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ナノスケールグラファイトフィルム（NGF）は、触媒化学蒸気堆積によって生成できる堅牢なナノ材料ですが、伝達の容易さと、表面の形態が次世代デバイスでの使用にどのように影響するかについて疑問が残っています。ここでは、多結晶ニッケルフォイル（エリア55 cm2、厚さ約100 nm）の両側でのNGFの成長と、そのポリマーフリーの移動（前後の、6 cm2までの面積）を報告します。触媒フォイルの形態により、2つの炭素膜の物理的特性やその他の特性（表面粗さなど）が異なります。粗い裏側を持つNGFはNO2検出に適しているが、フロントサイドのより滑らかで導電性NGF（2000 s/cm、シート抵抗 - 50オーム/m2）は実行可能な導体であることを実証します。太陽電池のチャネルまたは電極（可視光の62％を伝達するため）。全体として、記載されている成長と輸送プロセスは、グラフェンと厚さのグラファイトフィルムが適していない技術用途向けの代替炭素材料としてNGFを実現するのに役立つ可能性があります。
グラファイトは、広く使用されている工業用材料です。特に、グラファイトには、比較的低い質量密度と高い面内熱および電気伝導率の特性があり、過酷な熱および化学環境では非常に安定しています1,2。フレークグラファイトは、グラフェン研究のためのよく知られた出発材料です3。薄膜に処理されると、センサー8,9,10のアクティブ材料として、および電磁干渉保護のために、スマートフォン4,5,6,7などの電子デバイスのヒートシンクを含む幅広いアプリケーションで使用できます。 12および極端な紫外線13,14のリソグラフィーのフィルム、太陽電池でチャネルを導入する15,16。これらのすべてのアプリケーションでは、ナノスケールで制御されている厚さのグラファイトフィルム（NGF）の大部分が100 nmの<100 nmで簡単に生成および輸送できる場合、大きな利点になります。
グラファイトフィルムは、さまざまな方法で制作されています。あるケースでは、埋め込みと拡張に続いて剥離を使用してグラフェンフレーク10,11,17を生成しました。フレークは、必要な厚さのフィルムにさらに加工する必要があり、密なグラファイトシートを生成するのに数日かかることがよくあります。別のアプローチは、グラフ可能な固体前駆体から始めることです。産業では、ポリマーのシートは炭化（1000〜1500°Cで）を炭化し、グラフィット化（2800〜3200°Cで）して、明確に構造化された層状材料を形成します。これらのフィルムの品質は高くなりますが、エネルギー消費は1,18,19であり、最小厚さは数ミクロン1,18,19,20に制限されています。
触媒化学蒸気堆積（CVD）は、高い構造品質と妥当なコストを備えたグラフェンおよび超甲状腺グラファイトフィルム（<10 nm）を生成するためのよく知られている方法21,22,23,24,25,26,27です。ただし、グラフェンおよび超甲状腺グラファイトフィルムの成長と比較して、CVDを使用したNGFの大規模な成長および/または応用は、11,13,29,30,31,32,33をさらに調査していません。
CVD成長グラフェンおよびグラファイトフィルムは、しばしば機能的基質に転送する必要があります34。これらの薄膜転送には、2つの主要な方法が含まれます35：（1）非エッチトランスファー36,37および（2）エッチングベースのウェット化学転送（サポートされている基質）14,34,38。各方法にはいくつかの利点と短所があり、他の場所で説明されているように、意図したアプリケーションに応じて選択する必要があります35,39。触媒基質上で栽培されたグラフェン/グラファイト膜の場合、湿った化学プロセス（ポリメチルメタクリル酸塩（PMMA）が最も一般的に使用されるサポート層）を介して移動する13,30,34,38,40,41,42です。あなたなど。 NGF転送にはポリマー（サンプルサイズは約4 cm2）25,43が使用されていないことが言及されていましたが、転送中のサンプルの安定性および/または取り扱いに関する詳細は提供されていません。ポリマーを使用したウェット化学プロセスは、犠牲ポリマー層の応用やその後の除去を含むいくつかのステップで構成されています30,38,40,41,42。このプロセスには欠点があります。たとえば、ポリマー残基は、成長したFilm38の特性を変化させる可能性があります。追加の処理は残留ポリマーを除去できますが、これらの追加のステップはフィルム生産のコストと時間を増加させます38,40。 CVD成長中、グラフェンの層は、触媒フォイルの前面（蒸気の流れに面した側面）だけでなく、その背面にも堆積します。ただし、後者は廃棄物と見なされており、ソフトプラズマ38,41ですばやく除去できます。このフィルムのリサイクルは、フェイスカーボンフィルムよりも低品質であっても、収量を最大化するのに役立ちます。
ここでは、CVDによる多結晶ニッケルフォイル上の高い構造品質を備えたNGFのウェーハスケールのバイファシアル成長の調製を報告します。フォイルの前面と背面の粗さが、NGFの形態と構造にどのように影響するかを評価されました。また、ニッケルフォイルの両側から多機能基質へのNGFの費用対効果が高く環境に優しいポリマーを含まないポリマーを含まない移動を示し、フロントフィルムとバックフィルムがさまざまなアプリケーションに適していることを示します。
次のセクションでは、積み重ねられたグラフェン層の数に応じて、異なるグラファイト膜の厚さについて説明します：（i）単層グラフェン（SLG、1層）、（II）少数のグラフェン（FLG、<10層）、（III）多層グラフェン（MLG、10-30層）、（IV）NGF（〜300レイヤー）。後者は、面積の割合として表される最も一般的な厚さです（100 µm2あたり約97％の面積）30。それが、映画全体が単にNGFと呼ばれる理由です。
グラフェン膜とグラファイト膜の合成に使用される多結晶ニッケルフォイルは、製造とその後の処理の結果として、テクスチャが異なります。最近、NGF30の成長プロセスを最適化する研究を報告しました。成長段階でのアニーリング時間やチャンバー圧力などのプロセスパラメーターが、均一な厚さのNGFを取得する上で重要な役割を果たすことを示します。ここでは、洗練された前部（FS）とニッケル箔の洗練されていない背中（BS）表面でのNGFの成長をさらに調査しました（図1A）。 3種類のサンプルFSとBSを検査し、表1にリストしました。目視検査では、ニッケルフォイル（NIAG）の両側でのNGFの均一な成長は、特徴的な金属銀灰色からマットグレーの色へのバルクNi基質の色の変化によって見ることができます（図1A）。顕微鏡測定が確認されました（図1B、C）。明るい領域で観察され、図1Bの赤、青、オレンジの矢で示されたFS-NGFの典型的なラマンスペクトルを図1Cに示します。グラファイトG（1683 cm -1）および2D（2696 cm -1）の特徴的なラマンピークは、高度に結晶性NGFの成長を確認しています（図1C、表SI1）。フィルム全体で、強度比（I2D/Ig）〜0.3のラマンスペクトルの優位性が観察されましたが、I2D/Ig = 0.8のラマンスペクトルはめったに観察されませんでした。フィルム全体に欠陥のあるピーク（d = 1350 cm-1）がないことは、NGF成長の高品質を示しています。同様のラマン結果がBS-NGFサンプルで得られました（図SI1 AおよびB、表SI1）。
NIAG FSおよびBS-NGFの比較：（a）ウェーハスケール（55 cm2）でのNGF成長を示す典型的なNGF（NIAG）サンプルの写真と、結果のBSおよびFS-NIフォイルサンプル、（B）FS-NGF画像/ NIが光学顕微鏡で取得されたFS-NGF画像/ NI、（C）smのマグニシャンbish fid a bish fid aman spectra ems a bin firf FS -NGF/NI、（E、G）異なる倍率でのSEM画像は、BS -NGF/NIを設定します。青い矢印はFLG領域を示し、オレンジ矢印はMLG領域（FLG領域の近く）を示し、赤い矢印はNGF領域を示し、マゼンタ矢印は折り目を示します。
成長は初期基質の厚さ、結晶のサイズ、方向、および粒界に依存するため、大きな領域でのNGF厚さの合理的な制御を達成することは、課題である20,34,44のままです。この調査では、以前に公開したコンテンツを使用しました。このプロセスは、100 µm230あたり0.1〜3％の明るい領域を生成します。次のセクションでは、両方のタイプの領域の結果を示します。高倍率SEM画像は、両側にいくつかの明るいコントラスト領域が存在することを示しており（図1F、G）、FLGおよびMLG領域の存在を示しています30,45。これは、ラマン散乱（図1C）とTEMの結果（セクション「FS-NGF：構造と特性」で説明）によっても確認されました。 FSおよびBS-NGF/NIサンプルで観察されたFLGおよびMLG領域（NIで成長したフロントおよびバックNGF）は、アニール前の22,30,45の間に形成された大きなNi（111）粒子で成長した可能性があります。折り畳みが両側に観察されました（図1B、紫色の矢印でマークされています）。これらのfoldは、グラファイトとニッケル基質30,38の間の熱膨張係数に大きな違いがあるため、CVD成長グラフェンおよびグラファイト膜によく見られます。
AFM画像は、FS-NGFサンプルがBS-NGFサンプルよりも平らであることを確認しました（図SI1）（図SI2）。 FS-NGF/NI（図SI2C）およびBS-NGF/NI（図SI2D）の根平均平方根（RMS）粗さ値は、それぞれ82および200 nmです（20×20μm2の面積で測定）。より高い粗さは、認識されている状態のニッケル（NIAR）ホイルの表面分析に基づいて理解できます（図SI3）。 FSおよびBS-NIARのSEM画像を図SI3A – Dに示し、異なる表面形態を示しています。研磨されたFS-NIフォイルにはナノサイズとミクロンサイズの球状粒子がありますが、磨かれていないBS-NIフォイルは生産の梯子を示します。高強度の粒子として。衰退します。アニールされたニッケルフォイル（NIA）の低分解能画像と高解像度画像を図SI3E – Hに示します。これらの図では、ニッケルフォイルの両側にいくつかのミクロンサイズのニッケル粒子が存在することを観察できます（図Si3e – H）。以前に報告されたように、大きな穀物にはNi（111）の表面向きがある場合があります。 FS-NIAとBS-NIAの間でニッケルフォイルの形態に大きな違いがあります。 BS-NGF/NIの粗さが高いのは、BS-NIARの未洗練された表面によるものであり、その表面はアニーリング後も著しく粗いままです（図SI3）。成長プロセスの前のこのタイプの表面特性評価により、グラフェンとグラファイト膜の粗さを制御できます。元の基質は、グラフェンの成長中に穀物の再編成を受け、粒子サイズをわずかに減少させ、アニールされたホイルと触媒膜22と比較して基質の表面粗さをいくらか増加させたことに注意する必要があります。
基質表面の粗さ、アニーリング時間（粒子サイズ）30,47および放出コントロール43の微調整は、領域NGFの厚さの均一性をµM2および/またはNM2スケール（すなわち、数ナノメートルの厚さの変動）に減らすのに役立ちます。基質の表面粗さを制御するために、得られたニッケルフォイルの電解研磨などの方法を考慮することができます48。その後、前処理されたニッケルホイルは、低温（<900°C）46および時間（<5分）でアニールして、大きなNi（111）穀物（FLG成長に有益です）の形成を避けることができます。
SLGおよびFLGグラフェンは、酸と水の表面張力に耐えることができず、濡れた化学移動プロセス中に機械的支持層22,34,38を必要とします。図2Aに示すように、ポリマーがサポートする単層グラフェン38の湿潤化学移動とは対照的に、ポリマーNGFの両側をポリマーサポートなしで転送できることがわかりました（詳細については図SI4Aを参照）。特定の基質へのNGFの移動は、基礎となるNi30.49フィルムのウェットエッチングから始まります。成長したNGF/NI/NGFサンプルは、600 mLの脱イオン（DI）水で希釈した70％HNO3の15 mLに一晩置きました。 Ni箔が完全に溶解した後、FS-NGFは平らなままで、NGF/NI/NGFサンプルのように液体の表面に浮かびますが、BS-NGFは水に浸されます（図2A、B）。次に、隔離されたNGFを、新鮮な脱イオン水を含む1つのビーカーから別のビーカーに移し、分離されたNGFを完全に洗浄し、凹面ガラス皿を4〜6回繰り返しました。最後に、FS-NGFとBS-NGFを目的の基質に配置しました（図2C）。
ニッケルフォイルで成長したNGFのポリマーフリーウェット化学転送プロセス：（a）プロセスフロー図（詳細については図SI4を参照）、（b）Niエッチング後の分離NGFのデジタル写真（2つのサンプル）、（c）Sio2/SI基質へのBS-NGF移植（d）パネルD（2つの部分に分割）、金メッキCペーパーとナフィオン（柔軟な透明基質、赤い角でマークされたエッジ）に転送されました。
ウェット化学移動法を使用して実行されたSLG転送には、20〜24時間の合計処理時間が必要であることに注意してください。ここに示されているポリマーフリーの伝達手法（図SI4A）により、NGFの全体的な転送処理時間は大幅に減少します（約15時間）。プロセスは次のとおりです。（ステップ1）エッチング溶液を準備してサンプルを入れ（〜10分）、Niエッチング（〜7200分）、（ステップ2）脱イオン水ですすいで構成されます（ステップ2）（ステップ - 3）。脱イオン水に保管するか、標的基板に移します（20分）。 NGFとバルクマトリックスの間に閉じ込められた水は、毛細血管作用によって除去されます（吸収紙を使用）38に、残りの水滴は自然乾燥（約30分）で除去され、最後にサンプルは10分間乾燥させます。 50〜90°C（60分）38の真空オーブン（10〜1 mbar）の分。
グラファイトは、かなり高温（200°C以上）50,51,52で水と空気の存在に耐えることが知られています。室温で脱イオン水と密閉ボトルで貯蔵後にラマン分光法、SEM、およびXRDを使用してサンプルをテストしました（図SI4）。顕著な劣化はありません。図2Cは、脱イオン水における自立型FS-NGFとBS-NGFを示しています。図2Cの先頭に示すように、SIO2（300 nm）/Si基板でそれらをキャプチャしました。さらに、図2Dに示すように、e、連続NGFは、ポリマー（ネクソルブやナフィオンのサーマブライトポリアミド）や金コーティングされたカーボンペーパーなどのさまざまな基質に伝達できます。浮遊FS-NGFは、ターゲット基板に簡単に配置されました（図2C、D）。ただし、BS-NGFサンプルは3 cm2を超えるサンプルを、水に完全に浸した場合、処理するのが困難でした。通常、彼らが不注意な取り扱いのために水で転がり始めたとき、彼らは時々2つか3つの部分に侵入します（図2E）。全体として、それぞれ面積で最大6および3 cm2までのサンプルに対して、PS-およびBS-NGF（6 cm2でNGF/Ni/NGF成長を伴わない連続シームレスな転送）のポリマーを含まない移動を達成することができました。残りの大きなまたは小片は、目的の基質（〜1 mm2、図SI4B、「FS-NGF：FS-NGF：「構造と特性」の下での構造と特性（議論））のように銅グリッドに転送されたサンプルを参照してください（図SI4）（図SI4）に基づいて、NGFに基づいて、銅グリッドに転送されたサンプルを参照してください。 98-99％（移動の成長後）。
ポリマーなしのトランスファーサンプルを詳細に分析しました。光学顕微鏡（OM）とSEM画像（図SI5および図3）を使用して、FSおよびBS-NGF/SIO2/SI（図2C）で得られた表面の形態学的特徴は、これらのサンプルが顕微鏡なしで転送されることを示しました。亀裂、穴、展開された領域などの目に見える構造的損傷。成長しているNGFの折り畳み（図3B、D、紫色の矢印でマークされた）は、転送後もそのままのままでした。 FS-NGFとBS-NGFの両方は、FLG領域で構成されています（図3の青い矢印で示される明るい領域）。驚くべきことに、極薄グラファイトフィルムのポリマー移動中に通常観察されるいくつかの損傷領域とは対照的に、NGFに接続するいくつかのミクロンサイズのFLGおよびMLG領域は、亀裂または破損なしで伝達されました（図3D）。 3）。 。後で説明するように、機械的完全性はさらに確認されました。転送されたBS-NGF/SIO2/SIは、図SI6AおよびB（20×20μM2）に示すように、それぞれ140 nmおよび17 nmのRMS値を持つFS-NGF/SIO2/SIよりも粗い。 SiO2/Si基板（RMS <2 nm）に転送されたNGFのRMS値は、NIで成長したNGFの値よりも有意に低く（図SI2）（図SI2）、追加の粗さがNI表面に対応する可能性があることを示しています。さらに、FSおよびBS-NGF/SIO2/SIサンプルのエッジで実行されたAFM画像は、それぞれ100および80 nmのNGF厚さを示しました（図SI7）。 BS-NGFの厚さは、表面が前駆体ガスに直接さらされていない結果である可能性があります。
SIO2/SIウェーハ上のポリマーなしで転送されたNGF（NIAG）（図2Cを参照）：（ A、B）転送されたFS-NGFのSEM画像：低倍率および高倍率（パネルのオレンジ色の正方形に対応）。典型的な領域） - a）。 （c、d）転送されたBS-NGFのSEM画像：低倍率と高倍率（パネルCのオレンジ広場で示される典型的な領域に対応）。 （E、F）転送されたFSおよびBS-NGFのAFM画像。青い矢印はFLG領域を表します - 明るいコントラスト、シアン矢印 - 黒のMLGコントラスト、赤い矢印 - 黒のコントラストはNGF領域を表し、マゼンタアローは折り目を表します。
成長および伝達されたFSおよびBS-NGFの化学組成は、X線光電子分光法（XPS）によって分析されました（図4）。成長したFSおよびBS-NGFS（NIAG）のNi基質（850 eV）に対応する、測定されたスペクトル（図4A、B）で弱いピークが観察されました。転送されたFS-およびBS-NGF/SIO2/SIの測定されたスペクトルにピークはありません（図4C; BS-NGF/SIO2/SIの同様の結果は示されていません）。図4D – Fは、FS-NGF/SIO2/SIのC 1 s、O 1 s、およびSi 2pエネルギーレベルの高解像度スペクトルを示しています。グラファイトのC 1秒の結合エネルギーは284.4 EV53.54です。図4D54に示すように、グラファイトピークの線形形状は一般に非対称であると見なされます。高解像度のコアレベルC 1 sスペクトル（図4D）は、以前の研究と一致する純粋な伝達（つまり、ポリマー残基なし）も確認しました38。新たに成長したサンプル（NIAG）のc 1 sスペクトルのライン幅と転送後のライン幅は、それぞれ0.55および0.62 eVです。これらの値は、SLG（SIO2基質上のSLGの0.49 eV）の値よりも高くなります38。ただし、これらの値は、高度に配向した熱分解グラフェンサンプル（〜0.75 eV）53,54,55の以前に報告された線幅よりも小さく、現在の材料に欠陥のある炭素部位が存在しないことを示しています。 C 1 sおよびo 1 sの地上レベルのスペクトルにも肩がなく、高解像度のピークデコンボリューションの必要性がなくなります54。グラファイトサンプルでしばしば観察されるπ→π*衛星ピーク約291.1 eVがあります。 Si 2PおよびO 1 Sコアレベルスペクトル（図4E、Fを参照）の103 EVおよび532.5 EVシグナルは、それぞれSIO2 56基質に起因します。 XPSは表面に敏感な手法であるため、NGF転送の前後にそれぞれ検出されたNiおよびSIO2に対応する信号は、FLG領域に由来すると想定されています。転送されたBS-NGFサンプルでも同様の結果が観察されました（図示せず）。
NIAG XPSの結果：（AC）成長したFS-NGF/NI、BS-NGF/NIの異なる元素原子組成の調査スペクトルとFS-NGF/SIO2/SIをそれぞれ転送します。 （D – F）FS-NGF/SIO2/SIサンプルのコアレベルC 1、O 1S、およびSi 2Pの高解像度スペクトル。
転送されたNGF結晶の全体的な品質は、X線回折（XRD）を使用して評価されました。転送されたFSおよびBS-NGF/SIO2/SIの典型的なXRDパターン（図SI8）は、グラフィットと同様に、26.6°および54.7°での回折ピーク（0 0 0 2）および（0 0 0 4）の存在を示しています。 。これにより、NGFの結晶品質が高いことが確認され、d = 0.335 nmの層層距離に対応します。これは、転送ステップの後に維持されます。回折ピーク（0 0 0 2）の強度は、回折ピーク（0 0 0 4）の約30倍であり、NGF結晶面がサンプル表面とよく整列していることを示しています。
SEM、ラマン分光法、XPSおよびXRDの結果によると、BS-NGF/NIの品質はFS-NGF/NIの品質と同じであることがわかりましたが、RMSの粗さはわずかに高かった（図SI2、SI5）とSI7）。
厚さ200 nmのポリマーサポート層を備えたSLGは、水に浮かぶ可能性があります。このセットアップは、ポリマー支援湿潤化学移動プロセスで一般的に使用されています22,38。グラフェンとグラファイトは疎水性です（湿潤角80〜90°）57。グラフェンとFLGの両方のポテンシャルエネルギー表面は、表面での水の横方向の動きに対して低いポテンシャルエネルギー（〜1 kJ/mol）がある非常に平坦であると報告されています58。ただし、グラフェンとグラフェンの3層との水の計算された相互作用エネルギーは、それぞれ約-13および-15 kJ/mol、58であり、NGFとの水との相互作用がグラフェンと比較して低いことを示しています。これは、自立したNGFが水面上で平らなままでいる理由の1つである可能性がありますが、自立型グラフェン（水に浮かぶ）が丸くなって故障します。 NGFが水に完全に浸されている場合（結果は粗くてフラットなNGFで同じ）、そのエッジが曲がります（図SI4）。完全な浸漬の場合、NGF-水相互作用エネルギーは（フローティングNGFと比較して）ほぼ2倍になり、NGFのエッジが高い接触角（疎水性）を維持することが予想されます（疎水性）。埋め込まれたNGFのエッジのカールを避けるために、戦略を開発できると考えています。 1つのアプローチは、混合溶媒を使用して、グラファイトフィルム59の湿潤反応を調節することです。
湿った化学物質移動プロセスを介したさまざまなタイプの基質へのSLGの転送は、以前に報告されています。グラフェン/グラファイト膜と基質の間に弱いファンデルワールスの力が存在することは一般に受け入れられています（SIO2/SI38,41,46,60、SIC38、AU42、SI Pillars22、Lacy Carbon Films30、34または柔軟な基質などの硬質基質など）。ここでは、同じタイプの相互作用が支配的であると仮定します。機械的取り扱い中にここに示された基質のいずれについてもNGFの損傷または剥離は観察されませんでした（真空および/または大気条件下または保管中）（例、図2、SI7およびSI9）。さらに、NGF/SIO2/SIサンプルのコアレベルのXPS C 1 SスペクトルのSICピークは観察されませんでした（図4）。これらの結果は、NGFと標的基質の間に化学結合がないことを示しています。
前のセクションでは、「FSおよびBS-NGFのポリマーを含まない移動」で、NGFがニッケルフォイルの両側で成長して転写できることを実証しました。これらのFS-NGFとBS-NGFは、表面粗さの点で同一ではないため、各タイプに最適なアプリケーションを探索するようになりました。
FS-NGFの透明性とより滑らかな表面を考慮して、その局所構造、光学および電気特性をより詳細に研究しました。ポリマー伝達のないFS-NGFの構造と構造は、透過型電子顕微鏡（TEM）イメージングと選択された領域電子回折（SAED）パターン分析によって特徴付けられました。対応する結果を図5に示します。低倍率平面TEMイメージングにより、それぞれ異なる電子コントラスト特性、つまり暗くて明るい領域があるNGFおよびFLG領域の存在が明らかになりました（図5A）。フィルム全体は、NGFとFLGの異なる領域間の優れた機械的完全性と安定性を示し、良好なオーバーラップと損傷や引き裂きはありません。これはSEM（図3）および高倍率TEM研究（図5C-E）によっても確認されました。特に、図5Dでは、その最大部分のブリッジ構造（図5Dの黒い点線の矢印でマークされた位置）を示しています。これは三角形の形状を特徴とし、幅約51のグラフェン層で構成されています。 0.33±0.01 nmの平面間間隔を持つ組成は、最も狭い領域のグラフェンのいくつかの層にさらに減少します（図5Dの固体黒い矢印の端）。
炭素レース銅グリッド上のポリマーフリーのNIAGサンプルの平面画像：（A、B）NGFおよびFLG領域を含む低倍率TEM画像、（CE）パネルAおよびパネルBのさまざまな領域の高倍率画像は、同じ色のマークされた矢印です。パネルAおよびCの緑色の矢印は、ビームアライメント中の循環損傷の領域を示しています。 （F – I）パネルAからCでは、異なる領域のSAEDパターンは、それぞれ青、シアン、オレンジ、および赤の円で示されています。
図5cのリボン構造は、グラファイト格子面の垂直方向を示しています（赤い矢印でマークされています）。これは、過剰な補償せん断応力によるフィルムに沿ったナノ倍の形成（図5Cの挿入図）によるものである可能性があります30,61,62を示しています。高解像度TEMでは、これらのナノ倍数30は、NGF領域の他の領域とは異なる結晶学的方向を示しています。グラファイト格子の基底面は、フィルムの残りの部分と同じように水平方向にではなく、ほぼ垂直に配向されています（図5Cの挿入図）。同様に、FLG領域は、図5B、5Eにそれぞれ低倍率と中程度の倍率で現れる線形および狭いバンドのようなfold（青い矢印でマーク）を示すことがあります。図5Eの挿入図は、FLGセクターに2層グラフェン層と3層グラフェン層（平面距離0.33±0.01 nm）の存在を確認しており、これは以前の結果30とよく一致しています。さらに、レースカーボンフィルムを使用して銅グリッドに転送されたポリマーを含まないNGFの記録されたSEM画像（トップビューTEM測定を実行した後）を図SI9に示します。よく吊り下げられたFLG領域（青い矢印でマークされています）と図SI9Fの壊れた領域。青い矢印（転送されたNGFの端）は、FLG領域がポリマーなしで移動プロセスに抵抗できることを実証するために意図的に提示されています。要約すると、これらの画像は、部分的に吊り下げられたNGF（FLG領域を含む）が、TEMおよびSEM測定中の厳密な取り扱いと高い真空への暴露後でも機械的完全性を維持することを確認しています（図SI9）。
NGFの優れた平坦性のため（図5Aを参照）、[0001]ドメイン軸に沿ってフレークを向けることは難しくありません。SAED構造を分析します。フィルムの局所的な厚さとその位置に応じて、電子回折研究では、関心のあるいくつかの領域（12ポイント）が特定されました。図5a – cでは、これらの典型的な領域のうち4つが示され、色付きの円（青、シアン、オレンジ、および赤色コード）でマークされています。 SAEDモードの図2および3。図5FとGは、図5および5に示すように、それぞれ図5BおよびCに示すように、FLG領域から入手しました。それらは、ねじれたグラフェン63と同様の六角形構造を持っています。特に、図5Fは、（0001]ゾーン軸と同じ方向を持つ3つの重ね合わせパターンを示しており、（10-10）反射の3つのペアの角度の不一致によって証明されているように、10°と20°回転しています。同様に、図5Gは、20°回転した2つの重ね合わせの六角形パターンを示しています。 FLG領域の六角形パターンの2つまたは3つのグループは、互いに比較して回転する33または面外のグラフェン層から発生する可能性があります。対照的に、図5Hの電子回折パターンは、図5Aに示すNGF領域に対応する）を示しています。これらのSAEDモデルは、インデックス64から推測されるように、FLGよりも厚いグラフ構造と中間方向に対応しています。NGFの結晶特性の特性評価により、2つまたは3つの重ね合わせグラファイト（またはグラフェン）結晶の共存が明らかになりました。 FLG領域で特に注目に値するのは、微結晶がある程度の面内または面外の誤った方向を持っていることです。 17°、22°、25°の面内回転角を持つグラファイト粒子/層は、NI 64フィルムで成長したNGFについて以前に報告されています。この研究で観察された回転角度値は、ねじれたBLG63グラフェンの以前に観察された回転角（±1°）と一致しています。
NGF/SIO2/SIの電気特性は、10×3 mm2の面積で300 Kで測定されました。電子キャリア濃度、可動性、導電率の値は、それぞれ1.6×1020 cm-3、220 cm2 V-1 C-1および2000 S-CM-1です。 NGFの可動性と導電率値は、天然のgraphite2に類似しており、市販の高度に利用可能な高度な熱分解グラファイト（3000°Cで生成）29よりも高い。観察された電子キャリア濃度値は、高温（3200°C）ポリイミドシート20を使用して調製されたミクロン厚のグラファイトフィルムについて、最近報告されたもの（7.25×10 cm-3）よりも2桁高い（7.25×10 cm-3）。
また、Quartz基質に転送されたFS-NGFでUV可視透過率測定を実行しました（図6）。結果のスペクトルは、範囲350〜800 nmで62％のほぼ一定の透過率を示しており、NGFが可視光に半透明であることを示しています。実際、「kaust」という名前は、図6bのサンプルのデジタル写真で見ることができます。 NGFのナノ結晶構造はSLGのナノ結晶構造とは異なりますが、追加のレイヤーあたりの2.3％の伝送損失のルールを使用して、層の数をほぼ推定できます65。この関係によれば、38％の透過損失を持つグラフェン層の数は21です。成長したNGFは、主に300のグラフェン層、つまり厚さ約100 nmで構成されています（図1、Si5およびSi7）。したがって、観測された光学的透明度は、フィルム全体に分布しているため、FLGおよびMLG領域に対応すると仮定します（図1、3、5、6C）。上記の構造データに加えて、導電率と透明性は、転送されたNGFの高い結晶品質も確認します。
（a）UV可視透過率測定、（b）代表的なサンプルを使用したQuartzでの典型的なNGF転送。 （c）均等に分布したFLGおよびMLG領域がサンプル全体に灰色のランダム形状としてマークされたNGF（暗い箱）の概略図（図1を参照）（100μm2あたり約0.1〜3％の面積）。図内のランダムな形状とそのサイズは、説明のみを目的としており、実際の領域には対応していません。
CVDによって成長した半透明のNGFは、以前に裸のシリコン表面に移され、太陽電池で使用されています15,16。結果の出力変換効率（PCE）は1.5％です。これらのNGFは、活性化合物層、電荷輸送経路、透明電極などの複数の機能を実行します15,16。ただし、グラファイトフィルムは均一ではありません。これらの2つの特性は太陽電池のPCE値を決定する上で重要な役割を果たすため、グラファイト電極のシート抵抗と光学透過率を慎重に制御することにより、さらなる最適化が必要です。通常、グラフェンフィルムは97.7％の可視光に対して透明ですが、200〜3000オーム/sq.16のシート抵抗があります。グラフェン膜の表面抵抗は、層の数（グラフェン層の複数の移動）を増やし、HNO3（〜30オーム/平方）でドーピングすることで減少させることができます66。ただし、このプロセスには長い時間がかかり、異なる転送層が常に良好な接触を維持するとは限りません。フロントサイドNGFには、導電率2000 s/cm、フィルムシート抵抗50オーム/平方などの特性があります。 62％の透明度であり、太陽電池の導電性チャネルまたはカウンター電極の実行可能な代替品です15,16。
BS-NGFの構造と表面化学はFS-NGFに似ていますが、その粗さは異なります（「FS-およびBS-NGFの成長」）。以前は、ウルトラシンフィルムGraphite22をガスセンサーとして使用していました。したがって、ガスセンシングタスクにBS-NGFを使用する可能性をテストしました（図SI10）。まず、BS-NGFのMM2サイズの部分を、介在する電極センサーチップに転送しました（図SI10A-C）。チップの製造詳細は以前に報告されました。そのアクティブな敏感な領域は9 mm267です。 SEM画像（図SI10BおよびC）では、下にある金電極がNGFを通じてはっきりと見えます。繰り返しますが、すべてのサンプルで均一なチップカバレッジが達成されたことがわかります。さまざまなガスのガスセンサー測定が記録され（図SI10D）（図SI11）、結果の応答率を図2と図2に示します。 SI10G。おそらく、SO2（200 ppm）、H2（2％）、CH4（200 ppm）、CO2（2％）、H2S（200 ppm）、NH3（200 ppm）を含む他の干渉ガスがある可能性があります。考えられる原因の1つはNO2です。 Gas22,68の電気栄養性。グラフェンの表面に吸着すると、システムによる電子の電流吸収が減少します。 BS-NGFセンサーと以前に公開されたセンサーとの応答時間データの比較を表SI2に示します。 UVプラズマ、O3プラズマまたは熱（50〜150°C）処理を使用してNGFセンサーを再活性化するメカニズムが進行中であり、理想的には組み込みシステムの実装が続きます69。
CVDプロセス中、グラフェンの成長は触媒基質41の両側で発生します。ただし、BS-グラフェンは通常、転送プロセス中に排出されます41。この研究では、触媒サポートの両側で高品質のNGF成長とポリマーを含まないNGF転送を達成できることを実証します。 BS-NGFはFS-NGF（〜100 nm）よりも薄く（〜80 nm）、この違いは、BS-NIが前駆体ガスの流れに直接さらされていないという事実によって説明されています。また、NIAR基質の粗さがNGFの粗さに影響することも発見しました。これらの結果は、成長した平面FS-NGFがグラフェンの前駆体材料として（剥離法70）、または太陽電池の導電性チャネルとして使用できることを示しています15,16。対照的に、BS-NGFは、ガス検出に使用され（図SI9）、場合によってはエネルギー貯蔵システム71,72に使用されます。
上記を考慮すると、現在の作業と以前に公開されたグラファイトフィルムをCVDで栽培し、ニッケルフォイルを使用して組み合わせると便利です。表2に見られるように、使用したより高い圧力により、比較的低い温度（850〜1300°Cの範囲）でも反応時間（成長段階）が短縮されました。また、通常よりも大きな成長を達成し、拡大の可能性を示しています。考慮すべき他の要因がありますが、そのいくつかはテーブルに含まれています。
触媒CVDにより、両面高品質NGFをニッケルホイルで成長させました。従来のポリマー基質（CVDグラフェンで使用されるものなど）を排除することにより、さまざまなプロセスクリティカル基板へのNGF（ニッケルフォイルの背面と前面と前面）の清潔で欠陥のない湿潤移動を実現します。特に、NGFには、厚いフィルムに構造的に統合されたFLGおよびMLG領域（通常、100 µm2あたり0.1％から3％）が含まれます。平面TEMは、これらの領域が2〜3つのグラファイト/グラフェン粒子（それぞれ結晶または層）のスタックで構成されており、その一部は10〜20°の回転ミスマッチを持っていることを示しています。 FLGおよびMLG領域は、FS-NGFの可視光への透明度の原因です。後部シートについては、フロントシートと平行に運ぶことができ、示されているように、機能的な目的を持つことができます（たとえば、ガス検出の場合）。これらの研究は、産業規模のCVDプロセスの廃棄物とコストを削減するのに非常に役立ちます。
一般に、CVD NGFの平均厚さは、（低層と多層）グラフェンと工業用（マイクロメーター）グラファイトシートの間にあります。それらの興味深い特性の範囲は、生産と輸送のために開発した単純な方法と組み合わせて、これらのフィルムを、現在使用されているエネルギー集約的な工業生産プロセスの費用なしで、グラファイトの機能的応答を必要とするアプリケーションに特に適しています。
厚さ25μmのニッケルフォイル（純度99.5％、グッドフェロー）を市販のCVD反応器（AIXTRON 4インチBMPRO）に設置しました。システムをアルゴンでパージし、10〜3 mbarの基本圧力に避難させました。その後、ニッケルホイルを配置しました。 AR/H2では（Niホイルを5分間前に発行した後、ホイルを900°Cで500 MBARの圧力にさらしました。NGFは、CH4/H2（100 cm3）の流れに5分間堆積しました。その後、サンプルはARフロー（40 cm3）を使用してARフローを使用して700°C未満の温度に冷却されました。
サンプルの表面形態は、Zeiss Merlin顕微鏡（1 kV、50 PA）を使用してSEMによって視覚化されました。サンプル表面の粗さとNGFの厚さは、AFM（Dimension Icon SPM、Bruker）を使用して測定されました。 TEMおよびSAEDの測定は、高輝度フィールド排出ガン（300 kV）、FEI Wien型モノクロメーター、およびCEOSレンズ球体出血矯正器を装備したFEIタイタン80〜300キューブ顕微鏡を使用して、最終結果を取得しました。空間解像度0.09 nm。 NGFサンプルは、フラットTEMイメージングおよびSAED構造分析のために、カーボンレースコーティング銅グリッドに転送されました。したがって、サンプルフロックのほとんどは、支持膜の細孔に懸濁されています。転送されたNGFサンプルをXRDによって分析しました。 X線回折パターンは、粉末回折計（Brucker、CuKαソースを備えたD2相シフター、1.5418Å、Lynxeye Detector）を使用して得られました。
統合共焦点顕微鏡（Alpha 300 RA、Witec）を使用して、いくつかのラマン点測定が記録されました。熱誘導効果を避けるために、励起能力が低い532 nmレーザー（25％）を使用しました。 X線光電子分光法（XPS）は、150 Wの出力で単色ALKα放射（Hν= 1486.6 eV）を使用して、300×700μM2のサンプル面積にわたってKratos軸超分光計で行われました。 SiO2に転送されたNGFサンプルは、30 WでのPLS6MW（1.06μM）イッテルビウムファイバーレーザーを使用して、断片に切り取り（各3×10 mm2）にカットしました。これらのサンプルでは、300 Kと物理的特性測定システム（PPMS Evercool-II、量子設計、米国）で±9 Teslaの磁場変動で、電気輸送およびホール効果の実験が実施されました。透過されたUV -VISスペクトルは、石英基板および石英参照サンプルに移された350〜800 nm NGF範囲の350〜800 nm NGF範囲のラムダ950 UV -VIS分光光度計を使用して記録されました。
耐薬品性センサー（相互微分電極チップ）をカスタム印刷回路基板73に配線し、耐性を一時的に抽出しました。デバイスが配置されている印刷回路基板は接触端子に接続され、ガスセンシングチャンバー74の内側に配置されました。抵抗測定は、パージからガスへの連続スキャンを使用して、1 Vの電圧で採取し、再びパージしました。チャンバーは最初に200 cm3の窒素で1時間窒素で浄化して洗浄し、水分を含むチャンバー内に存在する他のすべての分析物を除去することを保証しました。その後、個々の分析物は、N2シリンダーを閉じることにより、200 cm3の同じ流量でゆっくりとチャンバーに放出されました。
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イナガキ、M。およびカン、F。炭素材料科学と工学：基礎。編集された第2版。 2014。542。
ピアソン、炭素、グラファイト、ダイヤモンド、フラーレンのHOハンドブック：プロパティ、処理、アプリケーション。初版が編集されました。 1994、ニュージャージー。
Tsai、W。et al。透明な薄導電性電極としての大きな領域多層グラフェン/グラファイト膜。応用。物理。ライト。 95（12）、123115（2009）。
グラフェンおよびナノ構造炭素材料のBalandin AA熱特性。ナット。マット。 10（8）、569–581（2011）。
Cheng KY、Brown PW、およびCahill DGは、低温化学蒸着によってNi（111）で栽培されたグラファイト膜の熱伝導率。副詞。マット。インターフェイス3、16（2016）。
Hesjedal、T。化学蒸気によるグラフェン膜の連続成長。応用。物理。ライト。 98（13）、133106（2011）。
投稿時間：AUG-23-2024