Mèsi paske ou te vizite Nature.com. Vèsyon navigatè w ap itilize a pa gen sipò CSS limite. Pou pi bon rezilta, nou rekòmande pou w itilize yon vèsyon navigatè w ki pi resan (oswa dezaktive Mòd Konpatibilite nan Internet Explorer). Antretan, pou asire sipò kontinyèl, n ap montre sit la san stil oswa JavaScript.
Fim grafit nanoechèl (NGF) yo se nanomateryèl solid ki ka pwodui pa depo vapè chimik katalitik, men kesyon rete sou fasilite transfè yo ak kijan mòfoloji sifas afekte itilizasyon yo nan aparèy pwochen jenerasyon yo. Isit la nou rapòte kwasans NGF sou tou de bò yon papye nikèl polikristalin (sifas 55 cm2, epesè anviwon 100 nm) ak transfè san polymère li (devan ak dèyè, sifas jiska 6 cm2). Akòz mòfoloji papye katalitik la, de fim kabòn yo diferan nan pwopriyete fizik yo ak lòt karakteristik (tankou aspè sifas ki graj). Nou demontre ke NGF ki gen yon dèyè ki pi graj yo byen adapte pou deteksyon NO2, pandan ke NGF ki pi lis ak pi kondiktif sou bò devan an (2000 S/cm, rezistans fèy - 50 ohm/m2) ka kondiktè solid. kanal oswa elektwòd nan selil solè a (piske li transmèt 62% nan limyè vizib). An jeneral, pwosesis kwasans ak transpò ki dekri yo ka ede reyalize NGF kòm yon materyèl kabòn altènatif pou aplikasyon teknolojik kote fim grafit grafèn ak mikwon epesè yo pa apwopriye.
Grafit se yon materyèl endistriyèl ki lajman itilize. Li enpòtan pou note ke grafit gen pwopriyete tankou yon dansite mas ki relativman ba ak yon konduktivite tèmik ak elektrik ki wo nan plan an, epi li trè estab nan anviwònman tèmik ak chimik ki difisil1,2. Grafit an flokon se yon materyèl depa byen koni pou rechèch sou grafèn3. Lè yo trete l an fim mens, li ka itilize nan yon pakèt aplikasyon, tankou disipatè chalè pou aparèy elektwonik tankou smartphones4,5,6,7, kòm yon materyèl aktif nan detèktè8,9,10 ak pou pwoteksyon kont entèferans elektwomayetik11.12 ak fim pou litografi nan iltravyolèt ekstrèm13,14, chanèl kondiktè nan selil solè15,16. Pou tout aplikasyon sa yo, li ta yon avantaj siyifikatif si gwo zòn fim grafit (NGF) ak epesè kontwole nan nanoechèl <100 nm te ka fasil pou pwodui ak transpòte.
Yo pwodui fim grafit pa plizyè metòd. Nan yon ka, yo te itilize entegrasyon ak ekspansyon ki te swiv pa èksfolyasyon pou pwodui flokon grafèn10,11,17. Yo dwe trete flokon yo pi lwen an fim ki gen epesè ki nesesè a, epi souvan li pran plizyè jou pou pwodui fèy grafit dans. Yon lòt apwòch se kòmanse ak prekisè solid grafitab. Nan endistri, yo kabonize fèy polymère yo (nan 1000–1500 °C) epi answit yo grafitize yo (nan 2800–3200 °C) pou fòme materyèl kouch ki byen estriktire. Malgre ke bon jan kalite fim sa yo wo, konsomasyon enèji a siyifikatif1,18,19 epi epesè minimòm lan limite a kèk mikron1,18,19,20.
Depozisyon chimik katalitik an vapè (CVD) se yon metòd byen koni pou pwodui fim grafèn ak grafit ultramens (<10 nm) ki gen bon jan kalite estriktirèl ak pri rezonab21,22,23,24,25,26,27. Sepandan, konpare ak kwasans fim grafèn ak grafit ultramens28, kwasans sou gwo sifas ak/oswa aplikasyon NGF lè l sèvi avèk CVD yo menm mwens eksplore11,13,29,30,31,32,33.
Fim grafèn ak grafit ki grandi ak CVD souvan bezwen transfere sou substrats fonksyonèl34. Transfè fim mens sa yo enplike de metòd prensipal35: (1) transfè san grave36,37 ak (2) transfè chimik mouye ki baze sou grave (sipòte pa substrat)14,34,38. Chak metòd gen kèk avantaj ak dezavantaj epi yo dwe chwazi selon aplikasyon an, jan sa dekri yon lòt kote35,39. Pou fim grafèn/grafit ki grandi sou substrats katalitik, transfè atravè pwosesis chimik mouye (ki gen ladan polimetil metakrilat (PMMA) se kouch sipò ki pi souvan itilize a) rete premye chwa a13,30,34,38,40,41,42. You et al. Yo te mansyone ke pa gen okenn polymère ki te itilize pou transfè NGF (gwosè echantiyon apeprè 4 cm2)25,43, men pa gen okenn detay ki te bay konsènan estabilite echantiyon ak/oswa manyen pandan transfè a; Pwosesis chimi mouye ki itilize polimè yo gen plizyè etap, tankou aplikasyon ak retire yon kouch polimè sakrifisyèl30,38,40,41,42. Pwosesis sa a gen dezavantaj: pa egzanp, rezidi polimè ka chanje pwopriyete fim ki grandi a38. Pwosesis adisyonèl ka retire polimè ki rete a, men etap adisyonèl sa yo ogmante pri ak tan pwodiksyon fim nan38,40. Pandan kwasans CVD, yon kouch grafèn depoze non sèlman sou bò devan papye katalizè a (bò ki bay sou koule vapè a), men tou sou bò dèyè li. Sepandan, yo konsidere lèt la kòm yon pwodui dechè epi yo ka retire li byen vit pa plasma mou38,41. Resiklaj fim sa a ka ede maksimize rannman an, menm si li gen mwens kalite pase fim kabòn sifas la.
Isit la, nou rapòte preparasyon kwasans bifasyal NGF nan echèl wafer ak bon jan kalite estriktirèl sou papye nikèl polikristalin pa CVD. Yo te evalye kijan aspè sifas devan ak dèyè papye a afekte mòfoloji ak estrikti NGF la. Nou demontre tou transfè NGF san polimè ki efikas an tèm de pri e ki respekte anviwònman an soti nan tou de bò papye nikèl la sou substrats miltifonksyonèl epi montre kijan fim devan ak dèyè yo apwopriye pou divès aplikasyon.
Seksyon ki vin apre yo diskite sou diferan epesè fim grafit selon kantite kouch grafèn anpile yo: (i) grafèn yon sèl kouch (SLG, 1 kouch), (ii) grafèn kèk kouch (FLG, < 10 kouch), (iii) grafèn miltikouch (MLG, 10-30 kouch) ak (iv) NGF (~300 kouch). Dènye a se epesè ki pi komen an, yo eksprime li kòm yon pousantaj sifas (apeprè 97% sifas pou chak 100 µm2)30. Se poutèt sa yo rele fim nan nèt NGF.
Papye nikèl polikristalin yo itilize pou sentèz fim grafèn ak grafit yo gen diferan teksti kòm rezilta fabrikasyon yo ak pwosesis ki vin apre a. Nou fèk rapòte yon etid pou optimize pwosesis kwasans NGF30 la. Nou montre ke paramèt pwosesis tankou tan rekui ak presyon chanm pandan etap kwasans lan jwe yon wòl enpòtan nan jwenn NGF ki gen yon epesè inifòm. La a, nou te plis envestige kwasans NGF sou sifas devan poli (FS) ak dèyè ki pa poli (BS) nan papye nikèl (Fig. 1a). Nou te egzamine twa kalite echantiyon FS ak BS, ki nan lis nan Tablo 1. Lè yo enspekte yo vizyèlman, yo ka wè kwasans inifòm NGF sou tou de bò papye nikèl la (NiAG) pa chanjman koulè substrat Ni an gwo soti nan yon gri ajan metalik karakteristik rive nan yon koulè gri mat (Fig. 1a); mezi mikwoskopik yo te konfime (Fig. 1b, c). Yon spectre Raman tipik nan FS-NGF ki obsève nan rejyon klere a epi ki endike pa flèch wouj, ble ak zoranj nan Figi 1b montre nan Figi 1c. Pik Raman karakteristik grafit G (1683 cm−1) ak 2D (2696 cm−1) yo konfime kwasans NGF trè kristalin nan (Fig. 1c, Tablo SI1). Nan tout fim nan, yo te obsève yon predominans spectre Raman ak rapò entansite (I2D/IG) ~0.3, alòske yo te raman obsève spectre Raman ak I2D/IG = 0.8. Absans pik defektye (D = 1350 cm-1) nan tout fim nan endike bon jan kalite kwasans NGF la. Yo te jwenn rezilta Raman menm jan an sou echantiyon BS-NGF la (Figi SI1 a ak b, Tablo SI1).
Konparezon NiAG FS- ak BS-NGF: (a) Foto yon echantiyon NGF (NiAG) tipik ki montre kwasans NGF nan echèl waf (55 cm2) ak echantiyon papye aliminyòm BS- ak FS-Ni ki soti ladan yo, (b) Imaj FS-NGF/Ni jwenn pa yon mikwoskòp optik, (c) spèk Raman tipik anrejistre nan diferan pozisyon nan panèl b, (d, f) Imaj SEM nan diferan agrandisman sou FS-NGF/Ni, (e, g) Imaj SEM nan diferan agrandisman Ansanm BS -NGF/Ni. Flèch ble a endike rejyon FLG a, flèch zoranj lan endike rejyon MLG a (toupre rejyon FLG a), flèch wouj la endike rejyon NGF a, epi flèch magenta a endike pli a.
Piske kwasans lan depann de epesè substrat inisyal la, gwosè kristal la, oryantasyon an, ak limit grenn yo, reyalize yon kontwòl rezonab sou epesè NGF sou gwo zòn rete yon defi20,34,44. Etid sa a te itilize kontni nou te pibliye deja30. Pwosesis sa a pwodui yon rejyon klere 0.1 a 3% pou chak 100 µm230. Nan seksyon ki vin apre yo, nou prezante rezilta pou tou de kalite rejyon yo. Imaj SEM gwo agrandisman yo montre prezans plizyè zòn kontras klere sou tou de bò yo (Fig. 1f,g), sa ki endike prezans rejyon FLG ak MLG30,45. Sa te konfime tou pa difizyon Raman (Fig. 1c) ak rezilta TEM yo (diskite pita nan seksyon "FS-NGF: estrikti ak pwopriyete"). Rejyon FLG ak MLG yo obsève sou echantiyon FS- ak BS-NGF/Ni (NGF devan ak dèyè ki grandi sou Ni) ka te grandi sou gwo grenn Ni(111) ki te fòme pandan pre-rekwit22,30,45. Yo te obsève pli sou tou de bò yo (Fig. 1b, make ak flèch mov). Yo souvan jwenn pli sa yo nan fim grafèn ak grafit ki grandi ak CVD akòz gwo diferans nan koyefisyan ekspansyon tèmik ant grafit la ak substrat nikèl la30,38.
Imaj AFM lan te konfime ke echantiyon FS-NGF la te pi plat pase echantiyon BS-NGF la (Figi SI1) (Figi SI2). Valè brutality rasin kare mwayèn (RMS) FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) ak BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) yo se 82 ak 200 nm, respektivman (mezire sou yon sifas 20 × 20 μm2). Yo ka konprann brutality ki pi wo a ki baze sou analiz sifas papye nikèl (NiAR) la nan eta li te resevwa a (Figi SI3). Imaj SEM FS ak BS-NiAR yo montre nan Figi SI3a-d, ki demontre diferan mòfoloji sifas: papye FS-Ni poli a gen patikil esferik gwosè nano ak mikwon, alòske papye BS-Ni ki pa poli a montre yon nechèl pwodiksyon. kòm patikil ki gen gwo fòs. ak bès. Imaj rezolisyon ba ak wo nan papye nikèl rkui (NiA) yo montre nan Figi SI3e-h. Nan figi sa yo, nou ka obsève prezans plizyè patikil nikèl gwosè mikwon sou tou de bò papye nikèl la (Fig. SI3e–h). Grenn gwo yo ka gen yon oryantasyon sifas Ni(111), jan yo te rapòte deja30,46. Gen diferans enpòtan nan mòfoloji papye nikèl ant FS-NiA ak BS-NiA. Pi gwo aspè brital BS-NGF/Ni a se akòz sifas BS-NiAR ki pa poli a, ki rete siyifikativman ki graj menm apre rekui (Figi SI3). Kalite karakterizasyon sifas sa a anvan pwosesis kwasans lan pèmèt kontwole aspè brital fim grafèn ak grafit yo. Li ta dwe note ke substrat orijinal la te sibi kèk reorganizasyon grenn pandan kwasans grafèn nan, ki te diminye gwosè grenn nan yon ti kras epi ogmante yon ti jan aspè brital sifas substrat la konpare ak papye ak fim katalis ki te rekui a22.
Ajisteman presi nan aspè sifas substrati a, tan rekui (gwosè grenn)30,47 ak kontwòl liberasyon43 ap ede diminye inifòmite epesè NGF rejyonal la nan echèl µm2 ak/oswa menm nm2 (sa vle di, varyasyon epesè kèk nanomèt). Pou kontwole aspè sifas substrati a, metòd tankou polisaj elektwolitik papye nikèl ki kapab lakòz la ka konsidere48. Lè sa a, papye nikèl ki te trete anvan an ka rekui nan yon tanperati ki pi ba (< 900 °C)46 ak yon tan (< 5 min) pou evite fòmasyon gwo grenn Ni(111) (ki benefik pou kwasans FLG).
Grafèn SLG ak FLG pa kapab reziste tansyon sifas asid ak dlo, sa ki mande kouch sipò mekanik pandan pwosesis transfè chimik mouye22,34,38. Kontrèman ak transfè chimik mouye grafèn yon sèl kouch sipòte pa polimè38, nou te jwenn ke tou de bò NGF ki grandi a ka transfere san sipò polimè, jan yo montre nan Figi 2a (gade Figi SI4a pou plis detay). Transfè NGF sou yon substrat bay kòmanse ak grave mouye nan fim Ni30.49 ki anba a. Echantiyon NGF/Ni/NGF ki grandi yo te mete lannwit lan nan 15 mL 70% HNO3 dilye ak 600 mL dlo deyonize (DI). Apre papye Ni a fin fonn nèt, FS-NGF rete plat epi li flote sou sifas likid la, menm jan ak echantiyon NGF/Ni/NGF la, pandan BS-NGF benyen nan dlo (Fig. 2a,b). Apre sa, yo te transfere NGF izole a soti nan yon bechè ki gen dlo fre deyonize nan yon lòt bechè epi yo te byen lave NGF izole a, yo te repete pwosesis la kat a sis fwa nan plat an vè konkav la. Finalman, yo te mete FS-NGF ak BS-NGF sou substra yo te vle a (Fig. 2c).
Pwosesis transfè chimik imid san polymère pou NGF ki grandi sou papye nikèl: (a) Dyagram koule pwosesis la (gade Figi SI4 pou plis detay), (b) Foto dijital NGF separe a apre grave Ni (2 echantiyon), (c) Egzanp transfè FS – ak BS-NGF sou yon substrat SiO2/Si, (d) Transfè FS-NGF sou yon substrat polymère opak, (e) BS-NGF ki soti nan menm echantiyon ak panèl d a (divize an de pati), transfere sou papye C plake lò ak Nafion (substra transparan fleksib, bor yo make ak kwen wouj).
Remake byen ke transfè SLG ki fèt lè l sèvi avèk metòd transfè chimik mouye mande yon tan pwosesis total de 20-24 èdtan 38. Avèk teknik transfè san polymère ki demontre isit la (Figi SI4a), tan pwosesis transfè NGF total la redwi anpil (apeprè 15 èdtan). Pwosesis la konsiste de: (Etap 1) Prepare yon solisyon grave epi mete echantiyon an ladan l (~10 minit), answit tann lannwit pou grave Ni a (~7200 minit), (Etap 2) Rense l avèk dlo deyonize (Etap – 3). Sere l nan dlo deyonize oubyen transfere l sou yon substra sib (20 min). Dlo ki bloke ant NGF a ak matris la retire pa aksyon kapilè (lè l sèvi avèk papye absorban)38, answit gout dlo ki rete yo retire pa siye natirèl (apeprè 30 min), epi finalman echantiyon an seche pandan 10 min. nan yon fou vakyòm (10-1 mbar) a 50-90 °C (60 min) 38.
Li konnen grafit reziste prezans dlo ak lè nan tanperati ki wo ase (≥ 200 °C)50,51,52. Nou te teste echantiyon yo lè l sèvi avèk spektroskopi Raman, SEM, ak XRD apre yo fin estoke yo nan dlo deyonize nan tanperati chanm ak nan boutèy sele pou nenpòt kote soti nan kèk jou rive nan yon ane (Figi SI4). Pa gen okenn degradasyon aparan. Figi 2c montre FS-NGF ak BS-NGF ki kanpe poukont yo nan dlo deyonize. Nou te kaptire yo sou yon substra SiO2 (300 nm)/Si, jan yo montre nan kòmansman Figi 2c. Anplis de sa, jan yo montre nan Figi 2d,e, yo ka transfere NGF kontinyèl sou divès substra tankou polymère (poliamid Thermabright ki soti nan Nexolve ak Nafion) ak papye kabòn kouvri ak lò. Yo te fasil pou mete FS-NGF k ap flote a sou substra sib la (Fig. 2c, d). Sepandan, echantiyon BS-NGF ki pi gwo pase 3 cm2 te difisil pou manyen lè yo te plonje nèt nan dlo. Anjeneral, lè yo kòmanse woule nan dlo, akòz neglijans nan manyen yo pafwa kraze an de ou twa pati (Fig. 2e). An jeneral, nou te kapab reyalize transfè PS- ak BS-NGF san polymère (transfè kontinyèl san pwoblèm san kwasans NGF/Ni/NGF nan 6 cm2) pou echantiyon jiska 6 ak 3 cm2 nan sifas, respektivman. Nenpòt gwo oswa ti moso ki rete yo ka (fasil pou wè nan solisyon grave a oswa dlo deyonize) sou substra a vle a (~1 mm2, Figi SI4b, gade echantiyon transfere nan griy kwiv la tankou nan "FS-NGF: Estrikti ak Pwopriyete (diskite) anba "Estrikti ak Pwopriyete") oswa estoke pou itilizasyon nan lavni (Figi SI4). Baze sou kritè sa a, nou estime ke NGF ka refè nan sede jiska 98-99% (apre kwasans pou transfè).
Yo te analize an detay echantiyon transfè san polymère. Karakteristik mòfolojik sifas yo te jwenn sou FS- ak BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) lè l sèvi avèk mikwoskòp optik (OM) ak imaj SEM (Fig. SI5 ak Fig. 3) te montre ke echantiyon sa yo te transfere san mikwoskòp. Domaj estriktirèl vizib tankou fant, twou, oswa zòn ki pa woule. Pli yo sou NGF k ap grandi a (Fig. 3b, d, make ak flèch mov) te rete entak apre transfè a. Tou de FS- ak BS-NGF yo konpoze de rejyon FLG (rejyon klere ki endike pa flèch ble nan Figi 3). Etonan, kontrèman ak kèk rejyon domaje yo tipikman obsève pandan transfè polymère nan fim grafit ultramens, plizyè rejyon FLG ak MLG gwosè mikwon ki konekte ak NGF a (make pa flèch ble nan Figi 3d) te transfere san fant oswa kase (Figi 3d). 3). Yo te konfime entegrite mekanik la pi lwen lè l sèvi avèk imaj TEM ak SEM NGF ki te transfere sou griy kwiv kabòn-dansèl, jan nou pral diskite pita ("FS-NGF: Estrikti ak Pwopriyete"). BS-NGF/SiO2/Si ki te transfere a pi graj pase FS-NGF/SiO2/Si ak valè rms 140 nm ak 17 nm, respektivman, jan yo montre nan Figi SI6a ak b (20 × 20 μm2). Valè RMS NGF ki te transfere sou substrat SiO2/Si a (RMS < 2 nm) siyifikativman pi ba (apeprè 3 fwa) pase sa NGF ki te grandi sou Ni (Figi SI2), sa ki endike ke graj adisyonèl la ka koresponn ak sifas Ni a. Anplis de sa, imaj AFM ki te fèt sou kwen echantiyon FS- ak BS-NGF/SiO2/Si yo te montre epesè NGF 100 ak 80 nm, respektivman (Fig. SI7). Epesè BS-NGF ki pi piti a ka yon rezilta sifas la pa te ekspoze dirèkteman a gaz prekisè a.
NGF (NiAG) transfere san polymère sou yon waf SiO2/Si (gade Figi 2c): (a,b) Imaj SEM FS-NGF transfere a: agrandisman fèb ak fò (ki koresponn ak kare zoranj lan nan panèl la). Zòn tipik) – a). (c,d) Imaj SEM BS-NGF transfere a: agrandisman fèb ak fò (ki koresponn ak zòn tipik kare zoranj lan montre nan panèl c). (e, f) Imaj AFM FS- ak BS-NGF transfere yo. Flèch ble a reprezante rejyon FLG a – kontras klere, flèch syan – kontras MLG nwa, flèch wouj – kontras nwa reprezante rejyon NGF a, flèch magenta a reprezante pli a.
Yo te analize konpozisyon chimik FS- ak BS-NGF yo ki te grandi epi ki te transfere yo pa espektroskopi fotoelektwon reyon X (XPS) (Fig. 4). Yo te obsève yon pik fèb nan spectre yo mezire (Fig. 4a, b), ki koresponn ak substrat Ni a (850 eV) nan FS- ak BS-NGF yo ki te grandi (NiAG). Pa gen okenn pik nan spectre yo mezire nan FS- ak BS-NGF/SiO2/Si ki te transfere yo (Fig. 4c; rezilta menm jan an pou BS-NGF/SiO2/Si yo pa montre), sa ki endike ke pa gen okenn kontaminasyon Ni rezidyèl apre transfè a. Figi 4d-f yo montre spectre wo rezolisyon nivo enèji C 1 s, O 1 s ak Si 2p nan FS-NGF/SiO2/Si. Enèji lyezon C 1 s nan grafit se 284.4 eV53.54. Fòm lineyè pik grafit yo jeneralman konsidere kòm asimetrik, jan yo montre nan Figi 4d54. Espèk C 1 s nivo nwayo ki gen gwo rezolisyon an (Fig. 4d) te konfime tou transfè pi (sa vle di, pa gen okenn rezidi polymère), ki konsistan avèk etid anvan yo38. Lajè liy espèk C 1 s echantiyon ki fèk grandi a (NiAG) ak apre transfè a se 0.55 ak 0.62 eV, respektivman. Valè sa yo pi wo pase sa yo ki nan SLG (0.49 eV pou SLG sou yon substra SiO2)38. Sepandan, valè sa yo pi piti pase lajè liy ki te rapòte deja pou echantiyon grafèn pirolitik ki trè oryante (~0.75 eV)53,54,55, sa ki endike absans sit kabòn ki defektye nan materyèl aktyèl la. Espèk nivo tè C 1 s ak O 1 s yo tou manke zepòl, sa ki elimine nesesite pou dekonvolisyon pik ki gen gwo rezolisyon54. Gen yon pik satelit π → π* alantou 291.1 eV, ki souvan obsève nan echantiyon grafit. Siyal 103 eV ak 532.5 eV yo nan spectre nivo nwayo Si 2p ak O 1 s yo (gade Fig. 4e, f) yo atribiye a substra SiO2 56 la, respektivman. XPS se yon teknik sansib a sifas, kidonk siyal ki koresponn ak Ni ak SiO2 detekte anvan ak apre transfè NGF, respektivman, yo sipoze soti nan rejyon FLG la. Yo te obsève rezilta menm jan an pou echantiyon BS-NGF transfere yo (pa montre).
Rezilta NiAG XPS: (ac) Espèk sondaj diferan konpozisyon atomik eleman FS-NGF/Ni ki grandi, BS-NGF/Ni ak FS-NGF/SiO2/Si transfere, respektivman. (d–f) Espèk wo rezolisyon nivo nwayo C 1 s, O 1s ak Si 2p echantiyon FS-NGF/SiO2/Si a.
Yo te evalye kalite jeneral kristal NGF yo te transfere yo lè l sèvi avèk difraksyon reyon X (XRD). Modèl XRD tipik yo (Fig. SI8) FS- ak BS-NGF/SiO2/Si ki te transfere yo montre prezans pik difraksyon (0 0 0 2) ak (0 0 0 4) nan 26.6° ak 54.7°, menm jan ak grafit. . Sa konfime gwo kalite cristalline NGF la epi li koresponn ak yon distans entèkouch d = 0.335 nm, ki konsève apre etap transfè a. Entansite pik difraksyon an (0 0 0 2) se apeprè 30 fwa entansite pik difraksyon an (0 0 0 4), sa ki endike ke plan kristal NGF la byen aliyen ak sifas echantiyon an.
Dapre rezilta SEM, spektroskopi Raman, XPS ak XRD, yo te jwenn ke kalite BS-NGF/Ni a te menm jan ak FS-NGF/Ni a, byenke brutality rms li te yon ti kras pi wo (Figi SI2, SI5) ak SI7).
SLG ak kouch sipò polimè jiska 200 nm epesè ka flote sou dlo. Konfigirasyon sa a souvan itilize nan pwosesis transfè chimik mouye ak polimè22,38. Grafèn ak grafit idrofob (ang mouye 80–90°) 57. Yo rapòte ke sifas enèji potansyèl tou de grafèn ak FLG yo byen plat, ak yon enèji potansyèl ki ba (~1 kJ/mol) pou mouvman lateral dlo nan sifas la58. Sepandan, enèji entèraksyon kalkile dlo ak grafèn ak twa kouch grafèn yo apeprè -13 ak -15 kJ/mol,58 respektivman, sa ki endike ke entèraksyon dlo ak NGF (anviwon 300 kouch) pi ba konpare ak grafèn. Sa a ka youn nan rezon ki fè NGF endepandan rete plat sou sifas dlo a, pandan ke grafèn endepandan (ki flote nan dlo) pliye epi kraze. Lè NGF konplètman plonje nan dlo (rezilta yo se menm bagay la pou NGF ki graj ak plat), bor li yo pliye (Figi SI4). Nan ka imèsyon konplè, yo prevwa ke enèji entèraksyon NGF-dlo a prèske double (konpare ak NGF k ap flote) epi ke bor NGF yo pliye pou kenbe yon ang kontak ki wo (idrofobisite). Nou kwè ke yo ka devlope estrateji pou evite pliye bor NGF entegre yo. Yon apwòch se itilize sòlvan melanje pou module reyaksyon mouyaj fim grafit la59.
Yo te deja rapòte transfè SLG sou divès kalite substrats atravè pwosesis transfè chimik mouye. Anjeneral, yo aksepte ke fòs van der Waals fèb egziste ant fim grafèn/grafit ak substrats yo (kit se substrats rijid tankou SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si poto22 ak fim kabòn dantèl30, 34 oswa substrats fleksib tankou poliimid 37). Isit la nou sipoze ke entèraksyon menm kalite yo predomine. Nou pa t obsève okenn domaj oswa dekole NGF pou okenn nan substrats yo prezante isit la pandan manyen mekanik (pandan karakterizasyon anba kondisyon vakyòm ak/oswa atmosferik oswa pandan depo) (pa egzanp, Figi 2, SI7 ak SI9). Anplis de sa, nou pa t obsève yon pik SiC nan spectre XPS C 1 s nan nivo debaz echantiyon NGF/SiO2/Si a (Fig. 4). Rezilta sa yo endike ke pa gen okenn lyezon chimik ant NGF ak substrats sib la.
Nan seksyon anvan an, "Transfè FS- ak BS-NGF san polymère," nou te demontre ke NGF ka grandi epi transfere sou tou de bò papye nikèl la. FS-NGF ak BS-NGF sa yo pa idantik an tèm de aspè sifas, sa ki te pouse nou pou nou eksplore aplikasyon ki pi apwopriye pou chak kalite.
Lè nou konsidere transparans ak sifas ki pi lis FS-NGF la, nou te etidye estrikti lokal li a, pwopriyete optik ak elektrik li yo an plis detay. Nou te karakterize estrikti FS-NGF san transfè polimè a pa imaj mikwoskòp elektwonik transmisyon (TEM) ak analiz modèl difraksyon elektwon zòn seleksyone (SAED). Rezilta korespondan yo montre nan Figi 5. Imaj TEM planar ki gen ti agrandisman te revele prezans rejyon NGF ak FLG ak diferan karakteristik kontras elektwon, sa vle di zòn ki pi fonse ak pi klere, respektivman (Fig. 5a). Fim nan an jeneral montre bon entegrite mekanik ak estabilite ant diferan rejyon NGF ak FLG yo, ak bon sipèpoze e pa gen domaj oswa chire, sa ki te konfime tou pa SEM (Figi 3) ak etid TEM ki gen gwo agrandisman (Figi 5c-e). An patikilye, nan Fig. Figi 5d montre estrikti pon an nan pi gwo pati li (pozisyon ki make pa flèch pwen nwa a nan Figi 5d), ki karakterize pa yon fòm triyangilè epi ki konsiste de yon kouch grafèn ki gen yon lajè anviwon 51. Konpozisyon an ki gen yon espasman entèplanè 0.33 ± 0.01 nm vin pi redwi a plizyè kouch grafèn nan rejyon ki pi etwat la (fen flèch nwa solid la nan Figi 5 d).
Imaj TEM planè yon echantiyon NiAG san polymère sou yon griy kwiv kabòn dantèl: (a, b) Imaj TEM ki gen ti agrandisman ki gen ladan rejyon NGF ak FLG, (ce) Imaj ki gen gwo agrandisman nan divès rejyon nan panèl-a ak panèl-b yo make ak flèch menm koulè. Flèch vèt nan panèl a ak c yo endike zòn sikilè ki domaje pandan aliyman gwo bout bwa a. (f-i) Nan panèl a rive nan c, modèl SAED nan diferan rejyon yo endike pa sèk ble, syan, zoranj ak wouj, respektivman.
Estrikti riban nan Figi 5c a montre (make ak flèch wouj) oryantasyon vètikal plan rezo grafit yo, ki ka akòz fòmasyon nanopli sou fim nan (anndan Figi 5c) akòz yon estrès tayisman ki pa konpanse anplis30,61,62. Anba TEM wo rezolisyon, nanopli sa yo30 montre yon oryantasyon kristalografik diferan pase rès rejyon NGF la; plan bazal rezo grafit la oryante prèske vètikalman, olye ke orizontalman tankou rès fim nan (anndan Figi 5c). Menm jan an tou, rejyon FLG a pafwa montre pli lineyè ak etwat ki sanble ak bann (make ak flèch ble), ki parèt nan agrandisman ki ba ak mwayen nan Figi 5b, 5e, respektivman. Anndan Figi 5e a konfime prezans kouch grafèn de ak twa kouch nan sektè FLG a (distans entèplanè 0.33 ± 0.01 nm), ki an bon akò ak rezilta anvan nou yo30. Anplis de sa, imaj SEM anrejistre nan NGF san polimè transfere sou griy kwiv ak fim kabòn dantèl (apre yo fin fè mezi TEM anlè) yo montre nan Figi SI9. Rejyon FLG ki byen sispann an (make ak flèch ble a) ak rejyon kase a nan Figi SI9f. Flèch ble a (nan kwen NGF transfere a) prezante espre pou demontre ke rejyon FLG a ka reziste pwosesis transfè a san polimè. An rezime, imaj sa yo konfime ke NGF ki pasyèlman sispann (ki gen ladan rejyon FLG a) kenbe entegrite mekanik menm apre yon manyen rijid ak ekspozisyon a yon gwo vakyòm pandan mezi TEM ak SEM (Figi SI9).
Akòz ekselan platite NGF a (gade Figi 5a), li pa difisil pou oryante flokon yo sou aks domèn [0001] la pou analize estrikti SAED la. Tou depan de epesè lokal fim nan ak kote li ye a, plizyè rejyon enterè (12 pwen) te idantifye pou etid difraksyon elektwon. Nan Figi 5a-c, kat nan rejyon tipik sa yo montre epi make ak sèk koulè (ble, syan, zoranj, ak wouj kode). Figi 2 ak 3 pou mòd SAED. Figi 5f ak g yo te jwenn nan rejyon FLG ki montre nan Figi 5 ak 5. Jan yo montre nan Figi 5b ak c, respektivman. Yo gen yon estrikti egzagonal menm jan ak grafèn trese63. An patikilye, Figi 5f montre twa modèl sipèpoze ak menm oryantasyon aks zòn [0001] la, ki vire pa 10° ak 20°, jan yo montre sa pa move matche angilè twa pè refleksyon (10-10) yo. Menm jan an tou, Figi 5g montre de modèl egzagonal sipèpoze ki vire 20°. De ou twa gwoup modèl egzagonal nan rejyon FLG a ka soti nan twa kouch grafèn 33 ki nan plan an oswa ki pa nan plan an epi ki vire youn parapò ak lòt. Okontrè, modèl difraksyon elektwon yo nan Figi 5h,i (ki koresponn ak rejyon NGF ki montre nan Figi 5a) montre yon sèl modèl [0001] ak yon entansite difraksyon pwen ki pi wo an jeneral, ki koresponn ak yon pi gwo epesè materyèl. Modèl SAED sa yo koresponn ak yon estrikti grafit ki pi epè ak yon oryantasyon entèmedyè pase FLG, jan yo dedwi nan endèks 64 la. Karakterizasyon pwopriyete cristalline NGF yo te revele koegzistans de ou twa kristalit grafit (oswa grafèn) sipèpoze. Sa ki patikilyèman remakab nan rejyon FLG a se ke kristalit yo gen yon sèten degre dezoryantasyon nan plan an oswa ki pa nan plan an. Patikil/kouch grafit ki gen ang wotasyon nan plan 17°, 22° ak 25° te deja rapòte pou NGF ki grandi sou fim Ni 64. Valè ang wotasyon yo obsève nan etid sa a konsistan avèk ang wotasyon yo te obsève deja (±1°) pou grafèn BLG63 trese.
Yo te mezire pwopriyete elektrik NGF/SiO2/Si yo a 300 K sou yon sifas 10×3 mm2. Valè konsantrasyon transpòtè elektwon, mobilite ak konduktivite yo se 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ak 2000 S-cm-1, respektivman. Valè mobilite ak konduktivite NGF nou an sanble ak grafit natirèl2 epi pi wo pase grafit pirolitik trè oryante ki disponib nan komès (pwodui a 3000 °C)29. Valè konsantrasyon transpòtè elektwon yo obsève yo de lòd mayitid pi wo pase sa yo rapòte dènyèman (7.25 × 10 cm-3) pou fim grafit ki gen epesè mikwon ki prepare lè l sèvi avèk fèy poliimid ki fèt nan tanperati ki wo (3200 °C)20.
Nou te fè mezi transmisyon UV-vizib sou FS-NGF transfere sou substrats kwatz (Figi 6). Espèk ki te rezilta a montre yon transmisyon prèske konstan de 62% nan seri 350–800 nm, sa ki endike ke NGF translisid nan limyè vizib. Anfèt, non "KAUST" la ka wè nan foto dijital echantiyon an nan Figi 6b. Malgre ke estrikti nanokristalin NGF a diferan de sa ki nan SLG, kantite kouch yo ka estime apeprè lè l sèvi avèk règ 2.3% pèt transmisyon pou chak kouch adisyonèl65. Dapre relasyon sa a, kantite kouch grafèn ki gen 38% pèt transmisyon se 21. NGF ki grandi a konsiste sitou de 300 kouch grafèn, sa vle di anviwon 100 nm epesè (Fig. 1, SI5 ak SI7). Se poutèt sa, nou sipoze ke transparans optik ki obsève a koresponn ak rejyon FLG ak MLG yo, piske yo distribye nan tout fim nan (Fig. 1, 3, 5 ak 6c). Anplis done estriktirèl ki anwo yo, konduktivite ak transparans konfime tou gwo kalite cristalline NGF transfere a.
(a) Mezi transmisyon UV-vizib, (b) transfè NGF tipik sou kwatz lè l sèvi avèk yon echantiyon reprezantatif. (c) Schema NGF (bwat nwa) ak rejyon FLG ak MLG distribye respire ki make kòm fòm gri o aza nan tout echantiyon an (gade Figi 1) (apeprè 0.1–3% zòn pou chak 100 μm2). Fòm o aza yo ak gwosè yo nan dyagram nan se pou rezon ilistratif sèlman epi yo pa koresponn ak zòn reyèl yo.
NGF translisid ki grandi pa CVD te deja transfere sou sifas silikon toutouni epi yo te itilize li nan selil solè15,16. Efikasite konvèsyon pouvwa (PCE) ki kapab lakòz la se 1.5%. NGF sa yo fè plizyè fonksyon tankou kouch konpoze aktif, chemen transpò chaj, ak elektwòd transparan15,16. Sepandan, fim grafit la pa inifòm. Li nesesè pou optimize plis lè w kontwole ak anpil atansyon rezistans fèy la ak transmisyon optik elektwòd grafit la, piske de pwopriyete sa yo jwe yon wòl enpòtan nan detèmine valè PCE selil solè a15,16. Tipikman, fim grafèn yo transparan 97.7% pou limyè vizib, men yo gen yon rezistans fèy 200-3000 ohm/sq.16. Rezistans sifas fim grafèn yo ka redwi lè w ogmante kantite kouch yo (plizyè transfè kouch grafèn) epi dopan ak HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Sepandan, pwosesis sa a pran anpil tan epi diferan kouch transfè yo pa toujou kenbe bon kontak. NGF devan nou an gen pwopriyete tankou konduktivite 2000 S/cm, rezistans fèy fim 50 ohm/sq. ak 62% transparans, sa ki fè li yon altènatif solid pou chanèl kondiktif oswa kont-elektwòd nan selil solè15,16.
Malgre ke estrikti ak chimi sifas BS-NGF yo sanble ak FS-NGF, aspè aspè li diferan ("Kwasans FS- ak BS-NGF"). Anvan sa, nou te itilize grafit fim ultra-mens22 kòm yon detèktè gaz. Se poutèt sa, nou te teste posibilite pou itilize BS-NGF pou travay deteksyon gaz (Figi SI10). Premyèman, pòsyon mm2 nan BS-NGF yo te transfere sou chip detèktè elektwòd entèdijitasyon an (Figi SI10a-c). Detay fabrikasyon chip la te rapòte deja; zòn aktif sansib li se 9 mm267. Nan imaj SEM yo (Figi SI10b ak c), elektwòd lò ki anba a vizib klèman atravè NGF la. Yon lòt fwa ankò, nou ka wè ke yo te reyalize yon kouvèti inifòm chip pou tout echantiyon yo. Yo te anrejistre mezi detèktè gaz divès gaz yo (Fig. SI10d) (Fig. SI11) epi to repons ki soti yo montre nan Fig. SI10g. Pwobableman avèk lòt gaz ki entèfere tankou SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ak NH3 (200 ppm). Yon kòz posib se NO2. nati elektwofil gaz la22,68. Lè li adsorbe sou sifas grafèn, li diminye absòpsyon aktyèl elektwon yo pa sistèm nan. Yon konparezon done tan repons detèktè BS-NGF la ak detèktè ki te pibliye deja prezante nan Tablo SI2. Mekanis pou reyaktive detèktè NGF yo lè l sèvi avèk plasma UV, plasma O3 oswa tretman tèmik (50–150°C) echantiyon ekspoze yo ap kontinye, idealman apre sa aplikasyon sistèm entegre yo69.
Pandan pwosesis CVD a, kwasans grafèn fèt sou tou de bò substrat katalis la41. Sepandan, BS-grafèn anjeneral sòti pandan pwosesis transfè a41. Nan etid sa a, nou demontre ke kwasans NGF kalite siperyè ak transfè NGF san polymère ka reyalize sou tou de bò sipò katalis la. BS-NGF pi mens (~80 nm) pase FS-NGF (~100 nm), e diferans sa a eksplike pa lefèt ke BS-Ni pa ekspoze dirèkteman a koule gaz prekisè a. Nou te jwenn tou ke aspè sifas substrat NiAR la enfliyanse aspè NGF la. Rezilta sa yo endike ke FS-NGF planè ki grandi a ka itilize kòm yon materyèl prekisè pou grafèn (pa metòd èksfolyasyon70) oswa kòm yon kanal kondiktif nan selil solè15,16. Okontrè, BS-NGF pral itilize pou deteksyon gaz (Fig. SI9) e petèt pou sistèm depo enèji71,72 kote aspè sifas li pral itil.
Lè nou konsidere sa ki anwo yo, li itil pou konbine travay aktyèl la ak fim grafit ki te pibliye deja, ki te kiltive pa CVD epi ki te itilize papye nikèl. Jan nou ka wè nan Tablo 2, presyon ki pi wo nou te itilize yo te diminye tan reyaksyon an (etap kwasans lan) menm nan tanperati relativman ba (nan seri 850-1300 °C). Nou te reyalize tou yon kwasans ki pi gwo pase nòmal, sa ki endike potansyèl pou ekspansyon. Gen lòt faktè pou konsidere, kèk ladan yo nou te enkli nan tablo a.
Yo te fè NGF doub-fas kalite siperyè grandi sou papye nikèl grasa CVD katalitik. Lè nou elimine substrats polymère tradisyonèl yo (tankou sa yo itilize nan grafèn CVD), nou reyalize yon transfè mouye pwòp e san domaj nan NGF (ki grandi sou do ak devan papye nikèl la) sou yon varyete substrats kritik pou pwosesis la. Li enpòtan pou note ke NGF gen ladan rejyon FLG ak MLG (tipikman 0.1% a 3% pou chak 100 µm2) ki byen entegre estriktirèlman nan fim ki pi epè a. Planar TEM montre ke rejyon sa yo konpoze de pil de a twa patikil grafit/grafèn (kristal oswa kouch, respektivman), kèk ladan yo ki gen yon move matche wotasyonèl 10-20°. Rejyon FLG ak MLG yo responsab pou transparans FS-NGF a limyè vizib. Kanta pou fèy dèyè yo, yo ka pote paralèl ak fèy devan yo epi, jan yo montre a, yo ka gen yon objektif fonksyonèl (pa egzanp, pou deteksyon gaz). Etid sa yo trè itil pou diminye gaspiyaj ak depans nan pwosesis CVD nan echèl endistriyèl.
An jeneral, epesè mwayèn CVD NGF a sitiye ant grafèn (kouch ki ba ak plizyè kouch) ak fèy grafit endistriyèl (mikwomèt). Gam pwopriyete enteresan yo, konbine avèk metòd senp nou devlope pou pwodiksyon ak transpò yo, fè fim sa yo patikilyèman apwopriye pou aplikasyon ki mande repons fonksyonèl grafit, san depans pwosesis pwodiksyon endistriyèl ki konsome anpil enèji yo itilize kounye a.
Yo te enstale yon papye nikèl 25 μm epesè (pite 99.5%, Goodfellow) nan yon reaktè CVD komèsyal (Aixtron 4-pous BMPro). Yo te pirifye sistèm nan ak agon epi yo te mete l nan yon presyon debaz 10-3 mbar. Apre sa, yo te mete papye nikèl la nan Ar/H2 (Apre yo te fin pre-rekui papye Ni a pandan 5 minit, yo te ekspoze papye a a yon presyon 500 mbar a 900 °C). Yo te depoze NGF nan yon koule CH4/H2 (100 cm3 chak) pandan 5 minit. Apre sa, yo te refwadi echantiyon an a yon tanperati ki anba 700 °C lè l sèvi avèk yon koule Ar (4000 cm3) a 40 °C/min. Yo dekri detay sou optimize pwosesis kwasans NGF a yon lòt kote30.
Yo te vizyalize mòfoloji sifas echantiyon an pa SEM lè l sèvi avèk yon mikwoskòp Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Yo te mezire aspè sifas echantiyon an ak epesè NGF la lè l sèvi avèk AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Yo te fè mezi TEM ak SAED yo lè l sèvi avèk yon mikwoskòp FEI Titan 80–300 Cubed ekipe ak yon zam emisyon chan mayetik trè klè (300 kV), yon monokromatè tip FEI Wien ak yon koreksyon aberasyon esferik lantiy CEOS pou jwenn rezilta final yo. Rezolisyon espasyal 0.09 nm. Yo te transfere echantiyon NGF yo sou griy kwiv kouvri ak kabòn lacy pou imaj TEM plat ak analiz estrikti SAED. Kidonk, pifò nan flok echantiyon yo sispann nan porositë manbràn sipò a. Yo te analize echantiyon NGF yo te transfere yo pa XRD. Yo te jwenn modèl difraksyon reyon X yo lè l sèvi avèk yon difraktomèt poud (Brucker, defaz D2 ak sous Cu Kα, 1.5418 Å ak detektè LYNXEYE) lè l sèvi avèk yon sous radyasyon Cu ak yon dyamèt tach gwo bout bwa 3 mm.
Yo te anrejistre plizyè mezi pwen Raman lè l sèvi avèk yon mikwoskòp konfokal entegrasyon (Alpha 300 RA, WITeC). Yo te itilize yon lazè 532 nm ki gen yon puisans eksitasyon ki ba (25%) pou evite efè pwovoke pa tèmik. Yo te fè spektroskopi fotoelektwon reyon X (XPS) sou yon spektromèt Kratos Axis Ultra sou yon zòn echantiyon 300 × 700 μm2 lè l sèvi avèk radyasyon monokromatik Al Kα (hν = 1486.6 eV) nan yon puisans 150 W. Yo te jwenn spèk rezolisyon yo nan enèji transmisyon 160 eV ak 20 eV, respektivman. Yo te koupe echantiyon NGF yo ki te transfere sou SiO2 an moso (3 × 10 mm2 chak) lè l sèvi avèk yon lazè fib yterbyòm PLS6MW (1.06 μm) nan 30 W. Yo te fabrike kontak fil kwiv (50 μm epesè) lè l sèvi avèk pat ajan anba yon mikwoskòp optik. Yo te fè eksperyans transpò elektrik ak efè Hall sou echantiyon sa yo nan 300 K ak yon varyasyon chan mayetik ± 9 Tesla nan yon sistèm mezi pwopriyete fizik (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Yo te anrejistre espèk UV-vis transmèt yo lè l sèvi avèk yon espektrofotomèt Lambda 950 UV-vis nan seri NGF 350–800 nm ki te transfere sou substrats kwatz ak echantiyon referans kwatz.
Yo te konekte detèktè rezistans chimik la (chip elektwòd entèdijite) ak yon sikwi enprime koutim 73 epi yo te retire rezistans lan tanporèman. Yo konekte sikwi enprime kote aparèy la ye a ak tèminal kontak yo epi yo mete l andedan chanm deteksyon gaz 74 la. Yo te pran mezi rezistans yo nan yon vòltaj 1 V ak yon eskanè kontinyèl soti nan pirifikasyon rive nan ekspozisyon gaz epi answit pirifikasyon ankò. Okòmansman, yo te netwaye chanm nan lè yo te pirifye l ak nitwojèn a 200 cm3 pandan 1 èdtan pou asire yo te retire tout lòt analit ki prezan nan chanm nan, tankou imidite. Apre sa, yo te lage chak analit dousman nan chanm nan nan menm vitès koule 200 cm3 la lè yo te fèmen silenn N2 a.
Yo pibliye yon vèsyon revize atik sa a epi ou ka jwenn li atravè lyen ki anlè atik la.
Inagaki, M. ak Kang, F. Syans ak Jeni Materyèl Kabòn: Fondamantal. Dezyèm edisyon modifye. 2014. 542.
Pearson, HO Manyèl Kabòn, Grafit, Dyaman ak Fullerèn: Pwopriyete, Pwosesis ak Aplikasyon. Premye edisyon an te modifye. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Fim grafèn/grafit miltikouch gwo sifas kòm elektwòd kondiktif mens transparan. aplikasyon. fizik. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Pwopriyete tèmik grafèn ak materyèl kabòn nanostriktire. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ak Cahill DG Konduktivite tèmik fim grafit ki grandi sou Ni (111) pa depo vapè chimik nan ba tanperati. advèb. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kwasans kontinyèl fim grafèn pa depo vapè chimik. aplikasyon. fizik. Wright. 98(13), 133106(2011).
Dat piblikasyon: 23 Out 2024