Spas ji bo serdana Nature.com. Guhertoya geroka ku hûn bikar tînin piştgiriya CSS-ê bi sînor e. Ji bo encamên çêtirîn, em pêşniyar dikin ku hûn guhertoyek nûtir a geroka xwe bikar bînin (an jî Moda Lihevhatinê di Internet Explorer-ê de neçalak bikin). Di vê navberê de, ji bo misogerkirina piştgiriya domdar, em malperê bêyî şêwazkirin an JavaScript-ê nîşan didin.
Fîlmên grafîtê yên pîvana nano (NGF) nanomateryalên bihêz in ku dikarin bi rêya danîna buhara kîmyewî ya katalîtîk werin hilberandin, lê pirs li ser hêsaniya veguhastina wan û ka morfolojiya rûyê çawa bandorê li karanîna wan di cîhazên nifşê pêşerojê de dike dimînin. Li vir em mezinbûna NGF li her du aliyên pelê nîkelê ya polîkrîstalîn (rûber 55 cm2, qalindahî nêzîkî 100 nm) û veguhastina wê ya bê polîmer (pêş û paş, rûber heta 6 cm2) radigihînin. Ji ber morfolojiya pelê katalîzator, her du fîlmên karbonê di taybetmendiyên xwe yên fîzîkî û taybetmendiyên din de (wek hişkbûna rûyê) ji hev cûda dibin. Em nîşan didin ku NGF-yên bi piştek hişktir ji bo tespîtkirina NO2 baş guncan in, di heman demê de NGF-yên nermtir û guhêrbartir li aliyê pêş (2000 S/cm, berxwedana pelê - 50 ohms/m2) dikarin bibin rêberên guncan. kanal an elektroda şaneya rojê (ji ber ku ew 62% ji ronahiya xuya vediguhezîne). Bi tevahî, pêvajoyên mezinbûn û veguhastinê yên ku hatine vegotin dikarin bibin alîkar ku NGF wekî materyalek karbonê ya alternatîf ji bo sepanên teknolojîk pêk were ku fîlmên grafînê yên grafîn û mîkron-stûr ne guncan in.
Grafît materyalek pîşesaziyê ye ku bi berfirehî tê bikar anîn. Bi taybetî, grafît xwedan taybetmendiyên dendika girseya nisbeten kêm û guhêzbariya germî û elektrîkê ya di nav balafirê de ya bilind e, û di hawîrdorên germî û kîmyewî yên dijwar de pir aram e1,2. Grafîta pelçiqandî materyalek destpêkê ya naskirî ye ji bo lêkolîna grafînê3. Dema ku dibe fîlimên zirav, ew dikare di rêzek fireh a serîlêdanan de were bikar anîn, di nav de rakêşên germê ji bo cîhazên elektronîkî yên wekî têlefonên jîr4,5,6,7, wekî materyalek çalak di sensoran8,9,10 û ji bo parastina destwerdana elektromagnetîk11.12 û fîlim ji bo lîtografiyê di ultraviyole ya ekstrem13,14, kanalên guhêzbar di şaneyên rojê de15,16. Ji bo van hemî serîlêdanan, dê avantajek girîng be ger deverên mezin ên fîlimên grafîtê (NGF) bi qalindahiyên ku di pîvana nanoyê de <100 nm têne kontrol kirin, bi hêsanî werin hilberandin û veguhastin.
Fîlmên grafîtê bi rêbazên cûrbecûr têne hilberandin. Di rewşekê de, ji bo hilberandina perçeyên grafînê, pêçandin û berfirehkirin û dû re jî pilingkirin hatin bikar anîn10,11,17. Divê perçe bêtir werin hilberandin bo fîlmên bi qalindahiya pêwîst, û pir caran çend rojan digire ku pelên grafîtê yên zirav werin hilberandin. Rêbazek din jî ew e ku meriv bi pêşgirên zexm ên grafîtkirî dest pê bike. Di pîşesaziyê de, pelên polîmeran têne karbonîzekirin (di 1000–1500 °C de) û dûv re têne grafîtkirin (di 2800–3200 °C de) da ku materyalên qatkirî yên baş-avakirî çêbikin. Her çend kalîteya van fîlman bilind be jî, xerckirina enerjiyê girîng e1,18,19 û qalindahiya herî kêm bi çend mîkronan ve sînorkirî ye1,18,19,20.
Depokirina buxara kîmyewî ya katalîtîk (CVD) rêbazek baş-naskirî ye ji bo hilberandina grafînê û fîlmên grafîtê yên ultra-tenik (<10 nm) bi kalîteya avahîsaziyê ya bilind û lêçûnek maqûl21,22,23,24,25,26,27. Lêbelê, li gorî mezinbûna grafînê û fîlmên grafîtê yên ultra-tenik28, mezinbûna qada mezin û/an sepandina NGF bi karanîna CVD hîn kêmtir lêkolînkirî ye11,13,29,30,31,32,33.
Fîlmên grafîn û grafîtê yên ku bi CVD-ê hatine çandin pir caran hewce ne ku li ser substratên fonksiyonel werin veguheztin34. Ev veguheztinên fîlmên zirav du rêbazên sereke dihewînin35: (1) veguheztina bê-gravkirin36,37 û (2) veguheztina kîmyewî ya şil a li ser bingeha gravkirinê (bi substratê ve tê piştgirîkirin)14,34,38. Her rêbazek hin avantaj û dezavantaj hene û divê li gorî serîlêdana armanckirî were hilbijartin, wekî ku li cîhek din hatiye vegotin35,39. Ji bo fîlmên grafîn/grafîtê yên ku li ser substratên katalîtîk têne çandin, veguheztin bi rêya pêvajoyên kîmyewî yên şil (ku ji wan polîmetîl metakrîlat (PMMA) qata piştgiriyê ya herî zêde tê bikar anîn e) bijareya yekem dimîne13,30,34,38,40,41,42. You et al. Hate gotin ku ji bo veguheztina NGF-ê tu polîmer nehatiye bikar anîn (mezinahiya nimûneyê bi qasî 4 cm2 ye)25,43, lê di derbarê aramiya nimûneyê û/an destgirtinê de di dema veguheztinê de tu hûrgulî nehatine dayîn; Pêvajoyên kîmyaya şil ên ku polîmeran bikar tînin ji çend gavan pêk tên, di nav de sepandin û paşê rakirina qatek polîmer a qurbanî30,38,40,41,42. Ev pêvajo xwedî dezavantajên xwe ye: mînakî, bermayiyên polîmer dikarin taybetmendiyên fîlma mezinbûyî biguherînin38. Pêvajoya zêde dikare polîmera mayî jê bike, lê ev gavên zêde lêçûn û dema hilberîna fîlmê zêde dikin38,40. Di dema mezinbûna CVD de, qatek grafînê ne tenê li aliyê pêş ê pelê katalîzator (aliyê ku ber bi herikîna buharê ve ye), lê di heman demê de li aliyê wê yê paşîn jî tê danîn. Lêbelê, ya paşîn wekî berhemek bermayî tê hesibandin û dikare bi lez ji hêla plazmaya nerm ve were rakirin38,41. Vegerandina vê fîlmê dikare bibe alîkar ku berhem zêde bibe, her çend ew ji fîlma karbonê ya rû kêmtir be jî.
Li vir, em amadekirina mezinbûna duqatî ya NGF-ê ya di asta waferê de bi kalîteya avahîsaziyê ya bilind li ser pelê nîkelê yê polîkrîstalîn bi rêya CVD radigihînin. Nirxandinek hat kirin ka çawa xavbûna rûyê pêş û paş ê pelê bandorê li morfolojî û avahiya NGF-ê dike. Her wiha em veguhestina NGF-ê ya bê polîmer a lêçûn-bandor û jîngehparêz ji her du aliyên pelê nîkelê li ser substratên pirfonksiyonel nîşan didin û nîşan didin ka fîlmên pêş û paş çawa ji bo serîlêdanên cûrbecûr guncan in.
Beşên jêrîn li ser qalindahiyên cûda yên fîlmên grafîtê li gorî hejmara qatên grafînê yên li ser hev hatine rêzkirin nîqaş dikin: (i) grafîna yekqatî (SLG, 1 qat), (ii) grafîna çendqatî (FLG, < 10 qat), (iii) grafîna pirqatî (MLG, 10-30 qat) û (iv) NGF (~300 qat). Ya paşîn qalindahiya herî gelemperî ye ku wekî rêjeyek ji rûberê tê îfade kirin (bi qasî 97% rûber ji bo her 100 µm2)30. Ji ber vê yekê tevahiya fîlm bi tenê wekî NGF tê binav kirin.
Pelên nîkelê yên polîkrîstalîn ên ku ji bo senteza fîlmên grafîn û grafîtê têne bikar anîn, ji ber çêkirin û pêvajoya wan a paşê, xwedî teksturên cûda ne. Me vê dawiyê lêkolînek ragihand da ku pêvajoya mezinbûna NGF30 çêtir bikin. Em nîşan didin ku parametreyên pêvajoyê yên wekî dema germkirinê û zexta odeyê di qonaxa mezinbûnê de rolek girîng di bidestxistina NGF-yên bi qalindahiya yekreng de dilîzin. Li vir, me mezinbûna NGF-ê li ser rûyên pêş ên cilkirî (FS) û paş ên necilkirî (BS) yên pelê nîkelê bêtir lêkolîn kir (Wêne 1a). Sê celeb nimûneyên FS û BS hatin lêkolîn kirin, ku di Tabloya 1-ê de hatine navnîş kirin. Bi vekolîna dîtbarî, mezinbûna yekreng a NGF-ê li her du aliyên pelê nîkelê (NiAG) dikare bi guheztina rengê substrata Ni ya girseyî ji rengek gewrê zîvîn a metalîk a taybetmendî berbi rengek gewr a mat were dîtin (Wêne 1a); pîvandinên mîkroskopîk hatin piştrast kirin (Wêne 1b, c). Spektrumek Raman a tîpîk a FS-NGF-ê ku di herêma geş de tê dîtin û bi tîrên sor, şîn û porteqalî di Wêne 1b de tê nîşandan, di Wêne 1c de tê nîşandan. Lûtkeyên Raman ên taybetmend ên grafît G (1683 cm−1) û 2D (2696 cm−1) mezinbûna NGF-ya pir krîstalî piştrast dikin (Wêne 1c, Tabloya SI1). Li seranserê fîlmê, serdestiya spektrumên Raman bi rêjeya şîddetê (I2D/IG) ~0.3 hate dîtin, lê spektrumên Raman bi I2D/IG = 0.8 kêm caran hatin dîtin. Nebûna lûtkeyên xelet (D = 1350 cm-1) di tevahiya fîlmê de kalîteya bilind a mezinbûna NGF nîşan dide. Encamên Raman ên wekhev li ser nimûneya BS-NGF hatin bidestxistin (Wêne SI1 a û b, Tabloya SI1).
Berawirdkirina NiAG FS- û BS-NGF: (a) Wêneya nimûneyek tîpîk a NGF (NiAG) ku mezinbûna NGF di pîvana wafer (55 cm2) de nîşan dide û nimûneyên pelê BS- û FS-Ni yên encam, (b) Wêneyên FS-NGF/Ni yên ku bi mîkroskopa optîkî hatine bidestxistin, (c) spektrumên Raman ên tîpîk ên ku di pozîsyonên cûda de di panela b de hatine tomar kirin, (d, f) Wêneyên SEM bi mezinbûnên cûda li ser FS-NGF/Ni, (e, g) Wêneyên SEM bi mezinbûnên cûda Setên BS-NGF/Ni. Tîra şîn herêma FLG nîşan dide, tîra porteqalî herêma MLG (nêzîkî herêma FLG) nîşan dide, tîra sor herêma NGF nîşan dide, û tîra magenta qatbûnê nîşan dide.
Ji ber ku mezinbûn bi qalindahiya substrata destpêkê, mezinahiya krîstal, arasteyê û sînorên dendikan ve girêdayî ye, bidestxistina kontroleke maqûl a qalindahiya NGF li ser deverên mezin hîn jî dijwar e20,34,44. Ev lêkolîn naveroka ku me berê weşandibû bi kar anî30. Ev pêvajo herêmeke geş ji %0,1 heta %3 di her 100 µm de çêdike230. Di beşên jêrîn de, em encamên ji bo her du celeb herêman pêşkêş dikin. Wêneyên SEM-ê yên bi mezinkirina bilind hebûna çend deverên berevajî yên geş li her du aliyan nîşan didin (Wêne 1f,g), ku hebûna herêmên FLG û MLG nîşan dide30,45. Ev yek bi belavbûna Raman (Wêne 1c) û encamên TEM-ê jî hate piştrast kirin (ku paşê di beşa "FS-NGF: avahî û taybetmendî" de tê nîqaş kirin). Herêmên FLG û MLG-ê yên ku li ser nimûneyên FS- û BS-NGF/Ni (NGF-ya pêş û paş a li ser Ni mezin bûye) hatine dîtin, dibe ku li ser dendikên mezin ên Ni(111) ên ku di dema pêş-tevlihevkirinê de çêbûne mezin bûne22,30,45. Li her du aliyan qatkirin hate dîtin (Wêne 1b, bi tîrên binefşî hatiye nîşankirin). Ev qatkirin pir caran di fîlmên grafîn û grafîtê yên ku bi CVD-yê hatine çandin de têne dîtin ji ber cûdahiya mezin a di katsayiya berfirehbûna germî de di navbera grafît û substrata nîkelê de30,38.
Wêneya AFM piştrast kir ku nimûneya FS-NGF ji nimûneya BS-NGF asttir bû (Wêneya SI1) (Wêneya SI2). Nirxên hişkbûna navînî ya kokê (RMS) yên FS-NGF/Ni (Wêneya SI2c) û BS-NGF/Ni (Wêneya SI2d) bi rêzê ve 82 û 200 nm ne (li ser rûberek 20 × 20 μm2 hatine pîvandin). Hişkbûna bilindtir dikare li gorî analîza rûyê pelê nîkel (NiAR) di rewşa wergirtinê de were fêm kirin (Wêneya SI3). Wêneyên SEM ên FS û BS-NiAR di Wêneyên SI3a-d de têne nîşandan, ku morfolojiyên rûyê yên cûda nîşan didin: pelê FS-Ni yê cilkirî perçeyên sferîk ên bi mezinahiya nano- û mîkron hene, lê pelê BS-Ni yê necilkirî nerdivanek hilberînê nîşan dide. wekî perçeyên bi hêz û daketinek bilind. Wêneyên çareseriya nizm û bilind ên pelê nîkelê yê germkirî (NiA) di Wêneya SI3e-h de têne nîşandan. Di van wêneyan de, em dikarin hebûna çend perçeyên nîkelê yên bi mezinahiya mîkron li her du aliyên pelê nîkelê bibînin (Wêne SI3e-h). Dendikên mezin dikarin xwedî rûberek Ni(111) bin, wekî ku berê hatiye ragihandin30,46. Di navbera FS-NiA û BS-NiA de di morfolojiya pelê nîkelê de cûdahiyên girîng hene. Hişkbûna bilindtir a BS-NGF/Ni ji ber rûyê nepolîşkirî yê BS-NiAR e, ku rûyê wê heta piştî germkirinê jî pir hişk dimîne (Wêne SI3). Ev celeb taybetmendiya rûyê berî pêvajoya mezinbûnê dihêle ku hişkbûna fîlmên grafîn û grafîtê were kontrol kirin. Divê were zanîn ku substrata orîjînal di dema mezinbûna grafînê de hin ji nû ve rêxistinbûna dendikan derbas kir, ku mezinahiya dendikan hinekî kêm kir û hişkbûna rûyê substratê hinekî zêde kir li gorî pelê germkirî û fîlma katalîzator22.
Rêkxistina hûr a hişkbûna rûyê substratê, dema germkirinê (mezinahiya dendikan)30,47 û kontrola berdanê43 dê bibe alîkar ku yekrengiya qalindahiya NGF ya herêmî kêm bibe heta pîvana µm2 û/an jî nm2 (ango, guherînên qalindahiya çend nanometreyan). Ji bo kontrolkirina hişkbûna rûyê substratê, rêbazên wekî cilandina elektrolîtîk a pelê nîkelê yê encam dikarin werin hesibandin48. Dûv re pelê nîkelê yê pêş-dermankirî dikare di germahiyek nizmtir (< 900 °C)46 û dem (< 5 deqe) de were germkirin da ku ji çêbûna dendikên mezin ên Ni(111) (ku ji bo mezinbûna FLG sûdmend e) dûr bikeve.
Grafêna SLG û FLG nikarin li hember tansiyona rûyê asîd û avê bisekinin, ji ber vê yekê di pêvajoyên veguhastina kîmyewî ya şil de pêdivî bi tebeqeyên piştgiriya mekanîkî heye22,34,38. Berevajî veguhastina kîmyewî ya şil a grafêna yek-tebeqeyî ya bi polîmer piştgirîkirî38, me dît ku her du aliyên NGF-ya ku hatiye çandin dikarin bêyî piştgiriya polîmer werin veguhastin, wekî ku di Wêne 2a de tê xuyang kirin (ji bo bêtir hûrguliyan li Wêne SI4a binêre). Veguhestina NGF-ê bo substratek diyarkirî bi gravkirina şil a fîlima Ni30.49-ya bingehîn dest pê dike. Nimûneyên NGF/Ni/NGF-ya mezinbûyî şevekê di 15 mL HNO3-ya %70-ê de ku bi 600 mL ava deyonîzekirî (DI) tê şil kirin, hatin danîn. Piştî ku pelika Ni bi tevahî dihele, FS-NGF rûber dimîne û li ser rûyê şilekê diherike, mîna nimûneya NGF/Ni/NGF, dema ku BS-NGF di nav avê de tê binav kirin (Wêne 2a,b). Dû re NGF-ya îzolekirî ji qedehek ku ava deîyonîzekirî ya teze tê de hebû, bo qedehek din hate veguhastin û NGF-ya îzolekirî bi tevahî hate şuştin, çar heta şeş caran di nav tasa cam a konkav de hate dubarekirin. Di dawiyê de, FS-NGF û BS-NGF li ser substrata xwestî hatin danîn (Wêne 2c).
Pêvajoya veguhastina kîmyewiya şil a bê polîmer ji bo NGF-ya li ser pelê nîkelê mezinbûyî: (a) Diyagrama herikîna pêvajoyê (ji bo bêtir hûrguliyan li Wêneya SI4 binêre), (b) Wêneya dîjîtal a NGF-ya veqetandî piştî gravurkirina Ni (2 nimûne), (c) Nimûneya FS - û veguhastina BS-NGF bo substrata SiO2/Si, (d) Veguheztina FS-NGF bo substrata polîmer a nezelal, (e) BS-NGF ji heman nimûneya wekî panela d (li du beşan hatiye dabeş kirin), veguheztiye bo kaxiza C ya zêrkirî û Nafion (substrata nerm a şefaf, qirax bi quncikên sor hatine nîşankirin).
Ji bîr mekin ku veguhastina SLG-ê ku bi rêbazên veguhastina kîmyewî ya şil tê kirin, bi tevahî 20-24 demjimêran digire 38. Bi teknîka veguhastina bê polîmer a li vir hatî nîşandan (Wêne SI4a), dema pêvajoya veguhastina NGF-ê ya giştî bi girîngî kêm dibe (nêzîkî 15 demjimêran). Pêvajo ji van pêk tê: (Gava 1) Çareseriyek gravkirinê amade bikin û nimûneyê têxin nav wê (~10 hûrdem), dûv re tevahiya şevê li benda gravkirina Ni bisekinin (~7200 hûrdem), (Gava 2) Bi ava deîyonîze bişon (Gava - 3). di ava deîyonîze de hilînin an jî veguhezînin substrata hedef (20 hûrdem). Ava ku di navbera NGF û matrîksa girseyî de asê maye bi çalakiya kapîlar (bi karanîna kaxeza şuştinê)38 tê rakirin, dûv re dilopên avê yên mayî bi zuwakirina xwezayî (nêzîkî 30 hûrdem) têne rakirin, û di dawiyê de nimûne ji bo 10 hûrdem di firinek valahiyê de (10-1 mbar) di 50-90 °C de (60 hûrdem) tê zuwakirin 38.
Grafît tê zanîn ku li hember hebûna av û hewayê di germahiyên pir bilind de (≥ 200 °C)50,51,52 berxwedêr e. Me nimûne bi karanîna spektroskopiya Raman, SEM, û XRD piştî hilanîna di ava deîyonîzekirî de di germahiya odeyê de û di şûşeyên mohrkirî de ji bo çend rojan heta salekê ceribandin (Wêneya SI4). Tu hilweşînek berbiçav tune. Wêneya 2c FS-NGF û BS-NGF-ya serbixwe di ava deîyonîzekirî de nîşan dide. Me ew li ser substratek SiO2 (300 nm)/Si girtin, wekî ku di destpêka Wêneya 2c de tê xuyang kirin. Wekî din, wekî ku di Wêneya 2d,e de tê xuyang kirin, NGF-ya domdar dikare ji bo substratên cûrbecûr wekî polîmer (poliyamîda Thermabright ji Nexolve û Nafion) û kaxeza karbonê ya bi zêr pêçayî were veguheztin. FS-NGF-ya şemitok bi hêsanî li ser substrata hedef hate danîn (Wêneya 2c, d). Lêbelê, nimûneyên BS-NGF-ê yên ji 3 cm2 mezintir dema ku bi tevahî di nav avê de hatin binav kirin dijwar bûn ku werin destgirtin. Bi gelemperî, dema ku ew dest bi gerandina di nav avê de dikin, ji ber destwerdana bêhiş carinan ew dibin du an sê parçe (Wêne 2e). Bi tevayî, me karî veguhestina PS- û BS-NGF-ê ya bê polîmer (veguheztina bênavber a domdar bêyî mezinbûna NGF/Ni/NGF li 6 cm2) ji bo nimûneyên heta 6 û 3 cm2 di rûberê de, bi rêzê ve, bi dest bixin. Her perçeyên mezin an piçûk ên mayî dikarin (bi hêsanî di çareseriya gravurkirinê an ava deîyonîzekirî de têne dîtin) li ser substrata xwestî (~1 mm2, Wêne SI4b, nimûneya ku wekî di "FS-NGF: Avahiyê û Taybetmendiyan" de di bin "Avahiyê û Taybetmendiyan" de li ser tora sifir hatî veguheztin bibînin) an jî ji bo karanîna pêşerojê werin hilanîn (Wêne SI4). Li ser bingeha vê pîvanê, em texmîn dikin ku NGF dikare bi berdêlên heta 98-99% (piştî mezinbûnê ji bo veguhastinê) were vegerandin.
Nimûneyên veguheztinê bê polîmer bi hûrgilî hatin analîzkirin. Taybetmendiyên morfolojîk ên rûberê yên ku li ser FS- û BS-NGF/SiO2/Si (Wêne 2c) bi karanîna mîkroskopiya optîkî (OM) û wêneyên SEM (Wêne SI5 û Wêne 3) hatine bidestxistin nîşan dan ku ev nimûne bêyî mîkroskopiyê hatine veguheztin. Zirara avahîsaziyê ya berbiçav wekî şikestin, qul, an deverên nepêçayî. Qatkirinên li ser NGF-ya mezinbûyî (Wêne 3b, d, bi tîrên binefşî hatine nîşankirin) piştî veguheztinê sax man. Hem FS- û hem jî BS-NGF ji herêmên FLG pêk tên (herêmên geş ên ku di Wêne 3 de bi tîrên şîn têne nîşankirin). Bi awayekî ecêb, berevajî çend herêmên zirardar ên ku bi gelemperî di dema veguheztina polîmer a fîlmên grafîtê yên ultra zirav de têne dîtin, çend herêmên FLG û MLG yên bi mezinahiya mîkron ên ku bi NGF ve girêdayî ne (di Wêne 3d de bi tîrên şîn hatine nîşankirin) bêyî şikestin an şikestinan hatin veguheztin (Wêne 3d). 3). Yekparebûna mekanîkî bi karanîna wêneyên TEM û SEM ên NGF-ya ku li ser torên sifir ên karbon-lace hatine veguheztin, wekî ku paşê tê nîqaş kirin ("FS-NGF: Avahiyê û Taybetmendî") bêtir hate piştrast kirin. BS-NGF/SiO2/Si ya veguhestî ji FS-NGF/SiO2/Si bi nirxên rms yên 140 nm û 17 nm, bi rêzê ve, hişktir e, wekî ku di Wêneyên SI6a û b de (20 × 20 μm2) tê xuyang kirin. Nirxa RMS ya NGF ya veguhestî ser substrata SiO2/Si (RMS < 2 nm) ji ya NGF ya li ser Ni mezin bûyî pir kêmtir e (nêzîkî 3 caran), ku nîşan dide ku hişkbûna zêde dibe ku bi rûyê Ni re têkildar be. Wekî din, wêneyên AFM yên ku li ser qiraxên nimûneyên FS- û BS-NGF/SiO2/Si hatine çêkirin, qalindahiya NGF ya 100 û 80 nm nîşan dan (Wêne SI7). Qalindahiya piçûktir a BS-NGF dibe ku encama wê yekê be ku rûber rasterast bi gaza pêşeng ve nehatiye rûbirû kirin.
NGF (NiAG) ya bê polîmer li ser wafera SiO2/Si hatiye veguhastin (li Şekil 2c binêre): (a,b) Wêneyên SEM ên FS-NGF ya veguhastin: mezinbûna nizm û bilind (li gorî çargoşeya porteqalî ya di panelê de ye). Deverên tîpîk) – a). (c,d) Wêneyên SEM ên BS-NGF ya veguhastin: mezinbûna nizm û bilind (li gorî devera tîpîk a ku ji hêla çargoşeya porteqalî ya di panela c de tê nîşandan). (e, f) Wêneyên AFM ên FS- û BS-NGF yên veguhastin. Tîra şîn herêma FLG temsîl dike - kontrastê geş, tîra şîn - kontrastê MLG ya reş, tîra sor - kontrastê reş herêma NGF temsîl dike, tîra magenta qatkirinê temsîl dike.
Pêkhateya kîmyayî ya FS- û BS-NGF-yên mezinbûyî û veguhastî bi spektroskopiya fotoelektronê ya tîrêjên X (XPS) hate analîzkirin (Wêne 4). Di spektrumên pîvandî de lûtkeyek qels hate dîtin (Wêne 4a, b), ku bi substrata Ni (850 eV) ya FS- û BS-NGF-yên mezinbûyî (NiAG) re têkildar e. Di spektrumên pîvandî yên FS- û BS-NGF/SiO2/Si yên veguhastî de lûtke tune ne (Wêne 4c; encamên wekhev ji bo BS-NGF/SiO2/Si nayên nîşandan), ku nîşan dide ku piştî veguhastinê qirêjiya Ni ya mayî tune. Wêneyên 4d-f spektrumên çareseriya bilind ên astên enerjiyê yên C 1 s, O 1 s û Si 2p yên FS-NGF/SiO2/Si nîşan didin. Enerjiya girêdana C 1 s ya grafîtê 284.4 eV 53.54 e. Şêweya xêzikî ya lûtkeyên grafîtê bi gelemperî wekî asîmetrîk tê hesibandin, wekî ku di Wêne 4d54 de tê xuyang kirin. Spektrum C1s ya asta navokî ya çareseriya bilind (Wêne 4d) jî veguhastina paqij (ango, bê bermahiyên polîmer) piştrast kir, ku bi lêkolînên berê re lihevhatî ye38. Firehiya xêzan a spektrumên C1s yên nimûneya nû mezinbûyî (NiAG) û piştî veguhastinê bi rêzê ve 0.55 û 0.62 eV ne. Ev nirx ji yên SLG (0.49 eV ji bo SLG li ser substratek SiO2)38 bilindtir in. Lêbelê, ev nirx ji firehiya xêzan a berê ji bo nimûneyên grafînê yên pîrolîtîk ên pir-rêgezkirî (~0.75 eV) piçûktir in53,54,55, ku nebûna cihên karbonê yên xelet di materyalê heyî de nîşan dide. Spektrumên asta erdê yên C1s û O1s jî bê mil in, ku hewcedariya ji bo dekonvolasyona lûtkeya çareseriya bilind ji holê radike54. Li dora 291.1 eV lûtkeyeke peykê π → π* heye, ku pir caran di nimûneyên grafîtê de tê dîtin. Sînyalên 103 eV û 532.5 eV di spektrumên asta bingehîn ên Si 2p û O 1 s de (li Şekil 4e, f binêre) bi rêzê ve girêdayî substrata SiO2 56 ne. XPS teknîkek hesas a rûberî ye, ji ber vê yekê tê texmîn kirin ku sînyalên ku bi Ni û SiO2 re têkildar in ku berî û piştî veguhastina NGF hatine tespît kirin, ji herêma FLG derdikevin. Encamên wekhev ji bo nimûneyên BS-NGF yên veguheztî hatin dîtin (nayê nîşandan).
Encamên NiAG XPS: (ac) Spektrên lêkolîna pêkhateyên atomî yên elementî yên cuda yên FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni yên mezinbûyî û FS-NGF/SiO2/Si yên veguheztî, bi rêzê ve. (d–f) Spektrên çareseriya bilind ên astên bingehîn C 1 s, O 1s û Si 2p yên nimûneya FS-NGF/SiO2/Si.
Kalîteya giştî ya krîstalên NGF yên veguhestî bi karanîna difraksiyona tîrêjên X (XRD) hate nirxandin. Nimûneyên XRD yên tîpîk (Wêne SI8) yên FS- û BS-NGF/SiO2/Si yên veguhestî hebûna lûtkeyên difraksiyonê (0 0 0 2) û (0 0 0 4) li 26.6° û 54.7° nîşan didin, dişibin grafîtê. . Ev kalîteya krîstalî ya bilind a NGF piştrast dike û bi dûrahiya navbera tebeqeyên d = 0.335 nm re têkildar e, ku piştî gava veguhestînê jî tê parastin. Şîddeta lûtkeya difraksiyonê (0 0 0 2) bi qasî 30 carî ji lûtkeya difraksiyonê (0 0 0 4) mezintir e, ku nîşan dide ku balafira krîstala NGF bi rûyê nimûneyê re baş li hev hatiye.
Li gorî encamên SEM, spektroskopiya Raman, XPS û XRD, her çend qalîteya BS-NGF/Ni wekî ya FS-NGF/Ni bû jî, hat dîtin ku qalîteya wê ya rms hinekî bilindtir bû (Wêne SI2, SI5) û SI7).
SLG-yên bi qatên piştgirîya polîmer heta 200 nm stûr dikarin li ser avê biherikin. Ev sazkirin bi gelemperî di pêvajoyên veguhastina kîmyewî ya şil a bi polîmer ve tê bikar anîn22,38. Grafîn û grafît hîdrofobîk in (goşeya şil 80-90°) 57. Rûyên enerjiya potansiyel a hem grafîn û hem jî FLG-ê wekî pir dûz hatine ragihandin, bi enerjiya potansiyel a kêm (~1 kJ/mol) ji bo tevgera alî ya avê li ser rûyê58. Lêbelê, enerjiyên têkiliyê yên hesabkirî yên avê bi grafîn û sê qatên grafînê re bi rêzê ve bi qasî -13 û -15 kJ/mol,58 ne, ku nîşan dide ku têkiliya avê bi NGF-ê re (nêzîkî 300 qat) li gorî grafînê kêmtir e. Ev dibe ku yek ji sedemên ku NGF-ya serbixwe li ser rûyê avê dûz dimîne, di heman demê de grafîna serbixwe (ya ku di avê de diherike) diqelişe û dişkê. Dema ku NGF bi tevahî di nav avê de tê binavkirin (encam ji bo NGF-ya hişk û dûz yek in), qiraxên wê diqelişin (Wêne SI4). Di rewşa binavbûna tevahî de, tê çaverêkirin ku enerjiya têkiliya NGF-avê hema hema du qat bibe (li gorî NGF-ya şemitok) û qiraxên NGF-ê bipêçin da ku goşeyek têkiliyê ya bilind (hîdrofobîsîte) biparêzin. Em bawer dikin ku stratejî dikarin werin pêşxistin da ku ji pêçandina qiraxên NGF-yên çandî dûr bikevin. Yek rêbaz ew e ku çareserkerên tevlihev bikar bînin da ku reaksiyona şilbûnê ya fîlma grafîtê modul bikin59.
Veguhestina SLG bo celebên cûrbecûr ên substratan bi rêya pêvajoyên veguhastina kîmyewî yên şil berê hatiye ragihandin. Bi gelemperî tê pejirandin ku hêzên van der Waals ên qels di navbera fîlmên grafîn/grafît û substratan de hene (çi substratên hişk ên wekî SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, stûnên Si22 û fîlmên karbonê yên dantelî30,34 an jî substratên nerm ên wekî polîîmîd 37). Li vir em texmîn dikin ku têkiliyên heman celeb serdest in. Me di dema destwerdana mekanîkî de (di dema karakterîzasyonê de di bin şert û mercên valahiyê û/an atmosferîk de an jî di dema hilanînê de) ji bo ti substratên ku li vir têne pêşkêş kirin zirar an jî qelişîna NGF nedît (mînak, Wêne 2, SI7 û SI9). Wekî din, me di spektruma XPS C 1 s ya asta bingehîn a nimûneya NGF/SiO2/Si (Wêne 4) de lûtkeya SiC nedît. Ev encam nîşan didin ku di navbera NGF û substrata hedef de girêdanek kîmyewî tune.
Di beşa berê de, "Veguhestina bê polîmer a FS- û BS-NGF," me nîşan da ku NGF dikare li her du aliyên pelê nîkelê mezin bibe û veguhezîne. Ev FS-NGF û BS-NGF ji hêla hişkbûna rûyê ve ne yek in, ku ev yek me han da ku em serîlêdanên herî guncaw ji bo her celebî lêkolîn bikin.
Bi berçavgirtina şefafî û rûyê nermtir ê FS-NGF, me avahiya wê ya herêmî, taybetmendiyên optîkî û elektrîkî bi hûrgilî lêkolîn kirin. Avahî û avahiya FS-NGF bêyî veguhastina polîmer bi wênekirina mîkroskopiya elektrona veguhastinê (TEM) û analîza qaliba difraksiyona elektrona devera bijartî (SAED) hate taybetmendîkirin. Encamên têkildar di Wêne 5 de têne nîşandan. Wênekirina planar a TEM bi mezinbûna kêm hebûna herêmên NGF û FLG bi taybetmendiyên kontrastê yên elektronan ên cûda, ango deverên tarîtir û geştir, bi rêzê ve eşkere kir (Wêne 5a). Bi tevahî fîlm yekparebûn û aramiya mekanîkî ya baş di navbera herêmên cûda yên NGF û FLG de nîşan dide, bi hevgirtinê baş û bê zirar an çirandin, ku ev yek ji hêla lêkolînên SEM (Wêne 3) û TEM bi mezinbûna bilind ve jî hate piştrast kirin (Wêne 5c-e). Bi taybetî, di Wêne 5d de avahiya pirê li beşa wê ya herî mezin (pozîsyona ku bi tîra xalxalî ya reş di Wêne 5d de hatî nîşankirin) nîşan dide, ku bi şiklek sêgoşeyî tê taybetmendîkirin û ji qatek grafînê bi firehiya nêzîkî 51 pêk tê. Pêkhateya bi mesafeya navbera planan a 0.33 ± 0.01 nm bêtir kêm dibe bo çend tebeqeyên grafînê di herêma herî teng de (dawiya tîra reş a zexm di Şekil 5 d de).
Wêneya TEM ya planar a nimûneyek NiAG ya bê polîmer li ser toreke sifir a karbonî: (a, b) Wêneyên TEM yên bi mezinbûneke kêm, herêmên NGF û FLG di nav de ne, (ce) Wêneyên bi mezinbûneke bilind ên herêmên cuda di panel-a û panel-b de bi tîrên heman rengî hatine nîşankirin. Tîrên kesk ên di panelên a û c de deverên dorhêl ên zirarê di dema rêzkirina tîrêjê de nîşan didin. (f–i) Di panelên a heta c de, qalibên SAED li herêmên cuda bi rêzê ve bi çemberên şîn, şîn, porteqalî û sor têne nîşandan.
Avahiya şerîtê di Wêne 5c de (bi tîra sor hatiye nîşankirin) arasteya vertîkal a balafirên şebekeya grafîtê nîşan dide, ku dibe ku ji ber çêbûna nanoqatan li ser fîlmê (navbera di Wêne 5c de) ji ber zexta şikestinê ya bêtelafî ya zêde be30,61,62. Di bin TEM-ya çareseriya bilind de, ev nanoqatan 30 arasteyeke krîstalografîk a cûda ji ya mayî ya herêma NGF nîşan didin; balafirên bingehîn ên şebekeya grafîtê hema hema vertîkal in, ne wekî mayî ya fîlmê (navbera di Wêne 5c de) horizontal in. Bi heman awayî, herêma FLG carinan qatên xêzik û teng ên mîna bendê nîşan dide (bi tîrên şîn hatine nîşankirin), ku di mezinkirina nizm û navîn de di Wêne 5b, 5e de, bi rêzê ve, xuya dibin. Navbera di Wêne 5e de hebûna qatên grafînê yên du- û sê-qatî di sektora FLG de piştrast dike (dûrbûna navbera planan 0.33 ± 0.01 nm), ku bi encamên me yên berê re lihevhatî ye30. Herwiha, wêneyên SEM ên tomarkirî yên NGF-ya bê polîmer ku bi fîlmên karbonê yên dantelî ve li ser torên sifir hatine veguhastin (piştî ku pîvandinên TEM-ê yên ji jor ve hatine kirin) di Wêneya SI9 de têne nîşandan. Herêma FLG-ya baş daliqandî (bi tîra şîn hatiye nîşankirin) û herêma şikestî di Wêneya SI9f de. Tîra şîn (li qiraxa NGF-ya veguheztî) bi zanebûn tê pêşkêş kirin da ku nîşan bide ku herêma FLG dikare li hember pêvajoya veguhastinê bêyî polîmer li ber xwe bide. Bi kurtasî, ev wêne piştrast dikin ku NGF-ya qismî daliqandî (tevî herêma FLG) tewra piştî destwerdana dijwar û rûbirûbûna valahiyek bilind di dema pîvandinên TEM û SEM de jî yekparebûna mekanîkî diparêze (Wêneya SI9).
Ji ber rûtbûna pir baş a NGF (li Wêne 5a binêre), ji bo analîzkirina avahiya SAED, ne dijwar e ku perçe li ser eksena domaina [0001] werin arastekirin. Li gorî qalindahiya herêmî ya fîlmê û cihê wê, çend herêmên balkêş (12 xal) ji bo lêkolînên difraksiyona elektronan hatin destnîşankirin. Di Wêne 5a-c de, çar ji van herêmên tîpîk têne nîşandan û bi çemberên rengîn (şîn, şîn, porteqalî û sor hatine kodkirin) têne nîşankirin. Wêne 2 û 3 ji bo moda SAED. Wêne 5f û g ji herêma FLG ya ku di Wêne 5 û 5 de tê nîşandan hatine wergirtin. Wekî ku di Wêne 5b û c de, bi rêzê ve, tê nîşandan. Avahiyek şeşalî ya wan dişibihe grafîna pêçayî63. Bi taybetî, Wêne 5f sê şablonên li ser hev hatine danîn nîşan dide ku heman eksena herêma [0001], ku bi 10° û 20° hatine zivirandin, wekî ku ji hêla nelihevhatina goşeyî ya sê cotên refleksên (10-10) ve tê îspat kirin. Bi heman awayî, Wêne 5g du şêweyên şeşalî yên li ser hev hatine danîn nîşan dide ku bi 20° hatine zivirandin. Du an sê komên şêweyên şeşalî di herêma FLG de dikarin ji sê tebeqeyên grafînê yên di nav-balafir an derveyî-balafirê 33 de ku li gorî hev hatine zivirandin derkevin holê. Berevajî vê, şêweyên difraksiyona elektronan di Wêne 5h,i de (ku bi herêma NGF ya ku di Wêne 5a de tê nîşandan re têkildar in) şêweyek [0001] ya yekane nîşan didin ku bi şîddeta difraksiyona xala giştî ya bilindtir re têkildar e, ku bi stûriya materyalê ya mezintir re têkildar e. Ev modelên SAED bi avahiyek grafîtîk a stûrtir û arasteya navîn ji FLG re têkildar in, wekî ku ji endeksa 64 tê texmîn kirin. Taybetmendiya taybetmendiyên krîstalî yên NGF hebûna du an sê krîstalîtên grafît (an grafînê) yên li ser hev eşkere kir. Tiştê ku bi taybetî di herêma FLG de balkêş e ev e ku krîstalît xwedî astek diyarkirî ya xeletiya di nav-balafir an derveyî-balafirê ne. Berê, ji bo NGF-ya ku li ser fîlmên Ni 64 mezin bûye, perçeyên/qatên grafîtê yên bi goşeyên zivirîna di nav balafirê de yên 17°, 22° û 25° hatine ragihandin. Nirxên goşeya zivirînê yên ku di vê lêkolînê de hatine dîtin, bi goşeyên zivirînê yên ku berê ji bo grafîna BLG63-ya pêçayî hatine dîtin (±1°) re li hev in.
Taybetmendiyên elektrîkî yên NGF/SiO2/Si di 300 K de li ser rûberek 10×3 mm2 hatin pîvandin. Nirxên konsantrasyona hilgirê elektronan, tevgerîn û guhêzbariyê bi rêzê ve 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 û 2000 S-cm-1 ne. Nirxên guhêzbariyê û guhêzbariyê yên NGF-ya me dişibin grafîta xwezayî2 û ji grafîta pîrolîtîk a pir-rêgezkirî ya bazirganî (ku di 3000 °C de hatî hilberandin)29 bilindtir in. Nirxên konsantrasyona hilgirê elektronan ên çavdêrîkirî du rêzên mezinahî ji yên ku vê dawiyê hatine ragihandin (7.25 × 10 cm-3) ji bo fîlmên grafîtê yên mîkron-stûr ên ku bi karanîna pelên polîîmîd ên germahiya bilind (3200 °C) hatine amadekirin 20 bilindtir in.
Me pîvandinên veguhestina UV-dîtbar li ser FS-NGF-ya ku ji bo substratên quartz hatiye veguhastin jî pêk anîn (Wêne 6). Spektuma encam veguhestinek hema hema sabît a 62% di navbera 350-800 nm de nîşan dide, ku nîşan dide ku NGF ji ronahiya dîtbarî zelal e. Bi rastî, navê "KAUST" dikare di wêneya dîjîtal a nimûneyê de di Wêne 6b de were dîtin. Her çend avahiya nanokristalîn a NGF ji ya SLG cuda be jî, hejmara tebeqeyan dikare bi karanîna qaîdeya windabûna veguhestinê ya 2.3% ji bo her tebeqeya zêde were texmîn kirin65. Li gorî vê têkiliyê, hejmara tebeqeyên grafînê yên bi windabûna veguhestinê ya 38% 21 e. NGF-ya mezinbûyî bi giranî ji 300 tebeqeyên grafînê pêk tê, ango bi qasî 100 nm stûr (Wêne 1, SI5 û SI7). Ji ber vê yekê, em texmîn dikin ku zelaliya optîkî ya çavdêrîkirî bi herêmên FLG û MLG re têkildar e, ji ber ku ew li seranserê fîlmê belav bûne (Wêne 1, 3, 5 û 6c). Ji bilî daneyên avahîsaziyê yên jorîn, guhêzbarî û şefafiyet jî kalîteya krîstalî ya bilind a NGF-ya veguheztî piştrast dikin.
(a) Pîvana veguhestina UV-dîtbar, (b) veguhestina tîpîk a NGF li ser quartzê bi karanîna nimûneyek nûner. (c) Nexşeya NGF (qutiya tarî) bi herêmên FLG û MLG yên bi awayekî wekhev belavkirî ku wekî şeklên gewr ên rasthatî li seranserê nimûneyê hatine nîşankirin (li Wêne 1 binêre) (nêzîkî 0.1–3% rûber ji bo her 100 μm2). Şêweyên rasthatî û mezinahiyên wan di diyagramê de tenê ji bo armancên ravekirinê ne û bi deverên rastîn re naguncin.
NGF-ya zelal a ku bi CVD-ê hatiye çandin, berê ji bo rûyên silîkonê yên tazî hatiye veguhastin û di şaneyên rojê de hatiye bikar anîn15,16. Karîgeriya veguherîna hêzê (PCE) ya ku di encamê de derketiye %1.5 e. Ev NGF gelek fonksiyonan pêk tînin, wekî tebeqeyên pêkhateyên çalak, rêyên veguhastina bar û elektrodên zelal15,16. Lêbelê, fîlma grafîtê ne yekreng e. Bi kontrolkirina bi baldarî ya berxwedana pelê û veguhestina optîkî ya elektroda grafîtê, çêtirkirina bêtir pêwîst e, ji ber ku ev her du taybetmendî di destnîşankirina nirxa PCE ya şaneya rojê de rolek girîng dilîzin15,16. Bi gelemperî, fîlmên grafînê %97.7 ji ronahiya xuya zelal in, lê berxwedana pelê 200-3000 ohm/sq.16 heye. Berxwedana rûyê fîlmên grafînê dikare bi zêdekirina hejmara tebeqeyan (veguhestina pirjimar a tebeqeyên grafînê) û dopkirina bi HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 were kêm kirin. Lêbelê, ev pêvajo demek dirêj digire û tebeqeyên veguhastinê yên cûda her gav têkiliyek baş naparêzin. NGF-ya me ya pêşiyê xwedî taybetmendiyên wekî guhêzbarî 2000 S/cm, berxwedana pelê fîlmê 50 ohm/sq. û şefafiyet 62% e, ku ew ji bo kanalên guhêzbar an elektrodên dijber di şaneyên rojê de dike alternatîfek guncan15,16.
Her çend avahî û kîmyaya rûyê BS-NGF dişibihe FS-NGF, lê hişkbûna wê cuda ye ("Mezinbûna FS- û BS-NGF"). Berê, me grafîta fîlma ultra-tenik22 wekî sensorek gazê bikar dianî. Ji ber vê yekê, me gengaziya karanîna BS-NGF ji bo karên hesaskirina gazê ceriband (Wêne SI10). Pêşî, beşên bi mezinahiya mm2 yên BS-NGF li ser çîpa sensora elektroda navberhevkirî hatin veguheztin (Wêne SI10a-c). Hûrguliyên çêkirinê yên çîpê berê hatine ragihandin; qada wê ya hesas a çalak 9 mm267 e. Di wêneyên SEM de (Wêne SI10b û c), elektroda zêr a bingehîn bi zelalî bi rêya NGF-ê xuya dike. Dîsa, tê dîtin ku ji bo hemî nimûneyan vegirtina çîpê ya yekreng hatiye bidestxistin. Pîvandinên sensora gazê yên gazên cûrbecûr hatin tomar kirin (Wêne SI10d) (Wêne SI11) û rêjeyên bersivê yên encam di Wêne SI10g de têne nîşandan. Guman heye ku bi gazên din ên destwerdanê re, di nav de SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) û NH3 (200 ppm). Sedemeke gengaz NO2 ye. Xwezaya elektrofîlîk a gazê22,68. Dema ku li ser rûyê grafînê tê adsorbkirin, ew kişandina herikê ya elektronan ji hêla pergalê ve kêm dike. Berawirdkirinek daneyên dema bersivê yên sensora BS-NGF bi sensorên ku berê hatine weşandin di Tabloya SI2 de tê pêşkêş kirin. Mekanîzma ji bo ji nû ve aktîvkirina sensorên NGF bi karanîna plazmaya UV, plazmaya O3 an dermankirina germî (50–150°C) ya nimûneyên eşkere berdewam e, bi îdeal piştî pêkanîna pergalên çandî69.
Di dema pêvajoya CVD de, mezinbûna grafînê li her du aliyên substrata katalîzatorê çêdibe41. Lêbelê, BS-grafînê bi gelemperî di dema pêvajoya veguhastinê de tê derxistin41. Di vê lêkolînê de, em nîşan didin ku mezinbûna NGF-ya bi kalîte bilind û veguhastina NGF-ya bê polîmer dikare li her du aliyên piştgiriya katalîzatorê were bidestxistin. BS-NGF ji FS-NGF (~100 nm) ziravtir e (~80 nm), û ev cûdahî bi vê rastiyê tê ravekirin ku BS-Ni rasterast bi herikîna gaza pêşeng re nayê rûbirû kirin. Me her weha dît ku hişkbûna substrata NiAR bandorê li hişkbûna NGF dike. Ev encam nîşan didin ku FS-NGF-ya planar a mezinbûyî dikare wekî materyalek pêşeng ji bo grafînê (bi rêbaza pilingkirinê70) an wekî kanalek rêveker di şaneyên rojê de15,16 were bikar anîn. Berevajî vê, BS-NGF dê ji bo tespîtkirina gazê (Wêne SI9) û dibe ku ji bo pergalên hilanîna enerjiyê71,72 were bikar anîn ku hişkbûna rûyê wê dê bikêr be.
Bi berçavgirtina van xalên jorîn, kêrhatî ye ku xebata heyî bi fîlmên grafîtê yên ku berê bi karanîna CVD û folya nîkelê hatine mezin kirin re were hevber kirin. Wekî ku di Tabloya 2-an de tê dîtin, zextên bilindtir ên ku me bikar anîne dema reaksiyonê (qonaxa mezinbûnê) kurt kiriye, tewra di germahiyên nisbeten nizm de jî (di navbera 850-1300 °C de). Me her weha mezinbûnek ji ya asayî mezintir bi dest xist, ku potansiyela berfirehbûnê nîşan dide. Faktorên din jî hene ku werin hesibandin, ku me hin ji wan di tabloyê de girtine.
NGF-ya du alî ya bi kalîte bilind li ser pelê nîkelê bi rêya CVD-ya katalîtîk hat çandin. Bi rakirina substratên polîmer ên kevneşopî (wek yên ku di grafîna CVD-yê de têne bikar anîn), em veguhestina şil a paqij û bê kêmasî ya NGF-ê (ku li ser aliyên paşîn û pêş ên pelê nîkelê tê çandin) bo cûrbecûr substratên krîtîk ên pêvajoyê pêk tînin. Bi taybetî, NGF herêmên FLG û MLG (bi gelemperî ji %0,1 heta %3 ji bo her 100 µm2) vedihewîne ku ji hêla avahîsaziyê ve bi fîlma stûrtir ve baş hatine entegre kirin. TEM-ya Planar nîşan dide ku ev herêm ji komên du heta sê perçeyên grafît/grafînê (bi rêzê ve krîstal an tebeqe) pêk tên, ku hin ji wan nelihevhatinek zivirî ya 10-20° hene. Herêmên FLG û MLG berpirsiyarê zelaliya FS-NGF-ê li hember ronahiya xuya ne. Di derbarê pelên paşîn de, ew dikarin paralel bi pelên pêşiyê re werin hilgirtin û, wekî ku tê xuyang kirin, dikarin armancek fonksiyonel hebe (mînakî, ji bo tespîtkirina gazê). Ev lêkolîn ji bo kêmkirina bermahiyê û lêçûnan di pêvajoyên CVD-yê yên di asta pîşesaziyê de pir bikêr in.
Bi gelemperî, qalindahiya navînî ya CVD NGF di navbera pelên grafînê (kêm- û pir-qatî) û grafîtên pîşesaziyê (mîkrometre) de ye. Cûrbecûr taybetmendiyên wan ên balkêş, digel rêbaza hêsan a ku me ji bo hilberandin û veguhastina wan pêşxistiye, van fîlman bi taybetî ji bo sepanên ku bersiva fonksiyonel a grafîtê hewce dikin, bêyî lêçûna pêvajoyên hilberîna pîşesaziyê yên ku niha enerjî-zordar têne bikar anîn, guncan dike.
Foliyeke nîkelê ya bi stûriya 25 μm (paqijiya 99.5%, Goodfellow) di reaktoreke CVD ya bazirganî (Aixtron 4-inch BMPro) de hat sazkirin. Sîstem bi argonê hat paqijkirin û heta zexteke bingehîn a 10-3 mbar hat valakirin. Piştre, foliyeke nîkelê di Ar/H2 de hat danîn (Piştî ku foliya Ni ji bo 5 deqîqeyan pêş-germkirinê hat kirin, fol di 900 °C de rastî zexteke 500 mbar hat. NGF ji bo 5 deqîqeyan di herikîna CH4/H2 (her yek 100 cm3) de hat danîn. Piştre nimûne bi karanîna herikîna Ar (4000 cm3) di 40 °C/deqîqe de heta germahiya li jêr 700 °C hat sarkirin. Hûrguliyên li ser baştirkirina pêvajoya mezinbûna NGF li cîhek din hatine vegotin30.
Morfolojiya rûyê nimûneyê bi karanîna mîkroskopa Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA) bi SEM-ê hate dîtbarîkirin. Xurîya rûyê nimûneyê û qalindahiya NGF-ê bi karanîna AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) hatin pîvandin. Pîvandinên TEM û SAED-ê bi karanîna mîkroskopa FEI Titan 80–300 Cubed-ê ku bi çekek emîsyona zeviya geş a bilind (300 kV), monokromatorek celebê FEI Wien û rastkerek aberasyona sferîk a lensa CEOS-ê ve hatî çêkirin, ji bo bidestxistina encamên dawîn hatin kirin. Çareseriya fezayî 0.09 nm. Nimûneyên NGF-ê ji bo wênekirina TEM-ê ya daîre û analîza avahiya SAED-ê veguheztin torên sifir ên bi karbonê pêçayî. Bi vî rengî, piraniya flokên nimûneyê di kunên parzûna piştgirî de daliqandî ne. Nimûneyên NGF-ê yên veguheztî bi XRD-ê hatin analîzkirin. Nimûneyên difraksiyona tîrêjên X bi karanîna difraktometereke tozê (Brucker, guhezkarê qonaxa D2 bi çavkaniya Cu Kα, 1.5418 Å û detektora LYNXEYE) bi karanîna çavkaniyeke tîrêjê ya Cu bi qûtra xala tîrêjê ya 3 mm hatin bidestxistin.
Çend pîvandinên xala Raman bi karanîna mîkroskopa konfokal a entegre (Alpha 300 RA, WITeC) hatin tomar kirin. Ji bo dûrketina ji bandorên ku ji ber germê çêdibin, lazerek 532 nm bi hêza hejandinê ya kêm (25%) hat bikar anîn. Spektroskopiya fotoelektronê ya tîrêjên X (XPS) li ser spektrometreyek Kratos Axis Ultra li ser qadeke nimûneyê ya 300 × 700 μm2 bi karanîna tîrêjên Al Kα yên monokromatîk (hν = 1486.6 eV) bi hêza 150 W hat kirin. Spektrên çareseriyê bi enerjiyên veguhastinê yên 160 eV û 20 eV, bi rêzê ve hatin bidestxistin. Nimûneyên NGF yên ku li ser SiO2 hatine veguheztin bi karanîna lazerek fîbera ytterbium PLS6MW (1.06 μm) bi 30 W hatin perçekirin (3 × 10 mm2 her yek). Têkiliyên têlên sifir (50 μm stûr) bi karanîna pasta zîv di bin mîkroskopa optîkî de hatin çêkirin. Ceribandinên veguhastina elektrîkê û bandora Hall li ser van nimûneyan di 300 K û guherîna zeviya magnetîkî ya ± 9 Tesla de di pergaleke pîvandina taybetmendiyên fîzîkî de (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) hatin kirin. Spektrên UV-vis ên veguhêzbar bi karanîna spektrofotometreyeke Lambda 950 UV-vis di rêza NGF ya 350-800 nm de hatin tomar kirin ku ji substratên quartz û nimûneyên referansê yên quartz re hatin veguheztin.
Sensorê berxwedana kîmyewî (çîpa elektroda hevgirtî) bi panela çerxeya çapkirî ya xwerû 73 ve hate girêdan û berxwedan bi awayekî demkî hate derxistin. Panela çerxeya çapkirî ya ku cîhaz li ser e bi termînalên têkiliyê ve girêdayî ye û di hundurê odeya hestiyariya gazê 74 de tê danîn. Pîvandina berxwedanê bi voltaja 1 V bi şopandinek domdar ji paqijkirinê heya eşkerekirina gazê û dûv re dîsa paqijkirin hate girtin. Ode di destpêkê de bi paqijkirina bi nîtrojenê bi 200 cm3 ji bo 1 demjimêran hate paqij kirin da ku piştrast bibe ku hemî analîtên din ên di odeyê de hene, tevî şilbûnê, têne rakirin. Dûv re analîtên ferdî bi heman rêjeya herikîna 200 cm3 bi girtina silindirê N2 hêdî hêdî hatin berdan odeyê.
Guhertoyek sererastkirî ya vê gotarê hatiye weşandin û meriv dikare bi rêya lînka li jorê gotarê bigihîje wê.
Inagaki, M. û Kang, F. Zanist û Endezyariya Materyalên Karbonê: Bingehîn. Çapa duyem hatîye sererastkirin. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook of Carbon, Graphite, Elmas and Fullerenes: Processing and Applications. Çapa yekem hatiye sererastkirin. 1994, New Jersey.
Tsai, W. û yên din. Fîlmên grafîn/grafîtê yên pirqatî yên rûbereke mezin wekî elektrodên tenik û zelal ên guhêrbar. serîlêdan. fîzîk. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Taybetmendiyên germî yên grafînê û materyalên karbonê yên nanostruktûrkirî. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW û Cahill DG Germahiya fîlmên grafîtê yên ku li ser Ni (111) bi rêya danîna buhara kîmyewî ya germahiya nizm hatine çandin. hoker. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Mezinbûna berdewam a fîlmên grafînê bi rêya danîna buhara kîmyewî. serîlêdan. fîzîk. Wright. 98(13), 133106(2011).
Dema şandinê: 23 Tebax-2024