Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн үр дүнд хүрэхийн тулд бид танд хөтчийнхөө шинэ хувилбарыг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр Тохиромжтой байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд, тасралтгүй дэмжлэг үзүүлэхийн тулд бид сайтыг хэв маяг эсвэл JavaScriptгүйгээр харуулж байна.
Нано хэмжээний бал чулуун хальс (NGF) нь каталитик химийн уурын тунадасжуулалтаар гаргаж авах боломжтой бат бөх наноматериал боловч тэдгээрийн дамжуулалтын хялбар байдал болон гадаргуугийн морфологи нь дараагийн үеийн төхөөрөмжүүдэд хэрхэн нөлөөлдөг талаар асуултууд байсаар байна. Энд бид поликристал никель тугалган цаасны хоёр тал дээр NGF-ийн өсөлт (талбай 55 см2, зузаан нь ойролцоогоор 100 нм) болон түүний полимергүй дамжуулалт (урд ба ар тал, талбай 6 см2 хүртэл)-ийн талаар мэдээлж байна. Катализаторын тугалган цаасны морфологийн улмаас хоёр нүүрстөрөгчийн хальс нь физик шинж чанар болон бусад шинж чанараараа (жишээлбэл, гадаргуугийн барзгар байдал) ялгаатай байдаг. Бид илүү барзгар ар талтай NGF нь NO2 илрүүлэхэд тохиромжтой бол урд талдаа илүү гөлгөр, илүү дамжуулагч NGF (2000 S/см2, хуудасны эсэргүүцэл - 50 ом/м2) нь нарны зайн суваг эсвэл электродын амьдрах чадвартай дамжуулагч байж болохыг харуулж байна (учир нь энэ нь харагдах гэрлийн 62%-ийг дамжуулдаг). Ерөнхийдөө, тайлбарласан өсөлт ба тээвэрлэлтийн процессууд нь графен болон микрон зузаантай графит хальснууд тохиромжгүй технологийн хэрэглээнд NGF-ийг өөр нүүрстөрөгчийн материал болгон ашиглахад тусалж магадгүй юм.
Графит нь өргөн хэрэглэгддэг үйлдвэрлэлийн материал юм. Графит нь харьцангуй бага массын нягтралтай, өндөр хавтгай доторх дулаан болон цахилгаан дамжуулах чадвартай шинж чанартай бөгөөд хатуу ширүүн дулаан болон химийн орчинд маш тогтвортой байдаг1,2. Хэлбэрийн бал чулуу нь графены судалгааны сайн мэддэг эхлэлийн материал юм3. Нимгэн хальс болгон боловсруулсны дараа ухаалаг утас зэрэг электрон төхөөрөмжийн дулаан шингээгч4,5,6,7, мэдрэгчийн идэвхтэй материал8,9,10, цахилгаан соронзон хөндлөнгийн оролцооноос хамгаалах11,12, хэт хэт ягаан туяанд литографийн хальс13,14, нарны зайн дамжуулагч сувгууд15,16 зэрэг өргөн хүрээний хэрэглээнд ашиглаж болно. Эдгээр бүх хэрэглээний хувьд нано хэмжээсээс <100 нм-ийн зузаантай графит хальс (NGFs)-ийн том талбайг хялбархан үйлдвэрлэж, тээвэрлэх боломжтой бол энэ нь чухал давуу тал болно.
Графит хальсыг янз бүрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. Нэг тохиолдолд графены үйрмэгийг үйлдвэрлэхийн тулд суулгаж, өргөжүүлсний дараа гуужуулсны дараа ашигласан10,11,17. Үйрмэгийг шаардлагатай зузаантай хальс болгон цаашид боловсруулах шаардлагатай бөгөөд нягт бал чулуун хуудас үйлдвэрлэхэд ихэвчлэн хэдэн өдөр шаардагддаг. Өөр нэг арга бол бал чулуужуулж болох хатуу урьдал бодисоос эхлэх явдал юм. Аж үйлдвэрт полимер хуудаснуудыг нүүрсжүүлж (1000-1500 °C-д), дараа нь (2800-3200 °C-д) бал чулуужуулж, сайн бүтэцтэй давхаргат материал үүсгэдэг. Эдгээр хальснуудын чанар өндөр боловч эрчим хүчний хэрэглээ мэдэгдэхүйц1,18,19 бөгөөд хамгийн бага зузаан нь цөөн хэдэн микроноор хязгаарлагддаг1,18,19,20.
Каталитик химийн ууршуулах (CVD) нь өндөр бүтцийн чанар, боломжийн өртөгтэй графен болон хэт нимгэн графит хальс (<10 нм) үйлдвэрлэх сайн мэддэг арга юм21,22,23,24,25,26,27. Гэсэн хэдий ч графен болон хэт нимгэн графит хальсны өсөлттэй харьцуулахад28 CVD ашиглан NGF-ийн том талбайг ургуулах болон/эсвэл хэрэглэх нь бүр ч бага судлагдсан11,13,29,30,31,32,33.
CVD-ээр ургуулсан графен болон бал чулуун хальсыг ихэвчлэн функциональ суурь дээр шилжүүлэх шаардлагатай болдог34. Эдгээр нимгэн хальсан дамжуулалт нь хоёр үндсэн аргыг агуулдаг35: (1) сийлбэргүй дамжуулалт36,37 ба (2) сийлбэрт суурилсан нойтон химийн дамжуулалт (субстратыг дэмжинэ)14,34,38. Арга бүр нь давуу болон сул талуудтай бөгөөд өөр газарт дурдсанчлан зориулалтын хэрэглээнээс хамааран сонгох ёстой35,39. Каталитик суурь дээр ургуулсан графен/бал чулуун хальсны хувьд нойтон химийн процессоор дамжуулан дамжуулалт хийх нь (үүнээс полиметил метакрилат (PMMA) нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг тулгуур давхарга) эхний сонголт хэвээр байна13,30,34,38,40,41,42. Та болон бусад. NGF дамжуулалтад ямар ч полимер ашиглаагүй (дээжийн хэмжээ ойролцоогоор 4 см2)25,43 гэж дурдсан боловч дамжуулах явцад дээжийн тогтвортой байдал болон/эсвэл боловсруулалтын талаар дэлгэрэнгүй мэдээлэл өгөөгүй; Полимер ашиглан нойтон химийн процессууд нь хэд хэдэн үе шатаас бүрддэг бөгөөд үүнд золиослолын полимер давхаргыг түрхэх болон дараа нь зайлуулах зэрэг орно30,38,40,41,42. Энэ процесс нь сул талуудтай: жишээлбэл, полимерийн үлдэгдэл нь ургуулсан хальсны шинж чанарыг өөрчилж болно38. Нэмэлт боловсруулалт нь үлдэгдэл полимерийг арилгаж болох боловч эдгээр нэмэлт алхамууд нь хальс үйлдвэрлэх өртөг, хугацааг нэмэгдүүлдэг38,40. CVD өсөлтийн үед графен давхарга нь катализаторын тугалган цаасны урд талд (уурын урсгал руу харсан тал) төдийгүй ар талд нь хуримтлагддаг. Гэсэн хэдий ч сүүлийнх нь хаягдал бүтээгдэхүүн гэж тооцогддог бөгөөд зөөлөн плазмаар хурдан арилгаж болно38,41. Энэ хальсыг дахин боловсруулах нь нүүрний нүүрстөрөгчийн хальснаас чанар муутай байсан ч ургацыг хамгийн их байлгахад тусалдаг.
Энд бид поликристал никель тугалган цаасан дээр CVD аргаар өндөр бүтцийн чанартай NGF-ийн вафли хэлбэрийн хоёр талт ургалтыг бэлтгэсэн талаар мэдээлж байна. Тугалган цаасны урд болон арын гадаргуугийн барзгар байдал нь NGF-ийн морфологи, бүтцэд хэрхэн нөлөөлж байгааг үнэлсэн. Мөн бид NGF-ийг никель тугалган цаасны хоёр талаас олон үйлдэлт суурь руу өртөг багатай, байгаль орчинд ээлтэй полимергүй шилжүүлэхийг харуулж, урд болон арын хальснууд нь янз бүрийн хэрэглээнд хэрхэн тохиромжтой болохыг харуулсан.
Дараах хэсгүүдэд давхарласан графен давхаргын тооноос хамааран графен хальсны янз бүрийн зузааныг авч үзнэ: (i) нэг давхаргат графен (SLG, 1 давхарга), (ii) цөөн давхаргат графен (FLG, < 10 давхарга), (iii) олон давхаргат графен (MLG, 10-30 давхарга) болон (iv) NGF (~300 давхарга). Сүүлийнх нь талбайн хувиар илэрхийлэгдсэн хамгийн түгээмэл зузаан юм (ойролцоогоор 100 µm2 тутамд талбайн 97%)30. Тийм ч учраас хальсыг бүхэлд нь NGF гэж нэрлэдэг.
Графен болон бал чулуун хальсыг нийлэгжүүлэхэд ашигладаг поликристалл никель тугалган цаас нь үйлдвэрлэл болон дараагийн боловсруулалтын үр дүнд өөр өөр бүтэцтэй байдаг. Бид саяхан NGF30-ийн өсөлтийн процессыг оновчтой болгох судалгааны талаар мэдээлсэн. Бид өсөлтийн үе шатанд хатаах хугацаа, камерын даралт зэрэг процессын параметрүүд нь жигд зузаантай NGF авахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг харуулж байна. Энд бид никель тугалган цаасны өнгөлсөн урд (FS) болон өнгөлөөгүй арын (BS) гадаргуу дээрх NGF-ийн өсөлтийг цаашид судалсан (Зураг 1a). Хүснэгт 1-д жагсаасан FS ба BS гэсэн гурван төрлийн дээжийг шалгасан. Харааны үзлэгээр никель тугалган цаасны (NiAG) хоёр тал дээрх NGF-ийн жигд өсөлтийг Ni-ийн үндсэн суурь нь өвөрмөц металл мөнгөн сааралаас царцсан саарал өнгө рүү өөрчлөгдсөнөөр харж болно (Зураг 1a); микроскопийн хэмжилтийг баталгаажуулсан (Зураг 1b, c). Зураг 1b-д улаан, цэнхэр, улбар шар сумаар тэмдэглэгдсэн тод бүсэд ажиглагдсан FS-NGF-ийн ердийн Раманы спектрийг Зураг 1c-д үзүүлэв. Бал чулуу G (1683 см−1) болон 2D (2696 см−1)-ийн Раманы онцлог оргилууд нь өндөр талстлаг NGF-ийн өсөлтийг баталж байна (Зураг 1c, Хүснэгт SI1). Киноны туршид эрчимжилтийн харьцаа (I2D/IG) ~0.3 бүхий Раманы спектрүүд давамгайлж байсан бол I2D/IG = 0.8 бүхий Раманы спектрүүд ховор ажиглагдсан. Киноны бүхэлдээ согогтой оргилууд (D = 1350 см-1) байхгүй байгаа нь NGF-ийн өсөлтийн өндөр чанарыг харуулж байна. Үүнтэй төстэй Раманы үр дүнг BS-NGF дээжинд авсан (Зураг SI1 a ба b, Хүснэгт SI1).
NiAG FS- ба BS-NGF-ийн харьцуулалт: (a) Ваферийн хэмжээс (55 см2) дээр NGF-ийн өсөлтийг харуулсан ердийн NGF (NiAG) дээжийн гэрэл зураг болон үүнээс үүссэн BS- ба FS-Ni тугалган дээж, (b) Оптик микроскопоор гаргаж авсан FS-NGF дүрс/Ni, (c) b самбарт өөр өөр байрлалд бүртгэгдсэн ердийн Раманы спектр, (d, f) FS-NGF/Ni дээр өөр өөр томруулалттай SEM дүрс, (e, g) Өөр өөр томруулалттай SEM дүрс BS -NGF/Ni-г тохируулна. Цэнхэр сум нь FLG бүсийг, улбар шар сум нь MLG бүсийг (FLG бүсийн ойролцоо), улаан сум нь NGF бүсийг, ягаан сум нь нугалаасыг заана.
Өсөлт нь анхны суурь материалын зузаан, талстын хэмжээ, чиглэл, мөхлөгийн хил хязгаараас хамаардаг тул том талбайд NGF зузааныг зохих ёсоор хянах нь бэрхшээлтэй хэвээр байна20,34,44. Энэхүү судалгаанд бидний өмнө нь нийтэлсэн контентыг ашигласан30. Энэ процесс нь 100 мкм тутамд 0.1-3% хүртэл тод бүс үүсгэдэг230. Дараах хэсгүүдэд бид хоёр төрлийн бүсийн үр дүнг танилцуулж байна. Өндөр томруулалтын SEM зургууд нь хоёр талдаа хэд хэдэн тод тодосгогч бүс байгааг харуулж байна (Зураг 1f, g), энэ нь FLG болон MLG бүсүүд байгааг харуулж байна30,45. Үүнийг Раманы тархалт (Зураг 1c) болон TEM үр дүнгээр баталгаажуулсан (дараа нь "FS-NGF: бүтэц ба шинж чанар" хэсэгт хэлэлцсэн). FS- ба BS-NGF/Ni дээжинд ажиглагдсан FLG болон MLG бүсүүд (Ni дээр ургасан урд ба хойд NGF) нь урьдчилан халаах явцад үүссэн том Ni(111) мөхлөгүүд дээр ургасан байж магадгүй22,30,45. Хоёр талдаа нугалах байдал ажиглагдсан (Зураг 1b, нил ягаан сумаар тэмдэглэгдсэн). Эдгээр нугалаа нь CVD-ээр ургуулсан графен болон бал чулуун хальсанд ихэвчлэн байдаг бөгөөд энэ нь бал чулуу болон никелийн суурь хоорондын дулааны тэлэлтийн коэффициентийн зөрүү их байдагтай холбоотой юм30,38.
AFM зураг нь FS-NGF дээж нь BS-NGF дээжээс хавтгай болохыг баталсан (Зураг SI1) (Зураг SI2). FS-NGF/Ni (Зураг SI2c) болон BS-NGF/Ni (Зураг SI2d)-ийн дундаж квадрат (RMS) барзгаржилтын утга нь тус тус 82 ба 200 нм байна (20 × 20 μm2 талбайд хэмжсэн). Өндөр барзгаржилтыг никель (NiAR) тугалган цаасны гадаргуугийн шинжилгээнд үндэслэн ойлгож болно (Зураг SI3). FS болон BS-NiAR-ийн SEM зургийг SI3a–d зурагт үзүүлсэн бөгөөд гадаргуугийн янз бүрийн морфологийг харуулсан болно: өнгөлсөн FS-Ni тугалган цаас нь нано ба микрон хэмжээтэй бөмбөрцөг хэлбэртэй хэсгүүдтэй байдаг бол өнгөлөөгүй BS-Ni тугалган цаас нь үйлдвэрлэлийн шатыг өндөр бат бэх, бууралттай хэсгүүд хэлбэрээр харуулдаг. Хатаасан никель тугалган цаасны (NiA) бага ба өндөр нягтралтай зургуудыг SI3e–h зурагт үзүүлэв. Эдгээр зургуудаас бид никель тугалган цаасны хоёр талд хэд хэдэн микрон хэмжээтэй никель хэсгүүд байгааг ажиглаж болно (Зураг SI3e–h). Том ширхэгүүд нь өмнө нь мэдээлснээр Ni(111) гадаргуугийн чиглэлтэй байж болно30,46. FS-NiA болон BS-NiA-ийн хооронд никель тугалган цаасны морфологийн хувьд мэдэгдэхүйц ялгаа байдаг. BS-NGF/Ni-ийн өндөр барзгар байдал нь BS-NiAR-ийн өнгөлөөгүй гадаргуутай холбоотой бөгөөд гадаргуу нь хатаасан ч мэдэгдэхүйц барзгар хэвээр байна (Зураг SI3). Өсөлтийн процессоос өмнө гадаргуугийн энэ төрлийн шинж чанар нь графен болон бал чулуун хальсны барзгар байдлыг хянах боломжийг олгодог. Анхны суурь нь графен ургалтын явцад зарим ширхэгийн өөрчлөн байгуулалтад орсон бөгөөд энэ нь хатаасан тугалган цаас болон катализаторын хальстай харьцуулахад ширхэгийн хэмжээг бага зэрэг бууруулж, суурь гадаргуугийн барзгар байдлыг бага зэрэг нэмэгдүүлсэн болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй22.
Субстратын гадаргуугийн барзгаржилт, шарах хугацаа (үр тарианы хэмжээ)30,47 болон суллах хяналт43-ыг нарийн тохируулах нь бүс нутгийн NGF зузааны жигд байдлыг µm2 болон/эсвэл бүр nm2 масштаб хүртэл бууруулахад тусална (өөрөөр хэлбэл хэдэн нанометрийн зузааны хэлбэлзэл). Субстратын гадаргуугийн барзгаржилтыг хянахын тулд үүссэн никель тугалган цаасыг электролитийн өнгөлөх зэрэг аргуудыг авч үзэж болно48. Дараа нь урьдчилан боловсруулсан никель тугалган цаасыг бага температурт (<900 °C)46 болон хугацаанд (<5 мин) шарж, том Ni(111) үр тариа үүсэхээс сэргийлж болно (энэ нь FLG-ийн өсөлтөд ашигтай).
SLG болон FLG графен нь хүчил ба усны гадаргуугийн хурцадмал байдлыг тэсвэрлэх чадваргүй тул нойтон химийн дамжуулалтын процессын үед механик тулгуур давхаргууд шаардлагатай болдог22,34,38. Полимерээр дэмжигдсэн нэг давхаргат графен38-ийн нойтон химийн дамжуулалтаас ялгаатай нь бид ургуулсан NGF-ийн хоёр талыг полимер тулгуургүйгээр шилжүүлж болохыг тогтоосон бөгөөд энэ нь Зураг 2a-д үзүүлсэн (дэлгэрэнгүй мэдээллийг SI4a Зурагаас үзнэ үү). NGF-ийг өгөгдсөн суурь руу шилжүүлэх нь суурь Ni30.49 хальсыг нойтон сийлбэрээр эхэлдэг. Ургасан NGF/Ni/NGF дээжийг 600 мл деионжуулсан (DI) усаар шингэлсэн 15 мл 70% HNO3-т нэг шөнийн дотор байрлуулсан. Ni тугалган цаас бүрэн ууссаны дараа FS-NGF нь хавтгай хэвээр үлдэж, NGF/Ni/NGF дээжийн адил шингэний гадаргуу дээр хөвдөг бол BS-NGF нь усанд дүрэгдсэн байдаг (Зураг 2a, b). Дараа нь тусгаарлагдсан NGF-ийг цэвэр ионгүйжүүлсэн устай нэг стаканаас нөгөө стакан руу шилжүүлж, тусгаарлагдсан NGF-ийг сайтар угааж, хотгор шилэн саваар дөрвөөс зургаан удаа давтан хийсэн. Эцэст нь FS-NGF болон BS-NGF-ийг хүссэн суурь дээр байрлуулсан (Зураг 2c).
Никель тугалган цаасан дээр ургуулсан NGF-ийн полимергүй нойтон химийн шилжүүлгийн процесс: (a) Үйл явцын урсгалын диаграмм (дэлгэрэнгүй мэдээллийг SI4-р зурагаас үзнэ үү), (b) Ni сийлбэр хийсний дараа тусгаарлагдсан NGF-ийн дижитал зураг (2 дээж), (c) FS – ба BS-NGF-ийг SiO2/Si суурь руу шилжүүлэх жишээ, (d) FS-NGF-ийг тунгалаг бус полимер суурь руу шилжүүлэх, (e) d самбартай ижил дээжээс BS-NGF (хоёр хэсэгт хуваагдсан), алтаар бүрсэн C цаас болон Nafion (уян хатан тунгалаг суурь, ирмэгийг улаан булангаар тэмдэглэсэн) руу шилжүүлсэн.
Нойтон химийн шилжүүлгийн аргыг ашиглан гүйцэтгэсэн SLG шилжүүлэг нь нийт 20-24 цаг боловсруулах хугацаа шаарддаг болохыг анхаарна уу 38. Энд үзүүлсэн полимергүй шилжүүлгийн техникээр (Зураг SI4a) NGF шилжүүлгийн нийт боловсруулалтын хугацаа мэдэгдэхүйц багасдаг (ойролцоогоор 15 цаг). Энэ үйл явц нь дараахь зүйлсээс бүрдэнэ: (1-р алхам) Сийлбэрийн уусмал бэлтгэж, дээжийг дотор нь хийнэ (~10 минут), дараа нь Ni сийлбэр хүртэл хонуулна (~7200 минут), (2-р алхам) Ионгүйжүүлсэн усаар зайлна (3-р алхам). Ионгүйжүүлсэн усанд хадгалах эсвэл зорилтот субстрат руу шилжүүлэх (20 минут). NGF болон их хэмжээний матрицын хооронд гацсан усыг капиллярын үйлчлэлээр (блоттер цаас ашиглан) 38 зайлуулж, дараа нь үлдсэн усны дуслыг байгалийн хатаах замаар зайлуулж (ойролцоогоор 30 минут), эцэст нь дээжийг 50-90 °C (60 минут) температурт вакуум зууханд (10-1 мбар) 10 минут хатаана 38.
Графит нь харьцангуй өндөр температурт (≥ 200 °C) ус болон агаарын орчинд тэсвэртэй гэдгээрээ алдартай50,51,52. Бид дээжийг өрөөний температурт ионжуулсан усанд болон битүүмжилсэн саванд хэдэн өдрөөс нэг жил хүртэл хадгалсны дараа Раман спектроскопи, SEM, XRD ашиглан туршсан (Зураг SI4). Мэдэгдэхүйц задрал байхгүй. Зураг 2c-д ионжуулсан усанд чөлөөтэй байрладаг FS-NGF болон BS-NGF-ийг харуулав. Бид тэдгээрийг Зураг 2c-ийн эхэнд үзүүлсэнчлэн SiO2 (300 нм)/Si суурь дээр буулгасан. Нэмж дурдахад, Зураг 2d,e-д үзүүлсэнчлэн тасралтгүй NGF-ийг полимер (Nexolve болон Nafion-ийн Thermabright полиамид) болон алтаар бүрсэн нүүрстөрөгчийн цаас зэрэг янз бүрийн суурь руу шилжүүлж болно. Хөвөгч FS-NGF-ийг зорилтот суурь дээр амархан байрлуулсан (Зураг 2c, d). Гэсэн хэдий ч 3 см2-ээс том хэмжээтэй BS-NGF дээжийг усанд бүрэн дүрэхэд боловсруулахад хэцүү байсан. Ихэвчлэн усанд өнхрөж эхлэхэд болгоомжгүй харьцсанаас болж заримдаа хоёр эсвэл гурван хэсэгт хуваагддаг (Зураг 2e). Ерөнхийдөө бид тус тус 6 ба 3 см2 хүртэлх талбайтай дээжинд PS- болон BS-NGF-ийн полимергүй дамжуулалтыг (NGF/Ni/NGF-ийн өсөлтгүйгээр 6 см2-т тасралтгүй тасралтгүй дамжуулалт) хийж чадсан. Үлдсэн том эсвэл жижиг хэсгүүдийг хүссэн суурь дээр (~1 мм2, Зураг SI4b, дээжийг "FS-NGF: Бүтэц ба шинж чанар ("Бүтэц ба шинж чанар" хэсэгт хэлэлцсэн)" гэсэн шиг зэсийн тор руу шилжүүлж эсвэл ирээдүйд ашиглахаар хадгалж болно (Зураг SI4). Энэ шалгуурт үндэслэн бид NGF-ийг 98-99% хүртэлх ургацаар (шилжүүлэх зорилгоор өсөлтийн дараа) сэргээж болно гэж тооцоолж байна.
Полимергүй шилжүүлгийн дээжийг нарийвчлан шинжилсэн. Оптик микроскоп (OM) болон SEM дүрсийг ашиглан FS- болон BS-NGF/SiO2/Si (Зураг 2c) дээр олж авсан гадаргуугийн морфологийн шинж чанарууд (Зураг SI5 ба Зураг 3) нь эдгээр дээжийг микроскопгүйгээр шилжүүлсэн болохыг харуулж байна. Хагарал, нүх, эсвэл дэлгээгүй хэсэг зэрэг харагдахуйц бүтцийн гэмтэл. Өсөн нэмэгдэж буй NGF дээрх нугалаа (Зураг 3b, d, нил ягаан сумаар тэмдэглэгдсэн) шилжүүлсний дараа бүрэн бүтэн хэвээр байна. FS- болон BS-NGF хоёулаа FLG бүсүүдээс бүрдэнэ (Зураг 3-т цэнхэр сумаар тэмдэглэгдсэн тод бүсүүд). Гайхалтай нь хэт нимгэн бал чулуун хальсны полимер дамжуулалтын үед ихэвчлэн ажиглагддаг цөөн тооны гэмтсэн бүсүүдээс ялгаатай нь NGF-тэй холбогддог хэд хэдэн микрон хэмжээтэй FLG болон MLG бүсүүд (Зураг 3d-д цэнхэр сумаар тэмдэглэгдсэн) хагарал, завсаргүйгээр шилжүүлэгдсэн (Зураг 3d). 3). . Дараа нь хэлэлцсэнчлэн тор-нүүрстөрөгчийн зэсийн тор руу шилжүүлсэн NGF-ийн TEM болон SEM дүрсийг ашиглан механик бүрэн бүтэн байдлыг баталгаажуулсан ("FS-NGF: Бүтэц ба шинж чанар"). Шилжүүлсэн BS-NGF/SiO2/Si нь FS-NGF/SiO2/Si-ээс илүү барзгар бөгөөд 140 нм ба 17 нм-ийн rms утгатай бөгөөд үүнийг Зураг SI6a ба b-д үзүүлэв (20 × 20 μm2). SiO2/Si суурь дээр шилжсэн NGF-ийн RMS утга (RMS < 2 нм) нь Ni дээр ургуулсан NGF-ийнхээс мэдэгдэхүйц бага (ойролцоогоор 3 дахин) байна (Зураг SI2), энэ нь нэмэлт барзгаржилт нь Ni гадаргуутай тохирч болохыг харуулж байна. Үүнээс гадна, FS- ба BS-NGF/SiO2/Si дээжийн ирмэг дээр хийсэн AFM зургууд нь NGF-ийн зузааныг тус тус 100 ба 80 нм харуулсан (Зураг SI7). BS-NGF-ийн зузаан бага байгаа нь гадаргуу нь урьдал хийд шууд өртөөгүйтэй холбоотой байж болох юм.
SiO2/Si вафли дээр полимергүй шилжүүлсэн NGF (NiAG) (2c зургийг үзнэ үү): (a,b) Шилжүүлсэн FS-NGF-ийн SEM зургууд: бага ба өндөр томруулалт (самбар дээрх улбар шар дөрвөлжинтэй тохирч байна). Ердийн хэсгүүд) – a). (c,d) Шилжүүлсэн BS-NGF-ийн SEM зургууд: бага ба өндөр томруулалт (с самбар дээрх улбар шар дөрвөлжинөөр харуулсан ердийн хэсэгт тохирч байна). (e, f) Шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF-ийн AFM зургууд. Цэнхэр сум нь FLG бүсийг илэрхийлнэ – тод тодосгогч, хөх сум – хар MLG тодосгогч, улаан сум – хар тодосгогч нь NGF бүсийг, ягаан сум нь нугалаасыг илэрхийлнэ.
Ургаж, шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF-ийн химийн найрлагыг рентген фотоэлектрон спектроскопи (XPS) ашиглан шинжилсэн (Зураг 4). Хэмжсэн спектрүүдэд сул оргил ажиглагдсан (Зураг 4a, b), энэ нь ургуулсан FS- ба BS-NGF-ийн (NiAG) Ni суурьтай (850 eV) тохирч байна. Шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF/SiO2/Si-ийн хэмжсэн спектрүүдэд оргил байхгүй (Зураг 4c; BS-NGF/SiO2/Si-ийн ижил төстэй үр дүнг харуулаагүй болно), энэ нь шилжүүлсний дараа үлдэгдэл Ni бохирдол байхгүй байгааг харуулж байна. Зураг 4d–f нь FS-NGF/SiO2/Si-ийн C 1 s, O 1 s болон Si 2p энергийн түвшний өндөр нарийвчлалтай спектрүүдийг харуулж байна. Бал чулууны C 1 s-ийн холболтын энерги нь 284.4 eV53.54 байна. Графитын оргилуудын шугаман хэлбэрийг ерөнхийдөө тэгш бус гэж үздэг бөгөөд үүнийг Зураг 4d54-т үзүүлэв. Өндөр нарийвчлалтай цөм түвшний C1s спектр (Зураг 4d) нь цэвэр дамжуулалтыг (өөрөөр хэлбэл полимер үлдэгдэлгүй) баталгаажуулсан бөгөөд энэ нь өмнөх судалгаануудтай нийцэж байна38. Шинээр ургуулсан дээжийн (NiAG) болон дамжуулалтын дараах C1s спектрүүдийн шугамын өргөн нь тус тус 0.55 ба 0.62 эВ байна. Эдгээр утга нь SLG-ээс өндөр (SiO2 суурь дээрх SLG-ийн хувьд 0.49 эВ)38. Гэсэн хэдий ч эдгээр утга нь өмнө нь мэдээлэгдсэн өндөр чиглэлтэй пиролитик графены дээжийн шугамын өргөнөөс (~0.75 эВ)53,54,55 бага байгаа нь одоогийн материалд нүүрстөрөгчийн согогтой цэгүүд байхгүй байгааг харуулж байна. C1s ба O1s газрын түвшний спектрүүд нь мөн мөргүй тул өндөр нарийвчлалтай оргил деконволюцийн хэрэгцээг арилгадаг54. Бал чулуун дээжинд ихэвчлэн ажиглагддаг 291.1 эВ орчимд π → π* хиймэл дагуулын оргил байдаг. Si 2p ба O 1-ийн цөмийн түвшний спектр дэх 103 эВ ба 532.5 эВ дохионууд (Зураг 4e, f-г үзнэ үү) нь тус тус SiO2 56 субстраттай холбоотой. XPS нь гадаргуугийн мэдрэмтгий арга тул NGF дамжуулалтын өмнө болон дараа тус тус илрүүлсэн Ni ба SiO2-той харгалзах дохионууд нь FLG бүсээс гаралтай гэж үздэг. Шилжүүлсэн BS-NGF дээжүүдэд ижил төстэй үр дүн ажиглагдсан (харуулаагүй).
NiAG XPS-ийн үр дүн: (ac) Ургамлын FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni болон шилжүүлсэн FS-NGF/SiO2/Si-ийн янз бүрийн элементийн атомын найрлагын судалгааны спектрүүд. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si дээжийн C 1 s, O 1s болон Si 2p цөмийн түвшний өндөр нарийвчлалтай спектрүүд.
Шилжүүлсэн NGF талстуудын нийт чанарыг рентген дифракц (XRD) ашиглан үнэлсэн. Шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF/SiO2/Si-ийн ердийн XRD хэв маяг (Зураг SI8) нь бал чулуутай төстэй 26.6° ба 54.7°-д дифракцийн оргилууд (0 0 0 2) ба (0 0 0 4) байгааг харуулж байна. Энэ нь NGF-ийн өндөр талст чанарыг баталж, дамжуулалтын алхамын дараа хадгалагддаг d = 0.335 нм давхаргын хоорондох зайтай тохирч байна. Дифракцийн оргилын эрчим (0 0 0 2) нь дифракцийн оргилоос (0 0 0 4) ойролцоогоор 30 дахин их байгаа нь NGF талст хавтгай нь дээжийн гадаргуутай сайн уялдсан болохыг харуулж байна.
SEM, Раманы спектроскопи, XPS болон XRD-ийн үр дүнгээс харахад BS-NGF/Ni-ийн чанар нь FS-NGF/Ni-ийнхтэй ижил боловч rms барзгаржилт нь арай өндөр байсан (Зураг SI2, SI5) болон SI7).
200 нм хүртэл зузаантай полимер тулгуур давхаргатай SLG нь усан дээр хөвж чаддаг. Энэхүү тохиргоог полимерийн тусламжтайгаар нойтон химийн дамжуулах процесст түгээмэл ашигладаг22,38. Графен ба бал чулуу нь гидрофобик (нойтон өнцөг 80–90°)57. Графен ба FLG-ийн потенциал энергийн гадаргуу нь нэлээд хавтгай бөгөөд гадаргуу дээрх усны хажуугийн хөдөлгөөний потенциал энерги бага (~1 кЖ/моль)58 гэж мэдээлсэн. Гэсэн хэдий ч усны графен ба графены гурван давхаргатай тооцоолсон харилцан үйлчлэлийн энерги нь ойролцоогоор −13 ба −15 кЖ/моль58 бөгөөд энэ нь усны NGF (ойролцоогоор 300 давхарга)-тай харилцан үйлчлэл нь графентай харьцуулахад бага байгааг харуулж байна. Энэ нь бие даасан NGF нь усны гадаргуу дээр хавтгай хэвээр байгаа бол бие даасан графен (усанд хөвдөг) муруйж, задардаг шалтгаануудын нэг байж болох юм. NGF нь усанд бүрэн дүрэгдсэн үед (барзгар ба хавтгай NGF-ийн хувьд үр дүн нь ижил байна) түүний ирмэгүүд нугардаг (Зураг SI4). Бүрэн дүрэх тохиолдолд NGF-усны харилцан үйлчлэлийн энерги бараг хоёр дахин нэмэгдэж (хөвөгч NGF-тэй харьцуулахад), NGF-ийн ирмэгүүд өндөр холбоо барих өнцөг (гидрофобик чанар)-ыг хадгалахын тулд нугалах төлөвтэй байна. Бид суулгагдсан NGF-ийн ирмэгүүд муруйхаас зайлсхийх стратеги боловсруулж болно гэж үзэж байна. Нэг арга бол бал чулуун хальсны норгох урвалыг зохицуулахын тулд холимог уусгагч ашиглах явдал юм59.
Нойтон химийн дамжуулах процессоор дамжуулан SLG-г янз бүрийн төрлийн субстрат руу шилжүүлэх талаар өмнө нь мэдээлсэн. Графен/бал чулуун хальс болон субстратуудын хооронд (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si багана22 зэрэг хатуу субстратууд болон торгон нүүрстөрөгчийн хальс30, 34 эсвэл полиимид 37 зэрэг уян хатан субстратууд) сул ван дер Ваалсын хүч байдаг гэж ерөнхийдөө хүлээн зөвшөөрдөг. Энд бид ижил төрлийн харилцан үйлчлэл давамгайлдаг гэж үздэг. Механик боловсруулалтын явцад (вакуум болон/эсвэл агаар мандлын нөхцөлд эсвэл хадгалах явцад шинж чанар тодорхойлох үед) энд үзүүлсэн аль ч субстратын хувьд NGF-ийн гэмтэл, хальслахыг бид ажиглаагүй (жишээ нь, Зураг 2, SI7 ба SI9). Нэмж дурдахад, бид NGF/SiO2/Si дээжийн цөм түвшний XPS C 1s спектрт SiC оргил ажиглаагүй (Зураг 4). Эдгээр үр дүнгүүд нь NGF болон зорилтот субстратын хооронд химийн холбоо байхгүй болохыг харуулж байна.
Өмнөх хэсэгт, "FS- ба BS-NGF-ийн полимергүй дамжуулалт" хэсэгт бид NGF нь никель тугалган цаасны хоёр талд ургаж, шилжиж болохыг харуулсан. Эдгээр FS-NGF ба BS-NGF нь гадаргуугийн барзгар байдлын хувьд ижил биш тул төрөл тус бүрт хамгийн тохиромжтой хэрэглээг судлахад хүргэсэн.
FS-NGF-ийн тунгалаг байдал болон илүү гөлгөр гадаргууг харгалзан бид түүний орон нутгийн бүтэц, оптик болон цахилгаан шинж чанарыг илүү нарийвчлан судалсан. Полимер дамжуулалтгүй FS-NGF-ийн бүтэц, бүтцийг дамжуулалтын электрон микроскоп (TEM) дүрслэл болон сонгосон талбайн электрон дифракцийн (SAED) хэв маягийн шинжилгээгээр тодорхойлсон. Харгалзах үр дүнг Зураг 5-д үзүүлэв. Бага томруулалтын хавтгай TEM дүрслэл нь өөр өөр электрон контраст шинж чанартай, өөрөөр хэлбэл тус тус бараан ба тод хэсгүүдтэй NGF болон FLG бүс нутгуудыг илрүүлсэн (Зураг 5a). Кино нь ерөнхийдөө NGF болон FLG-ийн өөр өөр бүс нутгуудын хооронд сайн механик бүрэн бүтэн байдал, тогтвортой байдлыг харуулсан бөгөөд сайн давхцалтай, гэмтэл, урагдалгүй бөгөөд үүнийг SEM (Зураг 3) болон өндөр томруулалтын TEM судалгаагаар баталгаажуулсан (Зураг 5c-e). Ялангуяа Зураг 5d-д хамгийн том хэсэгт нь (Зураг 5d-д хар цэгтэй сумаар тэмдэглэсэн байрлал) гүүрний бүтцийг харуулсан бөгөөд энэ нь гурвалжин хэлбэртэй бөгөөд ойролцоогоор 51 өргөнтэй графен давхаргаас бүрдэнэ. 0.33 ± 0.01 нм хавтгай хоорондын зайтай найрлагыг хамгийн нарийн хэсэгт байрлах графены хэд хэдэн давхарга болгон бууруулсан (Зураг 5 d-д байгаа хар өнгийн сумны төгсгөл).
Нүүрстөрөгчийн торон зэсийн торон дээрх полимергүй NiAG дээжийн хавтгай TEM дүрс: (a, b) NGF болон FLG бүсүүдийг багтаасан бага томруулалтын TEM дүрсүүд, (ce) a ба b самбар дээрх янз бүрийн бүсүүдийн өндөр томруулалтын дүрсүүд нь ижил өнгийн сумаар тэмдэглэгдсэн байна. a ба c самбар дээрх ногоон сумнууд нь цацрагийн тэгшитгэлийн үед үүссэн дугуй хэлбэртэй гэмтлийн хэсгүүдийг заана. (f–i) a-аас c самбаруудад янз бүрийн бүс дэх SAED хээг цэнхэр, хөх, улбар шар, улаан тойргоор тус тус тэмдэглэнэ.
Зураг 5c-д байгаа туузны бүтэц нь бал чулуун торны хавтгайн босоо чиглэлийг (улаан сумаар тэмдэглэсэн) харуулж байгаа бөгөөд энэ нь илүүдэл нөхөн төлөгдөөгүй зүсэлтийн стрессээс болж хальсан дагуу нано нугалаас үүссэнтэй холбоотой байж болох юм (Зураг 5c-д оруулав). Өндөр нягтралтай TEM-ийн дор эдгээр нано нугалаасууд 30 нь NGF бүсийн бусад хэсгээс өөр талстографийн чиглэлийг харуулдаг; бал чулуун торны суурь хавтгай нь хальсан бусад хэсэг шиг хэвтээ биш харин бараг босоо чиглэлд чиглэсэн байдаг (Зураг 5c-д оруулав). Үүнтэй адилаар, FLG бүс нь заримдаа шугаман ба нарийн зурвас хэлбэртэй нугалаасыг (цэнхэр сумаар тэмдэглэсэн) харуулдаг бөгөөд энэ нь Зураг 5b, 5e-д тус тус бага ба дунд томруулалтаар харагддаг. Зураг 5e-д оруулсан нь FLG секторт хоёр ба гурван давхаргат графен давхаргууд байгааг баталж байна (хавтгай хоорондын зай 0.33 ± 0.01 нм), энэ нь бидний өмнөх үр дүнтэй сайн тохирч байна30. Түүнчлэн, дээрээс нь харсан TEM хэмжилт хийсний дараа (дээд талаас нь TEM хэмжилт хийсний дараа) зэс торонд шилжүүлсэн полимергүй NGF-ийн бүртгэгдсэн SEM зургийг SI9 зурагт үзүүлэв. Зураг SI9f-д сайн түдгэлзүүлсэн FLG хэсэг (цэнхэр сумаар тэмдэглэгдсэн) ба хугарсан хэсгийг харуулав. Цэнхэр сум (шилжүүлсэн NGF-ийн ирмэг дээр) нь FLG хэсэг нь полимергүйгээр дамжуулах процессыг эсэргүүцэж чадна гэдгийг харуулахын тулд зориудаар үзүүлсэн. Товчхондоо, эдгээр зургууд нь TEM болон SEM хэмжилтийн үед хатуу боловсруулалт, өндөр вакуумд өртсөний дараа ч хэсэгчлэн түдгэлзүүлсэн NGF (FLG хэсэг орно) нь механик бүрэн бүтэн байдлыг хадгалдаг болохыг баталж байна (Зураг SI9).
NGF-ийн маш сайн тэгш байдлаас шалтгаалан (5a-р зургийг үзнэ үү) SAED бүтцийг шинжлэхийн тулд [0001] домэйн тэнхлэгийн дагуу хагарлыг чиглүүлэхэд хэцүү биш юм. Киноны орон нутгийн зузаан болон байршлаас хамааран электрон дифракцийн судалгаанд сонирхолтой хэд хэдэн бүс нутгийг (12 цэг) тодорхойлсон. 5a-c зурагт эдгээр ердийн бүсүүдийн дөрвийг харуулж, өнгөт тойргоор (цэнхэр, хөх, улбар шар, улаан кодлогдсон) тэмдэглэсэн болно. 2 ба 3-р зургийг SAED горимд зориулав. 5f ба g зургийг 5 ба 5-р зурагт үзүүлсэн FLG бүсээс авсан. Зураг 5b ба c-д тус тус үзүүлсэн шиг. Тэдгээр нь эрчилсэн графен63-тай төстэй зургаан өнцөгт бүтэцтэй. Ялангуяа Зураг 5f-д [0001] бүсийн тэнхлэгийн ижил чиглэлтэй, 10° ба 20°-аар эргэлдсэн гурван давхарласан хэв маягийг харуулсан бөгөөд үүнийг гурван хос (10-10) тусгалын өнцгийн зөрүүгээр нотолж байна. Үүнтэй адилаар, Зураг 5g нь 20°-аар эргэлдсэн хоёр давхарласан зургаан өнцөгт хээг харуулж байна. FLG бүсэд хоёр буюу гурван бүлэг зургаан өнцөгт хээ нь бие биетэйгээ харьцангуй эргэлдсэн гурван хавтгай доторх эсвэл хавтгайгаас гадуурх графен давхаргаас 33 үүсч болно. Үүний эсрэгээр, Зураг 5h,i-д (Зураг 5a-д үзүүлсэн NGF бүсэд харгалзах) электрон дифракцийн хээ нь нийт өндөр цэгийн дифракцийн эрчимтэй ганц [0001] хээг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь материалын зузаан илүү их байхтай тохирч байна. Эдгээр SAED загварууд нь 64-р индексээс дүгнэж үзвэл FLG-ээс илүү зузаан графит бүтэц болон завсрын чиглэлтэй тохирч байна. NGF-ийн талст шинж чанарын шинж чанарыг тодорхойлох нь хоёр буюу гурван давхарласан графит (эсвэл графен) талстууд зэрэгцэн оршиж байгааг харуулсан. FLG бүсэд онцгой анхаарал татаж байгаа зүйл бол талстууд нь хавтгай доторх эсвэл хавтгайгаас гадуурх чиглэлийн тодорхой хэмжээгээр буруу байршилтай байдаг явдал юм. Ni 64 хальсан дээр ургуулсан NGF-ийн хувьд 17°, 22°, 25° хавтгай доторх эргэлтийн өнцөгтэй бал чулуун хэсгүүд/давхаргуудын талаар өмнө нь мэдээлсэн. Энэхүү судалгаанд ажиглагдсан эргэлтийн өнцгийн утга нь мушгирсан BLG63 графены хувьд өмнө нь ажиглагдсан эргэлтийн өнцөгтэй (±1°) нийцэж байна.
NGF/SiO2/Si-ийн цахилгаан шинж чанарыг 300 К-д 10×3 мм2 талбайд хэмжсэн. Электрон тээвэрлэгчийн концентраци, хөдөлгөөнт байдал болон дамжуулах чанарын утга нь тус тус 1.6 × 1020 см-3, 220 см-2 V-1 C-1 болон 2000 S-см-1 байна. Манай NGF-ийн хөдөлгөөнт байдал болон дамжуулах чанарын утга нь байгалийн графиттай төстэй бөгөөд худалдаанд байгаа өндөр чиглэлтэй пиролитик графитаас (3000 °C-д үйлдвэрлэсэн) өндөр байна29. Ажиглагдсан электрон тээвэрлэгчийн концентрацийн утга нь өндөр температурт (3200 °C) полиимидын хуудас ашиглан бэлтгэсэн микрон зузаантай графит хальсны хувьд саяхан мэдээлэгдсэн утгаас (7.25 × 10 см-3) хоёр дахин өндөр байна20.
Бид мөн кварцын суурь руу шилжүүлсэн FS-NGF дээр хэт ягаан туяаны харагдах дамжуулалтын хэмжилтийг хийсэн (Зураг 6). Үр дүнгийн спектр нь 350-800 нм-ийн хүрээнд бараг тогтмол 62% дамжуулалтыг харуулж байгаа нь NGF нь харагдах гэрэлд тунгалаг болохыг харуулж байна. Үнэндээ "KAUST" нэрийг Зураг 6b-д үзүүлсэн дээжийн дижитал гэрэл зураг дээрээс харж болно. NGF-ийн нанокристалл бүтэц нь SLG-ээс өөр боловч давхаргын тоог нэмэлт давхарга тутамд 2.3% дамжуулалтын алдагдал гэсэн дүрмийг ашиглан ойролцоогоор тооцоолж болно65. Энэ хамаарлын дагуу 38% дамжуулалтын алдагдалтай графен давхаргын тоо 21 байна. Ургасан NGF нь голчлон 300 графен давхаргаас бүрддэг, өөрөөр хэлбэл ойролцоогоор 100 нм зузаантай (Зураг 1, SI5 ба SI7). Тиймээс бид ажиглагдсан оптик тунгалаг байдал нь FLG ба MLG бүсүүдтэй тохирч байна гэж үзэж байна, учир нь тэдгээр нь хальсан дээгүүр тархсан байдаг (Зураг 1, 3, 5 ба 6c). Дээрх бүтцийн өгөгдлөөс гадна дамжуулах чанар болон тунгалаг байдал нь дамжуулсан NGF-ийн өндөр талст чанарыг баталгаажуулдаг.
(a) Хэт ягаан туяаны харагдах дамжуулалтын хэмжилт, (b) төлөөлөх дээжийг ашиглан кварц дээр NGF-ийн ердийн дамжуулалт. (c) Дээжийн туршид саарал санамсаргүй хэлбэрээр тэмдэглэгдсэн FLG болон MLG бүсүүдтэй NGF-ийн бүдүүвч зураг (хар хайрцаг). (1-р зургийг үзнэ үү) (100 μм2 тутамд ойролцоогоор 0.1–3% талбай). Диаграмм дээрх санамсаргүй дүрсүүд болон тэдгээрийн хэмжээ нь зөвхөн жишээ болгон ашиглах бөгөөд бодит талбайтай тохирохгүй байна.
CVD-ээр ургуулсан тунгалаг NGF-ийг өмнө нь нүцгэн цахиурын гадаргуу руу шилжүүлж, нарны зайд ашиглаж байсан15,16. Үүний үр дүнд эрчим хүчний хувиргалтын үр ашиг (PCE) нь 1.5% байна. Эдгээр NGF нь идэвхтэй нэгдлийн давхарга, цэнэгийн тээвэрлэлтийн зам, тунгалаг электрод зэрэг олон функцийг гүйцэтгэдэг15,16. Гэсэн хэдий ч бал чулуун хальс нь жигд биш юм. Эдгээр хоёр шинж чанар нь нарны зайн PCE утгыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг тул бал чулуун электродын хуудасны эсэргүүцэл ба оптик дамжуулалтыг сайтар хянах замаар цаашид оновчлол хийх шаардлагатай15,16. Ерөнхийдөө графен хальс нь харагдах гэрэлд 97.7% тунгалаг байдаг боловч хуудасны эсэргүүцэл нь 200-3000 ом/кв.16 байдаг. Графен хальсны гадаргуугийн эсэргүүцлийг давхаргын тоог нэмэгдүүлэх (графен давхаргыг олон удаа шилжүүлэх) болон HNO3 (~30 Ом/кв.)-аар холих замаар бууруулж болно66. Гэсэн хэдий ч энэ үйл явц удаан хугацаа шаарддаг бөгөөд өөр өөр дамжуулах давхаргууд нь үргэлж сайн холбоо барьдаггүй. Манай урд талын NGF нь дамжуулах чадвар 2000 С/см, хальсан хавтангийн эсэргүүцэл 50 ом/кв, 62% тунгалаг байдал зэрэг шинж чанартай тул нарны зайн дамжуулагч суваг эсвэл эсрэг электродуудад тохиромжтой хувилбар болгож байна15,16.
BS-NGF-ийн бүтэц болон гадаргуугийн химийн найрлага нь FS-NGF-тэй төстэй боловч барзгар чанар нь өөр өөр байдаг ("FS- ба BS-NGF-ийн өсөлт"). Өмнө нь бид хийн мэдрэгч болгон хэт нимгэн хальсан графит22-ыг ашигласан. Тиймээс бид BS-NGF-ийг хийн мэдрэгчийн ажилд ашиглах боломжийг туршиж үзсэн (Зураг SI10). Нэгдүгээрт, BS-NGF-ийн мм2 хэмжээтэй хэсгүүдийг хоорондын электродын мэдрэгчийн чип рүү шилжүүлсэн (Зураг SI10a-c). Чипийн үйлдвэрлэлийн дэлгэрэнгүй мэдээллийг өмнө нь мэдээлсэн; түүний идэвхтэй мэдрэмтгий талбай нь 9 мм267 байна. SEM зургуудад (Зураг SI10b ба c), суурь алтан электрод нь NGF-ээр дамжин тодорхой харагдаж байна. Дахин хэлэхэд бүх дээжинд жигд чипийн бүрхүүл бий болсон нь харагдаж байна. Төрөл бүрийн хийн хийн мэдрэгчийн хэмжилтийг бүртгэсэн (Зураг SI10d) (Зураг SI11) бөгөөд үр дүнгийн хариу урвалын түвшинг Зураг SI10g-д үзүүлэв. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) болон NH3 (200 ppm) зэрэг бусад хөндлөнгийн хийнүүдтэй холбоотой байх магадлалтай. Нэг боломжит шалтгаан нь NO2 юм. Хийн электрофил шинж чанар22,68. Графены гадаргуу дээр шингээхэд энэ нь системийн электронуудын гүйдлийн шингээлтийг бууруулдаг. BS-NGF мэдрэгчийн хариу үйлдлийн хугацааны өгөгдлийг өмнө нь нийтлэгдсэн мэдрэгчтэй харьцуулсан мэдээллийг SI2 хүснэгтэд үзүүлэв. Ил гарсан дээжийг хэт ягаан туяаны плазм, O3 плазм эсвэл дулааны (50–150°C) боловсруулалтаар NGF мэдрэгчийг дахин идэвхжүүлэх механизм үргэлжилж байгаа бөгөөд хамгийн тохиромжтой нь суулгагдсан системийг хэрэгжүүлнэ69.
CVD процессын үед графены өсөлт нь катализаторын суурь хэсгийн хоёр талд явагддаг41. Гэсэн хэдий ч BS-графеныг ихэвчлэн шилжүүлэх процессын үед гаргадаг41. Энэхүү судалгаанд бид катализаторын тулгуур хэсгийн хоёр талд өндөр чанартай NGF өсөлт болон полимергүй NGF дамжуулалтыг хийж болохыг харуулж байна. BS-NGF нь FS-NGF-ээс (~100 нм) нимгэн (~80 нм) бөгөөд энэ ялгааг BS-Ni нь урьдал хийн урсгалд шууд өртдөггүйтэй холбон тайлбарлаж байна. Мөн бид NiAR суурь хэсгийн барзгар байдал нь NGF-ийн барзгар байдалд нөлөөлдөг болохыг тогтоосон. Эдгээр үр дүнгээс харахад ургуулсан хавтгай FS-NGF-ийг графены урьдал материал болгон (гуужуулах аргаар70) эсвэл нарны зайн дамжуулагч суваг болгон ашиглаж болно15,16. Үүний эсрэгээр BS-NGF-ийг хий илрүүлэхэд (Зураг SI9), магадгүй гадаргуугийн барзгар байдал нь ашигтай байх эрчим хүч хадгалах системд71,72 ашиглах болно.
Дээр дурдсаныг харгалзан үзвэл одоогийн ажлыг өмнө нь хэвлэгдсэн CVD болон никель тугалган цаас ашиглан ургуулсан бал чулуун хальстай хослуулах нь ашигтай юм. Хүснэгт 2-т үзүүлсэнчлэн бидний ашигласан өндөр даралт нь харьцангуй бага температурт (850–1300 °C-ийн хүрээнд) ч гэсэн урвалын хугацааг (өсөлтийг) богиносгосон. Бид мөн ердийнхөөс илүү их өсөлтийг бий болгосон нь тэлэх боломжийг харуулж байна. Анхаарах ёстой бусад хүчин зүйлүүд байгаа бөгөөд тэдгээрийн заримыг нь бид хүснэгтэд оруулсан болно.
Хоёр талт өндөр чанартай NGF-ийг никель тугалган цаасан дээр каталитик CVD ашиглан ургуулсан. Уламжлалт полимер субстратыг (жишээлбэл, CVD графенд ашигладаг) арилгаснаар бид NGF-ийг (никель тугалган цаасны ар болон урд талд ургуулсан) янз бүрийн процессын чухал субстрат руу цэвэр, согоггүй нойтон дамжуулалтыг хийдэг. NGF нь зузаан хальсан дээр бүтцийн хувьд сайн нэгтгэгдсэн FLG болон MLG бүс нутгуудыг (ихэвчлэн 100 мкм2 тутамд 0.1% -аас 3% хүртэл) агуулдаг. Хавтгай TEM нь эдгээр бүс нутгууд нь хоёроос гурван графит/графен хэсгүүдийн (тус тус талст эсвэл давхарга) овоолгоос бүрддэг бөгөөд зарим нь 10-20° эргэлтийн зөрүүтэй байдаг болохыг харуулж байна. FLG болон MLG бүс нутгууд нь FS-NGF-ийн харагдах гэрэлд тунгалаг байдлыг хариуцдаг. Арын хуудасны хувьд тэдгээрийг урд хуудастай зэрэгцээ зөөж болох бөгөөд үзүүлсэн шиг функциональ зорилготой байж болно (жишээлбэл, хий илрүүлэх). Эдгээр судалгаанууд нь үйлдвэрлэлийн хэмжээний CVD процесст хаягдал, зардлыг бууруулахад маш их хэрэгтэй байдаг.
Ерөнхийдөө CVD NGF-ийн дундаж зузаан нь (бага ба олон давхаргат) графен болон үйлдвэрлэлийн (микрометрийн) бал чулуун хуудасны хооронд байрладаг. Тэдгээрийн сонирхолтой шинж чанаруудын хүрээ, тэдгээрийг үйлдвэрлэх, тээвэрлэх энгийн аргатай хослуулсан нь эдгээр хальснуудыг одоогоор ашиглагдаж буй эрчим хүч их шаарддаг үйлдвэрлэлийн процессын зардлыг гаргахгүйгээр бал чулуун функциональ хариу урвал шаарддаг хэрэглээнд онцгой тохиромжтой болгодог.
Арилжааны CVD реакторт (Aixtron 4 инчийн BMPro) 25 мкм зузаантай никель тугалган цаас (99.5% цэвэршилттэй, Goodfellow) суурилуулсан. Системийг аргоноор цэвэрлэж, 10-3 мбар суурь даралт хүртэл шахаж гаргасан. Дараа нь никель тугалган цаасыг Ar/H2-д байрлуулсан (Ni тугалган цаасыг 5 минутын турш урьдчилан халаасны дараа тугалган цаасыг 900 °C-д 500 мбар даралтад өртүүлсэн. NGF-ийг CH4/H2 (тус бүр 100 см3) урсгалд 5 минутын турш хадгалсан. Дараа нь дээжийг 40 °C/мин-д Ar урсгал (4000 см3) ашиглан 700 °C-аас доош температурт хөргөсөн. NGF өсөлтийн процессыг оновчтой болгох талаар дэлгэрэнгүй мэдээллийг өөр газар тайлбарласан болно30.
Дээжийн гадаргуугийн морфологийг Zeiss Merlin микроскоп (1 кВ, 50 паА) ашиглан SEM ашиглан дүрсэлсэн. Дээжийн гадаргуугийн барзгар байдал болон NGF зузааныг AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) ашиглан хэмжсэн. Эцсийн үр дүнг авахын тулд TEM болон SAED хэмжилтийг өндөр тод талбайн ялгаруулалтын буу (300 кВ), FEI Wien төрлийн монохроматор болон CEOS линзний бөмбөрцөг хэлбэрийн гажуудлын залруулагчаар тоноглогдсон FEI Titan 80–300 Cubed микроскоп ашиглан гүйцэтгэсэн. Орон зайн нягтрал 0.09 нм. NGF дээжийг хавтгай TEM дүрслэл болон SAED бүтцийн шинжилгээнд зориулж нүүрстөрөгчийн тороор бүрсэн зэс тор руу шилжүүлсэн. Тиймээс дээжийн ихэнх флокууд нь тулгуур мембраны нүх сүвэнд түдгэлзсэн байна. Шилжүүлсэн NGF дээжийг XRD ашиглан шинжилсэн. Рентген дифракцийн хэв маягийг 3 мм-ийн цацрагийн цэгийн диаметртэй Cu цацрагийн эх үүсвэр ашиглан нунтаг дифрактометр (Brucker, Cu Kα эх үүсвэртэй D2 фазын шилжүүлэгч, 1.5418 Å ба LYNXEYE илрүүлэгч) ашиглан олж авсан.
Интегратив конфокал микроскоп (Alpha 300 RA, WITeC) ашиглан хэд хэдэн Раман цэгийн хэмжилтийг тэмдэглэсэн. Дулааны нөлөөллөөс зайлсхийхийн тулд бага өдөөх чадалтай (25%) 532 нм лазер ашигласан. Рентген фотоэлектрон спектроскопи (XPS)-ийг 300 × 700 μм2 дээжийн талбайд Kratos Axis Ultra спектрометр дээр 150 Вт чадалтай монохромат Al Kα цацраг (hν = 1486.6 eV) ашиглан хийсэн. Шийдвэрлэх спектрийг тус тус 160 eV ба 20 eV дамжуулах энерги дээр авсан. SiO2 руу шилжүүлсэн NGF дээжийг 30 Вт-т PLS6MW (1.06 μм) ytterbium шилэн лазер ашиглан хэсэг болгон хуваасан (тус бүр 3 × 10 мм2). Зэс утсан контактуудыг (50 μм зузаантай) оптик микроскопын дор мөнгөн зуурмаг ашиглан хийсэн. Цахилгаан дамжуулалт болон Холлын эффектийн туршилтыг эдгээр дээжинд 300 К температурт болон соронзон орны хэлбэлзэл ± 9 Теслагийн физик шинж чанарын хэмжилтийн системд (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) хийсэн. Дамжуулсан хэт ягаан туяаны спектрийг кварцын суурь болон кварцын лавлагаа дээжинд шилжүүлсэн 350-800 нм NGF мужид Lambda 950 хэт ягаан туяаны спектрофотометр ашиглан бүртгэсэн.
Химийн эсэргүүцлийн мэдрэгч (интернет электродын чип)-ийг захиалгат хэвлэмэл хэлхээний самбар 73-т холбож, эсэргүүцлийг түр зуур гаргаж авсан. Төхөөрөмж байрладаг хэвлэмэл хэлхээний самбарыг холбоо барих терминалуудтай холбож, хийн мэдрэгч камер 74 дотор байрлуулсан. Эсэргүүцлийн хэмжилтийг 1 В хүчдэл дээр цэвэрлэгээнээс хийн нөлөөлөл хүртэл тасралтгүй сканнердаж, дараа нь дахин цэвэрлэсэн. Камерыг анх 200 см3 азотоор 1 цагийн турш цэвэрлэж цэвэрлэсэн бөгөөд ингэснээр камерт байгаа бусад бүх аналитууд, түүний дотор чийгийг зайлуулах боломжтой болсон. Дараа нь тус тусын аналитуудыг N2 цилиндрийг хааж, 200 см3 урсгалын хурдтайгаар камерт аажмаар гаргасан.
Энэ нийтлэлийн шинэчилсэн хувилбарыг нийтэлсэн бөгөөд нийтлэлийн дээд хэсэгт байгаа холбоосоор орж үзэх боломжтой.
Инагаки, М. болон Канг, Ф. Нүүрстөрөгчийн материалын шинжлэх ухаан ба инженерчлэл: Үндэслэлүүд. Хоёр дахь хэвлэлийг засварласан. 2014. 542.
Пирсон, ХО Нүүрстөрөгч, бал чулуу, алмаз ба фуллеренийн гарын авлага: Шинж чанар, боловсруулалт ба хэрэглээ. Эхний хэвлэлийг засварласан. 1994, Нью Жерси.
Цай, В. нар. Том талбайтай олон давхаргат графен/бал чулуун хальсыг тунгалаг нимгэн дамжуулагч электрод болгон ашиглах нь. хэрэглээ. физик. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин АА Графен ба нано бүтэцтэй нүүрстөрөгчийн материалын дулааны шинж чанарууд. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Ченг К.Й., Браун П.В. болон Кахилл Д.Г. Бага температурт химийн уурын тунадасжуулалтаар Ni (111) дээр ургуулсан бал чулуун хальсны дулаан дамжуулалт. дайвар үг. Матт. Интерфэйс 3, 16 (2016).
Хесжедал, Т. Химийн уурын тунадасжуулалтаар графен хальсыг тасралтгүй ургуулах нь. хэрэглээ. физик. Райт. 98(13), 133106(2011).
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 8-р сарын 23