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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 आकृति विज्ञान अगली पीढ़ी के उपकरणों में उनके उपयोग को कैसे प्रभावित करता 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 (सामने और पीछे, क्षेत्र 6 सेमी2 तक) 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 खुरदरी पीठ वाले एनजीएफ NO2 का पता लगाने के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं, जबकि सामने की तरफ चिकने और अधिक सुचालक एनजीएफ (2000 एस/सेमी, शीट प्रतिरोध - 50 ओम/एम2) व्यवहार्य कंडक्टर हो सकते हैं। सौर सेल का चैनल या इलेक्ट्रोड (क्योंकि यह दृश्य प्रकाश का 62% संचारित करता है)। कुल मिलाकर, वर्णित वृद्धि और परिवहन प्रक्रियाएं एनजीएफ को तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए वैकल्पिक कार्बन सामग्री के रूप में साकार करने में मदद कर सकती हैं जहां ग्रेफीन और माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्में उपयुक्त नहीं हैं।
ग्रेफाइट एक व्यापक रूप से इस्तेमाल 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 यह कठोर थर्मल और रासायनिक वातावरण में बहुत स्थिर होता है1,2। फ्लेक ग्रेफाइट ग्राफीन अनुसंधान3 के लिए एक प्रसिद्ध प्रारंभिक सामग्री है। जब पतली फिल्मों में संसाधित किया जाता है, तो इसका उपयोग कई तरह के अनुप्रयोगों में किया जा सकता है, जिसमें स्मार्टफोन4,5,6,7 जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए हीट सिंक, सेंसर8,9,10 में एक सक्रिय सामग्री के रूप में और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप सुरक्षा11 शामिल हैं। 12 और अत्यधिक पराबैंगनी13,14 में लिथोग्राफी के लिए फिल्में, सौर कोशिकाओं15,16 में संचालन चैनल। इन सभी अनुप्रयोगों के लिए, यह एक महत्वपूर्ण लाभ होगा यदि नैनोस्केल <100 एनएम में नियंत्रित मोटाई वाले ग्रेफाइट फिल्मों (एनजीएफ) के बड़े क्षेत्रों को आसानी से उत्पादित और परिवहन किया जा सके।
ग्रेफाइट फ़िल्में विभिन्न तरीकों से बनाई जाती हैं। एक मामले में, ग्राफीन फ़्लेक्स10,11,17 बनाने के लिए एम्बेडिंग और विस्तार के बाद एक्सफ़ोलिएशन का उपयोग किया गया था। फ़्लेक्स को आवश्यक मोटाई की फ़िल्मों में आगे संसाधित किया जाना चाहिए, और घने ग्रेफाइट शीट बनाने में अक्सर कई दिन लगते हैं। एक अन्य दृष्टिकोण ग्रेफ़िटेबल ठोस अग्रदूतों से शुरू करना है। उद्योग में, पॉलिमर की शीट को कार्बनीकृत किया जाता है (1000-1500 °C पर) और फिर ग्रेफ़िटाइज़ किया जाता है (2800-3200 °C पर) ताकि अच्छी तरह से संरचित स्तरित सामग्री बनाई जा सके। हालाँकि इन फ़िल्मों की गुणवत्ता उच्च है, ऊर्जा की खपत महत्वपूर्ण है1,18,19 और न्यूनतम मोटाई कुछ माइक्रोन1,18,19,20 तक सीमित है।
उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता और उचित लागत21,22,23,24,25,26,27 के साथ ग्राफीन और अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों (<10 एनएम) के उत्पादन के लिए एक प्रसिद्ध विधि है। हालांकि, ग्राफीन और अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों28 के विकास की तुलना में, सीवीडी का उपयोग करके एनजीएफ के बड़े क्षेत्र के विकास और/या अनुप्रयोग का और भी कम पता लगाया गया है11,13,29,30,31,32,33।
CVD-उगाए गए ग्रेफीन और ग्रेफाइट फिल्मों को अक्सर कार्यात्मक सब्सट्रेट पर स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है34। इन पतली फिल्म स्थानांतरणों में दो मुख्य विधियाँ शामिल हैं35: (1) गैर-नक़्क़ाशी स्थानांतरण36,37 और (2) नक़्क़ाशी-आधारित गीला रासायनिक स्थानांतरण (सब्सट्रेट समर्थित)14,34,38। प्रत्येक विधि के कुछ फायदे और नुकसान हैं और उन्हें इच्छित अनुप्रयोग के आधार पर चुना जाना चाहिए, जैसा कि अन्यत्र वर्णित है35,39। उत्प्रेरक सब्सट्रेट पर उगाए गए ग्रेफीन/ग्रेफाइट फिल्मों के लिए, गीले रासायनिक प्रक्रियाओं (जिनमें से पॉलीमेथिल मेथैक्रिलेट (पीएमएमए) सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली समर्थन परत है) के माध्यम से स्थानांतरण पहली पसंद बनी हुई है13,30,34,38,40,41,42। आप और अन्य। यह उल्लेख किया गया था कि एनजीएफ स्थानांतरण (नमूना आकार लगभग 4 सेमी2)25,43 के लिए किसी भी बहुलक 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 गीली रसायन प्रक्रिया में कई चरण शामिल होते हैं, जिसमें एक बलिदान बहुलक परत का अनुप्रयोग और उसके बाद हटाना30,38,40,41,42 शामिल है। इस प्रक्रिया के नुकसान हैं: उदाहरण के लिए, बहुलक अवशेष विकसित फिल्म38 के गुणों को बदल सकते हैं। अतिरिक्त प्रसंस्करण अवशिष्ट बहुलक को हटा सकता है, लेकिन ये अतिरिक्त कदम फिल्म निर्माण की लागत और समय को बढ़ाते हैं38,40। CVD वृद्धि के दौरान, ग्राफीन की एक परत न केवल उत्प्रेरक पन्नी के सामने की तरफ (भाप प्रवाह का सामना करने वाली तरफ) पर जमा होती है, बल्कि इसके पीछे की तरफ भी होती है। हालाँकि, बाद वाले को अपशिष्ट उत्पाद माना जाता है और इसे नरम प्लाज्मा38,41 द्वारा जल्दी से हटाया जा सकता है। इस फिल्म को पुनर्चक्रित करने से उपज को अधिकतम करने में मदद मिल सकती है, भले ही यह फेस कार्बन फिल्म की तुलना में कम गुणवत्ता वाली हो।
यहाँ, हम CVD द्वारा पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फ़ॉइल पर उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता के साथ NGF के वेफ़र-स्केल बाइफ़ेशियल विकास की तैयारी की रिपोर्ट करते हैं। यह मूल्यांकन किया गया कि फ़ॉइल की सामने और पीछे की सतह की खुरदरापन NGF की आकृति विज्ञान और संरचना को कैसे प्रभावित करती है। हम निकल फ़ॉइल के दोनों तरफ़ से NGF के लागत-प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल बहुलक-मुक्त स्थानांतरण को बहुक्रियाशील सब्सट्रेट पर भी प्रदर्शित करते हैं और दिखाते हैं कि सामने और पीछे की फ़िल्में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए कैसे उपयुक्त हैं।
निम्नलिखित अनुभाग स्टैक्ड ग्रेफीन परतों की संख्या के आधार पर विभिन्न ग्रेफाइट फिल्म मोटाई पर चर्चा करते हैं: (i) सिंगल लेयर ग्रेफीन (SLG, 1 लेयर), (ii) कुछ लेयर ग्रेफीन (FLG, < 10 लेयर), (iii) मल्टीलेयर ग्रेफीन (MLG, 10-30 लेयर) और (iv) NGF (~ 300 लेयर)। उत्तरार्द्ध सबसे आम मोटाई है जिसे क्षेत्र के प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है (लगभग 97% क्षेत्र प्रति 100 µm2)30। इसलिए पूरी फिल्म को बस NGF कहा जाता है।
ग्रेफीन और ग्रेफाइट फिल्मों के संश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फॉइल में उनके निर्माण और उसके बाद की प्रक्रिया के परिणामस्वरूप अलग-अलग बनावट होती है। हमने हाल ही में NGF30 की वृद्धि प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए एक अध्ययन की रिपोर्ट की। हम दिखाते हैं कि वृद्धि चरण के दौरान एनीलिंग समय और चैम्बर दबाव जैसे प्रक्रिया पैरामीटर एक समान मोटाई के NGF प्राप्त करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यहाँ, हमने निकल फॉइल के पॉलिश किए गए फ्रंट (FS) और अनपॉलिश किए गए बैक (BS) सतहों पर NGF की वृद्धि की आगे की जाँच की (चित्र 1a)। तालिका 1 में सूचीबद्ध तीन प्रकार के नमूने FS और BS की जाँच की गई। दृश्य निरीक्षण पर, निकल फॉइल (NiAG) के दोनों किनारों पर NGF की एक समान वृद्धि बल्क Ni सब्सट्रेट के रंग परिवर्तन द्वारा एक विशिष्ट धात्विक सिल्वर ग्रे से मैट ग्रे रंग में देखी जा सकती है (चित्र 1a); सूक्ष्म माप की पुष्टि की गई (चित्र 1b, c)। FS-NGF का एक विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रम, जो चमकीले क्षेत्र में देखा गया है और चित्र 1b में 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 (चित्र 1c, तालिका SI1) की वृद्धि की पुष्टि करते हैं। पूरी फिल्म में, तीव्रता अनुपात (I2D/IG) ~0.3 के साथ रमन स्पेक्ट्रा की प्रधानता देखी गई, जबकि I2D/IG = 0.8 के साथ रमन स्पेक्ट्रा शायद ही कभी देखे गए। पूरी फिल्म में दोषपूर्ण शिखरों (D = 1350 cm-1) की अनुपस्थिति NGF वृद्धि की उच्च गुणवत्ता को इंगित करती 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 फोटो जिसमें वेफर पैमाने (55 cm2) पर NGF की वृद्धि दिखाई गई है और परिणामस्वरूप BS- और FS-Ni फ़ॉइल नमूने, (b) एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप द्वारा प्राप्त FS-NGF छवियाँ/Ni, (c) पैनल b में विभिन्न स्थितियों में रिकॉर्ड किए गए विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रा, (d, f) FS-NGF/Ni पर विभिन्न आवर्धन पर SEM छवियाँ, (e, g) विभिन्न आवर्धन पर SEM छवियाँ BS-NGF/Ni सेट करती हैं। 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
चूंकि विकास प्रारंभिक सब्सट्रेट की मोटाई, क्रिस्टल आकार, अभिविन्यास और अनाज की सीमाओं पर निर्भर करता है, इसलिए बड़े क्षेत्रों में एनजीएफ मोटाई का उचित नियंत्रण प्राप्त करना एक चुनौती 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 उज्ज्वल क्षेत्र बनाती है। निम्नलिखित अनुभागों में, हम दोनों प्रकार के क्षेत्रों के लिए परिणाम प्रस्तुत करते हैं। उच्च आवर्धन SEM छवियाँ दोनों तरफ कई उज्ज्वल विपरीत क्षेत्रों की उपस्थिति दिखाती हैं (चित्र 1f,g), जो FLG और MLG क्षेत्रों की उपस्थिति का संकेत देते हैं30,45। इसकी पुष्टि रमन बिखराव (चित्र 1c) और TEM परिणामों (बाद में "FS-NGF: संरचना और गुण" अनुभाग में चर्चा की गई) द्वारा भी की गई थी। FS- और BS-NGF/Ni नमूनों (Ni पर उगाए गए आगे और पीछे के NGF) पर देखे गए FLG और MLG क्षेत्र प्री-एनीलिंग22,30,45 के दौरान बने बड़े Ni(111) कणों पर विकसित हुए हो सकते हैं। दोनों तरफ तह देखी गई (चित्र 1बी, बैंगनी तीर से चिह्नित)। ये तहें अक्सर CVD-उगाए गए ग्रेफीन और ग्रेफाइट फिल्मों में पाई जाती हैं, क्योंकि ग्रेफाइट और निकल सब्सट्रेट के बीच थर्मल विस्तार के 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 निकेल (एनआईएआर) पन्नी के प्राप्त अवस्था में सतह विश्लेषण के आधार पर समझा जा सकता है (चित्र एसआई3)। एफएस और बीएस-एनआईएआर की एसईएम छवियां चित्र एसआई3ए-डी में दिखाई गई हैं, जो अलग-अलग सतह आकारिकी को प्रदर्शित करती हैं: पॉलिश की गई एफएस-एनआई पन्नी में नैनो और माइक्रोन आकार के गोलाकार कण होते हैं एनील्ड निकेल फ़ॉइल (NiA) की कम और उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली छवियाँ चित्र SI3e-h में दिखाई गई हैं। इन चित्रों में, हम निकेल फ़ॉइल के दोनों ओर कई माइक्रोन आकार के निकेल कणों की उपस्थिति देख सकते हैं (चित्र SI3e-h)। बड़े दानों में Ni(111) सतह अभिविन्यास हो सकता है, जैसा कि पहले रिपोर्ट किया गया था30,46। FS-NiA और BS-NiA के बीच निकेल फ़ॉइल आकृति विज्ञान में महत्वपूर्ण अंतर हैं। BS-NGF/Ni की उच्च खुरदरापन BS-NiAR की अनपॉलिश सतह के कारण है, जिसकी सतह एनीलिंग के बाद भी काफी खुरदरी रहती है (चित्र SI3)। वृद्धि प्रक्रिया से पहले इस प्रकार की सतह विशेषता ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों की खुरदरापन को नियंत्रित करने की अनुमति देती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मूल सब्सट्रेट ने ग्राफीन वृद्धि के दौरान कुछ अनाज पुनर्गठन किया, जिसने अनाज के आकार को थोड़ा कम कर दिया और एनील्ड फ़ॉइल और उत्प्रेरक फिल्म22 की तुलना में सब्सट्रेट की सतह खुरदरापन को कुछ हद तक बढ़ा दिया।
सब्सट्रेट की सतह की खुरदरापन, एनीलिंग समय (अनाज का आकार)30,47 और रिलीज नियंत्रण43 को ठीक करने से क्षेत्रीय एनजीएफ मोटाई की एकरूपता को µm2 और/या यहां तक कि nm2 पैमाने (यानी, कुछ नैनोमीटर की मोटाई भिन्नता) तक कम करने में मदद मिलेगी। सब्सट्रेट की सतह की खुरदरापन को नियंत्रित करने के लिए, परिणामी निकल पन्नी की इलेक्ट्रोलाइटिक पॉलिशिंग जैसी विधियों पर विचार किया जा सकता है48। प्रीट्रीटेड निकल पन्नी को फिर कम तापमान (< 900 °C) 46 और समय (< 5 मिनट) पर एनील किया जा सकता है ताकि बड़े Ni(111) अनाज के गठन से बचा जा सके (जो FLG वृद्धि के लिए फायदेमंद है)।
एसएलजी और एफएलजी ग्राफीन एसिड और पानी के सतही तनाव का सामना करने में असमर्थ है, जिसके लिए गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं के दौरान यांत्रिक समर्थन परतों की आवश्यकता होती है22,34,38। पॉलिमर-समर्थित एकल-परत ग्राफीन38 के गीले रासायनिक स्थानांतरण के विपरीत, 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 विवरण के लिए चित्र एसआई4 ए देखें)। किसी दिए गए सब्सट्रेट में एनजीएफ का स्थानांतरण अंतर्निहित Ni30.49 फिल्म की गीली नक्काशी से 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। Ni पन्नी पूरी तरह से घुल जाने के बाद, FS-NGF सपाट रहता है और तरल की सतह पर तैरता रहता है, ठीक NGF/Ni/NGF नमूने की तरह, जबकि BS-NGF पानी में डूबा रहता है (चित्र 2a,b)। पृथक एनजीएफ को फिर ताजे विआयनीकृत जल वाले एक बीकर से दूसरे बीकर में स्थानांतरित किया गया और पृथक एनजीएफ को अच्छी तरह से धोया गया, अवतल कांच के बर्तन के माध्यम से चार से छह बार दोहराया गया। अंत में, एफएस-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ को वांछित सब्सट्रेट पर रखा गया (चित्र 2 सी)।
निकल पन्नी पर उगाए गए एनजीएफ के लिए पॉलिमर-मुक्त गीला रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रिया: (ए) प्रक्रिया प्रवाह आरेख (अधिक विवरण 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 को अपारदर्शी पॉलिमर 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 हस्तांतरण विधियों का उपयोग करके किए गए एसएलजी हस्तांतरण के लिए कुल प्रसंस्करण समय 20-24 घंटे 38 की आवश्यकता होती है। यहां प्रदर्शित बहुलक-मुक्त हस्तांतरण तकनीक (चित्रा SI4a) के साथ, समग्र एनजीएफ हस्तांतरण 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 करें (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 वैक्यूम ओवन (10-1 mbar) में 50-90 °C पर मिनट (60 मिनट) 38.
ग्रेफाइट को काफी उच्च तापमान (≥ 200 °C)50,51,52 पर पानी और हवा की मौजूदगी को झेलने के लिए जाना जाता है। हमने कमरे के तापमान पर विआयनीकृत पानी में और सीलबंद बोतलों में कुछ दिनों से लेकर एक साल तक (चित्र SI4) भंडारण के बाद रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, SEM और XRD का उपयोग करके नमूनों का परीक्षण किया। कोई ध्यान देने योग्य गिरावट नहीं है। चित्र 2c विआयनीकृत पानी में मुक्त-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 कि पॉलिमर (नेक्सोल्व और नैफ़ियन से थर्माब्राइट पॉलियामाइड) और गोल्ड-कोटेड कार्बन पेपर में स्थानांतरित किया जा सकता है। फ्लोटिंग FS-NGF को आसानी से लक्ष्य सब्सट्रेट पर रखा गया (चित्र 2c, d)। हालांकि, 3 सेमी2 से बड़े बीएस-एनजीएफ नमूनों को पानी में पूरी तरह से डुबोने पर संभालना मुश्किल था। आम तौर 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 पॉलीमर-मुक्त स्थानांतरण प्राप्त करने में सक्षम थे। कोई भी बचा हुआ बड़ा या छोटा टुकड़ा (एचिंग सॉल्यूशन या डीआयनाइज्ड पानी में आसानी से देखा जा सकता है) वांछित सब्सट्रेट (~1 मिमी2, चित्र SI4b, "FS-NGF: संरचना और गुण (चर्चा की गई) "संरचना और गुण" के तहत) के रूप में तांबे के ग्रिड में स्थानांतरित नमूने को देखें) पर रखा जा सकता है या भविष्य में उपयोग के लिए संग्रहीत किया जा सकता है
पॉलिमर 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/एसआईओ2/एसआई (चित्र 2सी) पर प्राप्त सतह रूपात्मक विशेषताओं से पता चला कि ये नमूने माइक्रोस्कोपी के बिना स्थानांतरित किए गए थे। दरारें, छेद या अनियंत्रित क्षेत्रों जैसे दृश्यमान संरचनात्मक नुकसान। बढ़ते एनजीएफ (चित्र 3बी, डी, बैंगनी तीरों द्वारा चिह्नित) पर सिलवटें 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 पॉलिमर स्थानांतरण के दौरान आमतौर पर देखे जाने वाले कुछ क्षतिग्रस्त क्षेत्रों के विपरीत बाद में चर्चा की गई ("एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण"), लेस-कार्बन कॉपर ग्रिड पर स्थानांतरित एनजीएफ की टीईएम और एसईएम छवियों का उपयोग करके यांत्रिक अखंडता की पुष्टि की गई। स्थानांतरित बीएस-एनजीएफ / SiO2 / Si क्रमशः 140 एनएम और 17 एनएम के आरएमएस मूल्यों के साथ एफएस-एनजीएफ / SiO2 / Si की तुलना में अधिक खुरदरा है, जैसा कि चित्र SI6a और b (20 × 20 μm2) में दिखाया गया है। SiO2 / Si सब्सट्रेट (RMS < 2 एनएम) पर स्थानांतरित एनजीएफ का आरएमएस मूल्य Ni (चित्र SI2) पर उगाए गए एनजीएफ की तुलना में काफी कम (लगभग 3 गुना) है, यह दर्शाता है कि अतिरिक्त खुरदरापन Ni सतह के अनुरूप हो सकता है। इसके अलावा, FS- और BS-NGF / SiO2 / Si नमूनों के किनारों पर किए गए AFM चित्रों बीएस-एनजीएफ की कम मोटाई का कारण संभवतः इसकी सतह का पूर्ववर्ती गैस के सीधे संपर्क में न आना है।
SiO2/Si वेफर पर पॉलीमर 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 और स्थानांतरित FS- और BS-NGFs की रासायनिक संरचना का विश्लेषण एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) (चित्र 4) द्वारा किया गया। मापे गए स्पेक्ट्रा (चित्र 4a, b) में एक कमजोर 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), यह 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 दिखाते हैं। ग्रेफाइट के C 1 s की बंधन ऊर्जा 284.4 eV53.54 है। ग्रेफाइट चोटियों का रैखिक आकार आम तौर पर असममित माना जाता है, जैसा कि चित्र 4d54 में दिखाया गया है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन कोर-स्तर C 1 s स्पेक्ट्रम (चित्र 4d) ने भी शुद्ध स्थानांतरण (यानी, कोई बहुलक अवशेष नहीं) की पुष्टि की, जो पिछले अध्ययनों38 के अनुरूप है। ताजा 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 पायरोलिटिक ग्रेफीन नमूनों (~ 0.75 eV)53,54,55 के लिए पहले से रिपोर्ट की 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 की कमी है, जिससे उच्च-रिज़ॉल्यूशन पीक डीकनवोल्यूशन54 की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। 291.1 eV के आसपास π → π* सैटेलाइट पीक है, जिसे अक्सर ग्रेफाइट नमूनों में देखा जाता है। Si 2p और O 1 s कोर लेवल स्पेक्ट्रा (चित्र 4e, f देखें) में 103 eV और 532.5 eV सिग्नल क्रमशः SiO2 56 सब्सट्रेट के लिए जिम्मेदार हैं। XPS एक सतह-संवेदनशील तकनीक है, इसलिए NGF ट्रांसफर से पहले और बाद में क्रमशः Ni और SiO2 से संबंधित सिग्नल FLG क्षेत्र से उत्पन्न होने का अनुमान लगाया जाता है। ट्रांसफर किए गए BS-NGF नमूनों (नहीं दिखाए गए) के लिए भी इसी तरह के परिणाम देखे गए।
NiAG XPS परिणाम: (ac) 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 क्रिस्टल की समग्र गुणवत्ता का मूल्यांकन एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) का उपयोग करके किया गया था। स्थानांतरित FS- और BS-NGF/SiO2/Si के विशिष्ट XRD पैटर्न (चित्र SI8) 26.6 डिग्री और 54.7 डिग्री पर विवर्तन चोटियों (0 0 0 2) और (0 0 0 4) की उपस्थिति दिखाते हैं, जो ग्रेफाइट के समान है। यह एनजीएफ की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करता है और d = 0.335 एनएम की एक अंतर-परत दूरी के अनुरूप है, जिसे स्थानांतरण चरण के बाद बनाए रखा जाता 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 (आंकड़े 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 होते हैं (गीला कोण 80-90°) 57। ग्राफीन और एफएलजी दोनों की संभावित ऊर्जा सतहों को काफी सपाट बताया गया है, सतह पर पानी के पार्श्व आंदोलन के लिए कम संभावित ऊर्जा (~ 1 kJ/mol) के साथ58। हालांकि, ग्राफीन और ग्राफीन की तीन परतों के साथ पानी की गणना की गई संपर्क ऊर्जा क्रमशः लगभग -13 और -15 kJ/mol,58 है, जो दर्शाता है कि एनजीएफ (लगभग 300 परतें) के साथ पानी की संपर्क ग्राफीन की तुलना में कम है जब एनजीएफ को पानी में पूरी तरह से डुबोया जाता है (परिणाम खुरदरे और सपाट एनजीएफ के लिए समान होते हैं), तो इसके किनारे मुड़ जाते हैं (चित्र SI4)। पूरी तरह से डूबने की स्थिति में, यह उम्मीद की जाती है कि एनजीएफ-पानी की परस्पर क्रिया ऊर्जा लगभग दोगुनी हो जाती है (फ्लोटिंग एनजीएफ की तुलना में) और एनजीएफ के किनारे उच्च संपर्क कोण (हाइड्रोफोबिसिटी) बनाए रखने के लिए मुड़ जाते हैं। हमारा मानना है कि एम्बेडेड एनजीएफ के किनारों को कर्लिंग से बचाने के लिए रणनीति विकसित की जा सकती है। एक दृष्टिकोण ग्रेफाइट फिल्म की गीली प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए मिश्रित विलायक का उपयोग करना है59।
गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं के माध्यम से विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट्स में SLG के स्थानांतरण की रिपोर्ट पहले ही की जा चुकी है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि ग्रेफीन/ग्रेफाइट फिल्मों और सब्सट्रेट्स (चाहे वह SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si पिलर22 और लैसी कार्बन फिल्म30, 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) (उदाहरण के लिए, चित्र 2, SI7 और SI9) के दौरान यहां प्रस्तुत किसी भी सब्सट्रेट के लिए NGF की कोई क्षति या छीलन नहीं देखी। इसके अलावा, हमने NGF/SiO2/Si नमूने (चित्र 4) के कोर स्तर के XPS C 1 s स्पेक्ट्रम में SiC शिखर नहीं देखा। ये परिणाम संकेत देते हैं कि NGF और लक्ष्य सब्सट्रेट के बीच कोई रासायनिक बंधन नहीं है।
पिछले भाग में, "FS- और BS-NGF का पॉलिमर-मुक्त स्थानांतरण," हमने प्रदर्शित किया कि NGF निकल फ़ॉइल के दोनों तरफ़ विकसित और स्थानांतरित हो सकता है। ये FS-NGF और BS-NGF सतह खुरदरापन के मामले में समान नहीं हैं, जिसने हमें प्रत्येक प्रकार के लिए सबसे उपयुक्त अनुप्रयोगों का पता लगाने के लिए प्रेरित किया।
FS-NGF की पारदर्शिता और चिकनी सतह को ध्यान में रखते हुए, हमने इसकी स्थानीय संरचना, ऑप्टिकल और विद्युत गुणों का अधिक विस्तार से अध्ययन किया। पॉलिमर ट्रांसफर के बिना FS-NGF की संरचना और संरचना को ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) इमेजिंग और चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन (SAED) पैटर्न विश्लेषण द्वारा चिह्नित किया गया था। इसी परिणाम को चित्र 5 में दिखाया गया है। कम आवर्धन प्लानर TEM इमेजिंग ने अलग-अलग इलेक्ट्रॉन कंट्रास्ट विशेषताओं वाले NGF और FLG क्षेत्रों की उपस्थिति का खुलासा किया, यानी 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 फाड़ नहीं होती है, जिसकी पुष्टि SEM (चित्र 3) और उच्च आवर्धन TEM अध्ययनों (चित्र 5c-e) द्वारा भी की गई थी 0.33 ± 0.01 एनएम के अंतरतलीय अंतर के साथ 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 पॉलिमर-मुक्त NiAG नमूने की प्लेनर 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 एक ही रंग के तीरों द्वारा चिह्नित हैं। पैनल a और c में हरे तीर बीम संरेखण के दौरान क्षति के गोलाकार क्षेत्रों को इंगित करते 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 ग्रेफाइट जाली विमानों के ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास को दर्शाती है (लाल तीर से चिह्नित), जो अतिरिक्त असम्पीडनित कतरनी तनाव30,61,62 के कारण फिल्म (चित्र 5c में इनसेट) के साथ नैनोफोल्ड के गठन के कारण हो सकता है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन TEM के तहत, ये नैनोफोल्ड 30 NGF क्षेत्र के बाकी हिस्सों की तुलना में एक अलग क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास प्रदर्शित करते हैं; ग्रेफाइट जाली के बेसल प्लेन फिल्म के बाकी हिस्सों (चित्र 5c में इनसेट) की तरह क्षैतिज रूप से नहीं, बल्कि लगभग लंबवत रूप से उन्मुख होते हैं। इसी तरह, FLG क्षेत्र कभी-कभी रैखिक और संकीर्ण बैंड-जैसे फोल्ड (नीले तीर से चिह्नित) 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 वाली ग्रेफीन परतों की मौजूदगी की पुष्टि करता है, जो हमारे पिछले परिणामों से अच्छी तरह मेल खाता है30। इसके अतिरिक्त, तांबे के ग्रिड पर लेसी कार्बन फिल्मों के साथ स्थानांतरित पॉलिमर-मुक्त एनजीएफ की रिकॉर्ड की गई एसईएम छवियां (शीर्ष-दृश्य टीईएम माप करने के बाद) चित्र एसआई9 में दिखाई गई हैं। अच्छी तरह से निलंबित एफएलजी क्षेत्र (नीले तीर से चिह्नित) और चित्र एसआई9एफ में टूटा हुआ क्षेत्र। नीला तीर (स्थानांतरित एनजीएफ के किनारे पर) जानबूझकर यह प्रदर्शित करने के लिए प्रस्तुत किया गया है कि एफएलजी क्षेत्र पॉलिमर के बिना स्थानांतरण प्रक्रिया का विरोध कर सकता है। संक्षेप में, ये छवियां पुष्टि करती हैं
एनजीएफ की उत्कृष्ट समतलता (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 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 (नीला, सियान, नारंगी और लाल कोडित) के साथ 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। विशेष रूप से, चित्र 5 इसी तरह, चित्र 5g में 20° घुमाए गए दो आरोपित षट्कोणीय पैटर्न दिखाए गए हैं। FLG क्षेत्र में षट्कोणीय पैटर्न के दो या तीन समूह एक दूसरे के सापेक्ष घुमाए गए तीन इन-प्लेन या आउट-ऑफ-प्लेन ग्रेफीन 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, समग्र रूप से उच्च बिंदु विवर्तन तीव्रता के साथ एकल [0001] पैटर्न दिखाते हैं। ये SAED मॉडल FLG की तुलना में अधिक 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 आरोपित ग्रेफाइट (या ग्रेफीन) क्रिस्टलीय के सह-अस्तित्व का पता चला 17°, 22° और 25° के इन-प्लेन रोटेशन एंगल वाले ग्रेफाइट कण/परतें पहले ही Ni 64 फिल्मों पर उगाए गए NGF के लिए रिपोर्ट की जा चुकी हैं। इस अध्ययन में देखे गए रोटेशन कोण मान मुड़े हुए BLG63 ग्रेफीन के लिए पहले देखे गए रोटेशन कोणों (±1°) के अनुरूप हैं।
एनजीएफ/SiO2/Si के विद्युत गुणों को 10×3 मिमी2 के क्षेत्र में 300 K पर मापा गया। इलेक्ट्रॉन वाहक सांद्रता, गतिशीलता और चालकता के मान क्रमशः 1.6 × 1020 सेमी-3, 220 सेमी2 V-1 C-1 और 2000 S-सेमी-1 हैं। हमारे एनजीएफ की गतिशीलता और चालकता के मान प्राकृतिक ग्रेफाइट2 के समान हैं और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अत्यधिक उन्मुख पायरोलिटिक ग्रेफाइट (3000 डिग्री सेल्सियस पर उत्पादित)29 से अधिक हैं। देखे गए इलेक्ट्रॉन वाहक सांद्रता मान उच्च तापमान (3200 डिग्री सेल्सियस) पॉलीमाइड शीट 20 का उपयोग करके तैयार माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्मों के लिए हाल ही में रिपोर्ट किए गए (7.25 × 10 सेमी-3) की तुलना में दो क्रम अधिक हैं।
हमने क्वार्ट्ज सब्सट्रेट्स (चित्रा 6) में स्थानांतरित FS-NGF पर UV-दृश्य संचरण माप भी किया। परिणामी स्पेक्ट्रम 350-800 एनएम की सीमा में 62% का लगभग स्थिर संचरण दिखाता है, जो दर्शाता है कि NGF दृश्य प्रकाश के लिए पारभासी है। वास्तव में, चित्रा 6b में नमूने की डिजिटल तस्वीर में "KAUST" नाम देखा जा सकता है। हालाँकि NGF की नैनोक्रिस्टलाइन संरचना SLG से अलग है, लेकिन 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 एनएम मोटी (चित्रा 1, SI5 और SI7)। इसलिए, हम मानते हैं कि देखी गई ऑप्टिकल पारदर्शिता FLG और MLG क्षेत्रों से मेल खाती है, क्योंकि वे पूरी फिल्म में वितरित हैं (चित्र 1, 3, 5 और 6c)। उपरोक्त संरचनात्मक डेटा के अलावा, चालकता और पारदर्शिता भी स्थानांतरित NGF की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करती है।
(ए) यूवी-दृश्य संचरण माप, (बी) प्रतिनिधि नमूने का उपयोग करके क्वार्ट्ज पर विशिष्ट एनजीएफ स्थानांतरण। (सी) एनजीएफ (डार्क बॉक्स) का योजनाबद्ध आरेख जिसमें पूरे नमूने में ग्रे यादृच्छिक आकृतियों के रूप में चिह्नित समान रूप से वितरित एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र हैं (चित्र 1 देखें) (लगभग 0.1-3% क्षेत्र प्रति 100 μm2)। आरेख में यादृच्छिक आकृतियाँ और उनके आकार केवल उदाहरण के लिए हैं और वास्तविक क्षेत्रों के अनुरूप नहीं हैं।
CVD द्वारा विकसित पारभासी NGF को पहले नंगे सिलिकॉन सतहों पर स्थानांतरित किया गया है और सौर कोशिकाओं में उपयोग किया गया है15,16। परिणामी बिजली रूपांतरण दक्षता (PCE) 1.5% है। ये NGF सक्रिय यौगिक परतों, चार्ज परिवहन मार्गों और पारदर्शी इलेक्ट्रोड15,16 जैसे कई कार्य करते हैं। हालाँकि, ग्रेफाइट फिल्म एक समान नहीं है। ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के शीट प्रतिरोध और ऑप्टिकल संप्रेषण को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके आगे का अनुकूलन आवश्यक है, क्योंकि ये दोनों गुण सौर सेल15,16 के PCE मान को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। आमतौर पर, ग्रेफीन फिल्में दृश्य प्रकाश के लिए 97.7% पारदर्शी होती हैं, लेकिन इनका शीट प्रतिरोध 200-3000 ओम/वर्ग होता है।16। परतों की संख्या (ग्रेफीन परतों का कई बार स्थानांतरण) और HNO3 (~ 30 ओम/वर्ग)66 के साथ डोपिंग करके ग्रेफीन 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 रखती हैं। हमारे फ्रंट साइड एनजीएफ में 2000 एस/सेमी चालकता, 50 ओम/वर्ग फिल्म शीट प्रतिरोध और 62% पारदर्शिता जैसे गुण हैं, जो इसे सौर कोशिकाओं में प्रवाहकीय चैनलों या काउंटर इलेक्ट्रोड के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनाते हैं15,16।
हालांकि बीएस-एनजीएफ की संरचना और सतह रसायन विज्ञान एफएस-एनजीएफ के समान है, लेकिन इसकी खुरदरापन अलग है ("एफएस- और बीएस-एनजीएफ की वृद्धि")। पहले, हमने गैस सेंसर के रूप में अल्ट्रा-थिन 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 mm2 आकार के हिस्सों को इंटरडिजिटेटिंग इलेक्ट्रोड सेंसर चिप (चित्र SI10a-c) पर स्थानांतरित किया गया। चिप के विनिर्माण विवरण पहले ही रिपोर्ट किए जा चुके हैं; इसका सक्रिय संवेदनशील क्षेत्र 9 mm267 है। SEM छवियों (चित्र SI10b और c) में, अंतर्निहित सोने का इलेक्ट्रोड NGF के माध्यम से स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। फिर से, यह देखा जा सकता है कि सभी नमूनों के लिए एक समान चिप कवरेज हासिल की गई थी। विभिन्न गैसों के गैस सेंसर माप रिकॉर्ड किए गए (चित्र SI10d) (चित्र SI11) और परिणामी प्रतिक्रिया दरें चित्र SI10g में दिखाई गई हैं। संभवतः SO2 (200 पीपीएम), H2 (2%), CH4 (200 पीपीएम), CO2 (2%), H2S (200 पीपीएम) और NH3 (200 पीपीएम) सहित अन्य हस्तक्षेप करने वाली गैसों के साथ। एक संभावित कारण NO2 है। गैस की इलेक्ट्रोफिलिक प्रकृति22,68। जब ग्रेफीन की सतह पर सोख लिया जाता है, तो यह सिस्टम द्वारा इलेक्ट्रॉनों के वर्तमान अवशोषण को कम कर देता है। पहले से प्रकाशित सेंसर के साथ बीएस-एनजीएफ सेंसर के प्रतिक्रिया समय डेटा की तुलना तालिका एसआई2 में प्रस्तुत की गई है। यूवी प्लाज्मा, ओ3 प्लाज्मा या उजागर नमूनों के थर्मल (50-150 डिग्री सेल्सियस) उपचार का उपयोग करके एनजीएफ सेंसर को फिर से सक्रिय करने का तंत्र चल रहा है, आदर्श रूप से एम्बेडेड सिस्टम69 के कार्यान्वयन के बाद।
CVD प्रक्रिया के दौरान, उत्प्रेरक सब्सट्रेट के दोनों ओर ग्राफीन की वृद्धि होती है41. हालाँकि, BS-ग्राफीन को आमतौर पर स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान बाहर निकाल दिया जाता है41. इस अध्ययन में, हम प्रदर्शित करते हैं कि उत्प्रेरक समर्थन 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) है, और इस अंतर को इस तथ्य से समझाया गया है कि BS-Ni सीधे पूर्ववर्ती गैस प्रवाह के संपर्क में नहीं आता है। हमने यह भी पाया कि NiAR सब्सट्रेट की खुरदरापन NGF की खुरदरापन को प्रभावित करती है। ये परिणाम संकेत देते हैं कि विकसित प्लानर FS-NGF का उपयोग ग्राफीन (एक्सफोलिएशन विधि70 द्वारा) के लिए पूर्ववर्ती सामग्री के रूप में या सौर कोशिकाओं15,16 में एक प्रवाहकीय चैनल 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 बातों को ध्यान में रखते हुए, वर्तमान कार्य को CVD द्वारा उगाई गई और निकल फ़ॉइल का उपयोग करके पहले से प्रकाशित ग्रेफाइट फ़िल्मों के साथ जोड़ना उपयोगी है। जैसा कि तालिका 2 में देखा जा सकता है, हमने जो उच्च दबाव का उपयोग किया, उसने अपेक्षाकृत कम तापमान (850-1300 °C की सीमा में) पर भी प्रतिक्रिया समय (विकास चरण) को छोटा कर दिया। हमने सामान्य से अधिक वृद्धि भी हासिल की, जो विस्तार की संभावना को दर्शाता है। विचार करने के लिए अन्य कारक भी हैं, जिनमें से कुछ को हमने तालिका में शामिल किया है।
डबल-साइडेड उच्च-गुणवत्ता वाले NGF को उत्प्रेरक CVD द्वारा निकल फ़ॉइल पर उगाया गया था। पारंपरिक पॉलिमर सब्सट्रेट (जैसे कि CVD ग्रैफ़ीन में उपयोग किए जाने वाले) को हटाकर, हम NGF (निकल फ़ॉइल के पीछे और सामने की तरफ़ उगाए गए) के स्वच्छ और दोष-रहित गीले स्थानांतरण को विभिन्न प्रक्रिया-महत्वपूर्ण सब्सट्रेट पर प्राप्त करते हैं। विशेष रूप से, NGF में FLG और MLG क्षेत्र (आमतौर पर 0.1% से 3% प्रति 100 µm2) शामिल हैं जो संरचनात्मक रूप से मोटी फ़िल्म में अच्छी तरह से एकीकृत होते हैं। प्लानर TEM दिखाता है कि ये क्षेत्र दो से तीन ग्रेफाइट/ग्रेफ़ीन कणों (क्रमशः क्रिस्टल या परतें) के ढेर से बने होते हैं, जिनमें से कुछ में 10-20° का घूर्णी बेमेल होता है। FLG और MLG क्षेत्र दृश्य प्रकाश के लिए FS-NGF की पारदर्शिता के लिए ज़िम्मेदार हैं। पीछे की शीट के लिए, उन्हें आगे की शीट के समानांतर ले जाया जा सकता है और, जैसा कि दिखाया गया है, उनका एक कार्यात्मक उद्देश्य हो सकता है (उदाहरण के लिए, गैस का पता लगाने के लिए)। ये अध्ययन औद्योगिक पैमाने पर CVD प्रक्रियाओं में अपशिष्ट और लागत को कम करने के लिए बहुत उपयोगी हैं।
सामान्य तौर पर, CVD NGF की औसत मोटाई (कम- और बहु-परत) ग्रेफीन और औद्योगिक (माइक्रोमीटर) ग्रेफाइट शीट के बीच होती है। उनके दिलचस्प गुणों की सीमा, उनके उत्पादन और परिवहन के लिए हमारे द्वारा विकसित की गई सरल विधि के साथ मिलकर, इन फिल्मों को विशेष रूप से उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती है जिनमें ग्रेफाइट की कार्यात्मक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है, वर्तमान में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा-गहन औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियाओं की लागत के बिना।
एक 25-μm-मोटी निकल फ़ॉइल (99.5% शुद्धता, गुडफ़ेलो) को एक वाणिज्यिक CVD रिएक्टर (ऐक्सट्रॉन 4-इंच BMPro) में स्थापित किया गया था। सिस्टम को आर्गन से शुद्ध किया गया और 10-3 mbar के बेस प्रेशर पर खाली किया गया। फिर निकल फ़ॉइल को Ar/H2 में रखा गया (Ni फ़ॉइल को 5 मिनट के लिए प्री-एनीलिंग करने के बाद, फ़ॉइल को 900 °C पर 500 mbar के प्रेशर के संपर्क में लाया गया। NGF को CH4/H2 (100 cm3 प्रत्येक) 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 पर ठंडा किया गया। NGF वृद्धि प्रक्रिया के अनुकूलन पर विवरण अन्यत्र वर्णित हैं30।
नमूने की सतह की 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 (डाइमेंशन आइकन SPM, ब्रूकर) का उपयोग करके मापा गया था। अंतिम परिणाम प्राप्त करने के लिए एक उच्च चमक क्षेत्र उत्सर्जन गन (300 kV), एक FEI विएन प्रकार मोनोक्रोमेटर और एक CEOS लेंस गोलाकार विपथन सुधारक से सुसज्जित FEI टाइटन 80-300 क्यूबेड माइक्रोस्कोप का उपयोग करके TEM और SAED माप किए गए थे। स्थानिक रिज़ॉल्यूशन 0.09 एनएम। फ्लैट TEM इमेजिंग और SAED संरचना विश्लेषण के लिए NGF नमूनों को कार्बन लेसी कोटेड 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 विश्लेषण XRD द्वारा किया गया था। एक्स-रे विवर्तन पैटर्न को पाउडर डिफ्रैक्टोमीटर (ब्रकर, डी2 फेज़ शिफ्टर विद Cu Kα स्रोत, 1.5418 Å और LYNXEYE डिटेक्टर) का उपयोग करके 3 मिमी के बीम स्पॉट व्यास वाले Cu विकिरण स्रोत का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।
एक एकीकृत कन्फोकल माइक्रोस्कोप (अल्फा 300 आरए, WITeC) का उपयोग करके कई रमन बिंदु माप दर्ज किए गए थे। थर्मली प्रेरित प्रभावों से बचने के लिए कम उत्तेजना शक्ति (25%) के साथ 532 एनएम लेजर का उपयोग किया गया था। 150 W 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) का प्रदर्शन किया गया था। रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा क्रमशः 160 eV और 20 eV की संचरण ऊर्जा पर प्राप्त किए गए थे। SiO2 पर स्थानांतरित NGF नमूनों को 30 W पर PLS6MW (1.06 μm) यटरबियम फाइबर लेजर का उपयोग करके टुकड़ों (3 × 10 मिमी 2 प्रत्येक) में काटा गया था। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत सिल्वर पेस्ट का उपयोग करके कॉपर वायर कॉन्टैक्ट्स (50 μm मोटे) का निर्माण किया गया था। इन नमूनों पर 300 K और ± 9 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता पर भौतिक गुण माप प्रणाली (PPMS EverCool-II, क्वांटम डिजाइन, USA) में विद्युत परिवहन और हॉल प्रभाव प्रयोग किए गए। प्रेषित UV-vis स्पेक्ट्रा को क्वार्ट्ज सब्सट्रेट और क्वार्ट्ज संदर्भ नमूनों में स्थानांतरित 350-800 एनएम NGF रेंज में लैम्ब्डा 950 UV-vis स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था।
रासायनिक प्रतिरोध सेंसर (इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड चिप) को एक कस्टम प्रिंटेड सर्किट बोर्ड 73 से जोड़ा गया था और प्रतिरोध को अस्थायी रूप से निकाला गया था। जिस प्रिंटेड सर्किट बोर्ड पर डिवाइस स्थित है, उसे संपर्क टर्मिनलों से जोड़ा जाता है और गैस सेंसिंग चैंबर 74 के अंदर रखा जाता है। प्रतिरोध माप 1 V के वोल्टेज पर पर्ज से गैस एक्सपोजर तक और फिर से पर्ज तक निरंतर स्कैन के साथ लिया गया था। चैंबर में मौजूद सभी अन्य एनालाइट्स, जिसमें नमी भी शामिल है, को हटाने के लिए 200 सेमी3 पर 1 घंटे के लिए नाइट्रोजन के साथ शुद्ध करके चैंबर को शुरू में साफ किया गया था। फिर अलग-अलग एनालाइट्स को N2 सिलेंडर को बंद करके 200 सेमी3 की समान प्रवाह दर पर धीरे-धीरे चैंबर में छोड़ा गया।
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पोस्ट करने का समय: अगस्त-23-2024