Grazzi talli żort Nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ CSS limitat. Għall-aħjar riżultati, nirrakkomandaw li tuża verżjoni aktar ġdida tal-browser tiegħek (jew tiddiżattiva l-modalità ta 'kompatibilità fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw l-appoġġ kontinwu, qed nuru s-sit mingħajr grafika jew JavaScript.
Films tal-grafita nanoskala (NGFs) huma nanomaterjali robusti li jistgħu jiġu prodotti minn deposizzjoni ta 'fwar kimiku katalitiku, iżda jibqgħu mistoqsijiet dwar il-faċilità ta' trasferiment tagħhom u kif il-morfoloġija tal-wiċċ taffettwa l-użu tagħhom fl-apparati tal-ġenerazzjoni li jmiss. Hawnhekk nirrappurtaw it-tkabbir ta 'NGF fuq iż-żewġ naħat ta' fojl tan-nikil polikristallin (żona 55 cm2, ħxuna ta 'madwar 100 nm) u t-trasferiment ħieles mill-polimeri tiegħu (quddiem u wara, żona sa 6 cm2). Minħabba l-morfoloġija tal-fojl tal-katalist, iż-żewġ films tal-karbonju huma differenti fil-proprjetajiet fiżiċi tagħhom u karatteristiċi oħra (bħall-ħruxija tal-wiċċ). Aħna nuru li NGFs b'lura aktar ħarxa huma adattati tajjeb għall-iskoperta NO2, filwaqt li NGFs aktar bla xkiel u aktar konduttivi fuq in-naħa ta 'quddiem (2000 s / cm, reżistenza tal-folja - 50 ohm / m2) jistgħu jkunu kondutturi vijabbli. kanal jew elettrodu taċ-ċellula solari (peress li jittrasmetti 62% tad-dawl viżibbli). B'mod ġenerali, il-proċessi ta 'tkabbir u trasport deskritti jistgħu jgħinuk tirrealizza NGF bħala materjal alternattiv tal-karbonju għal applikazzjonijiet teknoloġiċi fejn il-grafena u l-films tal-grafita ta' mikron-ħoxnin mhumiex adattati.
Grafita hija materjal industrijali użat ħafna. Notevolment, il-grafita għandha l-proprjetajiet ta 'densità tal-massa relattivament baxxa u konduttività termali u elettrika għolja fil-pjan, u hija stabbli ħafna f'ambjenti termali u kimiċi ħarxa1,2. Flake Graphite huwa materjal tal-bidu magħruf għar-riċerka tal-grafena3. Meta jiġi pproċessat f'film irqiq, jista 'jintuża f'firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet, inklużi bjar tas-sħana għal apparati elettroniċi bħal smartphones4,5,6,7, bħala materjal attiv f'sensuri8,9,10 u għal protezzjoni elettromanjetika ta 'interferenza1111. 12 u films għal-litografija fl-ultraviolet estremi13,14, li jmexxu kanali fiċ-ċelloli solari15,16. Għal dawn l-applikazzjonijiet kollha, ikun vantaġġ sinifikanti jekk żoni kbar ta 'films tal-grafita (NGFs) bi ħxuna kkontrollati fin-nanoskala <100 nm jistgħu jiġu prodotti u trasportati faċilment.
Films tal-grafita huma prodotti minn diversi metodi. F'każ wieħed, l-integrazzjoni u l-espansjoni segwiti minn tqaxxir intużaw biex jipproduċu qxur tal-grafena10,11,17. Il-qxur għandhom jiġu pproċessati aktar f'films tal-ħxuna meħtieġa, u ħafna drabi jieħu diversi jiem biex jipproduċu folji tal-grafita densi. Approċċ ieħor huwa li tibda bi prekursuri solidi grafitabbli. Fl-industrija, il-folji tal-polimeri huma karbonizzati (f'1000-1500 ° C) u mbagħad grafitizzati (fi 2800-3200 ° C) biex jiffurmaw materjali b'saffi strutturati sew. Għalkemm il-kwalità ta 'dawn il-films hija għolja, il-konsum tal-enerġija huwa sinifikanti1,18,19 u l-ħxuna minima hija limitata għal ftit mikrons1,18,19,20.
Id-deposizzjoni tal-fwar kimiku katalitiku (CVD) hija metodu magħruf għall-produzzjoni ta 'films tal-grafena u ultrathin (<10 nm) bi kwalità strutturali għolja u spiża raġonevoli21,22,22,23,24,24,25,25,26,27. Madankollu, meta mqabbel mat-tkabbir tal-grafen u l-ultrathin graphite Films28, tkabbir ta 'żona kbira u / jew applikazzjoni ta' NGF bl-użu ta 'CVD huwa anqas esplorat1111111.13,29,30,30,31,32,33.
Il-films tal-grafena u tal-grafita mkabbra CVD ħafna drabi jeħtieġ li jiġu trasferiti fuq substrati funzjonali34. Dawn it-trasferimenti rqaq tal-films jinvolvu żewġ metodi ewlenin35: (1) trasferiment mhux tal-etch36,37 u (2) trasferiment kimiku mxarrab ibbażat fuq l-etch (appoġġjat mis-sottostrat) 14,34,38. Kull metodu għandu xi vantaġġi u żvantaġġi u għandu jintgħażel skont l-applikazzjoni maħsuba, kif deskritt x'imkien ieħor35,39. Għal films tal-grafena / grafita mkabbra fuq substrati katalitiċi, trasferiment permezz ta 'proċessi kimiċi mxarrbin (li minnhom il-polymethyl metakrilat (PMMA) huwa l-aktar saff ta' appoġġ użat komunement) jibqa 'l-ewwel għażla13,30,30,34,38,40,40,41,42. Int et al. Issemma li l-ebda polimeru ma ntuża għat-trasferiment NGF (daqs tal-kampjun madwar 4 cm2) 25,43, iżda ma ġew ipprovduti l-ebda dettalji dwar l-istabbiltà tal-kampjun u / jew l-immaniġġjar waqt it-trasferiment; Proċessi ta 'kimika mxarrba bl-użu ta' polimeri jikkonsistu f'diversi passi, inkluża l-applikazzjoni u t-tneħħija sussegwenti ta 'saff ta' polimeru ta 'sagrifiċċju30,38,40,41,42. Dan il-proċess għandu żvantaġġi: pereżempju, ir-residwi tal-polimeri jistgħu jbiddlu l-proprjetajiet tal-film imkabbar38. Ipproċessar addizzjonali jista 'jneħħi polimeru residwu, iżda dawn il-passi addizzjonali jżidu l-ispiża u l-ħin tal-produzzjoni tal-films38,40. Matul it-tkabbir tas-CVD, saff ta 'graphene huwa depożitat mhux biss fuq in-naħa ta' quddiem tal-fojl tal-katalist (in-naħa li tiffaċċja l-fluss tal-fwar), iżda wkoll fuq in-naħa ta 'wara. Madankollu, dan tal-aħħar huwa meqjus bħala prodott ta 'skart u jista' jitneħħa malajr minn plażma artab38,41. Ir-riċiklaġġ ta 'dan il-film jista' jgħin biex jimmassimizza r-rendiment, anke jekk huwa ta 'kwalità baxxa minn film tal-karbonju.
Hawnhekk, aħna nirrappurtaw il-preparazzjoni tat-tkabbir bifacial fuq skala tal-wejfer ta 'NGF bi kwalità strutturali għolja fuq fojl tan-nikil polikristallin minn CVD. Ġie vvalutat kif il-ħruxija tal-wiċċ ta 'quddiem u ta' wara tal-fojl taffettwa l-morfoloġija u l-istruttura ta 'NGF. Aħna nuru wkoll trasferiment bla polimeru kosteffikaċi u favur l-ambjent ta 'NGF miż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil fuq substrati multifunzjonali u nuru kif il-films ta' quddiem u ta 'wara huma adattati għal diversi applikazzjonijiet.
It-taqsimiet li ġejjin jiddiskutu ħxuna differenti tal-film tal-grafita skont in-numru ta 'saffi tal-grafena f'munzelli: (i) grafena b'saff wieħed (SLG, 1 saff), (ii) ftit grafen tas-saff (FLG, <10 saffi), (iii) grafena b'ħafna saffi (MLG, 10-30 saffi) u (iv) NGF (~ 300 saffi). Din tal-aħħar hija l-iktar ħxuna komuni espressa bħala perċentwali ta 'żona (madwar 97% żona għal kull 100 µm2) 30. Huwa għalhekk li l-film kollu huwa sempliċement imsejjaħ NGF.
Fuljetti tan-nikil polikristallini użati għas-sintesi tal-films tal-grafena u tal-grafita għandhom nisġa differenti bħala riżultat tal-manifattura tagħhom u l-ipproċessar sussegwenti. Reċentement irrapportajna studju biex jottimizza l-proċess ta 'tkabbir ta' NGF30. Aħna nuru li l-parametri tal-proċess bħall-ħin tal-ittemprar u l-pressjoni tal-kamra matul l-istadju tat-tkabbir għandhom rwol kritiku fil-kisba ta 'NGFs ta' ħxuna uniformi. Hawnhekk, aħna investigajna aktar it-tkabbir ta 'NGF fuq front illustrat (FS) u uċuħ ta' wara (BS) mhux ippolixxjati ta 'fojl tan-nikil (Fig. 1A). Tliet tipi ta 'kampjuni FS u BS ġew eżaminati, elenkati fit-Tabella 1. Malli spezzjoni viżwali, tkabbir uniformi ta' NGF fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil (NIAG) jista 'jidher mill-bidla fil-kulur tas-sottostrat Ni-Bulk Ni minn griż tal-fidda metalliku għal kulur griż matte (Fig. 1A); Il-kejl mikroskopiku ġie kkonfermat (Fig. 1B, C). Spettru Raman tipiku ta 'FS-NGF osservat fir-reġjun qawwi u indikat minn vleġeġ ħomor, blu u oranġjo fil-Figura 1B huwa muri fil-Figura 1C. Il-qċaċet karatteristiċi ta 'Raman tal-grafita G (1683 cm - 1) u 2D (2696 cm - 1) jikkonfermaw it-tkabbir ta' NGF kristallin ħafna (Fig. 1C, Tabella SI1). Matul il-film, ġiet osservata predominanza ta 'spettri Raman bi proporzjon ta' intensità (I2D / Ig) ~ 0.3, filwaqt li l-ispettri Raman b'I2D / Ig = 0.8 rarament kienu osservati. In-nuqqas ta 'qċaċet difettużi (d = 1350 cm-1) fil-film kollu jindika l-kwalità għolja tat-tkabbir tal-NGF. Riżultati simili Raman ġew miksuba fuq il-kampjun BS-NGF (Figura SI1 A u B, Tabella SI1).
Tqabbil ta 'NIAG FS- u BS-NGF: (a) Ritratt ta' kampjun tipiku ta 'NGF (NIAG) li juri tkabbir ta' NGF fuq skala tal-wejfer (55 cm2) u l-kampjuni tal-foil BS- u FS-NI li jirriżultaw, (b) Images FS-NGF / Ni miksuba minn mikroskopju ottiku, (C) Spettra Raman. f'ingrandimenti differenti fuq l-immaġini FS-NGF / NI, (E, G) SEM f'settijiet ta 'ingrandimenti differenti BS -NGF / NI. Il-vleġġa blu tindika r-reġjun FLG, il-vleġġa oranġjo tindika r-reġjun MLG (ħdejn ir-reġjun FLG), il-vleġġa ħamra tindika r-reġjun NGF, u l-vleġġa Magenta tindika l-darbiet.
Peress li t-tkabbir jiddependi fuq il-ħxuna tas-sottostrat inizjali, id-daqs tal-kristall, l-orjentazzjoni, u l-konfini tal-qamħ, il-kisba ta 'kontroll raġonevoli tal-ħxuna NGF fuq żoni kbar tibqa' sfida20,34,44. Dan l-istudju uża kontenut li aħna ppubblikajna qabel30. Dan il-proċess jipproduċi reġjun qawwi ta '0.1 sa 3% kull 100 µm230. Fit-taqsimiet li ġejjin, nippreżentaw riżultati għaż-żewġ tipi ta 'reġjuni. Immaġini SEM ta 'ingrandiment għoli juru l-preżenza ta' diversi żoni ta 'kuntrast qawwi fuq iż-żewġ naħat (Fig. 1F, G), li jindikaw il-preżenza ta' reġjuni FLG u MLG30,45. Dan kien ikkonfermat ukoll mit-tifrix ta 'Raman (Fig. 1C) u r-riżultati TEM (diskussi aktar tard fit-taqsima "FS-NGF: Struttura u Propjetajiet"). Ir-reġjuni FLG u MLG osservati fuq kampjuni FS- u BS-NGF / Ni (NGF ta 'quddiem u ta' wara mkabbra fuq Ni) setgħu kibru fuq ħbub kbar ta 'Ni (111) iffurmati waqt l-annessi ta' qabel22,30,30. It-tiwi ġie osservat fuq iż-żewġ naħat (Fig. 1b, immarkat bi vleġeġ vjola). Dawn il-folds spiss jinstabu fil-films tal-grafena u tal-grafita mkabbra CVD minħabba d-differenza kbira fil-koeffiċjent ta 'espansjoni termali bejn il-grafita u s-substrat tan-nikil30,38.
L-immaġni AFM ikkonfermat li l-kampjun FS-NGF kien aktar ċatt mill-kampjun BS-NGF (Figura SI1) (Figura SI2). Il-valuri tal-ħruxija tal-kwadru medju tal-għerq (RMS) ta 'FS-NGF / Ni (Fig. SI2C) u BS-NGF / NI (Fig. SI2D) huma 82 u 200 nM, rispettivament (imkejla fuq erja ta '20 × 20 μm2). L-ogħla ħruxija tista 'tinftiehem ibbażata fuq l-analiżi tal-wiċċ tal-fojl tan-nikil (NIAR) fl-istat li rċevejt (Figura SI3). L-immaġini SEM ta 'FS u BS-NIAR huma murija fil-Figuri Si3a-D, li juru morfoloġiji tal-wiċċ differenti: il-fojl FS-NI illustrat għandu partiċelli sferiċi ta' daqs nano- u mikron, filwaqt li l-fojl BS-NI mhux ippolixxjat juri sellum ta 'produzzjoni. bħala partiċelli b'qawwa għolja. u jonqos. Immaġini b'riżoluzzjoni baxxa u għolja ta 'fojl tan-nikil ittemprat (NIA) huma murija fil-Figura SI3E - H. F'dawn iċ-ċifri, nistgħu nosservaw il-preżenza ta 'bosta partiċelli ta' nikil ta 'daqs mikron fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil (Fig. Si3e - H). Ħbub kbar jista 'jkollhom orjentazzjoni tal-wiċċ Ni (111), kif ġie rrappurtat qabel30,46. Hemm differenzi sinifikanti fil-morfoloġija tal-fojl tan-nikil bejn FS-NA u BS-NA. L-ogħla ħruxija ta 'BS-NGF / Ni hija dovuta għall-wiċċ mhux ippolixxjat ta' BS-NIAR, li l-wiċċ tiegħu jibqa 'mhux maħdum b'mod sinifikanti anke wara l-ittemprar (Figura SI3). Dan it-tip ta 'karatterizzazzjoni tal-wiċċ qabel il-proċess ta' tkabbir jippermetti li l-ħruxija tal-films tal-grafena u tal-grafita tiġi kkontrollata. Għandu jkun innutat li s-sottostrat oriġinali għadda minn xi riorganizzazzjoni tal-qamħ waqt it-tkabbir tal-grafena, li naqas ftit id-daqs tal-qamħ u kemmxejn żied il-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat meta mqabbel mal-fojl ittemprat u l-katalist film22.
Irfinar tal-ħruxija tal-wiċċ tas-substrat, ħin ta 'ttremprar (daqs tal-qamħ) 30,47 u rilaxx ta' kontroll43 jgħin biex titnaqqas l-uniformità reġjonali tal-ħxuna NGF għall-iskala µM2 u / jew saħansitra NM2 (jiġifieri, varjazzjonijiet ta 'ħxuna ta' ftit nanometri). Biex tikkontrolla l-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat, jistgħu jitqiesu metodi bħall-illustrar elettrolitiku tal-fojl tan-nikil li jirriżulta48. Il-fojl tan-nikil trattat minn qabel jista 'mbagħad jiġi ttemprat f'temperatura aktar baxxa (<900 ° C) 46 u ħin (<5 min) biex tevita l-formazzjoni ta' ħbub kbar ta 'Ni (111) (li hija ta' benefiċċju għat-tkabbir FLG).
SLG u FLG Graphene ma jistgħux jifilħu t-tensjoni tal-wiċċ ta 'l-aċidi u l-ilma, li jeħtieġu saffi ta' appoġġ mekkaniku waqt proċessi ta 'trasferiment kimiku mxarrab22, 34,38. B'kuntrast mat-trasferiment kimiku mxarrab ta 'graphene38 b'saff wieħed appoġġjat mill-polimeru, sibna li ż-żewġ naħat tan-NGF kif imkabbar jistgħu jiġu trasferiti mingħajr appoġġ tal-polimeri, kif muri fil-Figura 2A (ara l-Figura SI4A għal aktar dettalji). It-trasferiment ta 'NGF għal sottostrat partikolari jibda bl-inċiżjoni mxarrba tal-film NI30.49 sottostanti. Il-kampjuni NGF / Ni / NGF imkabbra tqiegħdu matul il-lejl fi 15 ml ta '70% HNO3 dilwit b'600 ml ta 'ilma dejonizzat (DI). Wara li l-fojl Ni jinħall kompletament, l-FS-NGF jibqa 'ċatt u jitla' fuq il-wiċċ tal-likwidu, l-istess bħall-kampjun NGF / Ni / NGF, filwaqt li BS-NGF huwa mgħaddas fl-ilma (Fig. 2A, B). L-NGF iżolat imbagħad ġie trasferit minn beaker wieħed li fih ilma dejonizzat frisk għal beaker ieħor u l-NGF iżolat kien maħsul sewwa, li jirrepeti erba 'sa sitt darbiet permezz tad-dixx tal-ħġieġ konkavi. Fl-aħħarnett, FS-NGF u BS-NGF tqiegħdu fuq is-sottostrat mixtieq (Fig. 2C).
Proċess ta 'trasferiment kimiku mxarrab mingħajr polimeru għal NGF imkabbar fuq fojl tan-nikil: (a) Dijagramma tal-fluss tal-proċess (ara l-Figura SI4 għal aktar dettalji), (b) Ritratt diġitali ta' NGF separati wara l-inċiżjoni Ni (2 kampjuni), (c) Eżempju FS - u BS-NGF għat-trasferiment ta 'SIO2 / SI għal substrat ta' Sio2 / SI, (D) FS-NGF trasferiment ta 'polimeri, e) BS-NGF mill-istess kampjun bħal Panel D (maqsum f'żewġ partijiet), trasferit għal karta C miksi bid-deheb u Nafion (sottostrat trasparenti flessibbli, truf immarkati bil-kantunieri ħomor).
Innota li t-trasferiment SLG imwettaq bl-użu ta 'metodi ta' trasferiment kimiku mxarrab jirrikjedi ħin ta 'proċessar totali ta' 20-24 siegħa 38. Bit-teknika tat-trasferiment ħielsa mill-polimeri murija hawn (Figura SI4A), il-ħin ġenerali tal-ipproċessar tat-trasferiment NGF jitnaqqas b'mod sinifikanti (madwar 15-il siegħa). Il-proċess jikkonsisti minn: (Pass 1) Ipprepara soluzzjoni ta 'inċiżjoni u poġġi l-kampjun fiha (~ 10 minuti), imbagħad stenna matul il-lejl għall-inċiżjoni Ni (~ 7200 minuta), (pass 2) tlaħlaħ b'ilma dejonizzat (pass - 3). Aħżen f'ilma dejonizzat jew trasferiment għal sottostrat fil-mira (20 min). L-ilma maqbud bejn l-NGF u l-matriċi tal-massa jitneħħa permezz ta 'azzjoni kapillari (bl-użu ta' karta tat-tifrik) 38, allura l-qtar tal-ilma li jifdal jitneħħa permezz ta 'tnixxif naturali (madwar 30 minuta), u fl-aħħar il-kampjun jitnixxef għal 10 min. Min f'forn vakwu (10–1 mbar) f'50-90 ° C (60 min) 38.
Il-grafita hija magħrufa li tiflaħ għall-preżenza ta 'ilma u arja f'temperaturi pjuttost għoljin (≥ 200 ° C) 50,51,52. Aħna ttestjaw kampjuni bl-użu ta 'spettroskopija Raman, SEM, u XRD wara l-ħażna f'ilma dejonizzat f'temperatura tal-kamra u fi fliexken issiġillati għal kullimkien minn ftit jiem sa sena (Figura SI4). M'hemm l-ebda degradazzjoni notevoli. Il-Figura 2C turi FS-NGF u BS-NGF stand-free f'ilma dejonizzat. Aħna qabduhom fuq sottostrat SiO2 (300 nm) / Si, kif muri fil-bidu tal-Figura 2C. Barra minn hekk, kif muri fil-Figura 2D, E, NGF kontinwu jista 'jiġi trasferit għal diversi substrati bħal polimeri (polyamide termabright minn Nexolve u Nafion) u karta tal-karbonju miksija bid-deheb. L-FS-NGF f'wiċċ l-ilma tqiegħed faċilment fuq is-sottostrat fil-mira (Fig. 2C, D). Madankollu, kampjuni BS-NGF ikbar minn 3 cm2 kienu diffiċli biex jimmaniġġjaw meta jkunu mgħaddsa kompletament fl-ilma. Normalment, meta jibdew jduru fl-ilma, minħabba l-immaniġġjar Ŝejjed huma xi kultant jidħlu f'żewġ jew tliet partijiet (Fig. 2E). B'mod ġenerali, stajna niksbu trasferiment ħieles mill-polimeri ta 'PS- u BS-NGF (trasferiment kontinwu mingħajr saldatura mingħajr tkabbir NGF / Ni / NGF f'6 cm2) għal kampjuni sa 6 u 3 cm2 fiż-żona, rispettivament. Kwalunkwe biċċiet kbar jew żgħar li fadal jistgħu jidhru (faċilment fis-soluzzjoni tal-inċiżjoni jew ilma dejonizzat) fuq is-sottostrat mixtieq (~ 1 mm2, Figura Si4b, ara kampjun trasferit għal grilja tar-ram bħal f '"FS-NGF: struttura u proprjetajiet (diskussi) taħt" struttura u proprjetajiet ") jew maħżen għal użu futur (Figura SI4). 98-99% (wara t-tkabbir għat-trasferiment).
Kampjuni ta 'trasferiment mingħajr polimeru ġew analizzati fid-dettall. Karatteristiċi morfoloġiċi tal-wiċċ miksuba fuq FS- u BS-NGF / SiO2 / SI (Fig. 2C) bl-użu ta 'mikroskopija ottika (OM) u immaġini SEM (Fig. SI5 u Fig. 3) urew li dawn il-kampjuni ġew trasferiti mingħajr mikroskopija. Ħsara strutturali viżibbli bħal xquq, toqob, jew żoni mhux imqaxxra. Il-jingħalaq fuq l-NGF li qed jikber (Fig. 3B, D, immarkat minn vleġeġ vjola) baqgħu intatti wara t-trasferiment. Kemm FS- kif ukoll BS-NGFs huma magħmula minn reġjuni FLG (reġjuni brillanti indikati minn vleġeġ blu fil-Figura 3). B'mod sorprendenti, b'kuntrast mal-ftit reġjuni bil-ħsara li tipikament jiġu osservati waqt it-trasferiment tal-polimeri ta 'films tal-grafita ultrathin, diversi reġjuni FLG u MLG ta' daqs mikron li jgħaqqdu mal-NGF (immarkati minn vleġeġ blu fil-Figura 3D) ġew trasferiti mingħajr xquq jew pawżi (Figura 3D). 3). - L-integrità mekkanika ġiet ikkonfermata aktar bl-użu ta 'immaġini TEM u SEM ta' NGF trasferiti fuq grilji tar-ram tal-karbonju tal-bizzilla, kif diskuss aktar tard ("FS-NGF: Struttura u Propjetajiet"). Il-BS-NGF / SiO2 / SI trasferiti huwa aktar iebes minn FS-NGF / SiO2 / SI b'valuri RMS ta '140 nM u 17 nM, rispettivament, kif muri fil-Figura Si6a u B (20 × 20 μm2). Il-valur RMS ta 'NGF trasferit fuq is-sottostrat SiO2 / Si (RMS <2 nm) huwa sinifikament aktar baxx (madwar 3 darbiet) minn dak ta' NGF imkabbar fuq Ni (Figura SI2), li jindika li l-ħruxija addizzjonali tista 'tikkorrispondi mal-wiċċ Ni. Barra minn hekk, immaġini AFM imwettqa fit-truf ta 'kampjuni FS- u BS-NGF / SiO2 / Si urew ħxuna NGF ta' 100 u 80 nm, rispettivament (Fig. SI7). Il-ħxuna iżgħar ta 'BS-NGF tista' tkun riżultat tal-wiċċ li ma tkunx esposta direttament għall-gass prekursur.
NGF trasferit (NIAG) mingħajr polimeru fuq wejfer SiO2 / Si (ara l-Figura 2C): (a, b) immaġini SEM ta 'FS-NGF trasferiti: ingrandiment baxx u għoli (li jikkorrispondi għall-kwadru oranġjo fil-pannell). Żoni tipiċi) - a). (C, D) Immaġini SEM ta 'BS-NGF trasferit: ingrandiment baxx u għoli (li jikkorrispondi għaż-żona tipika murija mill-kwadru oranġjo fil-pannell C). (e, f) Immaġini AFM ta 'FS- u BS-NGFs trasferiti. Il-vleġġa blu tirrappreżenta r-reġjun FLG - kuntrast qawwi, vleġġa taċ-ċjan - kuntrast MLG iswed, vleġġa ħamra - kuntrast iswed jirrappreżenta r-reġjun NGF, il-vleġġa Magenta tirrappreżenta l-tinja.
Il-kompożizzjoni kimika tal-FS- u BS-NGFs imkabbra u trasferita ġiet analizzata permezz ta 'spettroskopija ta' fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) (Fig. 4). Ġie osservat quċċata dgħajfa fl-ispettri mkejla (Fig. 4a, b), li tikkorrispondi għas-sottostrat Ni (850 eV) tal-FS- u BS-NGFs imkabbra (NIAG). M'hemm l-ebda qċaċet fl-ispettri mkejla ta 'FS- u BS-NGF / SiO2 / SI trasferiti (Fig. 4C; riżultati simili għal BS-NGF / SiO2 / SI mhumiex murija), li jindika li m'hemm l-ebda kontaminazzjoni residwa ta' Ni wara t-trasferiment. Figuri 4D - F juru l-ispettri b'riżoluzzjoni għolja tal-livelli ta 'enerġija C 1 S, O 1 S u Si 2P ta' FS-NGF / SiO2 / SI. L-enerġija li torbot ta 'c 1 s ta' grafita hija 284.4 EV53.54. Il-forma lineari tal-qċaċet tal-grafita hija ġeneralment ikkunsidrata bħala asimmetrika, kif muri fil-Figura 4D54. L-ispettru C 1 S ta 'livell għoli ta' riżoluzzjoni (Fig. 4D) ikkonferma wkoll trasferiment pur (jiġifieri, l-ebda residwi ta 'polimeri), li huwa konsistenti ma' studji preċedenti38. Il-wisa 'tal-linja ta' l-ispettri C 1 S tal-kampjun imkabbar ġdid (NIAG) u wara t-trasferiment huma 0.55 u 0.62 eV, rispettivament. Dawn il-valuri huma ogħla minn dawk ta 'SLG (0.49 eV għal SLG fuq sottostrat SiO2) 38. Madankollu, dawn il-valuri huma iżgħar mill-wisa 'tal-linja rrappurtati qabel għal kampjuni tal-grafena pirolitika orjentati ħafna (~ 0.75 eV) 53,54,55, li jindikaw in-nuqqas ta' siti tal-karbonju difettużi fil-materjal attwali. L-ispettri tal-livell tal-art C 1 S u O 1 s għandhom ukoll l-ispallejn, u jeliminaw il-ħtieġa għal dekonvoluzzjoni tal-quċċata ta 'riżoluzzjoni għolja54. Hemm quċċata tas-satellita π → π * madwar 291.1 eV, li ħafna drabi hija osservata f'kampjuni tal-grafita. Is-sinjali ta '103 EV u 532.5 EV fl-ispettri tal-livell tal-qalba Si 2P u O 1 S (ara Fig. 4e, f) huma attribwiti għas-sottostrat SiO2 56, rispettivament. XPS hija teknika sensittiva għall-wiċċ, u għalhekk is-sinjali li jikkorrispondu għal Ni u SiO2 misjuba qabel u wara t-trasferiment ta 'NGF, rispettivament, huma preżunti li joriġinaw mir-reġjun FLG. Riżultati simili ġew osservati għal kampjuni BS-NGF trasferiti (mhux murija).
Riżultati NIAG XPS: (AC) Spettri ta 'stħarriġ ta' kompożizzjonijiet atomiċi elementali differenti ta 'FS-NGF / NI mkabbra, BS-NGF / NI u trasferiti FS-NGF / SiO2 / SI, rispettivament. Spettri b'riżoluzzjoni għolja (D - F) tal-livelli tal-qalba C 1 s, O 1S u Si 2P tal-kampjun FS-NGF / SiO2 / Si.
Il-kwalità ġenerali tal-kristalli NGF trasferiti ġiet ivvalutata bl-użu ta 'diffrazzjoni tar-raġġi X (XRD). Xejriet XRD tipiċi (Fig. SI8) ta 'FS- u BS-NGF / SiO2 / SI trasferiti juru l-preżenza ta' qċaċet ta 'diffrazzjoni (0 0 0 2) u (0 0 0 4) f'26.6 ° u 54.7 °, simili għal grafita. - Dan jikkonferma l-kwalità għolja kristallina ta 'NGF u tikkorrispondi għal distanza ta' bejn is-saffi ta 'd = 0.335 nm, li tinżamm wara l-pass tat-trasferiment. L-intensità tal-quċċata tad-diffrazzjoni (0 0 0 2) hija madwar 30 darba dik tal-quċċata tad-diffrazzjoni (0 0 0 4), li tindika li l-pjan tal-kristall NGF huwa allinjat sew mal-wiċċ tal-kampjun.
Skond ir-riżultati ta 'SEM, l-ispettroskopija Raman, XPS u XRD, il-kwalità ta' BS-NGF / Ni nstab li kienet l-istess bħal dik ta 'FS-NGF / NI, għalkemm il-ħruxija RMS tagħha kienet kemmxejn ogħla (Figuri SI2, SI5, SI5) u SI7).
L-SLGs b'saffi ta 'appoġġ tal-polimeri sa 200 nm ħoxnin jistgħu jżommu fuq l-ilma. Din is-setup hija komunement użata fi proċessi ta 'trasferiment kimiku mxarrab assistit mill-polimeru22,38. Il-grafena u l-grafita huma idrofobiċi (angolu mxarrab 80-90 °) 57. L-uċuħ potenzjali tal-enerġija kemm tal-grafena kif ukoll tal-FLG ġew irrappurtati li huma pjuttost ċatti, b'enerġija potenzjali baxxa (~ 1 kJ / mol) għall-moviment laterali ta 'l-ilma fil-wiċċ58. Madankollu, l-enerġiji ta 'interazzjoni kkalkulati ta' l-ilma bil-grafena u tliet saffi ta 'grafena huma bejn wieħed u ieħor - 13 u - 15 kJ / mol, 58 rispettivament, li jindikaw li l-interazzjoni ta' l-ilma ma 'NGF (madwar 300 saff) hija inqas meta mqabbla mal-grafena. Din tista 'tkun waħda mir-raġunijiet għala NGF freestanding jibqa' ċatt fuq il-wiċċ ta 'l-ilma, filwaqt li l-grafena freestanding (li floats fl-ilma) titbaxxa u tkisser. Meta NGF ikun mgħaddas kompletament fl-ilma (ir-riżultati huma l-istess għal NGF mhux maħduma u ċatti), it-truf tagħha jitgħawġu (Figura SI4). Fil-każ ta 'immersjoni kompluta, huwa mistenni li l-enerġija ta' interazzjoni NGF-Water tkun kważi rduppjata (meta mqabbel ma 'NGF f'wiċċ l-ilma) u li t-truf ta' l-NGF darbiet biex iżommu angolu ta 'kuntatt għoli (idrofobiċità). Aħna nemmnu li l-istrateġiji jistgħu jiġu żviluppati biex tevita l-ħdejjed tat-truf ta 'NGFs inkorporati. Approċċ wieħed huwa li tuża solventi mħallta biex timmodula r-reazzjoni tat-tixrib tal-film tal-grafita59.
It-trasferiment ta 'SLG għal diversi tipi ta' substrati permezz ta 'proċessi ta' trasferiment kimiku mxarrab ġie rrappurtat qabel. Huwa ġeneralment aċċettat li l-forzi dgħajfa ta 'van der Waals jeżistu bejn films tal-grafena / grafita u substrati (kemm jekk ikunu substrati riġidi bħal SiO2 / SI38,41,41,46,60, SIC38, AU42, SI Pilaster22 u Lacy Carbon Films30, 34 jew substrati flessibbli bħal Polyimide 37). Hawnhekk nassumu li l-interazzjonijiet tal-istess tip jiddominaw. Aħna ma osservajna l-ebda ħsara jew tqaxxir ta 'NGF għal xi waħda mis-substrati ppreżentati hawn waqt l-immaniġġjar mekkaniku (waqt il-karatterizzazzjoni taħt kondizzjonijiet vakwu u / jew atmosferiċi jew waqt il-ħażna) (eż., Figura 2, SI7 u Si9). Barra minn hekk, ma osservajna l-quċċata SiC fl-ispettru XPS C 1 S tal-livell tal-qalba tal-kampjun NGF / SiO2 / Si (Fig. 4). Dawn ir-riżultati jindikaw li m'hemm l-ebda rabta kimika bejn NGF u s-sottostrat fil-mira.
Fit-taqsima preċedenti, "trasferiment ħieles mill-polimeri ta 'FS- u BS-NGF," urejna li NGF jista' jikber u jittrasferixxi fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil. Dawn l-FS-NGFs u BS-NGFs mhumiex identiċi f'termini ta 'ħruxija tal-wiċċ, li wasslitna biex nesploraw l-aktar applikazzjonijiet xierqa għal kull tip.
Meta wieħed iqis it-trasparenza u l-wiċċ lixx ta 'FS-NGF, studjajna l-istruttura lokali, il-proprjetajiet ottiċi u elettriċi tagħha f'aktar dettall. L-istruttura u l-istruttura ta 'FS-NGF mingħajr trasferiment ta' polimeri kienu kkaratterizzati minn immaġini ta 'mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni (TEM) u analiżi tal-mudell ta 'diffrazzjoni ta' elettroni taż-żona (SAED). Ir-riżultati korrispondenti huma murija fil-Figura 5. L-immaġni ta 'ingrandiment baxx ta' l-immaġini Planari żvelaw il-preżenza ta 'reġjuni NGF u FLG b'karatteristiċi ta' kuntrast ta 'elettroni differenti, jiġifieri żoni iktar skuri u isbaħ, rispettivament (Fig. 5A). Il-film b’mod ġenerali juri integrità mekkanika tajba u stabbiltà bejn ir-reġjuni differenti ta ’NGF u FLG, b’kovernap tajjeb u l-ebda ħsara jew tiċrit, li kienet ikkonfermata wkoll minn SEM (Figura 3) u studji TEM ta’ ingrandiment għoli (Figura 5C-E). B'mod partikolari, fil-Fig. Il-Figura 5D turi l-istruttura tal-pont fl-akbar parti tagħha (il-pożizzjoni mmarkata mill-vleġġa bit-tikek sewda fil-Figura 5d), li hija kkaratterizzata minn forma trijangulari u tikkonsisti minn saff tal-grafena b'wisa 'ta' madwar 51. Il-kompożizzjoni bi spazjar interplanar ta '0.33 ± 0.01 nm hija mnaqqsa aktar għal diversi saffi ta' grafena fir-reġjun l-iktar dejqa (tarf tal-vleġġa sewda solida fil-Figura 5 d).
Immaġni tat-TEM planari ta 'kampjun NIAG ħieles mill-polimeru fuq grilja tar-ram tal-lacy tal-karbonju: (a, b) immaġini ta' ingrandiment baxx inklużi reġjuni NGF u FLG, (CE) immaġini ta 'ingrandiment għoli ta' diversi reġjuni fil-pannell-A u l-pannell-B huma vleġeġ immarkati ta 'l-istess kulur. Il-vleġeġ ħodor fil-pannelli A u C jindikaw żoni ċirkulari ta ’ħsara waqt l-allinjament tar-raġġ. (F - I) Fil-pannelli A sa C, xejriet SAED f'reġjuni differenti huma indikati minn ċrieki blu, cyan, oranġjo u aħmar, rispettivament.
L-istruttura taż-żigarella fil-Figura 5C turi (immarkata bil-vleġġa ħamra) l-orjentazzjoni vertikali tal-pjanijiet tal-kannizzata tal-grafita, li tista 'tkun dovuta għall-formazzjoni ta' nanofolds tul il-film (inserit fil-Figura 5C) minħabba żejjed stress mhux ikkumpensat ta 'shear30,61,62. Taħt TEM b'riżoluzzjoni għolja, dawn in-nanofolds 30 juru orjentazzjoni kristallografika differenti mill-bqija tar-reġjun NGF; L-ajruplani bażali tal-kannizzata tal-grafita huma orjentati kważi vertikalment, aktar milli orizzontalment bħall-bqija tal-film (inserit fil-Figura 5C). Bl-istess mod, ir-reġjun FLG kultant juri jingħalaq lineari u dejqa bħal faxxa (immarkati minn vleġeġ blu), li jidhru f'ingrandiment baxx u medju fil-Figuri 5B, 5E, rispettivament. L-inserzjoni fil-Figura 5E tikkonferma l-preżenza ta 'saffi tal-grafena b'żewġ saffi fis-settur FLG (distanza interplanari 0.33 ± 0.01 nm), li hija fi qbil tajjeb mar-riżultati preċedenti tagħna30. Barra minn hekk, immaġini SEM irreġistrati ta 'NGF ħielsa mill-polimeri trasferiti fuq grilji tar-ram b'film tal-karbonju lacy (wara li jwettqu kejl TEM top-view) huma murija fil-Figura SI9. Ir-reġjun FLG sospiż tajjeb (immarkat bil-vleġġa blu) u r-reġjun miksur fil-Figura SI9F. Il-vleġġa blu (fit-tarf tal-NGF trasferit) hija intenzjonalment ippreżentata biex turi li r-reġjun FLG jista 'jirreżisti l-proċess ta' trasferiment mingħajr polimeru. Fil-qosor, dawn l-immaġini jikkonfermaw li NGF parzjalment sospiż (inkluż ir-reġjun FLG) iżomm l-integrità mekkanika anke wara l-immaniġġjar rigoruż u l-esponiment għal vakwu għoli waqt il-kejl TEM u SEM (Figura SI9).
Minħabba l-flatness eċċellenti ta 'NGF (ara l-Figura 5A), mhuwiex diffiċli li wieħed jorjenta l-qxur tul l-assi tad-dominju [0001] biex tanalizza l-istruttura SAED. Jiddependi fuq il-ħxuna lokali tal-film u l-lok tiegħu, diversi reġjuni ta 'interess (12-il punt) ġew identifikati għal studji ta' diffrazzjoni ta 'l-elettroni. Fil-Figuri 5A - C, erbgħa minn dawn ir-reġjuni tipiċi huma murija u mmarkati b'ċirku kkuluriti (blu, cyan, oranġjo u kodifikati ħomor). Figuri 2 u 3 għall-modalità SAED. Figuri 5F u G kienu miksuba mir-reġjun FLG muri fil-Figuri 5 u 5. Kif muri fil-Figuri 5B u C, rispettivament. Huma għandhom struttura eżagonali simili għal graphene63 mibrum. B'mod partikolari, il-Figura 5F turi tliet mudelli sovrapposti bl-istess orjentazzjoni tal-assi taż-żona [0001], imdawra b'10 ° u 20 °, kif jidher mit-tfixkil angolari tat-tliet pari ta 'riflessjonijiet (10-10). Bl-istess mod, il-Figura 5G turi żewġ mudelli eżagonali sovrapposti mdawra b'20 °. Żewġ jew tliet gruppi ta 'mudelli eżagonali fir-reġjun FLG jistgħu jinħolqu minn tliet saffi tal-grafena fil-pjan jew barra mill-pjan 33 imdawwar relattivament ma' xulxin. B'kuntrast, ix-xejriet ta 'diffrazzjoni ta' l-elettroni fil-Figura 5H, I (li jikkorrispondu għar-reġjun NGF muri fil-Figura 5A) juru disinn wieħed [0001] b'intensità ġenerali ta 'diffrazzjoni ta' punt ogħla, li tikkorrispondi għal ħxuna ta 'materjal akbar. Dawn il-mudelli SAED jikkorrispondu għal struttura grafika eħxen u orjentazzjoni intermedja minn FLG, kif inferit mill-indiċi 64. Il-karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet kristallini ta 'NGF żvelat il-koeżistenza ta' żewġ jew tliet kristalliti tal-grafita (jew graphene) sovrapposti. Dak li huwa partikolarment ta 'min jinnota fir-reġjun FLG huwa li l-kristalli għandhom ċertu grad ta' misorjentazzjoni fil-pjan jew barra mill-pjan. Partiċelli / saffi tal-grafita b'angoli ta 'rotazzjoni fil-pjan ta' 17 °, 22 ° u 25 ° ġew irrappurtati qabel għal NGF imkabbar fuq films Ni 64. Il-valuri ta 'l-angolu ta' rotazzjoni osservati f'dan l-istudju huma konsistenti ma 'angoli ta' rotazzjoni osservati qabel (± 1 °) għall-grafena Blg63 mibruma.
Il-proprjetajiet elettriċi ta 'NGF / SiO2 / Si ġew imkejla f'300 K fuq erja ta' 10 × 3 mm2. Il-valuri tal-konċentrazzjoni, il-mobilità u l-konduttività tat-trasportatur tal-elettroni huma 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 u 2000 S-CM-1, rispettivament. Il-valuri tal-mobilità u l-konduttività tal-NGF tagħna huma simili għal grafita naturali2 u ogħla minn grafita pirolitika orjentata ħafna kummerċjalment (prodotta fi 3000 ° C) 29. Il-valuri ta 'konċentrazzjoni ta' trasportatur ta 'l-elettroni osservati huma żewġ ordnijiet ta' kobor ogħla minn dawk irrappurtati reċentement (7.25 × 10 cm-3) għal films tal-grafita ta 'mikron-oħxon ippreparati bl-użu ta' folji tal-polyimide b'temperatura għolja (3200 ° C) 20.
Aħna wettaq ukoll kejl ta 'trasmittanza viżibbli mill-UV fuq FS-NGF trasferit għal substrati tal-kwarz (Figura 6). L-ispettru li jirriżulta juri trasmittanza kważi kostanti ta '62% fil-medda 350-800 nm, li jindika li NGF huwa trasluċenti għal dawl viżibbli. Fil-fatt, l-isem "Kaust" jista 'jidher fir-ritratt diġitali tal-kampjun fil-Figura 6B. Għalkemm l-istruttura nanokristallina ta 'NGF hija differenti minn dik ta' SLG, in-numru ta 'saffi jista' jiġi stmat bejn wieħed u ieħor bl-użu tar-regola ta '2.3% telf ta' trasmissjoni għal kull saff addizzjonali65. Skond din ir-relazzjoni, in-numru ta 'saffi tal-grafena b'telf ta' trasmissjoni ta '38% huwa 21. L-NGF imkabbar jikkonsisti prinċipalment minn 300 saffi tal-grafena, jiġifieri madwar 100 nm ħoxnin (Fig. 1, SI5 u SI7). Għalhekk, aħna nassumu li t-trasparenza ottika osservata tikkorrispondi għar-reġjuni FLG u MLG, peress li huma mqassma matul il-film (Fig. 1, 3, 5 u 6C). Minbarra d-dejta strutturali ta 'hawn fuq, il-konduttività u t-trasparenza jikkonfermaw ukoll il-kwalità kristallina għolja tal-NGF trasferit.
(a) Kejl ta 'trasmittanza viżibbli mill-UV, (b) Trasferiment tipiku ta' NGF fuq kwarz bl-użu ta 'kampjun rappreżentattiv. (c) Skema ta 'NGF (kaxxa skura) b'reġjuni FLG u MLG imqassma b'mod uniformi mmarkati bħala forom każwali griżi matul il-kampjun (ara l-Figura 1) (madwar 0.1-3% żona għal kull 100 μm2). Il-forom bl-addoċċ u d-daqsijiet tagħhom fid-dijagramma huma għal skopijiet illustrattivi biss u ma jikkorrispondux għal żoni attwali.
NGF trasluċenti mkabbar minn CVD qabel ġie trasferit għal uċuħ tas-silikon vojta u użat fiċ-ċelloli solari15,16. L-effiċjenza tal-konverżjoni tal-qawwa li tirriżulta (PCE) hija 1.5%. Dawn l-NGFs iwettqu funzjonijiet multipli bħal saffi ta 'komposti attivi, mogħdijiet ta' trasport ta 'ħlas, u elettrodi trasparenti15,16. Madankollu, il-film tal-grafita mhuwiex uniformi. Aktar ottimizzazzjoni hija meħtieġa billi tikkontrolla bir-reqqa r-reżistenza tal-folja u t-trasmittenza ottika tal-elettrodu tal-grafita, peress li dawn iż-żewġ proprjetajiet għandhom rwol importanti fid-determinazzjoni tal-valur PCE taċ-ċellula solari15,16. Tipikament, il-films tal-grafena huma 97.7% trasparenti għal dawl viżibbli, iżda għandhom reżistenza tal-folja ta '200-3000 ohm / sq.16. Ir-reżistenza tal-wiċċ tal-films tal-grafena tista 'titnaqqas billi jiżdied in-numru ta' saffi (trasferiment multiplu ta 'saffi tal-grafena) u doping ma' HNO3 (~ 30 ohm / sq.) 66. Madankollu, dan il-proċess jieħu żmien twil u s-saffi ta 'trasferiment differenti mhux dejjem iżommu kuntatt tajjeb. L-NGF tan-naħa ta 'quddiem tagħna għandu proprjetajiet bħal konduttività 2000 s / cm, reżistenza tal-folja tal-film 50 ohm / sq. u 62% trasparenza, li tagħmilha alternattiva vijabbli għal kanali konduttivi jew elettrodi kontra ċ-ċelloli solari15,16.
Għalkemm l-istruttura u l-kimika tal-wiċċ ta 'BS-NGF huma simili għal FS-NGF, il-ħruxija tagħha hija differenti ("tkabbir ta' FS- u BS-NGF"). Preċedentement, użajna film ultra-irqiq grafita22 bħala sensur tal-gass. Għalhekk, aħna ttestjaw il-fattibilità ta 'l-użu ta' BS-NGF għal kompiti ta 'sensing tal-gass (Figura SI10). L-ewwel, porzjonijiet ta 'daqs MM2 ta' BS-NGF ġew trasferiti fuq iċ-ċippa tas-sensuri tal-elettrodi interdigitanti (Figura SI10A-C). Id-dettalji tal-manifattura taċ-ċippa kienu rrappurtati qabel; Iż-żona sensittiva attiva tagħha hija 9 mm267. Fl-immaġini SEM (Figura SI10B u C), l-elettrodu tad-deheb sottostanti huwa viżibbli b'mod ċar permezz tal-NGF. Għal darb'oħra, jista 'jidher li nkisbet kopertura uniformi taċ-ċippa għall-kampjuni kollha. Ġew irreġistrati kejl tas-sensuri tal-gass ta 'gassijiet varji (Fig. SI10D) (Fig. SI11) u r-rati ta' rispons li jirriżultaw huma murija fil-Fig. Si10g. X'aktarx ma 'gassijiet oħra li jinterferixxu inklużi SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) u NH3 (200 ppm). Kawża waħda possibbli hija NO2. In-natura elettrofilika tal-GAS22,68. Meta adsorbita fuq il-wiċċ tal-grafena, tnaqqas l-assorbiment tal-kurrent ta 'elettroni mis-sistema. Paragun tad-dejta tal-ħin tar-rispons tas-senser BS-NGF ma 'sensuri ppubblikati qabel huwa ppreżentat fit-Tabella SI2. Il-mekkaniżmu għar-riattivazzjoni tas-sensuri NGF bl-użu ta 'plażma UV, plażma O3 jew termali (50-150 ° C) it-trattament ta' kampjuni esposti huwa kontinwu, idealment segwit mill-implimentazzjoni ta 'sistemi inkorporati69.
Matul il-proċess CVD, it-tkabbir tal-grafena jseħħ fuq iż-żewġ naħat tas-substrat tal-katalist41. Madankollu, BS-graphene ġeneralment jiġi mkeċċi matul il-proċess ta 'trasferiment41. F'dan l-istudju, aħna nuru li t-tkabbir ta 'kwalità għolja NGF u t-trasferiment NGF ħieles mill-polimeri jistgħu jinkisbu fuq iż-żewġ naħat tal-appoġġ tal-katalist. BS-NGF huwa irqaq (~ 80 nm) minn FS-NGF (~ 100 nm), u din id-differenza hija spjegata mill-fatt li BS-NI mhix esposta direttament għall-fluss tal-gass prekursur. Sibna wkoll li l-ħruxija tas-sottostrat Niar tinfluwenza l-ħruxija tan-NGF. Dawn ir-riżultati jindikaw li l-FS-NGF planar imkabbar jista 'jintuża bħala materjal prekursur għall-grafena (permezz ta' tqaxxir tal-metodu70) jew bħala kanal konduttiv fiċ-ċelloli solari15,16. B'kuntrast, BS-NGF se jintuża għall-iskoperta tal-gass (Fig. SI9) u possibbilment għal sistemi ta 'ħażna ta' enerġija71,72 fejn il-ħruxija tal-wiċċ tagħha tkun utli.
Meta wieħed iqis dak li ntqal hawn fuq, huwa utli li tgħaqqad ix-xogħol kurrenti ma 'films tal-grafita ppubblikati qabel imkabbra minn CVD u bl-użu ta' fojl tan-nikil. Kif jidher fit-Tabella 2, l-ogħla pressjonijiet li użajna qassru l-ħin ta 'reazzjoni (stadju ta' tkabbir) anke f'temperaturi relattivament baxxi (fil-medda ta '850-1300 ° C). Aħna ksibna wkoll tkabbir akbar mis-soltu, u jindika potenzjal għal espansjoni. Hemm fatturi oħra li għandek tikkunsidra, li wħud minnhom aħna nkludew fit-tabella.
NGF ta 'kwalità għolja b'żewġ naħat ġie mkabbar fuq fojl tan-nikil permezz ta' CVD katalitiku. Billi telimina s-substrati tradizzjonali tal-polimeri (bħal dawk użati fil-grafena CVD), niksbu trasferiment imxarrab nadif u bla difetti ta 'NGF (imkabbar fuq in-naħat ta' wara u ta 'quddiem tal-fojl tan-nikil) għal varjetà ta' substrati kritiċi għall-proċess. Notevolment, NGF jinkludi reġjuni FLG u MLG (tipikament 0.1% sa 3% kull 100 µm2) li huma strutturalment integrati sew fil-film eħxen. Planar TEM juri li dawn ir-reġjuni huma magħmula minn munzelli ta 'tnejn sa tliet partiċelli tal-grafita / graphene (kristalli jew saffi, rispettivament), li wħud minnhom għandhom nuqqas ta' rotazzjoni ta '10-20 °. Ir-reġjuni FLG u MLG huma responsabbli għat-trasparenza ta 'FS-NGF għal dawl viżibbli. Fir-rigward tal-folji ta 'wara, dawn jistgħu jinġarru b'mod parallel mal-folji ta' quddiem u, kif muri, jista 'jkollhom skop funzjonali (per eżempju, għad-detezzjoni tal-gass). Dawn l-istudji huma utli ħafna għat-tnaqqis tal-iskart u l-ispejjeż fi proċessi CVD fuq skala industrijali.
B'mod ġenerali, il-ħxuna medja ta 'CVD NGF tinsab bejn il-folji tal-grafita (baxxi u b'ħafna saffi) u folji industrijali (mikrometru). Il-firxa tal-proprjetajiet interessanti tagħhom, flimkien mal-metodu sempliċi li żviluppajna għall-produzzjoni u t-trasport tagħhom, tagħmel dawn il-films partikolarment adattati għal applikazzjonijiet li jeħtieġu r-rispons funzjonali tal-grafita, mingħajr l-ispejjeż tal-proċessi ta 'produzzjoni industrijali intensivi fl-enerġija użati bħalissa.
Fojl tan-nikil ta '25 μm oħxon (purità ta '99 .5%, Goodfellow) ġie installat f'reattur CVD kummerċjali (AIXTRON 4-il pulzier BMPRO). Is-sistema ġiet imnaddfa bl-argon u evakwata għal pressjoni bażi ta '10 -3 mbar. Imbagħad tqiegħdet il-fojl tan-nikil. F'Ar / H2 (wara li tħaddem il-fojl Ni għal 5 min, il-fojl kienet esposta għal pressjoni ta '500 mbar f'900 ° C. NGF ġiet iddepożitata fi fluss ta' CH4 / H2 (100 cm3 kull wieħed) għal 5 min. x'imkien ieħor30.
Il-morfoloġija tal-wiċċ tal-kampjun ġiet viżwalizzata minn SEM bl-użu ta 'mikroskopju Zeiss Merlin (1 kV, 50 Pa). Il-ħruxija tal-wiċċ tal-kampjun u l-ħxuna ta 'NGF ġew imkejla bl-użu ta' AFM (ICON DIMENSJONI SPM, BRUKER). Kejl TEM u SAED twettqu bl-użu ta 'mikroskopju kubu FEI Titan 80-300 mgħammar b'arma ta' emissjoni ta 'luminożità għolja (300 kV), monokromatur tat-tip Fei Wien u korretter ta' aberrazzjoni sferika tal-lenti CEOs biex jikseb ir-riżultati finali. Riżoluzzjoni spazjali 0.09 nm. Kampjuni NGF ġew trasferiti għal grilji tar-ram miksija bil-lacy tal-karbonju għal immaġni ċatta TEM u analiżi tal-istruttura SAED. Għalhekk, il-biċċa l-kbira tal-flocs tal-kampjun huma sospiżi fil-pori tal-membrana ta 'sostenn. Kampjuni NGF trasferiti ġew analizzati minn XRD. Ix-xejriet ta 'diffrazzjoni tar-raġġi X ġew miksuba bl-użu ta' diffractometer tat-trab (brucker, shifter tal-fażi D2 bis-sors Cu Kα, 1.5418 Å u d-ditekter tal-lynxeye) bl-użu ta 'sors ta' radjazzjoni Cu b'dijametru tal-post tar-raġġ ta '3 mm.
Bosta kejl tal-punt Raman ġew irreġistrati bl-użu ta 'mikroskopju konfokali ta' integrazzjoni (Alpha 300 RA, Witec). Laser ta '532 nm b'qawwa ta' eċċitazzjoni baxxa (25%) intuża biex jiġu evitati effetti indotti termalment. L-ispettroskopija tal-fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) twettqet fuq spettrometru ultra tal-assi Kratos fuq żona ta 'kampjun ta' 300 × 700 μm2 bl-użu ta 'radjazzjoni monokromatika ta' Al Kα (Hν = 1486.6 eV) b'qawwa ta '150 W. ta' spettri ta 'riżoluzzjoni ġew miksuba f'enerġiji ta' trasmissjoni ta 'trasmissjoni ta' 160 eV u 20 eV, rispettivament. Kampjuni NGF trasferiti fuq SiO2 ġew maqtugħin f'biċċiet (3 × 10 mm2 kull wieħed) bl-użu ta 'lejżer tal-fibra Ytterbium PLS6MW (1.06 μm) fi 30 W. Il-kuntatti tal-wajer tar-ram (50 μm ħoxnin) ġew iffabbrikati bl-użu ta' pejst tal-fidda taħt mikroskopju ottiku. Esperimenti ta 'trasport elettriku u effett tas-sala twettqu fuq dawn il-kampjuni f'300 K u varjazzjoni ta' kamp manjetiku ta '± 9 Tesla f'sistema ta' kejl tal-proprjetajiet fiżiċi (PPMS Evercool-II, Disinn Quantum, USA). L-ispettri UV-Vis trażmessi ġew irreġistrati bl-użu ta 'spettrofotometru UV-Vis Lambda 950 fil-firxa NGF 350-800 nm trasferita għal substrati tal-kwarz u kampjuni ta' referenza tal-kwarz.
Is-senser tar-reżistenza kimika (ċippa tal-elettrodu interdigitat) kien bil-fili fuq bord taċ-ċirkwit stampat apposta 73 u r-reżistenza ġiet estratta b'mod transitorju. Il-bord taċ-ċirkwit stampat li fuqu jinsab l-apparat huwa konness mat-terminali ta 'kuntatt u mqiegħed ġewwa l-kamra tas-sensing tal-gass 74. Il-kejl tar-reżistenza ttieħed b'vultaġġ ta' 1 V bi skanjar kontinwu mill-purge għal esponiment għall-gass u mbagħad jitnaddaf mill-ġdid. Il-kamra kienet inizjalment imnaddfa billi tnaddaf bin-nitroġenu għal 200 cm3 għal siegħa biex tiżgura t-tneħħija tal-analiti l-oħra kollha preżenti fil-kamra, inkluża l-umdità. L-analiti individwali mbagħad ġew rilaxxati bil-mod fil-kamra bl-istess rata ta 'fluss ta' 200 cm3 billi għalaq iċ-ċilindru N2.
Verżjoni riveduta ta 'dan l-artikolu ġiet ippubblikata u tista' tiġi aċċessata permezz tal-link fil-quċċata tal-artiklu.
Inagaki, M. u Kang, F. Il-Materjali tal-Karbonju Xjenza u Inġinerija: Fundamentali. It-tieni edizzjoni editjata. 2014. 542.
Pearson, Ho Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes: Propjetajiet, Proċessar u Applikazzjonijiet. L-ewwel edizzjoni ġiet editjata. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Films tal-grafena / grafita b'ħafna saffi kbar bħala elettrodi konduttivi rqaq trasparenti. applikazzjoni. Fiżika. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Il-proprjetajiet termali tal-balandin AA tal-grafena u materjali tal-karbonju nanostrutturati. Nat. Matt. 10 (8), 569–581 (2011).
Cheng Ky, Brown PW u Cahill DĠ Konduttività termali ta 'films tal-grafita mkabbra fuq Ni (111) permezz ta' deposizzjoni ta 'fwar kimiku ta' temperatura baxxa. avverbju. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Tkabbir kontinwu tal-films tal-grafena permezz ta 'deposizzjoni tal-fwar kimiku. applikazzjoni. Fiżika. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Ħin ta 'wara: 3 ta' Awwissu-2024