גידול שכבת גרפיט שקופה על ניקל והעברה דו-כיוונית ללא פולימרים שלה

תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים תמכה ב-CSS באופן מוגבל. לקבלת התוצאות הטובות ביותר, אנו ממליצים להשתמש בגרסה חדשה יותר של הדפדפן שלכם (או להשבית את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, אנו מציגים את האתר ללא עיצוב או JavaScript.
סרטי גרפיט ננומטריים (NGFs) הם ננו-חומרים חזקים שניתן לייצר על ידי שקיעת אדים כימית קטליטית, אך נותרו שאלות לגבי קלות ההעברה שלהם וכיצד מורפולוגיית פני השטח משפיעה על השימוש בהם במכשירים מהדור הבא. כאן אנו מדווחים על גידול NGF משני צידי רדיד ניקל פולי-קריסטלי (שטח 55 סמ"ר, עובי כ-100 ננומטר) ועל ההעברה נטולת הפולימרים שלו (קדמי ואחורי, שטח עד 6 סמ"ר). בשל המורפולוגיה של רדיד הזרז, שני סרטי הפחמן נבדלים בתכונותיהם הפיזיקליות ובמאפיינים אחרים (כגון חספוס פני השטח). אנו מדגימים ש-NGFs בעלי צד אחורי מחוספס יותר מתאימים היטב לגילוי NO2, בעוד ש-NGFs חלקים ומוליכים יותר בצד הקדמי (2000 S/cm, התנגדות יריעת - 50 אוהם/מ"ר) יכולים להיות מוליכים ברי קיימא. תעלה או אלקטרודה של תא סולארי (מכיוון שהוא מעביר 62% מהאור הנראה). בסך הכל, תהליכי הגידול וההעברה המתוארים עשויים לסייע במימוש NGF כחומר פחמן חלופי עבור יישומים טכנולוגיים שבהם גרפן וסרטי גרפיט בעובי מיקרון אינם מתאימים.
גרפיט הוא חומר תעשייתי בשימוש נרחב. ראוי לציין, שלגרפיט יש תכונות של צפיפות מסה נמוכה יחסית ומוליכות תרמית וחשמלית גבוהה במישור, והוא יציב מאוד בסביבות תרמיות וכימיות קשות1,2. גרפיט פתיתים הוא חומר מוצא ידוע למחקר גרפן3. כאשר מעובד לשכבות דקות, ניתן להשתמש בו במגוון רחב של יישומים, כולל גופי קירור למכשירים אלקטרוניים כמו סמארטפונים4,5,6,7, כחומר פעיל בחיישנים8,9,10 ולהגנה מפני הפרעות אלקטרומגנטיות11.12 ושכבות לליתוגרפיה באולטרה סגול קיצוני13,14, תעלות מוליכות בתאים סולאריים15,16. עבור כל היישומים הללו, יהיה זה יתרון משמעותי אם ניתן יהיה לייצר ולהעביר בקלות שטחים גדולים של שכבות גרפיט (NGFs) בעוביים נשלטים בקנה מידה ננומטרי של <100 ננומטר.
סרטי גרפיט מיוצרים בשיטות שונות. במקרה אחד, נעשה שימוש בהטבעה והתפשטות ולאחר מכן קילוף כדי לייצר פתיתי גרפן 10,11,17. יש לעבד את הפתיתים עוד יותר לסרטים בעובי הנדרש, ולעתים קרובות לוקח מספר ימים לייצר יריעות גרפיט צפופות. גישה נוספת היא להתחיל עם חומרים מוצקים הניתנים לגרפיט. בתעשייה, יריעות פולימרים עוברות פחמן (בטמפרטורה של 1000-1500 מעלות צלזיוס) ולאחר מכן גרפיטיזציה (בטמפרטורה של 2800-3200 מעלות צלזיוס) ליצירת חומרים שכבתיים בעלי מבנה טוב. למרות שאיכות הסרטים הללו גבוהה, צריכת האנרגיה משמעותית 1,18,19 והעובי המינימלי מוגבל לכמה מיקרונים בודדים 1,18,19,20.
שקיעת אדים כימית קטליטית (CVD) היא שיטה ידועה לייצור סרטי גרפן וגרפיט דקים במיוחד (<10 ננומטר) באיכות מבנית גבוהה ובעלות סבירה 21,22,23,24,25,26,27. עם זאת, בהשוואה לגידול של סרטי גרפן וגרפיט דקים במיוחד 28, גידול בשטח גדול ו/או יישום של NGF באמצעות CVD נחקר אף פחות .
לעיתים קרובות יש צורך להעביר סרטי גרפן וגרפיט שגדלו ב-CVD על גבי מצעים פונקציונליים34. העברות שכבה דקה אלו כוללות שתי שיטות עיקריות35: (1) העברה ללא איכול36,37 ו-(2) העברה כימית רטובה מבוססת איכול (נתמכת על ידי מצע)14,34,38. לכל שיטה יתרונות וחסרונות ויש לבחור אותה בהתאם ליישום המיועד, כמתואר במקום אחר35,39. עבור סרטי גרפן/גרפיט שגדלו על מצעים קטליטיים, העברה באמצעות תהליכים כימיים רטובים (שבו פולימתיל מתאקרילט (PMMA) היא שכבת התמיכה הנפוצה ביותר) נותרה הבחירה הראשונה13,30,34,38,40,41,42. You et al. הוזכר כי לא נעשה שימוש בפולימר להעברת NGF (גודל דגימה כ-4 סמ"ר)25,43, אך לא סופקו פרטים בנוגע ליציבות הדגימה ו/או הטיפול בה במהלך ההעברה; תהליכי כימיה רטובה המשתמשים בפולימרים מורכבים ממספר שלבים, כולל יישום והסרה לאחר מכן של שכבת פולימר קורבן30,38,40,41,42. לתהליך זה חסרונות: לדוגמה, שאריות פולימר יכולות לשנות את תכונות הסרט הגדל38. עיבוד נוסף יכול להסיר פולימר שיורי, אך שלבים נוספים אלה מגדילים את העלות והזמן של ייצור הסרט38,40. במהלך גידול CVD, שכבת גרפן מופקדת לא רק בצד הקדמי של נייר הזרז (הצד הפונה לזרימת הקיטור), אלא גם בצד האחורי שלו. עם זאת, האחרון נחשב כתוצר פסולת וניתן להסירו במהירות באמצעות פלזמה רכה38,41. מיחזור סרט זה יכול לסייע במקסום התפוקה, גם אם הוא באיכות נמוכה יותר מסרט פחמן קדמי.
כאן, אנו מדווחים על הכנת גידול דו-פאציאלי בקנה מידה של פרוסת ופלים של NGF באיכות מבנית גבוהה על נייר כסף ניקל פולי-קריסטלי באמצעות CVD. הוערך כיצד חספוס המשטח הקדמי והאחורי של נייר הכסף משפיע על המורפולוגיה והמבנה של NGF. אנו גם מדגימים העברה חסכונית וידידותית לסביבה ללא פולימרים של NGF משני צידי נייר הכסף הניקל על גבי מצעים רב-תכליתיים ומראים כיצד הסרטים הקדמיים והאחוריים מתאימים ליישומים שונים.
הסעיפים הבאים דנים בעוביים שונים של שכבות גרפיט בהתאם למספר שכבות הגרפן המוערמות: (i) גרפן חד-שכבתי (SLG, שכבה אחת), (ii) גרפן בעל מספר שכבות (FLG, < 10 שכבות), (iii) גרפן רב-שכבתי (MLG, 10-30 שכבות) ו-(iv) NGF (כ-300 שכבות). האחרון הוא העובי הנפוץ ביותר, המתבטא באחוזים מהשטח (כ-97% מהשטח לכל 100 מיקרומטר רבוע)30. זו הסיבה שכל הסרט נקרא בפשטות NGF.
לסדי ניקל פולי-קריסטליים המשמשים לסינתזה של סרטי גרפן וגרפיט יש מרקמים שונים כתוצאה מייצורם ועיבודם לאחר מכן. לאחרונה דיווחנו על מחקר שמטרתו לייעל את תהליך הגידול של NGF30. אנו מראים שפרמטרי תהליך כגון זמן חישול ולחץ בתא במהלך שלב הגידול ממלאים תפקיד קריטי בהשגת NGFs בעובי אחיד. כאן, חקרנו עוד את הגידול של NGF על משטחים קדמיים מלוטשים (FS) ואחוריים לא מלוטשים (BS) של נייר ניקל (איור 1א'). נבדקו שלושה סוגי דגימות FS ו-BS, המפורטים בטבלה 1. בבדיקה ויזואלית, ניתן לראות גידול אחיד של NGF משני צידי נייר הניקל (NiAG) על ידי שינוי צבע מצע ה-Ni בתפזורת מאפור כסוף מתכתי אופייני לצבע אפור מט (איור 1א'); מדידות מיקרוסקופיות אושרו (איור 1ב', ג'). ספקטרום ראמאן טיפוסי של FS-NGF שנצפה באזור הבהיר ומסומן על ידי חצים אדומים, כחולים וכתומים באיור 1ב' מוצג באיור 1ג'. פיקי הראמאן האופייניים של גרפיט G (1683 ס"מ-1) ו-2D (2696 ס"מ-1) מאשרים את הצמיחה של NGF גבישי ביותר (איור 1c, טבלה SI1). לאורך הסרט נצפתה דומיננטיות של ספקטרום ראמאן עם יחס עוצמה (I2D/IG) ~0.3, בעוד שספקטרום ראמאן עם I2D/IG = 0.8 נצפה לעיתים רחוקות. היעדר פיקים פגומים (D = 1350 ס"מ-1) בסרט כולו מעיד על איכות גבוהה של צמיחה של NGF. תוצאות ראמאן דומות התקבלו בדגימת BS-NGF (איור SI1 a ו-b, טבלה SI1).
השוואה בין NiAG FS- ו-BS-NGF: (א) תצלום של דגימת NGF טיפוסית (NiAG) המציגה צמיחת NGF בקנה מידה של פרוסה רגילה (55 סמ"ר) ודגימות נייר הכסף BS- ו-FS-Ni שהתקבלו, (ב) תמונות FS-NGF/Ni שהתקבלו על ידי מיקרוסקופ אופטי, (ג) ספקטרום ראמאן טיפוסי שנרשם במיקומים שונים בפאנל ב', (ד, ו) תמונות SEM בהגדלות שונות על FS-NGF/Ni, (ה, ז) תמונות SEM בהגדלות שונות סטים BS -NGF/Ni. החץ הכחול מציין את אזור FLG, החץ הכתום מציין את אזור MLG (ליד אזור FLG), החץ האדום מציין את אזור NGF, והחץ המג'נטה מציין את הקפל.
מאחר שהצמיחה תלויה בעובי המצע הראשוני, גודל הגביש, הכיוון וגבולות הגרעינים, השגת שליטה סבירה בעובי ה-NGF על פני שטחים גדולים נותרת אתגר20,34,44. מחקר זה השתמש בתכנים שפרסמנו בעבר30. תהליך זה מייצר אזור בהיר של 0.1 עד 3% לכל 100 מיקרומטר230. בסעיפים הבאים, אנו מציגים תוצאות עבור שני סוגי האזורים. תמונות SEM בהגדלה גבוהה מראות את נוכחותם של מספר אזורי ניגודיות בהירים משני הצדדים (איור 1f,g), דבר המצביע על נוכחות של אזורי FLG ו-MLG30,45. הדבר אושר גם על ידי תוצאות פיזור ראמאן (איור 1c) ו-TEM (שיידונו בהמשך בסעיף "FS-NGF: מבנה ותכונות"). אזורי FLG ו-MLG שנצפו בדגימות FS- ו-BS-NGF/Ni (NGF קדמי ואחורי שגודל על Ni) עשויים לגדול על גרגירי Ni(111) גדולים שנוצרו במהלך טרום-חישול22,30,45. קיפול נצפה משני הצדדים (איור 1b, מסומן בחצים סגולים). קיפולים אלה נמצאים לעתים קרובות בסרטי גרפן וגרפיט שגדלו ב-CVD עקב ההבדל הגדול במקדם ההתפשטות התרמית בין הגרפיט למצע הניקל30,38.
תמונת ה-AFM אישרה כי דגימת FS-NGF הייתה שטוחה יותר מדגימת BS-NGF (איור SI1) (איור SI2). ערכי החספוס של שורש ממוצע הריבועים (RMS) של FS-NGF/Ni (איור SI2c) ו-BS-NGF/Ni (איור SI2d) הם 82 ו-200 ננומטר, בהתאמה (נמדדו על שטח של 20 × 20 מיקרומטר רבוע). ניתן להבין את החספוס הגבוה יותר על סמך ניתוח פני השטח של נייר הכסף ניקל (NiAR) במצב כפי שהתקבל (איור SI3). תמונות SEM של FS ו-BS-NiAR מוצגות באיורים SI3a-d, ומדגימות מורפולוגיות פני שטח שונות: נייר הכסף FS-NiL מלוטש מכיל חלקיקים כדוריים בגודל ננו ומיקרוני, בעוד שרדיד הכסף BS-NiL הלא מלוטש מציג סולם ייצור כחלקיקים בעלי חוזק גבוה ודעיכה. תמונות ברזולוציה נמוכה וגבוהה של נייר הכסף ניקל מחושל (NiA) מוצגות באיור SI3e-h. באיורים אלה, אנו יכולים לראות נוכחות של מספר חלקיקי ניקל בגודל מיקרון משני צידי רדיד הניקל (איור SI3e-h). גרגירים גדולים עשויים להיות בעלי כיוון פני שטח של Ni(111), כפי שדווח בעבר30,46. ישנם הבדלים משמעותיים במורפולוגיה של רדיד הניקל בין FS-NiA ל-BS-NiA. החספוס הגבוה יותר של BS-NGF/Ni נובע מהפני השטח הלא מלוטשים של BS-NiAR, אשר פני השטח שלו נשארים מחוספסים באופן משמעותי גם לאחר חישול (איור SI3). אפיון פני שטח מסוג זה לפני תהליך הגידול מאפשר לשלוט בחספוס של סרטי גרפן וגרפיט. יש לציין כי המצע המקורי עבר ארגון מחדש מסוים של גרגירים במהלך גידול הגרפן, מה שהפחית מעט את גודל הגרגירים והגדיל במידה מסוימת את חספוס פני השטח של המצע בהשוואה לרדיד ולסרט הזרז שעברו חישול22.
כוונון עדין של חספוס פני השטח של המצע, זמן החישול (גודל גרגירים)30,47 ובקרת השחרור43 יסייעו בהפחתת אחידות עובי ה-NGF האזורית לסולם מיקרומטר² ו/או אפילו ננומטר² (כלומר, וריאציות עובי של כמה ננומטרים). כדי לשלוט בחספוס פני השטח של המצע, ניתן לשקול שיטות כגון ליטוש אלקטרוליטי של נייר הניקל המתקבל48. לאחר מכן ניתן לחשל את נייר הניקל שעבר טיפול מקדים בטמפרטורה נמוכה יותר (< 900 מעלות צלזיוס)46 ובזמן נמוך יותר (< 5 דקות) כדי למנוע היווצרות גרגירי Ni(111) גדולים (מה שמועיל לצמיחת FLG).
גרפן SLG ו-FLG אינו מסוגל לעמוד במתח הפנים של חומצות ומים, ולכן דורש שכבות תמיכה מכניות במהלך תהליכי העברה כימיים רטובים 22,34,38. בניגוד להעברה הכימית הרטובה של גרפן חד-שכבתי הנתמך על ידי פולימר 38, מצאנו שניתן להעביר את שני צידי ה-NGF כפי שגדל ללא תמיכה פולימרית, כפי שמוצג באיור 2a (ראה איור SI4a לפרטים נוספים). העברת ה-NGF למצע נתון מתחילה באיכול רטוב של סרט ה-Ni30.49 הבסיסי. דגימות ה-NGF/Ni/NGF שגדלו הונחו למשך הלילה ב-15 מ"ל של 70% HNO3 מדולל ב-600 מ"ל של מים מזוקקים (DI). לאחר המסה מלאה של נייר הכסף של ה-Ni, FS-NGF נשאר שטוח וצף על פני הנוזל, בדיוק כמו דגימת ה-NGF/Ni/NGF, בעוד BS-NGF טובל במים (איור 2a,b). לאחר מכן הועבר ה-NGF המבודד מכוס אחת שהכילה מים טריים מפוגנים לכוס אחרת, וה-NGF המבודד נשטף היטב, תוך חזרה על הפעולה ארבע עד שש פעמים דרך צלחת הזכוכית הקעורה. לבסוף, FS-NGF ו-BS-NGF הונחו על המצע הרצוי (איור 2c).
תהליך העברה כימית רטובה ללא פולימרים עבור NGF שגדל על נייר כסף ניקל: (א) תרשים זרימת התהליך (ראה איור SI4 לפרטים נוספים), (ב) צילום דיגיטלי של NGF מופרד לאחר איכול Ni (2 דגימות), (ג) העברת FS – ו-BS-NGF לדוגמה למצע SiO2/Si, (ד) העברת FS-NGF למצע פולימרי אטום, (ה) BS-NGF מאותה דגימה כמו פאנל d (מחולק לשני חלקים), הועבר לנייר C מצופה זהב ול-Nafion (מצע גמיש שקוף, קצוות מסומנים בפינות אדומות).
שימו לב שהעברת SLG המבוצעת בשיטות העברה כימיות רטובות דורשת זמן עיבוד כולל של 20-24 שעות 38. בעזרת טכניקת ההעברה ללא פולימרים המוצגת כאן (איור SI4a), זמן עיבוד העברת ה-NGF הכולל מצטמצם משמעותית (כ-15 שעות). התהליך מורכב מ: (שלב 1) הכנת תמיסת איכול והנחת הדגימה בתוכה (כ-10 דקות), לאחר מכן המתנה למשך הלילה לאיכול עם ניקל (כ-7200 דקות), (שלב 2) שטיפה במים מזוקקים (שלב 3). אחסון במים מזוקקים או העברה למצע המטרה (20 דקות). מים הלכודים בין ה-NGF למטריצה ​​הבסיסית מוסרים באמצעות פעולה נימית (באמצעות נייר סופג) 38, לאחר מכן טיפות המים הנותרות מוסרות באמצעות ייבוש טבעי (כ-30 דקות), ולבסוף הדגימה מיובשת במשך 10 דקות בתנור ואקום (10-1 מיליבר) בטמפרטורה של 50-90 מעלות צלזיוס (60 דקות) 38.
גרפיט ידוע כעמיד לנוכחות מים ואוויר בטמפרטורות גבוהות למדי (≥ 200 מעלות צלזיוס)50,51,52. בדקנו דגימות באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן, SEM ו-XRD לאחר אחסון במים מזוקקים בטמפרטורת החדר ובבקבוקים אטומים למשך זמן בין מספר ימים לשנה (איור SI4). אין פירוק מורגש. איור 2c מציג FS-NGF ו-BS-NGF עומדים עצמאיים במים מזוקקים. לכדנו אותם על מצע SiO2 (300 ננומטר)/Si, כפי שמוצג בתחילת איור 2c. בנוסף, כפי שמוצג באיור 2d,e, ניתן להעביר NGF רציף למצעים שונים כגון פולימרים (פוליאמיד Thermabright מ-Nexolve ו-Nafion) ונייר פחמן מצופה זהב. ה-FS-NGF הצף הונח בקלות על מצע המטרה (איור 2c, d). עם זאת, דגימות BS-NGF גדולות מ-3 סמ"ר היו קשות לטיפול כאשר הן שקועות לחלוטין במים. בדרך כלל, כאשר הם מתחילים להתגלגל במים, עקב טיפול רשלני הם לפעמים נשברים לשניים או שלושה חלקים (איור 2e). בסך הכל, הצלחנו להשיג העברה ללא פולימרים של PS- ו-BS-NGF (העברה רציפה וחלקה ללא גידול NGF/Ni/NGF ב-6 סמ"ר) עבור דגימות בשטח של עד 6 ו-3 סמ"ר, בהתאמה. כל חלקה גדולה או קטנה שנותרה ניתנת לביצוע (ניתן לראות בקלות בתמיסת האיכול או במים מזוקקים) על המצע הרצוי (~1 מ"מ ר"ר, איור SI4b, ראה העברת דגימה לרשת נחושת כמו ב-"FS-NGF: מבנה ותכונות (נדון) תחת "מבנה ותכונות") או לאחסן לשימוש עתידי (איור SI4). בהתבסס על קריטריון זה, אנו מעריכים שניתן להפיק NGF בתפוקות של עד 98-99% (לאחר גידול להעברה).
דגימות העברה ללא פולימר נותחו בפירוט. מאפיינים מורפולוגיים של פני השטח שהתקבלו על FS- ו-BS-NGF/SiO2/Si (איור 2c) באמצעות מיקרוסקופיה אופטית (OM) ותמונות SEM (איור SI5 ואיור 3) הראו שדגימות אלו הועברו ללא מיקרוסקופיה. נזק מבני גלוי כגון סדקים, חורים או אזורים שלא התגלגלו. הקפלים על ה-NGF הגדל (איור 3b, d, מסומנים בחצים סגולים) נותרו שלמים לאחר ההעברה. גם FS- וגם BS-NGF מורכבים מאזורי FLG (אזורים בהירים המסומנים בחצים כחולים באיור 3). באופן מפתיע, בניגוד לאזורים הפגועים המעטים שנצפו בדרך כלל במהלך העברת פולימר של סרטי גרפיט דקים במיוחד, מספר אזורי FLG ו-MLG בגודל מיקרון המחוברים ל-NGF (מסומנים בחצים כחולים באיור 3d) הועברו ללא סדקים או שברים (איור 3d). שלמות מכנית אושרה עוד יותר באמצעות תמונות TEM ו-SEM של NGF שהועבר לרשתות נחושת תחרה-פחמן, כפי שיפורט בהמשך ("FS-NGF: מבנה ותכונות"). BS-NGF/SiO2/Si שהועבר מחוספס יותר מ-FS-NGF/SiO2/Si עם ערכי rms של 140 ננומטר ו-17 ננומטר, בהתאמה, כפי שמוצג באיור SI6a ו-B (20 × 20 מיקרומטר²). ערך ה-RMS של NGF שהועבר למצע SiO2/Si (RMS < 2 ננומטר) נמוך משמעותית (כפי 3) מזה של NGF שגדל על ניקל (איור SI2), דבר המצביע על כך שהחספוס הנוסף עשוי להתאים לפני השטח של ניקל. בנוסף, תמונות AFM שבוצעו על קצוות דגימות FS ו-BS-NGF/SiO2/Si הראו עוביי NGF של 100 ו-80 ננומטר, בהתאמה (איור SI7). העובי הקטן יותר של BS-NGF עשוי להיות תוצאה של כך שהפני השטח אינם נחשפים ישירות לגז המקור.
NGF (NiAG) שהועבר ללא פולימר על גבי פרוסת SiO2/Si (ראה איור 2c): (א,ב) תמונות SEM של FS-NGF שהועבר: הגדלה נמוכה וגבוהה (תואמת לריבוע הכתום בפאנל). אזורים אופייניים) – א). (ג,ד) תמונות SEM של BS-NGF שהועבר: הגדלה נמוכה וגבוהה (תואמת לאזור הטיפוסי שמוצג על ידי הריבוע הכתום בפאנל ג). (ה,ו) תמונות AFM של FS- ו-BS-NGF שהועברו. חץ כחול מייצג את אזור FLG – ניגודיות בהירה, חץ ציאן – ניגודיות MLG שחורה, חץ אדום – ניגודיות שחורה מייצג את אזור NGF, חץ מג'נטה מייצג את הקפל.
ההרכב הכימי של FS- ו-BS-NGFs שגודלו והועברו נותח באמצעות ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים בקרני רנטגן (XPS) (איור 4). שיא חלש נצפה בספקטרום הנמדד (איור 4a, b), התואם למצע Ni (850 eV) של FS- ו-BS-NGFs שגודלו (NiAG). אין שיאים בספקטרום הנמדד של FS- ו-BS-NGF/SiO2/Si שהועברו (איור 4c; תוצאות דומות עבור BS-NGF/SiO2/Si אינן מוצגות), דבר המצביע על כך שאין זיהום Ni שיורי לאחר ההעברה. איורים 4d-f מציגים את הספקטרום ברזולוציה גבוהה של רמות האנרגיה C1s, O1s ו-Si2p של FS-NGF/SiO2/Si. אנרגיית הקישור של C1s של גרפיט היא 284.4 eV = 3.54. הצורה הליניארית של שיאי הגרפיט נחשבת בדרך כלל לא-סימטרית, כפי שמוצג באיור 4d54. ספקטרום C1s ברמת הליבה ברזולוציה גבוהה (איור 4d) אישר גם העברה טהורה (כלומר, ללא שאריות פולימר), דבר התואם מחקרים קודמים38. רוחבי הקווים של ספקטרום C1s של הדגימה שגודלה טרייה (NiAG) ולאחר ההעברה הם 0.55 ו-0.62 eV, בהתאמה. ערכים אלה גבוהים מאלה של SLG (0.49 eV עבור SLG על מצע SiO2)38. עם זאת, ערכים אלה קטנים יותר מרוחב הקווים שדווח בעבר עבור דגימות גרפן פירוליטיות בעלות אוריינטציה גבוהה (~0.75 eV)53,54,55, דבר המצביע על היעדר אתרי פחמן פגומים בחומר הנוכחי. ספקטרום C1s ו-O1s ברמת הקרקע חסר גם הוא כתפיים, מה שמבטל את הצורך בפירוק שיאים ברזולוציה גבוהה54. ישנו שיא לוויין של π → π* סביב 291.1 eV, אשר נצפה לעתים קרובות בדגימות גרפיט. האותות של 103 eV ו-532.5 eV בספקטרום ברמת הליבה של Si 2p ו-O 1 s (ראה איור 4e, f) מיוחסים למצע SiO2 56, בהתאמה. XPS היא טכניקה רגישה לפני השטח, ולכן ההנחה היא שהאותות התואמים ל-Ni ול-SiO2 שזוהו לפני ואחרי העברת NGF, בהתאמה, מקורם באזור FLG. תוצאות דומות נצפו עבור דגימות BS-NGF שהועברו (לא מוצגות).
תוצאות NiAG XPS: (ac) ספקטרום סקר של הרכבים אטומיים אלמנטריים שונים של FS-NGF/Ni שגודלו, BS-NGF/Ni ו-FS-NGF/SiO2/Si שהועבר, בהתאמה. (d-f) ספקטרום ברזולוציה גבוהה של רמות הליבה C1s, O1s ו-Si2p של דגימת FS-NGF/SiO2/Si.
האיכות הכוללת של גבישי ה-NGF שהועברו הוערכה באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן (XRD). דפוסי XRD אופייניים (איור SI8) של FS- ו-BS-NGF/SiO2/Si שהועברו מראים נוכחות של שיאי דיפרקציה (0 0 0 2) ו-(0 0 0 4) בזוויות של 26.6° ו-54.7°, בדומה לגרפיט. זה מאשר את האיכות הגבישית הגבוהה של NGF ומתאים למרחק בין שכבות של d = 0.335 ננומטר, אשר נשמר לאחר שלב ההעברה. עוצמת שיא הדיפרקציה (0 0 0 2) גדולה פי 30 בקירוב מזו של שיא הדיפרקציה (0 0 0 4), דבר המצביע על כך שמישור גביש ה-NGF מיושר היטב עם פני השטח של הדגימה.
על פי תוצאות SEM, ספקטרוסקופיית ראמאן, XPS ו-XRD, נמצא כי איכות ה-BS-NGF/Ni זהה לזו של FS-NGF/Ni, אם כי חספוס ה-rms שלו היה מעט גבוה יותר (איורים SI2, SI5) ו-SI7).
גרפנים מסוג SLG עם שכבות תמיכה של פולימר בעובי של עד 200 ננומטר יכולים לצוף על מים. הגדרה זו משמשת בדרך כלל בתהליכי העברה כימית רטובים בסיוע פולימרים22,38. גרפן וגרפיט הם הידרופוביים (זווית רטובה 80-90°)57. דווח כי משטחי האנרגיה הפוטנציאלית של גרפן ושל FLG שטוחים למדי, עם אנרגיה פוטנציאלית נמוכה (~1 קילו-ג'אול/מול) לתנועה הצידית של מים על פני השטח58. עם זאת, אנרגיות האינטראקציה המחושבות של מים עם גרפן ושלוש שכבות של גרפן הן בערך -13 ו- -15 קילו-ג'אול/מול,58 בהתאמה, דבר המצביע על כך שהאינטראקציה של מים עם NGF (כ-300 שכבות) נמוכה יותר בהשוואה לגרפן. ייתכן שזו אחת הסיבות לכך ש-NGF עצמאי נשאר שטוח על פני המים, בעוד שגרפן עצמאי (הצף במים) מתכרבל ומתפרק. כאשר NGF טובל לחלוטין במים (התוצאות זהות עבור NGF מחוספס ושטוח), קצוותיו מתכופפים (איור SI4). במקרה של טבילה מלאה, צפוי שאנרגיית האינטראקציה בין NGF למים כמעט תוכפל (בהשוואה ל-NGF צף) ושהקצוות של ה-NGF יתקפלו כדי לשמור על זווית מגע גבוהה (הידרופוביות). אנו מאמינים שניתן לפתח אסטרטגיות כדי למנוע התעקמות קצוות ה-NGFs המשובצים. גישה אחת היא שימוש בממסים מעורבים כדי לווסת את תגובת ההרטבה של סרט הגרפיט 59.
העברת SLG לסוגים שונים של מצעים באמצעות תהליכי העברה כימיים רטובים דווחה בעבר. מקובל בדרך כלל שקיימים כוחות ואן דר ואלס חלשים בין סרטי גרפן/גרפיט לבין מצעים (בין אם מדובר במצעים קשיחים כגון SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, עמודי Si22 וסרטי פחמן תחרה30,34 או מצעים גמישים כגון פוליאימיד37). כאן אנו מניחים שאינטראקציות מאותו סוג שולטות. לא צפינו בנזק או קילוף של NGF עבור אף אחד מהמצעים המוצגים כאן במהלך טיפול מכני (במהלך אפיון תחת תנאי ואקום ו/או אטמוספריים או במהלך אחסון) (למשל, איור 2, SI7 ו-SI9). בנוסף, לא צפינו בשיא SiC בספקטרום XPS C1s של רמת הליבה של דגימת NGF/SiO2/Si (איור 4). תוצאות אלו מצביעות על כך שאין קשר כימי בין NGF למצע המטרה.
בסעיף הקודם, "העברה ללא פולימרים של FS- ו-BS-NGF", הדגמנו ש-NGF יכול לגדול ולהעביר משני צידי נייר הכסף. FS-NGF ו-BS-NGF אלה אינם זהים מבחינת חספוס פני השטח, מה שגרם לנו לחקור את היישומים המתאימים ביותר עבור כל סוג.
בהתחשב בשקיפות ובמשטח החלק יותר של FS-NGF, חקרנו את המבנה המקומי, התכונות האופטיות והחשמליות שלו ביתר פירוט. המבנה והמבנה של FS-NGF ללא העברת פולימר אופיינו על ידי הדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) וניתוח דפוסי עקיפת אלקטרונים באזור נבחר (SAED). התוצאות המתאימות מוצגות באיור 5. הדמיית TEM מישורית בהגדלה נמוכה חשפה את נוכחותם של אזורי NGF ו-FLG עם מאפייני ניגודיות אלקטרונים שונים, כלומר אזורים כהים ובהירים יותר, בהתאמה (איור 5א'). הסרט באופן כללי מציג שלמות מכנית ויציבות טובות בין האזורים השונים של NGF ו-FLG, עם חפיפה טובה וללא נזק או קרעים, מה שאושר גם על ידי מחקרי SEM (איור 3) ו-TEM בהגדלה גבוהה (איור 5ג'-ה'). בפרט, באיור 5ד' מציג את מבנה הגשר בחלקו הגדול ביותר (המיקום המסומן על ידי החץ השחור המקווקו באיור 5ד'), המאופיין בצורה משולשת ומורכב משכבת ​​גרפן ברוחב של כ-51. ההרכב עם מרווח בין-מישורי של 0.33 ± 0.01 ננומטר מצטמצם עוד יותר למספר שכבות של גרפן באזור הצר ביותר (קצה החץ השחור הרציף באיור 5 ד').
תמונת TEM מישורית של דגימת NiAG נטולת פולימר על רשת נחושת תחרה פחמנית: (a, b) תמונות TEM בהגדלה נמוכה הכוללות אזורי NGF ו-FLG, (ce) תמונות בהגדלה גבוהה של אזורים שונים בפאנל-a ובפאנל-b מסומנות בחצים באותו צבע. חצים ירוקים בפאנלים a ו-c מצביעים על אזורים מעגליים של נזק במהלך יישור הקרן. (f-i) בפאנלים a עד c, דפוסי SAED באזורים שונים מסומנים בעיגולים כחולים, ציאנים, כתומים ואדומים, בהתאמה.
מבנה הסרט באיור 5c מראה (מסומן בחץ אדום) את הכיוון האנכי של מישורי סריג הגרפיט, אשר עשוי להיות תוצאה של היווצרות ננו-קפלים לאורך הסרט (תמונה מוקטנת באיור 5c) עקב מאמץ גזירה עודף לא מפוצה30,61,62. תחת TEM ברזולוציה גבוהה, ננו-קפלים אלה30 מציגים כיוון קריסטלוגרפי שונה משאר אזור ה-NGF; המישורים הבסיסיים של סריג הגרפיט מכוונים כמעט אנכית, ולא אופקית כמו שאר הסרט (תמונה מוקטנת באיור 5c). באופן דומה, אזור FLG מציג מדי פעם קפלים ליניאריים וצרים דמויי פס (מסומנים בחצים כחולים), המופיעים בהגדלה נמוכה ובינונית באיורים 5b, 5e, בהתאמה. התמונה המוקטנת באיור 5e מאשרת את נוכחותן של שכבות גרפן דו-שכבתיות ושלוש שכבות במגזר FLG (מרחק בין-מישורי 0.33 ± 0.01 ננומטר), דבר התואם היטב את התוצאות הקודמות שלנו30. בנוסף, תמונות SEM מוקלטות של NGF נטול פולימרים שהועבר לרשתות נחושת עם סרטי פחמן תחרה (לאחר ביצוע מדידות TEM מלמעלה) מוצגות באיור SI9. אזור FLG המרחף היטב (מסומן בחץ כחול) והאזור השבור באיור SI9f. החץ הכחול (בקצה ה-NGF שהועבר) מוצג במכוון כדי להדגים שאזור FLG יכול לעמוד בתהליך ההעברה ללא פולימר. לסיכום, תמונות אלו מאשרות ש-NGF מרחף חלקית (כולל אזור FLG) שומר על שלמות מכנית גם לאחר טיפול קפדני וחשיפה לריק גבוה במהלך מדידות TEM ו-SEM (איור SI9).
בשל השטיחות המצוינת של NGF (ראה איור 5a), לא קשה לכוון את הפתיתים לאורך ציר התחום [0001] כדי לנתח את מבנה ה-SAED. בהתאם לעובי המקומי של הסרט ולמיקומו, זוהו מספר אזורים מעניינים (12 נקודות) למחקרי עקיפת אלקטרונים. באיורים 5a-c, ארבעה מאזורים אופייניים אלה מוצגים ומסומנים בעיגולים צבעוניים (כחול, ציאן, כתום ואדום מקודדים). איורים 2 ו-3 עבור מצב SAED. איורים 5f ו-g התקבלו מאזור FLG המוצג באיורים 5 ו-5. כפי שמוצג באיורים 5b ו-c, בהתאמה. יש להם מבנה משושה הדומה לגרפן מעוות63. בפרט, איור 5f מציג שלוש תבניות מונחות זו על גבי זו עם אותה כיוון של ציר האזור [0001], מסובבות ב-10° ו-20°, כפי שמעידה אי ההתאמה הזוויתית של שלושת זוגות ההשתקפויות (10-10). באופן דומה, איור 5g מציג שני תבניות משושה המונחות זו על זו, המסובבות ב-20°. שתיים או שלוש קבוצות של תבניות משושה באזור FLG יכולות לנבוע משלוש שכבות גרפן 33 במישור או מחוץ למישור המסובבות זו ביחס לזו. לעומת זאת, תבניות עקיפת האלקטרונים באיור 5h,i (המתאימות לאזור NGF המוצג באיור 5a) מראות תבנית [0001] יחידה עם עוצמת עקיפת נקודתית גבוהה יותר באופן כללי, המתאימה לעובי חומר גדול יותר. מודלים אלה של SAED תואמים למבנה גרפיטי עבה יותר ואוריינטציה ביניים בהשוואה ל-FLG, כפי שמוסבר מהאינדקס 64. אפיון התכונות הגבישיות של NGF גילה את הדו-קיום של שניים או שלושה גבישי גרפיט (או גרפן) המונחים זו על זו. מה שראוי לציון במיוחד באזור FLG הוא שלגבישים יש מידה מסוימת של חוסר אוריינטציה במישור או מחוץ למישור. חלקיקי/שכבות גרפיט עם זוויות סיבוב במישור של 17°, 22° ו-25° דווחו בעבר עבור NGF שגודל על סרטי Ni 64. ערכי זווית הסיבוב שנצפו במחקר זה עולים בקנה אחד עם זוויות סיבוב שנצפו בעבר (±1°) עבור גרפן BLG63 מעוות.
התכונות החשמליות של NGF/SiO2/Si נמדדו ב-300 קלווין על פני שטח של 10×3 מ"מ רבוע. ערכי ריכוז נושאי האלקטרונים, הניידות והמוליכות הם 1.6 × 1020 ס"מ-3, 220 ס"מ רבוע V-1 C-1 ו-2000 S-ס"מ-1, בהתאמה. ערכי הניידות והמוליכות של ה-NGF שלנו דומים לגרפיט טבעי2 וגבוהים יותר מגרפיט פירוליטי בעל אוריינטציה גבוהה הזמין מסחרית (המיוצר ב-3000 מעלות צלזיוס)29. ערכי ריכוז נושאי האלקטרונים שנצפו גבוהים בשני סדרי גודל מאלה שדווחו לאחרונה (7.25 × 10 ס"מ-3) עבור סרטי גרפיט בעובי מיקרון שהוכנו באמצעות יריעות פוליאימיד בטמפרטורה גבוהה (3200 מעלות צלזיוס)20.
ביצענו גם מדידות העברה אופטית בקרינה UV על גבי FS-NGF שהועבר למצעי קוורץ (איור 6). הספקטרום המתקבל מראה העברה כמעט קבועה של 62% בטווח 350-800 ננומטר, דבר המצביע על כך ש-NGF שקוף לאור נראה. למעשה, ניתן לראות את השם "KAUST" בתצלום הדיגיטלי של הדגימה באיור 6b. למרות שהמבנה הננו-גבישי של NGF שונה מזה של SLG, ניתן להעריך באופן גס את מספר השכבות באמצעות כלל אובדן ההעברה של 2.3% לכל שכבה נוספת65. על פי קשר זה, מספר שכבות הגרפן עם אובדן העברה של 38% הוא 21. ה-NGF שגדל מורכב בעיקר מ-300 שכבות גרפן, כלומר בעובי של כ-100 ננומטר (איור 1, SI5 ו-SI7). לכן, אנו מניחים שהשקיפות האופטית שנצפתה תואמת את אזורי FLG ו-MLG, מכיוון שהם מפוזרים לאורך כל הסרט (איורים 1, 3, 5 ו-6c). בנוסף לנתונים המבניים לעיל, מוליכות ושקיפות מאשרות גם את האיכות הגבישית הגבוהה של ה-NGF המועבר.
(א) מדידת העברה נראית בקרינה אולטרה סגולה, (ב) מעבר טיפוסי של NGF על קוורץ באמצעות דגימה מייצגת. (ג) תרשים סכמטי של NGF (תיבה כהה) עם אזורי FLG ו-MLG המפוזרים באופן שווה המסומנים כצורות אקראיות אפורות לאורך הדגימה (ראה איור 1) (כ-0.1-3% שטח לכל 100 מיקרומטר רבוע). הצורות האקראיות וגודלן בתרשים הם למטרות המחשה בלבד ואינם תואמים לשטחים בפועל.
NGF שקוף שגודל על ידי CVD הועבר בעבר למשטחי סיליקון חשופים ונעשה בו שימוש בתאים סולאריים15,16. יעילות המרת ההספק (PCE) המתקבלת היא 1.5%. NGFs אלה מבצעים מספר פונקציות כגון שכבות תרכובת פעילה, מסלולי הובלת מטען ואלקטרודות שקופות15,16. עם זאת, סרט הגרפיט אינו אחיד. אופטימיזציה נוספת נחוצה על ידי בקרה מדוקדקת על התנגדות השכבה וההעברה האופטית של אלקטרודת הגרפיט, מכיוון ששתי תכונות אלו ממלאות תפקיד חשוב בקביעת ערך ה-PCE של התא הסולארי15,16. בדרך כלל, סרטי גרפן שקופים ב-97.7% לאור נראה, אך בעלי התנגדות שכבתית של 200-3000 אוהם/מ"ר16. ניתן להפחית את התנגדות פני השטח של סרטי גרפן על ידי הגדלת מספר השכבות (העברה מרובה של שכבות גרפן) וסימום עם HNO3 (~30 אוהם/מ"ר)66. עם זאת, תהליך זה אורך זמן רב ושכבות ההעברה השונות לא תמיד שומרות על מגע טוב. ל-NGF הקדמי שלנו יש תכונות כגון מוליכות של 2000 S/cm, התנגדות יריעת פילם של 50 ohm/sq. ושקיפות של 62%, מה שהופך אותו לחלופה בת קיימא עבור תעלות מוליכות או אלקטרודות נגד בתאים סולאריים15,16.
למרות שהמבנה והכימיה של פני השטח של BS-NGF דומים ל-FS-NGF, החספוס שלו שונה ("גדילת FS- ו-BS-NGF"). בעבר, השתמשנו בגרפיט שכבה דקה במיוחד כחיישן גז. לכן, בדקנו את היתכנות השימוש ב-BS-NGF למשימות חישת גז (איור SI10). ראשית, חלקים בגודל מ"מ² של BS-NGF הועברו לשבב חיישן האלקטרודה המשתלבת (איור SI10a-c). פרטי ייצור השבב דווחו בעבר; השטח הרגיש הפעיל שלו הוא 9 מ"מ²67. בתמונות ה-SEM (איור SI10b ו-c), אלקטרודת הזהב שמתחת נראית בבירור דרך ה-NGF. שוב, ניתן לראות כי כיסוי אחיד של השבב הושג עבור כל הדגימות. מדידות חיישן גז של גזים שונים נרשמו (איור SI10d) (איור SI11) ושיעורי התגובה המתקבלים מוצגים באיורים SI10g. סביר להניח עם גזים מפריעים אחרים, כולל SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ו-NH3 (200 ppm). סיבה אפשרית אחת היא NO2, האופי האלקטרופילי של הגז 22,68. כאשר הוא נספג על פני השטח של גרפן, הוא מפחית את בליעת הזרם של אלקטרונים על ידי המערכת. השוואה של נתוני זמן התגובה של חיישן BS-NGF עם חיישנים שפורסמו בעבר מוצגת בטבלה SI2. המנגנון להפעלה מחדש של חיישני NGF באמצעות פלזמת UV, פלזמת O3 או טיפול תרמי (50-150°C) בדגימות שנחשפו נמשך, ולאחר מכן באופן אידיאלי יישום של מערכות משובצות 69.
במהלך תהליך ה-CVD, מתרחשת גדילת גרפן משני צידי מצע הזרז41. עם זאת, BS-גרפן בדרך כלל נפלט במהלך תהליך ההעברה41. במחקר זה, אנו מדגימים כי ניתן להשיג גדילת NGF באיכות גבוהה והעברת NGF ללא פולימרים משני צידי תמיכת הזרז. BS-NGF דק יותר (~80 ננומטר) מ-FS-NGF (~100 ננומטר), והבדל זה מוסבר על ידי העובדה ש-BS-Ni אינו חשוף ישירות לזרימת גז הקודמן. כמו כן, מצאנו כי חספוס מצע ה-NiAR משפיע על חספוס ה-NGF. תוצאות אלו מצביעות על כך שניתן להשתמש ב-FS-NGF המישורי שגודל כחומר קודמן לגרפן (בשיטת קילוף70) או כערוץ מוליך בתאים סולאריים15,16. לעומת זאת, BS-NGF ישמש לגילוי גז (איור SI9) ואולי גם למערכות אחסון אנרגיה71,72 שבהן חספוס פני השטח שלו יהיה שימושי.
בהתחשב באמור לעיל, כדאי לשלב את העבודה הנוכחית עם סרטי גרפיט שפורסמו בעבר וגודלו על ידי CVD ובאמצעות נייר כסף ניקל. כפי שניתן לראות בטבלה 2, הלחצים הגבוהים יותר בהם השתמשנו קיצרו את זמן התגובה (שלב הצמיחה) אפילו בטמפרטורות נמוכות יחסית (בטווח של 850-1300 מעלות צלזיוס). השגנו גם צמיחה גדולה מהרגיל, דבר המצביע על פוטנציאל להתרחבות. ישנם גורמים נוספים שיש לקחת בחשבון, שחלקם כללנו בטבלה.
NGF דו-צדדי באיכות גבוהה גודל על נייר כסף ניקל באמצעות CVD קטליטי. על ידי ביטול מצעים פולימריים מסורתיים (כגון אלה המשמשים בגרפן CVD), אנו משיגים העברה רטובה נקייה וללא פגמים של NGF (הגדל בצדדים האחוריים והקדמיים של נייר הכסף ניקל) למגוון מצעים קריטיים לתהליך. ראוי לציין ש-NGF כולל אזורי FLG ו-MLG (בדרך כלל 0.1% עד 3% לכל 100 מיקרומטר רבוע) המשולבים היטב מבחינה מבנית בשכבה העבה יותר. TEM מישורי מראה שאזורים אלה מורכבים מערימות של שניים עד שלושה חלקיקי גרפיט/גרפן (גבישים או שכבות, בהתאמה), שחלקם בעלי אי התאמה סיבובית של 10-20°. אזורי FLG ו-MLG אחראים לשקיפות של FS-NGF לאור נראה. באשר ליריעות האחוריות, הן יכולות להישאב במקביל ליריעות הקדמיות, וכפי שמוצג, יכולות להיות להן מטרה פונקציונלית (לדוגמה, לגילוי גז). מחקרים אלה שימושיים מאוד להפחתת בזבוז ועלויות בתהליכי CVD בקנה מידה תעשייתי.
באופן כללי, העובי הממוצע של יריעות גרפן מסוג CVD נע בין יריעות גרפן (דלות ורב-שכבתיות) לבין יריעות גרפיט תעשייתיות (מיקרומטריות). מגוון התכונות המעניינות שלהם, בשילוב עם השיטה הפשוטה שפיתחנו לייצורן והובלתן, הופך את הסרטים הללו למתאימים במיוחד ליישומים הדורשים תגובה פונקציונלית של גרפיט, ללא ההוצאות של תהליכי ייצור תעשייתיים עתירי אנרגיה המשמשים כיום.
נייר כסף ניקל בעובי 25 מיקרומטר (טוהר 99.5%, Goodfellow) הותקן בכור CVD מסחרי (Aixtron 4-inch BMPro). המערכת נוקה בארגון ורוקנה ללחץ בסיס של 10-3 מיליבר. לאחר מכן, נייר הכסף ניקל הונח ב-Ar/H2 (לאחר חישול מקדים של נייר הכסף ניקל במשך 5 דקות, נייר הכסף נחשף ללחץ של 500 מיליבר ב-900 מעלות צלזיוס. NGF הושקע בזרימה של CH4/H2 (100 סמ"ק כל אחד) למשך 5 דקות. לאחר מכן, הדגימה קוררה לטמפרטורה מתחת ל-700 מעלות צלזיוס באמצעות זרימת Ar (4000 סמ"ק) במהירות של 40 מעלות צלזיוס/דקה. פרטים על אופטימיזציה של תהליך גידול NGF מתוארים במקום אחר.
מורפולוגיית פני השטח של הדגימה הודגמה באמצעות SEM באמצעות מיקרוסקופ Zeiss Merlin (1 קילו-וולט, 50 פ"א). חספוס פני השטח של הדגימה ועובי ה-NGF נמדדו באמצעות AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). מדידות TEM ו-SAED בוצעו באמצעות מיקרוסקופ FEI Titan 80–300 Cubed המצויד במיקרוסקופ פליטת שדה בעל בהירות גבוהה (300 קילו-וולט), מונוכרומטור מסוג Wien של FEI ומתקן סטייה כדורית עם עדשת CEOS כדי לקבל את התוצאות הסופיות. רזולוציה מרחבית 0.09 ננומטר. דגימות NGF הועברו לרשתות נחושת מצופות תחרה פחמן לצורך הדמיית TEM שטוחה וניתוח מבנה SAED. לפיכך, רוב פתיתי הדגימה תלויים בנקבוביות של הממברנה התומכת. דגימות NGF שהועברו נותחו באמצעות XRD. דפוסי דיפרקציית קרני רנטגן התקבלו באמצעות דיפרקטומטר אבקה (Brucker, מעביר פאזה D2 עם מקור Cu Kα, 1.5418 Å וגלאי LYNXEYE) תוך שימוש במקור קרינת Cu בקוטר נקודת קרן של 3 מ"מ.
מספר מדידות נקודת ראמאן נרשמו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי אינטגרטיבי (Alpha 300 RA, WITeC). לייזר 532 ננומטר עם עוצמת עירור נמוכה (25%) שימש כדי למנוע השפעות תרמיות. ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים בקרני רנטגן (XPS) בוצעה על ספקטרומטר Kratos Axis Ultra על פני שטח דגימה של 300 × 700 מיקרומטר רבוע באמצעות קרינת Al Kα מונוכרומטית (hν = 1486.6 eV) בהספק של 150 וואט. ספקטרום רזולוציה התקבל באנרגיות העברה של 160 eV ו-20 eV, בהתאמה. דגימות NGF שהועברו ל-SiO2 נחתכו לחתיכות (3 × 10 מ"מ רבוע כל אחת) באמצעות לייזר סיבי איטרביום PLS6MW (1.06 מיקרומטר) בהספק של 30 וואט. מגעי חוט נחושת (בעובי 50 מיקרומטר) יוצרו באמצעות משחת כסף תחת מיקרוסקופ אופטי. ניסויי הובלה חשמלית ואפקט הול נערכו על דגימות אלו ב-300 קלווין ובשונות שדה מגנטי של ± 9 טסלה במערכת מדידת תכונות פיזיקליות (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ארה"ב). ספקטרום UV-vis המועבר תועד באמצעות ספקטרופוטומטר UV-vis Lambda 950 בטווח NGF 350-800 ננומטר שהועבר למצעי קוורץ ודגימות קוורץ ייחוס.
חיישן ההתנגדות הכימית (שבב אלקטרודה משולבת) חובר ללוח מעגל מודפס מותאם אישית 73 וההתנגדות חולצה באופן זמני. לוח המעגל המודפס עליו ממוקם המכשיר מחובר למסופי המגע וממוקם בתוך תא חישת הגז 74. מדידות התנגדות נלקחו במתח של 1 וולט עם סריקה רציפה מניקוי ועד לחשיפה לגז ולאחר מכן ניקוי נוסף. התא נוקה בתחילה על ידי ניקוי עם חנקן ב-200 סמ"ק למשך שעה אחת כדי להבטיח הסרת כל האנליטים האחרים הקיימים בתא, כולל לחות. האנליטים הבודדים שוחררו לאחר מכן באיטיות לתא באותו קצב זרימה של 200 סמ"ק על ידי סגירת גליל ה-N2.
גרסה מתוקנת של מאמר זה פורסמה וניתן לגשת אליה דרך הקישור בראש המאמר.
אינאגאקי, מ. וקאנג, פ. מדע והנדסת חומרי פחמן: יסודות. מהדורה שנייה ערוכה. 2014. 542.
פירסון, HO מדריך לפחמן, גרפיט, יהלום ופולרנים: תכונות, עיבוד ויישומים. המהדורה הראשונה עברה עריכה. 1994, ניו ג'רזי.
Tsai, W. et al. סרטי גרפן/גרפיט רב-שכבתיים בעלי שטח גדול כאלקטרודות מוליכות דקות ושקופות. יישום. פיזיקה. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA תכונות תרמיות של גרפן וחומרי פחמן ננו-מובנים. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ו-Cahill DG מוליכות תרמית של סרטי גרפיט שגודלו על ניקל (111) על ידי שקיעת אדים כימית בטמפרטורה נמוכה. adverb. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. גידול רציף של שכבות גרפן על ידי שקיעת אדים כימית. יישום. פיזיקה. Wright. 98(13), 133106(2011).


זמן פרסום: 23 באוגוסט 2024