Grazzi talli żort Nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għas-CSS. Għal riżultati aħjar, nirrakkomandaw li tuża verżjoni aktar ġdida tal-browser tiegħek (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibilità fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, qed nuru s-sit mingħajr stil jew JavaScript.
Il-films tal-grafita fuq skala nanometrika (NGFs) huma nanomaterjali robusti li jistgħu jiġu prodotti permezz ta' depożizzjoni katalitika tal-fwar kimiku, iżda għad hemm mistoqsijiet dwar il-faċilità tat-trasferiment tagħhom u kif il-morfoloġija tal-wiċċ taffettwa l-użu tagħhom f'apparati tal-ġenerazzjoni li jmiss. Hawnhekk nirrappurtaw it-tkabbir tal-NGF fuq iż-żewġ naħat ta' fojl tan-nikil polikristallin (erja 55 cm2, ħxuna madwar 100 nm) u t-trasferiment tiegħu mingħajr polimeri (quddiem u wara, erja 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). Nuru li l-NGFs b'naħa ta' wara aktar ħruxija huma adattati sew għad-detezzjoni tal-NO2, filwaqt li l-NGFs aktar lixxi u konduttivi fuq in-naħa ta' quddiem (2000 S/cm, reżistenza tal-folja – 50 ohms/m2) jistgħu jkunu kondutturi vijabbli bħala kanal jew elettrodu taċ-ċellula solari (peress li jittrażmetti 62% tad-dawl viżibbli). B'mod ġenerali, il-proċessi ta' tkabbir u trasport deskritti jistgħu jgħinu biex l-NGF jiġi realizzat bħala materjal tal-karbonju alternattiv għal applikazzjonijiet teknoloġiċi fejn il-grafene u l-films tal-grafita ħoxnin daqs mikron mhumiex adattati.
Il-grafita hija materjal industrijali użat ħafna. Ta' min jinnota li l-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 ħorox1,2. Il-grafita f'qxur hija materjal tal-bidu magħruf sew għar-riċerka dwar il-grafina3. Meta tiġi pproċessata f'films irqaq, tista' tintuża f'firxa wiesgħa ta' applikazzjonijiet, inklużi sinkijiet tas-sħana għal apparati elettroniċi bħal smartphones4,5,6,7, bħala materjal attiv f'sensuri8,9,10 u għall-protezzjoni mill-interferenza elettromanjetika11.12 u films għal-litografija fl-ultravjola estrem13,14, kanali konduttivi f'ċelloli solari15,16. Għal dawn l-applikazzjonijiet kollha, ikun ta' vantaġġ sinifikanti jekk żoni kbar ta' films tal-grafita (NGFs) bi ħxuna kkontrollata fin-nanoskala <100 nm ikunu jistgħu jiġu prodotti u ttrasportati faċilment.
Il-films tal-grafita huma prodotti b'diversi metodi. F'każ wieħed, intużaw inkorporazzjoni u espansjoni segwiti minn esfoljazzjoni biex jipproduċu qxur tal-grafita10,11,17. Il-qxur iridu jiġu pproċessati aktar f'films tal-ħxuna meħtieġa, u ħafna drabi jieħu diversi jiem biex jipproduċu folji densi tal-grafita. Approċċ ieħor huwa li tibda b'prekursuri solidi grafitizzabbli. Fl-industrija, folji ta' polimeri huma karbonizzati (f'1000–1500 °C) u mbagħad grafitizzati (f'2800–3200 °C) biex jiffurmaw materjali f'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 mikroni1,18,19,20.
Id-depożizzjoni kimika katalitika tal-fwar (CVD) hija metodu magħruf sew għall-produzzjoni ta' films tal-grafene u tal-grafita ultrarqiqa (<10 nm) b'kwalità strutturali għolja u spiża raġonevoli21,22,23,24,25,26,27. Madankollu, meta mqabbel mat-tkabbir tal-grafene u tal-films tal-grafita ultrarqiqa28, it-tkabbir fuq żona kbira u/jew l-applikazzjoni ta' NGF bl-użu ta' CVD hija saħansitra inqas esplorata11,13,29,30,31,32,33.
Il-films tal-grafene u l-grafita mkabbra bis-CVD spiss jeħtieġ li jiġu trasferiti fuq sottostrati funzjonali34. Dawn it-trasferimenti ta' films irqaq jinvolvu żewġ metodi ewlenin35: (1) trasferiment mingħajr inċiżjoni36,37 u (2) trasferiment kimiku mxarrab ibbażat fuq inċiżjoni (appoġġjat minn sottostrat)14,34,38. Kull metodu għandu xi vantaġġi u żvantaġġi u jrid jintgħażel skont l-applikazzjoni maħsuba, kif deskritt x'imkien ieħor35,39. Għal films tal-grafene/grafita mkabbra fuq sottostrati katalitiċi, it-trasferiment permezz ta' proċessi kimiċi mxarrba (li minnhom il-polimetil metakrilat (PMMA) huwa l-aktar saff ta' appoġġ użat komunement) jibqa' l-ewwel għażla13,30,34,38,40,41,42. You et al. Issemma li l-ebda polimeru ma ntuża għat-trasferiment tal-NGF (daqs tal-kampjun ta' madwar 4 cm2)25,43, iżda ma ngħataw l-ebda dettalji dwar l-istabbiltà u/jew l-immaniġġjar tal-kampjun waqt it-trasferiment; Il-proċessi tal-kimika mxarrba li jużaw polimeri jikkonsistu f'diversi passi, inkluż l-applikazzjoni u t-tneħħija sussegwenti ta' saff ta' polimeru sagrifiċjali30,38,40,41,42. Dan il-proċess għandu żvantaġġi: pereżempju, ir-residwi tal-polimeru jistgħu jibdlu l-proprjetajiet tal-film imkabbar38. Ipproċessar addizzjonali jista' jneħħi l-polimeru residwu, iżda dawn il-passi addizzjonali jżidu l-ispiża u l-ħin tal-produzzjoni tal-film38,40. Matul it-tkabbir tas-CVD, saff ta' grafina jiġi depożitat mhux biss fuq in-naħa ta' quddiem tal-fojl tal-katalist (in-naħa li tħares lejn il-fluss tal-fwar), iżda wkoll fuq in-naħa ta' wara tiegħu. Madankollu, dan tal-aħħar huwa kkunsidrat bħala prodott tal-iskart u jista' jitneħħa malajr permezz ta' plażma ratba38,41. Ir-riċiklaġġ ta' dan il-film jista' jgħin biex jiġi massimizzat ir-rendiment, anke jekk ikun ta' kwalità aktar baxxa mill-film tal-karbonju tal-wiċċ.
Hawnhekk, nirrappurtaw il-preparazzjoni ta' tkabbir bifaċjali fuq skala ta' wejfer ta' NGF b'kwalità strutturali għolja fuq fojl tan-nikil polikristallin permezz ta' CVD. Ġie vvalutat kif il-ħruxija tal-wiċċ ta' quddiem u ta' wara tal-fojl taffettwa l-morfoloġija u l-istruttura tal-NGF. Nuru wkoll trasferiment kosteffettiv u mingħajr polimeri ta' NGF miż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil fuq sottostrati 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-grafene f'munzelli: (i) grafen b'saff wieħed (SLG, saff 1), (ii) grafen bi ftit saffi (FLG, < 10 saffi), (iii) grafen b'ħafna saffi (MLG, 10-30 saff) u (iv) NGF (~300 saff). Dan tal-aħħar huwa l-ħxuna l-aktar komuni espressa bħala perċentwal taż-żona (madwar 97% taż-żona għal kull 100 µm2)30. Huwa għalhekk li l-film kollu jissejjaħ sempliċement NGF.
Fojls tan-nikil polikristallin użati għas-sintesi ta' films tal-grafina u l-grafita għandhom nisġa differenti bħala riżultat tal-manifattura u l-ipproċessar sussegwenti tagħhom. Dan l-aħħar irrappurtajna studju biex nottimizzaw il-proċess tat-tkabbir ta' NGF30. Nuru li parametri tal-proċess bħall-ħin tat-temprar u l-pressjoni tal-kamra matul l-istadju tat-tkabbir għandhom rwol kritiku fil-kisba ta' NGFs ta' ħxuna uniformi. Hawnhekk, investigajna aktar it-tkabbir ta' NGF fuq uċuħ illustrati ta' quddiem (FS) u uċuħ mhux illustrati ta' wara (BS) tal-fojl tan-nikil (Fig. 1a). Ġew eżaminati tliet tipi ta' kampjuni FS u BS, elenkati fit-Tabella 1. Wara spezzjoni viżwali, tkabbir uniformi ta' NGF fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil (NiAG) jista' jidher mill-bidla fil-kulur tas-sottostrat tan-Ni bl-ingrossa minn griż metalliku tal-fidda karatteristiku għal kulur griż matt (Fig. 1a); 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 Raman karatteristiċi 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 kollu, ġiet osservata predominanza ta' spettri Raman b'proporzjon ta' intensità (I2D/IG) ~0.3, filwaqt li spettri Raman b'I2D/IG = 0.8 rarament ġew osservati. L-assenza ta' qċaċet difettużi (D = 1350 cm-1) fil-film kollu tindika l-kwalità għolja tat-tkabbir tal-NGF. Riżultati Raman simili nkisbu fuq il-kampjun BS-NGF (Figura SI1 a u b, Tabella SI1).
Paragun ta' NiAG FS- u BS-NGF: (a) Ritratt ta' kampjun tipiku ta' NGF (NiAG) li juri t-tkabbir tal-NGF fuq skala ta' wejfer (55 cm2) u l-kampjuni tal-fojl BS- u FS-Ni li jirriżultaw, (b) Immaġni FS-NGF/Ni miksuba b'mikroskopju ottiku, (ċ) spettri Raman tipiċi rreġistrati f'pożizzjonijiet differenti fil-pannell b, (d, f) Immaġni SEM b'ingrandimenti differenti fuq FS-NGF/Ni, (e, g) Immaġni SEM b'ingrandimenti differenti Settijiet 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 t-tinja.
Peress li t-tkabbir jiddependi fuq il-ħxuna tas-sottostrat inizjali, id-daqs tal-kristall, l-orjentazzjoni, u l-konfini tal-qmuħ, il-kisba ta' kontroll raġonevoli tal-ħxuna tal-NGF fuq żoni kbar tibqa' sfida20,34,44. Dan l-istudju uża kontenut li ppubblikajna qabel30. Dan il-proċess jipproduċi reġjun qawwi ta' 0.1 sa 3% għal kull 100 µm230. Fit-taqsimiet li ġejjin, nippreżentaw riżultati għaż-żewġ tipi ta' reġjuni. Immaġnijiet SEM b'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 ġie kkonfermat ukoll mit-tifrix Raman (Fig. 1c) u r-riżultati TEM (diskuss aktar tard fit-taqsima "FS-NGF: struttura u proprjetajiet"). Ir-reġjuni FLG u MLG osservati fuq kampjuni FS- u BS-NGF/Ni (NGF ta' quddiem u ta' wara mkabbar fuq Ni) setgħu kibru fuq qmuħ kbar Ni(111) iffurmati waqt it-temprar minn qabel22,30,45. It-tinwijiet ġew osservati fuq iż-żewġ naħat (Fig. 1b, immarkata b'vleġeġ vjola). Dawn it-tinwijiet spiss jinstabu f'films tal-grafene u tal-grafita mkabbra bis-CVD minħabba d-differenza kbira fil-koeffiċjent tal-espansjoni termali bejn il-grafita u s-sottostrat tan-nikil30,38.
L-immaġni tal-AFM ikkonfermat li l-kampjun FS-NGF kien aktar ċatt mill-kampjun BS-NGF (Figura SI1) (Figura SI2). Il-valuri tal-ħruxija tal-għerq medju kwadratiku (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). Il-ħruxija ogħla tista' tinftiehem abbażi tal-analiżi tal-wiċċ tal-fojl tan-nikil (NiAR) fl-istat kif riċevut (Figura SI3). Immaġni SEM ta' FS u BS-NiAR huma murija fil-Figuri SI3a–d, li juru morfoloġiji differenti tal-wiċċ: il-fojl FS-Ni illustrat għandu partiċelli sferiċi ta' daqs nano u mikron, filwaqt li l-fojl BS-Ni mhux illustrat juri sellum ta' produzzjoni. bħala partiċelli b'saħħa għolja. u tnaqqis. Immaġni b'riżoluzzjoni baxxa u għolja ta' fojl tan-nikil ittemprat (NiA) huma murija fil-Figura SI3e–h. F'dawn il-figuri, nistgħu nosservaw il-preżenza ta' diversi partiċelli tan-nikil ta' daqs mikron fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil (Fig. SI3e–h). Il-qmuħ kbar jista' jkollhom orjentazzjoni tal-wiċċ Ni(111), kif irrappurtat qabel30,46. Hemm differenzi sinifikanti fil-morfoloġija tal-fojl tan-nikil bejn FS-NiA u BS-NiA. L-irqaq ogħla tal-BS-NGF/Ni hija dovuta għall-wiċċ mhux illustrat tal-BS-NiAR, li l-wiċċ tiegħu jibqa' sinifikament irqaq anke wara t-temprar (Figura SI3). Dan it-tip ta' karatterizzazzjoni tal-wiċċ qabel il-proċess tat-tkabbir jippermetti li l-irqaq tal-films tal-grafita u tal-grafita tiġi kkontrollata. Ta' min jinnota li s-sottostrat oriġinali għadda minn xi riorganizzazzjoni tal-qamħ matul it-tkabbir tal-grafita, li naqqset xi ftit id-daqs tal-qamħ u żiedet xi ftit l-irqaq tal-wiċċ tas-sottostrat meta mqabbel mal-fojl ittemprat u l-film tal-katalist22.
L-irfinar tal-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat, il-ħin tat-temprar (id-daqs tal-qamħ)30,47 u l-kontroll tar-rilaxx43 se jgħinu biex titnaqqas l-uniformità reġjonali tal-ħxuna tal-NGF għall-iskala ta' µm2 u/jew saħansitra nm2 (jiġifieri, varjazzjonijiet fil-ħxuna ta' ftit nanometri). Biex tiġi kkontrollata l-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrat, jistgħu jiġu kkunsidrati metodi bħall-illustrar elettrolitiku tal-fojl tan-nikil li jirriżulta48. Il-fojl tan-nikil ittrattat minn qabel jista' mbagħad jiġi ttemprat f'temperatura aktar baxxa (< 900 °C)46 u ħin (< 5 min) biex tiġi evitata l-formazzjoni ta' qmuħ kbar tan-Ni(111) (li huwa ta' benefiċċju għat-tkabbir tal-FLG).
Il-grafene SLG u FLG ma jistax jiflaħ it-tensjoni tal-wiċċ tal-aċidi u l-ilma, u jeħtieġ saffi ta' appoġġ mekkaniku matul proċessi ta' trasferiment kimiku mxarrab22,34,38. B'kuntrast mat-trasferiment kimiku mxarrab tal-grafene b'saff wieħed appoġġjat mill-polimeru38, sibna li ż-żewġ naħat tal-NGF kif imkabbar jistgħu jiġu trasferiti mingħajr appoġġ tal-polimeru, kif muri fil-Figura 2a (ara l-Figura SI4a għal aktar dettalji). It-trasferiment tal-NGF għal sottostrat partikolari jibda bl-inċiżjoni mxarrba tal-film Ni30.49 sottostanti. Il-kampjuni NGF/Ni/NGF imkabbra tqiegħdu matul il-lejl f'15 mL ta' 70% HNO3 dilwit b'600 mL ta' ilma dejonizzat (DI). Wara li l-fojl tan-Ni jinħall kompletament, l-FS-NGF jibqa' ċatt u jżomm f'wiċċ l-ilma fuq il-wiċċ tal-likwidu, bħall-kampjun NGF/Ni/NGF, filwaqt li l-BS-NGF ikun mgħaddas fl-ilma (Fig. 2a,b). L-NGF iżolat imbagħad ġie trasferit minn beaker wieħed li kien fih ilma dejonizzat frisk għal beaker ieħor u l-NGF iżolat inħasel sewwa, b'repetizzjoni ta' erba' sa sitt darbiet minn ġol-platt tal-ħġieġ konkavi. Fl-aħħar, l-FS-NGF u l-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 separat wara l-inċiżjoni tan-Ni (2 kampjuni), (ċ) Eżempju FS – u trasferiment BS-NGF għal sottostrat SiO2/Si, (d) Trasferiment FS-NGF għal sottostrat polimeru opak, (e) BS-NGF mill-istess kampjun bħall-pannell d (maqsum f'żewġ partijiet), trasferit għal karta C indurata bid-deheb u Nafion (sottostrat trasparenti flessibbli, truf immarkati b'kantunieri ħomor).
Innota li t-trasferiment SLG imwettaq bl-użu ta' metodi ta' trasferiment kimiku mxarrab jeħtieġ ħin totali ta' pproċessar ta' 20–24 siegħa 38. Bit-teknika ta' trasferiment mingħajr polimeri murija hawn (Figura SI4a), il-ħin ġenerali tal-ipproċessar tat-trasferiment tal-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 tan-Ni (~7200 minuta), (Pass 2) Laħlaħ b'ilma dejonizzat (Pass – 3). Aħżen f'ilma dejonizzat jew ittrasferixxi għal sottostrat fil-mira (20 minuta). L-ilma maqbud bejn l-NGF u l-matriċi tal-massa jitneħħa b'azzjoni kapillari (bl-użu ta' karta assorbenti)38, imbagħad il-qtar tal-ilma li jifdal jitneħħew permezz ta' tnixxif naturali (madwar 30 minuta), u finalment il-kampjun jitnixxef għal 10 minuti f'forn tal-vakwu (10–1 mbar) f'50–90 °C (60 minuta) 38.
Il-grafita hija magħrufa li tiflaħ il-preżenza tal-ilma u l-arja f'temperaturi pjuttost għoljin (≥ 200 °C)50,51,52. Ittestjajna l-kampjuni bl-użu tal-ispettroskopija 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 wieqaf f'ilma dejonizzat. Qbadniehom 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 sottostrati bħal polimeri (Thermabright polyamide 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 akbar minn 3 cm2 kienu diffiċli biex jiġu mmaniġġjati meta mgħaddsa kompletament fl-ilma. Normalment, meta jibdew jitgerbu fl-ilma, minħabba mmaniġġjar traskurat xi kultant jinkisru f'żewġ jew tliet partijiet (Fig. 2e). B'mod ġenerali, stajna niksbu trasferiment mingħajr polimeri ta' PS- u BS-NGF (trasferiment kontinwu bla xkiel mingħajr tkabbir ta' NGF/Ni/NGF f'6 cm2) għal kampjuni sa 6 u 3 cm2 fiż-żona, rispettivament. Kwalunkwe biċċa kbira jew żgħira li tibqa' tista' tkun (tidher faċilment fis-soluzzjoni tal-inċiżjoni jew fl-ilma dejonizzat) fuq is-sottostrat mixtieq (~1 mm2, Figura SI4b, ara l-kampjun trasferit għal grilja tar-ram bħal f'"FS-NGF: Struttura u Proprjetajiet (diskuss) taħt "Struttura u Proprjetajiet") jew maħżuna għal użu fil-futur (Figura SI4). Abbażi ta' dan il-kriterju, nistmaw li l-NGF jista' jiġi rkuprat f'rendimenti sa 98-99% (wara t-tkabbir għat-trasferiment).
Kampjuni ta' trasferiment mingħajr polimeru ġew analizzati fid-dettall. Il-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 irrumblati. It-tinjiet fuq l-NGF li qed jikber (Fig. 3b, d, immarkati bi vleġeġ vjola) baqgħu intatti wara t-trasferiment. Kemm l-FS- kif ukoll il-BS-NGFs huma magħmula minn reġjuni FLG (reġjuni jleqqu indikati bi vleġeġ blu fil-Figura 3). B'mod sorprendenti, b'kuntrast mal-ftit reġjuni bil-ħsara tipikament osservati waqt it-trasferiment tal-polimeru ta' films tal-grafita ultrarqaq, diversi reġjuni FLG u MLG ta' daqs mikron li jikkonnettjaw mal-NGF (immarkati bi vleġeġ blu fil-Figura 3d) ġew trasferiti mingħajr xquq jew ksur (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-bizzilla, kif diskuss aktar tard (“FS-NGF: Struttura u Proprjetajiet”). Il-BS-NGF/SiO2/Si trasferit huwa aktar mhux maħdum 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 tan-Ni. Barra minn hekk, immaġini AFM imwettqa fuq it-truf tal-kampjuni FS- u BS-NGF/SiO2/Si wrew ħxuna ta' NGF ta' 100 u 80 nm, rispettivament (Fig. SI7). Il-ħxuna iżgħar ta' BS-NGF tista' tkun riżultat tal-wiċċ li mhux espost direttament għall-gass prekursur.
NGF (NiAG) trasferit mingħajr polimeru fuq wejfer SiO2/Si (ara l-Figura 2c): (a,b) Immaġni SEM ta' FS-NGF trasferit: ingrandiment baxx u għoli (li jikkorrispondi għall-kwadru oranġjo fil-pannell). Żoni tipiċi) – a). (c,d) Immaġni SEM ta' BS-NGF trasferit: ingrandiment baxx u għoli (li jikkorrispondi għaż-żona tipika murija mill-kwadru oranġjo fil-pannell c). (e, f) Immaġni AFM ta' FS- u BS-NGFs trasferiti. Il-vleġġa blu tirrappreżenta r-reġjun FLG – kuntrast qawwi, vleġġa cyan – kuntrast MLG iswed, vleġġa ħamra – kuntrast iswed tirrappreżenta r-reġjun NGF, vleġġa magenta tirrappreżenta t-tinja.
Il-kompożizzjoni kimika tal-FS- u BS-NGFs imkabbra u trasferiti ġiet analizzata permezz ta' spettroskopija fotoelettronika bir-raġġi X (XPS) (Fig. 4). Qċaċet dgħajfa ġiet osservata 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 tal-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 tan-Ni wara t-trasferiment. Il-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 ta' rbit ta' C 1 s tal-grafita hija 284.4 eV53.54. Il-forma lineari tal-qċaċet tal-grafita ġeneralment hija kkunsidrata asimmetrika, kif muri fil-Figura 4d54. L-ispettru C 1 s fil-livell tal-qalba b'riżoluzzjoni għolja (Fig. 4d) ikkonferma wkoll trasferiment pur (jiġifieri, l-ebda residwi tal-polimeru), li huwa konsistenti ma' studji preċedenti38. Il-wisa' tal-linji tal-ispettri C 1 s tal-kampjun frisk imkabbar (NiAG) u wara t-trasferiment huma 0.55 u 0.62 eV, rispettivament. Dawn il-valuri huma ogħla minn dawk tal-SLG (0.49 eV għal SLG fuq sottostrat SiO2)38. Madankollu, dawn il-valuri huma iżgħar mill-wisa' tal-linji rrappurtati qabel għal kampjuni tal-grafene pirolitiku orjentat ħafna (~0.75 eV)53,54,55, li jindika n-nuqqas ta' siti tal-karbonju difettużi fil-materjal attwali. L-ispettri C 1 s u O 1 s fil-livell tal-art ukoll m'għandhomx spallejn, u b'hekk jeliminaw il-ħtieġa għal dekonvoluzzjoni tal-quċċata b'riżoluzzjoni għolja54. Hemm quċċata satellitari π → π* madwar 291.1 eV, li ħafna drabi tiġi osservata f'kampjuni tal-grafita. Is-sinjali ta' 103 eV u 532.5 eV fl-ispettri tal-livell ċentrali Si 2p u O 1 s (ara l-Fig. 4e, f) huma attribwiti lis-sottostrat SiO2 56, rispettivament. L-XPS hija teknika sensittiva għall-wiċċ, għalhekk is-sinjali li jikkorrispondu għal Ni u SiO2 skoperti qabel u wara t-trasferiment tal-NGF, rispettivament, huma preżunti li joriġinaw mir-reġjun FLG. Riżultati simili ġew osservati għal kampjuni BS-NGF trasferiti (mhux murija).
Riżultati tan-NiAG XPS: (ac) Spettri ta' stħarriġ ta' kompożizzjonijiet atomiċi elementali differenti ta' FS-NGF/Ni mkabbra, BS-NGF/Ni u FS-NGF/SiO2/Si trasferiti, rispettivament. (d–f) Spettri ta' riżoluzzjoni għolja tal-livelli ewlenin 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 tad-diffrazzjoni tar-raġġi-X (XRD). Mudelli tipiċi ta' XRD (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 għall-grafita. Dan jikkonferma l-kwalità kristallina għolja tal-NGF u jikkorrispondi għal distanza bejn is-saffi ta' d = 0.335 nm, li tinżamm wara l-pass tat-trasferiment. L-intensità tal-qċaċet ta' diffrazzjoni (0 0 0 2) hija madwar 30 darba dik tal-qċaċet ta' diffrazzjoni (0 0 0 4), li tindika li l-pjan tal-kristall NGF huwa allinjat sew mal-wiċċ tal-kampjun.
Skont ir-riżultati tas-SEM, l-ispettroskopija Raman, l-XPS u l-XRD, il-kwalità tal-BS-NGF/Ni nstabet li hija l-istess bħal dik tal-FS-NGF/Ni, għalkemm il-ħruxija rms tiegħu kienet kemxejn ogħla (Figuri SI2, SI5) u SI7).
SLGs b'saffi ta' appoġġ polimeriku sa 200 nm ħoxnin jistgħu jżommu f'wiċċ l-ilma. Din is-setup tintuża komunement fi proċessi ta' trasferiment kimiku mxarrab assistiti mill-polimeru22,38. Il-grafene u l-grafita huma idrofobiċi (angolu mxarrab 80–90°) 57. L-uċuħ tal-enerġija potenzjali kemm tal-grafene kif ukoll tal-FLG ġew irrappurtati li huma pjuttost ċatti, b'enerġija potenzjali baxxa (~1 kJ/mol) għall-moviment laterali tal-ilma fil-wiċċ58. Madankollu, l-enerġiji ta' interazzjoni kkalkulati tal-ilma mal-grafene u tliet saffi ta' grafene huma bejn wieħed u ieħor − 13 u − 15 kJ/mol,58 rispettivament, li jindikaw li l-interazzjoni tal-ilma mal-NGF (madwar 300 saff) hija aktar baxxa meta mqabbla mal-grafene. Din tista' tkun waħda mir-raġunijiet għaliex l-NGF wieqaf jibqa' ċatt fuq il-wiċċ tal-ilma, filwaqt li l-grafene wieqaf (li jżomm f'wiċċ l-ilma) jitgħawweġ u jitkisser. Meta l-NGF ikun mgħaddas kompletament fl-ilma (ir-riżultati huma l-istess għal NGF mhux maħdum u ċatt), it-truf tiegħu jitgħawġu (Figura SI4). Fil-każ ta' immersjoni kompleta, huwa mistenni li l-enerġija ta' interazzjoni NGF-ilma kważi tirdoppja (meta mqabbla ma' NGF f'wiċċ l-ilma) u li t-truf tal-NGF jintwew biex iżommu angolu ta' kuntatt għoli (idrofobiċità). Aħna nemmnu li jistgħu jiġu żviluppati strateġiji biex jiġi evitat it-tgħawwiġ tat-truf tal-NGFs inkorporati. Approċċ wieħed huwa li jintużaw solventi mħallta biex jiġi mmodulat ir-reazzjoni tat-tixrib tal-film tal-grafita59.
It-trasferiment ta' SLG għal diversi tipi ta' sottostrati permezz ta' proċessi ta' trasferiment kimiku mxarrab ġie rrappurtat qabel. Huwa ġeneralment aċċettat li jeżistu forzi dgħajfa ta' van der Waals bejn il-films tal-grafene/grafita u s-sottostrati (kemm jekk ikunu sottostrati riġidi bħal SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 u films tal-karbonju lacy30, 34 jew sottostrati flessibbli bħal polyimide 37). Hawnhekk nassumu li jippredominaw interazzjonijiet tal-istess tip. Ma osservajna l-ebda ħsara jew tqaxxir ta' NGF għal xi wieħed mis-sottostrati ppreżentati hawn waqt l-immaniġġjar mekkaniku (waqt il-karatterizzazzjoni taħt vakwu u/jew kundizzjonijiet atmosferiċi jew waqt il-ħażna) (eż., Figura 2, SI7 u SI9). Barra minn hekk, ma osservajna l-ebda quċċata ta' SiC fl-ispettru XPS C 1 s tal-livell ċentrali 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 mingħajr polimeri ta’ FS- u BS-NGF,” wrejna li l-NGF jista’ jikber u jittrasferixxi fuq iż-żewġ naħat tal-fojl tan-nikil. Dawn l-FS-NGFs u l-BS-NGFs mhumiex identiċi f’termini ta’ ħruxija tal-wiċċ, u dan wassalna biex nesploraw l-aktar applikazzjonijiet adattati għal kull tip.
Meta nqisu t-trasparenza u l-wiċċ aktar lixx tal-FS-NGF, studjajna l-istruttura lokali, il-proprjetajiet ottiċi u elettriċi tiegħu f'aktar dettall. L-istruttura u l-istruttura tal-FS-NGF mingħajr trasferiment tal-polimeru ġew ikkaratterizzati permezz ta' immaġini bil-mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni (TEM) u analiżi tal-mudell tad-diffrazzjoni elettronika ta' żona magħżula (SAED). Ir-riżultati korrispondenti huma murija fil-Figura 5. Immaġini TEM planari b'ingrandiment baxx żvelaw il-preżenza ta' reġjuni NGF u FLG b'karatteristiċi differenti ta' kuntrast elettroniku, jiġifieri żoni aktar skuri u aktar brillanti, rispettivament (Fig. 5a). Il-film b'mod ġenerali juri integrità mekkanika u stabbiltà tajba bejn ir-reġjuni differenti ta' NGF u FLG, b'koinċidenza tajba u mingħajr ħsara jew tiċrit, li ġie kkonfermat ukoll minn SEM (Figura 3) u studji TEM b'ingrandiment għoli (Figura 5c-e). B'mod partikolari, fil-Fig. Figura 5d turi l-istruttura tal-pont fl-akbar parti tagħha (il-pożizzjoni mmarkata bil-vleġġa bit-tikek suwed fil-Figura 5d), li hija kkaratterizzata minn forma trijangolari u tikkonsisti minn saff tal-grafina b'wisa' ta' madwar 51. Il-kompożizzjoni bi spazjar interplanari ta' 0.33 ± 0.01 nm hija mnaqqsa aktar għal diversi saffi ta' grafene fl-iktar reġjun dejjaq (tarf tal-vleġġa sewda solida fil-Figura 5d).
Immaġni TEM planari ta' kampjun NiAG ħieles mill-polimeru fuq grilja tar-ram b'bizzilla tal-karbonju: (a, b) Immaġni TEM b'ingrandiment baxx inklużi r-reġjuni NGF u FLG, (ce) Immaġni b'ingrandiment għoli ta' diversi reġjuni fil-pannell-a u l-pannell-b huma mmarkati b'vleġeġ tal-istess kulur. Vleġeġ ħodor fil-pannelli a u c jindikaw żoni ċirkolari ta' ħsara waqt l-allinjament tar-raġġ. (f–i) Fil-pannelli a sa c, il-mudelli SAED f'reġjuni differenti huma indikati b'ċrieki blu, ċjan, oranġjo u aħmar, rispettivament.
L-istruttura taż-żigarella fil-Figura 5c turi (immarkata b'vleġġa ħamra) l-orjentazzjoni vertikali tal-pjanijiet tal-kannizzata tal-grafita, li tista' tkun dovuta għall-formazzjoni ta' nanofolds tul il-film (inserzjoni fil-Figura 5c) minħabba stress ta' shear żejjed mhux ikkumpensat30,61,62. Taħt TEM b'riżoluzzjoni għolja, dawn in-nanofolds 30 juru orjentazzjoni kristalografika differenti mill-bqija tar-reġjun NGF; il-pjanijiet bażali tal-kannizzata tal-grafita huma orjentati kważi vertikalment, aktar milli orizzontalment bħall-bqija tal-film (inserzjoni fil-Figura 5c). Bl-istess mod, ir-reġjun FLG kultant juri tinjiet lineari u dojoq bħal strixxi (immarkati b'vleġeġ blu), li jidhru b'ingrandiment baxx u medju fil-Figuri 5b, 5e, rispettivament. L-inserzjoni fil-Figura 5e tikkonferma l-preżenza ta' saffi tal-grafene b'żewġ u tliet 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 ħieles mill-polimeru trasferiti fuq grilji tar-ram b'films tal-karbonju b'forma ta' bizzilla (wara li twettqu kejl TEM minn fuq) huma murija fil-Figura SI9. Ir-reġjun FLG sospiż sew (immarkat b'vleġġa blu) u r-reġjun imkisser fil-Figura SI9f. Il-vleġġa blu (fit-tarf tal-NGF trasferit) hija ppreżentata intenzjonalment 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 mmaniġġjar rigoruż u espożizzjoni għal vakwu għoli waqt kejl TEM u SEM (Figura SI9).
Minħabba l-flatness eċċellenti tal-NGF (ara l-Figura 5a), mhuwiex diffiċli li l-qxur jiġu orjentati tul l-assi tad-dominju [0001] biex tiġi analizzata l-istruttura SAED. Skont il-ħxuna lokali tal-film u l-post tiegħu, ġew identifikati diversi reġjuni ta' interess (12-il punt) għal studji ta' diffrazzjoni tal-elettroni. Fil-Figuri 5a–c, erbgħa minn dawn ir-reġjuni tipiċi huma murija u mmarkati b'ċrieki kkuluriti (ikkodifikati blu, ċjan, oranġjo, u aħmar). Figuri 2 u 3 għall-modalità SAED. Il-Figuri 5f u g inkisbu mir-reġjun FLG muri fil-Figuri 5 u 5. Kif muri fil-Figuri 5b u c, rispettivament. Għandhom struttura eżagonali simili għall-grafene63 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 evidenzjat mid-diskrepanza angolari tat-tliet pari ta' riflessjonijiet (10-10). Bl-istess mod, il-Figura 5g turi żewġ mudelli eżagonali sovraimposti mdawra b'20°. Żewġ jew tliet gruppi ta' mudelli eżagonali fir-reġjun FLG jistgħu jirriżultaw minn tliet saffi tal-grafene fil-pjan jew barra mill-pjan 33 imdawra relattivament ma' xulxin. B'kuntrast, il-mudelli ta' diffrazzjoni tal-elettroni fil-Figura 5h,i (li jikkorrispondu għar-reġjun NGF muri fil-Figura 5a) juru mudell wieħed [0001] b'intensità ta' diffrazzjoni puntwali ogħla b'mod ġenerali, li tikkorrispondi għal ħxuna akbar tal-materjal. Dawn il-mudelli SAED jikkorrispondu għal struttura grafitika eħxen u orjentazzjoni intermedja mill-FLG, kif dedott mill-indiċi 64. Il-karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet kristallini tal-NGF żvelat il-koeżistenza ta' żewġ jew tliet kristalliti tal-grafita (jew grafene) sovraimposti. Dak li huwa partikolarment notevoli fir-reġjun FLG huwa li l-kristalliti għandhom ċertu grad ta' diżorjentazzjoni 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 tal-angolu ta' rotazzjoni osservati f'dan l-istudju huma konsistenti mal-angoli ta' rotazzjoni osservati qabel (±1°) għall-grafene BLG63 mibrum.
Il-proprjetajiet elettriċi tal-NGF/SiO2/Si tkejlu fi 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 għall-grafita naturali2 u ogħla mill-grafita pirolitika orjentata ħafna disponibbli kummerċjalment (prodotta fi 3000 °C)29. Il-valuri osservati tal-konċentrazzjoni tat-trasportatur tal-elettroni huma żewġ ordnijiet ta' kobor ogħla minn dawk irrappurtati reċentement (7.25 × 10 cm-3) għal films tal-grafita ħoxnin mikron ippreparati bl-użu ta' folji tal-polimide f'temperatura għolja (3200 °C)20.
Aħna wettaqna wkoll kejl tat-trażmittanza UV-viżibbli fuq FS-NGF trasferit għal sottostrati tal-kwarz (Figura 6). L-ispettru li jirriżulta juri trażmittanza kważi kostanti ta' 62% fil-medda ta' 350–800 nm, li jindika li l-NGF huwa trasluċidu għad-dawl viżibbli. Fil-fatt, l-isem "KAUST" jista' jidher fir-ritratt diġitali tal-kampjun fil-Figura 6b. Għalkemm l-istruttura nanokristallina tal-NGF hija differenti minn dik tal-SLG, in-numru ta' saffi jista' jiġi stmat bejn wieħed u ieħor bl-użu tar-regola ta' 2.3% telf ta' trażmissjoni għal kull saff addizzjonali65. Skont din ir-relazzjoni, in-numru ta' saffi tal-grafina b'38% telf ta' trażmissjoni huwa 21. L-NGF imkabbar jikkonsisti prinċipalment minn 300 saff tal-grafina, jiġifieri madwar 100 nm ħoxnin (Fig. 1, SI5 u SI7). Għalhekk, nassumu li t-trasparenza ottika osservata tikkorrispondi għar-reġjuni FLG u MLG, peress li huma mqassma mal-film kollu (Figs. 1, 3, 5 u 6c). Minbarra d-dejta strutturali msemmija hawn fuq, il-konduttività u t-trasparenza jikkonfermaw ukoll il-kwalità kristallina għolja tal-NGF trasferit.
(a) Kejl tat-trażmittanza UV-viżibbli, (b) trasferiment tipiku ta' NGF fuq kwarz bl-użu ta' kampjun rappreżentattiv. (ċ) Skematika ta' NGF (kaxxa skura) b'reġjuni FLG u MLG imqassma b'mod uniformi mmarkati bħala forom każwali griżi fil-kampjun kollu (ara l-Figura 1) (madwar 0.1–3% erja għal kull 100 μm2). Il-forom każwali u d-daqsijiet tagħhom fid-dijagramma huma għal skopijiet illustrattivi biss u ma jikkorrispondux maż-żoni attwali.
NGF trasluċidu mkabbar permezz ta' CVD ġie trasferit qabel għal uċuħ tas-silikon vojta u użat f'ċelloli solari15,16. L-effiċjenza tal-konverżjoni tal-enerġija (PCE) li tirriżulta hija ta' 1.5%. Dawn l-NGFs iwettqu funzjonijiet multipli bħal saffi ta' komposti attivi, mogħdijiet tat-trasport tal-ċarġ, u elettrodi trasparenti15,16. Madankollu, il-film tal-grafita mhuwiex uniformi. Ottimizzazzjoni ulterjuri hija meħtieġa billi jiġu kkontrollati bir-reqqa r-reżistenza tal-folja u t-trażmittanza 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-grafina huma 97.7% trasparenti għad-dawl viżibbli, iżda għandhom reżistenza tal-folja ta' 200–3000 ohms/sq.16. Ir-reżistenza tal-wiċċ tal-films tal-grafina tista' titnaqqas billi jiżdied in-numru ta' saffi (trasferiment multiplu ta' saffi tal-grafina) u billi jiġi doping b'HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Madankollu, dan il-proċess jieħu żmien twil u s-saffi differenti tat-trasferiment mhux dejjem iżommu kuntatt tajjeb. L-NGF tagħna fuq quddiem għandu proprjetajiet bħal konduttività ta' 2000 S/cm, reżistenza tal-folja tal-film ta' 50 ohm/sq. u trasparenza ta' 62%, li jagħmluh alternattiva vijabbli għal kanali konduttivi jew kontro-elettrodi fiċ-ċelloli solari15,16.
Għalkemm l-istruttura u l-kimika tal-wiċċ tal-BS-NGF huma simili għal dawk tal-FS-NGF, il-ħruxija tiegħu hija differenti (“Tkabbir tal-FS- u l-BS-NGF”). Preċedentement, użajna film ultra-rqiq tal-grafita22 bħala sensur tal-gass. Għalhekk, ittestjajna l-fattibbiltà tal-użu tal-BS-NGF għal kompiti ta’ sensing tal-gass (Figura SI10). L-ewwel, porzjonijiet ta’ daqs mm2 tal-BS-NGF ġew trasferiti fuq iċ-ċippa tas-sensor tal-elettrodu interdiġitanti (Figura SI10a-c). Id-dettalji tal-manifattura taċ-ċippa ġew irrappurtati qabel; iż-żona sensittiva attiva tagħha hija ta’ 9 mm267. Fl-immaġini SEM (Figura SI10b u c), l-elettrodu tad-deheb sottostanti huwa viżibbli b’mod ċar mill-NGF. Għal darb’oħra, jista’ jidher li nkiseb kopertura uniformi taċ-ċippa għall-kampjuni kollha. Kejl tas-sensor tal-gass ta’ diversi gassijiet ġie rreġistrat (Fig. SI10d) (Fig. SI11) u r-rati ta’ rispons li rriżultaw huma murija fil-Figuri SI10g. Probabbilment 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 n-natura elettrofilika tal-gass NO2.22,68. Meta jiġi assorbit fuq il-wiċċ tal-grafene, inaqqas l-assorbiment tal-kurrent tal-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 trattament termali (50–150°C) ta' kampjuni esposti għadu għaddej, idealment segwit mill-implimentazzjoni ta' sistemi integrati69.
Matul il-proċess CVD, it-tkabbir tal-grafina jseħħ fuq iż-żewġ naħat tas-sottostrat tal-katalist41. Madankollu, il-BS-grafina ġeneralment titneħħa matul il-proċess tat-trasferiment41. F'dan l-istudju, nuru li tkabbir tal-NGF ta' kwalità għolja u trasferiment tal-NGF mingħajr polimeri jistgħu jinkisbu fuq iż-żewġ naħat tas-support tal-katalist. Il-BS-NGF huwa irqaq (~80 nm) mill-FS-NGF (~100 nm), u din id-differenza hija spjegata mill-fatt li l-BS-Ni mhuwiex espost direttament għall-fluss tal-gass prekursur. Sibna wkoll li l-ħruxija tas-sottostrat NiAR tinfluwenza l-ħruxija tal-NGF. Dawn ir-riżultati jindikaw li l-FS-NGF planari mkabbar jista' jintuża bħala materjal prekursur għall-grafina (permezz ta' metodu ta' esfoljazzjoni70) jew bħala kanal konduttiv fiċ-ċelloli solari15,16. B'kuntrast, il-BS-NGF se jintuża għad-detezzjoni tal-gass (Fig. SI9) u possibilment għal sistemi ta' ħażna tal-enerġija71,72 fejn il-ħruxija tal-wiċċ tiegħu se tkun utli.
Meta wieħed iqis dan ta' hawn fuq, huwa utli li ngħaqqdu x-xogħol attwali ma' films tal-grafita ppubblikati qabel li tkabbru permezz ta' CVD u bl-użu ta' fojl tan-nikil. Kif jidher fit-Tabella 2, il-pressjonijiet ogħla li użajna qassru l-ħin tar-reazzjoni (stadju tat-tkabbir) anke f'temperaturi relattivament baxxi (fil-medda ta' 850–1300 °C). Ksibna wkoll tkabbir akbar mis-soltu, li jindika potenzjal għal espansjoni. Hemm fatturi oħra li għandna nikkunsidraw, li wħud minnhom inkludejna fit-tabella.
NGF ta' kwalità għolja b'żewġ naħat tkabbar fuq fojl tan-nikil permezz ta' CVD katalitiku. Billi telimina s-sottostrati tradizzjonali tal-polimeru (bħal dawk użati fil-grafene CVD), niksbu trasferiment imxarrab nadif u mingħajr difetti ta' NGF (imkabbar fuq in-naħat ta' wara u ta' quddiem tal-fojl tan-nikil) għal varjetà ta' sottostrati kritiċi għall-proċess. Notevolment, l-NGF jinkludi reġjuni FLG u MLG (tipikament 0.1% sa 3% għal kull 100 µm2) li huma integrati strutturalment tajjeb fil-film eħxen. It-TEM planari juri li dawn ir-reġjuni huma magħmula minn munzelli ta' żewġ sa tliet partiċelli tal-grafita/grafene (kristalli jew saffi, rispettivament), li wħud minnhom għandhom diskrepanza rotazzjonali ta' 10–20°. Ir-reġjuni FLG u MLG huma responsabbli għat-trasparenza tal-FS-NGF għad-dawl viżibbli. Fir-rigward tal-folji ta' wara, dawn jistgħu jinġarru paralleli mal-folji ta' quddiem u, kif muri, jista' jkollhom skop funzjonali (pereżempju, għad-detezzjoni tal-gass). Dawn l-istudji huma utli ħafna biex inaqqsu l-iskart u l-ispejjeż fi proċessi CVD fuq skala industrijali.
B'mod ġenerali, il-ħxuna medja tas-CVD NGF tinsab bejn il-grafene (b'saff baxx u b'ħafna saffi) u l-folji tal-grafita industrijali (mikrometriċi). 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-ispiża tal-proċessi ta' produzzjoni industrijali li jużaw ħafna enerġija li jintużaw bħalissa.
Fojl tan-nikil ta' 25 μm ħxuna (purità ta' 99.5%, Goodfellow) ġie installat f'reattur CVD kummerċjali (Aixtron 4-inch BMPro). Is-sistema tnaddfet bl-argon u ġiet evakwata għal pressjoni bażi ta' 10-3 mbar. Imbagħad il-fojl tan-nikil tqiegħed f'Ar/H2 (Wara li l-fojl tan-Ni ġie ttemprat minn qabel għal 5 minuti, il-fojl ġie espost għal pressjoni ta' 500 mbar f'900 °C). L-NGF ġie depożitat fi fluss ta' CH4/H2 (100 cm3 kull wieħed) għal 5 minuti. Il-kampjun imbagħad ġie mkessaħ għal temperatura taħt is-700 °C bl-użu ta' fluss ta' Ar (4000 cm3) f'40 °C/min. Id-dettalji dwar l-ottimizzazzjoni tal-proċess tat-tkabbir tal-NGF huma deskritti x'imkien ieħor30.
Il-morfoloġija tal-wiċċ tal-kampjun ġiet viżwalizzata permezz ta' SEM bl-użu ta' mikroskopju Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Il-ħruxija tal-wiċċ tal-kampjun u l-ħxuna tal-NGF tkejlu bl-użu ta' AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Il-kejl TEM u SAED twettaq bl-użu ta' mikroskopju FEI Titan 80–300 Cubed mgħammar b'kanun ta' emissjoni ta' kamp ta' luminożità għolja (300 kV), monokromatur tat-tip FEI Wien u korrettur tal-aberrazzjoni sferika tal-lenti CEOS biex jinkisbu r-riżultati finali b'riżoluzzjoni spazjali ta' 0.09 nm. Il-kampjuni tal-NGF ġew trasferiti għal grilji tar-ram miksija bil-karbonju għal immaġini TEM ċatti u analiżi tal-istruttura SAED. Għalhekk, il-biċċa l-kbira tal-flocs tal-kampjun huma sospiżi fil-pori tal-membrana ta' appoġġ. Il-kampjuni tal-NGF trasferiti ġew analizzati permezz ta' XRD. Il-mudelli tad-diffrazzjoni tar-raġġi-X inkisbu bl-użu ta' diffrattometru tat-trab (Brucker, shifter tal-fażi D2 b'sors Cu Kα, 1.5418 Å u ditekter LYNXEYE) bl-użu ta' sors ta' radjazzjoni Cu b'dijametru tal-post tar-raġġ ta' 3 mm.
Diversi kejl tal-punt Raman ġew irreġistrati bl-użu ta' mikroskopju konfokali integranti (Alpha 300 RA, WITeC). Intuża laser ta' 532 nm b'qawwa ta' eċċitazzjoni baxxa (25%) biex jiġu evitati effetti indotti termalment. L-ispettroskopija tal-fotoelettroni bir-raġġi-X (XPS) twettqet fuq spettrometru Kratos Axis Ultra fuq erja ta' kampjun ta' 300 × 700 μm2 bl-użu ta' radjazzjoni monokromatika Al Kα (hν = 1486.6 eV) b'qawwa ta' 150 W. L-ispettri tar-riżoluzzjoni nkisbu b'enerġiji ta' trasmissjoni ta' 160 eV u 20 eV, rispettivament. Il-kampjuni NGF trasferiti fuq SiO2 inqatgħu f'biċċiet (3 × 10 mm2 kull wieħed) bl-użu ta' laser tal-fibra tal-itterbju PLS6MW (1.06 μm) b'qawwa ta' 30 W. Il-kuntatti tal-wajer tar-ram (50 μm ħoxnin) ġew iffabbrikati bl-użu ta' pejst tal-fidda taħt mikroskopju ottiku. Esperimenti tat-trasport elettriku u tal-effett Hall twettqu fuq dawn il-kampjuni f'temperatura ta' 300 K u varjazzjoni tal-kamp manjetiku ta' ± 9 Tesla f'sistema ta' kejl tal-proprjetajiet fiżiċi (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). L-ispettri UV-vis trasmessi ġew irreġistrati bl-użu ta' spettrofotometru Lambda 950 UV-vis fil-medda NGF ta' 350–800 nm trasferiti għal sottostrati tal-kwarz u kampjuni ta' referenza tal-kwarz.
Is-senser tar-reżistenza kimika (ċippa tal-elettrodu interdiġitata) kien imqabbad ma' bord taċ-ċirkwit stampat 73 apposta u r-reżistenza ġiet estratta temporanjament. Il-bord taċ-ċirkwit stampat li fuqu jinsab l-apparat huwa konness mat-terminals tal-kuntatt u mqiegħed ġewwa l-kompartiment tas-sensing tal-gass 74. Il-kejl tar-reżistenza ttieħed b'vultaġġ ta' 1 V bi skenn kontinwu mit-tneħħija għall-espożizzjoni għall-gass u mbagħad it-tneħħija mill-ġdid. Il-kompartiment inizjalment tnaddaf billi tnaddaf bin-nitroġenu f'200 cm3 għal siegħa biex tiġi żgurata t-tneħħija tal-analiti l-oħra kollha preżenti fil-kompartiment, inkluża l-umdità. L-analiti individwali mbagħad ġew rilaxxati bil-mod fil-kompartiment bl-istess rata ta' fluss ta' 200 cm3 billi ngħalaq iċ-ċilindru N2.
Verżjoni riveduta ta’ dan l-artiklu ġiet ippubblikata u tista’ tiġi aċċessata permezz tal-link fil-parti ta’ fuq tal-artiklu.
Inagaki, M. u Kang, F. Xjenza u Inġinerija tal-Materjali tal-Karbonju: Prinċipji Fundamentali. It-tieni edizzjoni editjata. 2014. 542.
Pearson, HO Manwal tal-Karbonju, Grafita, Djamant u Fullereni: Proprjetajiet, Ipproċessar u Applikazzjonijiet. L-ewwel edizzjoni ġiet editjata. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Films tal-grafene/grafita b'ħafna saffi b'erja kbira bħala elettrodi konduttivi rqaq trasparenti. applikazzjoni. fiżika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Proprjetajiet termali tal-grafina u materjali tal-karbonju nanostrutturati. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW u Cahill DG Konduttività termali ta' films tal-grafita mkabbra fuq Ni (111) permezz ta' depożizzjoni kimika tal-fwar f'temperatura baxxa. avverbju. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Tkabbir kontinwu ta' films tal-grafene permezz ta' depożizzjoni kimika tal-fwar. applikazzjoni. fiżika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Ħin tal-posta: 23 ta' Awwissu 2024