გმადლობთ Nature.com– ის მონახულებისათვის. ბრაუზერის ვერსიას, რომელსაც თქვენ იყენებთ, აქვს შეზღუდული CSS მხარდაჭერა. საუკეთესო შედეგებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ თქვენი ბრაუზერის ახალი ვერსია (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer- ში). იმავდროულად, მიმდინარე მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის ან JavaScript– ის გარეშე.
Nanoscale გრაფიტის ფილმები (NGFs) არის ძლიერი ნანომასალები, რომელთა წარმოება შესაძლებელია კატალიზური ქიმიური ორთქლის დეპონირებით, მაგრამ კითხვები რჩება მათი გადაცემის მარტივად და იმაზე, თუ როგორ მოქმედებს ზედაპირული მორფოლოგია მათ გამოყენებაზე მომდევნო თაობის მოწყობილობებში. აქ ჩვენ ვაფიქსირებთ NGF– ის ზრდას პოლიკრისტალური ნიკელის კილიტაზე (ფართობი 55 სმ 2, სისქე დაახლოებით 100 ნმ) და მისი პოლიმერული თავისუფალი გადაცემა (წინა და უკანა, ფართობი 6 სმ 2). კატალიზატორის კილიტის მორფოლოგიის გამო, ნახშირბადის ორი ფილმი განსხვავდება მათი ფიზიკური თვისებებით და სხვა მახასიათებლებით (მაგალითად, ზედაპირის უხეში). ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ NGF– ები უფრო მკაცრი უკანა მხარეს კარგად არის შესაფერისი NO2 გამოვლენისთვის, ხოლო წინა მხარეს უფრო რბილი და უფრო გამტარ NGF– ები (2000 ს/სმ, ფურცლის წინააღმდეგობა - 50 ohms/m2) შეიძლება იყოს სიცოცხლისუნარიანი დირიჟორები. მზის უჯრედის არხი ან ელექტროდი (რადგან ის გადასცემს ხილული შუქის 62% -ს). საერთო ჯამში, აღწერილი ზრდისა და სატრანსპორტო პროცესებმა შეიძლება ხელი შეუწყოს NGF- ს, როგორც ალტერნატიულ ნახშირბადის მასალას, ტექნოლოგიური პროგრამებისთვის, სადაც გრაფენი და მიკრონ-სისქის გრაფიტური ფილმები არ არის შესაფერისი.
გრაფიტი არის ფართოდ გამოყენებული სამრეწველო მასალა. აღსანიშნავია, რომ გრაფიტს აქვს შედარებით დაბალი მასის სიმკვრივის და მაღალი თვითმფრინავის თერმული და ელექტრული გამტარობის თვისებები და ძალიან სტაბილურია მკაცრი თერმული და ქიმიური გარემოში 1,2. Flake Graphite არის ცნობილი საწყისი მასალა გრაფენის კვლევისთვის 3. თხელი ფილმების დამუშავებისას, იგი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფართო სპექტრის აპლიკაციებში, მათ შორის სითბოს ნიჟარები ელექტრონული მოწყობილობებისთვის, როგორიცაა სმარტფონები 4,5,6,7, როგორც აქტიური მასალა სენსორებში 8,9,10 და ელექტრომაგნიტური ჩარევის დაცვა 1. 12 და ფილმები ლითოგრაფიისთვის ექსტრემალურ ულტრაიისფერი 13,14, არხების ჩატარება მზის უჯრედებში 15,16. ყველა ამ აპლიკაციისთვის, მნიშვნელოვანი უპირატესობა იქნებოდა, თუ გრაფიტური ფილმების (NGFs) დიდი ტერიტორიები, რომელთაც აკონტროლებენ ნანოსკეტში <100 ნმ -ში, ადვილად წარმოქმნიან და ტრანსპორტირებას.
გრაფიტის ფილმები წარმოებულია სხვადასხვა მეთოდით. ერთ შემთხვევაში, ჩანერგვა და გაფართოება, რასაც მოჰყვა ექსფოლაცია, გამოიყენეს გრაფენის ფანტელები 10,11,17. ფანტელები კიდევ უნდა დამუშავდეს საჭირო სისქის ფილმებში და ხშირად რამდენიმე დღე სჭირდება მკვრივი გრაფიტის ფურცლების წარმოებას. კიდევ ერთი მიდგომა არის გრაფიკული მყარი წინამორბედების დაწყება. ინდუსტრიაში, პოლიმერების ფურცლები გაზიარებულია (1000–1500 ° C ტემპერატურაზე), შემდეგ კი გრაფიტით (2800–3200 ° C ტემპერატურაზე) კარგად სტრუქტურირებული ფენიანი მასალების შესაქმნელად. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ფილმების ხარისხი მაღალია, ენერგიის მოხმარება მნიშვნელოვანია 1,18,19 და მინიმალური სისქე შემოიფარგლება მხოლოდ რამდენიმე მიკრონით 1,18,19,20.
კატალიტიკური ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD) ცნობილი მეთოდია გრაფენის და ულტრათინის გრაფიტის ფილმების (<10 ნმ) წარმოებისთვის მაღალი სტრუქტურული ხარისხით და გონივრული ღირებულებით 21,22,23,24,25,26,27. ამასთან, შედარებით გრაფენისა და ულტრათინის გრაფიტური ფილმების ზრდის, დიდი ფართობის ზრდის ან/და NGF– ის გამოყენებით CVD– ის გამოყენებით, კიდევ უფრო ნაკლებად არის შესწავლილი 111,13,29,30,31,32,33.
CVD- ის მოზრდილი გრაფენის და გრაფიტების ფილმები ხშირად საჭიროა გადატანა ფუნქციურ სუბსტრატებზე 34. ეს თხელი ფილმის გადარიცხვები მოიცავს ორ მთავარ მეთოდს 35: (1) არა-ჩეთილი გადაცემა 36,37 და (2) Etch დაფუძნებული სველი ქიმიური გადაცემა (სუბსტრატი მხარდაჭერილი) 14,34,38. თითოეულ მეთოდს აქვს გარკვეული უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები და უნდა შეირჩეს დანიშნულებისამებრ განაცხადის მიხედვით, როგორც ეს აღწერილია სხვაგან 35,39. კატალიზური სუბსტრატებზე მოზრდილი გრაფენის/გრაფიტების ფილმებისთვის, სველი ქიმიური პროცესების საშუალებით გადაცემა (რომელთაგან პოლიმეთილ მეტაკრილატი (PMMA) ყველაზე ხშირად გამოყენებული დამხმარე ფენაა) რჩება პირველი არჩევანი 133,30,34,38,40,41,42. შენ და სხვ. აღინიშნა, რომ NGF გადარიცხვისთვის არ იყო გამოყენებული პოლიმერი (ნიმუშის ზომა დაახლოებით 4 სმ 2) 25,43, მაგრამ დეტალები არ იყო მოცემული ნიმუშის სტაბილურობასთან ან/და გადაცემის დროს გატარებასთან დაკავშირებით; სველი ქიმიის პროცესები პოლიმერების გამოყენებით მოიცავს რამდენიმე ნაბიჯს, მათ შორის გამოყენებას და შემდგომში მსხვერპლშეწირვის პოლიმერული ფენის 30,38,40,41,42. ამ პროცესს აქვს უარყოფითი მხარეები: მაგალითად, პოლიმერულ ნარჩენებს შეუძლიათ შეცვალონ მოზრდილი ფილმის თვისებები. დამატებით დამუშავებას შეუძლია წაშალოს ნარჩენი პოლიმერი, მაგრამ ეს დამატებითი ნაბიჯები ზრდის ფილმის წარმოების ღირებულებას და დროს 38,40. CVD– ის ზრდის დროს, გრაფენის ფენა დეპონირდება არა მხოლოდ კატალიზატორის კილიტის წინა მხარეს (მხარე, რომელიც დგას ორთქლის ნაკადის), არამედ მის უკანა მხარესაც. ამასთან, ეს უკანასკნელი ითვლება ნარჩენების პროდუქტად და შეიძლება სწრაფად მოიხსნას რბილი პლაზმური 38,41. ამ ფილმის გადამუშავება ხელს შეუწყობს მოსავლიანობის მაქსიმალურ გამოყენებას, თუნდაც ის უფრო დაბალი ხარისხისაა, ვიდრე სახის ნახშირბადის ფილმი.
აქ, ჩვენ ვაფიქსირებთ NGF- ის ვაფლის მასშტაბის ბიფაციური ზრდის მომზადებას მაღალი სტრუქტურული ხარისხით, პოლიკრისტალური ნიკელის კილიტაზე CVD– ით. შეფასდა, თუ როგორ მოქმედებს კილიტის წინა და უკანა ზედაპირის უხეშობა NGF მორფოლოგიასა და სტრუქტურაზე. ჩვენ ასევე ვაჩვენებთ ნიკელის კილიტის ორივე მხრიდან NGF- ის ეფექტურ და ეკოლოგიურად განლაგებულ პოლიმერულ გადაცემას მრავალფუნქციურ სუბსტრატებზე და ვაჩვენებთ, თუ როგორ არის შესაფერისი წინა და უკანა ფილმები სხვადასხვა პროგრამებისთვის.
შემდეგ სექციებში განხილულია სხვადასხვა გრაფიტის ფილმის სისქე, დამოკიდებულია გრაფენის ფენების რაოდენობის რაოდენობაზე: (i) ერთჯერადი ფენის გრაფენი (SLG, 1 ფენა), (ii) რამდენიმე ფენის გრაფენი (FLG, <10 ფენა), (iii) მრავალმხრივი გრაფენი (MLG, 10-30 ფენა) და (IV) NGF (~ 300 ფენა). ეს უკანასკნელი ყველაზე გავრცელებული სისქეა, რომელიც გამოიხატება ფართობის პროცენტული მაჩვენებელი (დაახლოებით 97% ფართობი 100 μm2) 30. ამიტომ მთელ ფილმს უბრალოდ NGF ეწოდება.
გრაფენისა და გრაფიტის ფილმების სინთეზისთვის გამოყენებული პოლიკრისტალური ნიკელის კილიტები აქვთ სხვადასხვა ტექსტურას მათი წარმოებისა და შემდგომი დამუშავების შედეგად. ჩვენ ახლახან გამოვაცხადეთ კვლევა NGF30– ის ზრდის პროცესის ოპტიმიზაციისთვის. ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ პროცესის პარამეტრები, როგორიცაა დრო და პალატის წნევა ზრდის ეტაპზე, მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ერთგვაროვანი სისქის NGF– ების მიღებაში. აქ, ჩვენ გამოვიკვლიეთ NGF– ის ზრდა გაპრიალებულ ფრონტზე (FS) და ნიკელის კილიტაზე (BS) ზედაპირებზე (ნახ. 1 ა). გამოიკვლია FS და BS ნიმუშების სამი ტიპი, რომელიც ჩამოთვლილია ცხრილი 1 -ში. ვიზუალური შემოწმებისთანავე, NGF- ის ერთგვაროვანი ზრდა ნიკელის კილიტის ორივე მხარეს (NIAG) შეიძლება ნახოთ ნაყარი Ni სუბსტრატის ფერის შეცვლა დამახასიათებელი მეტალის ვერცხლისფერი ნაცრისფერიდან მქრქალი ნაცრისფერი ფერისგან (ნახ. 1A); დადასტურდა მიკროსკოპული გაზომვები (ნახ. 1 ბ, გ). FS-NGF- ის ტიპიური რამანის სპექტრი, რომელიც აღინიშნება ნათელ რეგიონში და მიუთითებს ფიგურაში 1B წითელი, ლურჯი და ფორთოხლის ისრებით, ნაჩვენებია ნახაზში 1C. გრაფიტის G (1683 სმ - 1) და 2D (2696 სმ - 1) დამახასიათებელი რამანის მწვერვალები ადასტურებენ უაღრესად კრისტალური NGF- ის ზრდას (ნახ. 1C, ცხრილი SI1). მთელი ფილმის განმავლობაში, რამანის სპექტრის უპირატესობა ინტენსივობის თანაფარდობით (I2D/IG) დაფიქსირდა ~ 0.3, ხოლო რამანის სპექტრი I2D/IG = 0.8 იშვიათად დაფიქსირდა. დეფექტური მწვერვალების არარსებობა (D = 1350 სმ -1) მთელ ფილმში მიუთითებს NGF ზრდის მაღალ ხარისხზე. მსგავსი რამანის შედეგები იქნა მიღებული BS-NGF ნიმუშზე (სურათი SI1 A და B, ცხრილი SI1).
Comparison of NiAG FS- and BS-NGF: (a) Photograph of a typical NGF (NiAG) sample showing NGF growth at wafer scale (55 cm2) and the resulting BS- and FS-Ni foil samples, (b) FS-NGF Images/ Ni obtained by an optical microscope, (c) typical Raman spectra recorded at different positions in panel b, (d, f) SEM images at different მასშტაბები FS -NGF/NI- ზე, (E, G) SEM სურათები სხვადასხვა ბრწყინვალებებზე, ადგენს BS -NGF/NI. ცისფერი ისარი მიუთითებს FLG რეგიონში, ფორთოხლის ისარი მიუთითებს MLG რეგიონში (FLG რეგიონის მახლობლად), წითელი ისარი მიუთითებს NGF რეგიონში, ხოლო მაგნატას ისარი მიუთითებს ნაკეცზე.
ვინაიდან ზრდა დამოკიდებულია საწყისი სუბსტრატის სისქეზე, ბროლის ზომაზე, ორიენტაციასა და მარცვლეულის საზღვრებზე, NGF სისქის გონივრულ კონტროლზე მიღწევა დიდ ადგილებში რჩება გამოწვევად 20,34,44. ამ კვლევამ გამოიყენა შინაარსი, რომელიც ადრე გამოვაქვეყნეთ30. ეს პროცესი წარმოქმნის ნათელ რეგიონს 0,1 -დან 3% -მდე 100 μm230- ზე. შემდეგ სექციებში, ჩვენ წარმოგიდგენთ შედეგებს ორივე ტიპის რეგიონისთვის. მაღალი გამადიდებელი SEM სურათები აჩვენებს ორივე მხრიდან რამდენიმე ნათელი კონტრასტული ადგილის არსებობას (ნახ. 1F, G), რაც მიუთითებს FLG და MLG რეგიონების არსებობაზე 30,45. ეს ასევე დადასტურდა რამანის გაფანტვით (ნახ. 1C) და TEM შედეგებით (მოგვიანებით განიხილეს ნაწილში "FS-NGF: სტრუქტურა და თვისებები"). F- და BS-NGF/NI ნიმუშებზე დაფიქსირებული FLG და MLG რეგიონები (წინა და უკანა NGF გაიზარდა Ni) შეიძლება გაიზარდოს დიდ Ni (111) მარცვლებზე, რომლებიც წარმოიქმნება წინასწარ ანალიის დროს 22,30,45. დასაკეცი დაფიქსირდა ორივე მხრიდან (ნახ. 1 ბ, აღინიშნა მეწამული ისრებით). ეს ნაკეცები ხშირად გვხვდება CVD- ის მოზრდილ გრაფენსა და გრაფიტურ ფილმებში, გრაფიტსა და ნიკელის სუბსტრატს შორის თერმული გაფართოების კოეფიციენტის დიდი განსხვავების გამო.
AFM სურათმა დაადასტურა, რომ FS-NGF ნიმუში უფრო მაგრად იყო, ვიდრე BS-NGF ნიმუში (სურათი SI1) (სურათი SI2). ფესვის საშუალო კვადრატი (RMS) FS-NGF/NI (ნახ. SI2C) და BS-NGF/NI (ნახ. SI2D) უხეშობის მნიშვნელობები არის 82 და 200 ნმ, შესაბამისად (იზომება 20 × 20 μm2 ფართობზე). უფრო მაღალი უხეში შეიძლება იქნას გაგებული ნიკელის (NIAR) კილიტის ზედაპირული ანალიზის საფუძველზე, მიღებული მდგომარეობაში (სურათი SI3). FS და BS-NIAR- ის SEM სურათები ნაჩვენებია ფიგურებში Si3a-D, რომელიც აჩვენებს სხვადასხვა ზედაპირის მორფოლოგიას: გაპრიალებულ FS-Ni კილიტას აქვს ნანო- და მიკრონის ზომის სფერული ნაწილაკები, ხოლო დაუმუშავებელი BS-Ni კილიტა წარმოაჩენს წარმოების კიბეზე. როგორც ნაწილაკები, რომელთაც აქვთ მაღალი სიძლიერე. და უარი. ნიკელის კილიტის (NIA) დაბალი და მაღალი რეზოლუციის სურათები ნაჩვენებია ფიგურაში SI3E -H. ამ ფიგურებში, ჩვენ შეგვიძლია დავაკვირდეთ ნიკელის კილიტის ორივე მხრიდან მიკრონული ზომის ნიკელის რამდენიმე ნაწილაკების არსებობას (ნახ. SI3E-H). დიდ მარცვლებს შეიძლება ჰქონდეთ NI (111) ზედაპირის ორიენტაცია, როგორც ეს ადრე იყო ცნობილი 30,46. Nickel- ის კილიტა მორფოლოგიაში არსებობს მნიშვნელოვანი განსხვავებები FS-NI- სა და BS-NI- ს შორის. BS-NGF/NI- ის უფრო მაღალი უხეშობა განპირობებულია BS-NIAR- ის დაუსრულებელი ზედაპირით, რომლის ზედაპირი მნიშვნელოვნად უხეში რჩება ანონირების შემდეგაც კი (სურათი SI3). ამ ტიპის ზედაპირის დახასიათება ზრდის პროცესამდე საშუალებას იძლევა გრეფენისა და გრაფიტის ფილმების უხეშობა. უნდა აღინიშნოს, რომ ორიგინალმა სუბსტრატმა განიცადა მარცვლეულის გარკვეული რეორგანიზაცია გრაფენის ზრდის დროს, რამაც ოდნავ შეამცირა მარცვლეულის ზომა და გარკვეულწილად გაზარდა სუბსტრატის ზედაპირის უხეშობა ანონალურ კილიტასა და კატალიზატორთან შედარებით.
სუბსტრატის ზედაპირის უხეშობის სრულყოფის, ანონირების დრო (მარცვლეულის ზომა) 30,47 და განთავისუფლების კონტროლი 43 ხელს შეუწყობს რეგიონალური NGF სისქის ერთგვაროვნების შემცირებას μm2 და/ან თუნდაც NM2 მასშტაბით (ე.ი., რამდენიმე ნანომეტრის სისქის ცვალებადობა). სუბსტრატის ზედაპირის უხეშობის გასაკონტროლებლად, შედეგად მიღებული ნიკელის კილიტა, როგორიცაა ნიკელის კილიტა, შეიძლება ჩაითვალოს 48. ნიკელის წინამორბედი კილიტა შემდეგ შეიძლება დაიბანონ დაბალ ტემპერატურაზე (<900 ° C) 46 და დრო (<5 წთ), რათა თავიდან იქნას აცილებული დიდი Ni (111) მარცვლეულის წარმოქმნა (რაც სასარგებლოა FLG ზრდისთვის).
SLG და FLG გრაფენი ვერ გაუძლებენ მჟავებისა და წყლის ზედაპირულ დაძაბულობას, რაც მოითხოვს მექანიკური დამხმარე ფენებს სველი ქიმიური გადაცემის პროცესების დროს 22,34,38. პოლიმერული მხარდაჭერილი ერთჯერადი ფენის Graphene38- ის სველი ქიმიური გადაცემისგან განსხვავებით, აღმოვაჩინეთ, რომ AS- ის მოზრდილი NGF- ის ორივე მხარე შეიძლება გადავიდეს პოლიმერული მხარდაჭერის გარეშე, როგორც ეს მოცემულია ნახაზზე 2A (იხ. სურათი SI4A დამატებითი დეტალებისთვის). NGF– ის გადატანა მოცემულ სუბსტრატზე იწყება ფუძემდებლური Ni30.49 ფილმის სველი ეტიკეტით. მოზრდილი NGF/NI/NGF ნიმუშები მოათავსეს ღამით 15 მლ 70% HNO3 განზავებული 600 მლ დეიონიზირებული (DI) წყლით. მას შემდეგ, რაც Ni კილიტა მთლიანად დაიშალა, FS-NGF რჩება ბრტყელი და იატაკის ზედაპირზე მიედინება, ისევე, როგორც NGF/Ni/NGF ნიმუში, ხოლო BS-NGF წყალში ჩაეფლო (ნახ. 2 ა, ბ). იზოლირებული NGF შემდეგ გადაიყვანეს ერთი წვერიდან, რომელიც შეიცავს სუფთა დეიონიზებულ წყალს სხვა წვერზე და იზოლირებული NGF საფუძვლიანად გარეცხილი იქნა, ოთხიდან ექვსჯერ იმეორებდა ჩაზნექილი მინის კერძის მეშვეობით. დაბოლოს, FS-NGF და BS-NGF მოათავსეს სასურველ სუბსტრატზე (ნახ. 2C).
პოლიმერული სველი ქიმიური გადაცემის პროცესი NGF- ისთვის, რომელიც გაიზარდა ნიკელის კილიტაზე: (ა) პროცესის ნაკადის დიაგრამა (იხ. სურათი SI4 დამატებითი ინფორმაციისთვის), (ბ) განცალკევებული NGF- ის ციფრული ფოტოსურათი Ni etching (2 ნიმუში), (C) მაგალითი FS-და BS-NGF გადაცემის SIO2/SI სუბსტრატზე, (D) FS-NGF. BS-NGF იმავე ნიმუშიდან, როგორც პანელი D (დაყოფილია ორ ნაწილად), გადაიტანეს ოქროს მოოქროვილი C ქაღალდი და nafion (მოქნილი გამჭვირვალე სუბსტრატი, წითელი კუთხეებით აღინიშნება კიდეები).
გაითვალისწინეთ, რომ სველი ქიმიური გადაცემის მეთოდების გამოყენებით შესრულებული SLG გადაცემა მოითხოვს დამუშავების საერთო დრო 20–24 საათს 38. აქ ნაჩვენები პოლიმერული თავისუფალი გადაცემის ტექნიკით (სურათი SI4A), NGF გადაცემის დამუშავების საერთო დრო მნიშვნელოვნად მცირდება (დაახლოებით 15 საათი). პროცესი შედგება: (ნაბიჯი 1) მოამზადეთ ხსნარის ხსნარი და მოათავსეთ ნიმუში მასში (~ 10 წუთი), შემდეგ დაელოდეთ ღამით Ni etching (~ 7200 წუთი), (ნაბიჯი 2) ჩამოიბანეთ დიონიზირებული წყლით (ნაბიჯი - 3). შეინახეთ დიონიზებულ წყალში ან გადაიტანეთ სამიზნე სუბსტრატში (20 წთ). NGF- სა და ნაყარი მატრიქსს შორის ხაფანგში მოიხსნა კაპილარული მოქმედებით (აფეთქების ქაღალდის გამოყენებით) 38, შემდეგ დანარჩენი წყლის წვეთები ამოღებულია ბუნებრივი გაშრობით (დაახლოებით 30 წთ), და ბოლოს ნიმუში გაშრეს 10 წუთის განმავლობაში. წთ ვაკუუმის ღუმელში (10–1 მბარ) 50–90 ° C ტემპერატურაზე (60 წთ) 38.
გრაფიტი ცნობილია, რომ გაუძლებს წყლისა და ჰაერის არსებობას საკმაოდ მაღალ ტემპერატურაზე (≥ 200 ° C) 50,51,52. ჩვენ შეამოწმეთ ნიმუშები რამანის სპექტროსკოპიის, SEM და XRD გამოყენებით დიონიზებულ წყალში შენახვის შემდეგ ოთახის ტემპერატურაზე და დალუქულ ბოთლებში სადმე რამდენიმე დღიდან ერთ წლამდე (სურათი SI4). შესამჩნევი დეგრადაცია არ არსებობს. გრაფიკი 2C გვიჩვენებს თავისუფალ FS-NGF და BS-NGF დეიონიზებულ წყალში. ჩვენ მათ გადაიღეთ SIO2 (300 ნმ)/SI სუბსტრატი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზის 2C- ის დასაწყისში. გარდა ამისა, როგორც ნაჩვენებია ნახაზზე 2D, E, უწყვეტი NGF შეიძლება გადავიდეს სხვადასხვა სუბსტრატებში, როგორიცაა პოლიმერები (თერმაბრატის პოლიამიდი Nexolve და Nafion) და ოქროს დაფარული ნახშირბადის ქაღალდი. მცურავი FS-NGF ადვილად მოთავსდა სამიზნე სუბსტრატზე (ნახ. 2C, D). ამასთან, BS-NGF ნიმუშები 3 სმ 2-ზე მეტი იყო რთული, როდესაც წყალში მთლიანად ჩაეფლო. ჩვეულებრივ, როდესაც ისინი იწყებენ წყალში გაბრწყინებას, უყურადღებო გატარების გამო, ისინი ზოგჯერ იშლება ორ ან სამ ნაწილად (ნახ. 2E). საერთო ჯამში, ჩვენ შევძელით PS- და BS-NGF- ის პოლიმერული თავისუფალი გადაცემის (უწყვეტი უწყვეტი გადაცემა NGF/NI/NGF ზრდის გარეშე 6 სმ 2-ზე), შესაბამისად, 6 და 3 სმ 2-მდე. ნებისმიერი დარჩენილი დიდი ან მცირე ზომის ნაჭრები შეიძლება (ადვილად ჩანს etching ხსნარში ან დეიონიზებულ წყალში) სასურველ სუბსტრატზე (~ 1 მმ 2, ფიგურა Si4B, იხილეთ სპილენძის ქსელში გადაცემული ნიმუში გადაცემული ნიმუში, როგორც "FS-NGF: სტრუქტურა და თვისებები (განხილული)" სტრუქტურა და თვისებები ") ან მაღაზიაში (სურათი SI4). 98-99% (გადაცემის ზრდის შემდეგ).
დეტალურად გაანალიზდა გადაცემის ნიმუშები პოლიმერის გარეშე. FS- და BS-NGF/SIO2/SI- ზე მიღებული ზედაპირული მორფოლოგიური მახასიათებლები ოპტიკური მიკროსკოპის (OM) და SEM სურათების გამოყენებით (ნახ. SI5 და ნახ. თვალსაჩინო სტრუქტურული დაზიანებები, როგორიცაა ბზარები, ხვრელები ან გაურკვეველი ადგილები. მზარდი NGF- ზე ნაკეცები (ნახ .3 ბ, დ, მეწამული ისრებით აღინიშნა) გადაცემის შემდეგ ხელუხლებელი დარჩა. ორივე F- და BS-NGFs შედგება FLG რეგიონებისგან (ნათელი რეგიონები, რომლებიც მითითებულია ლურჯი ისრებით, ნახაზში 3). გასაკვირია, რომ განსხვავებით იმ რამდენიმე დაზიანებული რეგიონისგან, რომლებიც, როგორც წესი, დაფიქსირდა ულტრათინის გრაფიტის ფილმების პოლიმერული გადაცემის დროს, NGF- სთან დამაკავშირებელი რამდენიმე მიკრონის ზომის FLG და MLG რეგიონი (აღინიშნება ლურჯი ისრებით, ნახაზში 3D) გადაცემული იქნა ბზარების ან შესვენების გარეშე (სურათი 3D). 3). . მექანიკური მთლიანობა კიდევ უფრო დადასტურდა NGF- ის TEM და SEM სურათების გამოყენებით, რომელიც გადაცემულია მაქმანი-ნახშირბადის სპილენძის ბადეებზე, როგორც მოგვიანებით განვიხილეთ ("FS-NGF: სტრუქტურა და თვისებები"). გადაცემული BS-NGF/SIO2/SI უფრო მკაცრია, ვიდრე FS-NGF/SIO2/SI, RMS მნიშვნელობებით 140 ნმ და 17 ნმ, შესაბამისად, როგორც ეს მოცემულია ფიგურაში SI6A და B (20 × 20 μm2). NGF- ის RMS- ის ღირებულება გადაცემულია SIO2/SI სუბსტრატზე (RMS <2 ნმ) მნიშვნელოვნად დაბალია (დაახლოებით 3 ჯერ), ვიდრე NGF- ზე გაიზარდა NI (სურათი SI2), რაც იმაზე მიუთითებს, რომ დამატებითი უხეშობა შეიძლება შეესაბამებოდეს NI ზედაპირს. გარდა ამისა, FS- და BS-NGF/SIO2/SI ნიმუშების კიდეებზე შესრულებული AFM სურათები აჩვენა NGF სისქე 100 და 80 ნმ, შესაბამისად (ნახ. SI7). BS-NGF- ის მცირე სისქე შეიძლება იყოს იმის შედეგი, რომ ზედაპირი არ ექვემდებარება წინამორბედ გაზს.
გადარიცხულია NGF (NIAG) პოლიმერის გარეშე SIO2/SI ძაფზე (იხ ტიპიური ადგილები) - ა). (C, D) გადაცემული BS-NGF- ის SEM გამოსახულებები: დაბალი და მაღალი გამადიდებელი (პანელში ფორთოხლის კვადრატში ნაჩვენები ტიპიური ფართობის შესაბამისად). (E, F) AFM გამოსახულებები გადაცემული F- და BS-NGFS. ცისფერი ისარი წარმოადგენს FLG რეგიონს - ნათელი კონტრასტი, ციანის ისარი - შავი MLG კონტრასტული, წითელი ისარი - შავი კონტრასტი წარმოადგენს NGF რეგიონს, მაგნატას ისარი წარმოადგენს ნაკეცს.
მოზრდილი და გადაცემული FS- და BS-NGF- ების ქიმიური შემადგენლობა გაანალიზდა რენტგენოლოგიური ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპიით (XPS) (ნახ. 4). სუსტი მწვერვალი დაფიქსირდა გაზომილ სპექტრებში (ნახ. 4 ა, ბ), რომელიც შეესაბამება NI სუბსტრატს (850 eV) მოზრდილ F- და BS-NGFS (NIAG). არ არსებობს მწვერვალები გადაცემული FS- და BS-NGF/SIO2/SI (ნახ. 4C; მსგავსი შედეგები BS-NGF/SIO2/SI– სთვის არ არის ნაჩვენები), რაც იმაზე მიუთითებს, რომ არ არსებობს ნარჩენი NI დაბინძურება გადაცემის შემდეგ. ფიგურებში 4D-F გვიჩვენებს FS-NGF/SIO2/SI– ის მაღალი რეზოლუციის სპექტრის მაღალი რეზოლუციის სპექტრს. გრაფიტის C 1 S- ის სავალდებულო ენერგიაა 284.4 EV53.54. გრაფიტის მწვერვალების ხაზოვანი ფორმა, ზოგადად, ასიმეტრიულად ითვლება, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზზე 4D54. მაღალი რეზოლუციის ძირითადი დონის C 1 S სპექტრი (ნახ. 4D) ასევე დაადასტურა სუფთა გადაცემა (მაგ., პოლიმერული ნარჩენები), რაც შეესაბამება წინა კვლევებს 38. ახლად მოზრდილი ნიმუშის C 1 S სპექტრის ხაზები (NIAG) და გადაცემის შემდეგ, შესაბამისად, 0.55 და 0.62 eV. ეს ფასეულობები უფრო მაღალია, ვიდრე SLG (0.49 EV SLG– სთვის SIO2 სუბსტრატზე) 38. ამასთან, ეს ფასეულობები უფრო მცირეა, ვიდრე ადრე გამოცხადებული ხაზების შესახებ, ძალიან ორიენტირებული პიროლიზური გრაფენის ნიმუშებისთვის (~ 0.75 eV) 53,54,55, რაც მიუთითებს მიმდინარე მასალაში დეფექტური ნახშირბადის ადგილების არარსებობაზე. C 1 S და O 1 S- ის დონის დონის სპექტრს ასევე არ აქვს მხრები, რაც აღმოფხვრის მაღალი რეზოლუციის მწვერვალის დეკონევოლუციას 54. არსებობს π → π* სატელიტური მწვერვალი 291.1 eV გარშემო, რაც ხშირად აღინიშნება გრაფიტის ნიმუშებში. 103 EV და 532.5 EV სიგნალები SI 2P და O 1 S Core დონის სპექტრებში (იხ. სურათი 4E, F) მიეკუთვნება SIO2 56 სუბსტრატს, შესაბამისად. XPS არის ზედაპირული მგრძნობიარე ტექნიკა, ამიტომ NGF- ის გადაცემამდე და შემდეგ გამოყენებულ NI და SIO2- სთან დაკავშირებული სიგნალები, შესაბამისად, წარმოიშვა FLG რეგიონიდან. მსგავსი შედეგები დაფიქსირდა გადაცემული BS-NGF ნიმუშებისთვის (არ არის ნაჩვენები).
NIAG XPS შედეგები: (AC) მოზრდილი FS-NGF/NI, BS-NGF/NI- ის სხვადასხვა ელემენტარული ატომური კომპოზიციების კვლევის სპექტრი და გადაცემული FS-NGF/SIO2/SI, შესაბამისად. (D-F) ძირითადი დონის მაღალი დონის სპექტრი C 1 S, O 1S და SI 2P FS-NGF/SIO2/SI ნიმუშის.
გადაცემული NGF კრისტალების საერთო ხარისხი შეაფასეს რენტგენის დიფრაქციის გამოყენებით (XRD). გადაცემული FS- და BS-NGF/SIO2/SI- ის ტიპიური XRD ნიმუშები (ნახ. SI8) აჩვენებს დიფრაქციული მწვერვალების არსებობას (0 0 0 2) და (0 0 0 4) 26.6 ° და 54.7 ° ტემპერატურაზე, გრაფიტის მსგავსად. . ეს ადასტურებს NGF- ის მაღალი კრისტალური ხარისხს და შეესაბამება D = 0.335 ნმ -ის ინტერლეიერის მანძილს, რომელიც შენარჩუნებულია გადაცემის ნაბიჯის შემდეგ. დიფრაქციული მწვერვალის ინტენსივობა (0 0 0 2) არის დაახლოებით 30 ჯერ, ვიდრე დიფრაქციის მწვერვალის (0 0 0 4), რაც იმაზე მიუთითებს, რომ NGF ბროლის თვითმფრინავი კარგად არის შეესაბამება ნიმუშის ზედაპირს.
SEM- ის, რამანის სპექტროსკოპიის, XPS და XRD- ის შედეგების თანახმად, BS-NGF/NI- ის ხარისხი იგივეა, რაც FS-NGF/NI- ს, თუმცა მისი RMS უხეშობა ოდნავ უფრო მაღალი იყო (ფიგურები Si2, Si5) და Si7).
SLG– ები პოლიმერული დამხმარე ფენებით 200 ნმ -მდე სისქემდე შეიძლება წყალზე იატანოს. ეს კონფიგურაცია ჩვეულებრივ გამოიყენება პოლიმერული დახმარებით სველი ქიმიური გადაცემის პროცესებში 22,38. გრაფენი და გრაფიტი ჰიდროფობიურია (სველი კუთხე 80–90 °) 57. როგორც გრაფენის, ასევე FLG– ის პოტენციური ენერგიის ზედაპირები საკმაოდ ბრტყელია, დაბალი პოტენციური ენერგიით (~ 1 კჯ/მოლი) წყლის გვერდითი მოძრაობისთვის ზედაპირზე 58. ამასთან, გრაფენით და გრაფენის სამი ფენის გამოანგარიშებული ურთიერთქმედების ენერგიაა დაახლოებით - 13 და - 15 კჯ/მოლი, შესაბამისად, რაც იმაზე მიუთითებს, რომ წყლის ურთიერთქმედება NGF– სთან (დაახლოებით 300 ფენა) უფრო დაბალია გრაფენთან შედარებით. ეს შეიძლება იყოს ერთ -ერთი მიზეზი, რის გამოც თავისუფალი NGF წყლის ზედაპირზე ბრტყელი რჩება, ხოლო თავისუფალი გრაფენი (რომელიც წყალში მცურავს) იწევს და იშლება. როდესაც NGF წყალში მთლიანად ჩაეფლო (შედეგები იგივეა უხეში და ბრტყელი NGF), მისი კიდეები მოსახვევში (სურათი SI4). სრული ჩაძირვის შემთხვევაში, მოსალოდნელია, რომ NGF- წყლის ურთიერთქმედების ენერგია თითქმის გაორმაგებულია (მცურავი NGF- სთან შედარებით) და რომ NGF- ის ნაკეცების კიდეები მაღალი კონტაქტის კუთხის შესანარჩუნებლად (ჰიდროფობიურობა). ჩვენ მიგვაჩნია, რომ სტრატეგიები შეიძლება შემუშავდეს, რათა არ მოხდეს ჩაშენებული NGF– ების კიდეების ტალღოვანი ტალღოვანი. ერთი მიდგომაა, რომ გამოიყენოთ შერეული გამხსნელები გრაფიტის ფილმის ჭარბი რეაქციის მოდულირებისთვის.
SLG– ს სხვადასხვა ტიპის სუბსტრატებზე გადაყვანა სველი ქიმიური გადაცემის პროცესების საშუალებით. ზოგადად მიღებულია, რომ სუსტი ვან დერ ვალის ძალები არსებობს გრაფენის/გრაფიტის ფილმებსა და სუბსტრატებს შორის (იქნება ეს ხისტი სუბსტრატები, როგორიცაა SIO2/SI38,41,46,60, SIC38, AU42, SI Pillars22 და Lacy Carbon Films30, 34 ან მოქნილი სუბსტრატები, როგორიცაა პოლიმიდი 37). აქ ვთვლით, რომ იგივე ტიპის ურთიერთქმედება ჭარბობს. ჩვენ არ დავაკვირდით NGF– ს რაიმე ზიანს ან პილინგს აქ წარმოდგენილი რომელიმე სუბსტრატისთვის, რომელიც წარმოდგენილია მექანიკური მართვის დროს (ვაკუუმის ან/და ატმოსფერული პირობების პირობებში ან შენახვის დროს) (მაგ., სურათი 2, SI7 და SI9). გარდა ამისა, ჩვენ არ დავაკვირდით SIC მწვერვალს XPS C 1 S- ის სპექტრში NGF/SIO2/SI ნიმუშის ძირითადი დონის (ნახ. 4). ეს შედეგები მიუთითებს, რომ NGF- სა და სამიზნე სუბსტრატს შორის არ არსებობს ქიმიური კავშირი.
წინა ნაწილში, "FS- და BS-NGF- ის პოლიმერული თავისუფალი გადაცემა", ჩვენ დავანახვეთ, რომ NGF- ს შეუძლია გაიზარდოს და გადაიტანოს ნიკელის კილიტის ორივე მხრიდან. ეს FS-NGFS და BS-NGF– ები არ არის იდენტური ზედაპირის უხეში თვალსაზრისით, რამაც აიძულა შეისწავლონ თითოეული ტიპის შესაფერისი პროგრამები.
FS-NGF– ის გამჭვირვალობისა და გამარტივებული ზედაპირის გათვალისწინებით, ჩვენ უფრო დეტალურად შევისწავლეთ მისი ადგილობრივი სტრუქტურა, ოპტიკური და ელექტრული თვისებები. FS-NGF- ის სტრუქტურა და სტრუქტურა პოლიმერული გადაცემის გარეშე ხასიათდებოდა გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის (TEM) ვიზუალიზაციით და შერჩეული არეალის ელექტრონული დიფრაქციის (SAED) ნიმუშის ანალიზით. შესაბამისი შედეგები ნაჩვენებია ფიგურაში 5. დაბალი გამადიდებელი პლანეტარული TEM ვიზუალიზაციით გამოავლინა NGF და FLG რეგიონების არსებობა ელექტრონული კონტრასტის სხვადასხვა მახასიათებლებით, ანუ მუქი და ნათელი ადგილები, შესაბამისად (ნახ. 5 ა). ფილმში მოცემულია კარგი მექანიკური მთლიანობა და სტაბილურობა NGF და FLG სხვადასხვა რეგიონებს შორის, კარგი გადახურვით და არავითარი ზიანი ან ცრემლი, რაც ასევე დადასტურდა SEM (სურათი 3) და მაღალი გამადიდებელი TEM კვლევებით (სურათი 5C-E). კერძოდ, ფიგურაში ნახაზში 5D გვიჩვენებს ხიდის სტრუქტურას მის უდიდეს ნაწილში (შავი წერტილოვანი ისრის მიერ აღინიშნა პოზიცია ნახაზში 5D), რომელიც ხასიათდება სამკუთხა ფორმით და შედგება გრაფენის ფენისგან, რომლის სიგანე დაახლოებით 51. კომპოზიცია ინტერპლანარული ინტერვალით 0.33 ± 0.01 ნმ -ით კიდევ უფრო შემცირდება გრაფენის რამდენიმე ფენამდე ვიწრო რეგიონში (მყარი შავი ისრის დასასრული ნახაზში 5 D).
პოლიმერული თავისუფალი NIAG ნიმუშის პლანტარული TEM გამოსახულება ნახშირბადის მაწვის სპილენძის ქსელზე: (A, B) დაბალი გამადიდებელი TEM სურათები, მათ შორის NGF და FLG რეგიონები, (CE) პანელი- A და პანელებში სხვადასხვა რეგიონების მაღალი გამადიდებელი სურათები აღინიშნება იმავე ფერის ისრებით. A და C პანელებში მწვანე ისრები მიუთითებს დაზიანების წრიულ ადგილებში სხივის გასწორების დროს. (F - I) პანელებში A– დან C– ში, სხვადასხვა რეგიონში SAED– ის ნიმუშები მითითებულია ლურჯი, ციანის, ნარინჯისფერი და წითელი წრეებით, შესაბამისად.
ფიგურაში 5c ლენტის სტრუქტურა გვიჩვენებს (აღინიშნება წითელი ისრით) გრაფიტის ლაქების თვითმფრინავების ვერტიკალური ორიენტაცია, რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს ფილმის გასწვრივ ნანოფოლდების წარმოქმნით (ფიგურა 5C), ჭარბი უკომპენსაციო გაჭედვის სტრესის გამო 30,61,62. მაღალი რეზოლუციის TEM– ის პირობებში, ეს ნანოფოლდები 30 აჩვენებს სხვადასხვა კრისტალოგრაფიულ ორიენტაციას, ვიდრე NGF რეგიონის დანარჩენ ნაწილს; გრაფიტის ცხრილის ბაზალური თვითმფრინავები თითქმის ვერტიკალურად არის ორიენტირებული, ვიდრე ჰორიზონტალურად, როგორც დანარჩენი ფილმი (ნახაზზე 5C). ანალოგიურად, FLG რეგიონი ზოგჯერ გამოფენილია ხაზოვანი და ვიწრო ზოლების მსგავსი ნაკეცებით (აღინიშნება ლურჯი ისრებით), რომლებიც ჩნდება დაბალი და საშუალო მასშტაბით, შესაბამისად, 5b, 5e ფიგურებში. ფიგურაში მოცემული ფიგურა ადასტურებს FLG– ის სექტორში ორი და სამ ფენის გრაფენის ფენების არსებობას (ინტერპლანარი მანძილი 0.33 ± 0.01 ნმ), რაც კარგადაა შეთანხმებული ჩვენს წინა შედეგებთან 30. გარდა ამისა, პოლიმერული თავისუფალი NGF- ის ჩაწერილი SEM გამოსახულებები, რომლებიც გადაიტანეს სპილენძის ბადეებზე Lacy ნახშირბადის ფილმებით (ზედა ხედვის TEM გაზომვების შესრულების შემდეგ) ნაჩვენებია ფიგურაში SI9. კარგად შეჩერებული FLG რეგიონი (აღინიშნება ლურჯი ისრით) და გატეხილი რეგიონი ფიგურაში SI9F. ცისფერი ისარი (გადაცემული NGF- ის პირას) განზრახ არის წარმოდგენილი იმის დასამტკიცებლად, რომ FLG რეგიონს შეუძლია წინააღმდეგობა გაუწიოს გადაცემის პროცესს პოლიმერის გარეშე. მოკლედ, ეს სურათები ადასტურებს, რომ ნაწილობრივ შეჩერებული NGF (FLG რეგიონის ჩათვლით) ინარჩუნებს მექანიკურ მთლიანობას თუნდაც მკაცრი მართვის შემდეგ და მაღალი ვაკუუმის ზემოქმედების შემდეგ TEM და SEM გაზომვების დროს (სურათი SI9).
NGF- ის შესანიშნავი სიბრტყის გამო (იხ. სურათი 5 ა), ძნელი არ არის ფანტელების ორიენტირება [0001] დომენის ღერძის გასწვრივ, SAED სტრუქტურის გასაანალიზებლად. ფილმის ადგილობრივი სისქისა და მისი მდებარეობიდან გამომდინარე, ელექტრონული დიფრაქციის კვლევებისთვის გამოვლენილი იქნა რამდენიმე ინტერესის რეგიონი (12 ქულა). ფიგურებში 5A - C, ამ ტიპიური რეგიონებიდან ოთხი ნაჩვენებია და აღინიშნება ფერადი წრეებით (ლურჯი, ციანური, ნარინჯისფერი და წითელი კოდირებული). ფიგურები 2 და 3 SAED რეჟიმში. ფიგურები 5F და G იქნა მიღებული FLG რეგიონიდან, რომლებიც ნაჩვენებია 5 და 5 -ში. როგორც ეს მოცემულია ფიგურებში 5B და C, შესაბამისად. მათ აქვთ ექვსკუთხა სტრუქტურა, რომელიც მსგავსია გადაბმული Graphene63. კერძოდ, სურათი 5F გვიჩვენებს სამი ზედმეტი შაბლონი [0001] ზონის ღერძის იგივე ორიენტაციით, რომელიც ბრუნდება 10 ° და 20 ° -ით, რაც დასტურდება სამი წყვილის (10-10) ანარეკლების სამი წყვილის კუთხის შეუსაბამობით. ანალოგიურად, ფიგურა 5G გვიჩვენებს ორი ზედაპირული ექვსკუთხა შაბლონი, რომლებიც გადაბრუნებულია 20 ° -ით. FLG რეგიონში ექვსკუთხა შაბლონების ორი ან სამი ჯგუფი შეიძლება წარმოიშვას სამი თვითმფრინავით ან თვითმფრინავის გრაფენის ფენებიდან 33 ერთმანეთთან შედარებით. ამის საპირისპიროდ, ელექტრონული დიფრაქციის შაბლონები ნახაზში 5H, I (შესაბამისი NGF რეგიონის შესაბამისი ნახაზში 5 ა) აჩვენებს ერთ [0001] ნიმუშს, საერთო უფრო მაღალი წერტილის დიფრაქციის ინტენსივობით, რაც შეესაბამება მასალის უფრო მეტ სისქეს. ეს SAED მოდელები შეესაბამება სქელ გრაფიკულ სტრუქტურას და შუალედურ ორიენტაციას, ვიდრე FLG, როგორც ეს მოცემულია 64 ინდექსიდან. NGF- ის კრისტალური თვისებების დახასიათებამ გამოავლინა ორი ან სამი სუპერმიტირებული გრაფიტის (ან გრაფენის) კრისტალების თანაარსებობა. რაც განსაკუთრებით საყურადღებოა FLG რეგიონში, არის ის, რომ კრისტალებს აქვთ გარკვეული ხარისხის თვითმფრინავი ან თვითმფრინავის არასწორად არასწორი მოქმედება. გრაფიტის ნაწილაკები/ფენები თვითმფრინავის ბრუნვის კუთხეებით 17 °, 22 ° და 25 ° ადრე იყო დაფიქსირებული NI 64 ფილმებზე გაზრდილი NGF- ისთვის. ამ კვლევაში დაფიქსირებული ბრუნვის კუთხის მნიშვნელობები შეესაბამება ადრე დაფიქსირებულ ბრუნვის კუთხეებს (± 1 °) გადაბმული BLG63 გრაფენისთვის.
NGF/SIO2/SI- ის ელექტრული თვისებები იზომება 300 კ -ზე, 10 × 3 მმ 2 ფართობზე. ელექტრონული გადამზიდავი კონცენტრაციის, მობილურობისა და გამტარობის ღირებულებებია 1.6 × 1020 სმ -3, 220 სმ 2 V-1 C-1 და 2000 S-CM-1, შესაბამისად. ჩვენი NGF- ის მობილურობისა და გამტარობის მნიშვნელობები მსგავსია ბუნებრივი Graphite2 და უფრო მაღალია, ვიდრე კომერციულად ხელმისაწვდომი უაღრესად ორიენტირებული პიროლიზური გრაფიტი (წარმოებულია 3000 ° C ტემპერატურაზე) 29. დაფიქსირებული ელექტრონული გადამზიდავი კონცენტრაციის მნიშვნელობები არის მასშტაბის ორი ბრძანება, ვიდრე ახლახან გავრცელებული ინფორმაცია (7.25 × 10 სმ -3) მიკრონ-სისქის გრაფიტური ფილმებისთვის, რომლებიც მომზადებულია მაღალი ტემპერატურის (3200 ° C) პოლიიმიდური ფურცლების გამოყენებით 20.
ჩვენ ასევე ჩავატარეთ ულტრაიისფერი ხედვის გადაცემის გაზომვები FS-NGF- ზე გადაცემული კვარცის სუბსტრატებზე (სურათი 6). შედეგად მიღებული სპექტრი გვიჩვენებს თითქმის მუდმივ გადაცემას 62% –ით 350–800 ნმ დიაპაზონში, რაც იმაზე მიუთითებს, რომ NGF გამჭვირვალეა თვალსაჩინო შუქზე. სინამდვილეში, სახელწოდება "kaust" შეგიძლიათ ნახოთ ნიმუშის ციფრულ ფოტოში ნახაზში 6b. მიუხედავად იმისა, რომ NGF- ის ნანოკრისტალური სტრუქტურა განსხვავდება SLG– სგან, ფენების რაოდენობა შეიძლება დაახლოებით შეფასდეს 2.3% გადაცემის დაკარგვის წესის გამოყენებით დამატებით ფენაზე 65. ამ ურთიერთობის თანახმად, გრაფენის ფენების რაოდენობა 38% გადაცემის დაკარგვით არის 21. მოზრდილი NGF ძირითადად შედგება 300 გრაფენის ფენისგან, ანუ დაახლოებით 100 ნმ სისქისაგან (ნახ. 1, SI5 და SI7). აქედან გამომდინარე, ჩვენ ვთვლით, რომ დაფიქსირებული ოპტიკური გამჭვირვალობა შეესაბამება FLG და MLG რეგიონებს, რადგან ისინი მთელ ფილმში ვრცელდება (ნახ. 1, 3, 5 და 6C). ზემოხსენებული სტრუქტურული მონაცემების გარდა, გამტარებლობა და გამჭვირვალობა ასევე ადასტურებს გადაცემული NGF- ის მაღალი კრისტალური ხარისხს.
(ა) ულტრაიისფერი ხედვის გადაცემის გაზომვა, (ბ) კვარცზე ტიპიური NGF გადაცემა წარმომადგენლობითი ნიმუშის გამოყენებით. (გ) NGF (მუქი ყუთის) სქემა თანაბრად განაწილებული FLG და MLG რეგიონებით, რომლებიც აღინიშნება ნაცრისფერი შემთხვევითი ფორმებით მთელ ნიმუშში (იხ. სურათი 1) (დაახლოებით 0,1–3% ფართობი 100 μm2). დიაგრამაში შემთხვევითი ფორმები და მათი ზომები მხოლოდ საილუსტრაციო მიზნებისთვისაა და არ შეესაბამება რეალურ სფეროებს.
CVD– ის მიერ გაზრდილი გამჭვირვალე NGF ადრე გადავიდა შიშველ სილიკონის ზედაპირებზე და გამოიყენება მზის უჯრედებში 15,16. ენერგიის კონვერტაციის ეფექტურობა (PCE) არის 1.5%. ეს NGF– ები ასრულებენ მრავალ ფუნქციას, როგორიცაა აქტიური ნაერთის ფენები, დატენვის სატრანსპორტო გზები და გამჭვირვალე ელექტროდები 15,16. ამასთან, გრაფიტის ფილმი არ არის ერთგვაროვანი. შემდგომი ოპტიმიზაცია აუცილებელია გრაფიტის ელექტროდის ფურცლის წინააღმდეგობის და ოპტიკური გადაცემის ყურადღებით კონტროლით, რადგან ეს ორი თვისება მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მზის უჯრედის PCE მნიშვნელობის განსაზღვრაში 1515,16. როგორც წესი, გრაფენის ფილმები 97,7% გამჭვირვალეა თვალსაჩინო შუქზე, მაგრამ აქვთ ფურცლის წინააღმდეგობა 200–3000 ohms/sq.16. გრაფენის ფილმების ზედაპირული წინააღმდეგობა შეიძლება შემცირდეს ფენების რაოდენობის გაზრდით (გრაფენის ფენების მრავალჯერადი გადაცემით) და დოპინგით HNO3 (~ 30 ohm/sq.) 66. ამასთან, ამ პროცესს დიდი დრო სჭირდება და გადაცემის სხვადასხვა ფენა ყოველთვის არ ინარჩუნებს კარგ კონტაქტს. ჩვენს წინა მხარეს NGF– ს აქვს ისეთი თვისებები, როგორიცაა კონდუქტომეტრული 2000 წმ/სმ, ფილმის ფურცლის წინააღმდეგობა 50 ohm/sq. და 62% გამჭვირვალეობა, რაც მას სიცოცხლისუნარიან ალტერნატივად აქცევს გამტარ არხებს ან ელექტრონულ ელექტროდებს მზის უჯრედებში 15,16.
მიუხედავად იმისა, რომ BS-NGF- ის სტრუქტურა და ზედაპირული ქიმია FS-NGF- ს მსგავსია, მისი უხეში განსხვავებულია ("FS- და BS-NGF- ის ზრდა"). ადრე, ჩვენ გამოვიყენეთ ულტრა თხელი ფილმი Graphite22, როგორც გაზის სენსორი. ამრიგად, ჩვენ შეამოწმეთ BS-NGF– ის გამოყენების მიზანშეწონილობა გაზის სენსორული ამოცანებისთვის (სურათი SI10). პირველი, BS-NGF- ის MM2 ზომის ნაწილი გადაიტანეს ელექტროდის სენსორული ჩიპზე (სურათი SI10A-C). ადრე ჩიპის წარმოების დეტალები იყო ნაჩვენები; მისი აქტიური მგრძნობიარე ადგილია 9 MM267. SEM სურათებში (სურათი SI10B და C), ფუძემდებლური ოქროს ელექტროდი აშკარად ჩანს NGF– ის საშუალებით. კიდევ ერთხელ, ჩანს, რომ ყველა ნიმუშისთვის მიღწეული იყო ერთიანი ჩიპური დაფარვა. დაფიქსირდა სხვადასხვა გაზების გაზის სენსორის გაზომვები (ნახ. SI10D) (ნახ. SI11) და შედეგად მიღებული საპასუხო მაჩვენებლები ნაჩვენებია ფიგურებში. SI10G. სავარაუდოდ, სხვა ჩარევის გაზებით, მათ შორის SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) და NH3 (200 ppm). ერთი შესაძლო მიზეზია 22. გაზის ელექტროფილური ბუნება 22,68. გრაფენის ზედაპირზე ადსორბირებული, იგი ამცირებს ელექტრონების მიმდინარე შეწოვას სისტემის მიერ. BS-NGF სენსორის საპასუხო დროის მონაცემების შედარება ადრე გამოქვეყნებული სენსორებით, მოცემულია ცხრილში SI2. NGF სენსორების რეაქტივაციის მექანიზმი UV პლაზმური, O3 პლაზმური ან თერმული (50–150 ° C) ექსპოზიციური ნიმუშების მკურნალობა მიმდინარეობს, რასაც იდეალურად მოჰყვება ჩაშენებული სისტემების განხორციელება 69.
CVD პროცესის დროს, გრაფენის ზრდა ხდება კატალიზატორის სუბსტრატის ორივე მხრიდან 41. ამასთან, BS-Graphene ჩვეულებრივ ამოღებულია გადაცემის პროცესის დროს 41. ამ კვლევაში ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მაღალი ხარისხის NGF ზრდა და პოლიმერული თავისუფალი NGF გადაცემა შესაძლებელია კატალიზატორი მხარდაჭერის ორივე მხრიდან. BS-NGF უფრო თხელია (~ 80 ნმ) ვიდრე FS-NGF (~ 100 ნმ), და ეს განსხვავება აიხსნება იმით, რომ BS-NI უშუალოდ არ ექვემდებარება წინამორბედის გაზის ნაკადს. ჩვენ ასევე აღმოვაჩინეთ, რომ NIAR სუბსტრატის უხეშობა გავლენას ახდენს NGF- ის უხეშობაზე. ეს შედეგები მიუთითებს, რომ მოზრდილი პლანტარული FS-NGF შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც წინამორბედი მასალა გრაფენისთვის (ექსფოლაციის მეთოდით 70) ან როგორც გამტარ არხი მზის უჯრედებში 15,16. ამის საპირისპიროდ, BS-NGF გამოყენებული იქნება გაზის გამოვლენისთვის (ნახ. SI9) და, შესაძლოა, ენერგიის შენახვის სისტემებისთვის 71,72, სადაც მისი ზედაპირის უხეშობა სასარგებლო იქნება.
ზემოაღნიშნულის გათვალისწინებით, სასარგებლოა მიმდინარე ნამუშევრების გაერთიანება CVD– ით გაზრდილი ადრე გამოქვეყნებული გრაფიტური ფილმებით და ნიკელის კილიტის გამოყენებით. როგორც ჩანს ცხრილი 2 -ში, უფრო მაღალმა წნევამ, რომელიც ჩვენ გამოვიყენეთ, შეამცირა რეაქციის დრო (ზრდის ეტაპი) შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე (850–1300 ° C დიაპაზონში). ჩვენ ასევე მივაღწიეთ უფრო მეტ ზრდას, ვიდრე ჩვეულებრივ, რაც მიუთითებს გაფართოების პოტენციალზე. გასათვალისწინებელია სხვა ფაქტორებიც, რომელთაგან ზოგი ჩვენში შევიტანეთ ცხრილში.
ორმაგი ცალმხრივი მაღალი ხარისხის NGF გაიზარდა ნიკელის კილიტაზე კატალიზური CVD. ტრადიციული პოლიმერული სუბსტრატების აღმოფხვრის გზით (მაგალითად, CVD გრაფენში გამოყენებული), ჩვენ მივაღწევთ NGF- ის სუფთა და დეფექტურ სველ გადაცემას (იზრდება ნიკელის კილიტის უკანა და წინა მხარეებზე) სხვადასხვა პროცესის კრიტიკულ სუბსტრატზე. აღსანიშნავია, რომ NGF მოიცავს FLG და MLG რეგიონებს (ჩვეულებრივ, 0,1% -დან 3% 100 μm2), რომლებიც სტრუქტურულად კარგად არის ინტეგრირებული სქელ ფილმში. პლანტარული TEM გვიჩვენებს, რომ ეს რეგიონები შედგება ორიდან სამი გრაფიტის/გრაფენის ნაწილაკების (კრისტალების ან ფენების შესაბამისად) დასტისგან, რომელთაგან ზოგიერთს აქვს ბრუნვის შეუსაბამობა 10-20 °. FLG და MLG რეგიონები პასუხისმგებელნი არიან FS-NGF– ის გამჭვირვალობისთვის თვალსაჩინო შუქზე. რაც შეეხება უკანა ფურცლებს, მათ შეიძლება გადაიტანონ წინა ფურცლების პარალელურად და, როგორც ნაჩვენებია, შეიძლება ჰქონდეს ფუნქციური მიზანი (მაგალითად, გაზის გამოვლენისთვის). ეს კვლევები ძალიან სასარგებლოა ნარჩენებისა და ხარჯების შემცირებისთვის სამრეწველო მასშტაბის CVD პროცესებში.
ზოგადად, CVD NGF– ის საშუალო სისქე მდგომარეობს (დაბალი და მრავალ ფენის) გრაფენსა და სამრეწველო (მიკრომეტრი) გრაფიტის ფურცლებს შორის. მათი საინტერესო თვისებების დიაპაზონი, იმ მარტივ მეთოდთან ერთად, რაც ჩვენ შევიმუშავეთ მათი წარმოებისა და ტრანსპორტირებისთვის, ამ ფილმებს განსაკუთრებით შესაფერისი ხდის აპლიკაციებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ გრაფიტის ფუნქციურ რეაგირებას, ენერგიის ინტენსიური ინდუსტრიული წარმოების პროცესების ხარჯვის გარეშე.
25-მმ სისქის ნიკელის კილიტა (99.5% სიწმინდე, Goodfellow) დაინსტალირებული იქნა კომერციული CVD რეაქტორში (Aixtron 4-დიუმიანი BMPRO). სისტემა გაწმენდილი იყო არგონით და ევაკუაცია მოახდინეს 10-3 მბარის საბაზო წნევამდე. შემდეგ ნიკელის კილიტა მოათავსეს. AR/H2- ში (NI კილიტის 5 წუთის განმავლობაში NI კილიტაზე წინასწარ გაჟონვის შემდეგ, კილიტა ექვემდებარებოდა წნევას 500 მბარზე 900 ° C ტემპერატურაზე. NGF დეპონირებულ იქნა CH4/H2- ის ნაკადში (100 სმ 3 თითოეული) 5 წთ. სხვაგან 30.
ნიმუშის ზედაპირული მორფოლოგია ვიზუალიზებულია SEM– ით Zeiss Merlin მიკროსკოპის გამოყენებით (1 კვ, 50 PA). ნიმუშის ზედაპირის უხეში და NGF სისქე იზომება AFM (განზომილების ხატი SPM, Bruker) გამოყენებით. TEM და SAED გაზომვები ჩატარდა FEI ტიტანის 80–300 კუბური მიკროსკოპის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია მაღალი სიკაშკაშის ემისიის იარაღით (300 კვ), FEI Wien ტიპის მონოქრომატორით და აღმასრულებელი დირექტორების ლინზების სფერული დარღვევის კორექტირებით, საბოლოო შედეგების მისაღებად. სივრცითი რეზოლუცია 0.09 ნმ. NGF ნიმუშები გადაყვანილ იქნა ნახშირბადის ლაისის დაფარულ სპილენძის ბადეებში ბრტყელი TEM გამოსახულების და SAED სტრუქტურის ანალიზისთვის. ამრიგად, ნიმუშის ფლოკების უმეტესი ნაწილი შეჩერებულია დამხმარე მემბრანის ფორებში. გადარიცხული NGF ნიმუშები გაანალიზდა XRD– ს მიერ. რენტგენის დიფრაქციის შაბლონები მიიღეს ფხვნილის დიფრაქტომეტრის გამოყენებით (Brucker, D2 ფაზის Shifter ერთად Cu Kα წყაროსთან, 1.5418 Å და Lynxeye დეტექტორი) Cu გამოსხივების წყაროს გამოყენებით სხივის ლაქის დიამეტრით 3 მმ.
რამანის წერტილის რამდენიმე გაზომვა დაფიქსირდა ინტეგრირებული კონფოკალური მიკროსკოპის გამოყენებით (Alpha 300 RA, WITEC). თერმულად გამოწვეული ეფექტების თავიდან ასაცილებლად 532 ნმ ლაზერი დაბალი აგზნების ენერგიით (25%). რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია (XPS) ჩატარდა Kratos- ის ღერძის ულტრა სპექტრომეტრზე, 300 × 700 μm2 ნიმუშის ფართობზე, მონოქრომული AL Kα გამოსხივების გამოყენებით (Hν = 1486.6 eV) 150 ვტ. რეზოლუციის სპექტრით, მიიღეს გადამცემ ენერგია 160 EV და 20 EV, შესაბამისად. NGF ნიმუშები, რომლებიც გადაცემულია SIO2- ზე, მოჭრილი იქნა ნაჭრებად (თითო 3 × 10 მმ 2) PLS6MW (1.06 μm) ytterbium ბოჭკოვანი ლაზერის გამოყენებით 30 ვტ. ელექტრო ტრანსპორტისა და დარბაზის ეფექტის ექსპერიმენტები ჩატარდა ამ ნიმუშებზე 300 K და მაგნიტური ველის ცვალებადობა ± 9 Tesla ფიზიკური თვისებების გაზომვის სისტემაში (PPMS Evercool-II, Quantum Design, აშშ). გადაცემული ულტრაიისფერი სპექტრი დაფიქსირდა Lambda 950 UV - Vis სპექტროფოტომეტრის გამოყენებით 350–800 ნმ NGF დიაპაზონში, რომელიც გადაცემულია კვარცის სუბსტრატებსა და კვარცის საცნობარო ნიმუშებში.
ქიმიური წინააღმდეგობის სენსორი (ინტერდიგიტირებული ელექტროდის ჩიპი) სადენიანი იყო საბაჟო დაბეჭდილი მიკროსქემის დაფაზე 73 და წინააღმდეგობა დროებით იქნა ამოღებული. დაბეჭდილი მიკროსქემის დაფა, რომელზეც მოწყობილობა მდებარეობს, უკავშირდება საკონტაქტო ტერმინალებს და მოთავსებულია გაზის სენსორული პალატის შიგნით 74. წინააღმდეგობის გაზომვები მიიღეს ძაბვაზე 1 V, უწყვეტი სკანირებით, გაწმენდისგან გაზის ზემოქმედებამდე და შემდეგ კვლავ გაწმენდის. პალატა თავდაპირველად გაწმენდილი იქნა აზოტით გაწმენდით 200 სმ 3 -ზე 1 საათის განმავლობაში, რათა უზრუნველყოს პალატაში არსებული ყველა სხვა ანალიზის ამოღება, მათ შორის ტენიანობა. ინდივიდუალური ანალიზები შემდეგ ნელა გაათავისუფლეს პალატაში იმავე ნაკადის სიჩქარით 200 სმ 3, N2 ცილინდრის დახურვით.
გამოქვეყნებულია ამ სტატიის განახლებული ვერსია და მისი წვდომა შესაძლებელია სტატიის ზედა ნაწილში ბმულზე.
Inagaki, M. and Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: საფუძვლები. მეორე გამოცემა რედაქტირებულია. 2014. 542.
Pearson, HO სახელმძღვანელო ნახშირბადის, გრაფიტის, ალმასის და ფულენების სახელმძღვანელო: თვისებები, დამუშავება და პროგრამები. პირველი გამოცემა რედაქტირებულია. 1994, ნიუ ჯერსი.
Tsai, W. et al. დიდი ფართობი მრავალმხრივი გრაფენის/გრაფიტის ფილმები, როგორც გამჭვირვალე თხელი გამტარ ელექტროდები. განაცხადი. ფიზიკა. რაიტი. 95 (12), 123115 (2009).
Balandin AA გრაფენის და ნანოსტრუქტურული ნახშირბადის მასალების თერმული თვისებები. ნატ. მეთიუ. 10 (8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW და Cahill DG თერმული კონდუქტომეტრული გრაფიტური ფილმების შესახებ, რომლებიც გაიზარდა NI (111), დაბალი ტემპერატურის ქიმიური ორთქლის დეპონირებით. ზმნა. მეთიუ. ინტერფეისი 3, 16 (2016).
ჰესჯედალი, ტ. გრაფენის ფილმების უწყვეტი ზრდა ქიმიური ორთქლის დეპონირების გზით. განაცხადი. ფიზიკა. რაიტი. 98 (13), 133106 (2011).
პოსტის დრო: აგვისტო -23-2024