Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы натыйжаларга жетүү үчүн, браузериңиздин жаңы версиясын колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде Шайкештик режимин өчүрүп коюңуз). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдештирбестен же JavaScriptсиз көрсөтүп жатабыз.
Наномасштабдуу графит пленкалары (НГФ) – каталитикалык химиялык буу чөктүрүү жолу менен алынышы мүмкүн болгон бекем наноматериалдар, бирок алардын өткөрүлүшүнүн жеңилдиги жана беттик морфологиясы аларды кийинки муундагы түзүлүштөрдө колдонууга кандай таасир этери тууралуу суроолор бойдон калууда. Бул жерде биз поликристаллдык никель фольгасынын эки тарабында (аянты 55 см2, калыңдыгы болжол менен 100 нм) НГФтин өсүшү жана анын полимерсиз өткөрүлүшү (алдыңкы жана арткы, аянты 6 см2ге чейин) жөнүндө маалымат беребиз. Катализатор фольгасынын морфологиясына байланыштуу, эки көмүртек пленкасы физикалык касиеттери жана башка мүнөздөмөлөрү (мисалы, беттин оройлугу) боюнча айырмаланат. Биз орой арткы бети бар НГФтер NO2 аныктоо үчүн жакшы ылайыктуу экенин, ал эми алдыңкы тарабындагы жылмакай жана өткөргүч НГФтер (2000 С/см2, барактын каршылыгы – 50 ом/м2) күн батареясынын каналынын же электродунун жашоого жөндөмдүү өткөргүчтөрү боло аларын көрсөтөбүз (анткени ал көрүнгөн жарыктын 62% өткөрөт). Жалпысынан алганда, сүрөттөлгөн өсүү жана ташуу процесстери графен жана микрон калыңдыктагы графит пленкалары ылайыктуу эмес технологиялык колдонмолор үчүн альтернативдүү көмүртек материалы катары NGFти ишке ашырууга жардам берет.
Графит кеңири колдонулган өнөр жай материалы болуп саналат. Белгилей кетчү нерсе, графит салыштырмалуу төмөн массалык тыгыздыкка жана жогорку тегиздиктеги жылуулук жана электр өткөрүмдүүлүгүнө ээ жана катаал жылуулук жана химиялык чөйрөлөрдө абдан туруктуу1,2. Кабырчыктуу графит графенди изилдөө үчүн белгилүү баштапкы материал3. Жука пленкаларга иштетилгенде, ал смартфондор сыяктуу электрондук түзүлүштөр үчүн жылуулук раковиналарын4,5,6,7, сенсорлордо активдүү материал катары8,9,10 жана электромагниттик тоскоолдуктардан коргоо11 үчүн12 жана өтө ультрафиолет нурларында литография үчүн пленкаларда13,14, күн батареяларындагы өткөргүч каналдарда15,16 колдонулушу мүмкүн. Ушул колдонмолордун бардыгы үчүн, калыңдыгы <100 нмде көзөмөлдөнгөн графит пленкаларынын (NGF) чоң аянттарын оңой өндүрүү жана ташуу мүмкүн болсо, бул олуттуу артыкчылык болмок.
Графит пленкалары ар кандай ыкмалар менен өндүрүлөт. Бир учурда, графен кабырчыктарын алуу үчүн кысуу жана кеңейтүү, андан кийин пилинг колдонулган10,11,17. Кабырчыктарды андан ары керектүү калыңдыктагы пленкаларга айландыруу керек жана тыгыз графит барактарын өндүрүү үчүн көп учурда бир нече күн талап кылынат. Дагы бир ыкма - графиттелүүчү катуу прекурсорлордон баштоо. Өнөр жайда полимер барактары көмүртектелет (1000–1500 °C температурада), андан кийин жакшы структураланган катмарлуу материалдарды түзүү үчүн графиттелет (2800–3200 °C температурада). Бул пленкалардын сапаты жогору болгону менен, энергияны сарптоо олуттуу1,18,19 жана минималдуу калыңдыгы бир нече микрон менен чектелген1,18,19,20.
Каталитикалык химиялык буу чөктүрүү (CVD) - бул жогорку структуралык сапатка жана акылга сыярлык баага ээ графен жана өтө жука графит пленкаларын (<10 нм) өндүрүүнүн белгилүү ыкмасы21,22,23,24,25,26,27. Бирок, графен жана өтө жука графит пленкаларынын өсүшүнө салыштырмалуу28, CVDди колдонуу менен NGFтин чоң аймакта өсүшү жана/же колдонулушу андан да аз изилденген11,13,29,30,31,32,33.
CVDде өстүрүлгөн графен жана графит пленкаларын көбүнчө функционалдык субстраттарга которуу керек болот34. Бул жука пленкалуу которуулар эки негизги ыкманы камтыйт35: (1) оюлбаган которуу36,37 жана (2) оюу негизиндеги нымдуу химиялык которуу (субстрат колдоого алынат)14,34,38. Ар бир ыкманын айрым артыкчылыктары жана кемчиликтери бар жана башка жерде сүрөттөлгөндөй, максаттуу колдонулушуна жараша тандалышы керек35,39. Каталитикалык субстраттарда өстүрүлгөн графен/графит пленкалары үчүн нымдуу химиялык процесстер аркылуу которуу (анын ичинен полиметилметакрилат (PMMA) эң көп колдонулган колдоо катмары) биринчи тандоо бойдон калууда13,30,34,38,40,41,42. Сиз жана башкалар. NGF которуу үчүн эч кандай полимер колдонулбаганы айтылган (үлгү өлчөмү болжол менен 4 см2)25,43, бирок которуу учурунда үлгүнүн туруктуулугу жана/же иштетүү жөнүндө эч кандай маалымат берилген эмес; Полимерлерди колдонуу менен нымдуу химиялык процесстер бир нече этаптан турат, анын ичинде курмандык полимер катмарын колдонуу жана андан кийин алып салуу30,38,40,41,42. Бул процесстин кемчиликтери бар: мисалы, полимер калдыктары өстүрүлгөн пленканын касиеттерин өзгөртүшү мүмкүн38. Кошумча иштетүү калдык полимерди алып салышы мүмкүн, бирок бул кошумча этаптар пленканы өндүрүүнүн баасын жана убактысын көбөйтөт38,40. CVD өсүшү учурунда графен катмары катализатор фольгасынын алдыңкы бетине (буу агымына караган тарабына) гана эмес, анын арткы бетине да чөгөт. Бирок, акыркысы калдык продукт деп эсептелет жана жумшак плазма менен тез алынып салынышы мүмкүн38,41. Бул пленканы кайра иштетүү, ал бет көмүртек пленкасына караганда сапаты төмөн болсо да, түшүмдү максималдуу түрдө көбөйтүүгө жардам берет.
Бул жерде биз поликристаллдык никель фольгасында CVD ыкмасы менен жогорку структуралык сапаттагы NGFтин пластина масштабындагы бифациялык өсүшүн даярдоо жөнүндө билдиребиз. Фольганын алдыңкы жана арткы бетинин оройлугу NGFтин морфологиясына жана түзүлүшүнө кандай таасир этери бааланган. Ошондой эле, биз никель фольгасынын эки тарабынан көп функциялуу субстраттарга NGFтин үнөмдүү жана экологиялык жактан таза полимерсиз өткөрүлүшүн көрсөтөбүз жана алдыңкы жана арткы пленкалардын ар кандай колдонмолор үчүн кандай ылайыктуу экенин көрсөтөбүз.
Төмөнкү бөлүмдөрдө графен катмарларынын санына жараша графит пленкасынын ар кандай калыңдыктары талкууланат: (i) бир катмарлуу графен (SLG, 1 катмар), (ii) бир нече катмарлуу графен (FLG, < 10 катмар), (iii) көп катмарлуу графен (MLG, 10-30 катмар) жана (iv) NGF (~300 катмар). Акыркысы аянттын пайызы катары көрсөтүлгөн эң кеңири таралган калыңдык (100 мкм2ге болжол менен 97% аянт)30. Ошондуктан бүтүндөй пленка жөн гана NGF деп аталат.
Графен жана графит пленкаларын синтездөө үчүн колдонулган поликристаллдык никель фольгалары аларды өндүрүүнүн жана андан кийинки иштетүүнүн натыйжасында ар кандай текстураларга ээ. Жакында биз NGF30 өсүү процессин оптималдаштыруу боюнча изилдөө жөнүндө кабарладык. Биз өсүү этабындагы күйгүзүү убактысы жана камеранын басымы сыяктуу процесстин параметрлери бирдей калыңдыктагы NGFтерди алууда маанилүү ролду ойной турганын көрсөттүк. Бул жерде биз никель фольгасынын жылмаланган алдыңкы (FS) жана жылмаланбаган арткы (BS) беттеринде NGFтин өсүшүн андан ары изилдедик (1a-сүрөт). 1-таблицада келтирилген FS жана BS үлгүлөрүнүн үч түрү каралды. Визуалдык текшерүүдө никель фольгасынын (NiAG) эки тарабындагы NGFтин бирдей өсүшүн негизги Ni субстратынын түсүнүн мүнөздүү металл күмүш боз түстөн күңгүрт боз түскө өзгөрүшүнөн көрүүгө болот (1a-сүрөт); микроскопиялык өлчөөлөр тастыкталды (1b, c-сүрөттөр). Жаркыраган аймакта байкалган жана 1b-сүрөттө кызыл, көк жана кызгылт сары жебелер менен көрсөтүлгөн FS-NGFтин типтүү Раман спектри 1c-сүрөттө көрсөтүлгөн. Графиттин G (1683 см−1) жана 2D (2696 см−1) мүнөздүү Раман чокулары жогорку кристаллдуу NGFтин өсүшүн тастыктайт (1c-сүрөт, SI1 таблицасы). Тасма боюнча интенсивдүүлүк катышы (I2D/IG) ~0,3 болгон Раман спектрлеринин басымдуулугу байкалган, ал эми I2D/IG = 0,8 болгон Раман спектрлери сейрек байкалган. Бүтүндөй пленкада кемчиликтүү чокулардын (D = 1350 см-1) жоктугу NGFтин өсүшүнүн жогорку сапатын көрсөтүп турат. BS-NGF үлгүсүндө окшош Раман жыйынтыктары алынган (SI1 а жана b-сүрөт, SI1 таблицасы).
NiAG FS- жана BS-NGF салыштыруу: (a) Вафли масштабында (55 см2) NGF өсүшүн көрсөткөн типтүү NGF (NiAG) үлгүсүнүн сүрөтү жана натыйжада алынган BS- жана FS-Ni фольга үлгүлөрү, (b) Оптикалык микроскоп менен алынган FS-NGF сүрөттөрү/Ni, (c) b панелинде ар кандай позицияларда жазылган типтүү Раман спектрлери, (d, f) FS-NGF/Niде ар кандай чоңойтуулардагы SEM сүрөттөрү, (e, g) ар кандай чоңойтуулардагы SEM сүрөттөрү BS -NGF/Ni орнотмолору. Көк жебе FLG аймагын, кызгылт сары жебе MLG аймагын (FLG аймагына жакын), кызыл жебе NGF аймагын жана кызгылт көк жебе бүктөмдү көрсөтөт.
Өсүү баштапкы субстраттын калыңдыгына, кристаллдын өлчөмүнө, багытына жана бүртүкчөлөрдүн чектерине көз каранды болгондуктан, чоң аянттарда NGF калыңдыгын акылга сыярлык көзөмөлдөөгө жетишүү кыйынчылык бойдон калууда20,34,44. Бул изилдөөдө биз мурда жарыялаган мазмун колдонулган30. Бул процесс 100 мкм үчүн 0,1ден 3% га чейинки жарык аймакты пайда кылат230. Төмөнкү бөлүмдөрдө биз эки типтеги аймактар үчүн жыйынтыктарды сунуштайбыз. Жогорку чоңойтулган SEM сүрөттөрү эки тарапта тең бир нече жарык контраст аймактарынын бар экендигин көрсөтөт (1f, g-сүрөт), бул FLG жана MLG аймактарынын бар экендигин көрсөтөт30,45. Бул ошондой эле Раман чачырашы (1c-сүрөт) жана TEM жыйынтыктары менен тастыкталган (кийинчерээк "FS-NGF: түзүлүшү жана касиеттери" бөлүмүндө талкууланат). FS- жана BS-NGF/Ni үлгүлөрүндө байкалган FLG жана MLG аймактары (Niде өстүрүлгөн алдыңкы жана арткы NGF) алдын ала күйгүзүү учурунда пайда болгон чоң Ni(111) бүртүкчөлөрүндө өскөн болушу мүмкүн22,30,45. Эки тараптан тең бүктөлүүлөр байкалган (1b-сүрөт, кочкул кызыл жебелер менен белгиленген). Бул бүктөлүүлөр көбүнчө CVDде өстүрүлгөн графен жана графит пленкаларында кездешет, анткени графит менен никель субстратынын ортосундагы жылуулук кеңейүү коэффициентиндеги чоң айырмачылык бар30,38.
AFM сүрөтү FS-NGF үлгүсүнүн BS-NGF үлгүсүнө караганда жалпак экенин тастыктады (SI1-сүрөт) (SI2-сүрөт). FS-NGF/Ni (SI2c-сүрөт) жана BS-NGF/Ni (SI2d-сүрөт) үчүн орточо квадраттык (RMS) оройлук маанилери тиешелүүлүгүнө жараша 82 жана 200 нмди түзөт (20 × 20 мкм2 аянтта өлчөнгөн). Жогорку оройлукту никель (NiAR) фольгасынын кабыл алынган абалдагы беттик анализинин негизинде түшүнүүгө болот (SI3-сүрөт). FS жана BS-NiARдын SEM сүрөттөрү SI3a–d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн, алар ар кандай беттик морфологияларды көрсөтөт: жылтыратылган FS-Ni фольгасында нано жана микрон өлчөмүндөгү сфералык бөлүкчөлөр бар, ал эми жылтыратылбаган BS-Ni фольгасында өндүрүш тепкичи көрсөтүлөт. жогорку бекемдикке жана төмөндөөгө ээ бөлүкчөлөр катары. Күйдүрүлгөн никель фольгасынын (NiA) төмөнкү жана жогорку чечилиштеги сүрөттөрү SI3e–h сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. Бул сүрөттөрдө никель фольгасынын эки тарабында бир нече микрон өлчөмүндөгү никель бөлүкчөлөрүнүн бар экенин байкай алабыз (SI3e–h сүрөтү). Ири бүртүкчөлөр мурда кабарлангандай, Ni(111) беттик багытка ээ болушу мүмкүн30,46. FS-NiA жана BS-NiA ортосунда никель фольгасынын морфологиясында олуттуу айырмачылыктар бар. BS-NGF/Ni жогорку оройлугу BS-NiAR жылмаланбаган бетине байланыштуу, анын бети күйгүзгөндөн кийин да бир топ орой бойдон калат (SI3 сүрөтү). Өсүү процессинен мурун беттин мындай мүнөздөмөсү графен жана графит пленкаларынын оройлугун көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берет. Белгилей кетүүчү нерсе, баштапкы субстрат графендин өсүшү учурунда дандын бир аз кайра түзүлүшүнө дуушар болгон, бул күйгүзүлгөн фольга жана катализатор пленкасына салыштырмалуу дандын өлчөмүн бир аз кичирейтип, субстраттын беттик оройлугун бир аз жогорулаткан22.
Субстраттын бетинин тегиз эместигин, күйгүзүү убактысын (дандын өлчөмүн)30,47 жана чыгарууну көзөмөлдөө43 так жөндөө аймактык NGF калыңдыгынын бирдейлигин мкм2 жана/же ал тургай нм2 масштабына чейин азайтууга жардам берет (б.а., бир нече нанометрдин калыңдыгынын өзгөрүшү). Субстраттын бетинин тегиз эместигин көзөмөлдөө үчүн, алынган никель фольгасын электролиттик жылтыратуу сыяктуу ыкмаларды карап көрүүгө болот48. Андан кийин алдын ала иштетилген никель фольгасын чоң Ni(111) бүртүкчөлөрүнүн пайда болушуна жол бербөө үчүн төмөнкү температурада (<900 °C)46 жана убакытта (<5 мүнөт) күйгүзүүгө болот (бул FLG өсүшү үчүн пайдалуу).
SLG жана FLG графени кислоталардын жана суунун беттик тартылуусуна туруштук бере албайт, ошондуктан нымдуу химиялык өткөрүү процесстеринде механикалык колдоо катмарлары талап кылынат22,34,38. Полимер менен бекемделген бир катмарлуу графендин нымдуу химиялык өткөрүүсүнөн айырмаланып38, биз 2a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, өскөн NGFтин эки тарабын тең полимер колдоосу жок өткөрүүгө болорун аныктадык (көбүрөөк маалымат алуу үчүн SI4a-сүрөттү караңыз). NGFти берилген субстратка өткөрүү астындагы Ni30.49 пленкасын нымдуу оюудан башталат. Өскөн NGF/Ni/NGF үлгүлөрү 600 мл деиондоштурулган (DI) суу менен суюлтулган 15 мл 70% HNO3кө түнөп коюлду. Ni фольгасы толугу менен эригенден кийин, FS-NGF жалпак бойдон калат жана NGF/Ni/NGF үлгүсү сыяктуу эле суюктуктун бетинде калкып жүрөт, ал эми BS-NGF сууга чөмүлөт (2a,b-сүрөттөр). Андан кийин бөлүнүп алынган NGF жаңы деиондоштурулган суу куюлган бир стакандан экинчи стаканга которулуп, бөлүнүп алынган NGF жакшылап жуулуп, ойдуң айнек идиш аркылуу төрт-алты жолу кайталанган. Акырында, FS-NGF жана BS-NGF керектүү негизге жайгаштырылган (2c-сүрөт).
Никель фольгасында өстүрүлгөн NGF үчүн полимерсиз нымдуу химиялык которуу процесси: (а) Процесстин схемасы (кененирээк маалымат алуу үчүн SI4-сүрөттү караңыз), (б) Ni менен оюудан кийин бөлүнгөн NGFтин санарип сүрөтү (2 үлгү), (в) FS – жана BS-NGFтин SiO2/Si субстратына которулушунун мисалы, (г) FS-NGFтин тунук эмес полимер субстратына которулушу, (д) d панели менен бирдей үлгүдөн BS-NGF (эки бөлүккө бөлүнгөн), алтын жалатылган C кагазына жана Nafionго которулган (ийкемдүү тунук субстрат, четтери кызыл бурчтар менен белгиленген).
Нымдуу химиялык которуу ыкмаларын колдонуу менен жүргүзүлгөн SLG которуу жалпысынан 20–24 саат иштетүү убактысын талап кылаарын эске алыңыз 38. Бул жерде көрсөтүлгөн полимерсиз которуу ыкмасы менен (SI4a-сүрөт), NGF которуунун жалпы иштетүү убактысы бир топ кыскарат (болжол менен 15 саат). Процесс төмөнкүлөрдөн турат: (1-кадам) Оёо эритмесин даярдап, ага үлгүнү салыңыз (~10 мүнөт), андан кийин Ni оёо үчүн түнү бою күтүңүз (~7200 мүнөт), (2-кадам) Деионизацияланган суу менен чайкаңыз (– 3-кадам). Деионизацияланган сууда сактаңыз же максаттуу субстратка которуу (20 мүнөт). NGF менен көлөмдүү матрицанын ортосунда калган суу капиллярдык таасир (блоттоочу кагазды колдонуу менен) менен алынып салынат 38, андан кийин калган суу тамчылары табигый кургатуу менен алынып салынат (болжол менен 30 мүнөт) жана акырында үлгү 50–90 °C (60 мүнөт) температурада вакуумдук меште (10–1 мбар) 10 мүнөт кургатыла 38.
Графит бир топ жогорку температурада (≥ 200 °C) суунун жана абанын болушуна туруштук берери белгилүү50,51,52. Биз бөлмө температурасында деиондоштурулган сууда жана жабык бөтөлкөлөргө бир нече күндөн бир жылга чейин сакталгандан кийин Раман спектроскопиясын, SEM жана XRDди колдонуп үлгүлөрдү сынадык (SI4-сүрөт). Эч кандай байкаларлык деградация жок. 2c-сүрөттө деиондоштурулган суудагы эркин турган FS-NGF жана BS-NGF көрсөтүлгөн. Биз аларды 2c-сүрөттүн башында көрсөтүлгөндөй, SiO2 (300 нм)/Si субстратына тарттык. Мындан тышкары, 2d,e-сүрөттөрдө көрсөтүлгөндөй, үзгүлтүксүз NGF полимерлер (Nexolve жана Nafionдон алынган Thermabright полиамиди) жана алтын менен капталган көмүртек кагазы сыяктуу ар кандай субстраттарга өткөрүлүп берилиши мүмкүн. Калкып жүрүүчү FS-NGF максаттуу субстратка оңой жайгаштырылган (2c, d-сүрөт). Бирок, 3 см2ден чоң BS-NGF үлгүлөрүн сууга толугу менен чөмүлгөндө иштетүү кыйын болгон. Адатта, алар сууда тоголонуп баштаганда, этиятсыз мамиледен улам кээде эки же үч бөлүккө бөлүнүп кетишет (2e-сүрөт). Жалпысынан алганда, биз тиешелүүлүгүнө жараша аянты 6 жана 3 см2ге чейинки үлгүлөр үчүн PS- жана BS-NGFтин полимерсиз которулушуна (NGF/Ni/NGFтин 6 см2де өсүшүсүз үзгүлтүксүз үзгүлтүксүз которулушуна) жетише алдык. Калган чоң же кичине бөлүктөрдү каалаган субстратка (~1 мм2, SI4b-сүрөт, "FS-NGF: Структура жана касиеттер" ("Структура жана касиеттер" бөлүмүндө талкууланган) сыяктуу жез торчосуна которулган үлгүнү караңыз) же келечекте колдонуу үчүн сактоого болот (SI4-сүрөт). Бул критерийге таянып, биз NGFтин 98-99% га чейин түшүмдүүлүгүн калыбына келтирүүгө болорун эсептейбиз (трансформация үчүн өскөндөн кийин).
Полимерсиз которулуучу үлгүлөр деталдуу талданды. Оптикалык микроскопия (OM) жана SEM сүрөттөрүн (SI5 жана 3-сүрөттөр) колдонуу менен FS- жана BS-NGF/SiO2/Si (2c-сүрөт) боюнча алынган беттик морфологиялык мүнөздөмөлөр бул үлгүлөр микроскопиясыз которулганын көрсөттү. Жаракалар, тешиктер же жайылган жерлер сыяктуу көрүнүктүү структуралык бузулуулар. Өсүп келе жаткан NGFтин бүктөмдөрү (3b, d-сүрөттөр, кочкул кызыл жебелер менен белгиленген) которулгандан кийин бүтүн бойдон калган. FS- жана BS-NGF экөө тең FLG аймактарынан турат (3-сүрөттө көк жебелер менен белгиленген жарык аймактар). Таң калыштуусу, өтө жука графит пленкаларын полимер менен которуу учурунда адатта байкалган бир нече бузулган аймактардан айырмаланып, NGFке туташкан бир нече микрон өлчөмүндөгү FLG жана MLG аймактары (3d-сүрөттө көк жебелер менен белгиленген) жаракаларсыз же үзүлүүлөрсүз которулган (3d-сүрөт). 3). . Механикалык бүтүндүк кийинчерээк талкуулангандай, тор-көмүртек жез торлоруна которулган NGFтин TEM жана SEM сүрөттөрүн колдонуу менен андан ары тастыкталды ("FS-NGF: Түзүлүшү жана касиеттери"). SI6a жана b сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй (20 × 20 мкм2), которулган BS-NGF/SiO2/Si FS-NGF/SiO2/Siге караганда оройраак, орточо квадраттык маанилери тиешелүүлүгүнө жараша 140 нм жана 17 нм, бул SI6a жана b сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн (20 × 20 мкм2). SiO2/Si субстратына которулган NGFтин орточо квадраттык мааниси (RMS < 2 нм) Niде өстүрүлгөн NGFке караганда бир кыйла төмөн (болжол менен 3 эсе) (SI2 сүрөтү), бул кошумча оройлук Ni бетине дал келиши мүмкүн экенин көрсөтүп турат. Мындан тышкары, FS- жана BS-NGF/SiO2/Si үлгүлөрүнүн четтеринде тартылган AFM сүрөттөрү NGFтин калыңдыгын тиешелүүлүгүнө жараша 100 жана 80 нм көрсөттү (SI7 сүрөтү). BS-NGFтин калыңдыгынын кичине болушу беттин прекурсордук газга түздөн-түз дуушар болбогондугунун натыйжасы болушу мүмкүн.
SiO2/Si пластинасындагы полимерсиз өткөрүлгөн NGF (NiAG) (2c-сүрөттү караңыз): (a,b) өткөрүлгөн FS-NGFтин SEM сүрөттөрү: төмөнкү жана жогорку чоңойтуу (панелдеги кызгылт сары квадратка туура келет). Типтүү аймактар) – а). (c,d) өткөрүлгөн BS-NGFтин SEM сүрөттөрү: төмөнкү жана жогорку чоңойтуу (c панелиндеги кызгылт сары квадрат менен көрсөтүлгөн типтүү аймакка туура келет). (e, f) өткөрүлгөн FS- жана BS-NGFтердин AFM сүрөттөрү. Көк жебе FLG аймагын билдирет – ачык контраст, көгүлтүр жебе – кара MLG контрасты, кызыл жебе – кара контраст NGF аймагын, кызгылт жебе бүктөмдү билдирет.
Өстүрүлгөн жана которулган FS- жана BS-NGFтердин химиялык курамы рентген фотоэлектрондук спектроскопиясы (XPS) аркылуу талданган (4-сүрөт). Өлчөнгөн спектрлерде алсыз чоку байкалган (4a, b-сүрөт), бул өстүрүлгөн FS- жана BS-NGFтердин (NiAG) Ni субстратына (850 эВ) туура келет. Өткөрүлгөн FS- жана BS-NGF/SiO2/Si өлчөнгөн спектрлеринде чокулар жок (4c-сүрөт; BS-NGF/SiO2/Si үчүн окшош натыйжалар көрсөтүлгөн эмес), бул которулгандан кийин калдык Ni булгануусу жок экенин көрсөтүп турат. 4d–f сүрөттөрүндө FS-NGF/SiO2/Si энергия деңгээлдеринин C 1 s, O 1 s жана Si 2p энергия деңгээлдеринин жогорку чечилиштеги спектрлери көрсөтүлгөн. Графиттин C 1 s байланыш энергиясы 284,4 эВ53,54 түзөт. Графит чокуларынын сызыктуу формасы, адатта, 4d54-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, асимметриялуу деп эсептелет. Жогорку чечилиштеги өзөк деңгээлиндеги C1s спектри (4d-сүрөт) дагы таза которулууну тастыктады (б.а., полимер калдыктарынын жоктугу), бул мурунку изилдөөлөргө дал келет38. Жаңы өстүрүлгөн үлгүнүн (NiAG) жана которулгандан кийинки C1s спектрлеринин сызык туурасы тиешелүүлүгүнө жараша 0,55 жана 0,62 эВ түзөт. Бул маанилер SLGге караганда жогору (SiO2 субстратындагы SLG үчүн 0,49 эВ)38. Бирок, бул маанилер мурда жогорку багытталган пиролитикалык графен үлгүлөрү үчүн билдирилген сызык туурасынан кичине (~0,75 эВ)53,54,55, бул учурдагы материалда кемчиликтүү көмүртек участокторунун жоктугун көрсөтүп турат. C1s жана O1s жер деңгээлиндеги спектрлерде да ийиндер жок, бул жогорку чечилиштеги чокуларды деконволюциялоонун зарылдыгын жокко чыгарат54. Графит үлгүлөрүндө көп байкалган 291,1 эВ тегерегинде π → π* спутниктик чокусу бар. Si 2p жана O 1 s өзөктүк деңгээлдеги спектрлериндеги 103 эВ жана 532,5 эВ сигналдар (4e, f-сүрөттөрдү караңыз) тиешелүүлүгүнө жараша SiO2 56 субстратына таандык. XPS - бул бетке сезгич ыкма, андыктан NGF өткөрүлгөнгө чейин жана андан кийин аныкталган Ni жана SiO2ге туура келген сигналдар FLG аймагынан келип чыгат деп болжолдонууда. Ушул сыяктуу натыйжалар өткөрүлүп берилген BS-NGF үлгүлөрү үчүн байкалган (көрсөтүлгөн эмес).
NiAG XPS жыйынтыктары: (ac) Өстүрүлгөн FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni жана өткөрүлүп берилген FS-NGF/SiO2/Si ар кандай элементтик атомдук курамдарынын спектрлерин изилдөө. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si үлгүсүнүн C 1 s, O 1s жана Si 2p өзөк деңгээлдеринин жогорку чечилиштеги спектрлери.
Өткөрүлгөн NGF кристаллдарынын жалпы сапаты рентген дифракциясы (XRD) аркылуу бааланган. Өткөрүлгөн FS- жана BS-NGF/SiO2/Si типтүү XRD үлгүлөрү (SI8-сүрөт) графитке окшош 26,6° жана 54,7° дифракциялык чокулардын (0 0 0 2) жана (0 0 0 4) бар экенин көрсөтөт. Бул NGFтин жогорку кристаллдык сапатын тастыктайт жана өткөрүү этабынан кийин сакталып турган d = 0,335 нм катмар аралыкка туура келет. Дифракциялык чокунун интенсивдүүлүгү (0 0 0 2) дифракциялык чокунун (0 0 0 4) интенсивдүүлүгүнөн болжол менен 30 эсе чоң, бул NGF кристалл тегиздиги үлгүнүн бети менен жакшы дал келгенин көрсөтүп турат.
SEM, Раман спектроскопиясынын, XPS жана XRD жыйынтыктарына ылайык, BS-NGF/Ni сапаты FS-NGF/Ni сапаты менен бирдей экени аныкталган, бирок анын rms кесектиги бир аз жогору болгон (SI2, SI5 жана SI7 сүрөттөрү).
Калыңдыгы 200 нмге чейинки полимердик тирөөч катмарлары бар SLGлер сууда калкып жүрө алат. Бул түзүлүш көбүнчө полимердин жардамы менен нымдуу химиялык өткөрүп берүү процесстеринде колдонулат22,38. Графен жана графит гидрофобдук (нымдуу бурч 80–90°)57. Графендин да, FLGнин да потенциалдуу энергия беттери бир топ жалпак экени, суунун бетиндеги каптал кыймылы үчүн потенциалдуу энергиясы төмөн (~1 кДж/моль)58 экени кабарланган. Бирок, суунун графен жана графендин үч катмары менен эсептелген өз ара аракеттенүү энергиялары тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен −13 жана −15 кДж/моль58 түзөт, бул суунун NGF (болжол менен 300 катмар) менен өз ара аракеттенүүсү графенге салыштырмалуу төмөн экенин көрсөтүп турат. Бул өз алдынча турган NGF суунун бетинде жалпак бойдон калышынын, ал эми өз алдынча турган графен (сууда калкып жүрөт) бүктөлүп, талкаланышынын себептеринин бири болушу мүмкүн. NGF толугу менен сууга чөмүлгөндө (жыйынтыктар орой жана жалпак NGF үчүн бирдей), анын четтери бүгүлөт (SI4-сүрөт). Толук чөмүлүү учурунда, NGF-суунун өз ара аракеттенүү энергиясы дээрлик эки эсеге көбөйөт (калкып жүргөн NGFке салыштырмалуу) жана NGFтин четтери жогорку контакт бурчун (гидрофобдук) сактоо үчүн бүктөлөт деп күтүлүүдө. Биз камтылган NGFтин четтеринин бүктөлүшүнөн качуу үчүн стратегияларды иштеп чыгууга болот деп эсептейбиз. Бир ыкма - графит пленкасынын нымдоо реакциясын модуляциялоо үчүн аралаш эриткичтерди колдонуу59.
SLGнин ар кандай типтеги субстраттарга нымдуу химиялык которуу процесстери аркылуу өткөрүлүшү мурда кабарланган. Графен/графит пленкалары менен субстраттардын (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 сыяктуу катуу субстраттар жана кружевалуу көмүртек пленкалары30, 34 же полиимид 37 сыяктуу ийкемдүү субстраттар) ортосунда алсыз ван-дер-Ваальс күчтөрү бар экени жалпы кабыл алынган. Бул жерде биз бир эле типтеги өз ара аракеттенүүлөр басымдуулук кылат деп болжолдойбуз. Механикалык иштетүү учурунда (вакуумда жана/же атмосфералык шарттарда же сактоо учурунда мүнөздөмө берүү учурунда) бул жерде көрсөтүлгөн субстраттардын бири үчүн да NGFтин бузулушун же сыйрылышын байкаган жокпуз (мисалы, 2-сүрөт, SI7 жана SI9). Мындан тышкары, биз NGF/SiO2/Si үлгүсүнүн өзөк деңгээлинин XPS C 1s спектринде SiC чокусун байкаган жокпуз (4-сүрөт). Бул жыйынтыктар NGF менен максаттуу субстраттын ортосунда эч кандай химиялык байланыш жок экенин көрсөтүп турат.
Мурунку бөлүмдө, "FS- жана BS-NGFтин полимерсиз өткөрүлүшү", биз NGF никель фольгасынын эки тарабында тең өсүп, өткөрүлө аларын көрсөттүк. Бул FS-NGF жана BS-NGF бетинин оройлугу боюнча бирдей эмес, бул бизди ар бир түр үчүн эң ылайыктуу колдонмолорду изилдөөгө түрткү болду.
FS-NGFтин тунуктугун жана жылмакай бетин эске алуу менен, биз анын жергиликтүү түзүлүшүн, оптикалык жана электрдик касиеттерин кененирээк изилдедик. Полимерди өткөрбөстөн FS-NGFтин түзүлүшү жана түзүлүшү трансмиссиялык электрондук микроскопия (TEM) сүрөткө тартуу жана тандалган аймактык электрондук дифракция (SAED) үлгүсүн талдоо менен мүнөздөлдү. Тиешелүү жыйынтыктар 5-сүрөттө көрсөтүлгөн. Төмөн чоңойтулган тегиздиктеги TEM сүрөткө тартуу ар кандай электрондук контраст мүнөздөмөлөрүнө ээ болгон NGF жана FLG аймактарынын, башкача айтканда, тиешелүүлүгүнө жараша караңгыраак жана жарыкыраак аймактардын бар экендигин көрсөттү (5a-сүрөт). Плёнка жалпысынан NGF жана FLG ар кандай аймактарынын ортосунда жакшы механикалык бүтүндүктү жана туруктуулукту көрсөтөт, жакшы дал келүү жана бузулуу же айрылуу жок, бул SEM (3-сүрөт) жана жогорку чоңойтулган TEM изилдөөлөрү менен да тастыкталды (5c-e-сүрөт). Атап айтканда, 5d-сүрөттө анын эң чоң бөлүгүндөгү көпүрөнүн түзүлүшү көрсөтүлгөн (5d-сүрөттө кара чекиттүү жебе менен белгиленген абал), ал үч бурчтуу форма менен мүнөздөлөт жана туурасы болжол менен 51 болгон графен катмарынан турат. Тегиздиктер аралык аралыгы 0,33 ± 0,01 нм болгон курам эң кууш аймакта графендин бир нече катмарына чейин азаят (5d-сүрөттөгү кара жебенин аягы).
Көмүртектүү жез торчосунда полимерсиз NiAG үлгүсүнүн тегиздиктеги TEM сүрөтү: (a, b) NGF жана FLG аймактарын камтыган төмөнкү чоңойтуудагы TEM сүрөттөрү, (ce) a жана b панелдериндеги ар кандай аймактардын жогорку чоңойтуудагы сүрөттөрү бирдей түстөгү жебелер менен белгиленген. a жана c панелдериндеги жашыл жебелер нурду тегиздөө учурундагы тегерек зыян аймактарын көрсөтөт. (f–i) a дан c га чейинки панелдерде ар кандай аймактардагы SAED үлгүлөрү тиешелүүлүгүнө жараша көк, көгүлтүр, кызгылт сары жана кызыл тегерекчелер менен көрсөтүлгөн.
5c-сүрөттөгү лента түзүлүшү графит торчо тегиздиктеринин вертикалдуу багытын көрсөтөт (кызыл жебе менен белгиленген), бул пленка боюнча нанобүктөмөлөрдүн пайда болушунан улам болушу мүмкүн (5c-сүрөттө кошумча сүрөт), ашыкча компенсацияланбаган жылышуу чыңалуусунан улам30,61,62. Жогорку чечилиштеги TEM астында бул нанобүктөмөлөр 30 NGF аймагынын калган бөлүгүнө караганда башкача кристаллографиялык багытты көрсөтөт; графит торчосунун базалык тегиздиктери пленканын калган бөлүгү сыяктуу горизонталдуу эмес, дээрлик вертикалдуу багытталган (5c-сүрөттө кошумча сүрөт). Ошо сыяктуу эле, FLG аймагында кээде сызыктуу жана кууш тилке сымал бүктөмдөр (көк жебелер менен белгиленген) байкалат, алар тиешелүүлүгүнө жараша 5b, 5e сүрөттөрүндө төмөнкү жана орто чоңойтууда пайда болот. 5e-сүрөттөгү кошумча сүрөт FLG секторунда эки жана үч катмарлуу графен катмарларынын бар экендигин тастыктайт (тегиздиктер аралык аралык 0,33 ± 0,01 нм), бул биздин мурунку жыйынтыктарыбызга жакшы дал келет30. Мындан тышкары, полимерсиз NGFтин жез торчолоруна кружевалуу көмүртек пленкалары менен өткөрүлгөн (жогорку көрүнүштөгү TEM өлчөөлөрүн жүргүзгөндөн кийин) жазылган SEM сүрөттөрү SI9-сүрөттө көрсөтүлгөн. SI9f-сүрөттө жакшы асылган FLG аймагы (көк жебе менен белгиленген) жана сынган аймак. Көк жебе (өткөрүлгөн NGFтин четинде) FLG аймагы полимерсиз өткөрүү процессине туруштук бере аларын көрсөтүү үчүн атайылап көрсөтүлгөн. Кыскача айтканда, бул сүрөттөр жарым-жартылай асылган NGF (FLG аймагын кошо алганда) TEM жана SEM өлчөөлөрү учурунда катуу иштетүүдөн жана жогорку вакуумга дуушар болгондон кийин да механикалык бүтүндүгүн сактап калаарын тастыктайт (SI9-сүрөт).
NGFтин эң сонун тегиздигинен улам (5a-сүрөттү караңыз), SAED түзүлүшүн талдоо үчүн кабырчыктарды [0001] домен огу боюнча багыттоо кыйын эмес. Пленканын жергиликтүү калыңдыгына жана анын жайгашкан жерине жараша, электрондук дифракция изилдөөлөрү үчүн бир нече кызыктуу аймактар (12 чекит) аныкталган. 5a–c сүрөттөрүндө бул типтүү аймактардын төртөө көрсөтүлгөн жана түстүү тегерекчелер менен белгиленген (көк, көгүш, кызгылт сары жана кызыл коддолгон). SAED режими үчүн 2 жана 3-сүрөттөр. 5f жана g сүрөттөрү 5 жана 5-сүрөттөрдө көрсөтүлгөн FLG аймагынан алынган. Тиешелүүлүгүнө жараша 5b жана c сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй. Алар бурама графенге окшош алты бурчтуу түзүлүшкө ээ63. Атап айтканда, 5f сүрөтүндө [0001] зонасынын огунун бирдей багыты менен 10° жана 20° бурулган үч кабатталган үлгү көрсөтүлгөн, бул үч жуп (10-10) чагылдыруунун бурчтук дал келбестиги менен далилденет. Ошо сыяктуу эле, 5g-сүрөттө 20° бурчта айланган эки кабатталган алты бурчтуу үлгү көрсөтүлгөн. FLG аймагындагы алты бурчтуу үлгүлөрдүн эки же үч тобу бири-бирине салыштырмалуу айланган үч тегиздиктеги же тегиздиктен тышкары графен катмарларынан 33 пайда болушу мүмкүн. Ал эми, 5h,i-сүрөттөгү (5a-сүрөттө көрсөтүлгөн NGF аймагына туура келет) электрондук дифракция үлгүлөрү материалдын калыңдыгына туура келген жалпы жогорку чекиттик дифракция интенсивдүүлүгүнө ээ болгон бир [0001] үлгүнү көрсөтөт. Бул SAED моделдери 64-индекстен алынгандай, FLGге караганда калыңыраак графиттик түзүлүшкө жана ортоңку багытка туура келет. NGFтин кристаллдык касиеттеринин мүнөздөмөсү эки же үч кабатталган графит (же графен) кристаллиттеринин бирге жашоосун көрсөттү. FLG аймагында өзгөчө көңүл бурууга арзырлык нерсе, кристаллиттердин белгилүү бир деңгээлде тегиздиктеги же тегиздиктен тышкары багыты бузулган. Ni 64 пленкаларында өстүрүлгөн NGF үчүн тегиздик ичинде айлануу бурчтары 17°, 22° жана 25° болгон графит бөлүкчөлөрү/катмарлары мурда кабарланган. Бул изилдөөдө байкалган айлануу бурчунун маанилери бурмаланган BLG63 графени үчүн мурда байкалган айлануу бурчтарына (±1°) дал келет.
NGF/SiO2/Si электрдик касиеттери 300 К температурада 10×3 мм2 аянтта өлчөнгөн. Электрон алып жүрүүчүлөрдүн концентрациясынын, кыймылдуулугунун жана өткөрүмдүүлүгүнүн маанилери тиешелүү түрдө 1,6 × 1020 см-3, 220 см-2 V-1 C-1 жана 2000 S-см-1 түзөт. Биздин NGFтин кыймылдуулугу жана өткөрүмдүүлүгүнүн маанилери табигый графитке окшош2 жана коммерциялык жактан жеткиликтүү жогорку багытталган пиролитикалык графиттен (3000 °C температурада өндүрүлгөн) жогору29. Байкалган электрон алып жүрүүчүлөрдүн концентрациясынын маанилери жогорку температурадагы (3200 °C) полиамид барактарын колдонуу менен даярдалган микрон калыңдыктагы графит пленкалары үчүн жакында эле билдирилген маанилерден (7,25 × 10 см-3) эки эсе жогору20.
Ошондой эле, биз кварц субстраттарына өткөрүлгөн FS-NGF боюнча ультрафиолет нурларынын көрүнүүчү өткөрүмдүүлүгүн өлчөөлөрдү жүргүздүк (6-сүрөт). Алынган спектр 350–800 нм диапазонунда дээрлик туруктуу өткөрүмдүүлүктү 62% түзөт, бул NGF көрүнгөн жарыкка тунук экенин көрсөтүп турат. Чындыгында, "KAUST" деген аталышты 6b-сүрөттөгү үлгүнүн санариптик сүрөтүнөн көрүүгө болот. NGFтин нанокристаллдык түзүлүшү SLGден айырмаланганы менен, катмарлардын санын кошумча катмар үчүн 2,3% өткөрүмдүүлүк жоготуусу эрежесин колдонуу менен болжол менен эсептөөгө болот65. Бул байланышка ылайык, өткөрүмдүүлүк жоготуусу 38% болгон графен катмарларынын саны 21. Өстүрүлгөн NGF негизинен 300 графен катмарынан турат, башкача айтканда, калыңдыгы болжол менен 100 нм (1-сүрөт, SI5 жана SI7). Ошондуктан, биз байкалган оптикалык тунуктук FLG жана MLG аймактарына туура келет деп болжолдойбуз, анткени алар пленка боюнча бөлүштүрүлгөн (1, 3, 5 жана 6c-сүрөттөр). Жогорудагы структуралык маалыматтардан тышкары, өткөрүмдүүлүк жана тунуктук дагы өткөрүлүп берилген ЖГФнын жогорку кристаллдык сапатын тастыктайт.
(а) УК-көрүнүүчү өткөрүмдүүлүктү өлчөө, (б) өкүлчүлүктүү үлгүнү колдонуу менен кварцтагы NGFтин типтүү өткөрүлүшү. (в) Үлгү боюнча бирдей бөлүштүрүлгөн FLG жана MLG аймактары боз түстөгү кокустук формалар менен белгиленген NGFтин схемасы (караңгы кутуча) (1-сүрөттү караңыз) (100 мкм2 үчүн болжол менен 0,1–3% аянт). Диаграммадагы кокустук формалар жана алардын өлчөмдөрү иллюстрациялык максаттарда гана берилген жана чыныгы аянттарга дал келбейт.
CVD менен өстүрүлгөн тунук NGF мурда жылаңач кремний беттерине которулуп, күн батареяларында колдонулган15,16. Натыйжада кубаттуулукту конверсиялоонун натыйжалуулугу (PCE) 1,5% түзөт. Бул NGFтер активдүү кошулма катмарлары, зарядды ташуу жолдору жана тунук электроддор15,16 сыяктуу бир нече функцияларды аткарышат. Бирок, графит пленкасы бирдей эмес. Графит электродунун барактын каршылыгын жана оптикалык өткөрүмдүүлүгүн кылдаттык менен көзөмөлдөө менен андан ары оптималдаштыруу зарыл, анткени бул эки касиет күн батареясынын PCE маанисин аныктоодо маанилүү ролду ойнойт15,16. Адатта, графен пленкалары көрүнгөн жарык үчүн 97,7% тунук, бирок барактын каршылыгы 200–3000 ом/кв.16 түзөт. Графен пленкаларынын беттик каршылыгын катмарлардын санын көбөйтүү (графен катмарларын бир нече жолу өткөрүү) жана HNO3 (~30 Ом/кв.) менен легирлөө аркылуу азайтууга болот66. Бирок, бул процесс көп убакытты талап кылат жана ар кандай өткөрүү катмарлары дайыма эле жакшы байланышты сактай бербейт. Биздин алдыңкы тарабындагы NGF өткөрүмдүүлүгү 2000 С/см2, пленка барактарынын каршылыгы 50 Ом/кв. жана 62% тунуктук сыяктуу касиеттерге ээ, бул аны күн батареяларындагы өткөргүч каналдар же каршы электроддор үчүн ылайыктуу альтернатива кылат15,16.
BS-NGFтин түзүлүшү жана бетинин химиялык курамы FS-NGFке окшош болгону менен, анын оройлугу башкача ("FS- жана BS-NGFтин өсүшү"). Буга чейин биз газ сенсору катары өтө жука пленкалуу графит22 колдонгонбуз. Ошондуктан, биз BS-NGFти газды сезүү тапшырмалары үчүн колдонуунун мүмкүнчүлүгүн текшердик (SI10-сүрөт). Алгач, BS-NGFтин мм2 өлчөмүндөгү бөлүктөрү сандык аралык электрод сенсорунун чипине өткөрүлдү (SI10a-c-сүрөт). Чиптин өндүрүштүк чоо-жайы мурда кабарланган; анын активдүү сезгич аянты 9 мм267. SEM сүрөттөрүндө (SI10b жана c-сүрөттөр), астындагы алтын электрод NGF аркылуу даана көрүнүп турат. Дагы бир жолу, бардык үлгүлөр үчүн бирдей чип каптоосуна жетишилгенин көрүүгө болот. Ар кандай газдардын газ сенсорунун өлчөөлөрү жазылып алынган (SI10d-сүрөт) (SI11-сүрөт) жана натыйжада алынган жооп берүү ылдамдыгы SI10g-сүрөттөрдө көрсөтүлгөн. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) жана NH3 (200 ppm) сыяктуу башка тоскоолдук кылган газдар менен болушу мүмкүн. Мүмкүн болгон себептердин бири - NO2. Газдын электрофилдик мүнөзү22,68. Графендин бетине адсорбцияланганда, ал система тарабынан электрондордун токту сиңирүүсүн азайтат. BS-NGF сенсорунун жооп берүү убактысынын маалыматтарын мурда жарыяланган сенсорлор менен салыштыруу SI2 таблицасында келтирилген. Ачык үлгүлөрдү ультрафиолет плазмасы, O3 плазмасы же жылуулук (50–150°C) менен иштетүүнү колдонуп, NGF сенсорлорун кайра активдештирүү механизми уланууда, идеалдуу түрдө андан кийин камтылган системаларды ишке ашыруу69 жүргүзүлөт.
CVD процессинде графендин өсүшү катализатор субстратынын эки тарабында тең жүрөт41. Бирок, BS-графен адатта которуу процессинде чыгарылат41. Бул изилдөөдө биз катализатордун таянычынын эки тарабында тең жогорку сапаттагы NGF өсүшүнө жана полимерсиз NGF которууга жетишүүгө болорун көрсөтөбүз. BS-NGF FS-NGFке (~100 нм) караганда жукараак (~80 нм) жана бул айырмачылык BS-Ni прекурсордук газ агымына түздөн-түз дуушар болбогондугу менен түшүндүрүлөт. Ошондой эле, NiAR субстратынын оройлугу NGFтин оройлугуна таасир этерин аныктадык. Бул жыйынтыктар өстүрүлгөн тегиз FS-NGF графен үчүн прекурсордук материал катары (эксфолиация ыкмасы менен70) же күн батареяларында өткөргүч канал катары колдонулушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат15,16. Ал эми BS-NGF газды аныктоо үчүн колдонулат (SI9-сүрөт) жана, балким, энергияны сактоо системалары үчүн71,72, мында анын бетинин оройлугу пайдалуу болот.
Жогоруда айтылгандарды эске алуу менен, учурдагы ишти мурда жарыяланган CVD жана никель фольгасын колдонуу менен өстүрүлгөн графит пленкалары менен айкалыштыруу пайдалуу. 2-таблицадан көрүнүп тургандай, биз колдонгон жогорку басымдар салыштырмалуу төмөн температурада да (850–1300 °C диапазонунда) реакция убактысын (өсүү этабын) кыскарткан. Ошондой эле, биз адаттагыдан көбүрөөк өсүшкө жетиштик, бул кеңейүү мүмкүнчүлүгүн көрсөтүп турат. Эске алуу керек болгон башка факторлор да бар, алардын айрымдарын биз таблицага киргиздик.
Эки тараптуу жогорку сапаттагы NGF никель фольгасында каталитикалык CVD ыкмасы менен өстүрүлдү. Салттуу полимер субстраттарын (мисалы, CVD графенинде колдонулгандарды) жок кылуу менен, биз NGFтин (никель фольгасынын арткы жана алдыңкы тарабында өстүрүлгөн) ар кандай процесстик маанилүү субстраттарга таза жана кемчиликсиз нымдуу өтүшүнө жетишебиз. Белгилей кетчү нерсе, NGF калың пленкага структуралык жактан жакшы интеграцияланган FLG жана MLG аймактарын камтыйт (адатта 100 мкм2 үчүн 0,1% дан 3% га чейин). Тегиздиктеги TEM бул аймактар экиден үчкө чейин графит/графен бөлүкчөлөрүнүн (тиешелүүлүгүнө жараша кристаллдар же катмарлар) үймөктөрүнөн тураарын көрсөтүп турат, алардын айрымдарынын айлануу дал келбестиги 10–20°. FLG жана MLG аймактары FS-NGFтин көрүнгөн жарыкка тунуктугу үчүн жооптуу. Арткы барактарга келсек, аларды алдыңкы барактарга параллель алып жүрүүгө болот жана көрсөтүлгөндөй, функционалдык максатка ээ болушу мүмкүн (мисалы, газды аныктоо үчүн). Бул изилдөөлөр өнөр жай масштабындагы CVD процесстеринде калдыктарды жана чыгымдарды азайтуу үчүн абдан пайдалуу.
Жалпысынан алганда, CVD NGFтин орточо калыңдыгы (аз жана көп катмарлуу) графен менен өнөр жайлык (микрометрдик) графит барактарынын ортосунда жайгашкан. Алардын кызыктуу касиеттеринин кеңири спектри, аларды өндүрүү жана ташуу үчүн биз иштеп чыккан жөнөкөй ыкма менен айкалышып, бул пленкаларды учурда колдонулуп жаткан энергияны көп талап кылган өнөр жай өндүрүш процесстеринин чыгымысыз графиттин функционалдык реакциясын талап кылган колдонмолор үчүн өзгөчө ылайыктуу кылат.
Коммерциялык CVD реакторуна (Aixtron 4 дюймдук BMPro) 25 мкм калыңдыктагы никель фольгасы (99,5% тазалыгы, Goodfellow) орнотулган. Система аргон менен тазаланып, 10-3 мбар базалык басымга чейин эвакуацияланган. Андан кийин никель фольгасы Ar/H2ге жайгаштырылган (Ni фольгасын 5 мүнөт алдын ала күйгүзгөндөн кийин, фольга 900 °C температурада 500 мбар басымга дуушар болгон. NGF CH4/H2 агымында (ар бири 100 см3) 5 мүнөт чөктүрүлгөн. Андан кийин үлгү 40 °C/мин ылдамдыкта Ar агымы (4000 см3) колдонулуп 700 °C төмөн температурага чейин муздатылган. NGF өсүү процессин оптималдаштыруу боюнча чоо-жайы башка жерде сүрөттөлгөн30.
Үлгүнүн беттик морфологиясы Zeiss Merlin микроскобу (1 кВ, 50 пА) аркылуу SEM аркылуу көрсөтүлдү. Үлгүнүн бетинин оройлугу жана NGF калыңдыгы AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) аркылуу өлчөнгөн. TEM жана SAED өлчөөлөрү акыркы натыйжаларды алуу үчүн жогорку жарыктыктагы талаа эмиссиялык мылтыгы (300 кВ), FEI Wien тибиндеги монохроматор жана CEOS линзасынын сфералык аберрация корректору менен жабдылган FEI Titan 80–300 Cubed микроскобун колдонуу менен жүргүзүлдү. мейкиндик чечилиши 0,09 нм. NGF үлгүлөрү жалпак TEM сүрөткө тартуу жана SAED түзүлүшүн талдоо үчүн көмүртек кружевасы менен капталган жез торчолоруна өткөрүлдү. Ошентип, үлгү флокторунун көпчүлүгү таяныч мембрананын тешикчелеринде илинип турат. Өткөрүлгөн NGF үлгүлөрү XRD аркылуу талданды. Рентген дифракциялык үлгүлөрү порошок дифрактометринин (Brucker, Cu Kα булагы бар D2 фазалык которгуч, 1.5418 Å жана LYNXEYE детектору) жардамы менен нур тактарынын диаметри 3 мм болгон Cu нурлануу булагын колдонуу менен алынган.
Бир нече Раман чекитинин өлчөөлөрү интеграциялоочу конфокалдык микроскоп (Alpha 300 RA, WITeC) аркылуу жазылып алынган. Жылуулук менен индукцияланган таасирлерден качуу үчүн дүүлүктүрүү кубаттуулугу төмөн (25%) 532 нм лазер колдонулган. Рентген фотоэлектрондук спектроскопиясы (XPS) Kratos Axis Ultra спектрометринде 300 × 700 мкм2 үлгү аянтында 150 Вт кубаттуулукта монохроматикалык Al Kα нурлануусу (hν = 1486,6 эВ) колдонулуп жүргүзүлдү. Чечүүчү спектрлер тиешелүүлүгүнө жараша 160 эВ жана 20 эВ өткөрүү энергияларында алынган. SiO2ге өткөрүлгөн NGF үлгүлөрү 30 Вт кубаттуулукта PLS6MW (1,06 мкм) иттербий була лазери аркылуу бөлүктөргө (ар бири 3 × 10 мм2) кесилген. Жез зым контакттары (калыңдыгы 50 мкм) оптикалык микроскоп астында күмүш пастасын колдонуу менен жасалган. Бул үлгүлөрдө 300 К температурада жана физикалык касиеттерди өлчөө системасында (PPMS EverCool-II, Quantum Design, АКШ) ± 9 Тесла магнит талаасынын өзгөрүшүндө электрдик транспорт жана Холл эффектиси боюнча эксперименттер жүргүзүлдү. Өткөрүлгөн ультрафиолет-көрүнүүчү спектрлер кварц субстраттарына жана кварцтын эталондук үлгүлөрүнө өткөрүлүп берилген 350–800 нм NGF диапазонундагы Lambda 950 ультрафиолет-көрүнүүчү спектрофотометри менен жазылып алынды.
Химиялык каршылык сенсору (аралык сандуу электрод чипи) атайын басылган схемалык тактага 73 туташтырылган жана каршылык убактылуу алынып салынган. Түзмөк жайгашкан басылган схемалык такта байланыш терминалдарына туташтырылган жана газ сезүүчү камеранын 74 ичине жайгаштырылган. Каршылык өлчөөлөрү 1 В чыңалууда тазалануудан газдын таасирине чейин үзгүлтүксүз сканерлөө менен жүргүзүлүп, андан кийин кайра тазаланган. Камера башында нымдуулукту кошо алганда, камерада болгон башка бардык аналиттерди алып салууну камсыз кылуу үчүн 200 см3 азот менен 1 саат бою тазалануу менен тазаланган. Андан кийин жеке аналиттер N2 цилиндрин жабуу менен камерага 200 см3 бирдей агым ылдамдыгы менен жай чыгарылды.
Бул макаланын кайра каралган версиясы жарыяланды жана аны макаланын жогору жагындагы шилтеме аркылуу окуй аласыз.
Инагаки, М. жана Канг, Ф. Көмүртек материалдары илими жана инженериясы: Негиздер. Экинчи басылышы түзөтүлдү. 2014. 542.
Пирсон, ХО. Көмүртек, графит, алмаз жана фуллерендердин колдонмосу: касиеттери, иштетүү жана колдонулушу. Биринчи басылышы редакцияланган. 1994, Нью-Джерси.
Цай, В. жана башкалар. Тунук жука өткөргүч электроддор катары чоң аянттагы көп катмарлуу графен/графит пленкалары. Колдонулушу. физика. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин А.А. Графендин жана наноструктураланган көмүртек материалдарынын жылуулук касиеттери. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Ченг К.Ю., Браун П.В. жана Кахилл Д.Г. Ni (111) ге төмөнкү температурадагы химиялык буу чөктүрүү жолу менен өстүрүлгөн графит пленкаларынын жылуулук өткөрүмдүүлүгү. тактооч. Мэтт. Интерфейс 3, 16 (2016).
Хесьедал, Т. Графен пленкаларын химиялык буу менен чөктүрүү аркылуу үзгүлтүксүз өстүрүү. колдонуу. физика. Райт. 98(13), 133106(2011).
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 23-августу