Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Útgáfan af vafranum sem þú notar hefur takmarkaðan CSS stuðning. Til að ná sem bestum árangri mælum við með að þú notir nýrri útgáfu af vafranum þínum (eða slökkt á eindrægni í Internet Explorer). Í millitíðinni, til að tryggja áframhaldandi stuðning, erum við að sýna síðuna án þess að stíl eða JavaScript.
Nanoscale grafít kvikmyndir (NGFs) eru öflug nanóefni sem hægt er að framleiða með hvata efnafræðilegri gufuútfellingu, en spurningar eru áfram um auðveldlega flutning þeirra og hvernig yfirborðsformgerð hefur áhrif á notkun þeirra í næstu kynslóðum tækjum. Hér greinum við frá vexti NGF á báðum hliðum fjölkristallaðs nikkelpappírs (svæði 55 cm2, þykkt um 100 nm) og fjölliðalaus flutningur þess (að framan og aftan, svæði allt að 6 cm2). Vegna formgerðar Catalyst filmu eru kolefnisfilmurnar tvær frábrugðnar eðlisfræðilegum eiginleikum þeirra og öðrum einkennum (svo sem ójöfnur á yfirborði). Við sýnum fram á að NGF með grófari bakhlið henta vel til að greina NO2, en sléttari og leiðandi NGF á framhliðinni (2000 s/cm, viðnám lak - 50 ohm/m2) getur verið lífvænlegt leiðarar. rás eða rafskaut sólarfrumunnar (þar sem hún sendir 62% af sýnilegu ljósi). Á heildina litið getur lýst vaxtar- og flutningsferli hjálpað til við að átta sig á NGF sem valkolefnisefni fyrir tæknilega notkun þar sem grafen og míkronþykkar grafít kvikmyndir henta ekki.
Grafít er mikið notað iðnaðarefni. Athygli vekur að grafít hefur eiginleika tiltölulega lítillar massaþéttleika og mikil hitauppstreymi og rafleiðni í planinu og er mjög stöðugt í hörku hitauppstreymi og efnaumhverfi1,2. Flake grafít er vel þekkt upphafsefni fyrir grafenrannsóknir3. Þegar það er unnið í þunnar kvikmyndir er hægt að nota það í fjölmörgum forritum, þar með talið hitavask fyrir rafeindatæki eins og snjallsíma4,5,6,7, sem virkt efni í skynjara8,9,10 og fyrir rafsegultruflanir vernd11. 12 og kvikmyndir fyrir lithography í öfgafullri útfjólubláu13,14, sem stóð fyrir rásum í sólarfrumum15,16. Fyrir öll þessi forrit væri það verulegur kostur ef stór svæði grafítfilma (NGF) með þykkt stjórnað í nanóskalanum <100 nm gæti auðveldlega framleitt og flutt.
Grafít kvikmyndir eru framleiddar með ýmsum aðferðum. Í einu tilviki var innfelling og stækkun fylgt eftir með afgreiðslu notaðar til að framleiða grafenflögur10,11,17. Flögin verður að vinna frekar í kvikmyndir af nauðsynlegri þykkt og það tekur oft nokkra daga að framleiða þétt grafítblöð. Önnur nálgun er að byrja á grafískum föstum undanfara. Í iðnaði eru fjölliðurblöð kolsýrð (við 1000–1500 ° C) og síðan myndræn (við 2800–3200 ° C) til að mynda vel skipulögð lagskipt efni. Þrátt fyrir að gæði þessara kvikmynda séu mikil er orkunotkunin veruleg1,18,19 og lágmarksþykkt er takmörkuð við nokkur míkron1,18,19,20.
Catalytic Chemical Vapor útfelling (CVD) er vel þekkt aðferð til að framleiða grafen og ultrathin grafít kvikmyndir (<10 nm) með miklum burðargæðum og hæfilegum kostnaði21,22,23,24,25,26,27. Samt sem áður, samanborið við vöxt grafen og ultrathin grafítfilma28, er vaxtar og/eða notkun NGF með stórum vettvangi enn minna kannað11,13,29,30,31,32,33.
Oft þarf oft að flytja CVD-ræktaða grafen og grafít kvikmyndir yfir á hagnýtur undirlag34. Þessar þunnu filmufærslur fela í sér tvær meginaðferðir35: (1) sem ekki eru etch Transfer36,37 og (2) etch-undirstaða Wet Chemical Transfer (undirlag studd) 14,34,38. Hver aðferð hefur nokkra kosti og galla og verður að velja hana eftir fyrirhugaðri notkun, eins og lýst er annars staðar35,39. Fyrir grafen/grafít filmur, ræktaðar á hvata undirlag, er flutning með blautum efnaferlum (þar sem pólýmetýl metakrýlat (PMMA) er algengasta stuðningslagið) er fyrsta valið13,30,34,38,40,41,42. Þú o.fl. Nefnt var að engin fjölliða var notuð við NGF flutning (sýnishornastærð um það bil 4 cm2) 25,43, en engar upplýsingar voru gefnar varðandi stöðugleika sýnisins og/eða meðhöndlun við flutning; Blautu efnafræðilegir ferlar sem nota fjölliður samanstanda af nokkrum skrefum, þar með talið notkun og síðari fjarlægð fórnarfjölliða lag30,38,40,41,42. Þetta ferli hefur ókosti: til dæmis geta fjölliða leifar breytt eiginleikum ræktuðu kvikmyndarinnar38. Viðbótarvinnsla getur fjarlægt leifar fjölliða, en þessi viðbótarskref auka kostnað og tíma kvikmyndaframleiðslu38,40. Meðan á CVD vexti stendur er lag af grafeni sett ekki aðeins fram á framhlið hvataþynnunnar (hliðin sem snýr að gufuflæðinu), heldur einnig á bakhlið þess. Hins vegar er hið síðarnefnda talið úrgangsafurð og hægt er að fjarlægja það fljótt með mjúkum plasma38,41. Endurvinnsla Þessi kvikmynd getur hjálpað til við að hámarka ávöxtun, jafnvel þó hún sé í minni gæðum en kolefnisfilmum.
Hér erum við að tilkynna um undirbúning bifacial vaxtar NGF með miklum burðargæðum á fjölkristallaðri nikkelpappír með CVD. Það var metið hvernig ójöfnur framan og aftan yfirborðs filmu hefur áhrif á formgerð og uppbyggingu NGF. Við sýnum einnig fram á hagkvæman og umhverfisvænan fjölliða-lausan flutning NGF frá báðum hliðum nikkelpappírs á margnota hvarfefni og sýnum hvernig framan og aftan kvikmyndir henta fyrir ýmis forrit.
Eftirfarandi kaflar fjalla um mismunandi grafítfilmuþykkt eftir fjölda staflaðra grafenlags: (i) Stak lag grafen (SLG, 1 lag), (ii) fáir lag grafen (flg, <10 lög), (iii) fjöllaga grafen (mlg, 10-30 lög) og (IV) NGF (~ 300 lög). Hið síðarnefnda er algengasta þykktin sem gefin er upp sem hlutfall af svæði (u.þ.b. 97% svæði á hverja 100 µm2) 30. Þess vegna er öll myndin einfaldlega kölluð NGF.
Fjölkristallað nikkelþynna sem notuð eru við myndun grafen og grafít kvikmynda hafa mismunandi áferð vegna framleiðslu þeirra og vinnslu í kjölfarið. Við greindum nýlega frá rannsókn til að hámarka vaxtarferli NGF30. Við sýnum að ferli breytur, svo sem glæðandi tíma og hólfþrýstingur á vaxtarstiginu gegna mikilvægu hlutverki við að fá NGF af samræmdum þykkt. Hér könnuðum við enn frekar vöxt NGF á fáguðum framan (FS) og ópússuðum aftur (BS) yfirborði nikkelpappírs (mynd 1A). Þrjár gerðir af sýnum FS og BS voru skoðaðar, taldar upp í töflu 1. við sjónræn skoðun, má sjá samræmdan vöxt NGF á báðum hliðum nikkelpappírsins (NIAG) með litabreytingunni á lausu Ni undirlaginu frá einkennandi málmi silfurgráum í mattur gráan lit (mynd 1A); Smásjármælingar voru staðfestar (mynd 1B, C). Dæmigert Raman litróf FS-NGF sem sést á björtu svæðinu og gefið til kynna með rauðum, bláum og appelsínugulum örvum á mynd 1B er sýnt á mynd 1C. Einkennandi Raman tindar grafíts G (1683 cm - 1) og 2D (2696 cm - 1) staðfesta vöxt mjög kristallaðs NGF (mynd 1C, tafla Si1). Í allri myndinni sást yfirgnæfandi Raman litróf með styrkleikahlutfall (I2D/Ig) ~ 0,3, en sjaldan var vart við Raman litróf með I2D/Ig = 0,8. Skortur á gölluðum tindum (D = 1350 cm-1) í allri myndinni gefur til kynna hágæða vöxt NGF. Svipaðar niðurstöður Raman fengust á BS-NGF sýninu (mynd Si1 A og B, tafla Si1).
Samanburður á NIAG FS- og BS-NGF: (a) Ljósmynd af dæmigerðu NGF (NIAG) sýni sem sýnir NGF vöxt á oflstærð (55 cm2) og Bs- og FS-Ni filmusýni, (B) FS-NGF myndir/ Ni fengnar með sjónsjá, (C) SEM PORTICAL RAMAN SPECTRA UPPLÝSINGAR Á MIKIL Við mismunandi stækkanir á FS -NGF/Ni, (E, G) SEM myndum við mismunandi stækkanir setur BS -NGF/Ni. Bláa örin gefur til kynna FLG svæðið, appelsínugulur örin gefur til kynna MLG svæðið (nálægt FLG svæðinu), rauða örin gefur til kynna NGF svæðið og Magenta örin gefur til kynna fellið.
Þar sem vöxtur fer eftir þykkt upphafs undirlagsins, kristalstærðar, stefnumörkunar og kornamörks, er það áfram áskorun 20,34,44. Þessi rannsókn notaði efni sem við áður birtum30. Þetta ferli framleiðir björt svæði 0,1 til 3% á hverja 100 µm230. Í eftirfarandi köflum kynnum við niðurstöður fyrir báðar tegundir svæða. SEM myndir með mikilli stækkun sýna nærveru nokkurra skærra skugga á báðum hliðum (mynd 1F, G), sem bendir til nærveru FLG og MLG svæða30,45. Þetta var einnig staðfest með Raman dreifingu (mynd 1C) og TEM niðurstöðum (rædd síðar í kaflanum „FS-NGF: uppbygging og eiginleikar“). FLG og MLG svæðin sem fram komu á FS- og BS-NGF/NI sýnum (framan og aftan NGF ræktað á Ni) gæti hafa vaxið á stórum Ni (111) kornum sem myndast við fyrirfram 22,30,45. Felling sást á báðum hliðum (mynd 1B, merkt með fjólubláum örvum). Þessar brjóta saman oft í CVD-ræktuðu grafeni og grafít kvikmyndum vegna mikils munar á stuðul hitauppstreymis milli grafítsins og nikkel undirlagsins30,38.
AFM myndin staðfesti að FS-NGF sýnið var flatari en BS-NGF sýnið (mynd SI1) (mynd Si2). Rótmeðaltal fernings (RMS) ójöfnunargildi FS-NGF/Ni (mynd SI2C) og BS-NGF/Ni (mynd Si2D) eru 82 og 200 nm, hvort um sig (mæld yfir svæði 20 × 20 μM2). Hægt er að skilja hærri ójöfnur út frá yfirborðsgreiningu nikkel (niar) þynnunnar í AS-mótteknu ástandi (mynd SI3). SEM myndir af FS og BS-NIAR eru sýndar á myndum Si3a-D, sem sýna mismunandi yfirborðsformgerð: fáður FS-Ni þynna er með nanó- og míkronstærðar kúlulaga agnir, en ópólluð BS-Ni þynna sýnir framleiðslustiga. sem agnir með mikinn styrk. og hafna. Myndir af lágum og háupplausn af glitaðri nikkelpappír (NIA) eru sýndar á mynd Si3e - H. Á þessum tölum getum við fylgst með nærveru nokkurra míkron-stórra nikkelagna á báðum hliðum nikkelpappírsins (mynd Si3e-H). Stór korn geta verið með Ni (111) yfirborðsstefnu, eins og áður hefur verið greint frá 30,46. Það er marktækur munur á formgerð nikkelpappírs milli FS-Nia og BS-Nia. Hærri ójöfnur BS-NGF/Ni er vegna ópólisaðs yfirborðs BS-NIAR, en yfirborðið er áfram verulega gróft jafnvel eftir að hafa verið glóruð (mynd Si3). Þessi tegund yfirborðseinkenna áður en vaxtarferlið gerir kleift að stjórna ójöfnur grafen og grafít kvikmynda. Það skal tekið fram að upprunalega undirlagið gekkst undir nokkra endurskipulagningu korns við grafenvöxt, sem minnkaði kornstærð örlítið og jók nokkuð ójöfnur undirlagsins samanborið við glitaða filmu og hvata kvikmynd22.
Að fínstilla ójöfnur undirlags yfirborðsins, annealing tíma (kornastærð) 30,47 og losunarstýring43 mun hjálpa til við að draga úr svæðisbundinni NGF þykkt einsleitni í µm2 og/eða jafnvel NM2 kvarðann (þ.e. afbrigði af nokkrum nanómetrum). Til að stjórna yfirborðs ójöfnur undirlagsins er hægt að líta á aðferðir eins og rafgreiningar á nikkelpappír sem myndast 48. Síðan er hægt að glíma við forsmíðuðu nikkelpappír við lægra hitastig (<900 ° C) 46 og tíma (<5 mín.) Til að forðast myndun stórra Ni (111) korns (sem er gagnlegt fyrir FLG vöxt).
SLG og FLG grafen er ekki hægt að standast yfirborðsspennu sýru og vatns, sem krefst vélrænna stuðningslaga við blaut efnaflutningsferli22,34,38. Öfugt við blaut efnaflutning á fjölliða studdum eins lag grafen38, komumst við að því að hægt er að flytja báðar hliðar AS-ræktuðu NGF án stuðnings fjölliða, eins og sýnt er á mynd 2A (sjá mynd SI4A fyrir frekari upplýsingar). Flutningur NGF í tiltekið undirlag hefst með blautum ætingu undirliggjandi NI30.49 myndarinnar. Væknin NGF/Ni/NGF sýni voru sett yfir nótt í 15 ml af 70% HNO3 þynnt með 600 ml af afjónuðu (DI) vatni. Eftir að Ni þynnið er alveg leyst upp er FS-NGF áfram flatt og flýtur á yfirborði vökvans, rétt eins og NGF/Ni/NGF sýnið, meðan BS-NGF er sökkt í vatni (mynd 2A, B). Einangraða NGF var síðan flutt frá einni bikarglas sem innihélt ferskt afjónað vatn yfir í aðra bikarglas og einangraða NGF var þvegið vandlega og endurtók fjórum til sex sinnum í gegnum íhvolfa glerréttinn. Að lokum voru FS-NGF og BS-NGF settir á viðkomandi undirlag (mynd 2C).
Polymer-free wet chemical transfer process for NGF grown on nickel foil: (a) Process flow diagram (see Figure SI4 for more details), (b) Digital photograph of separated NGF after Ni etching (2 samples), (c) Example FS – and BS-NGF transfer to SiO2/Si substrate, (d) FS-NGF transfer to opaque polymer substrate, (e) BS-NGF úr sama sýni og spjaldið D (skipt í tvo hluta), fluttur í gullhúðað C pappír og Nafion (sveigjanlegt gegnsæ undirlag, brúnir merktir með rauðum hornum).
Athugið að SLG Transfer sem framkvæmt er með Wet Chemical Transfer Methods þarf heildar vinnslutíma 20–24 klukkustundir 38. Með fjölliða-frjálsri flutningstækni sem sýnd er hér (mynd SI4A) er heildarvinnslutími NGF flutnings verulega minnkaður (u.þ.b. 15 klukkustundir). Ferlið samanstendur af: (skref 1) Undirbúðu ætingarlausn og settu sýnið í það (~ 10 mínútur), bíddu síðan yfir nótt eftir Ni etsingu (~ 7200 mínútur), (skref 2) skolaðu með afjónuðu vatni (skref - 3). Geymið í afjónuðu vatni eða færðu yfir í miða undirlag (20 mín.). Vatn sem er föst á milli NGF og lausnar fylkisins er fjarlægt með háræðaraðgerðum (með því að nota blotting pappír) 38, þá eru vatnsdroparnir sem eftir eru fjarlægðir með náttúrulegri þurrkun (u.þ.b. 30 mín) og að lokum er sýnið þurrkað í 10 mínútur. mín í lofttæmisofni (10–1 mbar) við 50–90 ° C (60 mín.) 38.
Vitað er að grafít standast nærveru vatns og lofts við nokkuð hátt hitastig (≥ 200 ° C) 50,51,52. Við prófuðum sýni með Raman litrófsgreiningu, SEM og XRD eftir geymslu í afjónuðu vatni við stofuhita og í lokuðum flöskum hvar sem er frá nokkrum dögum til eins árs (mynd SI4). Það er engin áberandi niðurbrot. Mynd 2c sýnir frístandandi FS-NGF og BS-NGF í afjónuðu vatni. Við náðum þeim á SiO2 (300 nm)/Si undirlag, eins og sýnt er í byrjun mynd 2C. Að auki, eins og sýnt er á mynd 2D, er hægt að flytja stöðugt NGF yfir í ýmis hvarfefni, svo sem fjölliður (Thermabright pólýamíð frá Nexolve og Nafion) og gullhúðaðri kolefni. Fljótandi FS-NGF var auðveldlega sett á mark undirlagið (mynd 2C, D). Hins vegar var erfitt að takast á við BS-NGF sýni stærri en 3 cm2 þegar það var alveg sökkt í vatni. Venjulega, þegar þeir byrja að rúlla í vatni, vegna kærulausrar meðhöndlunar brjótast þeir stundum í tvo eða þrjá hluta (mynd 2E). Á heildina litið gátum við náð fjölliða án flutnings á PS- og BS-NGF (stöðugur óaðfinnanlegur flutningur án NGF/NI/NGF vöxt við 6 cm2) fyrir sýni allt að 6 og 3 cm2 á svæði, hvort um sig. Allir stórir eða litlir hlutir sem eftir eru geta verið (auðveldlega séð í ætingarlausninni eða afjónuðu vatni) á æskilegu undirlaginu (~ 1 mm2, mynd Si4b, sjá sýnishorn flutt í koparnet eins og í „FS-NGF: uppbygging og eiginleikar (ræddir) undir„ uppbyggingu og eiginleikum “) eða geyma til framtíðar (mynd SI4). Byggt á þessu viðmiðun, við áætlum að NGF sé hægt 98-99% (eftir vöxt til flutnings).
Flutningasýni án fjölliða voru greind í smáatriðum. Yfirborðs formfræðileg einkenni fengin á FS- og BS-NGF/SiO2/Si (mynd 2C) með því að nota sjón smásjá (OM) og SEM myndir (mynd Si5 og mynd 3) sýndu að þessi sýni voru flutt án smásjá. Sýnilegt uppbyggingarskemmdir eins og sprungur, göt eða órúlluð svæði. Brot á vaxandi NGF (mynd 3B, D, merkt með fjólubláum örvum) hélst ósnortinn eftir flutning. Bæði FS- og BS-NGFS eru samsett úr FLG svæðum (björt svæði sem eru gefin til kynna með bláum örvum á mynd 3). Það kemur á óvart, öfugt við fáa skemmd svæði sem oftast komu fram við fjölliða flutning á ultrathin grafítfilmum, voru nokkrar míkronstórar FLG og MLG svæði sem tengjast NGF (merktar með bláum örvum á mynd 3D) fluttar án sprunga eða hléa (mynd 3D). 3). . Vélrænni heiðarleika var enn frekar staðfest með því að nota TEM og SEM myndir af NGF sem flutt voru á blúndur kolefnis koparnet, eins og fjallað var um síðar („FS-NGF: uppbygging og eiginleikar“). Flutti BS-NGF/SiO2/Si er grófari en FS-NGF/SiO2/Si með RMS gildi 140 nm og 17 nm, hver um sig, eins og sýnt er á mynd Si6a og B (20 × 20 μM2). RMS gildi NGF, sem flutt er yfir á SiO2/Si undirlagið (RMS <2 nm) er verulega lægra (um það bil 3 sinnum) en NGF ræktað á Ni (mynd Si2), sem gefur til kynna að viðbótar ójöfnur geti samsvarað Ni yfirborðinu. Að auki sýndu AFM myndir á jaðrum FS- og BS-NGF/SiO2/Si sýni NGF þykkt 100 og 80 nm, hvort um sig (mynd Si7). Minni þykkt BS-NGF getur verið afleiðing þess að yfirborðið verður ekki beint fyrir undanfara gasinu.
Fluttur NGF (NIAG) án fjölliða á SiO2/Si skífu (sjá mynd 2C): (A, B) SEM myndir af fluttum FS-NGF: Lág og mikil stækkun (samsvarar appelsínugulum ferningi í spjaldinu). Dæmigerð svæði) - a). (C, D) SEM myndir af fluttum BS-NGF: Lítil og mikil stækkun (samsvarar dæmigerðu svæði sem sýnt er með appelsínugult ferningur í spjaldi C). (E, F) AFM myndir af yfirfærðum FS- og BS-NGFS. Blue Arrow táknar FLG svæðið - björt andstæða, sýan ör - svartur MLG andstæða, rauður ör - svartur andstæða táknar NGF svæðið, Magenta ör táknar brettið.
Efnasamsetning ræktaðs og flutt FS- og BS-NGFS var greind með röntgengeislun litrófsgreiningar (XPS) (mynd 4). Veikur toppur sást í mældu litrófinu (mynd 4a, b), sem samsvaraði Ni undirlaginu (850 eV) ræktaðs FS- og BS-NGFS (NIAG). Engir toppar eru í mældum litrófum fluttra FS- og BS-NGF/SiO2/Si (mynd 4C; svipaðar niðurstöður fyrir BS-NGF/SiO2/Si eru ekki sýndar), sem bendir til þess að það sé engin afgangs Ni mengun eftir flutning. Myndir 4D-F sýna háupplausnar litróf C 1 S, O 1 S og SI 2P orkustig FS-NGF/SiO2/Si. Bindandi orka C 1 s grafít er 284,4 EV53,54. Línuleg lögun grafítstoppanna er almennt talin vera ósamhverf, eins og sýnt er á mynd 4D54. Háupplausn kjarna stigs C 1 S litrófsins (mynd 4D) staðfesti einnig hreina flutning (þ.e. engar fjölliða leifar), sem er í samræmi við fyrri rannsóknir38. Linewidts á C 1 S litrófinu í nývaxnu sýninu (NIAG) og eftir flutning eru 0,55 og 0,62 eV, í sömu röð. Þessi gildi eru hærri en SLG (0,49 eV fyrir SLG á SiO2 undirlag) 38. Samt sem áður eru þessi gildi minni en áður hefur verið greint frá línubreidd fyrir mjög stilla pýrólýtísk grafensýni (~ 0,75 eV) 53,54,55, sem gefur til kynna fjarveru gallaðra kolefnisstaðs í núverandi efni. C 1 S og O 1 S Ground Level Spectra skortir einnig axlir og útrýma þörfinni fyrir háupplausnar hámarksafköst54. Það er π → π* gervihnattatoppur í kringum 291.1 eV, sem oft sést í grafítsýnum. 103 EV og 532,5 EV merki í SI 2P og O 1 S kjarna stigs litrófinu (sjá mynd 4E, F) eru rakin til SiO2 56 undirlagsins, hvort um sig. XPS er yfirborðsnæmt tækni, þannig að gert er ráð fyrir að merkin sem samsvara Ni og SiO2 sem fundust fyrir og eftir NGF flutning, hver um sig, upprunnin frá FLG svæðinu. Svipaðar niðurstöður sáust fyrir flutt BS-NGF sýni (ekki sýnd).
NIAG XPS Niðurstöður: (AC) könnun litróf mismunandi frumeindarsamsetningar ræktaðs FS-NGF/NI, BS-NGF/Ni og flutt FS-NGF/SiO2/Si, hver um sig. (D-F) Háupplausnar litróf kjarna stiganna C 1 S, O 1S og SI 2P af FS-NGF/SiO2/Si sýni.
Heildar gæði fluttra NGF kristalla voru metin með því að nota röntgengeislun (XRD). Dæmigert XRD mynstur (mynd Si8) af fluttum FS- og BS-NGF/SiO2/Si sýna nærveru dreifingartoppanna (0 0 0 0 2) og (0 0 0 4) við 26,6 ° og 54,7 °, svipað og grafít. . Þetta staðfestir mikil kristallað gæði NGF og samsvarar millilaga fjarlægð d = 0,335 nm, sem er haldið eftir flutningskrefið. Styrkur dreifingartoppsins (0 0 0 2) er um það bil 30 sinnum meiri en dreifingartoppurinn (0 0 0 4), sem gefur til kynna að NGF kristalplanið sé vel í takt við yfirborð sýnisins.
Samkvæmt niðurstöðum SEM, Raman litrófsgreiningar, XPS og XRD, reyndist gæði BS-NGF/Ni vera þau sömu og FS-NGF/Ni, þó að RMS ójöfnur þess væri aðeins hærri (tölur Si2, Si5) og Si7).
SLG með fjölliða stuðningslögum allt að 200 nm þykkt getur flotið á vatni. Þessi uppsetning er almennt notuð í fjölliða aðstoðaðri blautu efnaflutningsferlum22,38. Grafen og grafít eru vatnsfælni (blautt horn 80–90 °) 57. Greint hefur verið frá því að hugsanlegir orkuyfirborð bæði grafen og FLG séu nokkuð flatir, með litla mögulega orku (~ 1 kJ/mól) fyrir hlið hreyfingar vatns við yfirborðið58. Samt sem áður er reiknuð milliverkunarorku vatns með grafen og þrjú lög af grafeni um það bil - 13 og - 15 kJ/mól, 58 í sömu röð, sem bendir til þess að samspil vatns við NGF (um það bil 300 lög) sé lægra miðað við grafen. Þetta getur verið ein af ástæðunum fyrir því að frestanding NGF er áfram flatt á yfirborði vatns, en frestanding grafen (sem flýtur í vatni) krulla upp og brotnar niður. Þegar NGF er alveg á kafi í vatni (niðurstöður eru þær sömu fyrir gróft og flatt NGF), beygja brúnir þess (mynd Si4). Ef um er að ræða fullkomna sökkt er búist við að orka NGF-vatns samspil sé næstum tvöfölduð (samanborið við fljótandi NGF) og að brúnir NGF-fellisins til að viðhalda háu snertishorni (vatnsfælni). Við teljum að hægt sé að þróa aðferðir til að forðast krulla á brúnum innbyggðra NGF. Ein nálgun er að nota blönduð leysiefni til að móta bleytandi viðbrögð grafítmyndarinnar59.
Áður hefur verið greint frá flutningi SLG í ýmsar gerðir undirlags með blautum efnaflutningsferlum. Almennt er viðurkennt að veikir van der Waals sveitir séu á milli grafen/grafít kvikmynda og hvarfefna (vera það stíf undirlag eins og SiO2/Si38,41,46,60, SIC38, AU42, SI Pillars22 og Lacy Carbon Films30, 34 eða sveigjanlegir undirlag eins og pólýímíð 37). Hér gerum við ráð fyrir að samspil af sömu gerð sé ríkjandi. Við fylgjumst ekki með neinu tjóni eða flögnun NGF fyrir eitthvað af undirlaginu sem kynnt var hér við vélrænni meðhöndlun (við persónusköpun við lofttæmi og/eða andrúmsloftsaðstæður eða við geymslu) (td mynd 2, Si7 og Si9). Að auki fylgjumst við ekki með SIC hámarki í XPS C 1 S litrófinu á kjarnastigi NGF/SiO2/Si sýnisins (mynd 4). Þessar niðurstöður benda til þess að það sé ekkert efnasamband milli NGF og markhópsins.
Í fyrri hlutanum, „fjölliða-laus flutningur á FS- og BS-NGF,“ sýndum við að NGF getur vaxið og flutt á báðum hliðum nikkelpappírs. Þessir FS-NGFS og BS-NGFS eru ekki eins hvað varðar ójöfnur á yfirborði, sem varð til þess að við kanna viðeigandi forrit fyrir hverja gerð.
Miðað við gegnsæi og sléttara yfirborð FS-NGF, rannsökuðum við staðbundna uppbyggingu þess, sjón- og rafmagns eiginleika nánar. Uppbygging og uppbygging FS-NGF án fjölliða flutnings einkenndust af myndgreiningar rafeindasmásjá (TEM) og valinni greiningu á rafeindadreifingu (SAED) mynstri. Samsvarandi niðurstöður eru sýndar á mynd 5. Lítil stækkun Planar TEM myndgreining leiddi í ljós nærveru NGF og FLG svæða með mismunandi rafeindabótaeinkenni, þ.e. dekkri og bjartari svæði, hver um sig (mynd 5A). Kvikmyndin sýnir í heildina góðan vélrænan heiðarleika og stöðugleika milli mismunandi svæða NGF og FLG, með góðri skörun og engum skemmdum eða rifnum, sem einnig var staðfest með SEM (mynd 3) og mikilli stækkun TEM rannsókna (mynd 5C-E). Sérstaklega sýnir mynd 5D á mynd 5D brúarbyggingunni við stærsta hluta þess (staðan sem er merkt með svörtu punkta örinni á mynd 5D), sem einkennist af þríhyrningslaga lögun og samanstendur af grafenlagi með breidd um 51. Samsetningin með millibili milliplanar 0,33 ± 0,01 nm minnkar frekar í nokkur lög af grafeni á þrengsta svæðinu (enda föstu svörtu örarinnar á mynd 5 d).
Planar TEM mynd af fjölliða-lausu NIAG sýni á kolefnis lacy koparneti: (a, b) Lítil stækkun TEM myndir þar á meðal NGF og FLG svæði, (CE) Mikil stækkunarmyndir af ýmsum svæðum í spjaldi-A og pallborð-B eru merktar örvar af sama lit. Grænar örvar í spjöldum A og C gefa til kynna hringlaga tjónasvæði við röðun geisla. (F - I) Í spjöldum A til C eru SAED mynstur á mismunandi svæðum auðkennd með bláum, blásýru, appelsínugulum og rauðum hringjum, í sömu röð.
Uppbygging borði á mynd 5C sýnir (merkt með rauðum ör) lóðréttri stefnu grafítgrindaraflanna, sem getur verið vegna myndunar nanofolds meðfram filmunni (innsetningar á mynd 5C) vegna umfram ósamþjöppaðs klippuálags30,61,62. Undir háupplausnar TEM sýna þessar nanofold 30 aðra kristallaðri stefnu en restin af NGF svæðinu; Basalplanar grafítgrindurnar eru nánast lóðréttar, frekar en lárétt eins og restin af myndinni (Inset á mynd 5C). Á sama hátt sýnir FLG svæðið stundum línuleg og þröngt bandalík brot (merkt með bláum örvum), sem birtast við litla og miðlungs stækkun á myndum 5B, 5E, í sömu röð. Innsetningin á mynd 5e staðfestir tilvist tveggja og þriggja laga grafenlaga í FLG geiranum (millibili milli planar 0,33 ± 0,01 nm), sem er í góðu samræmi við fyrri niðurstöður okkar. Að auki eru skráðar SEM myndir af fjölliða-lausum NGF fluttar á koparnet með Lacy kolefnis kvikmyndum (eftir að hafa framkvæmt TEM mælingar í toppsýni) á mynd SI9. Hol hengda FLG svæðið (merkt með bláum ör) og brotnu svæðinu á mynd Si9f. Bláa örin (við jaðar fluttra NGF) er kynnt viljandi til að sýna fram á að FLG svæðið geti staðist flutningsferlið án fjölliða. Í stuttu máli, þessar myndir staðfesta að NGF (þ.mt FLG svæðið) heldur að hluta til, heldur vélrænni heilleika jafnvel eftir strangar meðhöndlun og útsetning fyrir miklu lofttæmi við TEM og SEM mælingar (mynd SI9).
Vegna framúrskarandi flatneskju NGF (sjá mynd 5A) er ekki erfitt að stilla flögurnar meðfram [0001] lénsásnum að greina SAED uppbyggingu. Það fer eftir staðbundinni þykkt myndarinnar og staðsetningu hennar, voru nokkur svæði sem vekja áhuga (12 stig) greind fyrir rafeindadreifingarrannsóknir. Á myndum 5A - C eru fjögur af þessum dæmigerðu svæðum sýnd og merkt með lituðum hringjum (blátt, blásýru, appelsínugult og rauðkóðuð). Myndir 2 og 3 fyrir SAED ham. Myndir 5F og G voru fengnar frá FLG svæðinu sem sýnd er á myndum 5 og 5. Eins og sýnt er á myndum 5B og C, í sömu röð. Þeir eru með sexhyrndar uppbyggingu svipað og snúinn grafen63. Sérstaklega sýnir mynd 5F þrjú ofan á mynstri með sömu stefnu á [0001] svæðisásnum, snúið um 10 ° og 20 °, eins og sést af hyrndum misræmi þriggja para (10-10) endurspeglunar. Á sama hátt sýnir mynd 5G tvö ofan á sexhyrndum mynstri sem snúið er um 20 °. Tveir eða þrír hópar sexhyrndra mynsturs á FLG svæðinu geta komið upp frá þremur grafenlögum í plani eða utan plans 33 miðað við hvert annað. Aftur á móti sýna rafeindadreifingarmynstrið á mynd 5H, I (samsvarandi NGF svæðinu sem sýnt er á mynd 5a) sýnt eitt [0001] mynstur með heildarstyrk hærri punkta, sem samsvarar meiri efnisþykkt. Þessar SAED líkön samsvara þykkari grafítískri uppbyggingu og millistefnu en FLG, eins og ályktað var frá vísitölu 64. Einkenni kristallaðra eiginleika NGF leiddi í ljós sambúð tveggja eða þriggja yfirlagaðs grafít (eða grafen) kristalla. Það sem er sérstaklega athyglisvert á FLG svæðinu er að kristallarnir hafa ákveðna gráðu í plani eða ópluge. Graphite agnir/lög með snúningshornum í plani, 17 °, 22 ° og 25 °, hefur áður verið greint frá NGF ræktað á Ni 64 kvikmyndum. Gildin á snúningshorninu sem sést í þessari rannsókn eru í samræmi við áður snúningshorn (± 1 °) fyrir snúið BLG63 grafen.
Rafmagns eiginleikar NGF/SiO2/Si voru mældir við 300 K yfir svæði 10 × 3 mm2. Gildi styrks rafeinda, hreyfanleiki og leiðni eru 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 og 2000 S-CM-1, í sömu röð. Hreyfanleiki og leiðni gildi NGF okkar eru svipuð náttúrulegum grafít2 og hærri en mjög fáanlegt pýrólýtísk grafít (framleitt við 3000 ° C) 29. Styrkur rafeindaflutninga sem sést er tvö stærðargráður hærri en nýlega greint frá (7,25 × 10 cm-3) fyrir míkronþykkar grafítfilmur sem framleiddar voru með háhita (3200 ° C) pólýímíðblöð 20.
Við gerðum einnig UV-sýnilegar flutningsmælingar á FS-NGF fluttir í kvars hvarfefni (mynd 6). Litrófið sem myndast sýnir næstum stöðuga umbreytingu 62% á bilinu 350–800 nm, sem gefur til kynna að NGF sé hálfgagnsær fyrir sýnilegt ljós. Reyndar er hægt að sjá nafnið „KAUST“ á stafrænu ljósmyndinni af sýninu á mynd 6b. Þrátt fyrir að nanókristallaða uppbygging NGF sé frábrugðin SLG, er hægt að áætla fjölda laga nokkurn veginn með því að nota reglu um 2,3% flutningsmissi á hverja lag 65. Samkvæmt þessu sambandi er fjöldi grafenlags með 38% flutningsmissi 21. Grown NGF samanstendur aðallega af 300 grafenlögum, þ.e. um 100 nm þykkt (mynd 1, Si5 og Si7). Þess vegna gerum við ráð fyrir að sjónræn gagnsæi sem sést samsvarar FLG og MLG svæðum þar sem þeim er dreift um myndina (mynd 1, 3, 5 og 6c). Til viðbótar við ofangreind burðargögn staðfesta leiðni og gegnsæi einnig mikil kristallað gæði fluttra NGF.
(a) UV-sýnileg flutningsmæling, (b) Dæmigerður NGF flutningur á kvars með dæmigerðu sýni. (c) Teikning af NGF (dökkum kassa) með jafnt dreifðum FLG og MLG svæðum merkt sem grár handahófi form í öllu sýninu (sjá mynd 1) (u.þ.b. 0,1–3% svæði á 100 μM2). Handahófskennd form og stærðir þeirra á skýringarmyndinni eru eingöngu í myndskreytum og samsvara ekki raunverulegum svæðum.
Gegnsætt NGF ræktað af CVD hefur áður verið flutt á beran kísilflöt og notuð í sólarfrumum15,16. Skilvirkni orkubreytinga (PCE) er 1,5%. Þessir NGFs gegna mörgum aðgerðum eins og virkum efnasamböndum, hleðsluleiðum og gegnsæjum rafskautum15,16. Graphite kvikmyndin er þó ekki eins. Frekari hagræðing er nauðsynleg með því að stjórna vandlega lakviðnám og sjónrænni mynd af grafít rafskautinu, þar sem þessir tveir eiginleikar gegna mikilvægu hlutverki við að ákvarða PCE gildi sólarfrumunnar15,16. Venjulega eru grafenmyndir 97,7% gagnsæir til sýnilegs ljóss, en hafa blaðaþol 200–3000 ohm/sq.16. Hægt er að minnka yfirborðsþol grafenfilma með því að fjölga lögum (margfeldi flutning grafenlaga) og lyfjamisnotkun með HNO3 (~ 30 ohm/fm) 66. Hins vegar tekur þetta ferli langan tíma og mismunandi flutningalög halda ekki alltaf góðri snertingu. Framhlið NGF okkar hefur eiginleika eins og leiðni 2000 s/cm, mótstöðu kvikmyndablaðsins 50 Ohm/sq. og 62% gegnsæi, sem gerir það að raunhæfum valkosti fyrir leiðandi rásir eða rafskaut í sólarfrumum15,16.
Þrátt fyrir að uppbygging og yfirborðsefnafræði BS-NGF séu svipuð og FS-NGF, þá er ójöfnur þess mismunandi („vöxtur FS- og BS-NGF“). Áður notuðum við Ultra-Thin Film Graphite22 sem gasskynjara. Þess vegna prófuðum við hagkvæmni þess að nota BS-NGF fyrir gasskynjunarverkefni (mynd SI10). Í fyrsta lagi voru MM2-stórir hlutar af BS-NGF fluttir á intergreining rafskautskynjara flís (mynd SI10A-C). Áður var greint frá framleiðsluupplýsingum um flísina; Virkt viðkvæma svæði þess er 9 mm267. Í SEM myndunum (mynd SI10B og C) er undirliggjandi gull rafskaut greinilega sýnilegt í gegnum NGF. Aftur má sjá að samræmd flísarumfjöllun náðist fyrir öll sýni. Gasskynjara mælingar á ýmsum lofttegundum voru skráðar (mynd SI10D) (mynd SI11) og svörunarhlutfallið sem myndaðist er sýnt á myndum. SI10G. Líklegt með aðrar truflandi lofttegundir, þar á meðal SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) og NH3 (200 ppm). Ein möguleg orsök er NO2. Rafsnúið eðli gas22,68. Þegar það er aðsogað á yfirborði grafens dregur það úr núverandi frásogi rafeinda með kerfinu. Samanburður á svörunartíma gagna BS-NGF skynjara við áður útgefna skynjara er kynntur í töflu Si2. Verkunarháttur til að endurvirkja NGF skynjara sem nota UV plasma, O3 plasma eða hitauppstreymi (50–150 ° C) Meðferð á útsettum sýnum er í gangi, fylgt helst fylgt eftir með innleiðingu innbyggðra kerfa69.
Meðan á CVD ferli stendur, á sér stað grafenvöxtur á báðum hliðum hvata undirlagsins41. Hins vegar er BS-grafen venjulega kastað út meðan á flutningsferlinu stendur. Í þessari rannsókn sýnum við fram á að hágæða NGF vöxt og fjölliða laus NGF flutningur er hægt að ná báðum megin við stuðning hvata. BS-NGF er þynnri (~ 80 nm) en FS-NGF (~ 100 nm), og þessi munur er útskýrður með því að BS-NI er ekki beint útsett fyrir forveri gasflæðisins. Við fundum einnig að ójöfnur niar undirlagsins hefur áhrif á ójöfnur NGF. Þessar niðurstöður benda til þess að hægt sé að nota ræktuðu planar FS-NGF sem undanfaraefni fyrir grafen (með exfoliation aðferð70) eða sem leiðandi farveg í sólarfrumum15,16. Aftur á móti verður BS-NGF notað til að greina gas (mynd SI9) og hugsanlega fyrir orkugeymslukerfi71,72 þar sem ójöfnur þess mun nýtast.
Miðað við ofangreint er gagnlegt að sameina núverandi verk og áður birtar grafítmyndir ræktaðar af CVD og nota nikkelpailmu. Eins og sjá má í töflu 2 stytti hærri þrýstingur sem við notuðum viðbragðstíma (vaxtarstig) jafnvel við tiltölulega lágt hitastig (á bilinu 850–1300 ° C). Við náðum einnig meiri vexti en venjulega, sem benti til möguleika á stækkun. Það eru aðrir þættir sem þarf að hafa í huga, sumir sem við höfum tekið með í töflunni.
Tvíhliða hágæða NGF var ræktað á nikkelpappír með hvata CVD. Með því að útrýma hefðbundnum fjölliða hvarfefnum (eins og þeim sem notuð eru í CVD grafen) náum við hreinum og gallalausum blautum flutningi NGF (ræktað á aftan og framhlið nikkelpappírs) yfir í margs konar ferli-gagnrýnin hvarfefni. Athygli vekur að NGF inniheldur FLG og MLG svæði (venjulega 0,1% til 3% á hverja 100 µm2) sem eru byggingarlega vel samþætt í þykkari filmuna. Planar TEM sýnir að þessi svæði eru samsett úr stafla af tveimur til þremur grafít/grafen agnum (kristöllum eða lögum, hver um sig), sem sum þeirra eru með snúnings misræmi 10-20 °. FLG og MLG svæðin bera ábyrgð á gegnsæi FS-NGF til sýnilegs ljóss. Hvað afturblöðin varðar, þá er hægt að bera þau samsíða fremstu blöðum og eins og sýnt er, geta haft virkan tilgang (til dæmis til að greina gas). Þessar rannsóknir eru mjög gagnlegar til að draga úr úrgangi og kostnaði í CVD ferlum í iðnaði.
Almennt liggur meðalþykkt CVD NGF á milli (lág- og fjöllag) grafen og iðnaðar (míkrómetra) grafítblöð. Svið áhugaverða eiginleika þeirra, ásamt þeirri einföldu aðferð sem við höfum þróað fyrir framleiðslu þeirra og flutninga, gerir þessar kvikmyndir sérstaklega hentugar fyrir forrit sem krefjast virkni viðbragða grafíts, án kostnaðar við orkukennda iðnaðarframleiðsluferla sem nú eru notaðir.
25 μm þykkur nikkelpappír (99,5% hreinleiki, Goodfellow) var settur upp í auglýsing CVD reactor (Aixtron 4 tommu BMPRO). Kerfið var hreinsað með argon og flutt á grunnþrýsting 10-3 mbar. Þá var nikkelpappír settur. Í AR/H2 (eftir að Ni-þynnið hefur verið áður í 5 mínútur var filmu útsett fyrir þrýstingi 500 mbar við 900 ° C. NGF var sett í flæði CH4/H2 (100 cm3 hvor) í 5 mínútur. Sýnið var síðan kælt að hitastigi undir 700 ° C með því að nota AR flæði (4000 cm3) við 40 ° C/mín. annars staðar30.
Yfirborðsformgerð sýnisins var sjón með SEM með Zeiss Merlin smásjá (1 kV, 50 PA). Ójöfnur sýnisins og þykkt NGF voru mæld með AFM (víddar táknmynd SPM, Bruker). TEM og SAED mælingar voru gerðar með því að nota FEI Titan 80–300 tenings smásjá búin með mikilli losunarbyssu birtustigs (300 kV), Fei Wien gerð einlita og forstjóra kúlulaga fráviksleiðréttingar til að fá lokaniðurstöður. Landupplausn 0,09 nm. NGF sýni voru flutt í kolefnisbundið húðuð koparnet fyrir flata TEM myndgreiningu og greiningu á SAED uppbyggingu. Þannig eru flestir sýnishornsflokkar sviflausnar í svitaholunum í stuðningshimnunni. Flutt NGF sýni voru greind með XRD. Röntgengeislunarmynstur voru fengin með duftdreifingu (brucker, D2 fasa shifter með Cu Ka uppsprettu, 1.5418 Å og lynxeye skynjari) með því að nota Cu geislunargjafa með geislaspennu þvermál 3 mm.
Nokkrar mælingar á Raman punkti voru skráðar með samþættingu confocal smásjá (Alpha 300 RA, Witec). 532 nm leysir með litla örvunarafl (25%) var notað til að forðast hitauppstreymi. Röntgengeislaljósmyndun litrófsgreining (XPS) var framkvæmd á Kratos ás Ultra litrófsmæli yfir sýnishornið 300 × 700 μM2 með því að nota einlita Al Ka geislun (Hν = 1486,6 eV) við 150 W. Upplausnarróf voru fengin við smitsorku 160 eV og 20 EV, hvort um sig. NGF sýni sem flutt voru á SiO2 voru skorin í sundur (3 × 10 mm2 hvor) með því að nota PLS6MW (1,06 μm) Ytterbium trefjar leysir við 30 W. Koparvír snerting (50 μm þykkur) voru framleidd með silfurpasta undir ljósrýmasmásjá. Rafmagns flutnings- og Hall-áhrifartilraunir voru gerðar á þessum sýnum við 300 K og segulsviðsbreytileika ± 9 Tesla í líkamlegum eiginleikamælingarkerfi (PPMS Evercool-II, Quantum Design, USA). Sendu UV -Vis litróf voru skráð með því að nota Lambda 950 UV - Vis litrófsmæli í 350–800 nm NGF sviðinu sem flutt var yfir í kvars hvarfefni og kvars viðmiðunarsýni.
Efnaþolskynjarinn (samtengdur rafskautsflís) var hleraður við sérsniðna prentaða hringrás 73 og viðnámið var dregið út tímabundið. Prentaða hringrásarborðið sem tækið er staðsett á er tengt við snertistöðvarnar og sett inni í gasskynjunarhólfinu 74. Mælingar á viðnám voru teknar við spennu 1 V með stöðugri skönnun frá hreinsun til útsetningar fyrir gasi og síðan hreinsað aftur. Hólfið var upphaflega hreinsað með því að hreinsa með köfnunarefni við 200 cm3 í 1 klukkustund til að tryggja að allar aðrar greiningar séu fjarlægðar í hólfinu, þar með talið raka. Einstökum greiningum var síðan hægt og rólega sleppt út í hólfið á sama rennslishraða 200 cm3 með því að loka N2 strokknum.
Endurskoðuð útgáfa af þessari grein hefur verið birt og hægt er að nálgast hana í gegnum hlekkinn efst í greininni.
Inagaki, M. og Kang, F. Kolefnisefni vísindi og verkfræði: Grundvallaratriði. Önnur útgáfa ritstýrð. 2014. 542.
Pearson, Ho Handbook of Carbon, Graphite, Diamond og Fullerenes: Eiginleikar, vinnsla og forrit. Fyrsta útgáfunni hefur verið breytt. 1994, New Jersey.
Tsai, W. o.fl. Stórt svæði fjöllaga grafen/grafít filmur sem gegnsæjar þunnar leiðandi rafskaut. umsókn. Eðlisfræði. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Balandin AA hitauppstreymi eiginleika grafen og nanostructured kolefnisefni. NAT. Matt. 10 (8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW og Cahill DG Hitaleiðni grafítfilma sem ræktað er á Ni (111) með lághita efnafræðilegri gufuútfellingu. Adverb. Matt. Viðmót 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Stöðugur vöxtur grafenfilma með efnafræðilegum gufuuppfellingu. umsókn. Eðlisfræði. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Post Time: Aug-23-2024