कई रमन बिंदु माप एक एकीकृत कन्फोकल माइक्रोस्कोप (अल्फा 300 आरए, विटेक) का उपयोग करके दर्ज किए गए थे। कम उत्तेजना शक्ति (25%) के साथ 532 एनएम लेजर का उपयोग थर्मल रूप से प्रेरित प्रभावों से बचने के लिए किया गया था। एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) को क्रमशः 160 ईवी और 20 ईवीएस के ट्रांसमिशन एनर्जियों में मोनोक्रोमैटिक अल केα विकिरण (एचν = 1486.6 ईवी) का उपयोग करके 300 × 700 μM2 के एक नमूना क्षेत्र पर एक क्रेटोस एक्सिस अल्ट्रा स्पेक्ट्रोमीटर पर किया गया था। SiO2 पर स्थानांतरित किए गए NGF नमूनों को एक PLS6MW (1.06 माइक्रोन) ytterbium फाइबर लेजर 30 डब्ल्यू कॉपर वायर संपर्कों (50 माइक्रोन मोटी) पर एक PLS6MW (1.06 माइक्रोन) ytterbium फाइबर लेजर का उपयोग करके काट दिया गया था। विद्युत परिवहन और हॉल प्रभाव प्रयोगों को इन नमूनों पर 300 K पर किया गया था और एक भौतिक गुण माप प्रणाली (PPMS एवरकूल-II, क्वांटम डिजाइन, यूएसए) में ± 9 टेस्ला का एक चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता थी। संचरित यूवी -विज़ स्पेक्ट्रा को 350-800 एनएम एनजीएफ रेंज में क्वार्ट्ज सब्सट्रेट और क्वार्ट्ज संदर्भ नमूनों में स्थानांतरित किए गए 350-800 एनएम एनजीएफ रेंज में एक लैम्ब्डा 950 यूवी -विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके दर्ज किया गया था।
रासायनिक प्रतिरोध सेंसर (इंटरडिगिटेड इलेक्ट्रोड चिप) को एक कस्टम प्रिंटेड सर्किट बोर्ड 73 में वायर्ड किया गया था और प्रतिरोध को क्षणिक रूप से निकाला गया था। मुद्रित सर्किट बोर्ड जिस पर डिवाइस स्थित है, संपर्क टर्मिनलों से जुड़ा हुआ है और गैस सेंसिंग चैम्बर 74 के अंदर रखा गया है। प्रतिरोध माप 1 V के वोल्टेज पर एक निरंतर स्कैन के साथ पर्ज से गैस एक्सपोज़र तक और फिर फिर से शुद्ध किया गया था। चैम्बर को शुरू में नाइट्रोजन के साथ 200 सेमी 3 पर 1 घंटे के लिए शुद्ध करके साफ किया गया था, ताकि नमी सहित चैम्बर में मौजूद अन्य सभी विश्लेषणों को हटाने के लिए सुनिश्चित किया जा सके। व्यक्तिगत विश्लेषण तब धीरे -धीरे N2 सिलेंडर को बंद करके 200 सेमी 3 के समान प्रवाह दर पर चैम्बर में जारी किए गए थे।
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इनगाकी, एम। और कांग, एफ। कार्बन सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग: फंडामेंटल। दूसरा संस्करण संपादित। 2014। 542।
पियर्सन, कार्बन, ग्रेफाइट, डायमंड और फुलरीन की हो हैंडबुक: गुण, प्रसंस्करण और अनुप्रयोग। पहले संस्करण को संपादित किया गया है। 1994, न्यू जर्सी।
त्साई, डब्ल्यू। एट अल। बड़े क्षेत्र बहुपरत ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों को पारदर्शी पतले प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड के रूप में। आवेदन पत्र। भौतिक विज्ञान। राइट। 95 (12), 123115 (2009)।
ग्राफीन और नैनोस्ट्रक्चर कार्बन सामग्री के बालंडिन एए थर्मल गुण। नट। मैट। 10 (8), 569-581 (2011)।
चेंग के, ब्राउन पीडब्लू और काहिल डीजी कम तापमान वाले रासायनिक वाष्प बयान द्वारा नी (111) पर उगाई जाने वाली ग्रेफाइट फिल्मों की थर्मल चालकता। क्रिया विशेषण। मैट। इंटरफ़ेस 3, 16 (2016)।
Hesjedal, टी। रासायनिक वाष्प बयान द्वारा ग्राफीन फिल्मों की निरंतर वृद्धि। आवेदन पत्र। भौतिक विज्ञान। राइट। 98 (13), 133106 (2011)।