Ni पर पारभासी ग्रेफाइट फिल्म का विकास और उसका दो-तरफ़ा बहुलक-मुक्त स्थानांतरण

Nature.com पर आने के लिए धन्यवाद। आप जिस ब्राउज़र का इस्तेमाल कर रहे हैं, उसमें CSS सपोर्ट सीमित है। सर्वोत्तम परिणामों के लिए, हम अनुशंसा करते हैं कि आप अपने ब्राउज़र का नया संस्करण इस्तेमाल करें (या इंटरनेट एक्सप्लोरर में कम्पैटिबिलिटी मोड को अक्षम करें)। इस बीच, निरंतर सपोर्ट सुनिश्चित करने के लिए, हम साइट को स्टाइलिंग या जावास्क्रिप्ट के बिना प्रदर्शित कर रहे हैं।
नैनोस्केल ग्रेफाइट फिल्में (एनजीएफ) मजबूत नैनोमटेरियल हैं जिन्हें उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा उत्पादित किया जा सकता है, लेकिन उनके स्थानांतरण की आसानी और सतह की आकारिकी अगली पीढ़ी के उपकरणों में उनके उपयोग को कैसे प्रभावित करती है, इस बारे में प्रश्न बने हुए हैं। यहां हम एक पॉलीक्रिस्टलाइन निकल पन्नी (क्षेत्रफल 55 सेमी2, मोटाई लगभग 100 एनएम) के दोनों तरफ एनजीएफ की वृद्धि और इसके बहुलक-मुक्त स्थानांतरण (आगे और पीछे, 6 सेमी2 तक का क्षेत्र) की रिपोर्ट करते हैं। उत्प्रेरक पन्नी की आकारिकी के कारण, दो कार्बन फिल्में उनके भौतिक गुणों और अन्य विशेषताओं (जैसे सतह खुरदरापन) में भिन्न होती हैं। हम प्रदर्शित करते हैं कि एक खुरदरे पिछले हिस्से वाले एनजीएफ NO2 का पता लगाने के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं कुल मिलाकर, वर्णित वृद्धि और परिवहन प्रक्रियाएं तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए वैकल्पिक कार्बन सामग्री के रूप में एनजीएफ को साकार करने में मदद कर सकती हैं, जहां ग्राफीन और माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्में उपयुक्त नहीं हैं।
ग्रेफाइट एक व्यापक रूप से प्रयुक्त औद्योगिक पदार्थ है। उल्लेखनीय है कि ग्रेफाइट में अपेक्षाकृत कम द्रव्यमान घनत्व और उच्च समतलीय तापीय एवं विद्युत चालकता के गुण होते हैं, और यह कठोर तापीय एवं रासायनिक वातावरणों में अत्यधिक स्थिर होता है1,2। फ्लेक ग्रेफाइट, ग्राफीन अनुसंधान के लिए एक प्रसिद्ध प्रारंभिक पदार्थ है3। पतली फिल्मों में संसाधित होने पर, इसका उपयोग कई प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जा सकता है, जिनमें स्मार्टफोन4,5,6,7 जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए हीट सिंक, सेंसर8,9,10 में सक्रिय पदार्थ के रूप में और विद्युत चुम्बकीय व्यतिकरण से सुरक्षा11,12 और अत्यधिक पराबैंगनी विकिरण में लिथोग्राफी के लिए फिल्में13,14, सौर कोशिकाओं15,16 में संवाहक चैनल शामिल हैं। इन सभी अनुप्रयोगों के लिए, यह एक महत्वपूर्ण लाभ होगा यदि नैनोस्केल <100 नैनोमीटर में नियंत्रित मोटाई वाले ग्रेफाइट फिल्मों (एनजीएफ) के बड़े क्षेत्रों का आसानी से उत्पादन और परिवहन किया जा सके।
ग्रेफाइट फिल्में विभिन्न विधियों द्वारा निर्मित की जाती हैं। एक मामले में, ग्राफीन फ्लेक्स10,11,17 बनाने के लिए एम्बेडिंग और विस्तार के बाद एक्सफोलिएशन का उपयोग किया गया था। फ्लेक्स को आवश्यक मोटाई की फिल्मों में आगे संसाधित किया जाना चाहिए, और सघन ग्रेफाइट शीट बनाने में अक्सर कई दिन लग जाते हैं। एक अन्य तरीका ग्राफिटेबल ठोस पूर्ववर्तियों से शुरुआत करना है। उद्योग में, पॉलिमर की शीटों को कार्बनीकृत (1000-1500 °C पर) और फिर ग्रेफाइटीकृत (2800-3200 °C पर) किया जाता है ताकि सुसंरचित स्तरित पदार्थ प्राप्त हो सकें। यद्यपि इन फिल्मों की गुणवत्ता उच्च होती है, ऊर्जा की खपत काफी अधिक होती है1,18,19 और न्यूनतम मोटाई कुछ माइक्रोन1,18,19,20 तक सीमित होती है।
उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी) उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता और उचित लागत21,22,23,24,25,26,27 के साथ ग्राफीन और अति-पतली ग्रेफाइट फिल्मों (<10 एनएम) के उत्पादन के लिए एक प्रसिद्ध विधि है। हालाँकि, ग्राफीन और अति-पतली ग्रेफाइट फिल्मों28 के विकास की तुलना में, सीवीडी का उपयोग करके एनजीएफ के बड़े क्षेत्र में विकास और/या अनुप्रयोग का और भी कम अन्वेषण किया गया है11,13,29,30,31,32,33।
CVD-उगाई गई ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों को अक्सर कार्यात्मक सब्सट्रेट्स34 पर स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। इन पतली फिल्म स्थानांतरणों में दो मुख्य विधियाँ35 शामिल हैं: (1) गैर-एच स्थानांतरण36,37 और (2) एच-आधारित गीला रासायनिक स्थानांतरण (सब्सट्रेट समर्थित)14,34,38। प्रत्येक विधि के कुछ फायदे और नुकसान हैं और इन्हें इच्छित अनुप्रयोग के आधार पर चुना जाना चाहिए, जैसा कि अन्यत्र35,39 वर्णित है। उत्प्रेरक सब्सट्रेट्स पर उगाई गई ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों के लिए, गीली रासायनिक प्रक्रियाओं (जिनमें से पॉलीमेथिल मेथैक्रिलेट (PMMA) सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली सपोर्ट परत है) के माध्यम से स्थानांतरण पहली पसंद बनी हुई है13,30,34,38,40,41,42। आप एट अल। यह उल्लेख किया गया था कि NGF स्थानांतरण (नमूना आकार लगभग 4 cm2)25,43 के लिए किसी पॉलिमर का उपयोग नहीं किया गया था, लेकिन स्थानांतरण के दौरान नमूना स्थिरता और/या हैंडलिंग के बारे में कोई विवरण नहीं दिया गया था; पॉलिमर का उपयोग करने वाली आर्द्र रसायन प्रक्रियाओं में कई चरण होते हैं, जिनमें एक बलि बहुलक परत का अनुप्रयोग और उसके बाद निष्कासन30,38,40,41,42 शामिल है। इस प्रक्रिया के नुकसान हैं: उदाहरण के लिए, बहुलक अवशेष विकसित फिल्म38 के गुणों को बदल सकते हैं। अतिरिक्त प्रसंस्करण से अवशिष्ट बहुलक को हटाया जा सकता है, लेकिन ये अतिरिक्त चरण फिल्म निर्माण की लागत और समय38,40 को बढ़ा देते हैं। सीवीडी वृद्धि के दौरान, ग्राफीन की एक परत न केवल उत्प्रेरक पन्नी के सामने की ओर (भाप प्रवाह की ओर वाला भाग) पर, बल्कि उसके पीछे की ओर भी जमा हो जाती है। हालाँकि, बाद वाले को एक अपशिष्ट उत्पाद माना जाता है और इसे नरम प्लाज्मा38,41 द्वारा जल्दी से हटाया जा सकता है। इस फिल्म का पुनर्चक्रण अधिकतम उपज प्राप्त करने में मदद कर सकता है, भले ही इसकी गुणवत्ता फेस कार्बन फिल्म से कम हो।
यहाँ, हम CVD द्वारा पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फ़ॉइल पर उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता के साथ NGF के वेफर-स्केल द्विमुखी विकास की तैयारी की रिपोर्ट प्रस्तुत करते हैं। यह मूल्यांकन किया गया कि फ़ॉइल की आगे और पीछे की सतह का खुरदरापन NGF की आकृति विज्ञान और संरचना को कैसे प्रभावित करता है। हम निकल फ़ॉइल के दोनों ओर से बहुक्रियाशील सबस्ट्रेट्स पर NGF के लागत-प्रभावी और पर्यावरण-अनुकूल बहुलक-मुक्त स्थानांतरण का भी प्रदर्शन करते हैं और बताते हैं कि आगे और पीछे की फ़िल्में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए कैसे उपयुक्त हैं।
निम्नलिखित अनुभागों में, स्टैक्ड ग्रेफीन परतों की संख्या के आधार पर विभिन्न ग्रेफाइट फिल्म मोटाई पर चर्चा की गई है: (i) एकल परत ग्रेफीन (SLG, 1 परत), (ii) कुछ परत ग्रेफीन (FLG, < 10 परतें), (iii) बहुपरत ग्रेफीन (MLG, 10-30 परतें) और (iv) NGF (~300 परतें)। उत्तरार्द्ध सबसे आम मोटाई है जिसे क्षेत्रफल के प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है (लगभग 97% क्षेत्रफल प्रति 100 µm2)30। इसीलिए पूरी फिल्म को केवल NGF कहा जाता है।
ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों के संश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले पॉलीक्रिस्टलाइन निकल पन्नी में उनके निर्माण और बाद के प्रसंस्करण के परिणामस्वरूप अलग-अलग बनावट होती है। हमने हाल ही में NGF30 की वृद्धि प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए एक अध्ययन की सूचना दी। हम दिखाते हैं कि वृद्धि चरण के दौरान तापानुशीतन समय और कक्ष दबाव जैसे प्रक्रिया पैरामीटर एक समान मोटाई के NGF प्राप्त करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यहां, हमने निकल पन्नी के पॉलिश किए गए सामने (FS) और बिना पॉलिश किए गए पीछे (BS) सतहों पर NGF की वृद्धि की आगे जांच की (चित्र 1a)। तीन प्रकार के नमूने FS और BS की जांच की गई, जो तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं। दृश्य निरीक्षण पर, निकल पन्नी (NiAG) के दोनों तरफ NGF की एक समान वृद्धि चित्र 1b में FS-NGF का एक विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रम, जो चमकीले क्षेत्र में देखा गया है और लाल, नीले और नारंगी तीरों द्वारा दर्शाया गया है, चित्र 1c में दिखाया गया है। ग्रेफाइट G (1683 cm−1) और 2D (2696 cm−1) के विशिष्ट रमन शिखर अत्यधिक क्रिस्टलीय NGF की वृद्धि की पुष्टि करते हैं (चित्र 1c, तालिका SI1)। पूरी फिल्म में, तीव्रता अनुपात (I2D/IG) ~0.3 वाले रमन स्पेक्ट्रमों की प्रधानता देखी गई, जबकि I2D/IG = 0.8 वाले रमन स्पेक्ट्रम विरले ही देखे गए। पूरी फिल्म में दोषपूर्ण शिखरों (D = 1350 cm-1) का अभाव NGF वृद्धि की उच्च गुणवत्ता को दर्शाता है। BS-NGF नमूने पर भी इसी तरह के रमन परिणाम प्राप्त हुए (चित्र SI1 a और b, तालिका SI1)।
NiAG FS- और BS-NGF की तुलना: (a) एक विशिष्ट NGF (NiAG) नमूने का फोटोग्राफ जिसमें वेफर पैमाने (55 cm2) पर NGF की वृद्धि दिखाई गई है और परिणामस्वरूप BS- और FS-Ni फ़ॉइल नमूने, (b) एक प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शी द्वारा प्राप्त FS-NGF चित्र/Ni, (c) पैनल b में विभिन्न स्थितियों पर रिकॉर्ड किए गए विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रा, (d, f) FS-NGF/Ni पर विभिन्न आवर्धन पर SEM चित्र, (e, g) विभिन्न आवर्धन पर SEM चित्र BS-NGF/Ni सेट। 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 फ़ोल्ड को इंगित करता है।
चूँकि वृद्धि प्रारंभिक सब्सट्रेट की मोटाई, क्रिस्टल के आकार, अभिविन्यास और कण सीमाओं पर निर्भर करती है, इसलिए बड़े क्षेत्रों में एनजीएफ मोटाई पर उचित नियंत्रण प्राप्त करना एक चुनौती बनी हुई है20,34,44। इस अध्ययन में हमारे द्वारा पहले प्रकाशित सामग्री का उपयोग किया गया था30। यह प्रक्रिया प्रति 100 µm230 पर 0.1 से 3% का एक उज्ज्वल क्षेत्र उत्पन्न करती है। निम्नलिखित अनुभागों में, हम दोनों प्रकार के क्षेत्रों के परिणाम प्रस्तुत करते हैं। उच्च आवर्धन SEM छवियाँ दोनों तरफ कई उज्ज्वल कंट्रास्ट क्षेत्रों की उपस्थिति दर्शाती हैं (चित्र 1f,g), जो FLG और MLG क्षेत्रों30,45 की उपस्थिति का संकेत देती हैं। इसकी पुष्टि रमन प्रकीर्णन (चित्र 1c) और TEM परिणामों (जिनकी चर्चा बाद में "FS-NGF: संरचना और गुण" अनुभाग में की गई है) द्वारा भी की गई। FS- और BS-NGF/Ni नमूनों (Ni पर उगाए गए आगे और पीछे के NGF) पर देखे गए FLG और MLG क्षेत्र संभवतः पूर्व-एनेलिंग22,30,45 के दौरान बने बड़े Ni(111) कणों पर विकसित हुए हैं। दोनों तरफ़ तह देखी गई (चित्र 1b, बैंगनी तीरों से चिह्नित)। ये तहें अक्सर CVD-उगाए गए ग्रेफीन और ग्रेफाइट फिल्मों में पाई जाती हैं, क्योंकि ग्रेफाइट और निकल सब्सट्रेट के बीच तापीय प्रसार गुणांक में बड़ा अंतर होता है30,38।
एएफएम छवि ने पुष्टि की कि एफएस-एनजीएफ नमूना बीएस-एनजीएफ नमूने (चित्र एसआई1) (चित्र एसआई2) की तुलना में अधिक सपाट था। एफएस-एनजीएफ/एनआई (चित्र एसआई2सी) और बीएस-एनजीएफ/एनआई (चित्र एसआई2डी) के मूल माध्य वर्ग (आरएमएस) खुरदरापन मान क्रमशः 82 और 200 एनएम हैं (20 × 20 माइक्रोन2 के क्षेत्र में मापा गया)। उच्च खुरदरापन को प्राप्त अवस्था (चित्र एसआई3) में निकल (एनआईएआर) पन्नी के सतह विश्लेषण के आधार पर समझा जा सकता है। एफएस और बीएस-एनआईएआर की एसईएम छवियां चित्र एसआई3ए-डी में दिखाई गई हैं, जो विभिन्न सतह आकारिकी को प्रदर्शित करती हैं: पॉलिश की गई एफएस-एनआई पन्नी में नैनो और माइक्रोन आकार के गोलाकार कण होते हैं चित्र SI3e-h में तापानुशीतित निकल फ़ॉइल (NiA) के निम्न और उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले चित्र दिखाए गए हैं। इन चित्रों में, हम निकल फ़ॉइल के दोनों ओर कई माइक्रोन आकार के निकल कणों की उपस्थिति देख सकते हैं (चित्र SI3e-h)। बड़े कणों का पृष्ठ अभिविन्यास Ni(111) हो सकता है, जैसा कि पहले बताया गया है30,46। FS-NiA और BS-NiA के बीच निकल फ़ॉइल की आकृति विज्ञान में महत्वपूर्ण अंतर हैं। BS-NGF/Ni का उच्च खुरदरापन BS-NiAR की अपरिष्कृत सतह के कारण है, जिसकी सतह तापानुशीतित होने के बाद भी काफी खुरदरी रहती है (चित्र SI3)। वृद्धि प्रक्रिया से पहले इस प्रकार के सतह लक्षण-निर्धारण से ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों की खुरदरापन को नियंत्रित किया जा सकता है। यह ध्यान देने योग्य है कि मूल सब्सट्रेट में ग्राफीन वृद्धि के दौरान कुछ कण पुनर्गठन हुआ, जिससे कण का आकार थोड़ा कम हो गया और तापानुशीतित फ़ॉइल और उत्प्रेरक फिल्म की तुलना में सब्सट्रेट की सतह खुरदरापन कुछ हद तक बढ़ गया22।
सब्सट्रेट की सतह की खुरदरापन, तापानुशीतन समय (अनाज का आकार)30,47 और विमोचन नियंत्रण43 को सूक्ष्म रूप से समायोजित करने से क्षेत्रीय NGF मोटाई की एकरूपता को µm2 और/या nm2 पैमाने तक कम करने में मदद मिलेगी (अर्थात, मोटाई में कुछ नैनोमीटर का अंतर)। सब्सट्रेट की सतह की खुरदरापन को नियंत्रित करने के लिए, परिणामी निकल फ़ॉइल की विद्युत अपघटनी पॉलिशिंग जैसी विधियों पर विचार किया जा सकता है48। पूर्व-उपचारित निकल फ़ॉइल को फिर कम तापमान (< 900 °C) 46 और समय (< 5 मिनट) पर तापानुशीतन किया जा सकता है ताकि बड़े Ni(111) कणों के निर्माण से बचा जा सके (जो FLG वृद्धि के लिए लाभदायक है)।
एसएलजी और एफएलजी ग्राफीन एसिड और पानी के सतही तनाव को झेलने में असमर्थ है, इसलिए गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं के दौरान यांत्रिक समर्थन परतों की आवश्यकता होती है22,34,38। पॉलिमर समर्थित एकल-परत ग्राफीन के गीले रासायनिक स्थानांतरण के विपरीत38, हमने पाया कि विकसित एनजीएफ के दोनों किनारों को पॉलिमर समर्थन के बिना स्थानांतरित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है (अधिक जानकारी के लिए चित्र SI4a देखें)। किसी दिए गए सब्सट्रेट में एनजीएफ का स्थानांतरण अंतर्निहित Ni30.49 फिल्म की गीली नक्काशी के साथ शुरू होता है। विकसित एनजीएफ/Ni/NGF नमूनों को 600 एमएल विआयनीकृत (DI) पानी से पतला 70% HNO3 के 15 एमएल में रात भर रखा गया था फिर पृथक किए गए एनजीएफ को ताज़ा विआयनीकृत जल वाले एक बीकर से दूसरे बीकर में स्थानांतरित किया गया और पृथक किए गए एनजीएफ को अच्छी तरह से धोया गया, और अवतल काँच के बर्तन में चार से छह बार दोहराया गया। अंत में, एफएस-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ को वांछित सब्सट्रेट पर रखा गया (चित्र 2c)।
निकल पन्नी पर उगाए गए एनजीएफ के लिए पॉलिमर-मुक्त गीला रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रिया: (ए) प्रक्रिया प्रवाह आरेख (अधिक जानकारी के लिए चित्र एसआई4 देखें), (बी) नी एचिंग (2 नमूने) के बाद अलग एनजीएफ की डिजिटल तस्वीर, (सी) उदाहरण एफएस - और बीएस-एनजीएफ को SiO2 / Si सब्सट्रेट में स्थानांतरित करना, (डी) एफएस-एनजीएफ अपारदर्शी बहुलक सब्सट्रेट में स्थानांतरित करना, (ई) पैनल डी (दो भागों में विभाजित) के समान नमूने से बीएस-एनजीएफ, सोने की परत वाले सी पेपर और नैफिऑन (लचीला पारदर्शी सब्सट्रेट, लाल कोनों के साथ चिह्नित किनारों) में स्थानांतरित किया गया।
ध्यान दें कि गीले रासायनिक स्थानांतरण विधियों का उपयोग करके किए गए एसएलजी स्थानांतरण के लिए कुल प्रसंस्करण समय 20-24 घंटे 38 की आवश्यकता होती है। यहां प्रदर्शित बहुलक-मुक्त स्थानांतरण तकनीक (चित्र SI4a) के साथ, समग्र एनजीएफ स्थानांतरण प्रसंस्करण समय काफी कम हो जाता है (लगभग 15 घंटे)। इस प्रक्रिया में शामिल हैं: (चरण 1) एक नक़्क़ाशी समाधान तैयार करें और इसमें नमूना रखें (~ 10 मिनट), फिर Ni नक़्क़ाशी (~ 7200 मिनट) के लिए रात भर प्रतीक्षा करें, (चरण 2) विआयनीकृत पानी से कुल्ला (चरण - 3)। विआयनीकृत पानी में स्टोर करें या लक्षित सब्सट्रेट (20 मिनट) में स्थानांतरित करें। एनजीएफ और बल्क मैट्रिक्स के बीच फंसे पानी को केशिका क्रिया (ब्लॉटिंग पेपर का उपयोग करके) 38 द्वारा हटा दिया जाता है 50-90 डिग्री सेल्सियस पर वैक्यूम ओवन (10-1 mbar) में मिनट (60 मिनट) 38.
ग्रेफाइट काफी उच्च तापमान (≥ 200 °C)50,51,52 पर पानी और हवा की उपस्थिति को सहन करने के लिए जाना जाता है। हमने कुछ दिनों से लेकर एक वर्ष तक के लिए कमरे के तापमान पर और सीलबंद बोतलों में विआयनीकृत पानी में भंडारण के बाद रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, SEM और XRD का उपयोग करके नमूनों का परीक्षण किया (चित्र SI4)। कोई ध्यान देने योग्य गिरावट नहीं है। चित्र 2c विआयनीकृत पानी में स्वतंत्र रूप से खड़े FS-NGF और BS-NGF को दर्शाता है। हमने उन्हें SiO2 (300 nm)/Si सब्सट्रेट पर कैप्चर किया, जैसा कि चित्र 2c की शुरुआत में दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, जैसा कि चित्र 2d,e में दिखाया गया है, निरंतर NGF को विभिन्न सब्सट्रेट जैसे पॉलिमर (नेक्सोल्व और नेफियोन से थर्माब्राइट पॉलियामाइड) और सोने से लेपित कार्बन पेपर में स्थानांतरित किया जा सकता हालांकि, 3 सेमी2 से बड़े बीएस-एनजीएफ नमूनों को पानी में पूरी तरह से डुबोने पर संभालना मुश्किल था। आमतौर पर, जब वे पानी में लुढ़कना शुरू करते हैं, तो लापरवाही से संभालने के कारण वे कभी-कभी दो या तीन भागों में टूट जाते हैं (चित्र 2e)। कुल मिलाकर, हम क्रमशः 6 और 3 सेमी2 क्षेत्र तक के नमूनों के लिए PS- और BS-NGF (6 सेमी2 पर NGF/Ni/NGF वृद्धि के बिना निरंतर निर्बाध स्थानांतरण) का बहुलक-मुक्त स्थानांतरण प्राप्त करने में सक्षम थे। किसी भी शेष बड़े या छोटे टुकड़े को वांछित सब्सट्रेट (~1 मिमी2, चित्र SI4b, "FS-NGF: संरचना और गुण (चर्चा की गई) "संरचना और गुण" के अंतर्गत) के रूप में तांबे के ग्रिड में स्थानांतरित नमूने को देखें) पर (एचिंग समाधान या विआयनीकृत पानी में आसानी से देखा जा सकता है) या भविष्य में उपयोग के लिए संग्रहीत किया जा सकता है (चित्र SI4)।
बहुलक के बिना स्थानांतरित नमूनों का विस्तार से विश्लेषण किया गया। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (ओएम) और एसईएम छवियों (चित्र एसआई5 और चित्र 3) का उपयोग करके एफएस- और बीएस-एनजीएफ/SiO2/Si (चित्र 2सी) पर प्राप्त सतह रूपात्मक विशेषताओं से पता चला कि ये नमूने माइक्रोस्कोपी के बिना स्थानांतरित किए गए थे। दरारें, छेद या बिना मुड़े हुए क्षेत्रों जैसे दृश्यमान संरचनात्मक क्षति। बढ़ते एनजीएफ (चित्र 3बी, डी, बैंगनी तीरों द्वारा चिह्नित) पर तह स्थानांतरण के बाद भी बरकरार रहीं। एफएस- और बीएस-एनजीएफ दोनों एफएलजी क्षेत्रों (चित्र 3 में नीले तीरों द्वारा दर्शाए गए चमकीले क्षेत्र) से बने हैं। आश्चर्यजनक रूप से, अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों के बहुलक स्थानांतरण के दौरान आमतौर पर देखे जाने वाले कुछ क्षतिग्रस्त क्षेत्रों के विपरीत, एनजीएफ से जुड़ने वाले कई माइक्रोन आकार के एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र (चित्र 3डी में नीले तीरों द्वारा चिह्नित) लेस-कार्बन कॉपर ग्रिड पर स्थानांतरित एनजीएफ की टीईएम और एसईएम छवियों का उपयोग करके यांत्रिक अखंडता की पुष्टि की गई, जैसा कि बाद में चर्चा की गई है (“एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण”)। स्थानांतरित बीएस-एनजीएफ/SiO2/Si एफएस-एनजीएफ/SiO2/Si से अधिक खुरदरा है, जिसका आरएमएस मान क्रमशः 140 एनएम और 17 एनएम है, जैसा कि चित्र एसआई6ए और बी (20 × 20 माइक्रोन2) में दिखाया गया है। SiO2/Si सब्सट्रेट पर स्थानांतरित एनजीएफ का आरएमएस मान (आरएमएस < 2 एनएम) Ni पर उगाए गए एनजीएफ की तुलना में काफी कम (लगभग 3 गुना) है (चित्र एसआई2), यह दर्शाता है कि अतिरिक्त खुरदरापन Ni सतह के अनुरूप हो सकता है। बीएस-एनजीएफ की कम मोटाई का कारण संभवतः यह है कि सतह पूर्ववर्ती गैस के सीधे संपर्क में नहीं आती।
SiO2/Si वेफर पर पॉलिमर के बिना स्थानांतरित NGF (NiAG) (चित्र 2c देखें): (a,b) स्थानांतरित FS-NGF की SEM छवियां: कम और उच्च आवर्धन (पैनल में नारंगी वर्ग के अनुरूप)। विशिष्ट क्षेत्र) - a)। (c,d) स्थानांतरित BS-NGF की SEM छवियां: कम और उच्च आवर्धन (पैनल c में नारंगी वर्ग द्वारा दिखाए गए विशिष्ट क्षेत्र के अनुरूप)। (e,f) स्थानांतरित FS- और BS-NGFs की AFM छवियां। नीला तीर FLG क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है - उज्ज्वल कंट्रास्ट, सियान तीर - काला MLG कंट्रास्ट, लाल तीर - काला कंट्रास्ट NGF क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है
विकसित एवं स्थानांतरित FS- और BS-NGFs की रासायनिक संरचना का विश्लेषण एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) द्वारा किया गया (चित्र 4)। मापे गए स्पेक्ट्रा (चित्र 4a, b) में एक क्षीण शिखर देखा गया, जो विकसित FS- और BS-NGFs (NiAG) के Ni सब्सट्रेट (850 eV) के अनुरूप था। स्थानांतरित FS- और BS-NGF/SiO2/Si के मापे गए स्पेक्ट्रा में कोई शिखर नहीं है (चित्र 4c; BS-NGF/SiO2/Si के लिए समान परिणाम नहीं दिखाए गए हैं), जो दर्शाता है कि स्थानांतरण के बाद कोई अवशिष्ट Ni संदूषण नहीं है। चित्र 4d-f, FS-NGF/SiO2/Si के C 1 s, O 1 s और Si 2p ऊर्जा स्तरों के उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा को दर्शाते हैं। ग्रेफाइट के C 1 s की बंधन ऊर्जा 284.4 eV53.54 है। ग्रेफाइट चोटियों का रैखिक आकार आमतौर पर असममित माना जाता है, जैसा कि चित्र 4d54 में दिखाया गया है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले कोर-स्तरीय C 1 s स्पेक्ट्रम (चित्र 4d) ने भी शुद्ध स्थानांतरण (अर्थात, कोई बहुलक अवशेष नहीं) की पुष्टि की, जो पिछले अध्ययनों38 के अनुरूप है। ताज़ा उगाए गए नमूने (NiAG) और स्थानांतरण के बाद C 1 s स्पेक्ट्रा की लाइनविड्थ क्रमशः 0.55 और 0.62 eV हैं। ये मान SLG (SiO2 सब्सट्रेट पर SLG के लिए 0.49 eV)38 से अधिक हैं। हालाँकि, ये मान अत्यधिक उन्मुख पाइरोलाइटिक ग्राफीन नमूनों (~0.75 eV)53,54,55 के लिए पहले बताई गई लाइनविड्थ से छोटे हैं, जो वर्तमान सामग्री में दोषपूर्ण कार्बन साइटों की अनुपस्थिति को दर्शाता है। C 1 s और O 1 s ग्राउंड लेवल स्पेक्ट्रा में भी कंधों का अभाव है, जिससे उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले शिखर विखंडन54 की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। 291.1 eV के आसपास एक π → π* उपग्रह शिखर होता है, जो अक्सर ग्रेफाइट नमूनों में देखा जाता है। Si 2p और O 1 s कोर स्तर स्पेक्ट्रा (चित्र 4e, f देखें) में 103 eV और 532.5 eV सिग्नल क्रमशः SiO2 56 सब्सट्रेट से संबंधित हैं। XPS एक सतह-संवेदी तकनीक है, इसलिए NGF स्थानांतरण से पहले और बाद में क्रमशः Ni और SiO2 से संबंधित सिग्नल, FLG क्षेत्र से उत्पन्न माने जाते हैं। स्थानांतरित BS-NGF नमूनों (दिखाया नहीं गया) के लिए भी इसी तरह के परिणाम देखे गए।
NiAG XPS परिणाम: (ac) क्रमशः विकसित FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni और स्थानांतरित FS-NGF/SiO2/Si की विभिन्न तात्विक परमाणु संरचनाओं के सर्वेक्षण स्पेक्ट्रा। (d-f) FS-NGF/SiO2/Si नमूने के कोर स्तर C 1 s, O 1s और Si 2p के उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा।
स्थानांतरित एनजीएफ क्रिस्टलों की समग्र गुणवत्ता का आकलन एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) का उपयोग करके किया गया। स्थानांतरित एफएस- और बीएस-एनजीएफ/SiO2/Si के विशिष्ट एक्सआरडी पैटर्न (चित्र SI8) 26.6° और 54.7° पर विवर्तन शिखरों (0 0 0 2) और (0 0 0 4) की उपस्थिति दर्शाते हैं, जो ग्रेफाइट के समान हैं। यह एनजीएफ की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करता है और d = 0.335 एनएम की अंतरपरत दूरी के अनुरूप है, जो स्थानांतरण चरण के बाद भी बनी रहती है। विवर्तन शिखर (0 0 0 2) की तीव्रता विवर्तन शिखर (0 0 0 4) की लगभग 30 गुना है, जो दर्शाता है कि एनजीएफ क्रिस्टल तल नमूना सतह के साथ अच्छी तरह से संरेखित है।
एसईएम, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्सपीएस और एक्सआरडी के परिणामों के अनुसार, बीएस-एनजीएफ/एनआई की गुणवत्ता एफएस-एनजीएफ/एनआई के समान पाई गई, हालांकि इसकी आरएमएस खुरदरापन थोड़ी अधिक थी (चित्र एसआई2, एसआई5) और एसआई7)।
200 एनएम मोटी पॉलिमर सपोर्ट परतों वाले एसएलजी पानी पर तैर सकते हैं। यह सेटअप सामान्यतः पॉलिमर-सहायता प्राप्त गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं में उपयोग किया जाता है22,38। ग्राफीन और ग्रेफाइट हाइड्रोफोबिक (गीला कोण 80-90°) 57 हैं। ग्राफीन और एफएलजी दोनों की संभावित ऊर्जा सतहें काफी सपाट बताई गई हैं, सतह पर पानी की पार्श्व गति के लिए कम संभावित ऊर्जा (~1 kJ/mol) के साथ58। हालांकि, ग्राफीन और ग्राफीन की तीन परतों के साथ पानी की गणना की गई अंतःक्रिया ऊर्जाएं क्रमशः लगभग -13 और -15 kJ/mol,58 हैं, जो दर्शाता है कि एनजीएफ (लगभग 300 परतें) के साथ पानी की अंतःक्रिया ग्राफीन की तुलना में कम है जब एनजीएफ को पानी में पूरी तरह डुबोया जाता है (परिणाम खुरदुरे और सपाट एनजीएफ के लिए समान होते हैं), तो इसके किनारे मुड़ जाते हैं (चित्र SI4)। पूरी तरह डूबने की स्थिति में, यह अपेक्षित है कि एनजीएफ-जल अंतःक्रिया ऊर्जा लगभग दोगुनी हो (तैरते एनजीएफ की तुलना में) और एनजीएफ के किनारे उच्च संपर्क कोण (जलभीति) बनाए रखने के लिए मुड़ जाते हैं। हमारा मानना ​​है कि अंतर्निहित एनजीएफ के किनारों को मुड़ने से बचाने के लिए रणनीतियाँ विकसित की जा सकती हैं। एक तरीका यह है कि ग्रेफाइट फिल्म की आर्द्रीकरण अभिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए मिश्रित विलायकों का उपयोग किया जाए59।
गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं के माध्यम से विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट्स में एसएलजी का स्थानांतरण पहले ही रिपोर्ट किया जा चुका है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों और सब्सट्रेट्स (चाहे वे SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si स्तंभ22 और लैसी कार्बन फिल्में30, 34 जैसे कठोर सब्सट्रेट हों या पॉलीमाइड 37 जैसे लचीले सब्सट्रेट हों) के बीच कमजोर वैन डेर वाल्स बल मौजूद होते हैं। यहां हम मानते हैं कि एक ही प्रकार की अंतःक्रियाएं प्रबल होती हैं। हमने यांत्रिक हैंडलिंग (वैक्यूम और/या वायुमंडलीय स्थितियों के तहत लक्षण वर्णन के दौरान या भंडारण के दौरान) के दौरान यहां प्रस्तुत किसी भी सब्सट्रेट के लिए एनजीएफ को कोई नुकसान या छीलने का निरीक्षण नहीं किया (उदाहरण के लिए, चित्र 2, SI7 और SI9)। इसके अतिरिक्त,
पिछले भाग, "FS- और BS-NGF का बहुलक-मुक्त स्थानांतरण" में, हमने प्रदर्शित किया था कि NGF निकल फ़ॉइल के दोनों ओर विकसित और स्थानांतरित हो सकता है। ये FS-NGF और BS-NGF सतही खुरदरापन के मामले में समान नहीं हैं, जिससे हमें प्रत्येक प्रकार के लिए सबसे उपयुक्त अनुप्रयोगों का पता लगाने के लिए प्रेरित किया गया।
FS-NGF की पारदर्शिता और चिकनी सतह को ध्यान में रखते हुए, हमने इसकी स्थानीय संरचना, प्रकाशिक और विद्युत गुणों का अधिक विस्तार से अध्ययन किया। FS-NGF की संरचना और बहुलक स्थानांतरण रहित संरचना का संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) इमेजिंग और चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन (SAED) पैटर्न विश्लेषण द्वारा अभिलक्षणन किया गया। संबंधित परिणाम चित्र 5 में दिखाए गए हैं। कम आवर्धन समतलीय TEM इमेजिंग ने अलग-अलग इलेक्ट्रॉन कंट्रास्ट विशेषताओं वाले NGF और FLG क्षेत्रों की उपस्थिति का पता लगाया, अर्थात क्रमशः गहरे और चमकीले क्षेत्र (चित्र 5a)। कुल मिलाकर, फिल्म NGF और FLG के विभिन्न क्षेत्रों के बीच अच्छी यांत्रिक अखंडता और स्थिरता प्रदर्शित करती है, जिसमें अच्छा ओवरलैप होता है और कोई क्षति या टूटन नहीं होती है, जिसकी पुष्टि SEM (चित्र 3) और उच्च आवर्धन TEM अध्ययनों (चित्र 5c-e) द्वारा भी की गई थी। विशेष रूप से, चित्र 5d में, ब्रिज संरचना को उसके सबसे बड़े भाग (चित्र 5d में काले बिंदु वाले तीर द्वारा चिह्नित स्थान) में दिखाया गया है, जो एक त्रिकोणीय आकार की विशेषता रखता है और लगभग 51 सेमी चौड़ी एक ग्राफीन परत से बना है। 0.33 ± 0.01 एनएम के अंतर-समतलीय अंतराल वाली संरचना को सबसे संकीर्ण क्षेत्र (चित्र 5 डी में ठोस काले तीर के अंत) में ग्राफीन की कई परतों तक कम कर दिया गया है।
कार्बन लेसी कॉपर ग्रिड पर एक बहुलक-मुक्त NiAG नमूने की समतलीय TEM छवि: (a, b) NGF और FLG क्षेत्रों सहित कम आवर्धन TEM छवियाँ, (ce) पैनल-a और पैनल-b में विभिन्न क्षेत्रों की उच्च आवर्धन छवियाँ समान रंग के तीरों से चिह्नित हैं। पैनल a और c में हरे तीर बीम संरेखण के दौरान क्षति के गोलाकार क्षेत्रों को दर्शाते हैं। (f–i) पैनल a से c में, विभिन्न क्षेत्रों में SAED पैटर्न क्रमशः नीले, सियान, नारंगी और लाल वृत्तों द्वारा दर्शाए गए हैं।
चित्र 5c में रिबन संरचना (लाल तीर से चिह्नित) ग्रेफाइट जालक तलों के ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास को दर्शाती है, जो संभवतः अतिरिक्त असम्पीडनित अपरूपण प्रतिबल30,61,62 के कारण फिल्म (चित्र 5c में इनसेट) के साथ नैनोफोल्ड्स के निर्माण के कारण है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन TEM के अंतर्गत, ये नैनोफोल्ड्स 30 शेष NGF क्षेत्र की तुलना में एक भिन्न क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास प्रदर्शित करते हैं; ग्रेफाइट जालक के आधार तल फिल्म के शेष भाग (चित्र 5c में इनसेट) की तरह क्षैतिज रूप से नहीं, बल्कि लगभग ऊर्ध्वाधर रूप से उन्मुख होते हैं। इसी प्रकार, FLG क्षेत्र कभी-कभी रैखिक और संकीर्ण बैंड-जैसे वलनों (नीले तीरों से चिह्नित) को प्रदर्शित करता है, जो क्रमशः चित्र 5b, 5e में कम और मध्यम आवर्धन पर दिखाई देते हैं। चित्र 5e में इनसेट FLG सेक्टर (इंटरप्लेनर दूरी 0.33 ± 0.01 एनएम) में दो- और तीन-परत ग्राफीन परतों की उपस्थिति की पुष्टि करता है, जो हमारे पिछले परिणामों से अच्छी तरह मेल खाता है30। इसके अतिरिक्त, लेसी कार्बन फिल्मों (टॉप-व्यू TEM माप करने के बाद) के साथ तांबे के ग्रिड पर स्थानांतरित पॉलिमर-मुक्त NGF की रिकॉर्ड की गई SEM छवियां चित्र SI9 में दिखाई गई हैं। अच्छी तरह से निलंबित FLG क्षेत्र (नीले तीर से चिह्नित) और चित्र SI9f में टूटा हुआ क्षेत्र। नीला तीर (स्थानांतरित NGF के किनारे पर) जानबूझकर यह दिखाने के लिए प्रस्तुत किया गया है कि FLG क्षेत्र पॉलिमर के बिना स्थानांतरण प्रक्रिया का विरोध कर सकता है। संक्षेप में, ये छवियां पुष्टि करती हैं कि आंशिक रूप से निलंबित NGF (FLG क्षेत्र सहित) TEM और SEM माप (चित्र SI9) के दौरान कठोर हैंडलिंग और उच्च वैक्यूम के संपर्क में आने के बाद भी यांत्रिक अखंडता बनाए रखता
एनजीएफ की उत्कृष्ट समतलता (चित्र 5 ए देखें) के कारण, एसएईडी संरचना का विश्लेषण करने के लिए [0001] डोमेन अक्ष के साथ गुच्छों को उन्मुख करना मुश्किल नहीं है। फिल्म की स्थानीय मोटाई और उसके स्थान के आधार पर, इलेक्ट्रॉन विवर्तन अध्ययन के लिए रुचि के कई क्षेत्रों (12 बिंदु) की पहचान की गई थी। चित्र 5 ए-सी में, इनमें से चार विशिष्ट क्षेत्रों को दिखाया गया है और रंगीन वृत्तों (नीले, सियान, नारंगी और लाल कोडित) से चिह्नित किया गया है। एसएईडी मोड के लिए चित्र 2 और 3। चित्र 5 एफ और जी चित्र 5 और 5 में दिखाए गए एफएलजी क्षेत्र से प्राप्त किए गए थे। जैसा कि क्रमशः चित्र 5 बी और सी में दिखाया गया है। उनके पास मुड़ ग्राफीन63 के समान एक षट्कोणीय संरचना है। इसी तरह, चित्र 5g में 20° से घुमाए गए दो अध्यारोपित षट्कोणीय पैटर्न दिखाए गए हैं। FLG क्षेत्र में षट्कोणीय पैटर्न के दो या तीन समूह एक दूसरे के सापेक्ष घुमाए गए तीन समतल या समतल से बाहर ग्राफीन परतों 33 से उत्पन्न हो सकते हैं। इसके विपरीत, चित्र 5h,i में इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न (चित्र 5a में दिखाए गए NGF क्षेत्र के अनुरूप) अधिक सामग्री मोटाई के अनुरूप, एक उच्च बिंदु विवर्तन तीव्रता के साथ एकल [0001] पैटर्न दिखाते हैं। ये SAED मॉडल FLG की तुलना में एक मोटी ग्रेफाइटिक संरचना और मध्यवर्ती अभिविन्यास के अनुरूप हैं, जैसा कि सूचकांक 64 से अनुमान लगाया गया है। NGF के क्रिस्टलीय गुणों के लक्षण वर्णन से दो या तीन अध्यारोपित ग्रेफाइट (या ग्राफीन) क्रिस्टलीय के सह-अस्तित्व का पता चला। FLG क्षेत्र में Ni 64 फ़िल्मों पर उगाए गए NGF के लिए 17°, 22° और 25° के समतलीय घूर्णन कोणों वाले ग्रेफाइट कणों/परतों की पहले ही रिपोर्ट की जा चुकी है। इस अध्ययन में देखे गए घूर्णन कोण मान, मुड़े हुए BLG63 ग्रेफीन के लिए पहले देखे गए घूर्णन कोणों (±1°) के अनुरूप हैं।
NGF/SiO2/Si के विद्युत गुणों को 10×3 mm2 क्षेत्रफल में 300 K पर मापा गया। इलेक्ट्रॉन वाहक सांद्रता, गतिशीलता और चालकता के मान क्रमशः 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 और 2000 S-cm-1 हैं। हमारे NGF की गतिशीलता और चालकता के मान प्राकृतिक ग्रेफाइट2 के समान हैं और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अत्यधिक उन्मुख पायरोलाइटिक ग्रेफाइट (3000 °C पर उत्पादित)29 से अधिक हैं। उच्च तापमान (3200 °C) पॉलीमाइड शीट 20 का उपयोग करके तैयार की गई माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्मों के लिए देखे गए इलेक्ट्रॉन वाहक सांद्रता मान हाल ही में रिपोर्ट किए गए (7.25 × 10 cm-3) से दो क्रम अधिक हैं।
हमने क्वार्ट्ज़ सबस्ट्रेट्स पर स्थानांतरित FS-NGF पर UV-दृश्य संचरण माप भी किए (चित्र 6)। परिणामी स्पेक्ट्रम 350-800 नैनोमीटर की सीमा में 62% का लगभग स्थिर संचरण दर्शाता है, जो दर्शाता है कि NGF दृश्य प्रकाश के लिए पारभासी है। वास्तव में, "KAUST" नाम चित्र 6b में नमूने की डिजिटल तस्वीर में देखा जा सकता है। हालाँकि NGF की नैनोक्रिस्टलाइन संरचना SLG से भिन्न है, फिर भी परतों की संख्या का अनुमान प्रति अतिरिक्त परत 2.3% संचरण हानि के नियम का उपयोग करके मोटे तौर पर लगाया जा सकता है65। इस संबंध के अनुसार, 38% संचरण हानि वाली ग्राफीन परतों की संख्या 21 है। विकसित NGF में मुख्य रूप से 300 ग्राफीन परतें होती हैं, यानी लगभग 100 नैनोमीटर मोटी (चित्र 1, SI5 और SI7)। इसलिए, हम मानते हैं कि प्रेक्षित प्रकाशिक पारदर्शिता FLG और MLG क्षेत्रों के अनुरूप है, क्योंकि ये पूरी फिल्म में वितरित हैं (चित्र 1, 3, 5 और 6c)। उपरोक्त संरचनात्मक आँकड़ों के अलावा, चालकता और पारदर्शिता भी स्थानांतरित NGF की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करती है।
(क) यूवी-दृश्य संचरण मापन, (ख) प्रतिनिधि नमूने का उपयोग करके क्वार्ट्ज़ पर विशिष्ट एनजीएफ स्थानांतरण। (ग) पूरे नमूने में धूसर यादृच्छिक आकृतियों द्वारा चिह्नित समान रूप से वितरित एफएलजी और एमएलजी क्षेत्रों के साथ एनजीएफ (डार्क बॉक्स) का आरेख (चित्र 1 देखें) (लगभग 0.1-3% क्षेत्रफल प्रति 100 μm2)। आरेख में यादृच्छिक आकृतियाँ और उनके आकार केवल उदाहरण के लिए हैं और वास्तविक क्षेत्रों के अनुरूप नहीं हैं।
सीवीडी द्वारा विकसित पारभासी एनजीएफ को पहले नंगे सिलिकॉन सतहों पर स्थानांतरित किया गया है और सौर कोशिकाओं में उपयोग किया गया है15,16। परिणामी शक्ति रूपांतरण दक्षता (पीसीई) 1.5% है। ये एनजीएफ सक्रिय यौगिक परतों, आवेश परिवहन पथों और पारदर्शी इलेक्ट्रोड जैसे कई कार्य करते हैं15,16। हालाँकि, ग्रेफाइट फिल्म एकसमान नहीं होती है। ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के शीट प्रतिरोध और प्रकाशीय संप्रेषण को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके आगे अनुकूलन आवश्यक है, क्योंकि ये दोनों गुण सौर सेल के पीसीई मान15,16 को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। आमतौर पर, ग्राफीन फिल्में दृश्य प्रकाश के लिए 97.7% पारदर्शी होती हैं, लेकिन इनका शीट प्रतिरोध 200-3000 ओम/वर्ग मीटर होता है16। परतों की संख्या बढ़ाकर (ग्राफीन परतों का एकाधिक स्थानांतरण) और HNO3 (~30 ओम/वर्ग मीटर)66 के साथ अपमिश्रण करके ग्राफीन फिल्मों के सतह प्रतिरोध को कम किया जा सकता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया में लंबा समय लगता है और विभिन्न स्थानांतरण परतें हमेशा अच्छा संपर्क बनाए नहीं रख पाती हैं। हमारे फ्रंट साइड एनजीएफ में चालकता 2000 एस/सेमी, फिल्म शीट प्रतिरोध 50 ओम/वर्ग और 62% पारदर्शिता जैसे गुण हैं, जो इसे सौर कोशिकाओं में प्रवाहकीय चैनलों या काउंटर इलेक्ट्रोड के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनाते हैं15,16।
यद्यपि बीएस-एनजीएफ की संरचना और सतह रसायन विज्ञान एफएस-एनजीएफ के समान है, इसकी खुरदरापन अलग है ("एफएस- और बीएस-एनजीएफ की वृद्धि")। पहले, हमने गैस सेंसर के रूप में अल्ट्रा-पतली फिल्म ग्रेफाइट22 का उपयोग किया था। इसलिए, हमने गैस सेंसिंग कार्यों के लिए बीएस-एनजीएफ का उपयोग करने की व्यवहार्यता का परीक्षण किया (चित्र SI10)। सबसे पहले, बीएस-एनजीएफ के मिमी2 आकार के हिस्सों को इंटरडिजिटेटिंग इलेक्ट्रोड सेंसर चिप (चित्र SI10a-c) पर स्थानांतरित किया गया था। चिप के विनिर्माण विवरण पहले बताए गए थे; इसका सक्रिय संवेदनशील क्षेत्र 9 मिमी267 है। एसईएम छवियों (चित्र SI10b और c) में, अंतर्निहित सोने का इलेक्ट्रोड एनजीएफ के माध्यम से स्पष्ट रूप से दिखाई देता है संभवतः SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) और NH3 (200 ppm) सहित अन्य हस्तक्षेप करने वाली गैसों के साथ। एक संभावित कारण NO2 है। गैस की इलेक्ट्रोफिलिक प्रकृति22,68। ग्राफीन की सतह पर अधिशोषित होने पर, यह प्रणाली द्वारा इलेक्ट्रॉनों के वर्तमान अवशोषण को कम करता है। BS-NGF सेंसर के प्रतिक्रिया समय डेटा की पहले प्रकाशित सेंसरों के साथ तुलना तालिका SI2 में प्रस्तुत की गई है। यूवी प्लाज्मा, O3 प्लाज्मा या थर्मल (50-150°C) उपचार का उपयोग करके NGF सेंसर को पुनः सक्रिय करने की प्रक्रिया उजागर नमूनों पर चल रही है, आदर्श रूप से इसके बाद एम्बेडेड सिस्टम69 का कार्यान्वयन किया जाएगा।
CVD प्रक्रिया के दौरान, उत्प्रेरक सब्सट्रेट के दोनों ओर ग्राफीन की वृद्धि होती है41। हालाँकि, स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान BS-ग्राफीन आमतौर पर बाहर निकल जाता है41। इस अध्ययन में, हम प्रदर्शित करते हैं कि उत्प्रेरक सब्सट्रेट के दोनों ओर उच्च-गुणवत्ता वाली NGF वृद्धि और बहुलक-मुक्त NGF स्थानांतरण प्राप्त किया जा सकता है। BS-NGF, FS-NGF (~100 nm) की तुलना में पतला (~80 nm) होता है, और यह अंतर इस तथ्य से समझाया गया है कि BS-Ni पूर्ववर्ती गैस प्रवाह के सीधे संपर्क में नहीं आता है। हमने यह भी पाया कि NiAR सब्सट्रेट की खुरदरापन NGF की खुरदरापन को प्रभावित करती है। ये परिणाम दर्शाते हैं कि विकसित समतल FS-NGF का उपयोग ग्राफीन के लिए पूर्ववर्ती पदार्थ (एक्सफोलिएशन विधि70 द्वारा) या सौर कोशिकाओं में एक चालक चैनल15,16 के रूप में किया जा सकता है। इसके विपरीत, BS-NGF का उपयोग गैस का पता लगाने (चित्र SI9) और संभवतः ऊर्जा भंडारण प्रणालियों71,72 के लिए किया जाएगा जहाँ इसकी सतह खुरदरापन उपयोगी होगी।
उपरोक्त को ध्यान में रखते हुए, वर्तमान कार्य को CVD और निकल फ़ॉइल का उपयोग करके विकसित की गई पूर्व प्रकाशित ग्रेफाइट फ़िल्मों के साथ संयोजित करना उपयोगी है। जैसा कि तालिका 2 में देखा जा सकता है, हमने जिन उच्च दाबों का उपयोग किया, उनसे अपेक्षाकृत कम तापमानों (850-1300°C की सीमा में) पर भी प्रतिक्रिया समय (विकास चरण) कम हो गया। हमने सामान्य से अधिक वृद्धि भी प्राप्त की, जो विस्तार की संभावना को दर्शाता है। विचार करने योग्य अन्य कारक भी हैं, जिनमें से कुछ को हमने तालिका में शामिल किया है।
दोहरे तरफा उच्च गुणवत्ता वाले एनजीएफ को उत्प्रेरक सीवीडी द्वारा निकल पन्नी पर उगाया गया था। पारंपरिक बहुलक सब्सट्रेट्स (जैसे कि सीवीडी ग्राफीन में उपयोग किए जाते हैं) को हटाकर, हम विभिन्न प्रक्रिया-महत्वपूर्ण सब्सट्रेट्स में एनजीएफ (निकल पन्नी के पीछे और सामने की तरफ उगाए गए) के स्वच्छ और दोषरहित गीले हस्तांतरण को प्राप्त करते हैं। विशेष रूप से, एनजीएफ में एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र (आमतौर पर 100 माइक्रोन 2 में 0.1% से 3%) शामिल हैं जो संरचनात्मक रूप से मोटी फिल्म में अच्छी तरह से एकीकृत हैं। प्लेनर टीईएम दिखाता है कि ये क्षेत्र दो से तीन ग्रेफाइट/ग्राफीन कणों (क्रमशः क्रिस्टल या परतों) के ढेर से बने होते हैं, जिनमें से कुछ में 10-20 डिग्री का घूर्णी बेमेल होता है ये अध्ययन औद्योगिक पैमाने पर CVD प्रक्रियाओं में अपशिष्ट और लागत को कम करने के लिए बहुत उपयोगी हैं।
सामान्यतः, सीवीडी एनजीएफ की औसत मोटाई (निम्न- और बहु-परत) ग्रेफीन और औद्योगिक (माइक्रोमीटर) ग्रेफाइट शीट के बीच होती है। उनके रोचक गुणों की विविधता, और उनके उत्पादन एवं परिवहन के लिए हमारे द्वारा विकसित सरल विधि के संयोजन से, ये फिल्में उन अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं जिनमें ग्रेफाइट की कार्यात्मक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है, और इसके लिए वर्तमान में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा-गहन औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियाओं की आवश्यकता नहीं होती।
एक वाणिज्यिक CVD रिएक्टर (ऐक्सट्रॉन 4-इंच BMPro) में 25-μm मोटी निकल फ़ॉइल (99.5% शुद्धता, गुडफ़ेलो) स्थापित की गई। सिस्टम को आर्गन से शुद्ध किया गया और 10-3 mbar के बेस प्रेशर तक खाली किया गया। फिर निकल फ़ॉइल को Ar/H2 में रखा गया (Ni फ़ॉइल को 5 मिनट तक प्री-एनीलिंग करने के बाद, फ़ॉइल को 900 °C पर 500 mbar के प्रेशर में रखा गया। NGF को CH4/H2 (प्रत्येक 100 cm3) के प्रवाह में 5 मिनट के लिए जमा किया गया। फिर नमूने को 40 °C/मिनट पर Ar प्रवाह (4000 cm3) का उपयोग करके 700 °C से नीचे के तापमान तक ठंडा किया गया। NGF वृद्धि प्रक्रिया के अनुकूलन पर विवरण अन्यत्र वर्णित हैं।
नमूने की सतही आकृति विज्ञान को ज़ीस मर्लिन माइक्रोस्कोप (1 kV, 50 pA) का उपयोग करके SEM द्वारा देखा गया था। नमूने की सतह की खुरदरापन और NGF मोटाई को AFM (आयाम चिह्न SPM, ब्रुकर) का उपयोग करके मापा गया था। अंतिम परिणाम प्राप्त करने के लिए एक उच्च चमक क्षेत्र उत्सर्जन गन (300 kV), एक FEI वियन प्रकार मोनोक्रोमेटर और एक CEOS लेंस गोलाकार विपथन सुधारक से सुसज्जित FEI टाइटन 80-300 क्यूब्ड माइक्रोस्कोप का उपयोग करके TEM और SAED माप किए गए थे। स्थानिक विभेदन 0.09 nm था। फ्लैट TEM इमेजिंग और SAED संरचना विश्लेषण के लिए NGF नमूनों को कार्बन लेसी लेपित कॉपर ग्रिड में स्थानांतरित किया गया था। इस प्रकार, अधिकांश नमूना फ्लोक सहायक झिल्ली के छिद्रों में निलंबित हो जाते हैं। स्थानांतरित NGF नमूनों का XRD द्वारा विश्लेषण किया गया था। एक्स-रे विवर्तन पैटर्न को पाउडर डिफ्रैक्टोमीटर (ब्रकर, डी2 चरण शिफ्टर Cu Kα स्रोत, 1.5418 Å और LYNXEYE डिटेक्टर के साथ) का उपयोग करके प्राप्त किया गया था, जिसमें 3 मिमी के बीम स्पॉट व्यास के साथ Cu विकिरण स्रोत का उपयोग किया गया था।
एक एकीकृत कन्फोकल माइक्रोस्कोप (अल्फा 300 आरए, WITeC) का उपयोग करके कई रमन बिंदु माप दर्ज किए गए। तापीय रूप से प्रेरित प्रभावों से बचने के लिए कम उत्तेजना शक्ति (25%) वाले 532 एनएम लेजर का उपयोग किया गया। 150 वाट की शक्ति पर मोनोक्रोमैटिक Al Kα विकिरण (hν = 1486.6 eV) का उपयोग करके 300 × 700 μm2 के नमूना क्षेत्र पर क्रेटोस एक्सिस अल्ट्रा स्पेक्ट्रोमीटर पर एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) किया गया। रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा क्रमशः 160 eV और 20 eV की संचरण ऊर्जा पर प्राप्त किए गए थे। SiO2 पर स्थानांतरित NGF नमूनों को 30 वाट पर PLS6MW (1.06 μm) यटरबियम फाइबर लेजर का उपयोग करके टुकड़ों (3 × 10 मिमी2 प्रत्येक) में काटा गया था। एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत चांदी के पेस्ट का उपयोग करके तांबे के तार संपर्क (50 μm मोटे) का निर्माण किया गया था। इन नमूनों पर 300 K पर और ± 9 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र परिवर्तन पर एक भौतिक गुण मापन प्रणाली (PPMS EverCool-II, क्वांटम डिज़ाइन, USA) में विद्युत परिवहन और हॉल प्रभाव प्रयोग किए गए। प्रेषित UV-vis स्पेक्ट्रा को लैम्ब्डा 950 UV-vis स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके 350-800 nm NGF रेंज में रिकॉर्ड किया गया, जिसे क्वार्ट्ज़ सबस्ट्रेट्स और क्वार्ट्ज़ संदर्भ नमूनों में स्थानांतरित किया गया।
रासायनिक प्रतिरोध संवेदक (इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड चिप) को एक कस्टम प्रिंटेड सर्किट बोर्ड 73 से जोड़ा गया और प्रतिरोध को अस्थायी रूप से निकाला गया। जिस प्रिंटेड सर्किट बोर्ड पर उपकरण लगा है, उसे संपर्क टर्मिनलों से जोड़कर गैस संवेदन कक्ष 74 के अंदर रखा गया है। प्रतिरोध माप 1 V वोल्टेज पर लिए गए, जिसमें शुद्धिकरण से लेकर गैस एक्सपोज़र और फिर से शुद्धिकरण तक निरंतर स्कैनिंग की गई। कक्ष में मौजूद नमी सहित अन्य सभी विश्लेष्य पदार्थों को हटाने के लिए, कक्ष को शुरू में 200 सेमी3 पर नाइट्रोजन से 1 घंटे तक शुद्ध करके साफ़ किया गया। फिर, नाइट्रोजन सिलेंडर को बंद करके, अलग-अलग विश्लेष्य पदार्थों को धीरे-धीरे 200 सेमी3 की समान प्रवाह दर पर कक्ष में छोड़ा गया।
इस लेख का संशोधित संस्करण प्रकाशित किया गया है और इसे लेख के शीर्ष पर दिए गए लिंक के माध्यम से देखा जा सकता है।
इनागाकी, एम. और कांग, एफ. कार्बन मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग: फंडामेंटल्स। द्वितीय संस्करण संपादित। 2014. 542.
पियर्सन, एच.ओ. हैंडबुक ऑफ कार्बन, ग्रेफाइट, डायमंड एंड फुलरीन: गुण, प्रसंस्करण और अनुप्रयोग। प्रथम संस्करण संपादित किया गया है। 1994, न्यू जर्सी।
त्साई, डब्ल्यू. एट अल. पारदर्शी पतले प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड के रूप में बड़े क्षेत्र की बहुपरत ग्रैफीन/ग्रेफाइट फ़िल्में। अनुप्रयोग। भौतिकी। राइट। 95(12), 123115(2009)।
बालंडिन ए.ए. ग्राफीन और नैनोस्ट्रक्चर्ड कार्बन सामग्रियों के थर्मल गुण। नैट मैट। 10(8), 569–581 (2011)।
चेंग केवाई, ब्राउन पीडब्लू और काहिल डीजी, निम्न-तापमान रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा नी (111) पर उगाई गई ग्रेफाइट फिल्मों की तापीय चालकता। क्रिया विशेषण। मैट। इंटरफ़ेस 3, 16 (2016)।
हेसजेडल, टी. रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा ग्राफीन फिल्मों की निरंतर वृद्धि। अनुप्रयोग। भौतिकी। राइट। 98(13), 133106(2011)।