Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы нәтижелерге қол жеткізу үшін браузеріңіздің жаңа нұсқасын пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдеусіз немесе JavaScriptсіз көрсетіп жатырмыз.
Наноөлшемді графит пленкалары (НГФ) - каталитикалық химиялық бу тұндыру арқылы алуға болатын берік наноматериалдар, бірақ олардың берілу жеңілдігі және беттік морфологияның оларды келесі буын құрылғыларында қолдануға қалай әсер ететіні туралы сұрақтар туындайды. Мұнда біз поликристалды никель фольгасының екі жағындағы (ауданы 55 см2, қалыңдығы шамамен 100 нм) НГФ өсуін және оның полимерсіз берілуін (алдыңғы және артқы, ауданы 6 см2 дейін) баяндаймыз. Катализатор фольгасының морфологиясына байланысты екі көміртекті пленка физикалық қасиеттері мен басқа да сипаттамалары (мысалы, беттік кедір-бұдырлығы) бойынша ерекшеленеді. Біз артқы жағы кедір-бұдыр НГФ-тің NO2 анықтауға өте қолайлы екенін, ал алдыңғы жағындағы тегіс және өткізгіш НГФ-тің (2000 С/см2, парақ кедергісі – 50 ом/м2) күн батареясының арнасы немесе электродының өміршең өткізгіштері бола алатынын көрсетеміз (өйткені ол көрінетін жарықтың 62%-ын өткізеді). Жалпы алғанда, сипатталған өсу және тасымалдау процестері графен мен микрон қалыңдығы бар графит қабықшалары жарамсыз технологиялық қолданбалар үшін балама көміртекті материал ретінде NGF-ті жүзеге асыруға көмектесуі мүмкін.
Графит кеңінен қолданылатын өнеркәсіптік материал болып табылады. Атап айтқанда, графит салыстырмалы түрде төмен массалық тығыздыққа және жоғары жазықтықтағы жылу және электр өткізгіштікке ие және қатал жылу және химиялық орталарда өте тұрақты1,2. Қабыршақты графит графенді зерттеу үшін танымал бастапқы материал3. Жұқа пленкаларға өңделген кезде оны смартфондар сияқты электрондық құрылғыларға арналған жылу қабылдағыштар4,5,6,7, сенсорлардағы белсенді материал ретінде8,9,10 және электромагниттік кедергілерден қорғау11 үшін12 және экстремалды ультракүлгін сәулелердегі литографияға арналған пленкаларда13,14, күн батареяларындағы өткізгіш арналарда15,16 пайдалануды қамтитын кең ауқымды қолданбаларда қолдануға болады. Осы қолданбалардың барлығы үшін, егер қалыңдығы <100 нм наноөлшемде бақыланатын графит пленкаларының (NGF) үлкен аумақтарын оңай өндіру және тасымалдау мүмкін болса, бұл айтарлықтай артықшылық болар еді.
Графит пленкалары әртүрлі әдістермен өндіріледі. Бір жағдайда графен қабыршақтарын алу үшін ендіру және кеңейту, содан кейін қабыршақтау қолданылды10,11,17. Қабыршақтарды қажетті қалыңдықтағы пленкаларға дейін өңдеу керек, және тығыз графит парақтарын алу үшін көбінесе бірнеше күн қажет болады. Тағы бір тәсіл - графиттелетін қатты прекурсорлардан бастау. Өнеркәсіпте полимер парақтары көміртектеледі (1000–1500 °C температурада), содан кейін жақсы құрылымдалған қабатты материалдарды қалыптастыру үшін графиттеледі (2800–3200 °C температурада). Бұл пленкалардың сапасы жоғары болғанымен, энергия тұтынуы айтарлықтай1,18,19 және минималды қалыңдығы бірнеше микронмен шектеледі1,18,19,20.
Каталитикалық химиялық бу тұндыру (CVD) - жоғары құрылымдық сапамен және қолжетімді құны бар графен мен ультражұқа графит қабықшаларын (<10 нм) алудың танымал әдісі21,22,23,24,25,26,27. Дегенмен, графен мен ультражұқа графит қабықшаларының өсуімен28 салыстырғанда, CVD көмегімен NGF-ті үлкен аумақта өсіру және/немесе қолдану одан да аз зерттелген11,13,29,30,31,32,33.
CVD өсірілген графен және графит пленкаларын көбінесе функционалдық субстраттарға ауыстыру қажет34. Бұл жұқа пленкалы тасымалдаулар екі негізгі әдісті қамтиды35: (1) оюсыз тасымалдау36,37 және (2) ою негізіндегі ылғалды химиялық тасымалдау (субстрат қолдауымен)14,34,38. Әрбір әдістің кейбір артықшылықтары мен кемшіліктері бар және басқа жерде сипатталғандай, мақсатты қолданылуына байланысты таңдалуы керек35,39. Каталитикалық субстраттарда өсірілген графен/графит пленкалары үшін ылғалды химиялық процестер арқылы тасымалдау (оның ішінде полиметилметакрилат (PMMA) ең көп қолданылатын тірек қабаты болып табылады) бірінші таңдау болып қала береді13,30,34,38,40,41,42. Сіз және т.б. NGF тасымалдау үшін ешқандай полимер қолданылмағаны айтылды (үлгі өлшемі шамамен 4 см2)25,43, бірақ тасымалдау кезіндегі үлгінің тұрақтылығы және/немесе өңдеуі туралы ешқандай мәліметтер берілмеді; Полимерлерді пайдаланатын ылғалды химиялық процестер бірнеше кезеңнен тұрады, соның ішінде құрбандық полимер қабатын жағу және кейіннен алып тастау30,38,40,41,42. Бұл процестің кемшіліктері бар: мысалы, полимер қалдықтары өсірілген пленканың қасиеттерін өзгерте алады38. Қосымша өңдеу қалдық полимерді алып тастай алады, бірақ бұл қосымша қадамдар пленка өндірісінің құны мен уақытын арттырады38,40. CVD өсуі кезінде графен қабаты катализатор фольгасының алдыңғы жағына (бу ағынына қараған жағы) ғана емес, сонымен қатар оның артқы жағына да түседі. Дегенмен, соңғысы қалдық өнім болып саналады және жұмсақ плазмамен тез жойылуы мүмкін38,41. Бұл пленканы қайта өңдеу өнімділікті барынша арттыруға көмектеседі, тіпті ол беттік көміртекті пленкаға қарағанда сапасы төмен болса да.
Мұнда біз поликристалды никель фольгасында CVD әдісімен жоғары құрылымдық сападағы NGF пластиналы бифасиялық өсуін дайындау туралы есеп береміз. Фольганың алдыңғы және артқы бетінің кедір-бұдырлығы NGF морфологиясы мен құрылымына қалай әсер ететіні бағаланды. Сондай-ақ, біз никель фольгасының екі жағынан NGF-тің көпфункционалды негіздерге үнемді және экологиялық таза полимерсіз тасымалдануын көрсетеміз және алдыңғы және артқы қабықшалардың әртүрлі қолданбаларға қалай жарамды екенін көрсетеміз.
Келесі бөлімдерде қабаттасқан графен қабаттарының санына байланысты әртүрлі графит қабықшасының қалыңдығы талқыланады: (i) бір қабатты графен (SLG, 1 қабат), (ii) бірнеше қабатты графен (FLG, < 10 қабат), (iii) көп қабатты графен (MLG, 10-30 қабат) және (iv) NGF (~300 қабат). Соңғысы ауданның пайызымен көрсетілген ең көп таралған қалыңдық (100 мкм2-ге шамамен 97% аудан)30. Сондықтан бүкіл қабықша жай NGF деп аталады.
Графен мен графит пленкаларын синтездеу үшін қолданылатын поликристалды никель фольгалары өндіріс және кейінгі өңдеу нәтижесінде әртүрлі текстураларға ие. Жақында біз NGF30 өсу процесін оңтайландыру бойынша зерттеу туралы хабарладық. Біз өсу кезеңіндегі күйдіру уақыты және камера қысымы сияқты процесс параметрлері біркелкі қалыңдықтағы NGF алуда маңызды рөл атқаратынын көрсетеміз. Мұнда біз никель фольгасының жылтыратылған алдыңғы (FS) және жылтыратылмаған артқы (BS) беттеріндегі NGF өсуін одан әрі зерттедік (1a сурет). 1-кестеде көрсетілген FS және BS үлгілерінің үш түрі қарастырылды. Көзбен тексеру кезінде никель фольгасының (NiAG) екі жағындағы NGF біркелкі өсуін негізгі Ni негізінің түсінің тән металл күміс сұр түстен күңгірт сұр түске өзгеруінен көруге болады (1a сурет); микроскопиялық өлшемдер расталды (1b, c сурет). Жарқын аймақта байқалған және 1b суретте қызыл, көк және қызғылт сары көрсеткілермен көрсетілген FS-NGF типтік Раман спектрі 1c суретте көрсетілген. Графит G (1683 см−1) және 2D (2696 см−1) сипаттамалық Раман шыңдары жоғары кристалды NGF өсуін растайды (1c-сурет, SI1 кестесі). Фильм бойында қарқындылық қатынасы (I2D/IG) ~0,3 болатын Раман спектрлерінің басым болуы байқалды, ал I2D/IG = 0,8 болатын Раман спектрлері сирек байқалды. Бүкіл фильмде ақаулы шыңдардың (D = 1350 см-1) болмауы NGF өсуінің жоғары сапасын көрсетеді. BS-NGF үлгісінде ұқсас Раман нәтижелері алынды (SI1 а және b суреттері, SI1 кестесі).
NiAG FS- және BS-NGF салыстыруы: (a) Пластиналық масштабта (55 см2) NGF өсуін көрсететін типтік NGF (NiAG) үлгісінің фотосуреті және алынған BS- және FS-Ni фольга үлгілері, (b) Оптикалық микроскоп арқылы алынған FS-NGF кескіндері/Ni, (c) b панелінде әртүрлі позицияларда жазылған типтік Раман спектрлері, (d, f) FS-NGF/Ni-де әртүрлі үлкейтулердегі SEM кескіндері, (e, g) Әр түрлі үлкейтулердегі SEM кескіндері BS -NGF/Ni орнатады. Көк көрсеткі FLG аймағын, қызғылт сары көрсеткі MLG аймағын (FLG аймағының жанында), қызыл көрсеткі NGF аймағын және қызыл көрсеткі бүктемені көрсетеді.
Өсу бастапқы субстраттың қалыңдығына, кристалл өлшеміне, бағытына және түйіршік шекараларына байланысты болғандықтан, үлкен аумақтарда NGF қалыңдығын тиісті бақылауға қол жеткізу қиындық тудыруда20,34,44. Бұл зерттеуде біз бұрын жариялаған мазмұн пайдаланылды30. Бұл процесс 100 мкм-ге 0,1-ден 3%-ға дейінгі жарық аймақты шығарады230. Келесі бөлімдерде біз екі аймақ түрі үшін де нәтижелерді ұсынамыз. Жоғары үлкейтілген SEM кескіндері екі жағында да бірнеше жарқын контраст аймақтарының болуын көрсетеді (1f, g сурет), бұл FLG және MLG аймақтарының болуын көрсетеді30,45. Мұны Раман шашырауымен (1c сурет) және TEM нәтижелерімен де растады (кейінірек «FS-NGF: құрылымы мен қасиеттері» бөлімінде талқыланады). FS- және BS-NGF/Ni үлгілерінде байқалған FLG және MLG аймақтары (Ni-де өсірілген алдыңғы және артқы NGF) алдын ала күйдіру кезінде пайда болған үлкен Ni(111) түйіршіктерінде өскен болуы мүмкін22,30,45. Екі жағынан да бүктелу байқалды (1b-сурет, күлгін көрсеткілермен белгіленген). Графит пен никель субстраты арасындағы термиялық кеңею коэффициентінің үлкен айырмашылығына байланысты бұл бүктемелер көбінесе CVD өсірілген графен мен графит пленкаларында кездеседі30,38.
AFM кескіні FS-NGF үлгісінің BS-NGF үлгісіне қарағанда тегіс екенін растады (SI1 сурет) (SI2 сурет). FS-NGF/Ni (SI2c сурет) және BS-NGF/Ni (SI2d сурет) түбірлік орташа квадраттық (RMS) кедір-бұдырлық мәндері сәйкесінше 82 және 200 нм құрайды (20 × 20 мкм2 аумақта өлшенген). Жоғары кедір-бұдырлықты никель (NiAR) фольгасының қабылданған күйдегі беттік талдауы негізінде түсінуге болады (SI3 сурет). FS және BS-NiAR SEM кескіндері SI3a–d суреттерінде көрсетілген, олар әртүрлі беттік морфологияларды көрсетеді: жылтыратылған FS-Ni фольгасында нано- және микрон өлшемді сфералық бөлшектер бар, ал жылтыратылмаған BS-Ni фольгасында өндірістік баспалдақ жоғары беріктікке және төмендеуге ие бөлшектер ретінде көрінеді. Күйдірілген никель фольгасының (NiA) төмен және жоғары ажыратымдылықтағы кескіндері SI3e–h суретінде көрсетілген. Бұл суреттерде никель фольгасының екі жағында бірнеше микрон өлшемді никель бөлшектерінің болуын байқауға болады (SI3e–h сурет). Ірі түйіршіктер бұрын хабарланғандай Ni(111) бетінің бағытына ие болуы мүмкін30,46. FS-NiA және BS-NiA арасында никель фольгасының морфологиясында айтарлықтай айырмашылықтар бар. BS-NGF/Ni жоғары кедір-бұдырлығы BS-NiAR жылтыратылмаған бетіне байланысты, оның беті күйдіргеннен кейін де айтарлықтай кедір-бұдыр болып қалады (SI3 сурет). Өсу процесіне дейін беттің бұл түрі графен мен графит қабықшаларының кедір-бұдырлығын бақылауға мүмкіндік береді. Графеннің өсуі кезінде бастапқы субстрат кейбір дәндердің қайта құрылуына ұшырағанын, бұл күйдірілген фольга мен катализатор қабықшасымен салыстырғанда дәннің өлшемін аздап азайтып, субстраттың бетінің кедір-бұдырлығын біршама арттырғанын атап өткен жөн22.
Негіз бетінің кедір-бұдырлығын, күйдіру уақытын (түйіршік өлшемін)30,47 және босатуды бақылау43 дәл реттеу аймақтық NGF қалыңдығының біркелкілігін мкм2 және/немесе тіпті нм2 шкаласына дейін азайтуға көмектеседі (яғни, бірнеше нанометр қалыңдығының ауытқулары). Негіз бетінің кедір-бұдырлығын бақылау үшін алынған никель фольгасын электролиттік жылтырату сияқты әдістерді қарастыруға болады48. Содан кейін алдын ала өңделген никель фольгасын үлкен Ni(111) түйіршіктерінің пайда болуына жол бермеу үшін төмен температурада (<900 °C)46 және уақытында (<5 мин) күйдіруге болады (бұл FLG өсуі үшін пайдалы).
SLG және FLG графені қышқылдар мен судың беттік керілуіне төтеп бере алмайды, сондықтан ылғалды химиялық тасымалдау процестері кезінде механикалық тірек қабаттары қажет22,34,38. Полимермен тірелген бір қабатты графеннің38 ылғалды химиялық тасымалдауынан айырмашылығы, біз өсірілген NGF-тің екі жағын да полимерлік тірексіз тасымалдауға болатынын анықтадық, бұл 2a-суретте көрсетілген (толығырақ SI4a-суретті қараңыз). NGF-ті берілген негізге тасымалдау негізгі Ni30.49 пленкасын ылғалды түрде оюдан басталады. Өсірілген NGF/Ni/NGF үлгілері 600 мл деиондалған (DI) сумен сұйылтылған 15 мл 70% HNO3-ке түні бойы орналастырылды. Ni фольгасы толығымен ерігеннен кейін, FS-NGF тегіс болып қалады және NGF/Ni/NGF үлгісі сияқты сұйықтық бетінде қалқып жүреді, ал BS-NGF суға батырылады (2a,b-сурет). Содан кейін оқшауланған NGF жаңа деионизацияланған суы бар бір стаканнан екінші стаканға ауыстырылды және оқшауланған NGF мұқият жуылды, ойыс шыны ыдыс арқылы төрт-алты рет қайталанды. Соңында, FS-NGF және BS-NGF қажетті негізге орналастырылды (2c-сурет).
Никель фольгасында өсірілген NGF үшін полимерсіз ылғалды химиялық тасымалдау процесі: (a) Процесс ағынының диаграммасы (толығырақ ақпарат алу үшін SI4 суретін қараңыз), (b) Ni гравировкасынан кейін бөлінген NGF-тің сандық фотосуреті (2 үлгі), (c) FS – және BS-NGF-ті SiO2/Si негізіне ауыстыру мысалы, (d) FS-NGF-ті мөлдір емес полимер негізіне ауыстыру, (e) d панелімен бірдей үлгіден BS-NGF (екі бөлікке бөлінген), алтын жалатылған C қағазына және Nafion-ға ауыстырылған (икемді мөлдір негіз, шеттері қызыл бұрыштармен белгіленген).
Ылғал химиялық тасымалдау әдістерін қолдана отырып орындалатын SLG тасымалдауы жалпы өңдеу уақытын 20-24 сағатты қажет ететінін ескеріңіз 38. Мұнда көрсетілген полимерсіз тасымалдау әдісімен (SI4a суреті), NGF тасымалдауының жалпы өңдеу уақыты айтарлықтай қысқарады (шамамен 15 сағат). Процесс мыналардан тұрады: (1-қадам) Ою ерітіндісін дайындап, үлгіні оған салыңыз (~10 минут), содан кейін Ni ою үшін түні бойы күтіңіз (~7200 минут), (2-қадам) Деионизацияланған сумен шайыңыз (-3-қадам). Деионизацияланған суда сақтаңыз немесе мақсатты субстратқа ауыстырыңыз (20 мин). NGF пен көлемді матрица арасында тұрып қалған су капиллярлық әсер арқылы (блоттау қағазын пайдаланып) 38 жойылады, содан кейін қалған су тамшылары табиғи кептіру арқылы жойылады (шамамен 30 мин), соңында үлгі вакуумдық пеште (10-1 мбар) 50-90 °C температурада (60 мин) 10 мин кептіріледі 38.
Графиттің су мен ауаның жоғары температурада (≥ 200 °C) болуына төтеп беретіні белгілі50,51,52. Біз бөлме температурасында деионизацияланған суда және жабық бөтелкелерде бірнеше күннен бір жылға дейін сақталғаннан кейін Раман спектроскопиясын, SEM және XRD көмегімен үлгілерді тексердік (SI4 суреті). Айтарлықтай ыдырау байқалмайды. 2c суретте деионизацияланған судағы бос тұрған FS-NGF және BS-NGF көрсетілген. Біз оларды 2c суретінің басында көрсетілгендей, SiO2 (300 нм)/Si субстратына түсірдік. Сонымен қатар, 2d,e суретінде көрсетілгендей, үздіксіз NGF полимерлер (Nexolve және Nafion компаниясының Thermabright полиамиді) және алтынмен қапталған көміртекті қағаз сияқты әртүрлі субстраттарға берілуі мүмкін. Қалқымалы FS-NGF нысана субстратына оңай орналастырылды (2c, d сурет). Дегенмен, 3 см2-ден үлкен BS-NGF үлгілерін суға толығымен батырған кезде өңдеу қиын болды. Әдетте, олар суда домалай бастағанда, абайсызда ұстаудың салдарынан кейде екі немесе үш бөлікке бөлінеді (2e сурет). Жалпы алғанда, біз ауданы сәйкесінше 6 және 3 см2 дейінгі үлгілер үшін PS- және BS-NGF полимерсіз тасымалына қол жеткіздік (NGF/Ni/NGF өсуінсіз үздіксіз үздіксіз тасымалдану 6 см2-де). Қалған кез келген үлкен немесе кіші бөліктерді қажетті негізде (~1 мм2, SI4b суреті, «FS-NGF: Құрылымы мен қасиеттері» («Құрылымы мен қасиеттері» бөлімінде талқыланған) сияқты мыс торына тасымалданған үлгіні қараңыз) немесе болашақта пайдалану үшін сақтауға болады (SI4 сурет). Осы критерийге сүйене отырып, біз NGF-ті 98-99%-ға дейін өнімділікпен қалпына келтіруге болатынын бағалаймыз (тасымалдау үшін өскеннен кейін).
Полимерсіз тасымалдау үлгілері егжей-тегжейлі талданды. Оптикалық микроскопия (OM) және SEM кескіндерін (SI5 және 3-сурет) пайдаланып FS- және BS-NGF/SiO2/Si (2c-сурет) беттік морфологиялық сипаттамалары бұл үлгілердің микроскопиясыз тасымалданғанын көрсетті. Жарықтар, тесіктер немесе жайылған аймақтар сияқты көрінетін құрылымдық зақымданулар. Өсіп келе жатқан NGF-тегі қатпарлар (3b, d-сурет, күлгін көрсеткілермен белгіленген) тасымалданғаннан кейін өзгеріссіз қалды. FS- және BS-NGF екеуі де FLG аймақтарынан тұрады (3-суретте көк көрсеткілермен белгіленген ашық аймақтар). Таңқаларлығы, ультра жұқа графит пленкаларын полимермен тасымалдау кезінде әдетте байқалатын бірнеше зақымдалған аймақтардан айырмашылығы, NGF-ке қосылатын бірнеше микрон өлшемді FLG және MLG аймақтары (3d-суретте көк көрсеткілермен белгіленген) жарықтарсыз немесе үзілістерсіз тасымалданды (3d-сурет). 3). . Механикалық тұтастық кейінірек талқыланғандай, кружевтік-көміртекті мыс торларына тасымалданған NGF-тің TEM және SEM кескіндерін пайдалану арқылы одан әрі расталды («FS-NGF: Құрылымы және қасиеттері»). Тасымалданған BS-NGF/SiO2/Si FS-NGF/SiO2/Si-ге қарағанда кедір-бұдыр, орташа квадраттық мәндері сәйкесінше 140 нм және 17 нм, бұл SI6a және b суреттерінде көрсетілген (20 × 20 мкм2). SiO2/Si субстратына тасымалданған NGF-тің орташа квадраттық мәні (RMS < 2 нм) Ni-де өсірілген NGF-ке қарағанда айтарлықтай төмен (шамамен 3 есе) (SI2 суреті), бұл қосымша кедір-бұдырлық Ni бетіне сәйкес келуі мүмкін екенін көрсетеді. Сонымен қатар, FS- және BS-NGF/SiO2/Si үлгілерінің шеттерінде орындалған AFM кескіндері сәйкесінше 100 және 80 нм NGF қалыңдығын көрсетті (SI7 сурет). BS-NGF қалыңдығының кішірек болуы бетінің прекурсорлық газға тікелей ұшырамауының нәтижесі болуы мүмкін.
SiO2/Si пластинасындағы полимерсіз тасымалданған NGF (NiAG) (2c суретті қараңыз): (a,b) Тасымалданған FS-NGF SEM кескіндері: төмен және жоғары үлкейту (панельдегі қызғылт сары шаршыға сәйкес келеді). Типтік аймақтар) – a). (c,d) Тасымалданған BS-NGF SEM кескіндері: төмен және жоғары үлкейту (c панеліндегі қызғылт сары шаршымен көрсетілген типтік аймаққа сәйкес келеді). (e, f) Тасымалданған FS- және BS-NGF AFM кескіндері. Көк көрсеткі FLG аймағын білдіреді – ашық контраст, көгілдір көрсеткі – қара MLG контрасты, қызыл көрсеткі – қара контраст NGF аймағын, қызыл көрсеткі қатпарды білдіреді.
Өсірілген және тасымалданған FS- және BS-NGF химиялық құрамы рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) арқылы талданды (4-сурет). Өлшенген спектрлерде әлсіз шың байқалды (4a, b-сурет), бұл өсірілген FS- және BS-NGF (NiAG) Ni субстратына (850 эВ) сәйкес келеді. Тасымалданған FS- және BS-NGF/SiO2/Si өлшенген спектрлерінде шыңдар жоқ (4c-сурет; BS-NGF/SiO2/Si үшін ұқсас нәтижелер көрсетілмеген), бұл тасымалданғаннан кейін қалдық Ni ластануы жоқ екенін көрсетеді. 4d–f суреттерінде FS-NGF/SiO2/Si C 1 s, O 1 s және Si 2p энергия деңгейлерінің жоғары ажыратымдылықтағы спектрлері көрсетілген. Графиттің C 1 s байланыс энергиясы 284,4 эВ 53,54 құрайды. Графит шыңдарының сызықтық пішіні, әдетте, 4d54 суретте көрсетілгендей, асимметриялық деп саналады. Жоғары ажыратымдылықтағы өзек деңгейіндегі C1s спектрі (4d сурет) таза тасымалды растады (яғни, полимер қалдықтарының жоқтығы), бұл алдыңғы зерттеулерге сәйкес келеді38. Жаңа өсірілген үлгінің (NiAG) және тасымалданғаннан кейінгі C1s спектрлерінің сызықтық ені сәйкесінше 0,55 және 0,62 эВ құрайды. Бұл мәндер SLG мәндерінен жоғары (SiO2 субстратындағы SLG үшін 0,49 эВ)38. Дегенмен, бұл мәндер жоғары бағытталған пиролитикалық графен үлгілері үшін бұрын хабарланған сызықтық ендерден аз (~0,75 эВ)53,54,55, бұл ағымдағы материалда ақаулы көміртек орындарының жоқтығын көрсетеді. C1s және O1s жер деңгейіндегі спектрлерінде де иықтар жоқ, бұл жоғары ажыратымдылықтағы шыңдарды деконволюциялау қажеттілігін жояды54. Графит үлгілерінде жиі байқалатын 291,1 эВ шамасында π → π* серіктік шыңы бар. Si 2p және O 1 s негізгі деңгейінің спектрлеріндегі 103 эВ және 532,5 эВ сигналдар (4e, f суретін қараңыз) сәйкесінше SiO2 56 субстратына жатқызылады. XPS - беттік сезімтал әдіс, сондықтан NGF тасымалына дейін және кейін анықталған Ni және SiO2-ге сәйкес келетін сигналдар FLG аймағынан шыққан деп есептеледі. Тасымалданған BS-NGF үлгілері үшін ұқсас нәтижелер байқалды (көрсетілмеген).
NiAG XPS нәтижелері: (ac) Өсірілген FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni және тасымалданған FS-NGF/SiO2/Si әртүрлі элементтік атомдық құрамдарының зерттеу спектрлері. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si үлгісінің C 1 s, O 1s және Si 2p негізгі деңгейлерінің жоғары ажыратымдылықтағы спектрлері.
Тасымалданған NGF кристалдарының жалпы сапасы рентгендік дифракция (XRD) көмегімен бағаланды. Тасымалданған FS- және BS-NGF/SiO2/Si типтік XRD үлгілері (SI8-сурет) графитке ұқсас 26,6° және 54,7° температурада дифракциялық шыңдардың (0 0 0 2) және (0 0 0 4) болуын көрсетеді. Бұл NGF-тің жоғары кристалдық сапасын растайды және тасымалдау кезеңінен кейін сақталатын d = 0,335 нм қабатаралық қашықтыққа сәйкес келеді. Дифракциялық шыңның қарқындылығы (0 0 0 2) дифракциялық шыңның (0 0 0 4) қарқындылығынан шамамен 30 есе үлкен, бұл NGF кристалдық жазықтығының үлгі бетімен жақсы тураланғанын көрсетеді.
SEM, Раман спектроскопиясы, XPS және XRD нәтижелеріне сәйкес, BS-NGF/Ni сапасы FS-NGF/Ni сапасымен бірдей екені анықталды, дегенмен оның орташа квадраттық кедір-бұдырлығы сәл жоғары болды (SI2, SI5 және SI7 суреттері).
Қалыңдығы 200 нм-ге дейінгі полимер тірек қабаттары бар SLG суда қалқып жүре алады. Бұл қондырғы полимер көмегімен ылғалды химиялық тасымалдау процестерінде жиі қолданылады22,38. Графен мен графит гидрофобты (ылғалды бұрыш 80–90°)57. Графен мен FLG-нің потенциалды энергия беттері өте тегіс, бетіндегі судың көлденең қозғалысы үшін төмен потенциалды энергиясы (~1 кДж/моль) бар екені туралы хабарланған58. Дегенмен, судың графенмен және графеннің үш қабатымен есептелген өзара әрекеттесу энергиялары шамамен −13 және −15 кДж/моль,58 құрайды, бұл судың NGF-пен (шамамен 300 қабат) өзара әрекеттесуі графенмен салыстырғанда төмен екенін көрсетеді. Бұл жеке тұрған NGF су бетінде тегіс болып қалуының, ал жеке тұрған графеннің (суда қалқып жүретін) бұралып, ыдырауының себептерінің бірі болуы мүмкін. NGF толығымен суға батырылған кезде (кедір-бұдыр және жалпақ NGF үшін нәтижелер бірдей), оның шеттері майысады (SI4-сурет). Толық батыру жағдайында, NGF-су өзара әрекеттесу энергиясы екі есеге жуық артады (қалқымалы NGF-пен салыстырғанда) және NGF шеттері жоғары жанасу бұрышын (гидрофобтылық) сақтау үшін бүктеледі деп күтілуде. Біз ендірілген NGF шеттерінің бұралуын болдырмау үшін стратегияларды әзірлеуге болады деп санаймыз. Бір тәсіл - графит қабықшасының сулану реакциясын модуляциялау үшін аралас еріткіштерді пайдалану59.
SLG-нің әртүрлі субстраттарға ылғалды химиялық тасымалдау процестері арқылы берілуі бұрын хабарланған болатын. Графен/графит пленкалары мен субстраттар арасында (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si бағандары22 сияқты қатты субстраттар және кружевной көміртекті пленкалар30, 34 немесе полиимид 37 сияқты икемді субстраттар) әлсіз ван-дер-Ваальс күштерінің бар екені жалпы қабылданған. Мұнда біз бір типтегі өзара әрекеттесулер басым болады деп есептейміз. Біз механикалық өңдеу кезінде (вакуумда және/немесе атмосфералық жағдайларда немесе сақтау кезінде сипаттама беру кезінде) осында көрсетілген субстраттардың ешқайсысы үшін NGF зақымдануын немесе қабыршақтануын байқамадық (мысалы, 2-сурет, SI7 және SI9). Сонымен қатар, біз NGF/SiO2/Si үлгісінің негізгі деңгейінің XPS C 1s спектрінде SiC шыңын байқамадық (4-сурет). Бұл нәтижелер NGF пен мақсатты субстрат арасында химиялық байланыс жоқ екенін көрсетеді.
Алдыңғы бөлімде, «FS- және BS-NGF полимерсіз тасымалдануы» бөлімінде біз NGF никель фольгасының екі жағында да өсіп, тасымалдана алатынын көрсеттік. Бұл FS-NGF және BS-NGF бетінің кедір-бұдырлығы жағынан бірдей емес, бұл бізді әр түрге ең қолайлы қолдануды зерттеуге итермеледі.
FS-NGF мөлдірлігі мен тегіс бетін ескере отырып, біз оның жергілікті құрылымын, оптикалық және электрлік қасиеттерін толығырақ зерттедік. Полимерді тасымалдамай FS-NGF құрылымы мен құрылымы трансмиссиялық электронды микроскопия (TEM) бейнелеу және таңдалған аймақтық электронды дифракция (SAED) үлгі талдауы арқылы сипатталды. Тиісті нәтижелер 5-суретте көрсетілген. Төмен үлкейтулі жазықтықтағы TEM бейнелеуінде әртүрлі электронды контраст сипаттамалары бар, яғни сәйкесінше күңгірт және ашық аймақтар бар NGF және FLG аймақтарының болуы анықталды (5a-сурет). Жалпы алғанда, пленка NGF және FLG әртүрлі аймақтары арасында жақсы механикалық тұтастық пен тұрақтылықты көрсетеді, жақсы қабаттасады және зақымдану немесе жыртылу болмайды, бұл SEM (3-сурет) және жоғары үлкейтулі TEM зерттеулерімен де расталды (5c-e-сурет). Атап айтқанда, 5d-суретте үшбұрышты пішінмен сипатталатын және ені шамамен 51 болатын графен қабатынан тұратын ең үлкен бөлігіндегі көпір құрылымы көрсетілген (5d-суретте қара нүктелі көрсеткімен белгіленген орын). 0,33 ± 0,01 нм жазықтық аралық аралығы бар құрам ең тар аймақтағы графеннің бірнеше қабатына дейін тотықсызданады (5d суреттегі қара көрсеткінің соңы).
Көміртекті шілтерлі мыс торындағы полимерсіз NiAG үлгісінің жазық TEM кескіні: (a, b) NGF және FLG аймақтарын қамтитын төмен үлкейтулі TEM кескіндері, (ce) a және b панельдеріндегі әртүрлі аймақтардың жоғары үлкейтулі кескіндері бірдей түсті көрсеткілермен белгіленген. a және c панельдеріндегі жасыл көрсеткілер сәулені туралау кезіндегі зақымданудың дөңгелек аймақтарын көрсетеді. (f–i) a-дан c-ге дейінгі панельдерде әртүрлі аймақтардағы SAED үлгілері сәйкесінше көк, көгілдір, қызғылт сары және қызыл шеңберлермен көрсетілген.
5c суретіндегі таспа құрылымы графит тор жазықтықтарының тік бағытын көрсетеді (қызыл көрсеткімен белгіленген), бұл пленка бойымен нанобөртпелердің пайда болуына байланысты болуы мүмкін (5c суреттегі кірістіру), артық өтелмеген ығысу кернеуіне байланысты30,61,62. Жоғары ажыратымдылықтағы TEM кезінде бұл нанобөртпелер 30 NGF аймағының қалған бөлігіне қарағанда басқаша кристаллографиялық бағытты көрсетеді; графит торының базальды жазықтықтары пленканың қалған бөлігі сияқты көлденең емес, дерлік тігінен бағытталған (5c суреттегі кірістіру). Сол сияқты, FLG аймағында кейде сызықтық және тар жолақ тәрізді қатпарлар (көк көрсеткілермен белгіленген) көрінеді, олар сәйкесінше 5b, 5e суреттерінде төмен және орташа үлкейту кезінде пайда болады. 5e суретіндегі кірістіру FLG секторында екі және үш қабатты графен қабаттарының болуын растайды (жазықтық аралық қашықтық 0,33 ± 0,01 нм), бұл біздің алдыңғы нәтижелерімізбен жақсы сәйкес келеді30. Сонымен қатар, жоғарыдан көрінетін ТЭМ өлшеулерін орындағаннан кейін (жоғарғы көріністегі ТЭМ өлшеулерін орындағаннан кейін) мыс торларына ауыстырылған полимерсіз NGF-тің жазылған SEM кескіндері SI9 суретінде көрсетілген. SI9f суретінде жақсы суспензияланған FLG аймағы (көк көрсеткімен белгіленген) және сынған аймақ. Көк көрсеткі (берілген NGF шетінде) FLG аймағының полимерсіз тасымалдау процесіне төтеп бере алатынын көрсету үшін әдейі көрсетілген. Қорытындылай келе, бұл кескіндер ішінара суспензияланған NGF (FLG аймағын қоса алғанда) TEM және SEM өлшеулері кезінде қатаң өңдеуден және жоғары вакуумға ұшырағаннан кейін де механикалық тұтастығын сақтайтынын растайды (SI9 сурет).
NGF-тің тамаша жазықтығына байланысты (5a суретін қараңыз), SAED құрылымын талдау үшін қабыршақтарды [0001] домен осі бойымен бағыттау қиын емес. Қабыршақтың жергілікті қалыңдығына және оның орналасқан жеріне байланысты электронды дифракцияны зерттеу үшін бірнеше қызығушылық аймақтары (12 нүкте) анықталды. 5a–c суреттерінде осы типтік аймақтардың төртеуі көрсетілген және түрлі-түсті шеңберлермен (көк, көгілдір, қызғылт сары және қызыл кодталған) белгіленген. SAED режимі үшін 2 және 3 суреттер. 5f және g суреттері 5 және 5 суреттерде көрсетілген FLG аймағынан алынған. Сәйкесінше 5b және c суреттерінде көрсетілгендей. Олардың бұралған графенге ұқсас алтыбұрышты құрылымы бар63. Атап айтқанда, 5f суретінде [0001] аймақ осінің бағыты бірдей, 10° және 20° бұрылған үш қабаттасқан үлгі көрсетілген, бұл үш (10-10) шағылысу жұбының бұрыштық сәйкессіздігімен дәлелденеді. Сол сияқты, 5g суретте 20°-қа бұрылған екі қабаттасқан алтыбұрышты үлгі көрсетілген. FLG аймағындағы алтыбұрышты үлгілердің екі немесе үш тобы бір-біріне қатысты бұрылған үш жазықтықтағы немесе жазықтықтан тыс графен қабаттарынан 33 пайда болуы мүмкін. Керісінше, 5h,i суретіндегі (5a суретте көрсетілген NGF аймағына сәйкес) электронды дифракция үлгілері материалдың қалыңдығына сәйкес келетін жалпы жоғары нүктелік дифракция қарқындылығы бар бір [0001] үлгіні көрсетеді. Бұл SAED модельдері 64 индексінен алынғандай, FLG-ге қарағанда қалыңырақ графиттік құрылымға және аралық бағдарға сәйкес келеді. NGF кристалдық қасиеттерінің сипаттамасы екі немесе үш қабаттасқан графит (немесе графен) кристаллиттерінің бірге өмір сүруін көрсетті. FLG аймағында ерекше назар аударарлық нәрсе - кристаллиттердің белгілі бір дәрежеде жазықтықтағы немесе жазықтықтан тыс бағдарланбауы. Ni 64 пленкаларында өсірілген NGF үшін бұрын 17°, 22° және 25° жазықтықтағы айналу бұрыштары бар графит бөлшектері/қабаттары туралы хабарланған болатын. Бұл зерттеуде байқалған айналу бұрышының мәндері бұралған BLG63 графені үшін бұрын байқалған айналу бұрыштарымен (±1°) сәйкес келеді.
NGF/SiO2/Si электрлік қасиеттері 300 К температурада 10×3 мм2 аумақта өлшенді. Электрон тасымалдаушыларының концентрациясы, қозғалғыштығы және өткізгіштігінің мәндері сәйкесінше 1,6 × 1020 см-3, 220 см-2 V-1 C-1 және 2000 S-см-1 құрайды. Біздің NGF қозғалғыштығы мен өткізгіштігінің мәндері табиғи графитке ұқсас2 және коммерциялық қолжетімді жоғары бағытталған пиролитикалық графиттен (3000 °C температурада өндірілген) жоғары29. Байқалған электрон тасымалдаушыларының концентрациясының мәндері жоғары температуралы (3200 °C) полиамидті парақтарды пайдаланып дайындалған микрон қалыңдығы бар графит пленкалары үшін жақында хабарланған мәндерден (7,25 × 10 см-3) екі есе жоғары20.
Біз сондай-ақ кварц субстраттарына ауыстырылған FS-NGF-те УК-көрінетін өткізгіштік өлшемдерін жүргіздік (6-сурет). Алынған спектр 350–800 нм диапазонында 62% тұрақты өткізгіштікті көрсетеді, бұл NGF көрінетін жарыққа мөлдір екенін көрсетеді. Шын мәнінде, «KAUST» атауын 6b-суреттегі үлгінің сандық фотосуретінен көруге болады. NGF нанокристалды құрылымы SLG-ден өзгеше болғанымен, қабаттар санын қосымша қабат үшін 2,3% өткізгіштік шығыны ережесін қолдана отырып шамамен бағалауға болады65. Осы қатынасқа сәйкес, өткізгіштік шығыны 38% болатын графен қабаттарының саны 21 құрайды. Өсірілген NGF негізінен 300 графен қабатынан тұрады, яғни қалыңдығы шамамен 100 нм (1-сурет, SI5 және SI7). Сондықтан, байқалған оптикалық мөлдірлік FLG және MLG аймақтарына сәйкес келеді деп есептейміз, себебі олар пленка бойымен таралған (1, 3, 5 және 6c-суреттер). Жоғарыда келтірілген құрылымдық деректерден басқа, өткізгіштік пен мөлдірлік берілетін ЖЖҚ-ның жоғары кристалдық сапасын растайды.
(a) УК-көрінетін өткізгіштікті өлшеу, (b) репрезентативті үлгіні пайдалана отырып, кварцтағы NGF-тің типтік тасымалдануы. (c) Үлгі бойынша біркелкі таралған FLG және MLG аймақтары сұр кездейсоқ пішіндермен белгіленген NGF схемасы (қара жәшік) (1-суретті қараңыз) (100 мкм2-ге шамамен 0,1–3% аудан). Диаграммадағы кездейсоқ пішіндер мен олардың өлшемдері тек иллюстрациялық мақсаттар үшін берілген және нақты аудандарға сәйкес келмейді.
CVD арқылы өсірілген мөлдір NGF бұрын жалаңаш кремний беттеріне ауыстырылып, күн батареяларында қолданылған15,16. Нәтижесінде алынған қуатты түрлендіру тиімділігі (PCE) 1,5% құрайды. Бұл NGF белсенді қосылыс қабаттары, заряд тасымалдау жолдары және мөлдір электродтар15,16 сияқты бірнеше функцияларды орындайды. Дегенмен, графит пленкасы біркелкі емес. Графит электродының парақ кедергісін және оптикалық өткізгіштігін мұқият бақылау арқылы одан әрі оңтайландыру қажет, себебі бұл екі қасиет күн батареясының PCE мәнін анықтауда маңызды рөл атқарады15,16. Әдетте, графен пленкалары көрінетін жарық үшін 97,7% мөлдір, бірақ парақ кедергісі 200–3000 ом/кв.16 құрайды. Графен пленкаларының беттік кедергісін қабаттар санын көбейту (графен қабаттарын бірнеше рет тасымалдау) және HNO3-пен (~30 Ом/кв.)66 легирлеу арқылы азайтуға болады. Дегенмен, бұл процесс ұзақ уақытты алады және әртүрлі тасымалдау қабаттары әрқашан жақсы жанасуды сақтай бермейді. Біздің алдыңғы жағындағы NGF өткізгіштігі 2000 С/см, пленка парағының кедергісі 50 Ом/ш.м және мөлдірлігі 62% сияқты қасиеттерге ие, бұл оны күн батареяларындағы өткізгіш арналар немесе қарсы электродтар үшін тиімді балама етеді15,16.
BS-NGF құрылымы мен бетінің химиясы FS-NGF-ке ұқсас болғанымен, оның кедір-бұдырлығы әртүрлі («FS- және BS-NGF өсуі»). Бұрын біз газ сенсоры ретінде ультра жұқа қабықшалы графит22 қолдандық. Сондықтан біз газды сезу тапсырмалары үшін BS-NGF пайдалану мүмкіндігін тексердік (SI10 сурет). Алдымен, BS-NGF мм2 өлшемді бөліктері санаралық электрод сенсорының чипіне ауыстырылды (SI10a-c сурет). Чиптің өндірістік мәліметтері бұрын хабарланған болатын; оның белсенді сезімтал аймағы 9 мм267 құрайды. SEM суреттерінде (SI10b және c суреттері), астыңғы алтын электрод NGF арқылы айқын көрінеді. Тағы да, барлық үлгілер үшін біркелкі чип жамылғысына қол жеткізілгенін көруге болады. Әртүрлі газдардың газ сенсорының өлшемдері жазылды (SI10d суреті) (SI11 суреті) және алынған жауап беру жылдамдығы SI10g суреттерінде көрсетілген. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) және NH3 (200 ppm) сияқты басқа кедергі келтіретін газдармен болуы мүмкін. Мүмкін себептердің бірі - NO2. Газдың электрофильді табиғаты22,68. Графен бетіне адсорбцияланған кезде, ол жүйенің электрондардың ток сіңіруін азайтады. BS-NGF сенсорының жауап беру уақытының деректерін бұрын жарияланған сенсорлармен салыстыру SI2 кестесінде келтірілген. Ашық үлгілерді ультракүлгін плазма, O3 плазмасы немесе термиялық (50–150°C) өңдеу арқылы NGF сенсорларын қайта белсендіру механизмі жалғасуда, ең дұрысы, ендірілген жүйелерді енгізу69.
CVD процесі кезінде графеннің өсуі катализатор субстратының екі жағында да жүреді41. Дегенмен, BS-графен әдетте тасымалдау процесінде шығарылады41. Бұл зерттеуде біз катализатор тірегінің екі жағында да жоғары сапалы NGF өсуіне және полимерсіз NGF тасымалына қол жеткізуге болатынын көрсетеміз. BS-NGF FS-NGF-ке (~100 нм) қарағанда жұқа (~80 нм) және бұл айырмашылық BS-Ni прекурсорлық газ ағынына тікелей ұшырамайтындығымен түсіндіріледі. Біз сондай-ақ NiAR субстратының кедір-бұдырлығы NGF кедір-бұдырлығына әсер ететінін анықтадық. Бұл нәтижелер өсірілген жазық FS-NGF-ті графен үшін прекурсорлық материал ретінде (қабықтау әдісімен70) немесе күн батареяларындағы өткізгіш канал ретінде пайдалануға болатынын көрсетеді15,16. Керісінше, BS-NGF газды анықтау үшін (SI9-сурет) және мүмкін энергия сақтау жүйелері үшін71,72 қолданылады, мұнда оның бетінің кедір-бұдырлығы пайдалы болады.
Жоғарыда айтылғандарды ескере отырып, қазіргі жұмысты бұрын жарияланған CVD әдісімен және никель фольгасын пайдаланып өсірілген графит пленкаларымен біріктіру пайдалы. 2-кестеден көріп отырғанымыздай, біз қолданған жоғары қысымдар салыстырмалы түрде төмен температурада да (850–1300 °C диапазонында) реакция уақытын (өсу кезеңін) қысқартты. Біз сондай-ақ әдеттегіден үлкен өсімге қол жеткіздік, бұл кеңею әлеуетін көрсетеді. Басқа да факторларды ескеру қажет, олардың кейбірін біз кестеге енгіздік.
Екі жақты жоғары сапалы NGF никель фольгасында каталитикалық CVD әдісімен өсірілді. Дәстүрлі полимерлі субстраттарды (мысалы, CVD графенінде қолданылатындар) алып тастау арқылы біз NGF-тің (никель фольгасының артқы және алдыңғы жағында өсірілген) әртүрлі технологиялық маңызды субстраттарға таза және ақаусыз ылғалды тасымалдануына қол жеткіземіз. Атап айтқанда, NGF қалың қабықшаға құрылымдық тұрғыдан жақсы интеграцияланған FLG және MLG аймақтарын (әдетте 100 мкм2-ге 0,1%-дан 3%-ға дейін) қамтиды. Жазық TEM бұл аймақтардың екі-үш графит/графен бөлшектерінің (сәйкесінше кристалдар немесе қабаттар) стектерінен тұратынын көрсетеді, олардың кейбіреулерінің айналу сәйкессіздігі 10-20° құрайды. FLG және MLG аймақтары FS-NGF-тің көрінетін жарыққа мөлдірлігіне жауап береді. Артқы парақтарға келетін болсақ, оларды алдыңғы парақтарға параллель тасымалдауға болады және көрсетілгендей, функционалды мақсатқа ие болуы мүмкін (мысалы, газды анықтау үшін). Бұл зерттеулер өнеркәсіптік масштабтағы CVD процестерінде қалдықтар мен шығындарды азайту үшін өте пайдалы.
Жалпы алғанда, CVD NGF орташа қалыңдығы (төмен және көп қабатты) графен мен өнеркәсіптік (микрометрлік) графит парақтарының арасында орналасқан. Олардың қызықты қасиеттерінің ауқымы, оларды өндіру және тасымалдау үшін біз әзірлеген қарапайым әдіспен үйлесімде, бұл пленкаларды қазіргі уақытта қолданылатын энергияны көп қажет ететін өнеркәсіптік өндіріс процестерінің шығынынсыз графиттің функционалдық реакциясын қажет ететін қолданбалар үшін ерекше қолайлы етеді.
Қалыңдығы 25 мкм болатын никель фольгасы (99,5% тазалық, Goodfellow) коммерциялық CVD реакторына (Aixtron 4 дюймдік BMPro) орнатылды. Жүйе аргонмен тазартылып, 10-3 мбар негізгі қысымға дейін эвакуацияланды. Содан кейін никель фольгасы Ar/H2-ге орналастырылды (Ni фольгасын 5 минут алдын ала күйдіргеннен кейін, фольга 900 °C температурада 500 мбар қысымға ұшырады. NGF CH4/H2 ағынында (әрқайсысы 100 см3) 5 минут бойы тұнды. Содан кейін үлгі 40 °C/мин жылдамдықпен Ar ағынын (4000 см3) пайдаланып 700 °C-тан төмен температураға дейін салқындатылды. NGF өсу процесін оңтайландыру туралы мәліметтер басқа жерде сипатталған30.
Үлгінің беттік морфологиясы Zeiss Merlin микроскопын (1 кВ, 50 пА) пайдаланып SEM арқылы көрінді. Үлгі бетінің кедір-бұдырлығы мен NGF қалыңдығы AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) көмегімен өлшенді. TEM және SAED өлшеулері соңғы нәтижелерді алу үшін жоғары жарықтықты өріс эмиссиялық зеңбірекпен (300 кВ), FEI Wien типті монохроматормен және CEOS линзасының сфералық аберрация түзеткішімен жабдықталған FEI Titan 80–300 Cubed микроскопын пайдаланып жүргізілді. кеңістіктік ажыратымдылық 0,09 нм. NGF үлгілері жалпақ TEM бейнелеу және SAED құрылымын талдау үшін көміртекті кружевпен қапталған мыс торларына ауыстырылды. Осылайша, үлгі флоктарының көпшілігі тірек мембранасының тесіктерінде ілініп тұрады. Ауыстырылған NGF үлгілері рентгендік рефлюкс арқылы талданды. Рентгендік дифракциялық үлгілер сәулелік нүктенің диаметрі 3 мм болатын Cu сәулелену көзінен жасалған ұнтақ дифрактометрін (Brucker, Cu Kα көзі бар D2 фазалық ығыстырғыш, 1,5418 Å және LYNXEYE детекторы) пайдаланып алынды.
Интеграциялық конфокальды микроскоп (Alpha 300 RA, WITeC) көмегімен бірнеше Раман нүктелік өлшемдері жазылды. Термиялық индукцияланған әсерлерді болдырмау үшін қоздыру қуаты төмен (25%) 532 нм лазер қолданылды. Рентгендік фотоэлектронды спектроскопия (XPS) Kratos Axis Ultra спектрометрінде 300 × 700 мкм2 үлгі ауданында 150 Вт қуатта монохроматикалық Al Kα сәулеленуін (hν = 1486,6 эВ) пайдаланып жүргізілді. Ажыратымдылық спектрлері сәйкесінше 160 эВ және 20 эВ беріліс энергияларында алынды. SiO2-ге ауыстырылған NGF үлгілері 30 Вт қуатта PLS6MW (1,06 мкм) иттербий талшықты лазерін пайдаланып бөліктерге (әрқайсысы 3 × 10 мм2) кесілді. Мыс сым контактілері (қалыңдығы 50 мкм) оптикалық микроскоп астында күміс пастасын пайдаланып жасалды. Электрлік тасымалдау және Холл эффектісі бойынша тәжірибелер осы үлгілерде 300 К температурада және магнит өрісінің ± 9 Тесла ауытқуында физикалық қасиеттерді өлшеу жүйесінде (PPMS EverCool-II, Quantum Design, АҚШ) жүргізілді. Өткізілген УК-көрінетін спектрлер кварц субстраттарына және кварц эталондық үлгілеріне ауыстырылған 350-800 нм NGF диапазонындағы Lambda 950 УК-көрінетін спектрофотометрін пайдаланып жазылды.
Химиялық кедергі сенсоры (цифраралық электрод чипі) арнайы баспа схемалық тақтасына 73 қосылды және кедергі уақытша алынып тасталды. Құрылғы орналасқан баспа схемалық тақта байланыс терминалдарына қосылып, газды сезу камерасының 74 ішіне орналастырылды. Кедергі өлшеулері 1 В кернеуде тазартудан газдың әсеріне дейін үздіксіз сканерлеу арқылы алынды, содан кейін қайтадан тазартылды. Камера бастапқыда ылғалды қоса алғанда, камерада бар барлық басқа аналиттердің жойылуын қамтамасыз ету үшін 200 см3 азотпен 1 сағат бойы тазарту арқылы тазартылды. Содан кейін жеке аналиттер N2 цилиндрін жабу арқылы камераға 200 см3 ағын жылдамдығымен баяу шығарылды.
Осы мақаланың қайта қаралған нұсқасы жарияланды және оны мақаланың жоғарғы жағындағы сілтеме арқылы оқуға болады.
Инагаки, М. және Канг, Ф. Көміртекті материалдар ғылымы және инженериясы: негіздері. Екінші басылым өңделген. 2014. 542.
Пирсон, ХО Көміртек, графит, алмас және фуллерендердің анықтамалығы: қасиеттері, өңдеуі және қолданылуы. Бірінші басылым редакцияланған. 1994, Нью-Джерси.
Цай, В. және т.б. Мөлдір жұқа өткізгіш электродтар ретіндегі үлкен аумақты көп қабатты графен/графит пленкалары. Қолданылуы. Физика. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин А.А. Графен мен наноқұрылымды көміртекті материалдардың термиялық қасиеттері. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Ченг К.Ю., Браун П.В. және Кахилл Д.Г. Төмен температуралы химиялық бумен тұндыру арқылы Ni (111) өсірілген графит қабықшаларының жылу өткізгіштігі. үстеу. Мат. Интерфейс 3, 16 (2016).
Хесьедал, Т. Графен қабықшаларының химиялық бу тұндыру арқылы үздіксіз өсуі. Қолданылуы. Физика. Райт. 98(13), 133106(2011).
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 23 тамыз