Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի CSS-ի սահմանափակ աջակցություն: Լավագույն արդյունքի հասնելու համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել ձեր դիտարկիչի ավելի նոր տարբերակ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչ այդ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճավորման կամ JavaScript-ի:
Նանոմասշտաբի գրաֆիտային թաղանթները (ՆԳԹ) ամուր նանոմատերիալներ են, որոնք կարող են արտադրվել կատալիտիկ քիմիական գոլորշիների նստեցման միջոցով, սակայն հարցեր են մնում դրանց փոխանցման հեշտության և այն մասին, թե ինչպես է մակերեսի ձևաբանությունը ազդում դրանց օգտագործման վրա հաջորդ սերնդի սարքերում: Այստեղ մենք ներկայացնում ենք ՆԳԹ-ի աճը պոլիկրիստալ նիկելային թաղանթի երկու կողմերում (մակերես՝ 55 սմ2, հաստություն՝ մոտ 100 նմ) և դրա պոլիմերներից զերծ փոխանցումը (առջևի և հետևի, մակերես՝ մինչև 6 սմ2): Կատալիզատորային թաղանթի ձևաբանության պատճառով երկու ածխածնային թաղանթները տարբերվում են իրենց ֆիզիկական հատկություններով և այլ բնութագրերով (օրինակ՝ մակերեսի կոպտությամբ): Մենք ցույց ենք տալիս, որ ավելի կոպիտ հետևի կողմ ունեցող ՆԳԹ-ները լավ են համապատասխանում NO2 հայտնաբերմանը, մինչդեռ առջևի կողմում գտնվող ավելի հարթ և ավելի հաղորդիչ ՆԳԹ-ները (2000 Ս/սմ, թերթի դիմադրություն՝ 50 օհմ/մ2) կարող են լինել կենսունակ հաղորդիչներ: Արեգակնային մարտկոցի ալիք կամ էլեկտրոդ (քանի որ այն փոխանցում է տեսանելի լույսի 62%-ը): Ընդհանուր առմամբ, նկարագրված աճի և փոխադրման գործընթացները կարող են օգնել ՆԳԹ-ն իրականացնել որպես այլընտրանքային ածխածնային նյութ տեխնոլոգիական կիրառությունների համար, որտեղ գրաֆենը և միկրոն հաստությամբ գրաֆիտային թաղանթները հարմար չեն:
Գրաֆիտը լայնորեն օգտագործվող արդյունաբերական նյութ է: Հատկանշական է, որ գրաֆիտն ունի համեմատաբար ցածր զանգվածային խտության և բարձր ջերմային և էլեկտրական հաղորդունակության հատկություններ, և շատ կայուն է կոշտ ջերմային և քիմիական միջավայրերում1,2: Թերթիկավոր գրաֆիտը գրաֆենի հետազոտությունների համար հայտնի ելանյութ է3: Բարակ թաղանթների վերածվելիս այն կարող է օգտագործվել լայն կիրառություններում, ներառյալ էլեկտրոնային սարքերի, ինչպիսիք են սմարթֆոնները4,5,6,7, ջերմափոխանակիչները, որպես ակտիվ նյութ սենսորներում8,9,10 և էլեկտրամագնիսական միջամտությունից պաշտպանության11,12 համար, ինչպես նաև ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման լիտոգրաֆիայի համար նախատեսված թաղանթներ13,14, ինչպես նաև արեգակնային մարտկոցներում հաղորդիչ ալիքներ15,16: Այս բոլոր կիրառությունների համար զգալի առավելություն կլիներ, եթե գրաֆիտային թաղանթների (NGF) մեծ տարածքներ, որոնց հաստությունը վերահսկվում է <100 նմ նանոմասշտաբով, հեշտությամբ արտադրվեին և տեղափոխվեին:
Գրաֆիտային թաղանթները արտադրվում են տարբեր մեթոդներով: Մի դեպքում գրաֆենի փաթիլներ ստանալու համար օգտագործվել են ներկառուցում և ընդարձակում, որին հաջորդել է շերտազատումը10,11,17: Փաթիլները պետք է հետագայում մշակվեն անհրաժեշտ հաստության թաղանթների մեջ, և խիտ գրաֆիտային թերթեր ստանալու համար հաճախ մի քանի օր է պահանջվում: Մեկ այլ մոտեցում է սկսել գրաֆիտացվող պինդ նախորդներից: Արդյունաբերությունում պոլիմերների թերթերը ածխացվում են (1000–1500 °C ջերմաստիճանում), ապա գրաֆիտացվում (2800–3200 °C ջերմաստիճանում)՝ լավ կառուցվածքային շերտավոր նյութեր ստանալու համար: Չնայած այս թաղանթների որակը բարձր է, էներգիայի սպառումը նշանակալի է1,18,19, իսկ նվազագույն հաստությունը սահմանափակվում է մի քանի միկրոնով1,18,19,20:
Կատալիտիկ քիմիական գոլորշիների նստեցումը (ԿՔԱ) գրաֆենի և գերբարակ գրաֆիտային թաղանթների (<10 նմ) արտադրության հայտնի մեթոդ է՝ բարձր կառուցվածքային որակով և մատչելի գնով21,22,23,24,25,26,27: Այնուամենայնիվ, գրաֆենի և գերբարակ գրաֆիտային թաղանթների աճի համեմատ28, ԿՔԱ-ի միջոցով NGF-ի մեծ մակերեսի աճը և/կամ կիրառումը նույնիսկ ավելի քիչ են ուսումնասիրված11,13,29,30,31,32,33:
CVD-ով աճեցված գրաֆենային և գրաֆիտային թաղանթները հաճախ անհրաժեշտ է տեղափոխել ֆունկցիոնալ հիմքերի վրա34: Այս բարակ թաղանթային փոխանցումները ներառում են երկու հիմնական մեթոդ35՝ (1) ոչ փորագրման փոխանցում36,37 և (2) փորագրման վրա հիմնված խոնավ քիմիական փոխանցում (հիմնվածքի վրա հենված)14,34,38: Յուրաքանչյուր մեթոդ ունի որոշ առավելություններ և թերություններ և պետք է ընտրվի՝ կախված նախատեսված կիրառությունից, ինչպես նկարագրված է այլուր35,39: Կատալիտիկ հիմքերի վրա աճեցված գրաֆենային/գրաֆիտային թաղանթների համար խոնավ քիմիական գործընթացներով փոխանցումը (որոնցից պոլիմեթիլ մետակրիլատը (PMMA) ամենատարածված հենարանային շերտն է) մնում է առաջին ընտրությունը13,30,34,38,40,41,42: Յու և այլք: Նշվեց, որ NGF փոխանցման համար պոլիմեր չի օգտագործվել (նմուշի չափը մոտավորապես 4 սմ2)25,43, բայց փոխանցման ընթացքում նմուշի կայունության և/կամ մշակման վերաբերյալ մանրամասներ չեն տրամադրվել։ Պոլիմերներ օգտագործող խոնավ քիմիայի գործընթացները բաղկացած են մի քանի քայլից, ներառյալ զոհաբերական պոլիմերային շերտի կիրառումը և հետագա հեռացումը30,38,40,41,42: Այս գործընթացն ունի թերություններ. օրինակ՝ պոլիմերային մնացորդները կարող են փոխել աճեցված թաղանթի հատկությունները38: Լրացուցիչ մշակումը կարող է հեռացնել մնացորդային պոլիմերը, սակայն այս լրացուցիչ քայլերը մեծացնում են թաղանթի արտադրության ծախսը և ժամանակը38,40: CVD աճի ընթացքում գրաֆենի շերտը նստեցվում է ոչ միայն կատալիզատորային փայլաթիթեղի առջևի կողմում (գոլորշու հոսքին ուղղված կողմը), այլև դրա հետևի կողմում: Այնուամենայնիվ, վերջինս համարվում է թափոն և կարող է արագ հեռացվել փափուկ պլազմայով38,41: Այս թաղանթի վերամշակումը կարող է օգնել մեծացնել արտադրողականությունը, նույնիսկ եթե այն ավելի ցածր որակի է, քան առջևի ածխածնային թաղանթը:
Այստեղ մենք ներկայացնում ենք պոլիկրիստալային նիկելային փայլաթիթեղի վրա բարձր կառուցվածքային որակով NGF-ի վաֆլիի մասշտաբի երկերեսային աճի պատրաստումը CVD մեթոդով: Գնահատվել է, թե ինչպես է փայլաթիթեղի առջևի և հետևի մակերեսների կոպտությունը ազդում NGF-ի ձևաբանության և կառուցվածքի վրա: Մենք նաև ցուցադրում ենք NGF-ի ծախսարդյունավետ և էկոլոգիապես մաքուր, պոլիմերներից զերծ փոխանցումը նիկելային փայլաթիթեղի երկու կողմերից բազմաֆունկցիոնալ հիմքերի վրա և ցույց ենք տալիս, թե ինչպես են առջևի և հետևի թաղանթները հարմար տարբեր կիրառությունների համար:
Հաջորդ բաժիններում քննարկվում են գրաֆիտային թաղանթի տարբեր հաստությունները՝ կախված դարսված գրաֆենի շերտերի քանակից. (i) միաշերտ գրաֆեն (SLG, 1 շերտ), (ii) մի քանի շերտ գրաֆեն (FLG, < 10 շերտ), (iii) բազմաշերտ գրաֆեն (MLG, 10-30 շերտ) և (iv) NGF (~300 շերտ): Վերջինս ամենատարածված հաստությունն է՝ արտահայտված մակերեսի տոկոսով (մոտավորապես 97% մակերես 100 մկմ²-ի վրա)30: Ահա թե ինչու ամբողջ թաղանթը պարզապես կոչվում է NGF:
Գրաֆենի և գրաֆիտային թաղանթների սինթեզի համար օգտագործվող պոլիկրիստալ նիկելային թիթեղները ունեն տարբեր հյուսվածքներ՝ իրենց արտադրության և հետագա մշակման արդյունքում: Վերջերս մենք հրապարակեցինք NGF30-ի աճի գործընթացը օպտիմալացնելու ուսումնասիրություն: Մենք ցույց ենք տալիս, որ աճի փուլում այնպիսի գործընթացային պարամետրեր, ինչպիսիք են թրծման ժամանակը և խցիկի ճնշումը, կարևոր դեր են խաղում միատարր հաստության NGF-ներ ստանալու գործում: Այստեղ մենք ավելի մանրամասն ուսումնասիրել ենք NGF-ի աճը նիկելային թիթեղի հղկված առջևի (FS) և չհղկված հետևի (BS) մակերեսների վրա (Նկար 1ա): Ուսումնասիրվել են FS և BS նմուշների երեք տեսակ, որոնք ներկայացված են աղյուսակ 1-ում: Տեսողական զննման ժամանակ, նիկելային թիթեղի (NiAG) երկու կողմերում NGF-ի միատարր աճը կարելի է տեսնել Ni հիմքի գույնի փոփոխության միջոցով՝ բնորոշ մետաղական արծաթագույն-մոխրագույնից մինչև մուգ մոխրագույն (Նկար 1ա). հաստատվել են մանրադիտակային չափումները (Նկար 1բ, գ): FS-NGF-ի բնորոշ Ռամանի սպեկտրը, որը դիտարկվում է պայծառ շրջանում և նշված է նկար 1բ-ում կարմիր, կապույտ և նարնջագույն նետերով, ներկայացված է նկար 1գ-ում: Գրաֆիտ G-ի (1683 սմ−1) և 2D-ի (2696 սմ−1) բնորոշ Ռամանի գագաթները հաստատում են բարձր բյուրեղային NGF-ի աճը (Նկար 1գ, աղյուսակ SI1): Ամբողջ թաղանթի վրա դիտվել է Ռամանի սպեկտրների գերակշռություն՝ ~0.3 ինտենսիվության հարաբերակցությամբ (I2D/IG), մինչդեռ Ռամանի սպեկտրներ՝ I2D/IG = 0.8-ով, հազվադեպ են դիտվել: Ամբողջ թաղանթում թերի գագաթների (D = 1350 սմ−1) բացակայությունը վկայում է NGF աճի բարձր որակի մասին: Նմանատիպ Ռամանի արդյունքներ են ստացվել BS-NGF նմուշի վրա (Նկար SI1 ա և բ, աղյուսակ SI1):
NiAG FS- և BS-NGF-ի համեմատություն. (ա) NGF (NiAG) տիպիկ նմուշի լուսանկար, որը ցույց է տալիս NGF-ի աճը վաֆլիի մասշտաբով (55 սմ2) և ստացված BS- և FS-Ni փայլաթիթեղի նմուշները, (բ) FS-NGF պատկերներ/Ni ստացված օպտիկական մանրադիտակով, (գ) b վահանակի տարբեր դիրքերում գրանցված տիպիկ Ռամանի սպեկտրներ, (դ, զ) SEM պատկերներ տարբեր մեծացումներով FS-NGF/Ni-ի վրա, (ե, է) SEM պատկերներ տարբեր մեծացումներով BS-NGF/Ni հավաքածուներ: Կապույտ նետը ցույց է տալիս FLG շրջանը, նարնջագույն նետը ցույց է տալիս MLG շրջանը (FLG շրջանի մոտ), կարմիր նետը ցույց է տալիս NGF շրջանը, իսկ մանուշակագույն նետը ցույց է տալիս ծալքը:
Քանի որ աճը կախված է սկզբնական հիմքի հաստությունից, բյուրեղի չափից, կողմնորոշումից և հատիկների սահմաններից, NGF հաստության ողջամիտ վերահսկողության հասնելը մեծ մակերեսների վրա մնում է մարտահրավեր20,34,44: Այս ուսումնասիրության մեջ օգտագործվել է մեր նախկինում հրապարակված նյութ30: Այս գործընթացը առաջացնում է 0.1-ից մինչև 3% պայծառ շրջան 100 մկմ-ի համար230: Հաջորդ բաժիններում մենք ներկայացնում ենք արդյունքներ երկու տեսակի շրջանների համար: Բարձր մեծացման SEM պատկերները ցույց են տալիս մի քանի պայծառ հակադիր տարածքների առկայությունը երկու կողմերում (Նկար 1f,g), ինչը ցույց է տալիս FLG և MLG շրջանների առկայությունը30,45: Սա նաև հաստատվել է Ռամանի ցրման (Նկար 1c) և TEM արդյունքներով (քննարկվում է ավելի ուշ՝ «FS-NGF. կառուցվածք և հատկություններ» բաժնում): FS- և BS-NGF/Ni նմուշների վրա դիտարկված FLG և MLG շրջանները (Ni-ի վրա աճեցված առջևի և հետևի NGF) կարող են աճել նախնական թրծման ընթացքում առաջացած Ni(111) մեծ հատիկների վրա22,30,45: Երկու կողմերում էլ նկատվել է ծալքավորում (Նկ. 1բ, նշված է մանուշակագույն նետերով): Այս ծալքերը հաճախ հանդիպում են CVD-ով աճեցված գրաֆենային և գրաֆիտային թաղանթներում՝ գրաֆիտի և նիկելային հիմքի միջև ջերմային ընդարձակման գործակցի մեծ տարբերության պատճառով30,38:
AFM պատկերը հաստատեց, որ FS-NGF նմուշն ավելի հարթ էր, քան BS-NGF նմուշը (Նկար SI1) (Նկար SI2): FS-NGF/Ni-ի (Նկար SI2c) և BS-NGF/Ni-ի (Նկար SI2d) միջին քառակուսի (RMS) կոպտության արժեքները համապատասխանաբար 82 և 200 նմ են (չափված 20 × 20 մկմ2 մակերեսի վրա): Ավելի բարձր կոպտությունը կարելի է հասկանալ նիկելային (NiAR) փայլաթիթեղի մակերևութային վերլուծության հիման վրա՝ ստացված վիճակում (Նկար SI3): FS-ի և BS-NiAR-ի SEM պատկերները ներկայացված են SI3a-d նկարներում, որոնք ցույց են տալիս տարբեր մակերևութային ձևաբանություններ. հղկված FS-Ni փայլաթիթեղն ունի նանո- և միկրոն չափի գնդաձև մասնիկներ, մինչդեռ չհղկված BS-Ni փայլաթիթեղը ցուցաբերում է արտադրության սանդուղք, ինչպես նաև բարձր ամրությամբ մասնիկներ: Մղված նիկելային փայլաթիթեղի (NiA) ցածր և բարձր լուծաչափով պատկերները ներկայացված են SI3e-h նկարում: Այս նկարներում մենք կարող ենք դիտարկել մի քանի միկրոն չափի նիկելի մասնիկների առկայությունը նիկելային փայլաթիթեղի երկու կողմերում (Նկ. SI3e–h): Մեծ հատիկները կարող են ունենալ Ni(111) մակերեսային կողմնորոշում, ինչպես նախկինում նշվել է30,46: FS-NiA-ի և BS-NiA-ի միջև կան էական տարբերություններ նիկելային փայլաթիթեղի ձևաբանության մեջ: BS-NGF/Ni-ի ավելի բարձր կոպտությունը պայմանավորված է BS-NiAR-ի չհղկված մակերեսով, որի մակերեսը մնում է զգալիորեն կոպիտ նույնիսկ թրծումից հետո (Նկար SI3): Աճի գործընթացից առաջ մակերեսի այս տեսակի բնութագրումը թույլ է տալիս վերահսկել գրաֆենի և գրաֆիտային թաղանթների կոպտությունը: Պետք է նշել, որ գրաֆենի աճի ընթացքում սկզբնական հիմքը ենթարկվել է հատիկների որոշակի վերակազմակերպման, ինչը փոքր-ինչ նվազեցրել է հատիկների չափը և որոշ չափով մեծացրել հիմքի մակերեսային կոպտությունը՝ համեմատած թրծված փայլաթիթեղի և կատալիզատորային թաղանթի հետ22:
Հիմքի մակերեսի կոպտության, թրծման ժամանակի (հատիկի չափս)30,47 և արտազատման վերահսկողության43 նուրբ կարգավորումը կօգնի նվազեցնել NGF-ի տարածաշրջանային հաստության միատարրությունը մկմ2 և/կամ նույնիսկ նմ2 մասշտաբով (այսինքն՝ մի քանի նանոմետր հաստության տատանումներ): Հիմքի մակերեսի կոպտությունը վերահսկելու համար կարելի է դիտարկել այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են ստացված նիկելային փայլաթիթեղի էլեկտրոլիտիկ հղկումը48: Նախապես մշակված նիկելային փայլաթիթեղը կարող է թրծվել ավելի ցածր ջերմաստիճանում (< 900 °C)46 և ժամանակում (< 5 րոպե)՝ խոշոր Ni(111) հատիկների առաջացումից խուսափելու համար (ինչը օգտակար է FLG-ի աճի համար):
SLG և FLG գրաֆենը չի կարողանում դիմակայել թթուների և ջրի մակերեսային լարվածությանը, ինչը պահանջում է մեխանիկական հենարանային շերտեր թաց քիմիական փոխանցման գործընթացների ընթացքում22,34,38: Պոլիմերային հենարանով միաշերտ գրաֆենի38 թաց քիմիական փոխանցման համեմատ, մենք պարզեցինք, որ աճեցված NGF-ի երկու կողմերն էլ կարող են փոխանցվել առանց պոլիմերային հենարանի, ինչպես ցույց է տրված նկար 2ա-ում (տե՛ս նկար SI4a-ն՝ ավելի մանրամասն տեղեկությունների համար): NGF-ի փոխանցումը տվյալ հիմքի վրա սկսվում է հիմքում ընկած Ni30.49 թաղանթի թաց փորագրմամբ: Աճեցված NGF/Ni/NGF նմուշները գիշերը տեղադրվել են 15 մլ 70% HNO3-ի մեջ, որը նոսրացվել է 600 մլ ապաիոնացված (DI) ջրով: Ni փայլաթիթեղի լրիվ լուծարումից հետո FS-NGF-ն մնում է հարթ և լողում է հեղուկի մակերեսին, ինչպես NGF/Ni/NGF նմուշը, մինչդեռ BS-NGF-ն ընկղմվում է ջրի մեջ (Նկար 2ա,բ): Այնուհետև մեկուսացված NGF-ն թարմ ապաիոնացված ջուր պարունակող մեկ բաժակից տեղափոխվեց մեկ այլ բաժակ, և մեկուսացված NGF-ն մանրակրկիտ լվացվեց՝ կրկնելով չորսից վեց անգամ գոգավոր ապակե ամանի միջով։ Վերջապես, FS-NGF-ն և BS-NGF-ն տեղադրվեցին ցանկալի հիմքի վրա (Նկ. 2գ):
Նիկելային փայլաթիթեղի վրա աճեցված NGF-ի համար պոլիմեր չպարունակող խոնավ քիմիական փոխանցման գործընթաց. (ա) Գործընթացի հոսքի դիագրամ (տե՛ս նկար SI4-ը՝ ավելի մանրամասն տեղեկությունների համար), (բ) Ni փորագրությունից հետո առանձնացված NGF-ի թվային լուսանկար (2 նմուշ), (գ) FS-ի օրինակ և BS-NGF փոխանցում SiO2/Si հիմքի վրա, (դ) FS-NGF փոխանցում անթափանց պոլիմերային հիմքի վրա, (ե) BS-NGF նույն նմուշից, ինչ d վահանակը (բաժանված երկու մասի), փոխանցված ոսկեզօծ C թղթի և Nafion-ի վրա (ճկուն թափանցիկ հիմք, եզրերը նշված են կարմիր անկյուններով):
Նկատի ունեցեք, որ խոնավ քիմիական փոխանցման մեթոդներով իրականացվող SLG փոխանցումը պահանջում է ընդհանուր 20-24 ժամ մշակման ժամանակ38: Այստեղ ցուցադրված պոլիմեր չպարունակող փոխանցման տեխնիկայի միջոցով (Նկար SI4a) NGF փոխանցման ընդհանուր մշակման ժամանակը զգալիորեն կրճատվում է (մոտավորապես 15 ժամ): Գործընթացը բաղկացած է հետևյալից. (Քայլ 1) Պատրաստել փորագրման լուծույթ և տեղադրել նմուշը դրա մեջ (մոտ 10 րոպե), այնուհետև սպասել Ni փորագրմանը մեկ գիշերվա ընթացքում (մոտ 7200 րոպե), (Քայլ 2) լվանալ ապաիոնացված ջրով (Քայլ 3), պահել ապաիոնացված ջրում կամ տեղափոխել թիրախային հիմքի վրա (20 րոպե): NGF-ի և զանգվածային մատրիցայի միջև մնացած ջուրը հեռացվում է մազանոթային գործողությամբ (օգտագործելով ծծող թուղթ)38, այնուհետև մնացած ջրի կաթիլները հեռացվում են բնական չորացմամբ (մոտավորապես 30 րոպե), և վերջապես նմուշը չորացվում է 10 րոպե վակուումային վառարանում (10-1 մբար) 50-90 °C ջերմաստիճանում (60 րոպե)38:
Գրաֆիտը հայտնի է նրանով, որ դիմանում է ջրի և օդի առկայությանը բավականին բարձր ջերմաստիճաններում (≥ 200 °C)50,51,52: Մենք փորձարկել ենք նմուշները՝ օգտագործելով Ռամանի սպեկտրոսկոպիա, SEM և XRD՝ ապաիոնացված ջրում սենյակային ջերմաստիճանում և փակ շշերում մի քանի օրից մինչև մեկ տարի պահելուց հետո (Նկար SI4): Նկատելի քայքայում չկա: Նկար 2c-ն ցույց է տալիս ինքնուրույն կանգնած FS-NGF-ը և BS-NGF-ը ապաիոնացված ջրում: Մենք դրանք որսացել ենք SiO2 (300 նմ)/Si հիմքի վրա, ինչպես ցույց է տրված նկար 2c-ի սկզբում: Բացի այդ, ինչպես ցույց է տրված նկար 2d,e-ում, անընդհատ NGF-ը կարող է փոխանցվել տարբեր հիմքերի, ինչպիսիք են պոլիմերները (Thermabright պոլիամիդ Nexolve-ից և Nafion-ից) և ոսկեպատ ածխածնային թղթի վրա: Լողացող FS-NGF-ը հեշտությամբ տեղադրվեց թիրախային հիմքի վրա (Նկար 2c, d): Այնուամենայնիվ, 3 սմ2-ից մեծ BS-NGF նմուշները դժվար էին մշակել, երբ ամբողջությամբ ընկղմվում էին ջրի մեջ: Սովորաբար, երբ նրանք սկսում են գլորվել ջրի մեջ, անզգույշ վարվելու պատճառով երբեմն բաժանվում են երկու կամ երեք մասի (Նկար 2ե): Ընդհանուր առմամբ, մենք կարողացանք հասնել PS- և BS-NGF-ի պոլիմերազուրկ փոխանցման (անընդհատ անխափան փոխանցում առանց NGF/Ni/NGF աճի 6 սմ2-ում) համապատասխանաբար մինչև 6 և 3 սմ2 մակերեսով նմուշների համար: Մնացած մեծ կամ փոքր կտորները կարող են (հեշտությամբ երևում են փորագրման լուծույթում կամ ապաիոնացված ջրում) տեղադրվել ցանկալի հիմքի վրա (~1 մմ2, նկար SI4b, տե՛ս նմուշը տեղափոխել պղնձե ցանցի վրա, ինչպես «FS-NGF. Կառուցվածք և հատկություններ (քննարկվում է) «Կառուցվածք և հատկություններ» բաժնում) կամ պահվել ապագա օգտագործման համար (Նկար SI4): Այս չափանիշի հիման վրա մենք գնահատում ենք, որ NGF-ն կարող է վերականգնվել մինչև 98-99% արտադրողականությամբ (փոխանցման համար աճեցնելուց հետո):
Առանց պոլիմերի փոխանցման նմուշները մանրամասն վերլուծվել են: FS- և BS-NGF/SiO2/Si-ի վրա (Նկար 2գ) ստացված մակերեսային ձևաբանական բնութագրերը՝ օպտիկական մանրադիտակի (OM) և SEM պատկերների միջոցով (Նկար SI5 և Նկար 3) ցույց են տվել, որ այս նմուշները փոխանցվել են առանց մանրադիտակի: Տեսանելի կառուցվածքային վնասվածքներ, ինչպիսիք են ճաքերը, անցքերը կամ չբացված հատվածները: Աճող NGF-ի վրա ծալքերը (Նկար 3բ, դ, նշված մանուշակագույն նետերով) մնացել են անվնաս փոխանցումից հետո: Եվ՛ FS-, և՛ BS-NGF-ները կազմված են FLG շրջաններից (պայծառ շրջանները նշված են կապույտ նետերով նկար 3-ում): Հետաքրքիր է, որ ի տարբերություն գերբարակ գրաֆիտային թաղանթների պոլիմերային փոխանցման ընթացքում սովորաբար դիտվող մի քանի վնասված շրջանների, NGF-ին միացող մի քանի միկրոն չափի FLG և MLG շրջաններ (նշված են կապույտ նետերով նկար 3դ-ում) փոխանցվել են առանց ճաքերի կամ կոտրվածքների (Նկար 3դ): 3). Մեխանիկական ամբողջականությունը հետագայում հաստատվել է ժանյակ-ածխածնային պղնձե ցանցերի վրա փոխանցված NGF-ի TEM և SEM պատկերների միջոցով, ինչպես քննարկվում է ավելի ուշ («FS-NGF. Կառուցվածք և հատկություններ»): Փոխադրված BS-NGF/SiO2/Si-ն ավելի կոպիտ է, քան FS-NGF/SiO2/Si-ն՝ համապատասխանաբար 140 նմ և 17 նմ rms արժեքներով, ինչպես ցույց է տրված SI6a և b նկարներում (20 × 20 մկմ2): SiO2/Si հիմքի վրա փոխանցված NGF-ի RMS արժեքը (RMS < 2 նմ) զգալիորեն ցածր է (մոտ 3 անգամ), քան Ni-ի վրա աճեցված NGF-ինը (Նկար SI2), ինչը ցույց է տալիս, որ լրացուցիչ կոպտությունը կարող է համապատասխանել Ni մակերեսին: Բացի այդ, FS- և BS-NGF/SiO2/Si նմուշների եզրերին կատարված AFM պատկերները ցույց են տվել համապատասխանաբար 100 և 80 նմ NGF հաստություններ (Նկար SI7): BS-NGF-ի ավելի փոքր հաստությունը կարող է պայմանավորված լինել նրանով, որ մակերեսը անմիջականորեն չի ենթարկվել նախորդ գազի ազդեցությանը:
Փոխադրված NGF (NiAG) առանց պոլիմերի SiO2/Si վաֆլիի վրա (տե՛ս նկար 2c): (a,b) Փոխադրված FS-NGF-ի SEM պատկերներ. ցածր և բարձր խոշորացում (համապատասխանում է վահանակի նարնջագույն քառակուսուն): Տիպիկ տարածքներ – a). (c,d) Փոխադրված BS-NGF-ի SEM պատկերներ. ցածր և բարձր խոշորացում (համապատասխանում է վահանակի c-ի նարնջագույն քառակուսու կողմից ցույց տրված տիպիկ տարածքին): (e, f) Փոխադրված FS- և BS-NGF-ների AFM պատկերներ: Կապույտ նետը ներկայացնում է FLG շրջանը՝ պայծառ հակադրություն, երկնագույն նետը՝ սև MLG հակադրություն, կարմիր նետը՝ սև հակադրությունը՝ NGF շրջան, մանուշակագույն նետը ներկայացնում է ծալքը:
Աճեցված և փոխանցված FS- և BS-NGF-ների քիմիական կազմը վերլուծվել է ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի (XPS) միջոցով (Նկար 4): Չափված սպեկտրներում (Նկար 4ա, բ) դիտվել է թույլ գագաթ, որը համապատասխանում է աճեցված FS- և BS-NGF-ների (NiAG) Ni հիմքին (850 էՎ): Փոխանցված FS- և BS-NGF/SiO2/Si-ի չափված սպեկտրներում գագաթներ չկան (Նկար 4գ; BS-NGF/SiO2/Si-ի համար նմանատիպ արդյունքներ չեն ներկայացված), ինչը ցույց է տալիս, որ փոխանցումից հետո Ni-ով մնացորդային աղտոտում չկա: Նկար 4դ-զ-ը ցույց են տալիս FS-NGF/SiO2/Si-ի C 1 s, O 1 s և Si 2p էներգետիկ մակարդակների բարձր թույլտվության սպեկտրները: Գրաֆիտի C 1 s-ի կապի էներգիան 284.4 էՎ 53.54 է: Գրաֆիտային գագաթների գծային ձևը, ինչպես ցույց է տրված նկար 4d54-ում, ընդհանուր առմամբ համարվում է ասիմետրիկ: Բարձր թույլտվությամբ միջուկի մակարդակի C 1 s սպեկտրը (Նկար 4d) նույնպես հաստատեց մաքուր փոխանցումը (այսինքն՝ պոլիմերային մնացորդների բացակայությունը), ինչը համապատասխանում է նախորդ ուսումնասիրություններին38: Թարմ աճեցված նմուշի (NiAG) և փոխանցումից հետո C 1 s սպեկտրների գծի լայնությունները համապատասխանաբար 0.55 և 0.62 eV են: Այս արժեքները ավելի բարձր են, քան SLG-ի արժեքները (0.49 eV SLG-ի համար SiO2 հիմքի վրա)38: Այնուամենայնիվ, այս արժեքները փոքր են, քան նախկինում հաղորդված գծի լայնությունները բարձր կողմնորոշված պիրոլիտիկ գրաֆենի նմուշների համար (~0.75 eV)53,54,55, ինչը ցույց է տալիս ներկայիս նյութում թերի ածխածնային տեղամասերի բացակայությունը: C 1 s և O 1 s գետնի մակարդակի սպեկտրները նույնպես չունեն ուսեր, ինչը վերացնում է բարձր թույլտվությամբ գագաթների դեկոնվոլյուցիայի անհրաժեշտությունը54: Գրաֆիտի նմուշներում հաճախ դիտվում է π → π* արբանյակային գագաթնակետ՝ մոտ 291.1 էՎ, որը հաճախ դիտվում է գրաֆիտի նմուշներում: Si 2p և O 1 s միջուկի մակարդակի սպեկտրներում 103 էՎ և 532.5 էՎ ազդանշանները (տե՛ս Նկար 4ե, զ) համապատասխանաբար վերագրվում են SiO2 56 հիմքին: XPS-ը մակերեսային զգայուն տեխնիկա է, ուստի ենթադրվում է, որ NGF փոխանցումից առաջ և հետո հայտնաբերված Ni-ին և SiO2-ին համապատասխանող ազդանշանները ծագում են FLG շրջանից: Նմանատիպ արդյունքներ դիտվել են նաև փոխանցված BS-NGF նմուշների համար (չեն ցուցադրվում):
NiAG XPS արդյունքներ՝ (ac) Աճեցված FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni և տեղափոխված FS-NGF/SiO2/Si տարբեր տարրական ատոմային կազմությունների հետազոտության սպեկտրներ, համապատասխանաբար։ (d–f) FS-NGF/SiO2/Si նմուշի միջուկի մակարդակների C 1 s, O 1s և Si 2p բարձր լուծաչափի սպեկտրներ։
Փոխադրված NGF բյուրեղների ընդհանուր որակը գնահատվել է ռենտգենյան դիֆրակցիայի (XRD) միջոցով: Փոխադրված FS- և BS-NGF/SiO2/Si-ի բնորոշ XRD պատկերները (Նկար SI8) ցույց են տալիս դիֆրակցիոն գագաթների (0 0 0 2) և (0 0 0 4) առկայությունը 26.6° և 54.7° անկյուններում, նման գրաֆիտին: Սա հաստատում է NGF-ի բարձր բյուրեղային որակը և համապատասխանում է d = 0.335 նմ միջշերտային հեռավորությանը, որը պահպանվում է փոխանցման քայլից հետո: Դիֆրակցիոն գագաթի ինտենսիվությունը (0 0 0 2) մոտավորապես 30 անգամ մեծ է դիֆրակցիոն գագաթի ինտենսիվությունից (0 0 0 4), ինչը ցույց է տալիս, որ NGF բյուրեղային հարթությունը լավ համընկնում է նմուշի մակերեսի հետ:
Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM), Ռամանի սպեկտրոսկոպիայի, XPS և XRD արդյունքների համաձայն, BS-NGF/Ni-ի որակը նույնն էր, ինչ FS-NGF/Ni-ինը, չնայած դրա rms կոպտությունը մի փոքր ավելի բարձր էր (Նկարներ SI2, SI5 և SI7):
Մինչև 200 նմ հաստությամբ պոլիմերային կրող շերտերով SLG-ները կարող են լողալ ջրի վրա: Այս կառուցվածքը լայնորեն օգտագործվում է պոլիմերային օժանդակությամբ խոնավ քիմիական փոխանցման գործընթացներում22,38: Գրաֆենը և գրաֆիտը հիդրոֆոբ են (թաց անկյունը՝ 80–90°)57: Գրաֆենի և FLG-ի պոտենցիալ էներգիայի մակերեսները, ինչպես հաղորդվել է, բավականին հարթ են՝ մակերեսին ջրի կողմնային շարժման համար ցածր պոտենցիալ էներգիայով (~1 կՋ/մոլ)58: Այնուամենայնիվ, ջրի հաշվարկված փոխազդեցության էներգիաները գրաֆենի և գրաֆենի երեք շերտերի հետ մոտավորապես -13 և -15 կՋ/մոլ են,58 համապատասխանաբար, ինչը ցույց է տալիս, որ ջրի փոխազդեցությունը NGF-ի հետ (մոտ 300 շերտ) ավելի ցածր է գրաֆենի համեմատ: Սա կարող է լինել այն պատճառներից մեկը, թե ինչու է ինքնուրույն կանգնած NGF-ն մնում հարթ ջրի մակերեսին, մինչդեռ ինքնուրույն կանգնած գրաֆենը (որը լողում է ջրի մեջ) գլորվում և քայքայվում: Երբ NGF-ն ամբողջությամբ ընկղմվում է ջրի մեջ (արդյունքները նույնն են կոպիտ և հարթ NGF-ի համար), դրա եզրերը ծռվում են (Նկար SI4): Լրիվ ընկղմման դեպքում, սպասվում է, որ NGF-ջուր փոխազդեցության էներգիան գրեթե կրկնապատկվի (համեմատած լողացող NGF-ի հետ) և որ NGF-ի եզրերը ծալվեն՝ պահպանելու համար բարձր շփման անկյուն (հիդրոֆոբիկություն): Մենք կարծում ենք, որ կարելի է մշակել ռազմավարություններ՝ ներդրված NGF-ների եզրերի ծռվելուց խուսափելու համար: Մեկ մոտեցումը գրաֆիտային թաղանթի թրջման ռեակցիան մոդուլացնելու համար խառը լուծիչների օգտագործումն է59:
SLG-ի փոխանցումը տարբեր տեսակի հիմքերի վրա թաց քիմիական փոխանցման գործընթացների միջոցով նախկինում արդեն հաղորդվել է: Ընդհանուր առմամբ ընդունված է, որ գրաֆենի/գրաֆիտային թաղանթների և հիմքերի միջև գոյություն ունեն թույլ վան դեր Վալսի ուժեր (լինի դա կոշտ հիմքեր, ինչպիսիք են SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si սյուներ22 և ժանյակավոր ածխածնային թաղանթներ30, 34, կամ ճկուն հիմքեր, ինչպիսին է պոլիիմիդը 37): Այստեղ մենք ենթադրում ենք, որ գերակշռում են նույն տեսակի փոխազդեցությունները: Մենք մեխանիկական մշակման ընթացքում (վակուումային և/կամ մթնոլորտային պայմաններում բնութագրման ընթացքում կամ պահպանման ընթացքում) այստեղ ներկայացված որևէ հիմքի համար չենք դիտարկել NGF-ի որևէ վնաս կամ շերտազատում (օրինակ՝ Նկար 2, SI7 և SI9): Բացի այդ, մենք չենք դիտարկել SiC գագաթնակետ NGF/SiO2/Si նմուշի միջուկային մակարդակի XPS C 1 s սպեկտրում (Նկար 4): Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ NGF-ի և թիրախային հիմքի միջև քիմիական կապ չկա:
Նախորդ բաժնում՝ «FS- և BS-NGF-ների պոլիմերազուրկ փոխանցումը», մենք ցույց տվեցինք, որ NGF-ն կարող է աճել և փոխանցվել նիկելային փայլաթիթեղի երկու կողմերում էլ: Այս FS-NGF-ները և BS-NGF-ները նույնական չեն մակերեսային կոպտության առումով, ինչը մեզ դրդեց ուսումնասիրել յուրաքանչյուր տեսակի համար ամենահարմար կիրառությունները:
Հաշվի առնելով FS-NGF-ի թափանցիկությունը և հարթ մակերեսը, մենք ավելի մանրամասն ուսումնասիրեցինք դրա տեղային կառուցվածքը, օպտիկական և էլեկտրական հատկությունները: FS-NGF-ի կառուցվածքը և կառուցվածքը առանց պոլիմերային փոխանցման բնութագրվել են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի (TEM) պատկերման և ընտրված տարածքի էլեկտրոնային դիֆրակցիայի (SAED) պատկերման միջոցով: Համապատասխան արդյունքները ներկայացված են նկար 5-ում: Ցածր մեծացման հարթ TEM պատկերումը բացահայտել է NGF և FLG շրջանների առկայություն՝ տարբեր էլեկտրոնային կոնտրաստային բնութագրերով, այսինքն՝ համապատասխանաբար ավելի մուգ և պայծառ տարածքներ (Նկար 5ա): Ընդհանուր առմամբ, թաղանթը ցուցադրում է լավ մեխանիկական ամբողջականություն և կայունություն NGF-ի և FLG-ի տարբեր շրջանների միջև՝ լավ համընկնմամբ և առանց վնասի կամ պատռվածքի, ինչը հաստատվել է նաև SEM (Նկար 3) և բարձր մեծացման TEM ուսումնասիրություններով (Նկար 5գ-ե): Մասնավորապես, նկար 5դ-ում ցույց է տրված կամրջի կառուցվածքը իր ամենամեծ մասում (նկար 5դ-ում սև կետավոր նետով նշված դիրքը), որը բնութագրվում է եռանկյունաձև ձևով և բաղկացած է մոտ 51 մ լայնությամբ գրաֆենի շերտից: 0.33 ± 0.01 նմ միջհարթության հեռավորությամբ կազմը հետագայում կրճատվում է գրաֆենի մի քանի շերտերի՝ ամենափոքր շրջանում (Նկար 5 դ-ում սև սլաքի ծայրը):
Պոլիմեր չպարունակող NiAG նմուշի հարթ TEM պատկերը ածխածնային ժանյակավոր պղնձե ցանցի վրա. (a, b) Ցածր մեծացման TEM պատկերներ, ներառյալ NGF և FLG շրջանները, (ce) a և b վահանակների տարբեր շրջանների բարձր մեծացման պատկերները նշված են նույն գույնի սլաքներով: a և c վահանակների կանաչ սլաքները ցույց են տալիս ճառագայթի դասավորության ընթացքում վնասված շրջանաձև տարածքները: (f–i) a-ից c վահանակներում տարբեր շրջաններում SAED պատկերները նշված են համապատասխանաբար կապույտ, երկնագույն, նարնջագույն և կարմիր շրջանակներով:
Նկար 5c-ում ժապավենաձև կառուցվածքը ցույց է տալիս (նշված է կարմիր նետով) գրաֆիտային ցանցի հարթությունների ուղղահայաց կողմնորոշումը, որը կարող է պայմանավորված լինել թաղանթի երկայնքով նանոխալերի առաջացմամբ (ներդիրը նկար 5c-ում)՝ ավելորդ չփոխհատուցված սղման լարման պատճառով30,61,62: Բարձր թույլտվությամբ TEM-ի տակ այս նանոխալերը30 ցուցաբերում են տարբեր բյուրեղագրական կողմնորոշում, քան NGF շրջանի մնացած մասը. գրաֆիտային ցանցի բազալ հարթությունները կողմնորոշված են գրեթե ուղղահայաց, այլ ոչ թե հորիզոնական, ինչպես թաղանթի մնացած մասը (ներդիրը նկար 5c-ում): Նմանապես, FLG շրջանը երբեմն ցուցաբերում է գծային և նեղ ժապավենաձև ծալքեր (նշված են կապույտ նետերով), որոնք հայտնվում են համապատասխանաբար նկարներ 5b, 5e-ում ցածր և միջին մեծացման դեպքում: Նկար 5e-ում ներդիրը հաստատում է FLG հատվածում երկշերտ և եռաշերտ գրաֆենային շերտերի առկայությունը (միջհարթության հեռավորությունը 0.33 ± 0.01 նմ), ինչը լավ համապատասխանում է մեր նախորդ արդյունքներին30: Բացի այդ, պոլիմերից զերծ NGF-ի՝ ժանյակավոր ածխածնային թաղանթներով պղնձե ցանցերի վրա փոխանցված (վերևից դիտման TEM չափումներ կատարելուց հետո) գրանցված SEM պատկերները ներկայացված են SI9 նկարում: SI9f նկարում լավ կախված FLG շրջանը (նշված է կապույտ նետով) և կոտրված շրջանը: Կապույտ նետը (փոխանցված NGF-ի եզրին) միտումնավոր ներկայացված է՝ ցույց տալու համար, որ FLG շրջանը կարող է դիմադրել փոխանցման գործընթացին առանց պոլիմերի: Ամփոփելով՝ այս պատկերները հաստատում են, որ մասնակիորեն կախված NGF-ն (ներառյալ FLG շրջանը) պահպանում է մեխանիկական ամբողջականությունը նույնիսկ խիստ մշակումից և բարձր վակուումի ազդեցությունից հետո TEM և SEM չափումների ընթացքում (Նկար SI9):
NGF-ի գերազանց հարթության շնորհիվ (տե՛ս նկար 5ա), SAED կառուցվածքը վերլուծելու համար դժվար չէ կողմնորոշել փաթիլները [0001] տիրույթի առանցքի երկայնքով: Կախված թաղանթի տեղական հաստությունից և դրա դիրքից, էլեկտրոնային դիֆրակցիոն ուսումնասիրությունների համար հայտնաբերվել են մի քանի հետաքրքրության շրջաններ (12 կետ): Նկար 5ա-գ-ում ցույց են տրված այս տիպիկ շրջաններից չորսը և նշված են գունավոր շրջանակներով (կապույտ, երկնագույն, նարնջագույն և կարմիր կոդավորված): Նկար 2-ը և 3-ը SAED ռեժիմի համար են: Նկար 5ֆ և գ-ն ստացվել են Նկար 5-ում և 5-ում ցույց տրված FLG տիրույթից: Ինչպես ցույց է տրված համապատասխանաբար Նկար 5բ և գ-ում: Դրանք ունեն վեցանկյուն կառուցվածք, որը նման է ոլորված գրաֆենին63: Մասնավորապես, Նկար 5ֆ-ն ցույց է տալիս երեք վերադրված նախշեր՝ [0001] գոտու առանցքի նույն կողմնորոշմամբ, պտտված 10° և 20°-ով, ինչը վկայում է (10-10) արտացոլումների երեք զույգերի անկյունային անհամապատասխանությունը: Նմանապես, նկար 5g-ն ցույց է տալիս երկու վերադրված վեցանկյուն նախշեր, որոնք պտտվել են 20°-ով: FLG շրջանում վեցանկյուն նախշերի երկու կամ երեք խումբ կարող է առաջանալ միմյանց նկատմամբ պտտված երեք հարթության մեջ կամ հարթությունից դուրս գրաֆենի շերտերից 33: Ի տարբերություն դրա, նկար 5h,i-ում ներկայացված էլեկտրոնային դիֆրակցիոն նախշերը (համապատասխանում են նկար 5a-ում ցույց տրված NGF շրջանին) ցույց են տալիս մեկ [0001] նախշ՝ ընդհանուր առմամբ ավելի բարձր կետային դիֆրակցիոն ինտենսիվությամբ, որը համապատասխանում է նյութի ավելի մեծ հաստությանը: Այս SAED մոդելները համապատասխանում են ավելի հաստ գրաֆիտային կառուցվածքի և միջանկյալ կողմնորոշման, քան FLG-ն, ինչպես եզրակացվում է ինդեքս 64-ից: NGF-ի բյուրեղային հատկությունների բնութագրումը բացահայտեց երկու կամ երեք վերադրված գրաֆիտի (կամ գրաֆենի) բյուրեղների համակեցությունը: FLG շրջանում հատկապես ուշագրավ է այն, որ բյուրեղները որոշակի աստիճանի հարթության մեջ կամ հարթությունից դուրս կողմնորոշվածություն ունեն: Ni 64 թաղանթների վրա աճեցված NGF-ի համար նախկինում հայտնաբերվել են 17°, 22° և 25° հարթության մեջ պտտման անկյուններով գրաֆիտի մասնիկներ/շերտեր: Այս ուսումնասիրության մեջ դիտարկված պտտման անկյան արժեքները համապատասխանում են ոլորված BLG63 գրաֆենի համար նախկինում դիտարկված պտտման անկյուններին (±1°):
NGF/SiO2/Si-ի էլեկտրական հատկությունները չափվել են 300 Կ ջերմաստիճանում՝ 10×3 մմ2 մակերեսի վրա: Էլեկտրոնային կրիչների կոնցենտրացիայի, շարժունակության և հաղորդունակության արժեքները համապատասխանաբար կազմում են 1.6 × 1020 սմ-3, 220 սմ2 V-1 C-1 և 2000 S-cm-1: Մեր NGF-ի շարժունակության և հաղորդունակության արժեքները նման են բնական գրաֆիտին2 և ավելի բարձր են, քան առևտրային առումով մատչելի բարձր կողմնորոշված պիրոլիտիկ գրաֆիտը (արտադրված 3000 °C-ում)29: Դիտարկված էլեկտրոնային կրիչների կոնցենտրացիայի արժեքները երկու կարգով ավելի բարձր են, քան վերջերս հաղորդվածները (7.25 × 10 սմ-3) միկրոն հաստությամբ գրաֆիտային թաղանթների համար, որոնք պատրաստվել են բարձր ջերմաստիճանի (3200 °C) պոլիիմիդային թերթերի միջոցով20:
Մենք նաև կատարել ենք ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի թափանցելիության չափումներ քվարցային հիմքերի վրա փոխանցված FS-NGF-ի վրա (Նկար 6): Արդյունքում ստացված սպեկտրը ցույց է տալիս գրեթե հաստատուն 62% թափանցելիություն 350-800 նմ միջակայքում, ինչը ցույց է տալիս, որ NGF-ն թափանցիկ է տեսանելի լույսի համար: Իրականում, «KAUST» անվանումը կարելի է տեսնել նկար 6բ-ում գտնվող նմուշի թվային լուսանկարում: Չնայած NGF-ի նանոբյուրեղային կառուցվածքը տարբերվում է SLG-ից, շերտերի քանակը կարելի է մոտավորապես գնահատել՝ օգտագործելով յուրաքանչյուր լրացուցիչ շերտի համար 2.3% թափանցելիության կորստի կանոնը65: Այս հարաբերակցության համաձայն, 38% թափանցելիության կորստով գրաֆենային շերտերի քանակը 21 է: Աճեցված NGF-ն հիմնականում բաղկացած է 300 գրաֆենային շերտերից, այսինքն՝ մոտ 100 նմ հաստությամբ (Նկար 1, SI5 և SI7): Հետևաբար, մենք ենթադրում ենք, որ դիտարկվող օպտիկական թափանցիկությունը համապատասխանում է FLG և MLG շրջաններին, քանի որ դրանք բաշխված են ամբողջ թաղանթով մեկ (Նկար 1, 3, 5 և 6գ): Վերոնշյալ կառուցվածքային տվյալներից բացի, հաղորդականությունը և թափանցիկությունը նույնպես հաստատում են փոխանցված NGF-ի բարձր բյուրեղային որակը։
(ա) Ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի թափանցելիության չափում, (բ) NGF-ի տիպիկ փոխանցում քվարցի վրա՝ ներկայացուցչական նմուշի միջոցով։ (գ) NGF-ի սխեմատիկ պատկերը (մուգ արկղ)՝ հավասարաչափ բաշխված FLG և MLG շրջաններով, որոնք նշված են որպես մոխրագույն պատահական ձևեր ամբողջ նմուշում (տե՛ս նկար 1) (մոտավորապես 0.1–3% մակերես 100 մկմ2-ի վրա)։ Դիագրամում պատահական ձևերը և դրանց չափերը միայն նկարազարդման նպատակներով են և չեն համապատասխանում իրական մակերեսներին։
CVD-ով աճեցված թափանցիկ NGF-ն նախկինում տեղափոխվել է մերկ սիլիցիումային մակերեսների վրա և օգտագործվել է արևային մարտկոցներում15,16: Արդյունքում ստացված հզորության փոխակերպման արդյունավետությունը (PCE) կազմում է 1.5%: Այս NGF-ները կատարում են բազմաթիվ գործառույթներ, ինչպիսիք են ակտիվ միացության շերտերը, լիցքի փոխադրման ուղիները և թափանցիկ էլեկտրոդները15,16: Այնուամենայնիվ, գրաֆիտային թաղանթը միատարր չէ: Անհրաժեշտ է հետագա օպտիմալացում՝ գրաֆիտային էլեկտրոդի թերթային դիմադրությունը և օպտիկական թափանցելիությունը ուշադիր վերահսկելով, քանի որ այս երկու հատկությունները կարևոր դեր են խաղում արևային մարտկոցի PCE արժեքը որոշելու գործում15,16: Սովորաբար գրաֆենային թաղանթները 97.7% թափանցիկ են տեսանելի լույսի համար, բայց ունեն 200-3000 օհմ/քառ.16 թերթային դիմադրություն: Գրաֆենային թաղանթների մակերեսային դիմադրությունը կարող է նվազեցվել շերտերի քանակը մեծացնելով (գրաֆենային շերտերի բազմակի փոխանցում) և HNO3-ով (~30 Օհմ/քառ.) հարստացնելով66: Այնուամենայնիվ, այս գործընթացը երկար ժամանակ է պահանջում, և տարբեր փոխանցման շերտերը միշտ չէ, որ պահպանում են լավ շփումը: Մեր առջևի NGF-ն ունի այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են 2000 S/cm հաղորդունակությունը, 50 օհմ/քառ. թաղանթի դիմադրությունը և 62% թափանցիկությունը, ինչը այն դարձնում է կենսունակ այլընտրանք արևային մարտկոցներում հաղորդիչ ալիքների կամ հակաէլեկտրոդների համար15,16:
Չնայած BS-NGF-ի կառուցվածքը և մակերեսային քիմիան նման են FS-NGF-ին, դրա կոպտությունը տարբեր է («FS- և BS-NGF-ի աճ»): Նախկինում մենք որպես գազի սենսոր օգտագործել ենք գերբարակ թաղանթային գրաֆիտ22: Հետևաբար, մենք ստուգել ենք BS-NGF-ի օգտագործման հնարավորությունը գազի զգայունության խնդիրների համար (Նկար SI10): Նախ, BS-NGF-ի մմ2 չափի մասերը տեղափոխվել են միջադիր էլեկտրոդային սենսորային չիպի վրա (Նկար SI10a-c): Չիպի արտադրության մանրամասները նախկինում հաղորդվել են. դրա ակտիվ զգայուն մակերեսը 9 մմ267 է: SEM պատկերներում (Նկար SI10b և c) NGF-ի միջով հստակ երևում է հիմքում ընկած ոսկե էլեկտրոդը: Կրկին կարելի է տեսնել, որ բոլոր նմուշների համար ապահովվել է չիպի միատարր ծածկույթ: Գրանցվել են տարբեր գազերի գազային սենսորային չափումներ (Նկար SI10d) (Նկար SI11), և արդյունքում ստացված արձագանքի արագությունները ներկայացված են Նկար SI10g-ում: Հավանական է, որ այլ խանգարող գազերի դեպքում, ներառյալ SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) և NH3 (200 ppm): Հնարավոր պատճառներից մեկը գազի էլեկտրոֆիլ բնույթն է NO2-ը22,68: Գրաֆենի մակերեսին ադսորբվելիս այն նվազեցնում է համակարգի կողմից էլեկտրոնների հոսանքի կլանումը: BS-NGF սենսորի արձագանքման ժամանակի տվյալների համեմատությունը նախկինում հրապարակված սենսորների հետ ներկայացված է SI2 աղյուսակում: NGF սենսորների վերագործարկման մեխանիզմը՝ օգտագործելով ուլտրամանուշակագույն պլազմա, O3 պլազմա կամ բացված նմուշների ջերմային (50–150°C) մշակում, շարունակվում է, որին իդեալականորեն կհաջորդի ներդրված համակարգերի ներդրումը69:
CVD պրոցեսի ընթացքում գրաֆենի աճը տեղի է ունենում կատալիզատորի հիմքի երկու կողմերում41: Այնուամենայնիվ, BS-գրաֆենը սովորաբար արտանետվում է փոխանցման գործընթացի ընթացքում41: Այս ուսումնասիրության մեջ մենք ցույց ենք տալիս, որ կատալիզատորի հենարանի երկու կողմերում կարելի է հասնել բարձրորակ NGF աճի և պոլիմերից զերծ NGF փոխանցման: BS-NGF-ն ավելի բարակ է (~80 նմ), քան FS-NGF-ն (~100 նմ), և այս տարբերությունը բացատրվում է նրանով, որ BS-Ni-ն ուղղակիորեն չի ենթարկվում նախորդող գազի հոսքին: Մենք նաև պարզեցինք, որ NiAR հիմքի կոպտությունը ազդում է NGF-ի կոպտության վրա: Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ աճեցված հարթ FS-NGF-ն կարող է օգտագործվել որպես գրաֆենի նախորդող նյութ (շերտազատման մեթոդով70) կամ որպես հաղորդիչ ալիք արևային մարտկոցներում15,16: Ի տարբերություն դրա, BS-NGF-ն կօգտագործվի գազի հայտնաբերման համար (Նկար SI9) և հնարավոր է՝ էներգիայի կուտակման համակարգերի համար71,72, որտեղ դրա մակերեսային կոպտությունը օգտակար կլինի:
Հաշվի առնելով վերը նշվածը, օգտակար է համատեղել ներկայիս աշխատանքը նախկինում հրապարակված գրաֆիտային թաղանթների հետ, որոնք աճեցվել են CVD-ով և նիկելային փայլաթիթեղի օգտագործմամբ: Ինչպես երևում է աղյուսակ 2-ում, մեր օգտագործած ավելի բարձր ճնշումները կրճատել են ռեակցիայի ժամանակը (աճի փուլը) նույնիսկ համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում (850–1300 °C միջակայքում): Մենք նաև հասել ենք սովորականից ավելի մեծ աճի, ինչը վկայում է ընդարձակման ներուժի մասին: Կան նաև այլ գործոններ, որոնք պետք է հաշվի առնել, որոնցից մի քանիսը մենք ներառել ենք աղյուսակում:
Երկկողմանի բարձրորակ NGF-ն աճեցվել է նիկելային փայլաթիթեղի վրա կատալիտիկ CVD-ի միջոցով: Ավանդական պոլիմերային հիմքերը (օրինակ՝ CVD գրաֆենում օգտագործվողները) վերացնելով՝ մենք հասնում ենք NGF-ի (աճեցված նիկելային փայլաթիթեղի հետևի և առջևի կողմերում) մաքուր և արատներից զերծ խոնավ փոխանցմանը՝ գործընթացի համար կարևոր տարբեր հիմքերի վրա: Հատկանշական է, որ NGF-ն ներառում է FLG և MLG շրջաններ (սովորաբար 0.1%-ից մինչև 3% 100 մկմ2-ի համար), որոնք կառուցվածքային առումով լավ են ինտեգրված ավելի հաստ թաղանթի մեջ: Հարթ TEM-ը ցույց է տալիս, որ այս շրջանները կազմված են երկուից երեք գրաֆիտի/գրաֆենի մասնիկների (համապատասխանաբար բյուրեղներ կամ շերտեր) կույտերից, որոնցից մի քանիսը ունեն 10–20° պտտման անհամապատասխանություն: FLG և MLG շրջանները պատասխանատու են FS-NGF-ի թափանցիկության համար տեսանելի լույսի նկատմամբ: Ինչ վերաբերում է հետևի թերթերին, դրանք կարող են զուգահեռ տեղափոխվել առջևի թերթերին և, ինչպես ցույց է տրված, կարող են ունենալ ֆունկցիոնալ նպատակ (օրինակ՝ գազի հայտնաբերման համար): Այս ուսումնասիրությունները շատ օգտակար են արդյունաբերական մասշտաբի CVD գործընթացներում թափոնների և ծախսերի կրճատման համար:
Ընդհանուր առմամբ, CVD NGF-ի միջին հաստությունը գտնվում է (ցածր և բազմաշերտ) գրաֆենի և արդյունաբերական (միկրոմետր) գրաֆիտի թերթերի միջև: Դրանց հետաքրքիր հատկությունների շրջանակը, զուգորդված դրանց արտադրության և տեղափոխման համար մեր կողմից մշակված պարզ մեթոդի հետ, այս թաղանթները դարձնում են հատկապես հարմար գրաֆիտի ֆունկցիոնալ արձագանքը պահանջող կիրառությունների համար՝ առանց ներկայումս օգտագործվող էներգատար արդյունաբերական արտադրական գործընթացների ծախսերի:
25 մկմ հաստությամբ նիկելային փայլաթիթեղ (99.5% մաքրություն, Goodfellow) տեղադրվել է առևտրային CVD ռեակտորում (Aixtron 4-inch BMPro): Համակարգը մաքրվել է արգոնով և վակուացվել մինչև 10-3 մբար հիմքային ճնշում: Այնուհետև նիկելային փայլաթիթեղը տեղադրվել է Ar/H2-ում (Ni փայլաթիթեղը 5 րոպե նախնական թրծելուց հետո, փայլաթիթեղը ենթարկվել է 500 մբար ճնշման 900°C ջերմաստիճանում): NGF-ն նստեցվել է CH4/H2 հոսքի մեջ (յուրաքանչյուրը 100 սմ3) 5 րոպե: Այնուհետև նմուշը սառեցվել է մինչև 700°C-ից ցածր ջերմաստիճան՝ օգտագործելով Ar հոսք (4000 սմ3) 40°C/րոպե արագությամբ: NGF աճի գործընթացի օպտիմալացման մանրամասները նկարագրված են այլուր30:
Նմուշի մակերևույթի ձևաբանությունը վիզուալիզացվել է SEM-ի միջոցով՝ օգտագործելով Zeiss Merlin մանրադիտակ (1 կՎ, 50 պԱ): Նմուշի մակերևույթի կոպտությունը և NGF հաստությունը չափվել են AFM-ի (Dimension Icon SPM, Bruker) միջոցով: TEM և SAED չափումները կատարվել են FEI Titan 80–300 Cubed մանրադիտակի միջոցով, որը հագեցած է բարձր պայծառության դաշտի ճառագայթման ատրճանակով (300 կՎ), FEI Wien տիպի մոնոքրոմատորով և CEOS օբյեկտիվի գնդաձև աբերացիայի ուղղիչով՝ վերջնական արդյունքները ստանալու համար: Տարածական լուծաչափը՝ 0.09 նմ: NGF նմուշները տեղափոխվել են ածխածնային ժանյակավոր պատված պղնձե ցանցերի վրա՝ հարթ TEM պատկերման և SAED կառուցվածքի վերլուծության համար: Այսպիսով, նմուշի փոշու մեծ մասը կախված է կրող թաղանթի ծակոտիներում: Փոխադրված NGF նմուշները վերլուծվել են XRD-ի միջոցով: Ռենտգենյան դիֆրակցիոն պատկերները ստացվել են փոշու դիֆրակտոմետրի (Brucker, D2 փուլային տեղաշարժիչ Cu Kα աղբյուրով, 1.5418 Å և LYNXEYE դետեկտոր) միջոցով՝ օգտագործելով Cu ճառագայթման աղբյուր՝ 3 մմ փնջի կետային տրամագծով։
Մի քանի Ռամանի կետային չափումներ են գրանցվել ինտեգրվող կոնֆոկալ մանրադիտակի (Alpha 300 RA, WITeC) միջոցով: Ջերմային ինդուկցված էֆեկտներից խուսափելու համար օգտագործվել է 532 նմ լազեր՝ ցածր գրգռման հզորությամբ (25%): Ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիան (XPS) իրականացվել է Kratos Axis Ultra սպեկտրոմետրի վրա՝ 300 × 700 մկմ2 նմուշի մակերեսի վրա՝ օգտագործելով մոնոքրոմատիկ Al Kα ճառագայթում (hν = 1486.6 էՎ) 150 Վտ հզորությամբ: Լուծույթի սպեկտրները ստացվել են համապատասխանաբար 160 էՎ և 20 էՎ փոխանցման էներգիաների դեպքում: SiO2-ի վրա փոխանցված NGF նմուշները կտրվել են կտորների (յուրաքանչյուրը 3 × 10 մմ2)՝ օգտագործելով PLS6MW (1.06 մկմ) իտերբիումային մանրաթելային լազեր 30 Վտ հզորությամբ: Պղնձե մետաղալարերի կոնտակտները (50 մկմ հաստությամբ) պատրաստվել են արծաթե մածուկի միջոցով՝ օպտիկական մանրադիտակի տակ: Այս նմուշների վրա իրականացվել են էլեկտրական փոխադրման և Հոլի էֆեկտի փորձեր 300 Կ ջերմաստիճանում և ± 9 Տեսլա մագնիսական դաշտի տատանման պայմաններում՝ ֆիզիկական հատկությունների չափման համակարգում (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ԱՄՆ): Փոխանցված ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի սպեկտրները գրանցվել են Lambda 950 ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի սպեկտրոֆոտոմետրի միջոցով՝ 350–800 նմ NGF միջակայքում, որը փոխանցվել է քվարցային հիմքերի և քվարցային հղման նմուշների վրա:
Քիմիական դիմադրության սենսորը (միջնորմային էլեկտրոդային չիպ) միացվել է հատուկ տպագիր միացման տախտակին 73, և դիմադրությունը ժամանակավորապես հանվել է։ Սարքը տեղադրված տպագիր միացման տախտակը միացված է կոնտակտային տերմինալներին և տեղադրվում է գազի զգայուն խցիկի 74 ներսում։ Դիմադրության չափումները կատարվել են 1 Վ լարման դեպքում՝ անընդհատ սկանավորմամբ՝ մաքրումից մինչև գազի ազդեցություն, ապա կրկին մաքրում։ Խցիկը սկզբում մաքրվել է՝ 1 ժամվա ընթացքում մաքրելով 200 սմ3 ազոտով՝ խցիկում առկա մյուս բոլոր անալիտների, այդ թվում՝ խոնավության հեռացումն ապահովելու համար։ Այնուհետև առանձին անալիտները դանդաղորեն բաց են թողնվել խցիկի մեջ նույն 200 սմ3 հոսքի արագությամբ՝ փակելով N2 գլանը։
Այս հոդվածի վերանայված տարբերակը հրապարակվել է և հասանելի է հոդվածի վերևում գտնվող հղման միջոցով։
Ինագակի, Մ. և Կանգ, Ֆ. Ածխածնային նյութերի գիտություն և ճարտարագիտություն. Հիմունքներ։ Երկրորդ հրատարակության խմբագրում։ 2014թ., 542։
Փիրսոն, Հ.Օ. Ածխածնի, գրաֆիտի, ադամանդի և ֆուլերենների ձեռնարկ. հատկություններ, մշակում և կիրառություններ։ Առաջին հրատարակությունը խմբագրվել է։ 1994թ., Նյու Ջերսի։
Ցայ, Վ. և այլք։ Մեծ մակերեսով բազմաշերտ գրաֆենային/գրաֆիտային թաղանթները որպես թափանցիկ բարակ հաղորդիչ էլեկտրոդներ։ Կիրառություն։ Ֆիզիկա։ Ռայթ։ 95(12), 123115(2009)։
Բալանդին Ա.Ա. Գրաֆենի և նանոկառուցվածքային ածխածնային նյութերի ջերմային հատկությունները: Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011):
Չենգ Կ.Յ., Բրաուն Պ.Վ. և Քեհիլ Դ.Գ. Ni (111)-ի վրա աճեցված գրաֆիտային թաղանթների ջերմահաղորդականությունը ցածր ջերմաստիճանում քիմիական գոլորշու նստեցման միջոցով։ մակբայ։ Մատթ. Ինտերֆեյս 3, 16 (2016)։
Հեսյեդալ, Թ. Գրաֆենային թաղանթների անընդհատ աճը քիմիական գոլորշիների նստեցման միջոցով։ Կիրառություն։ Ֆիզիկա։ Ռայթ։ 98(13), 133106(2011)։
Հրապարակման ժամանակը. Օգոստոսի 23-2024