Misaotra anao nitsidika ny Nature.com. Voafetra ny fanohanana CSS amin'ny dikan-tranonkala ampiasainao. Ho an'ny vokatra tsara indrindra, manoro hevitra anao izahay hampiasa dikan-tranonkala vaovao kokoa (na hanafoana ny Compatibility Mode ao amin'ny Internet Explorer). Mandritra izany fotoana izany, mba hahazoana antoka fa mitohy ny fanohanana, dia asehonay ny tranonkala tsy misy endrika na JavaScript.
Ireo sarimihetsika grafita nanoscale (NGF) dia akora nano matanjaka izay azo vokarina amin'ny alàlan'ny fametrahana etona simika catalytic, saingy mbola misy fanontaniana momba ny fahamoran'ny famindrana azy ireo sy ny fiantraikan'ny endriky ny ety ambonin'ny tany amin'ny fampiasana azy ireo amin'ny fitaovana taranaka manaraka. Eto izahay dia mitatitra ny fitomboan'ny NGF amin'ny andaniny roa amin'ny foil nikela polycrystalline (velarana 55 cm2, hatevina eo amin'ny 100 nm eo ho eo) sy ny famindrana azy tsy misy polymer (eo anoloana sy aoriana, velarantany hatramin'ny 6 cm2). Noho ny endriky ny foil catalyst, ireo sarimihetsika karbônina roa ireo dia samy hafa amin'ny toetrany ara-batana sy ny toetrany hafa (toy ny harafesina amin'ny ety ambonin'ny tany). Asehonay fa ny NGFs manana lamosina henjana kokoa dia mety tsara amin'ny fitadiavana NO2, raha ny NGFs malefaka sy mitondra herinaratra kokoa eo anoloana (2000 S/cm, fanoherana ny takelaka - 50 ohms/m2) kosa dia mety ho mpitarika herinaratra azo ampiasaina amin'ny fantsona na elektroda amin'ny sela masoandro (satria mampita 62% amin'ny hazavana hita maso izy io). Amin'ny ankapobeny, ny dingana fitomboana sy fitaterana voalaza dia mety hanampy amin'ny fanatanterahana ny NGF ho fitaovana karbônina hafa ho an'ny fampiharana teknolojika izay tsy mety amin'ny sarimihetsika grafita matevina graphene sy micron.
Akora indostrialy be mpampiasa ny grafita. Tsara homarihina fa manana toetra ambany hakitroky ny lanja sy avo lenta amin'ny conductivity mafana sy herinaratra ny grafita, ary tena marin-toerana amin'ny tontolo mafana sy simika henjana1,2. Akora fanombohana malaza amin'ny fikarohana graphene ny grafita flake3. Rehefa voahodina ho sarimihetsika manify izy io, dia azo ampiasaina amin'ny fampiharana isan-karazany, anisan'izany ny fitoeran-javatra mafana ho an'ny fitaovana elektronika toy ny finday avo lenta4,5,6,7, ho fitaovana mavitrika ao amin'ny sensor8,9,10 ary ho fiarovana amin'ny fitsabahana elektromagnetika11.12 ary sarimihetsika ho an'ny litografia amin'ny ultraviolet tafahoatra13,14, fantsona mpitondra ao amin'ny sela masoandro15,16. Ho an'ireo fampiharana rehetra ireo, dia ho tombony lehibe raha toa ka mora ny mamokatra sy mitondra faritra lehibe amin'ny sarimihetsika grafita (NGF) miaraka amin'ny hateviny voafehy amin'ny nanoscale <100 nm.
Isan-karazany ny fomba famokarana ireo sarimihetsika grafita. Amin'ny tranga iray, ny fampidirana sy fanitarana arahin'ny fanesorana ireo sela maty dia nampiasaina mba hamokarana poti-grafena10,11,17. Ireo poti-javatra ireo dia tsy maintsy karakaraina bebe kokoa ho sarimihetsika manana hatevina ilaina, ary matetika dia maharitra andro maromaro vao mamokatra takelaka grafita matevina. Fomba iray hafa ny manomboka amin'ny akora fototra azo ampiasaina amin'ny grafita. Ao amin'ny indostria, ny takelaka pôlimera dia atao karbônina (amin'ny 1000–1500 °C) ary avy eo dia atao grafita (amin'ny 2800–3200 °C) mba hamoronana akora misy sosona voarafitra tsara. Na dia avo aza ny kalitaon'ireo sarimihetsika ireo, dia betsaka ny fanjifana angovo1,18,19 ary voafetra ho mikrons vitsivitsy ny hateviny farany ambany1,18,19,20.
Ny fametrahana etona simika katalitika (CVD) dia fomba malaza amin'ny famokarana graphene sy sarimihetsika grafita manify dia manify (<10 nm) miaraka amin'ny kalitao ara-drafitra avo lenta sy vidiny mirary21,22,23,24,25,26,27. Na izany aza, raha ampitahaina amin'ny fitomboan'ny graphene sy sarimihetsika grafita manify dia manify28, ny fitomboana sy/na ny fampiharana ny NGF amin'ny faritra midadasika amin'ny fampiasana CVD dia mbola tsy dia voadinika loatra11,13,29,30,31,32,33.
Matetika ny sarimihetsika graphene sy graphite ambolena amin'ny CVD dia mila afindra amin'ny substrates miasa34. Ireo famindrana sarimihetsika manify ireo dia misy fomba roa lehibe35: (1) famindrana tsy misy etch36,37 ary (2) famindrana simika lena mifototra amin'ny etch (tohanan'ny substrate)14,34,38. Ny fomba tsirairay dia manana tombony sy fatiantoka ary tsy maintsy fidina arakaraka ny fampiharana kasaina hatao, araka ny voalaza any an-kafa35,39. Ho an'ny sarimihetsika graphene/graphite ambolena amin'ny substrates catalytic, ny famindrana amin'ny alàlan'ny dingana simika lena (izay ny polymethyl methacrylate (PMMA) no sosona fanohanana ampiasaina matetika indrindra) no safidy voalohany13,30,34,38,40,41,42. You et al. Voalaza fa tsy nisy polymer nampiasaina tamin'ny famindrana NGF (haben'ny santionany eo amin'ny 4 cm2 eo ho eo)25,43, saingy tsy nisy antsipiriany nomena momba ny fahamarinan'ny santionany sy/na ny fikirakirana mandritra ny famindrana; Ny dingana simika mando mampiasa pôlimera dia misy dingana maromaro, anisan'izany ny fampiharana sy ny fanesorana ny sosona pôlimera sorona30,38,40,41,42. Ity dingana ity dia manana fatiantoka: ohatra, ny sisa tavela amin'ny pôlimera dia afaka manova ny toetran'ny sarimihetsika efa lehibe38. Ny fanodinana fanampiny dia afaka manala ny pôlimera sisa tavela, saingy ireo dingana fanampiny ireo dia mampitombo ny vidiny sy ny fotoana famokarana sarimihetsika38,40. Mandritra ny fitomboan'ny CVD, ny sosona graphene dia apetraka tsy eo amin'ny ilany anoloan'ny foil catalyst (ny ilany miatrika ny fikorianan'ny etona) ihany, fa eo amin'ny ilany aoriana koa. Na izany aza, ity farany dia heverina ho vokatra fako ary azo esorina haingana amin'ny plasma malefaka38,41. Ny fanodinana indray ity sarimihetsika ity dia afaka manampy amin'ny fampitomboana ny vokatra, na dia ambany kalitao noho ny sarimihetsika karbônina aza.
Eto izahay dia mitatitra ny fanomanana ny fitomboan'ny NGF bifacial amin'ny ambaratonga wafer miaraka amin'ny kalitao ara-drafitra avo lenta amin'ny foil nikela polycrystalline amin'ny alàlan'ny CVD. Nodinihina ny fiantraikan'ny haratoan'ny velaran-tany eo anoloana sy aoriana amin'ny endrika sy ny rafitry ny NGF. Asehonay ihany koa ny famindrana NGF tsy misy polymer avy amin'ny andaniny roa amin'ny foil nikela mankany amin'ny substrates multifunctional ary asehoy ny fomba mety amin'ny fampiasana isan-karazany ny sarimihetsika eo anoloana sy aoriana.
Ireto fizarana manaraka ireto dia miresaka momba ny hatevin'ny sarimihetsika grafita samihafa arakaraka ny isan'ny sosona graphene mifanongoa: (i) graphene sosona tokana (SLG, sosona 1), (ii) graphene sosona vitsivitsy (FLG, < 10 sosona), (iii) graphene sosona maro (MLG, sosona 10-30) ary (iv) NGF (~300 sosona). Ity farany no hatevina mahazatra indrindra aseho amin'ny isan-jaton'ny velaran-tany (eo amin'ny 97% eo ho eo isaky ny 100 µm2)30. Izany no antony iantsoana fotsiny ny sarimihetsika manontolo hoe NGF.
Samy hafa ny firafitry ny takelaka nikela polykristalinina ampiasaina amin'ny fanamboarana sarimihetsika graphene sy graphite vokatry ny fanamboarana azy ireo sy ny fanodinana azy ireo. Vao haingana izahay no nitatitra fanadihadiana iray mba hanatsarana ny dingan'ny fitomboan'ny NGF30. Asehonay fa ny masontsivana dingana toy ny fotoana fanafanana sy ny tsindrin'ny efitrano mandritra ny dingana fitomboana dia mitana anjara toerana lehibe amin'ny fahazoana NGF mitovy hatevina. Eto izahay dia nanadihady bebe kokoa ny fitomboan'ny NGF amin'ny velaran'ny takelaka nikela voapoloka (FS) sy ny velaran'ny takelaka nikela tsy voapoloka (BS) (Sary 1a). Karazana santionany telo FS sy BS no nodinihina, voatanisa ao amin'ny Tabilao 1. Rehefa nojerena maso, dia hita amin'ny fiovan'ny lokon'ny substrate Ni betsaka avy amin'ny volondavenona volafotsy metaly mampiavaka azy ho volondavenona tsy misy loko (Sary 1a); voamarina ny fandrefesana mikroskopika (Sary 1b, c). Ny spektrum Raman mahazatra an'ny FS-NGF hita ao amin'ny faritra mamirapiratra ary asehon'ny zana-tsipìka mena, manga ary volomboasary ao amin'ny Sary 1b dia aseho amin'ny Sary 1c. Ny tendrony Raman mampiavaka ny grafita G (1683 cm−1) sy 2D (2696 cm−1) dia manamafy ny fitomboan'ny NGF kristaly avo lenta (Sary 1c, Tabilao SI1). Nandritra ny sarimihetsika, dia hita fa betsaka ny spektra Raman miaraka amin'ny tahan'ny hamafin'ny (I2D/IG) ~0.3, raha mahalana kosa no hita ny spektra Raman miaraka amin'ny I2D/IG = 0.8. Ny tsy fisian'ny tendrony tsy mety (D = 1350 cm-1) ao amin'ny sarimihetsika manontolo dia manondro ny hatsaran'ny fitomboan'ny NGF. Nahazo vokatra mitovy amin'izany ny Raman tamin'ny santionany BS-NGF (Sary SI1 a sy b, Tabilao SI1).
Fampitahana ny NiAG FS- sy BS-NGF: (a) Sarin'ny santionany NGF (NiAG) mahazatra mampiseho ny fitomboan'ny NGF amin'ny ambaratonga wafer (55 cm2) sy ny santionany foil BS- sy FS-Ni vokarina, (b) Sary FS-NGF/Ni azo avy amin'ny mikroskopia optika, (c) spectra Raman mahazatra voarakitra amin'ny toerana samihafa ao amin'ny tontonana b, (d, f) Sary SEM amin'ny fampitomboana samihafa amin'ny FS-NGF/Ni, (e, g) Sary SEM amin'ny fampitomboana samihafa Mametraka BS -NGF/Ni. Ny zana-tsipìka manga dia manondro ny faritra FLG, ny zana-tsipìka volomboasary dia manondro ny faritra MLG (eo akaikin'ny faritra FLG), ny zana-tsipìka mena dia manondro ny faritra NGF, ary ny zana-tsipìka magenta dia manondro ny vala.
Koa satria miankina amin'ny hatevin'ny substrate voalohany, ny haben'ny kristaly, ny fironan'ny zavatra, ary ny sisin'ny voa ny fitomboana, dia mbola fanamby ny fahazoana fifehezana ara-drariny ny hatevin'ny NGF amin'ny faritra midadasika20,34,44. Nampiasa votoaty izay efa navoakanay teo aloha30 ity fandalinana ity. Ity dingana ity dia mamokatra faritra mamirapiratra 0.1 hatramin'ny 3% isaky ny 100 µm230. Ao amin'ireo fizarana manaraka, dia asehonay ny valiny ho an'ny karazana faritra roa ireo. Ny sary SEM avo lenta dia mampiseho ny fisian'ny faritra mifanohitra mamirapiratra maromaro amin'ny andaniny roa (Sary 1f,g), izay manondro ny fisian'ny faritra FLG sy MLG30,45. Nohamafisin'ny valin'ny Raman scattering (Sary 1c) sy ny TEM (horesahina any aoriana ao amin'ny fizarana "FS-NGF: rafitra sy toetra"). Ny faritra FLG sy MLG hita tamin'ny santionany FS- sy BS-NGF/Ni (NGF eo anoloana sy aoriana ambolena amin'ny Ni) dia mety ho nitombo tamin'ny voa lehibe Ni(111) niforona nandritra ny pre-annealing22,30,45. Hita ny fiforetana teo amin'ny andaniny roa (Sary 1b, voamarika amin'ny zana-tsipìka volomparasy). Ireo fiforetana ireo dia matetika hita amin'ny sarimihetsika graphene sy grafita novolena CVD noho ny fahasamihafana lehibe eo amin'ny coefficient of thermal expansion eo amin'ny grafita sy ny substrate nikela30,38.
Ny sary AFM dia nanamafy fa fisaka kokoa noho ny santionany BS-NGF (Sary SI1) (Sary SI2) ny santionany FS-NGF. Ny sandan'ny harafesina faka antonony (RMS) an'ny FS-NGF/Ni (Sary SI2c) sy BS-NGF/Ni (Sary SI2d) dia 82 sy 200 nm, tsirairay avy (refesina amin'ny velaran-tany 20 × 20 μm2). Ny harafesina ambony kokoa dia azo takarina mifototra amin'ny famakafakana ny velaran'ny foil nikela (NiAR) amin'ny toetry ny fandraisana (Sary SI3). Ny sary SEM an'ny FS sy BS-NiAR dia aseho amin'ny Sary SI3a–d, izay mampiseho ny endrika samihafa amin'ny velaran-tany: ny foil FS-Ni voapoloka dia manana poti-javatra boribory mitovy habe amin'ny nano sy micron, raha ny foil BS-Ni tsy voapoloka kosa dia mampiseho tohatra famokarana. ho poti-javatra manana tanjaka avo lenta. ary fihenana. Ny sary ambany sy avo lenta amin'ny foil nikela (NiA) voafana dia aseho amin'ny Sary SI3e–h. Amin'ireto sary ireto, dia afaka mahita ny fisian'ny poti-nikela maromaro mitovy habe amin'ny mikrônôma eo amin'ny andaniny roa amin'ny foil nikela isika (Sary SI3e–h). Ny voamaina lehibe dia mety manana endrika Ni(111) eo amin'ny velarany, araka ny voalaza teo aloha30,46. Misy fahasamihafana lehibe eo amin'ny endriky ny foil nikela eo amin'ny FS-NiA sy BS-NiA. Ny haratoana ambony kokoa amin'ny BS-NGF/Ni dia vokatry ny velaran'ny BS-NiAR tsy voaporitra, izay mbola henjana be ny velarany na dia aorian'ny fanafanana aza (Sary SI3). Ity karazana famaritana ny velarany ity alohan'ny dingana fitomboana dia ahafahana mifehy ny haratoana amin'ny sarimihetsika graphene sy graphite. Tsara homarihina fa ny substrate tany am-boalohany dia nandalo fandaminana indray ny voamaina nandritra ny fitomboan'ny graphene, izay nampihena kely ny haben'ny voamaina ary nampitombo kely ny haratoana amin'ny velaran'ny substrate raha oharina amin'ny foil sy ny sarimihetsika catalyst22.
Ny fanitsiana tsara ny haratsian'ny velaran'ny substrate, ny fotoana fanafanana (haben'ny voamaina)30,47 ary ny fanaraha-maso ny famoahana43 dia hanampy amin'ny fampihenana ny fitoviana amin'ny hatevin'ny NGF isam-paritra amin'ny µm2 sy/na ny ambaratonga nm2 aza (izany hoe, fiovaovan'ny hatevin'ny nanometera vitsivitsy). Mba hifehezana ny haratsian'ny velaran'ny substrate, dia azo heverina ny fomba toy ny fanosorana elektrolitika ny foil nikela vokarina48. Ny foil nikela efa voatsabo dia azo atao fanafanana amin'ny mari-pana ambany kokoa (< 900 °C)46 ary fotoana (< 5 min) mba hisorohana ny fiforonan'ny voamaina Ni(111) lehibe (izay mahasoa amin'ny fitomboan'ny FLG).
Tsy mahazaka ny fihenjanana ambonin'ny asidra sy rano ny graphene SLG sy FLG, ka mitaky sosona fanohanana mekanika mandritra ny famindrana simika mando22,34,38. Mifanohitra amin'ny famindrana simika mando amin'ny graphene sosona tokana tohanan'ny polymer38, hitanay fa ny andaniny roa amin'ny NGF rehefa mitombo dia azo afindra tsy misy fanohanana polymer, araka ny aseho amin'ny Sary 2a (jereo ny Sary SI4a raha mila fanazavana fanampiny). Ny famindrana ny NGF amin'ny substrate iray dia manomboka amin'ny fanesorana mando ny sarimihetsika Ni30.49 fototra. Ny santionan'ny NGF/Ni/NGF efa lehibe dia napetraka nandritra ny alina tao anaty 15 mL amin'ny HNO3 70% voatsatso tamin'ny rano deionized (DI) 600 mL. Rehefa levona tanteraka ny foil Ni, dia mijanona ho fisaka ny FS-NGF ary mitsingevana eo ambonin'ny velaran'ny rano, toy ny santionan'ny NGF/Ni/NGF, raha toa kosa ka atsoboka ao anaty rano ny BS-NGF (Sary 2a,b). Avy eo dia nafindra avy tao amin'ny vera iray misy rano deionized vaovao mankany amin'ny vera iray hafa ny NGF mitokana ary nosasana tsara ilay NGF mitokana, naverina in-efatra ka hatramin'ny in-enina tamin'ny alalan'ilay lovia fitaratra miendrika concave. Farany, napetraka teo amin'ny substrate tiana ny FS-NGF sy BS-NGF (Sary 2c).
Dingana famindrana simika mando tsy misy pôlimera ho an'ny NGF ambolena amin'ny takelaka nikela: (a) Kisarisary momba ny fizotran'ny dingana (jereo ny Sary SI4 raha mila fanazavana fanampiny), (b) Sary nomerika an'ny NGF misaraka aorian'ny fanesorana Ni (santionany 2), (c) Ohatra amin'ny famindrana FS – sy BS-NGF mankany amin'ny substrate SiO2/Si, (d) Famindrana FS-NGF mankany amin'ny substrate pôlimera tsy mangarahara, (e) BS-NGF avy amin'ny santionany mitovy amin'ny takelaka d (mizara roa), nafindra tany amin'ny taratasy C nopetahana volamena sy Nafion (substrate mangarahara azo ovaina, sisiny misy zorony mena).
Mariho fa ny famindrana SLG atao amin'ny fampiasana fomba famindrana simika mando dia mitaky fotoana fanodinana manontolo 20–24 ora 38. Amin'ny alàlan'ny teknika famindrana tsy misy polymer aseho eto (Sary SI4a), ny fotoana fanodinana famindrana NGF amin'ny ankapobeny dia mihena be (eo amin'ny 15 ora eo ho eo). Ny dingana dia misy: (Dingana 1) Manomàna vahaolana fanesorana ary apetraho ao anatiny ny santionany (~10 minitra), avy eo miandry mandritra ny alina ho an'ny fanesorana Ni (~7200 minitra), (Dingana 2) Sasao amin'ny rano deionized (Dingana - 3). tehirizo ao anaty rano deionized na afindra any amin'ny substrate kendrena (20 minitra). Ny rano voafandrika eo anelanelan'ny NGF sy ny matrix bulk dia esorina amin'ny alàlan'ny capillary action (mampiasa taratasy blotting)38, avy eo ny rano sisa tavela dia esorina amin'ny alàlan'ny fanamainana voajanahary (eo amin'ny 30 minitra eo ho eo), ary farany dia maina mandritra ny 10 minitra ny santionany ao anaty lafaoro banga (10–1 mbar) amin'ny 50–90 °C (60 minitra) 38.
Fantatra fa mahatanty ny fisian'ny rano sy rivotra amin'ny mari-pana avo dia avo (≥ 200 °C) ny grafita 50,51,52. Notsapainay tamin'ny alalan'ny spectroscopy Raman, SEM, ary XRD ny santionany rehefa avy notehirizina tao anaty rano tsy misy iôna tamin'ny mari-pana ao an-trano sy tao anaty tavoahangy voaisy tombo-kase nandritra ny andro vitsivitsy ka hatramin'ny herintaona (Sary SI4). Tsy misy fahasimbana miharihary. Ny Sary 2c dia mampiseho ny FS-NGF sy BS-NGF mijoro irery ao anaty rano tsy misy iôna. Nosamborinay tamin'ny substrate SiO2 (300 nm)/Si izy ireo, araka ny aseho amin'ny fiandohan'ny Sary 2c. Fanampin'izany, araka ny aseho amin'ny Sary 2d,e, ny NGF mitohy dia azo afindra amin'ny substrate isan-karazany toy ny polymers (Thermabright polyamide avy amin'ny Nexolve sy Nafion) sy taratasy karbônina voarakotra volamena. Mora napetraka teo amin'ny substrate kendrena ny FS-NGF mitsingevana (Sary 2c, d). Na izany aza, sarotra ny nikirakira ny santionany BS-NGF lehibe kokoa noho ny 3 cm2 rehefa natsoboka tanteraka tao anaty rano. Matetika, rehefa manomboka mihodinkodina ao anaty rano izy ireo, noho ny tsy fitandremana dia indraindray vaky ho roa na telo (Sary 2e). Amin'ny ankapobeny, dia afaka nahazo famindrana PS- sy BS-NGF tsy misy polymer izahay (famindrana mitohy tsy misy fitombon'ny NGF/Ni/NGF amin'ny 6 cm2) ho an'ny santionany hatramin'ny 6 sy 3 cm2 ny velarany. Ny sombin-javatra lehibe na kely sisa tavela dia azo (hita mora foana ao anaty vahaolana etching na rano deionized) eo amin'ny substrate irina (~1 mm2, Sary SI4b, jereo ny santionany nafindra tamin'ny harato varahina toy ny ao amin'ny "FS-NGF: Rafitra sy Toetra (resahina) ao amin'ny "Rafitra sy Toetra") na tehirizina ho an'ny fampiasana amin'ny ho avy (Sary SI4). Mifototra amin'io fepetra io, dia tombananay fa ny NGF dia azo averina amin'ny vokatra hatramin'ny 98-99% (aorian'ny fitomboana ho an'ny famindrana).
Nodinihina tamin'ny antsipiriany ireo santionany famindrana tsy misy pôlimera. Ny toetran'ny morfolojikan'ny ety ambonin'ny tany azo tamin'ny FS- sy BS-NGF/SiO2/Si (Sary 2c) tamin'ny fampiasana mikroskopia optika (OM) sy sary SEM (Sary SI5 sy Sary 3) dia naneho fa ireo santionany ireo dia nafindra tsy nisy mikroskopia. Fahasimbana ara-drafitra hita maso toy ny triatra, lavaka, na faritra tsy mivelatra. Ny vala eo amin'ny NGF mitombo (Sary 3b, d, voamarika amin'ny zana-tsipìka volomparasy) dia nijanona tsy simba taorian'ny famindrana. Samy ahitana faritra FLG (faritra mamirapiratra asehon'ny zana-tsipìka manga ao amin'ny Sary 3) ny FS- sy BS-NGF. Mahagaga fa mifanohitra amin'ireo faritra simba vitsivitsy izay matetika hita mandritra ny famindrana pôlimera amin'ny sarimihetsika grafita manify dia faritra FLG sy MLG maromaro mitovy habe amin'ny mikrônôma mifandray amin'ny NGF (voamarika amin'ny zana-tsipìka manga ao amin'ny Sary 3d) no nafindra tsy nisy triatra na tapaka (Sary 3d). 3). Nohamafisina bebe kokoa ny tsy fivadihana mekanika tamin'ny fampiasana sary TEM sy SEM an'ny NGF nafindra tamin'ny harato varahina karbônina dantelina, araka ny noresahina taty aoriana ("FS-NGF: Rafitra sy Toetra"). Ny BS-NGF/SiO2/Si nafindra dia henjana kokoa noho ny FS-NGF/SiO2/Si miaraka amin'ny sanda rms 140 nm sy 17 nm tsirairay avy, araka ny aseho amin'ny Sary SI6a sy b (20 × 20 μm2). Ny sanda RMS an'ny NGF nafindra teo amin'ny substrate SiO2/Si (RMS < 2 nm) dia ambany lavitra (eo amin'ny 3 heny eo ho eo) noho ny an'ny NGF nambolena tamin'ny Ni (Sary SI2), izay midika fa ny henjana fanampiny dia mety mifanaraka amin'ny velaran'ny Ni. Ankoatra izany, ny sary AFM natao teo amin'ny sisin'ny santionany FS- sy BS-NGF/SiO2/Si dia naneho hatevin'ny NGF 100 sy 80 nm tsirairay avy (Sary SI7). Ny hatevin'ny BS-NGF kely kokoa dia mety ho vokatry ny tsy fidiran'ny entona mialoha mivantana amin'ny velaran-tany.
NGF (NiAG) nafindra tsy misy pôlimera amin'ny wafer SiO2/Si (jereo ny Sary 2c): (a,b) Sary SEM an'ny FS-NGF nafindra: fampitomboana ambany sy avo (mifanaraka amin'ny efamira volomboasary ao amin'ny tontonana). Faritra mahazatra) – a). (c,d) Sary SEM an'ny BS-NGF nafindra: fampitomboana ambany sy avo (mifanaraka amin'ny faritra mahazatra asehon'ny efamira volomboasary ao amin'ny tontonana c). (e, f) Sary AFM an'ny FS- sy BS-NGF nafindra. Ny zana-tsipìka manga dia maneho ny faritra FLG - fifanoherana mamirapiratra, zana-tsipìka cyan - fifanoherana MLG mainty, zana-tsipìka mena - fifanoherana mainty dia maneho ny faritra NGF, ny zana-tsipìka magenta dia maneho ny vala.
Nohadihadiana tamin'ny alalan'ny X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Sary 4) ny firafitry ny simikan'ny FS- sy BS-NGF nohalehibeazina sy nafindra (Sary 4). Hita fa nisy tendrony malemy tao amin'ny spectra voarefy (Sary 4a, b), mifanaraka amin'ny substrate Ni (850 eV) an'ny FS- sy BS-NGF nohalehibeazina (NiAG). Tsy misy tendrony ao amin'ny spectra voarefy amin'ny FS- sy BS-NGF/SiO2/Si nafindra (Sary 4c; tsy aseho ny valiny mitovy amin'izany ho an'ny BS-NGF/SiO2/Si), izay midika fa tsy misy loto Ni sisa tavela aorian'ny famindrana. Ny sary 4d–f dia mampiseho ny spectra avo lenta amin'ny haavon'ny angovo C1 s, O1 s ary Si2p an'ny FS-NGF/SiO2/Si. Ny angovo fifamatoran'ny C1 s amin'ny grafita dia 284.4 eV53.54. Ny endrika linearin'ny tendron'ny grafita dia heverina ho tsy mitovy amin'ny mahazatra, araka ny aseho amin'ny Sary 4d54. Ny spectrum C1s amin'ny ambaratonga fototra avo lenta (Sary 4d) dia nanamafy ihany koa ny famindrana madio (izany hoe, tsy misy sisa tavela amin'ny polymer), izay mifanaraka amin'ny fanadihadiana teo aloha38. Ny sakany amin'ny spectra C1s amin'ny santionany vao novolena (NiAG) sy aorian'ny famindrana dia 0.55 sy 0.62 eV, tsirairay avy. Ireo sanda ireo dia ambony noho ny an'ny SLG (0.49 eV ho an'ny SLG amin'ny substrate SiO2)38. Na izany aza, ireo sanda ireo dia kely kokoa noho ny sakany voalaza teo aloha ho an'ny santionany graphene pyrolytic avo lenta (~0.75 eV)53,54,55, izay manondro ny tsy fisian'ny toerana karbônina tsy mety amin'ny fitaovana ankehitriny. Ny spectra C1s sy O1s amin'ny ambaratonga tany dia tsy manana soroka ihany koa, ka manafoana ny filàna deconvolution tendrony avo lenta54. Misy tampon'ny zanabolana π → π* manodidina ny 291.1 eV, izay matetika hita amin'ny santionan'ny grafita. Ny famantarana 103 eV sy 532.5 eV ao amin'ny spektra fototra Si 2p sy O 1 s (jereo ny Sary 4e, f) dia lazaina fa avy amin'ny substrate SiO2 56. Teknika saro-pady amin'ny velarana ny XPS, ka ny famantarana mifanaraka amin'ny Ni sy SiO2 hita talohan'ny sy taorian'ny famindrana NGF dia heverina fa avy amin'ny faritra FLG. Vokatra mitovy amin'izany no hita ho an'ny santionan'ny BS-NGF nafindra (tsy aseho).
Vokatra NiAG XPS: (ac) Spektra fanadihadiana momba ny firafitry ny singa atomika samihafa amin'ny FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ary FS-NGF/SiO2/Si nafindra. (d–f) Spektra avo lenta amin'ny ambaratonga fototra C1 s, O1s ary Si2p amin'ny santionany FS-NGF/SiO2/Si.
Notombanana tamin'ny alalan'ny difraksiona taratra X (XRD) ny kalitao ankapobeny amin'ireo kristaly NGF nafindra. Ny lamina XRD mahazatra (Sary SI8) amin'ny FS- sy BS-NGF/SiO2/Si nafindra dia mampiseho ny fisian'ny tendron'ny difraksiona (0 0 0 2) sy (0 0 0 4) amin'ny 26.6° sy 54.7°, mitovy amin'ny grafita. Izany dia manamafy ny kalitaon'ny kristaly NGF avo lenta ary mifanaraka amin'ny elanelana eo amin'ny sosona d = 0.335 nm, izay tazonina aorian'ny dingana famindrana. Ny hamafin'ny tendron'ny difraksiona (0 0 0 2) dia eo amin'ny in-30 eo ho eo noho ny an'ny tendron'ny difraksiona (0 0 0 4), izay midika fa mifanaraka tsara amin'ny velaran'ny santionany ny fiaramanidina kristaly NGF.
Araka ny valin'ny SEM, Raman spectroscopy, XPS ary XRD, dia hita fa mitovy amin'ny an'ny FS-NGF/Ni ny kalitaon'ny BS-NGF/Ni, na dia somary ambony kokoa aza ny harafesiny (Sary SI2, SI5) sy SI7).
Afaka mitsingevana eny ambony rano ny SLGs misy sosona fanohanana polymer hatramin'ny 200 nm ny hateviny. Io fametrahana io dia matetika ampiasaina amin'ny dingana famindrana simika mando ampian'ny polymer22,38. Ny graphene sy ny graphite dia hydrophobic (zoro mando 80–90°)57. Voalaza fa fisaka tsara ny velaran'ny angovo mety ho an'ny graphene sy ny FLG, miaraka amin'ny angovo mety ho ambany (~1 kJ/mol) ho an'ny fihetsehan'ny rano amin'ny sisiny58. Na izany aza, ny angovo fifandraisana kajy eo amin'ny rano amin'ny graphene sy ny sosona telo amin'ny graphene dia eo amin'ny − 13 sy − 15 kJ/mol,58 tsirairay avy, izay manondro fa ny fifandraisan'ny rano amin'ny NGF (eo amin'ny 300 sosona eo ho eo) dia ambany kokoa raha oharina amin'ny graphene. Mety ho iray amin'ireo antony mahatonga ny NGF mijoro irery ho fisaka eo ambonin'ny rano izany, raha toa kosa ny graphene mijoro irery (izay mitsingevana anaty rano) mihodinkodina sy rava. Rehefa milentika tanteraka ao anaty rano ny NGF (mitovy ny vokatra ho an'ny NGF mikitoantoana sy fisaka), dia miondrika ny sisiny (Sary SI4). Raha toa ka atsoboka tanteraka, dia antenaina fa ho avo roa heny ny angovon'ny fifandraisan'ny NGF sy ny rano (raha ampitahaina amin'ny NGF mitsingevana) ary hiforitra ny sisin'ny NGF mba hihazonana zoro fifandraisana avo lenta (hydrophobicity). Mino izahay fa azo atao ny mamolavola paikady mba hisorohana ny fihodinkodinana amin'ny sisin'ny NGF tafiditra. Ny fomba iray dia ny fampiasana solvents mifangaro mba handrindrana ny fihetsiky ny sarimihetsika grafita mando59.
Efa notaterina teo aloha ny famindrana ny SLG amin'ny karazana substrates isan-karazany amin'ny alàlan'ny dingana famindrana simika mando. Amin'ny ankapobeny dia ekena fa misy hery van der Waals malemy eo amin'ny sarimihetsika graphene/graphite sy substrates (na substrates henjana toy ny SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 sy sarimihetsika karbônina lacy30, 34 na substrates mora miovaova toy ny polyimide 37). Eto dia heverinay fa ny fifandraisana mitovy karazana no manjaka. Tsy nahita fahasimbana na fihintsanan'ny NGF izahay ho an'ny substrates rehetra aseho eto nandritra ny fikirakirana mekanika (nandritra ny famaritana azy teo ambanin'ny banga sy/na ny toe-javatra atmosfera na nandritra ny fitahirizana) (ohatra, Sary 2, SI7 sy SI9). Ankoatra izany, tsy nahita tampon'ny SiC tao amin'ny spectrum XPS C1s amin'ny ambaratonga fototra amin'ny santionany NGF/SiO2/Si izahay (Sary 4). Ireo valiny ireo dia manondro fa tsy misy fifamatorana simika eo amin'ny NGF sy ny substrate kendrena.
Tao amin'ny fizarana teo aloha, "Famindrana FS- sy BS-NGF tsy misy pôlimera," dia nasehonay fa afaka mitombo sy mifindra amin'ny andaniny roa amin'ny takelaka nikela ny NGF. Tsy mitovy ny haratsian'ny ety ambonin'ireo FS-NGF sy BS-NGF ireo, izay nanosika anay hikaroka ny fampiharana mety indrindra ho an'ny karazany tsirairay.
Raha jerena ny mangarahara sy ny ety ambonin'ny FS-NGF, dia nodinihinay tamin'ny antsipiriany bebe kokoa ny rafitra eo an-toerana, ny toetrany optika ary elektrika. Ny rafitra sy ny firafitry ny FS-NGF tsy misy famindrana polimera dia nofaritana tamin'ny alàlan'ny sary mikroskopia elektrôna fandefasana (TEM) sy ny famakafakana ny lamina difraksiona elektrôna faritra voafantina (SAED). Aseho amin'ny Sary 5 ny valiny mifandraika amin'izany. Ny sary TEM planar ambany dia naneho ny fisian'ny faritra NGF sy FLG miaraka amin'ny toetran'ny fifanoheran'ny elektrôna samihafa, izany hoe faritra maizina kokoa sy mamiratra kokoa (Sary 5a). Ny sarimihetsika amin'ny ankapobeny dia mampiseho fahamarinan-toerana mekanika sy fitoniana tsara eo amin'ny faritra samihafa amin'ny NGF sy FLG, miaraka amin'ny fifanindriana tsara ary tsy misy fahasimbana na rovitra, izay nohamafisin'ny SEM (Sary 3) sy ny fanadihadiana TEM avo lenta (Sary 5c-e). Indrindra indrindra, ao amin'ny Sary 5d dia mampiseho ny firafitry ny tetezana amin'ny ampahany lehibe indrindra (ny toerana voamariky ny zana-tsipìka mainty teboka ao amin'ny Sary 5d), izay miavaka amin'ny endrika telozoro ary misy sosona graphene misy sakany eo amin'ny 51 eo ho eo. Ny firafitra misy elanelana eo amin'ny sehatra 0.33 ± 0.01 nm dia ahena bebe kokoa ho sosona graphene maromaro ao amin'ny faritra tery indrindra (faran'ny zana-tsipìka mainty matevina ao amin'ny Sary 5 d).
Sary TEM fisaka amin'ny santionany NiAG tsy misy pôlimera eo amin'ny harato varahina vita amin'ny karbônina: (a, b) Sary TEM amin'ny fampitomboana ambany, anisan'izany ny faritra NGF sy FLG, (ce) Ny sary amin'ny fampitomboana avo lenta amin'ny faritra samihafa ao amin'ny tontonana-a sy tontonana-b dia zana-tsipìka mitovy loko. Ny zana-tsipìka maitso ao amin'ny tontonana a sy c dia manondro faritra boribory misy fahasimbana mandritra ny fampifanarahana ny taratra. (f–i) Ao amin'ny tontonana a hatramin'ny c, ny lamina SAED amin'ny faritra samihafa dia asehon'ny faribolana manga, cyan, volomboasary ary mena.
Ny firafitry ny ribon ao amin'ny Sary 5c dia mampiseho (voamarika amin'ny zana-tsipìka mena) ny fironan'ny graphite matte planes, izay mety ho vokatry ny fiforonan'ny nanofolds manaraka ny sarimihetsika (ampahany amin'ny Sary 5c) noho ny fihenjanana shear tsy voavaly be loatra30,61,62. Eo ambanin'ny TEM avo lenta, ireo nanofolds 30 ireo dia mampiseho fironan'ny kristaly hafa noho ny ambin'ny faritra NGF; ny fototra amin'ny graphite matte dia mitongilana saika mitsangana, fa tsy mitsivalana toy ny ambin'ny sarimihetsika (ampahany amin'ny Sary 5c). Toy izany koa, ny faritra FLG indraindray dia mampiseho vala linear sy tery toy ny tarika (voamarika amin'ny zana-tsipìka manga), izay miseho amin'ny fampitomboana ambany sy antonony ao amin'ny Sary 5b, 5e. Ny ampahan'ny Sary 5e dia manamafy ny fisian'ny sosona graphene roa sy telo sosona ao amin'ny sehatry ny FLG (halavirana interplanar 0.33 ± 0.01 nm), izay mifanaraka tsara amin'ny valin'ny fikarohanay teo aloha30. Ankoatra izany, aseho amin'ny Sary SI9 ny sary SEM voarakitra an-tsoratra momba ny NGF tsy misy pôlimera nafindra tamin'ny harato varahina miaraka amin'ny sarimihetsika karbônina misy dantelina (rehefa avy nanao fandrefesana TEM avy any ambony). Ny faritra FLG mihantona tsara (voamarika amin'ny zana-tsipìka manga) sy ny faritra tapaka ao amin'ny Sary SI9f. Ny zana-tsipìka manga (eo amin'ny sisin'ny NGF nafindra) dia naseho an-tsitrapo mba hampisehoana fa afaka manohitra ny fizotran'ny famindrana ny faritra FLG raha tsy misy pôlimera. Raha fintinina, ireo sary ireo dia manamafy fa ny NGF mihantona ampahany (anisan'izany ny faritra FLG) dia mitazona ny fahamarinan'ny mekanika na dia aorian'ny fikirakirana henjana sy ny fiparitahana amin'ny banga avo lenta mandritra ny fandrefesana TEM sy SEM (Sary SI9).
Noho ny fisaka tsara dia tsaran'ny NGF (jereo ny Sary 5a), dia tsy sarotra ny mandrindra ny takelaka manaraka ny axe [0001] mba handinihana ny rafitra SAED. Miankina amin'ny hatevin'ny sarimihetsika eo an-toerana sy ny toerana misy azy, faritra maromaro mahaliana (teboka 12) no voafaritra ho an'ny fandalinana ny diffraction elektrôna. Ao amin'ny Sary 5a–c, efatra amin'ireo faritra mahazatra ireo no aseho ary asiana marika amin'ny faribolana miloko (manga, cyan, volomboasary, ary mena misy kaody). Sary 2 sy 3 ho an'ny fomba SAED. Ny Sary 5f sy g dia azo avy amin'ny faritra FLG aseho amin'ny Sary 5 sy 5. Araka ny aseho amin'ny Sary 5b sy c, tsirairay avy. Manana rafitra hexagonal mitovy amin'ny graphene miolikolika63 izy ireo. Indrindra indrindra, ny Sary 5f dia mampiseho lamina telo mifanindry miaraka amin'ny fironan'ny axe [0001], mihodina amin'ny 10° sy 20°, araka ny asehon'ny tsy fitoviana zoro amin'ny taratra telo tsiroaroa (10-10). Toy izany koa, ny Sary 5g dia mampiseho lamina hexagonal roa mifanindry mihodina 20°. Ny vondrona roa na telo amin'ny lamina hexagonal ao amin'ny faritra FLG dia mety hipoitra avy amin'ny sosona graphene telo ao anaty na ivelan'ny fiaramanidina 33 mihodina mifandraika amin'ny tsirairay. Mifanohitra amin'izany kosa, ny lamina diffraction elektrôna ao amin'ny Sary 5h,i (mifanaraka amin'ny faritra NGF aseho amin'ny Sary 5a) dia mampiseho lamina [0001] tokana miaraka amin'ny hamafin'ny diffraction teboka ambony kokoa, mifanaraka amin'ny hatevin'ny fitaovana lehibe kokoa. Ireo modely SAED ireo dia mifanaraka amin'ny rafitra grafita matevina kokoa sy ny fironana antonony noho ny FLG, araka ny azo avy amin'ny index 64. Ny famaritana ny toetran'ny kristaly an'ny NGF dia naneho ny fiaraha-miainan'ny kristaly grafita (na graphene) roa na telo mifanindry. Ny tena mendrika homarihina ao amin'ny faritra FLG dia ny hoe ny kristaly dia manana ambaratonga sasany amin'ny tsy fitoviana eo anaty na ivelan'ny fiaramanidina. Efa nisy tatitra teo aloha momba ny NGF ambolena amin'ny sarimihetsika Ni 64 momba ireo poti-grafita/sosona misy zoro fihodinana anaty fiaramanidina 17°, 22° ary 25°. Mifanaraka amin'ny zoro fihodinana hita teo aloha (±1°) ho an'ny graphene BLG63 miolikolika ny soatoavina zoro fihodinana hita ato amin'ity fandalinana ity.
Ny toetra elektrika an'ny NGF/SiO2/Si dia norefesina tamin'ny 300 K teo amin'ny velaran-tany 10×3 mm2. Ny sandan'ny fifantohana, ny fivezivezena ary ny fitarihan'ny elektrôna dia 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ary 2000 S-cm-1. Ny sandan'ny fivezivezena sy ny fitarihan'ny NGF dia mitovy amin'ny grafita voajanahary2 ary ambony kokoa noho ny grafita pyrolytika avo lenta azo vidiana eny an-tsena (vokarina amin'ny 3000 °C)29. Ny sandan'ny fifantohana mpitondra elektrôna hita dia avo roa heny noho ireo notaterina vao haingana (7.25 × 10 cm-3) ho an'ny sarimihetsika grafita matevina mikrônôma nomanina tamin'ny fampiasana takelaka polyimide amin'ny mari-pana avo (3200 °C) 20.
Nanao fandrefesana ny fifindran'ny taratra UV hita maso tamin'ny FS-NGF nafindra tany amin'ny substrates quartz ihany koa izahay (Sary 6). Ny spectrum vokatr'izany dia mampiseho fifindran'ny taratra saika tsy miova 62% eo amin'ny elanelana 350–800 nm, izay midika fa mangarahara amin'ny hazavana hita maso ny NGF. Raha ny marina, ny anarana hoe "KAUST" dia hita ao amin'ny sary nomerika an'ny santionany ao amin'ny Sary 6b. Na dia tsy mitovy amin'ny an'ny SLG aza ny rafitra nanokristalin'ny NGF, dia azo tombanana eo ho eo ny isan'ny sosona amin'ny fampiasana ny fitsipiky ny fatiantoka fifindran'ny taratra 2.3% isaky ny sosona fanampiny65. Araka io fifandraisana io, ny isan'ny sosona graphene misy fatiantoka fifindran'ny taratra 38% dia 21. Ny NGF lehibe dia ahitana sosona graphene 300, izany hoe eo amin'ny 100 nm eo ho eo ny hateviny (Sary 1, SI5 sy SI7). Noho izany, heverinay fa ny mangarahara optika hita maso dia mifanaraka amin'ny faritra FLG sy MLG, satria miparitaka manerana ny sarimihetsika izy ireo (Sary 1, 3, 5 sy 6c). Ankoatra ireo angon-drakitra ara-drafitra etsy ambony ireo, ny conductivity sy ny mangarahara dia manamafy ihany koa ny kalitao kristaly avo lenta an'ny NGF nafindra.
(a) Fandrefesana ny fifindran'ny taratra hita maso amin'ny alalan'ny UV, (b) famindrana NGF mahazatra amin'ny quartz mampiasa santionany solontena. (c) Kisarisary maneho ny NGF (boaty maizina) miaraka amin'ny faritra FLG sy MLG mizara mitovy tsara voamarika ho endrika volondavenona kisendrasendra manerana ny santionany (jereo ny Sary 1) (eo amin'ny 0.1–3% eo ho eo ny velarany isaky ny 100 μm2). Ny endrika kisendrasendra sy ny habeny ao amin'ny kisarisary dia natao ho fanazavana fotsiny ihany ary tsy mifanaraka amin'ny velarany tena izy.
Ny NGF mangarahara novolena tamin'ny alalan'ny CVD dia efa nafindra tany amin'ny velaran'ny silikônina miboridana ary nampiasaina tamin'ny sela masoandro15,16. Ny fahombiazan'ny fiovam-pahefana (PCE) vokatr'izany dia 1.5%. Ireo NGF ireo dia manao asa maro toy ny sosona mavitrika, ny lalan'ny fitaterana fiampangana, ary ny elektrôda mangarahara15,16. Na izany aza, tsy mitovy ny sarimihetsika grafita. Ilaina ny fanatsarana bebe kokoa amin'ny alàlan'ny fanaraha-maso tsara ny fanoherana ny takelaka sy ny fifindran'ny optika amin'ny elektrôda grafita, satria ireo toetra roa ireo dia mitana anjara toerana lehibe amin'ny famaritana ny sandan'ny PCE amin'ny sela masoandro15,16. Amin'ny ankapobeny, ny sarimihetsika graphene dia 97.7% mangarahara amin'ny hazavana hita maso, saingy manana fanoherana takelaka 200–3000 ohms/sq.16. Ny fanoherana ny velaran'ny sarimihetsika graphene dia azo ahena amin'ny alàlan'ny fampitomboana ny isan'ny sosona (famindrana maromaro ny sosona graphene) sy ny fampidirana HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Na izany aza, ity dingana ity dia maharitra ela ary ireo sosona famindrana samihafa dia tsy mifandray tsara foana. Ny NGF eo anoloana dia manana toetra toy ny conductivity 2000 S/cm, ny fanoherana ny takelaka sarimihetsika 50 ohm/sq. ary ny mangarahara 62%, ka mahatonga azy io ho safidy azo ampiharina amin'ny fantsona conductive na counter electrodes ao amin'ny sela masoandro15,16.
Na dia mitovy amin'ny FS-NGF aza ny rafitra sy ny simia amin'ny velaran'ny BS-NGF, dia samy hafa ny harafesiny ("Fitomboan'ny FS- sy BS-NGF"). Teo aloha, nampiasa graphite sarimihetsika manify dia manify 22 ho toy ny sensor entona izahay. Noho izany, dia notsapainay ny mety hampiasana ny BS-NGF amin'ny asa fitiliana entona (Sary SI10). Voalohany, ny ampahany BS-NGF habe mm2 dia nafindra tao amin'ny puce sensor electrode interdigitating (Sary SI10a-c). Efa notaterina teo aloha ny antsipirian'ny fanamboarana ny puce; ny faritra saro-pady mavitrika dia 9 mm267. Ao amin'ny sary SEM (Sary SI10b sy c), ny electrode volamena eo ambaniny dia hita mazava tsara amin'ny alàlan'ny NGF. Averina indray, dia hita fa tratra ny fandrakofana puce mitovy ho an'ny santionany rehetra. Noraisina ny fandrefesana ny sensor entona amin'ny entona isan-karazany (Sary SI10d) (Sary SI11) ary ny tahan'ny valiny vokatr'izany dia aseho amin'ny Sary SI10g. Azo inoana fa misy entona manelingelina hafa anisan'izany ny SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ary NH3 (200 ppm). Ny antony iray mety hitranga dia ny NO2. Ny toetran'ny entona elektrofilika22,68. Rehefa miraikitra amin'ny velaran'ny graphene, dia mampihena ny fidiran'ny elektrôna amin'ny rafitra. Aseho ao amin'ny Tabilao SI2 ny fampitahana ny angon-drakitra momba ny fotoana famaliana ny sensor BS-NGF amin'ny sensor navoaka teo aloha. Mitohy ny fomba fiasa hamerenana ny sensor NGF amin'ny alàlan'ny fitsaboana plasma UV, plasma O3 na fitsaboana mafana (50–150°C) amin'ny santionany hita, ary tsara kokoa raha arahina rafitra tafiditra69.
Mandritra ny dingana CVD, dia mitranga amin'ny andaniny roa amin'ny substrate catalyst ny fitomboan'ny graphene. Na izany aza, matetika ny BS-graphene dia avoaka mandritra ny dingana famindrana41. Ato amin'ity fandalinana ity, dia asehonay fa azo tanterahina amin'ny andaniny roa amin'ny fanohanana catalyst ny fitomboana NGF avo lenta sy ny famindrana NGF tsy misy polymer. Manify kokoa (~80 nm) noho ny FS-NGF (~100 nm) ny BS-NGF, ary io fahasamihafana io dia hazavaina amin'ny hoe tsy tratran'ny fikorianan'ny entona mialoha mivantana ny BS-Ni. Hitanay ihany koa fa ny haratsian'ny substrate NiAR dia misy fiantraikany amin'ny haratsian'ny NGF. Ireo valiny ireo dia manondro fa ny FS-NGF planar efa lehibe dia azo ampiasaina ho fitaovana mialoha ny graphene (amin'ny alàlan'ny fomba exfoliation70) na ho toy ny fantsona mpitondra ao amin'ny sela masoandro15,16. Mifanohitra amin'izany, ny BS-NGF dia hampiasaina amin'ny fitadiavana entona (Sary SI9) ary mety ho an'ny rafitra fitahirizana angovo71,72 izay hahasoa ny haratsian'ny ety amboniny.
Raha jerena ireo voalaza etsy ambony ireo, dia ilaina ny mampiaraka ny asa ankehitriny amin'ireo sarimihetsika grafita efa navoaka teo aloha izay novolena tamin'ny alalan'ny CVD sy ny fampiasana foil nikela. Araka ny hita ao amin'ny Tabilao 2, ny tsindry ambony kokoa nampiasainay dia nampihena ny fotoana fihetsehana (dingana fitomboana) na dia tamin'ny mari-pana ambany aza (eo anelanelan'ny 850–1300 °C). Nahatratra fitomboana lehibe kokoa noho ny mahazatra ihany koa izahay, izay manondro ny mety hisian'ny fanitarana. Misy lafin-javatra hafa tokony hodinihina, izay ny sasany amin'izy ireo dia nampidirinay tao amin'ny tabilao.
Ny NGF avo lenta roa sosona dia nambolena tamin'ny takelaka nikela tamin'ny alàlan'ny CVD catalytic. Amin'ny fanesorana ireo substrates polymer nentim-paharazana (toy ireo ampiasaina amin'ny graphene CVD), dia mahatratra famindrana NGF madio sy tsy misy lesoka amin'ny rano (ambolena eo amin'ny lafiny aoriana sy eo anoloan'ny takelaka nikela) mankany amin'ny substrates isan-karazany izay tena ilaina amin'ny fizotran'ny asa izahay. Tsara homarihina fa ny NGF dia ahitana faritra FLG sy MLG (matetika 0.1% hatramin'ny 3% isaky ny 100 µm2) izay tafiditra tsara ao anatin'ny sarimihetsika matevina kokoa. Ny TEM Planar dia mampiseho fa ireo faritra ireo dia ahitana antontam-bato grafita/grafena roa ka hatramin'ny telo (kristal na sosona), izay ny sasany amin'izy ireo dia manana tsy fitoviana fihodinana 10–20°. Ny faritra FLG sy MLG no tompon'andraikitra amin'ny mangaraharan'ny FS-NGF amin'ny hazavana hita maso. Raha ny momba ireo takelaka aoriana, dia azo entina mifanitsy amin'ny takelaka eo anoloana izy ireo ary, araka ny aseho, dia afaka manana tanjona miasa (ohatra, ho an'ny fitadiavana entona). Ireo fanadihadiana ireo dia tena ilaina amin'ny fampihenana ny fako sy ny fandaniana amin'ny fizotran'ny CVD amin'ny ambaratonga indostrialy.
Amin'ny ankapobeny, ny hatevin'ny CVD NGF antonony dia eo anelanelan'ny graphene (ambany sy misy sosona maro) sy ny takelaka grafita indostrialy (mikrometatra). Ny karazana toetra mahaliana ananan'izy ireo, miaraka amin'ny fomba tsotra novolavolainay ho an'ny famokarana sy fitaterana azy ireo, dia mahatonga ireo sarimihetsika ireo ho mety tsara amin'ny fampiharana izay mitaky ny fiasan'ny grafita, tsy misy ny fandaniana amin'ny dingana famokarana indostrialy mandany angovo ampiasaina amin'izao fotoana izao.
Napetraka tao amin'ny reaktora CVD ara-barotra (Aixtron 4-inch BMPro) ny takelaka nikela 25 μm ny hateviny (99.5% fahadiovana, Goodfellow). Nodiovina tamin'ny argon ny rafitra ary nafindra toerana hatramin'ny tsindry fototra 10-3 mbar. Avy eo dia napetraka tao amin'ny Ar/H2 ny takelaka nikela (Rehefa avy nohafanaina mialoha ny takelaka Ni nandritra ny 5 minitra, dia naseho tamin'ny tsindry 500 mbar tamin'ny 900 °C ny takelaka. Napetraka tao anaty fikorianan'ny CH4/H2 (100 cm3 isaky ny iray) nandritra ny 5 minitra ny NGF. Avy eo dia nangatsiaka hatramin'ny mari-pana ambanin'ny 700 °C ny santionany tamin'ny fampiasana ny fikorianan'ny Ar (4000 cm3) tamin'ny 40 °C/min. Voalaza any an-kafa ny antsipiriany momba ny fanatsarana ny dingan'ny fitomboan'ny NGF30.
Nojerena tamin'ny alalan'ny SEM ny endriky ny velaran'ny santionany tamin'ny alalan'ny mikroskopia Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Norefesina tamin'ny alalan'ny AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) ny harafesina sy ny hatevin'ny NGF. Natao tamin'ny alalan'ny mikroskopia FEI Titan 80–300 Cubed misy basy famoahana hazavana avo lenta (300 kV), monochromator karazana FEI Wien ary mpanitsy aberration boribory misy lens CEOS ny fandrefesana TEM sy SAED mba hahazoana ny vokatra farany. Famahanana habaka 0.09 nm. Nafindra tany amin'ny harato varahina voarakotra karbônina ny santionany NGF mba hanaovana sary TEM fisaka sy famakafakana ny rafitra SAED. Noho izany, ny ankamaroan'ny flocs santionany dia mihantona ao amin'ny mason-koditra manohana. Nohadihadiana tamin'ny alalan'ny XRD ny santionany NGF nafindra. Azo tamin'ny alalan'ny diffractometer vovoka (Brucker, D2 phase shifter miaraka amin'ny loharanon'ny Cu Kα, 1.5418 Å ary detector LYNXEYE) ny lamina difraksion'ny taratra X, izay nampiasa loharanon'ny taratra Cu misy savaivony 3 mm.
Noraisina an-tsoratra ny fandrefesana teboka Raman maromaro tamin'ny fampiasana mikroskopia confocal mitambatra (Alpha 300 RA, WITeC). Nampiasaina ny laser 532 nm miaraka amin'ny hery fanentanana ambany (25%) mba hisorohana ny fiantraikany ateraky ny hafanana. Natao tamin'ny spektrometera Kratos Axis Ultra teo ambonin'ny velaran-tsantiny 300 × 700 μm2 ny spectroscopy photoelectron X-ray (XPS) tamin'ny fampiasana taratra Al Kα monochromatic (hν = 1486.6 eV) amin'ny hery 150 W. Azo tamin'ny angovo fandefasana 160 eV sy 20 eV ny spectra resolution. Notapahina ho sombintsombiny (3 × 10 mm2 avy) ny santionan'ny NGF nafindra tamin'ny SiO2 tamin'ny fampiasana laser fibre ytterbium PLS6MW (1.06 μm) amin'ny 30 W. Namboarina tamin'ny fampiasana paty volafotsy teo ambanin'ny mikroskopia optika ny fifandraisana tariby varahina (50 μm ny hateviny). Natao tamin'ireo santionany ireo tamin'ny 300 K sy fiovaovan'ny saha magnetika ± 9 Tesla tao anaty rafitra fandrefesana toetra ara-batana (PPMS EverCool-II, Quantum Design, Etazonia) ny andrana momba ny fitaterana herinaratra sy ny vokatry ny Hall. Noraisina tamin'ny alalan'ny spektrofotometatra Lambda 950 UV–vis tao amin'ny elanelana NGF 350–800 nm izay nafindra tany amin'ny substrates quartz sy santionany fanondroana quartz ny spektra UV–vis nalefa.
Nampifandraisina tamin'ny solaitrabe pirinty namboarina manokana 73 ny sensor fanoherana simika (puce electrode interdigitated) ary nesorina vetivety ny fanoherana. Ny solaitrabe pirinty misy ny fitaovana dia mifandray amin'ny terminal fifandraisana ary napetraka ao anatin'ny efitrano fahatsapana entona 74. Natao tamin'ny voltase 1 V ny fandrefesana ny fanoherana miaraka amin'ny scan mitohy manomboka amin'ny fanadiovana ka hatramin'ny fiparitahan'ny entona ary avy eo fanadiovana indray. Nodiovina voalohany tamin'ny alàlan'ny fanadiovana amin'ny azota amin'ny 200 cm3 mandritra ny adiny 1 ny efitrano mba hahazoana antoka fa nesorina ny analyte hafa rehetra tao amin'ny efitrano, anisan'izany ny hamandoana. Avy eo dia navoaka moramora tao amin'ny efitrano ny analyte tsirairay tamin'ny tahan'ny fikorianan'ny 200 cm3 mitovy amin'ny alàlan'ny fanakatonana ny cylinder N2.
Navoaka ny dika nohavaozina amin'ity lahatsoratra ity ary azo jerena amin'ny alàlan'ny rohy eo an-tampon'ny lahatsoratra.
Inagaki, M. sy Kang, F. Siansa sy Injeniera momba ny Akora Karbonina: Fototra. Fanontana faharoa nohavaozina. 2014. 542.
Pearson, HO Boky Torolalana momba ny Karbonina, Grafita, Diamondra ary Fullerene: Toetra, Fanodinana ary Fampiharana. Novaina ny fanontana voalohany. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Sarimihetsika graphene/graphite misy sosona maro amin'ny velaran-tany midadasika ho toy ny elektrôda mpitondra herinaratra manify mangarahara. fampiharana. fizika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Toetra mafana amin'ny graphene sy ny fitaovana karbônina nanostructured. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW sy Cahill DG Fitondran-tena mafana amin'ny sarimihetsika grafita ambolena amin'ny Ni (111) amin'ny alàlan'ny fametrahana etona simika amin'ny mari-pana ambany. tambinteny. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Fitomboana mitohy amin'ny sarimihetsika graphene amin'ny alàlan'ny fametrahana etona simika. fampiharana. fizika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Fotoana fandefasana: 23 Aogositra 2024