Incrementum pelliculae graphitae translucidae in Ni et eius translatio bidirectionalis sine polymero.

Gratias tibi ago quod Nature.com invisisti. Versio navigatoris tui quam uteris limitatam sustentationem CSS habet. Pro optimis eventibus, commendamus ut recentiorem versionem navigatoris tui utaris (vel Modum Compatibilitatis in Internet Explorer debilites). Interea, ut sustentationem continuam praestemus, situm sine stylis vel JavaScript monstramus.
Pelliculae graphitae nanoscalares (NGFs) sunt nanomateria robusta quae per depositionem vaporis chemici catalytici produci possunt, sed manent interrogationes de facilitate translationis earum et quomodo morphologia superficialis usum earum in machinis novae generationis afficit. Hic nuntiamus incrementum NGF in utraque parte laminae niccoli polycrystallinae (area 55 cm2, crassitudo circiter 100 nm) et translationem eius sine polymero (anteriore et posteriori, area usque ad 6 cm2). Propter morphologiam laminae catalysatoris, duae pelliculae carbonis differunt in proprietatibus physicis aliisque notis (ut asperitate superficiei). Demonstramus NGFs cum parte posteriori asperiore aptas esse ad detectionem NO2, dum NGFs leviores et conductiores in parte anteriori (2000 S/cm, resistentia laminae – 50 ohms/m2) possunt esse conductores viabiles in canali vel electrodo cellulae solaris (cum transmittat 62% lucis visibilis). In summa, processus incrementi et translationis descripti adiuvare possunt ad realizandum NGF ut materiam carbonis alternativam pro applicationibus technologicis ubi graphenum et pelliculae graphitae micron-crassae non aptae sunt.
Graphite est materia industrialis late adhibita. Praesertim, graphite proprietates densitatis massae relative humilis et conductivitatis thermalis et electricae in plano altae habet, et valde stabile est in asperis ambitus thermalis et chemicis1,2. Graphite lamellaris materia initialis bene nota est investigationi grapheni3. Cum in pelliculas tenues tractatur, in ampla varietate applicationum adhiberi potest, inter quas dissipatores caloris pro instrumentis electronicis ut telephona gestabilia4,5,6,7, ut materia activa in sensoribus8,9,10 et ad protectionem contra perturbationes electromagneticas11,12 et pelliculae pro lithographia in ultravioleta extremo13,14, canales conductivos in cellulis solaribus15,16. Pro omnibus his applicationibus, magnum commodum esset si magnae areae pellicularum graphiticarum (NGF) cum crassitudinibus in nanoscala <100 nm moderatis facile produci et transportari possent.
Variis modis membranae graphitae producuntur. In uno casu, inclusio et expansio deinde exfoliatio adhibitae sunt ad squamas grapheni producendas10,11,17. Squamae ulterius in membranas crassitudinis requisitae tractandae sunt, et saepe aliquot dies requiruntur ad laminas graphitae densas producendas. Alia methodus est a praecursoribus solidis graphitabilibus incipere. In industria, laminae polymerorum carbonizantur (ad 1000–1500°C) et deinde graphitizantur (ad 2800–3200°C) ad materias stratificatas bene structas formandas. Quamquam qualitas harum membranarum alta est, consumptio energiae significativa est1,18,19 et minima crassitudo ad paucos micrones limitatur1,18,19,20.
Depositio chemica vaporis catalytica (CVD) est methodus bene nota ad producendas grapheni et membranas graphiti tenuissimas (<10 nm) cum qualitate structurali alta et pretio rationabili21,22,23,24,25,26,27. Attamen, comparata cum accretione grapheni et membranarum graphiti tenuissimarum28, accretio magnae areae et/vel applicatio NGF per CVD etiam minus explorata est11,13,29,30,31,32,33.
Pelliculae grapheni et graphiti per CVD auctae saepe in substrata functionalia transferri debent34. Hae translationes pellicularum tenuium duas methodos principales35 includunt: (1) translationem sine corrosione36,37 et (2) translationem chemicam humidam corrosionem fundatam (substrato sustentato)14,34,38. Utraque methodus nonnulla commoda et incommoda habet et secundum applicationem destinatam eligenda est, ut alibi descriptum est35,39. Pro pelliculis grapheni/graphiti in substratis catalyticis cultis, translatio per processus chemicos humidos (quorum polymethyl methacrylas (PMMA) est stratum sustentans frequentissime adhibitum) prima electio manet13,30,34,38,40,41,42. You et al. Mentionatum est nullum polymerum ad translationem NGF (magnitudo exempli circiter 4 cm2)25,43 adhibitum esse, sed nullae singulae de stabilitate exempli et/vel tractatione durante translatione datae sunt; Processus chemiae humidae polymeris utentes ex pluribus gradibus constant, inter quos applicatio et subsequens remotio strati polymeri sacrificialis30,38,40,41,42. Hic processus incommoda habet: exempli gratia, residua polymerorum proprietates pelliculae cretae mutare possunt38. Processus additus polymerum residuum removere potest, sed hi gradus additi sumptum et tempus productionis pelliculae augent38,40. Durante accretione CVD, stratum grapheni non solum in parte anteriore laminae catalysatoris (parte quae fluxum vaporis spectat) sed etiam in parte posteriori deponitur. Attamen, hoc posterius pro producto superfluo habetur et cito a plasmate molli removeri potest38,41. Recirculatio huius pelliculae adiuvare potest ad proventum maximizandum, etiamsi qualitatis inferioris est quam pellicula carbonis superficialis.
Hic, praeparationem accretionis bifacialis NGF scalae lamellae cum alta qualitate structurali in lamina niccoli polycrystallina per CVD referimus. Aestimatum est quomodo asperitas superficiei anterioris et posterioris laminae morphologiam et structuram NGF afficiat. Etiam translationem sine polymero NGF ex utraque parte laminae niccoli in substrata multifunctionalia, quae sumptibus efficacis et amica est ambienti, demonstramus et quomodo pelliculae anterior et posteriora ad varias applicationes aptae sint, demonstramus.
Sequentes sectiones varias crassitudines pelliculae graphiti secundum numerum stratorum grapheni superimpositorum tractant: (i) graphenum unius strati (SLG, 1 stratum), (ii) graphenum paucis stratis (FLG, < 10 strata), (iii) graphenum multistratum (MLG, 10-30 strata) et (iv) NGF (~300 strata). Haec posterior est crassitudo frequentissima, expressa ut percentage areae (circiter 97% areae per 100 µm2)30. Quam ob rem tota pellicula simpliciter NGF appellatur.
Laminae niccoli polycrystallinae, quae ad synthesim pellicularum grapheni et graphiti adhibentur, texturas diversas habent propter fabricationem et subsequentem processum. Nuper studium ad processum accretionis NGF30 optimizandum rettulimus. Demonstramus parametros processus, ut tempus recoctionis et pressionem camerae durante stadio accretionis, partes criticas agere in obtinendis NGF crassitudinis uniformis. Hic, accretionem NGF in superficiebus anterioribus politae (FS) et posterioribus non politae (BS) laminae niccoli ulterius investigavimus (Fig. 1a). Tria genera exemplorum FS et BS examinata sunt, in Tabula 1 enumerata. Inspectione visuali, accretio uniformis NGF in utraque parte laminae niccoli (NiAG) videri potest per mutationem coloris substrati Ni a colore griseo argenteo metallico characteristico ad cinereum opacum (Fig. 1a); mensurae microscopicae confirmatae sunt (Fig. 1b, c). Spectrum Raman typicum FS-NGF observatum in regione clara et indicatum sagittis rubris, caeruleis et aurantiacis in Figura 1b in Figura 1c ostenditur. Cacumina Raman propria graphiti G (1683 cm⁻¹) et 2D (2696 cm⁻¹) incrementum NGF valde crystallini confirmant (Figura 1c, Tabula SI1). Per totam pelliculam, praedominantia spectrorum Raman cum ratione intensitatis (I₂D/IG) ~0.3 observata est, dum spectra Raman cum I₂D/IG = 0.8 raro observata sunt. Absentia cacuminum vitiosorum (D = 1350 cm⁻¹) in tota pellicula qualitatem altam incrementi NGF indicat. Similia eventus Raman in exemplo BS-NGF obtenti sunt (Figura SI1 a et b, Tabula SI1).
Comparatio NiAG FS- et BS-NGF: (a) Photographia exempli typici NGF (NiAG) ostendens incrementum NGF ad scalam lamellae (55 cm2) et exempla laminarum BS- et FS-Ni resultantia, (b) Imagines FS-NGF/Ni microscopio optico obtentae, (c) Spectra Raman typica in diversis positionibus in tabula b capta, (d, f) Imagines SEM ad diversa magnificationes in FS-NGF/Ni, (e, g) Imagines SEM ad diversa magnificationes. BS-NGF/Ni constituit. Sagitta caerulea regionem FLG indicat, sagitta aurantiaca regionem MLG (prope regionem FLG) indicat, sagitta rubra regionem NGF indicat, et sagitta purpurea plicam indicat.
Cum incrementum a crassitudine substrati initialis, magnitudine crystalli, orientatione, et finibus granorum pendeat, moderatio rationabile crassitudinis NGF per areas magnas assequi difficile manet20,34,44. Hoc studium contentis quae antea edidimus30 usus est. Hic processus regionem lucidam 0.1 ad 3% per 100 µm230 producit. In sectionibus sequentibus, eventus pro utroque genere regionum praesentamus. Imagines SEM altae amplificationis praesentiam plurium arearum lucidarum contrastus in utroque latere ostendunt (Fig. 1f,g), praesentiam regionum FLG et MLG indicantes30,45. Hoc etiam per dispersionem Raman (Fig. 1c) et eventus TEM confirmatum est (postea in sectione "FS-NGF: structura et proprietates" tractata). Regiones FLG et MLG in exemplaribus FS- et BS-NGF/Ni observatae (NGF anterior et posterior in Ni cultum) in magnis granis Ni(111) formatis per prae-recoctionem crevisse possunt22,30,45. Plicae in utraque parte observatae sunt (Fig. 1b, sagittis purpureis notata). Hae plicae saepe in pelliculis grapheni et graphiti per CVD cultis inveniuntur propter magnam differentiam in coefficiente expansionis thermalis inter graphitum et substratum niccoli30,38.
Imago AFM confirmavit exemplum FS-NGF planius esse quam exemplum BS-NGF (Figura SI1) (Figura SI2). Valores asperitatis quadraticae mediae (RMS) FS-NGF/Ni (Figura SI2c) et BS-NGF/Ni (Figura SI2d) sunt 82 et 200 nm respective (mensurati per aream 20 × 20 μm2). Maior asperitas intelligi potest ex analysi superficiali laminae niccoli (NiAR) in statu recepto (Figura SI3). Imagines SEM FS et BS-NiAR in Figuris SI3a-d monstrantur, morphologias superficiales differentes demonstrantes: lamina FS-Ni polita particulas sphaericas nano- et micron magnitudinis habet, dum lamina BS-Ni non polita scalam productionis ostendit, ut particulae magnae roboris, et declinationem. Imagines resolutionis humilis et altae laminae niccoli recoctae (NiA) in Figura SI3e-h monstrantur. In his figuris, praesentiam plurium particularum niccoli micron magnitudinis in utraque parte laminae niccoli observari possumus (Fig. SI3e–h). Grana magna orientationem superficialem Ni(111) habere possunt, ut antea relatum est30,46. Differentiae significantes in morphologia laminae niccoli inter FS-NiA et BS-NiA exstant. Asperitas maior BS-NGF/Ni debetur superficiei non politae BS-NiAR, cuius superficies etiam post recoctionem significanter aspera manet (Figura SI3). Hoc genus characterisationis superficialis ante processum accretionis permittit asperitatem pellicularum grapheni et graphiti moderari. Notandum est substratum originale aliquam reorganizationem granorum durante accretione grapheni subiisse, quae magnitudinem granorum leviter diminuit et asperitatem superficialem substrati aliquantum auxit comparatione cum lamina recocta et pellicula catalysatoris22.
Subtili adaptatio asperitatis superficiei substrati, temporis recoctionis (magnitudo granorum)30,47 et moderationis emissionis43 adiuvabit ad uniformitatem crassitudinis regionalis NGF ad scalam µm2 et/vel etiam nm2 reducendam (i.e., variationes crassitudinis paucorum nanometrorum). Ad asperitatem superficiei substrati moderandam, methodi sicut politura electrolytica laminae niccoli resultantis considerari possunt48. Lamina niccoli praetractata deinde ad temperaturam inferiorem (< 900 °C)46 et tempus (< 5 min) recoqui potest ad formationem magnorum granorum Ni(111) vitandam (quod utile est ad accretionem FLG).
Graphenum SLG et FLG tensionem superficialem acidorum et aquae sustinere non potest, itaque stratis mechanicis sustentantibus per processus translationis chemicae humidae indiget22,34,38. Contra translationem chemicam humidam grapheni unius strati polymero sustentati38, invenimus utramque partem NGF crescentis sine sustentatione polymeri transferri posse, ut in Figura 2a demonstratur (vide Figuram SI4a pro pluribus singulis). Translatio NGF ad substratum datum incipit cum corrosione humida pelliculae Ni30.49 subiacentis. Exempla NGF/Ni/NGF crescentia per noctem in 15 mL HNO3 70% cum 600 mL aquae deionizatae (DI) diluta posita sunt. Postquam lamina Ni plene dissoluta est, FS-NGF planum manet et in superficie liquidi fluitat, sicut exemplum NGF/Ni/NGF, dum BS-NGF in aqua immergitur (Fig. 2a,b). NGF segregatum deinde ex uno poculo aquae deionizatae recentis continente in alterum poculum translatum est, et NGF segregatum diligenter lotum est, quater ad sexies per patinam vitream concavam repetens. Denique, FS-NGF et BS-NGF in substrato desiderato positi sunt (Fig. 2c).
Processus translationis chemicae humidae sine polymero pro NGF in lamina niccoli creto: (a) Diagramma fluxus processus (vide Figuram SI4 pro pluribus detaliis), (b) Photographia digitalis NGF separati post corrosionem Ni (duo exempla), (c) Exemplum FS – et BS-NGF translatio ad substratum SiO2/Si, (d) FS-NGF translatio ad substratum polymericum opacum, (e) BS-NGF ex eodem exemplo ac tabula d (in duas partes divisum), translatum ad chartam C auratam et Nafion (substratum flexibile pellucidum, marginibus angulis rubris notatis).
Nota translationem SLG per methodos translationis chemicae humidae peractam tempus processus totale 20-24 horarum requirere 38. Cum technica translationis sine polymero hic demonstrata (Figura SI4a), tempus processus translationis NGF totale significanter reducitur (circiter 15 horae). Processus constat ex: (Gradus 1) Solutionem corrosivam praepara et exemplum in ea pone (~10 minuta), deinde per noctem exspecta corrosionem Ni (~7200 minuta), (Gradus 2) Aqua deionizata ablue (Gradus 3). In aqua deionizata conserva vel ad substratum destinatum transfer (20 min). Aqua inter NGF et matricem magnam inclusa actione capillari removetur (charta absorbente utens) 38, deinde guttae aquae residuae per exsiccationem naturalem removentur (circiter 30 min), et denique exemplum per 10 min. in furno vacuo (10-1 mbar) ad 50-90 °C (60 min) siccatur 38.
Graphitum constat aquae et aeris praesentiam tolerare in temperaturis satis altis (≥ 200 °C)50,51,52. Exempla per spectroscopiam Raman, SEM, et XRD probavimus postquam in aqua deionizata temperatura ambiente et in ampullis sigillatis ab paucis diebus ad annum unum reposita sunt (Figura SI4). Nulla degradatio notabilis est. Figura 2c FS-NGF et BS-NGF stantes in aqua deionizata ostendit. Ea in substrato SiO2 (300 nm)/Si cepimus, ut initio Figurae 2c demonstratur. Praeterea, ut in Figura 2d,e demonstratur, NGF continuum ad varia substrata transferri potest, ut polymera (polyamida Thermabright a Nexolve et Nafion) et chartam carbonicam auro obductam. FS-NGF natans facile in substrato destinato positum est (Figura 2c, d). Attamen, exempla BS-NGF maiora quam 3 cm2 difficulter tractabantur cum plene in aqua immersa erant. Plerumque, cum in aqua volvere incipiunt, ob incautam tractationem interdum in duas vel tres partes franguntur (Fig. 2e). Summa summarum, translationem PS- et BS-NGF sine polymero (translatio continua et sine ulla accretione NGF/Ni/NGF ad 6 cm2) pro exemplaribus usque ad 6 et 3 cm2 areae, respective, consequi potuimus. Quaecumque partes, sive magnae sive parvae, in substrato desiderato (~1 mm2, Figura SI4b, vide exemplum ad reticulum cupreum translatum ut in "FS-NGF: Structura et Proprietates (disputatum) sub "Structura et Proprietates") poni possunt vel ad usum futurum conservari (Figura SI4). Hoc criterio innixi, aestimamus NGF recuperari posse usque ad 98-99% (post accretionem ad translationem).
Exempla translationis sine polymero accurate analysata sunt. Proprietates morphologicae superficiales in FS- et BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) per microscopiam opticam (OM) et imagines SEM (Fig. SI5 et Fig. 3) obtentae demonstraverunt haec exempla sine microscopio translata esse. Damnum structurale visibile, ut fissurae, foramina, vel areae explicatae. Plicae in NGF crescente (Fig. 3b, d, sagittis purpureis notatae) post translationem integrae manebant. Et FS- et BS-NGF ex regionibus FLG constant (regiones clarae sagittis caeruleis in Figura 3 indicatae). Mirum est, contra paucas regiones laesas typice observatas per translationem polymeri pellicularum graphitarum tenuium, plures regiones FLG et MLG magnitudinis micron cum NGF connexae (sagittis caeruleis in Figura 3d notatae) sine fissuris vel rupturis translatae sunt (Figura 3d). 3). Integritas mechanica porro confirmata est per imagines TEM et SEM NGF translati in retiacula cuprea carbonica-laceata, ut postea disseritur (“FS-NGF: Structura et Proprietates”). BS-NGF/SiO2/Si translatum asperius est quam FS-NGF/SiO2/Si cum valoribus rms 140 nm et 17 nm respective, ut in Figura SI6a et b demonstratur (20 × 20 μm2). Valor RMS NGF translati in substratum SiO2/Si (RMS < 2 nm) significanter minor est (fere ter) quam NGF in Ni creti (Figura SI2), quod indicat asperitatem additam superficiei Ni respondere posse. Praeterea, imagines AFM in marginibus exemplorum FS- et BS-NGF/SiO2/Si captae crassitudines NGF 100 et 80 nm respective ostenderunt (Figura SI7). Crassitudo minor BS-NGF fortasse ex eo oritur quod superficies non directe gasi praecursoris exposita est.
NGF (NiAG) translatum sine polymero in lamella SiO2/Si (vide Figuram 2c): (a,b) Imagines SEM FS-NGF translati: magnificatio parva et magna (quadrato aurantiaco in tabula respondentes). Areae typicae) – a). (c,d) Imagines SEM BS-NGF translati: magnificatio parva et magna (areae typicae quadrato aurantiaco in tabula c respondentes). (e,f) Imagines AFM FS- et BS-NGF translatorum. Sagitta caerulea regionem FLG repraesentat – contrastus clarus, sagitta caerulea – contrastus MLG niger, sagitta rubra – contrastus niger regionem NGF repraesentat, sagitta purpurea plicam repraesentat.
Compositio chemica FS- et BS-NGF auctorum et translatorum per spectroscopiam photoelectronicam radiorum X (XPS) analysata est (Fig. 4). Apex debilis in spectris mensis observatus est (Fig. 4a, b), substrato Ni (850 eV) FS- et BS-NGF auctorum (NiAG) respondens. Nullae apex in spectris mensis FS- et BS-NGF/SiO2/Si translatorum apparent (Fig. 4c; similia pro BS-NGF/SiO2/Si non monstrantur), quod indicat nullam contaminationem Ni residuam post translationem esse. Figurae 4d-f spectra altae resolutionis graduum energiae C1s, O1s et Si2p FS-NGF/SiO2/Si ostendunt. Energia ligationis C1s graphiti est 284.4 eV₅³. Forma linearis apicum graphiti plerumque asymmetrica habetur, ut in Figura 4d₅ ostenditur. Spectrum C1s in nucleo altae resolutionis (Fig. 4d) etiam translationem puram confirmavit (id est, nulla residua polymerorum), quod cum studiis prioribus congruit38. Latitudines linearum spectrorum C1s exempli recens cresciti (NiAG) et post translationem sunt 0.55 et 0.62 eV respective. Hi valores altiores sunt quam illi SLG (0.49 eV pro SLG in substrato SiO2)38. Attamen hi valores minores sunt quam latitudines linearum antea relatae pro exemplis grapheni pyrolytici valde orientati (~0.75 eV)53,54,55, indicantes absentiam locorum carbonis defectivorum in materia currenti. Spectra C1s et O1s in solo etiam humeris desunt, eliminantes necessitatem deconvolutionis apicis altae resolutionis54. Est apicem satellitem π ​​→ π* circa 291.1 eV, quod saepe in exemplis graphiti observatur. Signa 103 eV et 532.5 eV in spectris Si²p et O¹s ad nucleum stratum (vide Fig. 4e, f) substrato SiO²⁶⁶ respective attribuuntur. XPS est ars superficiei sensibilis, ita signa Ni et SiO² detectis ante et post translationem NGF respective correspondentia ex regione FLG originem ducere putantur. Similia eventus in exemplaribus BS-NGF translatis (non monstratis) observati sunt.
Resultata NiAG XPS: (ac) Spectra perlustrationis diversarum compositionum atomicarum elementorum FS-NGF/Ni cretorum, BS-NGF/Ni et FS-NGF/SiO2/Si translati, respective. (d–f) Spectra altae resolutionis graduum centralium C1s, O1s et Si2p exempli FS-NGF/SiO2/Si.
Qualitas generalis crystallorum NGF translatorum per diffractionem radiorum X (XRD) aestimata est. Typica exemplaria XRD (Fig. SI8) FS- et BS-NGF/SiO2/Si translatorum praesentiam cacuminum diffractionis (0⁻⁴) et (0⁻⁴) ad 26.6° et 54.7° ostendunt, similia graphito. Hoc qualitatem crystallinam magnam NGF confirmat et distantiae inter stratos d = 0.335 nm respondet, quae post gradum translationis servatur. Intensitas cacuminis diffractionis (0⁻⁴) est circiter tricies maior quam intensitas cacuminis diffractionis (0⁻⁴), quod indicat planum crystallinum NGF bene cum superficie exempli congruere.
Secundum eventus SEM, spectroscopiae Raman, XPS et XRD, qualitas BS-NGF/Ni eadem ac FS-NGF/Ni inventa est, quamquam asperitas eius rms paulo altior erat (Figurae SI2, SI5 et SI7).
Superficies SLG (glutamata liquida superficialia) cum stratis polymericis sustentantibus usque ad 200 nm crassis in aqua fluitare possunt. Haec dispositio vulgo adhibetur in processibus translationis chemicae humidae polymero adiuvantibus22,38. Graphenum et graphitus hydrophobica sunt (angulus humidus 80–90°)57. Superficies energiae potentialis tam grapheni quam FLG satis planae esse relatae sunt, cum energia potentiali humili (~1 kJ/mol) pro motu laterali aquae in superficie58. Attamen, energiae interactionis calculatae aquae cum grapheno et trium stratis grapheni sunt circiter -13 et -15 kJ/mol,58 respective, quod indicat interactionem aquae cum NGF (circiter 300 stratis) inferiorem esse comparatam cum grapheno. Haec fortasse una ex causis est cur NGF liberum planum maneat in superficie aquae, dum graphenum liberum (quod in aqua fluitat) sursum contorqueatur et dissolvitur. Cum NGF plene in aqua immergitur (resultata eadem sunt pro NGF aspero et plano), margines eius flectuntur (Figura SI4). In casu immersionis completae, expectatur ut energia interactionis NGF-aquae fere duplicatur (comparata cum NGF natante) et ut margines NGF plicentur ut angulum contactus magnum (hydrophobicitatem) servent. Credimus rationes excogitari posse ad vitandam curvaturam marginum NGF inclusorum. Una methodus est uti solventibus mixtis ad modulandam reactionem madefaciendi pelliculae graphitae.
Translatio SLG ad varia genera substratorum per processus translationis chemicae humidae iam antea relata est. Generaliter acceptum est vires van der Waals debiles inter pelliculas grapheni/graphiti et substrata existere (sive substrata rigida ut SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 et pelliculae carbonis laxae30,34 sive substrata flexibilia ut polyimide37). Hic supponimus interactiones eiusdem generis praevalere. Nullum damnum aut desquamationem NGF pro ullis substratis hic praesentatis observavimus durante tractatione mechanica (durante characterisationem sub vacuo et/vel condicionibus atmosphaericis aut durante repositione) (e.g., Figura 2, SI7 et SI9). Praeterea, non observavimus apicem SiC in spectro XPS C 1s nuclei gradus exempli NGF/SiO2/Si (Fig. 4). Haec eventa indicant nullum vinculum chemicum inter NGF et substratum destinatum esse.
In sectione praecedenti, "Translatio sine polymeris FS- et BS-NGF," demonstravimus NGF crescere et transferri posse in utraque parte laminae niccoli. Haec FS-NGF et BS-NGF non identica sunt quoad asperitatem superficiei, quod nos impulit ut applicationes aptissimas pro singulis generibus exploraremus.
Consideratis perspicuitate et superficie leviore FS-NGF, structuram eius localem, proprietates opticas et electricas accuratius investigavimus. Structura et conformatio FS-NGF sine translatione polymerorum per microscopiam electronicam transmissionis (TEM) et analysin diffractionis electronicae areae selectae (SAED) descriptae sunt. Resultata correspondentia in Figura 5 monstrantur. Imago TEM planaris parvae magnificationis praesentiam regionum NGF et FLG cum diversis characteristicis contrastus electronici, id est areis obscurioribus et clarioribus respective, revelavit (Fig. 5a). Pellicula in universum bonam integritatem mechanicam et stabilitatem inter diversas regiones NGF et FLG exhibet, cum bona imbricatione et nulla laesione aut scissione, quod etiam per studia SEM (Figura 3) et TEM magnae magnificationis (Figura 5c-e) confirmatum est. Praesertim, in Figura 5d structuram pontis in maxima parte ostendit (positio sagitta nigra punctata in Figura 5d notata), quae forma triangulari insignitur et ex strato grapheno latitudine circiter 51°C constat. Compositio cum spatio interplanari 0.33 ± 0.01 nm porro ad plura strata grapheni in regione angustissima reducitur (finis sagittae nigrae continuae in Figura 5 d).
Imago TEM planaris exempli NiAG sine polymero in reticulo cupreo carbonico-laccato: (a, b) Imagines TEM parvae magnificationis, regiones NGF et FLG includentes, (ce) Imagines magnae magnificationis variarum regionum in tabula A et tabula B sagittis eiusdem coloris signatae sunt. Sagittae virides in tabulis A et C areas circulares damni durante ordinatione fasciculi indicant. (f-i) In tabulis A ad C, formae SAED in regionibus diversis circulis caeruleis, cyaneis, aurantiacis et rubris respective indicantur.
Structura taeniae in Figura 5c ostendit (sagitta rubra notata) orientationem verticalem planorum reticuli graphiti, quae fortasse ex formatione nanoplicaturarum secundum pelliculam (inserta in Figura 5c) propter excessum tensionis scissionis non compensatae oritur30,61,62. Sub TEM altae resolutionis, hae nanoplicaturae30 orientationem crystallographicam diversam exhibent quam reliqua regio NGF; plana basalia reticuli graphiti fere verticaliter, potius quam horizontaliter sicut reliqua pellicula (inserta in Figura 5c), orientantur. Similiter, regio FLG interdum plicas lineares et angustas fasciarum similes exhibet (sagittis caeruleis notatas), quae apparent ad magnificationem parvam et mediam in Figuris 5b, 5e, respective. Insertio in Figura 5e praesentiam stratorum grapheni duorum et trium stratorum in sectore FLG (distantia interplanaris 0.33 ± 0.01 nm) confirmat, quod bene congruit cum nostris prioribus resultatis30. Praeterea, imagines SEM captae NGF sine polymeris in retiacula cuprea cum pelliculis carbonis laxe laxis translatae (post mensuras TEM desuper peractas) in Figura SI9 monstrantur. Regio FLG bene suspensa (sagitta caerulea notata) et regio fractā in Figura SI9f. Sagitta caerulea (ad marginem NGF translati) consulto exhibetur ad demonstrandum regionem FLG processui translationis sine polymero resistere posse. In summa, hae imagines confirmant NGF partim suspensum (regionem FLG includentem) integritatem mechanicam conservare etiam post manipulationem rigorosam et expositionem vacuo alto per mensuras TEM et SEM (Figura SI9).
Propter planitiem excellentem NGF (vide Figuram 5a), non difficile est lamellas secundum axem dominii [0001] dirigere ad structuram SAED analysandam. Pro crassitudine locali pelliculae et loco eius, plures regiones interessantes (12 puncta) ad studia diffractionis electronicae identificatae sunt. In Figuris 5a-c, quattuor harum regionium typicarum monstrantur et circulis coloratis (caeruleo, cyaneo, aurantiaco, et rubro notatis) notantur. Figurae 2 et 3 pro modo SAED. Figurae 5f et g ex regione FLG in Figuris 5 et 5 monstrata obtentae sunt. Ut in Figuris 5b et c respective monstratur. Structuram hexagonalem similem grapheno contorto habent63. Praesertim, Figura 5f tria exemplaria superposita cum eadem orientatione axis zonae [0001], 10° et 20° rotata, ostendit, ut discrepantia angularis trium parium reflexionum (10-10) demonstratur. Similiter, Figura 5g duas figuras hexagonales superimpositas ostendit, 20° rotatas. Duo vel tres greges figurarum hexagonalium in regione FLG oriri possunt ex tribus stratis grapheni 33 in plano vel extra planum, inter se relative rotatis. Contra, figurae diffractionis electronicae in Figura 5h,i (regioni NGF in Figura 5a monstratae respondentes) unam figuram [0001] ostendunt cum intensitate diffractionis puncti generalis altiore, crassitudini materiae maiori respondente. Haec exempla SAED structurae graphiticae crassiori et orientationi intermediae quam FLG respondent, ut ex indice 64 infertur. Characterizatio proprietatum crystallinarum NGF coexistentiam duorum vel trium crystallitarum graphiti (vel grapheni) superimpositorum revelavit. Quod in regione FLG imprimis notandum est, crystallitae certum gradum disorientationis in plano vel extra planum habent. Particulae/strata graphitae cum angulis rotationis in plano 17°, 22° et 25° antea relata sunt pro NGF in pelliculis Ni 64 cultis. Valores angulorum rotationis in hoc studio observati congruunt cum angulis rotationis antea observatis (±1°) pro grapheno torto BLG63.
Proprietates electricae NGF/SiO2/Si ad 300 K per aream 10×3 mm2 mensuratae sunt. Valores concentrationis vectorum electronicorum, mobilitatis et conductivitatis sunt 1.6 × 1020 cm⁻³, 220 cm⁻¹ V⁻¹ C⁻¹ et 2000 S⁻¹ respective. Valores mobilitatis et conductivitatis nostri NGF similes sunt graphito naturali⁻² et altiores quam graphito pyrolytico valde orientato commercialiter praesto (producto ad 3000°C)⁻¹. Valores concentrationis vectorum electronicorum observati duobus magnitudinibus ordinibus altiores sunt quam ii nuper relati (7.25 × 10⁻¹) pro pelliculis graphito crassis micron paratis utens laminis polyimidis altae temperaturae (3200°C)⁻¹.
Mensuras transmittantiae UV-visibilis etiam in FS-NGF ad substrata quartz translato perfecimus (Figura 6). Spectrum resultans transmittantiae fere constantem 62% in spatio 350–800 nm ostendit, quod indicat NGF translucidum esse ad lucem visibilem. Re vera, nomen "KAUST" videri potest in photographia digitali exempli in Figura 6b. Quamquam structura nanocrystallina NGF differt ab ea SLG, numerus stratorum grosse aestimari potest regula 2.3% damni transmissionis per stratum additionale65. Secundum hanc relationem, numerus stratorum grapheni cum 38% damno transmissionis est 21. NGF crevit plerumque constat ex 300 stratis grapheni, id est circiter 100 nm crassis (Figura 1, SI5 et SI7). Ergo, supponimus perspicuitatem opticam observatam regionibus FLG et MLG respondere, cum per totam pelliculam distributae sint (Figurae 1, 3, 5 et 6c). Praeter supradicta data structuralia, conductivitas et perspicuitas etiam altam qualitatem crystallinam NGF translati confirmant.
(a) Mensura transmittantiae UV-visibilis, (b) translatio typica NGF in quarzo utens exemplo repraesentativo. (c) Schema NGF (quadratum obscurum) cum regionibus FLG et MLG aequaliter distributis, formis griseis fortuitis per exemplum signatis (vide Figuram 1) (circiter 0.1–3% areae per 100 μm2). Formae fortuitae et magnitudines earum in diagramma tantum ad illustrationem sunt nec areis realibus respondent.
NGF translucidum, per CVD auctum, antea ad superficies silicii nudas translatum et in cellulis solaribus adhibitum est15,16. Efficientia conversionis potentiae (PCE) inde orta est 1.5%. Haec NGF functiones multiplices perficiunt, ut strata compositorum activorum, vias translationis oneris, et electroda perspicua15,16. Attamen pellicula graphiti non est uniformis. Optimizatio ulterior necessaria est diligenter moderando resistentiam laminae et transmittantiam opticam electrodi graphiti, cum hae duae proprietates partes magnas agant in determinando valore PCE cellulae solaris15,16. Typice, pelliculae grapheni 97.7% perspicuae sunt luci visibili, sed resistentiam laminae 200–3000 ohms/sq.16 habent. Resistentia superficialis pellicularum grapheni reduci potest augendo numerum stratorum (translatio multiplex stratorum grapheni) et dopando cum HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Attamen, hic processus longum tempus consumit et diversa strata transferentia non semper bonum contactum servant. Pars anterior nostra NGF proprietates habet ut conductivitatem 2000 S/cm, resistentiam laminae pelliculae 50 ohm/sq. et perspicuitatem 62%, quae eam alternativam viabilem pro canalibus conductivis vel contra-electrodis in cellulis solaribus reddit.
Quamquam structura et chemia superficialis BS-NGF similia sunt FS-NGF, asperitas eius differt ("Incrementum FS- et BS-NGF"). Antehac, tenuissimam pelliculam graphiti22 ut sensorem gasis usi sumus. Quapropter, possibilitatem utendi BS-NGF ad officia sensus gasis probavimus (Figura SI10). Primo, partes mm2 magnitudinis BS-NGF in sensorem electrodi interdigitantis translatae sunt (Figura SI10a-c). Singula fabricationis sensoris antea relata sunt; area eius sensibilis activa est 9 mm267. In imaginibus SEM (Figura SI10b et c), electrodus aurea subiacens clare conspicitur per NGF. Iterum, videri potest uniformem opertionem sensoris pro omnibus exemplaribus consecutam esse. Mensurae sensorum gasis variorum gasorum notatae sunt (Figura SI10d) (Figura SI11) et rationes responsorum inde ortae in Figuris SI10g monstrantur. Probabiliter cum aliis gasibus interferentibus, inter quae SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) et NH3 (200 ppm). Una causa possibilis est NO2, natura electrophilica gasis22,68. Cum adsorptum est in superficie grapheni, absorptionem currentis electronum a systemate minuit. Comparatio temporis responsionis sensoris BS-NGF cum sensoribus antea editis in Tabula SI2 praesentatur. Mechanismus reactivandi sensores NGF utens plasmate UV, plasmate O3 vel tractatione thermali (50–150°C) exemplorum expositorum adhuc in progressu est, idealiter secutus implementatione systematum inclusorum69.
Per processum CVD, incrementum grapheni in utraque parte substrati catalysatoris fit41. Attamen, BS-graphenum plerumque eicitur per processum translationis41. In hoc studio, demonstramus incrementum NGF altae qualitatis et translationem NGF sine polymero in utraque parte sustentaculi catalysatoris obtineri posse. BS-NGF tenuior est (~80 nm) quam FS-NGF (~100 nm), et haec differentia explicatur eo quod BS-Ni directe fluxui gasi praecursoris non exponitur. Invenimus etiam asperitatem substrati NiAR asperitatem NGF afficere. Haec eventa indicant FS-NGF planare cretum adhiberi posse ut materia praecursoris pro grapheno (per methodum exfoliationis70) vel ut canalis conductivus in cellulis solaribus15,16. Contra, BS-NGF ad detectionem gasi (Fig. SI9) et fortasse ad systemata accumulationis energiae71,72 ubi asperitas superficialis utilis erit, adhibebitur.
His consideratis, utile est opus praesens cum pelliculis graphitis antea editis, quae per CVD et laminam niccoli utuntur, coniungere. Ut in Tabula II videri potest, pressiones maiores, quas adhibuimus, tempus reactionis (stadium accretionis) etiam ad temperaturas relative humiles (in intervallo 850–1300°C) breviaverunt. Accretionem etiam maiorem solito consecutus sumus, quod potentiam expansionis indicat. Sunt alii factores considerandi, quorum nonnullos in tabula inclusimus.
NGF utrinque altae qualitatis in lamina niccoli per CVD catalyticum culta est. Substratis polymericis traditis (sicut ea quae in CVD grapheno adhibentur) remotis, translationem humidam puram et sine vitiis NGF (in lateribus anteriore et posteriori laminae niccoli cultae) ad varia substrata processus criticorum assequimur. Notandum est NGF regiones FLG et MLG (typice 0.1% ad 3% per 100 µm2) includi, quae structuraliter bene in pelliculam crassiorem integrantur. TEM planar demonstrat has regiones ex acervis duarum vel trium particularum graphiti/grapheni (crystallorum vel stratarum, respective) compositas esse, quarum nonnullae discrepantiam rotationalem 10-20° habent. Regiones FLG et MLG pro perspicuitate FS-NGF ad lucem visibilem responsabiles sunt. Quod ad laminas posteriores attinet, parallele ad laminas anteriores ferri possunt et, ut demonstratum est, finem functionalem habere possunt (exempli gratia, ad detectionem gasorum). Haec studia perutilia sunt ad minuendas iacturas et sumptus in processibus CVD scalae industrialis.
In genere, crassitudo media NGF CVD inter graphenum (humile et multistratos) et laminas graphiti industriales (micrometricas) iacet. Varietas proprietatum earum interessanterum, una cum methodo simplici quam ad earum productionem et translationem excogitavimus, has membranas aptissimas reddit ad usus qui responsum functionale graphiti requirunt, sine sumptu processuum productionis industrialis qui nunc adhibentur energiae intensivae.
Lamina niccoli 25 μm crassitudinis (puritatis 99.5%, Goodfellow) in reactore commerciali CVD (Aixtron 4-unciae BMPro) installata est. Systema argone purgatum et ad pressionem basalem 10⁻³ mbar evacuatum est. Deinde lamina niccoli in Ar/H2 (postquam laminam Ni per 5 minuta prae-recoctam est, lamina pressioni 500 mbar ad 900°C exposita est) collocata est. NGF in fluxu CH4/H2 (100 cm3 singuli) per 5 minuta depositum est. Deinde exemplum ad temperaturam infra 700°C refrigeratum est fluxu Ar (4000 cm3) ad 40°C/min utens. Singula de optimizatione processus accretionis NGF alibi describuntur30.
Morphologia superficiei exemplaris visualizata est per microscopium electronicum scanning (SEM) adhibito microscopio Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Asperitas superficiei exemplaris et crassitudo NGF mensuratae sunt per AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Mensurae TEM et SAED peractae sunt microscopio FEI Titan 80–300 Cubed, instructo sclopeto emissionis campi altae claritatis (300 kV), monochromatore FEI Wien generis, et correctore aberrationis sphaericae lentis CEOS, ad eventus finales obtinendos, resolutione spatiali 0.09 nm. Exempla NGF translata sunt ad retiacula cuprea carbone laqueata ad delineationem TEM planam et analysin structurae SAED. Ita, pleraque floccula exemplaris suspensa sunt in poris membranae sustentatricis. Exempla NGF translata analysata sunt per XRD. Figurae diffractionis radiorum X obtentae sunt diffractometro pulveris (Brucker, mutatore phasis D2 cum fonte Cu Kα, 1.5418 Å et detectore LYNXEYE) utens fonte radiationis Cu cum diametro maculae fasciculi 3 mm.
Plures mensurae punctorum Raman microscopio confocali integrante (Alpha 300 RA, WITeC) captae sunt. Laser 532 nm cum potentia excitationis humili (25%) ad effectus thermaliter inductos vitandos adhibitus est. Spectroscopia photoelectronica radiorum X (XPS) in spectrometro Kratos Axis Ultra super aream exemplaris 300 × 700 μm2 radiatione monochromatica Al Kα (hν = 1486.6 eV) ad potentiam 150 W peracta est. Spectra resolutionis ad energias transmissionis 160 eV et 20 eV respective obtenta sunt. Exempla NGF in SiO2 translata in frusta (3 × 10 mm2 singula) laser fibrae ytterbii PLS6MW (1.06 μm) ad 30 W secta sunt. Contactus filorum cupreorum (50 μm crassitudinis) pasta argentea sub microscopio optico fabricati sunt. Experimenta translationis electricae et effectus Hall in his exemplaribus peracta sunt ad temperaturam 300 K et variationem campi magnetici ± 9 Teslae in systemate mensurae proprietatum physicarum (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Spectra transmissa UV-vis capta sunt utens spectrophotometro Lambda 950 UV-vis in ambitu NGF 350-800 nm translata ad substrata quartz et exempla referentiali quartz.
Sensor resistentiae chemicae (microplagula electrodi interdigitata) cum tabula circuiti impressi 73 conexa erat, et resistentia paulatim extracta est. Tabula circuiti impressi, in qua instrumentum situm est, cum terminalibus contactus connectitur et intra cameram sensoriam gasis 74 collocatur. Mensurae resistentiae ad tensionem 1 V captae sunt cum continua percursione a purgatione ad expositionem gasis, deinde iterum purgatione. Camera initialiter purgata est purgatione nitrogenii ad 200 cm³ per horam unam, ut omnia alia analyta in camera praesentia, incluso humore, removerentur. Deinde singula analyta lente in cameram eadem celeritate fluxus 200 cm³ emissa sunt claudendo cylindrum N₂.
Versio emendata huius articuli publicata est et per nexum in summo articuli accedi potest.
Inagaki, M. et Kang, F. Scientia et Ars Materiarum Carbonis: Fundamenta. Editio secunda edidit. 2014. 542.
Pearson, HO. Enchiridion Carbonis, Graphitis, Adamantini et Fullereni: Proprietates, Processus et Applicationes. Editio prima edita est. 1994, Nova Caesarea.
Tsai, W. et al. Pelliculae grapheni/graphiti multistratae amplae ut electroda tenuia conductiva pellucida. Applicatio. Physica. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Proprietates thermales grapheni et materiarum carbonis nanostructuratarum. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW et Cahill DG. Conductivitas thermalis pellicularum graphitarum in Ni (111) per depositionem vaporis chemici temperaturae humilis cretarum. adverbium. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Incrementum continuum pellicularum grapheni per depositionem vaporis chemici. Applicatio. Physica. Wright. 98(13), 133106(2011).


Tempus publicationis: XXIII Augusti, MMXXIV