Matur nuwun sampun ngunjungi Nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo asil sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake versi browser sing luwih anyar (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nampilake situs tanpa gaya utawa JavaScript.
Film grafit skala nano (NGF) minangka nanomaterial sing kuwat sing bisa diprodhuksi kanthi deposisi uap kimia katalitik, nanging isih ana pitakonan babagan gampange transfer lan kepiye morfologi permukaan mengaruhi panggunaan ing piranti generasi sabanjure. Ing kene kita nglaporake pertumbuhan NGF ing loro-lorone foil nikel polikristalin (area 55 cm2, kekandelan udakara 100 nm) lan transfer bebas polimer (ngarep lan mburi, area nganti 6 cm2). Amarga morfologi foil katalis, loro film karbon kasebut beda-beda ing sifat fisik lan karakteristik liyane (kayata kekasaran permukaan). Kita nduduhake manawa NGF kanthi sisih mburi sing luwih kasar cocog kanggo deteksi NO2, dene NGF sing luwih alus lan luwih konduktif ing sisih ngarep (2000 S/cm, resistensi lembaran - 50 ohm/m2) bisa dadi konduktor sing layak. saluran utawa elektroda sel surya (amarga ngirim 62% cahya sing katon). Sakabèhé, proses pertumbuhan lan transportasi sing diterangake bisa mbantu ngwujudake NGF minangka bahan karbon alternatif kanggo aplikasi teknologi ing ngendi film grafit graphene lan kandel mikron ora cocog.
Grafit minangka bahan industri sing akeh digunakake. Khususé, grafit nduweni sifat kapadhetan massa sing relatif kurang lan konduktivitas termal lan listrik ing bidang sing dhuwur, lan stabil banget ing lingkungan termal lan kimia sing atos1,2. Grafit serpihan minangka bahan wiwitan sing misuwur kanggo riset graphene3. Nalika diolah dadi film tipis, bisa digunakake ing macem-macem aplikasi, kalebu heat sink kanggo piranti elektronik kayata smartphone4,5,6,7, minangka bahan aktif ing sensor8,9,10 lan kanggo proteksi gangguan elektromagnetik11.12 lan film kanggo litografi ing ultraviolet ekstrem13,14, saluran penghantar ing sel surya15,16. Kanggo kabeh aplikasi kasebut, bakal dadi kauntungan sing signifikan yen area film grafit (NGF) sing amba kanthi kekandelan sing dikontrol ing skala nano <100 nm bisa diprodhuksi lan diangkut kanthi gampang.
Film grafit diprodhuksi kanthi maneka warna cara. Ing salah sawijining kasus, penyisipan lan ekspansi sing diterusake karo pengelupasan digunakake kanggo ngasilake serpihan graphene10,11,17. Serpihan kasebut kudu diproses luwih lanjut dadi film kanthi kekandelan sing dibutuhake, lan asring butuh pirang-pirang dina kanggo ngasilake lembaran grafit sing padhet. Pendekatan liyane yaiku miwiti karo prekursor padat sing bisa digrafit. Ing industri, lembaran polimer dikarbonisasi (ing suhu 1000–1500 °C) banjur digrafitisasi (ing suhu 2800–3200 °C) kanggo mbentuk bahan berlapis sing terstruktur kanthi apik. Sanajan kualitas film kasebut dhuwur, konsumsi energi cukup signifikan1,18,19 lan kekandelan minimal diwatesi mung sawetara mikron1,18,19,20.
Deposisi uap kimia katalitik (CVD) minangka metode sing kondhang kanggo ngasilake film grafit graphene lan ultra tipis (<10 nm) kanthi kualitas struktural sing dhuwur lan biaya sing cukup21,22,23,24,25,26,27. Nanging, dibandhingake karo pertumbuhan film grafit graphene lan ultra tipis28, pertumbuhan area sing amba lan/utawa aplikasi NGF nggunakake CVD luwih sithik diteliti11,13,29,30,31,32,33.
Film graphene lan grafit sing ditandur CVD asring kudu ditransfer menyang substrat fungsional34. Transfer film tipis iki nglibatake rong metode utama35: (1) transfer non-etch36,37 lan (2) transfer kimia teles berbasis etch (didukung substrat)14,34,38. Saben metode nduweni sawetara kaluwihan lan kekurangan lan kudu dipilih gumantung saka aplikasi sing dimaksud, kaya sing diterangake ing papan liya35,39. Kanggo film graphene/grafit sing ditandur ing substrat katalitik, transfer liwat proses kimia teles (sing polimetil metakrilat (PMMA) minangka lapisan dhukungan sing paling umum digunakake) tetep dadi pilihan pertama13,30,34,38,40,41,42. Sampeyan et al. Disebutake manawa ora ana polimer sing digunakake kanggo transfer NGF (ukuran sampel kira-kira 4 cm2)25,43, nanging ora ana rincian sing diwenehake babagan stabilitas sampel lan/utawa penanganan sajrone transfer; Proses kimia teles nggunakake polimer kasusun saka sawetara langkah, kalebu aplikasi lan mbusak lapisan polimer kurban30,38,40,41,42. Proses iki nduweni kekurangan: contone, residu polimer bisa ngganti sifat film sing wis thukul38. Proses tambahan bisa mbusak polimer sisa, nanging langkah tambahan iki nambah biaya lan wektu produksi film38,40. Sajrone pertumbuhan CVD, lapisan graphene ora mung diendapkan ing sisih ngarep foil katalis (sisih sing madhep aliran uap), nanging uga ing sisih mburi. Nanging, sing terakhir dianggep minangka produk sampah lan bisa dicopot kanthi cepet dening plasma alus38,41. Daur ulang film iki bisa mbantu ngoptimalake asil, sanajan kualitase luwih murah tinimbang film karbon rai.
Ing kene, kita nglaporake persiapan pertumbuhan bifasial skala wafer saka NGF kanthi kualitas struktural sing dhuwur ing foil nikel polikristalin kanthi CVD. Iki ditaksir kepiye kekasaran permukaan ngarep lan mburi foil mengaruhi morfologi lan struktur NGF. Kita uga nduduhake transfer NGF sing bebas polimer lan ramah lingkungan saka loro-lorone foil nikel menyang substrat multifungsi lan nuduhake kepiye film ngarep lan mburi cocog kanggo macem-macem aplikasi.
Bagean ing ngisor iki ngrembug babagan kekandelan film grafit sing beda-beda gumantung saka jumlah lapisan graphene sing ditumpuk: (i) graphene lapisan tunggal (SLG, 1 lapisan), (ii) graphene sawetara lapisan (FLG, < 10 lapisan), (iii) graphene multilayer (MLG, 10-30 lapisan) lan (iv) NGF (~300 lapisan). Sing terakhir minangka kekandelan sing paling umum sing dituduhake minangka persentase area (kurang luwih 97% area saben 100 µm2)30. Pramila kabeh film kasebut diarani NGF.
Foil nikel polikristalin sing digunakake kanggo sintesis film graphene lan grafit duwe tekstur sing beda-beda minangka asil saka manufaktur lan pangolahan sabanjure. Kita bubar nglaporake panliten kanggo ngoptimalake proses pertumbuhan NGF30. Kita nuduhake manawa parameter proses kayata wektu annealing lan tekanan ruang sajrone tahap pertumbuhan nduweni peran penting kanggo entuk NGF kanthi kekandelan sing seragam. Ing kene, kita luwih lanjut nyelidiki pertumbuhan NGF ing permukaan foil nikel sing dipoles (FS) lan mburi sing ora dipoles (BS) (Gambar 1a). Telung jinis sampel FS lan BS ditliti, sing kadhaptar ing Tabel 1. Sawise inspeksi visual, pertumbuhan NGF sing seragam ing loro-lorone foil nikel (NiAG) bisa dideleng saka owah-owahan warna substrat Ni massal saka abu-abu perak metalik sing khas dadi warna abu-abu matte (Gambar 1a); pangukuran mikroskopis dikonfirmasi (Gambar 1b, c). Spektrum Raman khas FS-NGF sing diamati ing wilayah sing padhang lan dituduhake dening panah abang, biru lan oranye ing Gambar 1b dituduhake ing Gambar 1c. Puncak Raman sing khas saka grafit G (1683 cm−1) lan 2D (2696 cm−1) ngonfirmasi pertumbuhan NGF sing kristalin banget (Gambar 1c, Tabel SI1). Sadawane film, dominasi spektrum Raman kanthi rasio intensitas (I2D/IG) ~0,3 diamati, dene spektrum Raman kanthi I2D/IG = 0,8 arang diamati. Ora ana puncak sing cacat (D = 1350 cm-1) ing kabeh film nuduhake kualitas pertumbuhan NGF sing dhuwur. Asil Raman sing padha dipikolehi ing sampel BS-NGF (Gambar SI1 a lan b, Tabel SI1).
Perbandingan NiAG FS- lan BS-NGF: (a) Foto sampel NGF (NiAG) khas sing nuduhake pertumbuhan NGF ing skala wafer (55 cm2) lan sampel foil BS- lan FS-Ni sing diasilake, (b) Gambar FS-NGF/Ni sing dipikolehi nganggo mikroskop optik, (c) spektrum Raman khas sing direkam ing posisi sing beda ing panel b, (d, f) gambar SEM kanthi pembesaran sing beda ing FS-NGF/Ni, (e, g) gambar SEM kanthi pembesaran sing beda Nyetel BS-NGF/Ni. Panah biru nuduhake wilayah FLG, panah oranye nuduhake wilayah MLG (cedhak wilayah FLG), panah abang nuduhake wilayah NGF, lan panah magenta nuduhake lipatan.
Amarga tuwuh gumantung saka kekandelan substrat awal, ukuran kristal, orientasi, lan wates butir, nggayuh kontrol kekandelan NGF sing cukup ing area sing amba tetep dadi tantangan20,34,44. Panliten iki nggunakake konten sing wis diterbitake sadurunge30. Proses iki ngasilake wilayah sing padhang 0,1 nganti 3% saben 100 µm230. Ing bagean ing ngisor iki, kita nampilake asil kanggo loro jinis wilayah kasebut. Gambar SEM pembesaran dhuwur nuduhake anané sawetara area kontras sing padhang ing loro-lorone sisih (Gambar 1f,g), sing nuduhake anané wilayah FLG lan MLG30,45. Iki uga dikonfirmasi dening hamburan Raman (Gambar 1c) lan asil TEM (dibahas mengko ing bagean "FS-NGF: struktur lan sifat"). Wilayah FLG lan MLG sing diamati ing sampel FS- lan BS-NGF/Ni (NGF ngarep lan mburi sing thukul ing Ni) bisa uga thukul ing butir Ni(111) gedhe sing dibentuk sajrone pra-annealing22,30,45. Lipetan diamati ing loro-lorone sisih (Gambar 1b, ditandhani nganggo panah ungu). Lipetan iki asring ditemokake ing film graphene lan grafit sing ditandur CVD amarga bedane gedhe ing koefisien ekspansi termal antarane grafit lan substrat nikel30,38.
Gambar AFM ngonfirmasi manawa sampel FS-NGF luwih rata tinimbang sampel BS-NGF (Gambar SI1) (Gambar SI2). Nilai kekasaran root mean square (RMS) saka FS-NGF/Ni (Gambar SI2c) lan BS-NGF/Ni (Gambar SI2d) yaiku 82 lan 200 nm, masing-masing (diukur ing area 20 × 20 μm2). Kekasaran sing luwih dhuwur bisa dingerteni adhedhasar analisis permukaan foil nikel (NiAR) ing kahanan nalika ditampa (Gambar SI3). Gambar SEM saka FS lan BS-NiAR dituduhake ing Gambar SI3a–d, sing nuduhake morfologi permukaan sing beda: foil FS-Ni sing dipoles duwe partikel bunder ukuran nano lan mikron, dene foil BS-Ni sing ora dipoles nuduhake tangga produksi. minangka partikel kanthi kekuatan dhuwur. lan penurunan. Gambar resolusi rendah lan dhuwur saka foil nikel (NiA) sing dipanasake dituduhake ing Gambar SI3e–h. Ing gambar-gambar iki, kita bisa mirsani anané sawetara partikel nikel ukuran mikron ing loro-lorone foil nikel (Gambar SI3e-h). Butiran gedhe bisa uga duwe orientasi permukaan Ni(111), kaya sing dilapurake sadurunge30,46. Ana bedane sing signifikan ing morfologi foil nikel antarane FS-NiA lan BS-NiA. Kekasaran BS-NGF/Ni sing luwih dhuwur amarga permukaan BS-NiAR sing ora dipoles, permukaane tetep kasar sanajan sawise annealing (Gambar SI3). Karakterisasi permukaan jinis iki sadurunge proses pertumbuhan ngidini kekasaran film graphene lan grafit dikontrol. Perlu dicathet yen substrat asli ngalami sawetara reorganisasi butiran sajrone pertumbuhan graphene, sing rada nyuda ukuran butiran lan rada nambah kekasaran permukaan substrat dibandhingake karo foil annealing lan film katalis22.
Nyetel kekasaran permukaan substrat, wektu anil (ukuran butiran)30,47 lan kontrol pelepasan43 bakal mbantu nyuda keseragaman kekandelan NGF regional menyang skala µm2 lan/utawa malah skala nm2 (yaiku, variasi kekandelan sawetara nanometer). Kanggo ngontrol kekasaran permukaan substrat, cara kayata polesan elektrolitik saka foil nikel sing diasilake bisa dianggep48. Foil nikel sing wis diolah sadurunge banjur bisa dianil ing suhu sing luwih murah (< 900 °C)46 lan wektu (< 5 menit) kanggo nyegah pembentukan butiran Ni(111) sing gedhe (sing migunani kanggo pertumbuhan FLG).
Grafena SLG lan FLG ora bisa nahan tegangan permukaan asam lan banyu, mbutuhake lapisan dhukungan mekanik sajrone proses transfer kimia teles22,34,38. Beda karo transfer kimia teles saka graphene lapisan tunggal sing didhukung polimer38, kita nemokake manawa loro-lorone NGF sing wis thukul bisa ditransfer tanpa dhukungan polimer, kaya sing dituduhake ing Gambar 2a (waca Gambar SI4a kanggo rincian liyane). Transfer NGF menyang substrat tartamtu diwiwiti kanthi etsa teles saka film Ni30.49 sing ndasari. Sampel NGF/Ni/NGF sing wis thukul dilebokake sewengi ing 15 mL 70% HNO3 sing diencerake karo 600 mL banyu deionisasi (DI). Sawise foil Ni larut kabeh, FS-NGF tetep rata lan ngambang ing permukaan cairan, kaya sampel NGF/Ni/NGF, dene BS-NGF dicelupake ing banyu (Gambar 2a,b). NGF sing diisolasi banjur dipindhah saka siji gelas kimia sing isine banyu deionisasi seger menyang gelas kimia liyane lan NGF sing diisolasi dikumbah kanthi resik, diulang kaping papat nganti kaping enem liwat piring kaca cekung. Pungkasan, FS-NGF lan BS-NGF diselehake ing substrat sing dikarepake (Gambar 2c).
Proses transfer kimia teles tanpa polimer kanggo NGF sing ditumbuhake ing foil nikel: (a) Diagram alur proses (waca Gambar SI4 kanggo rincian liyane), (b) Foto digital NGF sing dipisahake sawise etsa Ni (2 sampel), (c) Conto transfer FS – lan BS-NGF menyang substrat SiO2/Si, (d) Transfer FS-NGF menyang substrat polimer opak, (e) BS-NGF saka sampel sing padha karo panel d (dipérang dadi rong bagéan), ditransfer menyang kertas C berlapis emas lan Nafion (substrat transparan fleksibel, pinggiran ditandhani nganggo pojok abang).
Elinga yen transfer SLG sing ditindakake nggunakake metode transfer kimia teles mbutuhake total wektu pangolahan 20-24 jam 38. Kanthi teknik transfer bebas polimer sing dituduhake ing kene (Gambar SI4a), wektu pangolahan transfer NGF sakabèhé suda sacara signifikan (kurang luwih 15 jam). Proses kasebut kasusun saka: (Langkah 1) Siapke larutan etsa lan lebokake sampel ing njero (~10 menit), banjur enteni sewengi kanggo etsa Ni (~7200 menit), (Langkah 2) Bilas nganggo banyu deionisasi (Langkah - 3). simpen ing banyu deionisasi utawa transfer menyang substrat target (20 menit). Banyu sing kejebak ing antarane NGF lan matriks massal dicopot kanthi aksi kapiler (nggunakake kertas blotting) 38, banjur tetesan banyu sing isih ana dicopot kanthi pangatusan alami (kurang luwih 30 menit), lan pungkasane sampel dikeringake sajrone 10 menit ing oven vakum (10-1 mbar) ing suhu 50-90 °C (60 menit) 38.
Grafit dikenal tahan karo anané banyu lan udhara ing suhu sing cukup dhuwur (≥ 200 °C)50,51,52. Kita nguji sampel nggunakake spektroskopi Raman, SEM, lan XRD sawise disimpen ing banyu deionisasi ing suhu kamar lan ing botol sing disegel sajrone sawetara dina nganti setaun (Gambar SI4). Ora ana degradasi sing katon. Gambar 2c nuduhake FS-NGF lan BS-NGF sing madeg dhewe ing banyu deionisasi. Kita nyekel ing substrat SiO2 (300 nm)/Si, kaya sing dituduhake ing awal Gambar 2c. Kajaba iku, kaya sing dituduhake ing Gambar 2d,e, NGF terus-terusan bisa ditransfer menyang macem-macem substrat kayata polimer (poliamida Thermabright saka Nexolve lan Nafion) lan kertas karbon berlapis emas. FS-NGF sing ngambang gampang diselehake ing substrat target (Gambar 2c, d). Nanging, sampel BS-NGF sing luwih gedhe tinimbang 3 cm2 angel ditangani nalika direndhem ing banyu. Biasane, nalika wiwit nggulung ing banyu, amarga penanganan sing ora ati-ati, kadhangkala pecah dadi rong utawa telung bagean (Gambar 2e). Sakabèhé, kita bisa entuk transfer PS- lan BS-NGF tanpa polimer (transfer tanpa wates terus tanpa pertumbuhan NGF/Ni/NGF ing 6 cm2) kanggo sampel nganti 6 lan 3 cm2 ing area. Potongan gedhe utawa cilik sing isih ana bisa (gampang dideleng ing larutan etsa utawa banyu deionisasi) ing substrat sing dikarepake (~1 mm2, Gambar SI4b, deleng sampel sing ditransfer menyang kisi tembaga kaya ing "FS-NGF: Struktur lan Sifat (dibahas) ing "Struktur lan Sifat") utawa disimpen kanggo digunakake ing mangsa ngarep (Gambar SI4). Adhedhasar kritéria iki, kita ngira yen NGF bisa dipulihake kanthi asil nganti 98-99% (sawise pertumbuhan kanggo transfer).
Sampel transfer tanpa polimer dianalisis kanthi rinci. Karakteristik morfologi permukaan sing dipikolehi ing FS- lan BS-NGF/SiO2/Si (Gambar 2c) nggunakake mikroskop optik (OM) lan gambar SEM (Gambar SI5 lan Gambar 3) nuduhake yen sampel kasebut ditransfer tanpa mikroskop. Karusakan struktural sing katon kayata retakan, bolongan, utawa area sing ora digulung. Lipatan ing NGF sing saya tambah (Gambar 3b, d, ditandhani nganggo panah ungu) tetep utuh sawise transfer. FS- lan BS-NGF kasusun saka wilayah FLG (wilayah padhang sing dituduhake nganggo panah biru ing Gambar 3). Sing nggumunake, beda karo sawetara wilayah sing rusak sing biasane diamati sajrone transfer polimer film grafit ultra tipis, sawetara wilayah FLG lan MLG ukuran mikron sing nyambung menyang NGF (ditandai nganggo panah biru ing Gambar 3d) ditransfer tanpa retakan utawa pecah (Gambar 3d). 3). Integritas mekanik luwih dikonfirmasi nggunakake gambar TEM lan SEM saka NGF sing ditransfer menyang kisi tembaga renda-karbon, kaya sing dibahas mengko (“FS-NGF: Struktur lan Sifat”). BS-NGF/SiO2/Si sing ditransfer luwih kasar tinimbang FS-NGF/SiO2/Si kanthi nilai rms 140 nm lan 17 nm, kaya sing dituduhake ing Gambar SI6a lan b (20 × 20 μm2). Nilai RMS NGF sing ditransfer menyang substrat SiO2/Si (RMS < 2 nm) luwih murah sacara signifikan (udakara 3 kali lipat) tinimbang NGF sing ditandur ing Ni (Gambar SI2), sing nuduhake yen kekasaran tambahan bisa uga cocog karo permukaan Ni. Kajaba iku, gambar AFM sing ditindakake ing pinggir sampel FS- lan BS-NGF/SiO2/Si nuduhake kekandelan NGF 100 lan 80 nm, (Gambar SI7). Kekandelan BS-NGF sing luwih cilik bisa uga amarga permukaan ora kena langsung gas prekursor.
NGF sing ditransfer (NiAG) tanpa polimer ing wafer SiO2/Si (deleng Gambar 2c): (a,b) Gambar SEM saka FS-NGF sing ditransfer: pembesaran endhek lan dhuwur (cocog karo kothak oranye ing panel). Area khas) – a). (c,d) Gambar SEM saka BS-NGF sing ditransfer: pembesaran endhek lan dhuwur (cocog karo area khas sing dituduhake dening kothak oranye ing panel c). (e,f) Gambar AFM saka FS- lan BS-NGF sing ditransfer. Panah biru makili wilayah FLG – kontras padhang, panah cyan – kontras MLG ireng, panah abang – kontras ireng makili wilayah NGF, panah magenta makili lipatan.
Komposisi kimia saka FS- lan BS-NGF sing wis thukul lan ditransfer dianalisis nganggo spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Gambar 4). Puncak sing ringkih diamati ing spektrum sing diukur (Gambar 4a, b), sing cocog karo substrat Ni (850 eV) saka FS- lan BS-NGF sing wis thukul (NiAG). Ora ana puncak ing spektrum sing diukur saka FS- lan BS-NGF/SiO2/Si sing ditransfer (Gambar 4c; asil sing padha kanggo BS-NGF/SiO2/Si ora ditampilake), sing nuduhake yen ora ana kontaminasi Ni sing isih ana sawise transfer. Gambar 4d–f nuduhake spektrum resolusi dhuwur saka tingkat energi C1s, O1s lan Si2p saka FS-NGF/SiO2/Si. Energi pengikatan C1s grafit yaiku 284,4 eV53,54. Wangun linier puncak grafit umume dianggep asimetris, kaya sing dituduhake ing Gambar 4d54. Spektrum C1s tingkat inti resolusi dhuwur (Gambar 4d) uga ngonfirmasi transfer murni (yaiku, ora ana residu polimer), sing konsisten karo panliten sadurunge38. Lebar garis spektrum C1s saka sampel sing nembe thukul (NiAG) lan sawise transfer yaiku 0,55 lan 0,62 eV, masing-masing. Nilai kasebut luwih dhuwur tinimbang SLG (0,49 eV kanggo SLG ing substrat SiO2)38. Nanging, nilai kasebut luwih cilik tinimbang lebar garis sing dilapurake sadurunge kanggo sampel graphene pirolitik sing berorientasi dhuwur (~0,75 eV)53,54,55, sing nuduhake ora ana situs karbon sing cacat ing materi saiki. Spektrum tingkat lemah C1s lan O1s uga ora duwe pundhak, ngilangi kabutuhan dekonvolusi puncak resolusi dhuwur54. Ana puncak satelit π → π* sekitar 291,1 eV, sing asring diamati ing sampel grafit. Sinyal 103 eV lan 532,5 eV ing spektrum tingkat inti Si 2p lan O 1 s (waca Gambar 4e, f) dihubungake karo substrat SiO2 56. XPS minangka teknik sensitif permukaan, mula sinyal sing cocog karo Ni lan SiO2 sing dideteksi sadurunge lan sawise transfer NGF, dianggep asale saka wilayah FLG. Asil sing padha diamati kanggo sampel BS-NGF sing ditransfer (ora ditampilake).
Asil NiAG XPS: (ac) Spektrum survei saka komposisi atom unsur sing beda-beda saka FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni lan FS-NGF/SiO2/Si sing wis ditumbuhake, lan FS-NGF/SiO2/Si sing ditransfer. (d–f) Spektrum resolusi dhuwur saka tingkat inti C1s, O1s lan Si2p saka sampel FS-NGF/SiO2/Si.
Kualitas sakabèhé kristal NGF sing ditransfer ditaksir nggunakaké difraksi sinar-X (XRD). Pola XRD khas (Gambar SI8) saka FS- lan BS-NGF/SiO2/Si sing ditransfer nuduhaké anané puncak difraksi (0 0 0 2) lan (0 0 0 4) ing 26,6° lan 54,7°, mèmper karo grafit. . Iki ngonfirmasi kualitas kristal NGF sing dhuwur lan cocog karo jarak antar lapisan d = 0,335 nm, sing dijaga sawisé langkah transfer. Intensitas puncak difraksi (0 0 0 2) kira-kira 30 kali lipat saka puncak difraksi (0 0 0 4), sing nuduhaké yèn bidang kristal NGF wis sejajar karo permukaan sampel.
Miturut asil SEM, spektroskopi Raman, XPS lan XRD, kualitas BS-NGF/Ni ditemokake padha karo FS-NGF/Ni, sanajan kekasaran rms-ne rada luwih dhuwur (Gambar SI2, SI5) lan SI7).
SLG kanthi lapisan dhukungan polimer nganti kandel 200 nm bisa ngambang ing banyu. Persiapan iki umum digunakake ing proses transfer kimia teles sing dibantu polimer22,38. Graphene lan grafit iku hidrofobik (sudut teles 80-90°)57. Permukaan energi potensial saka graphene lan FLG wis dilapurake cukup rata, kanthi energi potensial sing sithik (~1 kJ/mol) kanggo gerakan lateral banyu ing permukaan58. Nanging, energi interaksi banyu sing diitung karo graphene lan telung lapisan graphene kira-kira −13 lan −15 kJ/mol,58, nuduhake yen interaksi banyu karo NGF (udakara 300 lapisan) luwih murah dibandhingake karo graphene. Iki bisa uga dadi salah sawijining alesan kenapa NGF sing madeg dhewe tetep rata ing permukaan banyu, dene graphene sing madeg dhewe (sing ngambang ing banyu) mlengkung lan rusak. Nalika NGF kecemplung kabeh ing banyu (asil padha kanggo NGF kasar lan rata), pinggirane mlengkung (Gambar SI4). Ing kasus perendaman lengkap, diarepake energi interaksi NGF-banyu meh tikel loro (dibandhingake karo NGF sing ngambang) lan pinggiran NGF lipat kanggo njaga sudut kontak sing dhuwur (hidrofobisitas). Kita percaya manawa strategi bisa dikembangake kanggo nyegah pinggiran NGF sing ditempelake dadi melengkung. Salah sawijining pendekatan yaiku nggunakake pelarut campuran kanggo modulasi reaksi pembasahan film grafit59.
Transfer SLG menyang macem-macem jinis substrat liwat proses transfer kimia teles wis dilapurake sadurunge. Umumé ditampa manawa ana gaya van der Waals sing ringkih antarane film lan substrat graphene/graphite (bisa uga substrat kaku kayata SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, pilar Si22 lan film karbon berenda30, 34 utawa substrat fleksibel kayata polimida 37). Ing kene kita nganggep manawa interaksi saka jinis sing padha dominan. Kita ora mirsani karusakan utawa pengelupasan NGF kanggo substrat apa wae sing ditampilake ing kene sajrone penanganan mekanik (sajrone karakterisasi ing kondisi vakum lan/utawa atmosfer utawa sajrone panyimpenan) (contone, Gambar 2, SI7 lan SI9). Kajaba iku, kita ora mirsani puncak SiC ing spektrum XPS C1s saka tingkat inti sampel NGF/SiO2/Si (Gambar 4). Asil kasebut nuduhake manawa ora ana ikatan kimia antarane NGF lan substrat target.
Ing bagean sadurunge, "Transfer FS- lan BS-NGF tanpa polimer," kita wis nduduhake manawa NGF bisa tuwuh lan transfer ing loro-lorone foil nikel. FS-NGF lan BS-NGF iki ora identik babagan kekasaran permukaan, sing nyebabake kita njelajah aplikasi sing paling cocog kanggo saben jinis.
Ngelingi transparansi lan permukaan FS-NGF sing luwih alus, kita nyinaoni struktur lokal, sifat optik, lan listrik kanthi luwih rinci. Struktur lan struktur FS-NGF tanpa transfer polimer ditondoi kanthi pencitraan mikroskop elektron transmisi (TEM) lan analisis pola difraksi elektron area sing dipilih (SAED). Asil sing cocog dituduhake ing Gambar 5. Pencitraan TEM planar pembesaran rendah nuduhake anané wilayah NGF lan FLG kanthi karakteristik kontras elektron sing beda, yaiku area sing luwih peteng lan luwih padhang (Gambar 5a). Film kasebut sacara sakabehe nuduhake integritas mekanik lan stabilitas sing apik antarane wilayah NGF lan FLG sing beda, kanthi tumpang tindih sing apik lan ora ana kerusakan utawa suwek, sing uga dikonfirmasi dening SEM (Gambar 3) lan studi TEM pembesaran dhuwur (Gambar 5c-e). Utamane, ing Gambar 5d nuduhake struktur jembatan ing bagean paling gedhe (posisi sing ditandhani dening panah titik ireng ing Gambar 5d), sing ditondoi kanthi bentuk segitiga lan kasusun saka lapisan graphene kanthi jembar udakara 51. Komposisi kanthi jarak antarplanar 0,33 ± 0,01 nm luwih lanjut direduksi dadi sawetara lapisan graphene ing wilayah paling sempit (pungkasan panah ireng padat ing Gambar 5 d).
Gambar TEM planar saka sampel NiAG bebas polimer ing kisi tembaga karbon renda: (a, b) Gambar TEM pembesaran rendah kalebu wilayah NGF lan FLG, (ce) Gambar pembesaran dhuwur saka macem-macem wilayah ing panel-a lan panel-b ditandhani panah kanthi warna sing padha. Panah ijo ing panel a lan c nuduhake area bunderan karusakan sajrone panyelarasan sinar. (f–i) Ing panel a nganti c, pola SAED ing wilayah sing beda-beda dituduhake dening bunderan biru, cyan, oranye, lan abang.
Struktur pita ing Gambar 5c nuduhake (ditandai nganggo panah abang) orientasi vertikal bidang kisi grafit, sing bisa uga amarga pembentukan nanofold ing sadawane film (sisipan ing Gambar 5c) amarga tegangan geser sing ora dikompensasi sing berlebihan30,61,62. Ing TEM resolusi dhuwur, nanofold iki 30 nuduhake orientasi kristalografi sing beda tinimbang wilayah NGF liyane; bidang basal kisi grafit diorientasi meh vertikal, tinimbang horisontal kaya film liyane (sisipan ing Gambar 5c). Kajaba iku, wilayah FLG sok-sok nuduhake lipatan kaya pita linier lan sempit (ditandai nganggo panah biru), sing katon ing pembesaran rendah lan menengah ing Gambar 5b, 5e. Sisipan ing Gambar 5e ngonfirmasi anané lapisan graphene rong lan telung lapisan ing sektor FLG (jarak antarplanar 0,33 ± 0,01 nm), sing cocog karo asil sadurunge30. Kajaba iku, gambar SEM sing direkam saka NGF bebas polimer sing ditransfer menyang kisi tembaga nganggo film karbon berenda (sawise nindakake pangukuran TEM tampilan ndhuwur) dituduhake ing Gambar SI9. Wilayah FLG sing digantung kanthi apik (ditandhani nganggo panah biru) lan wilayah sing rusak ing Gambar SI9f. Panah biru (ing pinggir NGF sing ditransfer) sengaja ditampilake kanggo nduduhake manawa wilayah FLG bisa nolak proses transfer tanpa polimer. Ringkesane, gambar kasebut ngonfirmasi manawa NGF sing digantung sebagian (kalebu wilayah FLG) njaga integritas mekanik sanajan sawise penanganan sing ketat lan paparan vakum dhuwur sajrone pangukuran TEM lan SEM (Gambar SI9).
Amarga kerataan NGF sing apik banget (waca Gambar 5a), ora angel kanggo ngarahake serpihan ing sadawane sumbu domain [0001] kanggo nganalisis struktur SAED. Gumantung saka kekandelan lokal film lan lokasine, sawetara wilayah sing diminati (12 poin) diidentifikasi kanggo studi difraksi elektron. Ing Gambar 5a-c, papat wilayah khas iki dituduhake lan ditandhani nganggo bunderan warna (biru, cyan, oranye, lan abang dikode). Gambar 2 lan 3 kanggo mode SAED. Gambar 5f lan g dipikolehi saka wilayah FLG sing dituduhake ing Gambar 5 lan 5. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5b lan c. Dheweke duwe struktur heksagonal sing padha karo graphene bengkong63. Utamane, Gambar 5f nuduhake telung pola sing ditumpangake kanthi orientasi sing padha karo sumbu zona [0001], diputer 10° lan 20°, kaya sing dibuktekake dening ketidakcocokan sudut saka telung pasangan pantulan (10-10). Semono uga, Gambar 5g nuduhake rong pola heksagonal sing ditumpangake sing diputer 20°. Rong utawa telung klompok pola heksagonal ing wilayah FLG bisa muncul saka telung lapisan graphene ing bidang utawa njaba bidang 33 sing diputer relatif siji liyane. Kosok baline, pola difraksi elektron ing Gambar 5h,i (cocog karo wilayah NGF sing dituduhake ing Gambar 5a) nuduhake pola [0001] tunggal kanthi intensitas difraksi titik sing luwih dhuwur sakabèhé, sing cocog karo kekandelan materi sing luwih gedhe. Model SAED iki cocog karo struktur grafit sing luwih kandel lan orientasi menengah tinimbang FLG, kaya sing disimpulake saka indeks 64. Karakterisasi sifat kristal NGF nuduhake koeksistensi rong utawa telung kristalit grafit (utawa graphene) sing ditumpangake. Sing penting banget ing wilayah FLG yaiku kristalit duwe tingkat misorientasi ing bidang utawa njaba bidang tartamtu. Partikel/lapisan grafit kanthi sudut rotasi ing bidang 17°, 22° lan 25° wis dilapurake sadurunge kanggo NGF sing ditumbuhake ing film Ni 64. Nilai sudut rotasi sing diamati ing panliten iki konsisten karo sudut rotasi sing diamati sadurunge (±1°) kanggo graphene BLG63 sing bengkong.
Sifat listrik NGF/SiO2/Si diukur ing 300 K ing area 10 × 3 mm2. Nilai konsentrasi, mobilitas, lan konduktivitas pembawa elektron yaiku 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 lan 2000 S-cm-1. Nilai mobilitas lan konduktivitas NGF kita padha karo grafit alami2 lan luwih dhuwur tinimbang grafit pirolitik berorientasi tinggi sing kasedhiya sacara komersial (diprodhuksi ing 3000 °C)29. Nilai konsentrasi pembawa elektron sing diamati rong urutan gedhene luwih dhuwur tinimbang sing dilaporake bubar (7,25 × 10 cm-3) kanggo film grafit kandel mikron sing disiapake nggunakake lembaran polimida suhu dhuwur (3200 °C) 20.
Kita uga nindakake pangukuran transmitansi UV-katon ing FS-NGF sing ditransfer menyang substrat kuarsa (Gambar 6). Spektrum sing diasilake nuduhake transmitansi sing meh konstan 62% ing kisaran 350-800 nm, sing nuduhake yen NGF tembus cahya sing katon. Nyatane, jeneng "KAUST" bisa dideleng ing foto digital sampel ing Gambar 6b. Sanajan struktur nanokristalin NGF beda karo SLG, jumlah lapisan bisa diramalake kanthi kasar nggunakake aturan kerugian transmisi 2,3% saben lapisan tambahan65. Miturut hubungan iki, jumlah lapisan graphene kanthi kerugian transmisi 38% yaiku 21. NGF sing wis thukul utamane kasusun saka 300 lapisan graphene, yaiku kandel udakara 100 nm (Gambar 1, SI5 lan SI7). Mulane, kita nganggep yen transparansi optik sing diamati cocog karo wilayah FLG lan MLG, amarga disebar ing saindenging film (Gambar 1, 3, 5 lan 6c). Saliyané data struktural ing ndhuwur, konduktivitas lan transparansi uga ngonfirmasi kualitas kristalin sing dhuwur saka NGF sing ditransfer.
(a) Pangukuran transmitansi sing katon UV, (b) transfer NGF khas ing kuarsa nggunakake sampel sing representatif. (c) Skema NGF (kotak peteng) kanthi wilayah FLG lan MLG sing disebarake kanthi rata ditandhani minangka bentuk acak abu-abu ing saindenging sampel (waca Gambar 1) (kurang luwih 0,1–3% area saben 100 μm2). Bentuk acak lan ukurane ing diagram mung kanggo tujuan ilustrasi lan ora cocog karo area nyata.
NGF transparan sing ditumbuhake dening CVD sadurunge wis ditransfer menyang permukaan silikon kosong lan digunakake ing sel surya15,16. Efisiensi konversi daya (PCE) sing diasilake yaiku 1,5%. NGF iki nindakake pirang-pirang fungsi kayata lapisan senyawa aktif, jalur transportasi muatan, lan elektroda transparan15,16. Nanging, film grafit ora seragam. Optimalisasi luwih lanjut dibutuhake kanthi ngontrol resistensi lembaran lan transmitansi optik elektroda grafit kanthi ati-ati, amarga loro sifat iki nduweni peran penting kanggo nemtokake nilai PCE sel surya15,16. Biasane, film graphene 97,7% transparan kanggo cahya sing katon, nanging duwe resistensi lembaran 200-3000 ohm/sq.16. Resistensi permukaan film graphene bisa dikurangi kanthi nambah jumlah lapisan (pindhah lapisan graphene kaping pirang-pirang) lan doping karo HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Nanging, proses iki mbutuhake wektu sing suwe lan lapisan transfer sing beda ora mesthi njaga kontak sing apik. NGF sisih ngarep kita nduweni sifat kayata konduktivitas 2000 S/cm, resistensi lembaran film 50 ohm/sq. lan transparansi 62%, saengga dadi alternatif sing layak kanggo saluran konduktif utawa elektroda lawan ing sel surya15,16.
Senajan struktur lan kimia permukaan BS-NGF padha karo FS-NGF, kekasarane beda (“Pertumbuhan FS- lan BS-NGF”). Sadurunge, kita nggunakake film ultra-tipis grafit22 minangka sensor gas. Mulane, kita nguji kelayakan nggunakake BS-NGF kanggo tugas sensor gas (Gambar SI10). Kapisan, bagean BS-NGF ukuran mm2 ditransfer menyang chip sensor elektroda interdigitating (Gambar SI10a-c). Rincian manufaktur chip kasebut sadurunge dilapurake; area sensitif aktif yaiku 9 mm267. Ing gambar SEM (Gambar SI10b lan c), elektroda emas ing ngisore katon jelas liwat NGF. Maneh, bisa dideleng manawa jangkoan chip sing seragam digayuh kanggo kabeh sampel. Pangukuran sensor gas saka macem-macem gas direkam (Gambar SI10d) (Gambar SI11) lan tingkat respon sing diasilake dituduhake ing Gambar SI10g. Kamungkinan ana gas liyane sing ngganggu kalebu SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) lan NH3 (200 ppm). Salah sawijining panyebab sing bisa ditindakake yaiku NO2. Sifat elektrofilik gas kasebut22,68. Nalika diserap ing permukaan graphene, iki nyuda penyerapan elektron saiki dening sistem. Perbandingan data wektu respon sensor BS-NGF karo sensor sing diterbitake sadurunge ditampilake ing Tabel SI2. Mekanisme kanggo ngaktifake maneh sensor NGF nggunakake plasma UV, plasma O3 utawa perawatan termal (50-150 °C) saka sampel sing kapapar isih ditindakake, idealnya diterusake karo implementasi sistem tertanam69.
Sajrone proses CVD, tuwuhing graphene kedadeyan ing loro-lorone substrat katalis41. Nanging, BS-graphene biasane metu sajrone proses transfer41. Ing panliten iki, kita nduduhake manawa tuwuhing NGF sing berkualitas tinggi lan transfer NGF bebas polimer bisa digayuh ing loro-lorone dhukungan katalis. BS-NGF luwih tipis (~80 nm) tinimbang FS-NGF (~100 nm), lan bedane iki diterangake dening kasunyatan manawa BS-Ni ora langsung kena aliran gas prekursor. Kita uga nemokake manawa kekasaran substrat NiAR mengaruhi kekasaran NGF. Asil kasebut nuduhake manawa FS-NGF planar sing wis thukul bisa digunakake minangka bahan prekursor kanggo graphene (kanthi metode pengelupasan70) utawa minangka saluran konduktif ing sel surya15,16. Kosok baline, BS-NGF bakal digunakake kanggo deteksi gas (Gambar SI9) lan bisa uga kanggo sistem panyimpenan energi71,72 ing ngendi kekasaran permukaane bakal migunani.
Ngelingi bab ing ndhuwur, migunani kanggo nggabungake karya saiki karo film grafit sing wis diterbitake sadurunge sing ditandur kanthi CVD lan nggunakake foil nikel. Kaya sing bisa dideleng ing Tabel 2, tekanan sing luwih dhuwur sing digunakake nyepetake wektu reaksi (tahap pertumbuhan) sanajan ing suhu sing relatif kurang (ing kisaran 850–1300 °C). Kita uga entuk pertumbuhan sing luwih gedhe tinimbang biasane, sing nuduhake potensi ekspansi. Ana faktor liyane sing kudu ditimbang, sawetara wis dilebokake ing tabel.
NGF kualitas dhuwur rong sisi ditandur ing foil nikel kanthi CVD katalitik. Kanthi ngilangi substrat polimer tradisional (kayata sing digunakake ing graphene CVD), kita entuk transfer NGF teles sing resik lan bebas cacat (ditanem ing sisih mburi lan ngarep foil nikel) menyang macem-macem substrat kritis proses. Khususé, NGF kalebu wilayah FLG lan MLG (biasane 0,1% nganti 3% saben 100 µm2) sing terintegrasi kanthi apik sacara struktural menyang film sing luwih kandel. TEM planar nuduhake manawa wilayah kasebut kasusun saka tumpukan rong nganti telung partikel grafit/graphene (kristal utawa lapisan, masing-masing), sawetara duwe ketidakcocokan rotasi 10-20°. Wilayah FLG lan MLG tanggung jawab kanggo transparansi FS-NGF menyang cahya sing katon. Kanggo lembaran mburi, bisa digawa sejajar karo lembaran ngarep lan, kaya sing dituduhake, bisa duwe tujuan fungsional (contone, kanggo deteksi gas). Panliten iki migunani banget kanggo nyuda sampah lan biaya ing proses CVD skala industri.
Umumé, kekandelan rata-rata CVD NGF dumunung ing antarane graphene (lapisan endhek lan multi-lapisan) lan lembaran grafit industri (mikrometer). Kisaran sifat sing menarik, digabungake karo metode prasaja sing wis dikembangake kanggo produksi lan transportasi, ndadekake film iki cocog banget kanggo aplikasi sing mbutuhake respon fungsional grafit, tanpa biaya proses produksi industri intensif energi sing saiki digunakake.
Foil nikel kandel 25 μm (kemurnian 99,5%, Goodfellow) dipasang ing reaktor CVD komersial (Aixtron 4-inch BMPro). Sistem kasebut diresiki nganggo argon lan dievakuasi nganti tekanan dasar 10-3 mbar. Banjur foil nikel dilebokake ing Ar/H2 (Sawise pre-annealing foil Ni sajrone 5 menit, foil kasebut dipanasake ing tekanan 500 mbar ing suhu 900 °C. NGF diendapkan ing aliran CH4/H2 (saben 100 cm3) sajrone 5 menit. Sampel banjur didinginkan nganti suhu ing ngisor 700 °C nggunakake aliran Ar (4000 cm3) ing 40 °C/menit. Rincian babagan optimalisasi proses pertumbuhan NGF diterangake ing papan liya30.
Morfologi permukaan sampel divisualisasikake nganggo SEM nggunakake mikroskop Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Kekasaran permukaan sampel lan kekandelan NGF diukur nggunakake AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Pangukuran TEM lan SAED ditindakake nggunakake mikroskop FEI Titan 80–300 Cubed sing dilengkapi bedhil emisi medan padhange dhuwur (300 kV), monokromator tipe FEI Wien lan korektor aberasi bola lensa CEOS kanggo entuk asil pungkasan. resolusi spasial 0,09 nm. Sampel NGF ditransfer menyang kisi tembaga sing dilapisi renda karbon kanggo pencitraan TEM datar lan analisis struktur SAED. Dadi, sebagian besar flok sampel digantung ing pori-pori membran pendukung. Sampel NGF sing ditransfer dianalisis nganggo XRD. Pola difraksi sinar-X dipikolehi nggunakake difraktometer bubuk (Brucker, pengubah fase D2 kanthi sumber Cu Kα, 1,5418 Å lan detektor LYNXEYE) nggunakake sumber radiasi Cu kanthi diameter titik sinar 3 mm.
Sawetara pangukuran titik Raman direkam nggunakake mikroskop confocal terintegrasi (Alpha 300 RA, WITeC). Laser 532 nm kanthi daya eksitasi sing endhek (25%) digunakake kanggo nyegah efek sing diinduksi termal. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) ditindakake ing spektrometer Kratos Axis Ultra ing area sampel 300 × 700 μm2 nggunakake radiasi Al Kα monokromatik (hν = 1486,6 eV) kanthi daya 150 W. Spektrum resolusi dipikolehi kanthi energi transmisi 160 eV lan 20 eV. Sampel NGF sing ditransfer menyang SiO2 dipotong-potong (saben 3 × 10 mm2) nggunakake laser serat ytterbium PLS6MW (1,06 μm) kanthi 30 W. Kontak kawat tembaga (kandel 50 μm) digawe nggunakake pasta perak ing mikroskop optik. Eksperimen transportasi listrik lan efek Hall ditindakake ing sampel kasebut ing suhu 300 K lan variasi medan magnet ± 9 Tesla ing sistem pangukuran sifat fisik (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Spektrum UV-vis sing dikirim direkam nggunakake spektrofotometer UV-vis Lambda 950 ing kisaran NGF 350-800 nm sing ditransfer menyang substrat kuarsa lan sampel referensi kuarsa.
Sensor resistensi kimia (chip elektroda interdigitated) disambungake menyang papan sirkuit cetak khusus 73 lan resistensi diekstrak sementara. Papan sirkuit cetak sing dipasang piranti kasebut disambungake menyang terminal kontak lan diselehake ing njero ruang sensor gas 74. Pangukuran resistensi dijupuk kanthi voltase 1 V kanthi pindai terus-terusan saka purge nganti paparan gas banjur purge maneh. Ruang kasebut wiwitane diresiki kanthi purging nganggo nitrogen ing 200 cm3 sajrone 1 jam kanggo mesthekake yen kabeh analit liyane sing ana ing ruang kasebut, kalebu kelembapan. Analit individu banjur diluncurake alon-alon menyang ruang kanthi laju aliran sing padha yaiku 200 cm3 kanthi nutup silinder N2.
Versi revisi saka artikel iki wis diterbitake lan bisa diakses liwat pranala ing sisih ndhuwur artikel.
Inagaki, M. lan Kang, F. Ilmu lan Teknik Material Karbon: Dasar-Dasar. Edisi kapindho disunting. 2014. 542.
Pearson, HO Buku Pegangan Karbon, Grafit, Inten lan Fullerene: Sifat, Pangolahan lan Aplikasi. Edisi pisanan wis disunting. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Film graphene/graphite multilayer area gedhe minangka elektroda konduktif tipis transparan. aplikasi. fisika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Sifat termal saka graphene lan bahan karbon nanostruktur. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW lan Cahill DG Konduktivitas termal film grafit sing ditandur ing Ni (111) kanthi deposisi uap kimia suhu rendah. adverb. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Pertumbuhan film graphene sing terus-terusan kanthi deposisi uap kimia. aplikasi. fisika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Wektu kiriman: 23 Agustus 2024