Ташаккур барои боздид аз Nature.com. Версияи браузере, ки шумо истифода мебаред, дастгирии маҳдуди CSS дорад. Барои натиҷаҳои беҳтарин, мо тавсия медиҳем, ки шумо версияи нави браузери худро истифода баред (ё Реҷаи Мутобиқатро дар Internet Explorer ғайрифаъол кунед). Дар айни замон, барои таъмини дастгирии доимӣ, мо сайтро бе услубсозӣ ё JavaScript намоиш медиҳем.
Плёнкаҳои графити наноандоза (NGF) наноматериалҳои мустаҳкам мебошанд, ки метавонанд бо роҳи таҳшинкунии буғии каталитикӣ истеҳсол карда шаванд, аммо саволҳо дар бораи осонии интиқоли онҳо ва таъсири морфологияи сатҳ ба истифодаи онҳо дар дастгоҳҳои насли оянда боқӣ мемонанд. Дар ин ҷо мо афзоиши NGF-ро дар ҳарду тарафи фолгаи никелии поликристаллӣ (масоҳат 55 см2, ғафсӣ тақрибан 100 нм) ва интиқоли он бидуни полимер (пеш ва қафо, масоҳат то 6 см2) гузориш медиҳем. Аз сабаби морфологияи фолгаи катализатор, ду плёнкаи карбон аз ҷиҳати хосиятҳои физикӣ ва дигар хусусиятҳои худ (масалан, ноҳамвории сатҳ) фарқ мекунанд. Мо нишон медиҳем, ки NGF-ҳо бо тарафи қафои ноҳамвортар барои муайян кардани NO2 хеле мувофиқанд, дар ҳоле ки NGF-ҳои ҳамвортар ва гузаронандатар дар тарафи пеш (2000 С/см2, муқовимати варақ - 50 ом/м2) метавонанд ноқилҳои қобили қабул бошанд. канал ё электроди батареяи офтобӣ (зеро он 62% нури намоёнро интиқол медиҳад). Умуман, равандҳои тавсифшудаи афзоиш ва интиқол метавонанд ба татбиқи NGF ҳамчун маводи алтернативии карбон барои барномаҳои технологӣ, ки дар онҳо графен ва плёнкаҳои графити ғафсии микрон мувофиқ нестанд, мусоидат кунанд.
Графит як маводи саноатии васеъ истифодашаванда аст. Қобили зикр аст, ки графит дорои хосиятҳои зичии нисбатан пасти масса ва гузаронандагии баланди гармӣ ва барқӣ дар сатҳи ҳамворӣ мебошад ва дар муҳитҳои сахти гармӣ ва кимиёвӣ хеле устувор аст1,2. Графити пораҳо маводи ибтидоии маъруф барои таҳқиқоти графен аст3. Ҳангоми коркард ба плёнкаҳои тунук, онро дар доираи васеи барномаҳо, аз ҷумла гармкунакҳо барои дастгоҳҳои электронӣ, ба монанди смартфонҳо4,5,6,7, ҳамчун маводи фаъол дар сенсорҳо8,9,10 ва барои муҳофизати халалҳои электромагнитӣ11,12 ва плёнкаҳо барои литография дар ултрабунафши шадид13,14, каналҳои гузаронанда дар батареяҳои офтобӣ15,16, истифода бурдан мумкин аст. Барои ҳамаи ин барномаҳо, агар майдонҳои калони плёнкаҳои графитӣ (NGF) бо ғафсии дар наномасштаби <100 нм назоратшаванда ба осонӣ истеҳсол ва интиқол дода шаванд, як бартарии назаррас хоҳад буд.
Плёнкаҳои графитӣ бо усулҳои гуногун истеҳсол карда мешаванд. Дар як ҳолат, барои истеҳсоли пораҳои графен, ҷойгиркунӣ ва васеъкунӣ ва баъдан эксфолиатсия истифода мешуд10,11,17. Пораҳо бояд минбаъд ба плёнкаҳои ғафсии зарурӣ коркард карда шаванд ва аксар вақт барои истеҳсоли варақаҳои зичи графитӣ якчанд рӯз лозим аст. Роҳи дигар ин оғоз кардан бо пешгузаштаҳои сахти графитӣ мебошад. Дар саноат, варақаҳои полимерҳо карбонизатсия карда мешаванд (дар 1000-1500 °C) ва сипас графитизатсия карда мешаванд (дар 2800-3200 °C), то маводҳои қабатдори хуб сохташударо ташкил диҳанд. Гарчанде ки сифати ин плёнкаҳо баланд аст, истеъмоли энергия назаррас аст1,18,19 ва ғафсии ҳадди ақал ба чанд микрон1,18,19,20 маҳдуд аст.
Чопкунии буғии каталитикӣ (CVD) як усули маъруфи истеҳсоли плёнкаҳои графити графитӣ ва ултратунук (<10 нм) бо сифати баланди сохторӣ ва арзиши муносиб мебошад21,22,23,24,25,26,27. Аммо, дар муқоиса бо афзоиши плёнкаҳои графити графитӣ ва ултратунук28, афзоиши масоҳати калон ва/ё истифодаи NGF бо истифода аз CVD боз ҳам камтар омӯхта шудааст11,13,29,30,31,32,33.
Плёнкаҳои графен ва графити парваришёфтаи CVD аксар вақт бояд ба субстратҳои функсионалӣ интиқол дода шаванд34. Ин интиқолҳои плёнкаи тунук ду усули асосиро дар бар мегиранд35: (1) интиқоли ғайрикандакорӣ36,37 ва (2) интиқоли тар дар асоси кимиёвии коркард (субстрат дастгирӣ карда мешавад)14,34,38. Ҳар як усул баъзе бартариҳо ва нуқсонҳо дорад ва бояд вобаста ба татбиқи пешбинишуда интихоб карда шавад, чунон ки дар ҷои дигар тавсиф шудааст35,39. Барои плёнкаҳои графен/графит, ки дар субстратҳои каталитикӣ парвариш карда мешаванд, интиқол тавассути равандҳои тар дар кимиёвӣ (аз он ҷумла полиметилметакрилат (PMMA) қабати такягоҳи маъмултарин аст) интихоби аввал боқӣ мемонад13,30,34,38,40,41,42. Шумо ва дигарон қайд карда шуд, ки барои интиқоли NGF ягон полимер истифода нашудааст (андозаи намуна тақрибан 4 см2)25,43, аммо дар бораи устувории намуна ва/ё коркард ҳангоми интиқол ягон тафсилот дода нашудааст; Равандҳои химияи тар бо истифода аз полимерҳо аз якчанд марҳила иборатанд, аз ҷумла истифода ва тоза кардани минбаъдаи қабати полимери қурбонӣ30,38,40,41,42. Ин раванд камбудиҳо дорад: масалан, боқимондаҳои полимер метавонанд хосиятҳои плёнкаи парваришшударо тағйир диҳанд38. Коркарди иловагӣ метавонад полимери боқимондаро тоза кунад, аммо ин қадамҳои иловагӣ арзиш ва вақти истеҳсоли плёнкаро зиёд мекунанд38,40. Ҳангоми афзоиши CVD, қабати графен на танҳо дар тарафи пеши фолгаи катализатор (тарафе, ки ба ҷараёни буғ нигаронида шудааст), балки дар тарафи қафои он низ ҷойгир мешавад. Аммо, охирин маҳсулоти партов ҳисобида мешавад ва онро бо плазмаи нарм зуд тоза кардан мумкин аст38,41. Коркарди дубораи ин плёнка метавонад ба ҳадди аксар расонидани ҳосил мусоидат кунад, ҳатто агар он аз плёнкаи карбонии рӯй пасттар бошад.
Дар ин ҷо, мо дар бораи тайёр кардани афзоиши дуҷонибаи NGF дар миқёси вафли бо сифати баланди сохторӣ дар фолгаи никелии поликристаллӣ бо истифода аз CVD гузориш медиҳем. Арзёбӣ карда шуд, ки чӣ гуна ноҳамвории сатҳи пеш ва қафои фолга ба морфология ва сохтори NGF таъсир мерасонад. Мо инчунин интиқоли камхарҷ ва аз ҷиҳати экологӣ тозаи NGF-ро аз ҳарду тарафи фолгаи никел ба субстратҳои бисёрфунксионалӣ нишон медиҳем ва нишон медиҳем, ки чӣ гуна плёнкаҳои пеш ва қафо барои истифодаҳои гуногун мувофиқанд.
Дар бахшҳои зерин ғафсии гуногуни плёнкаи графит вобаста ба шумораи қабатҳои графени қабат-қабат баррасӣ мешавад: (i) графени якқабата (SLG, 1 қабат), (ii) графени чандқабата (FLG, < 10 қабат), (iii) графени бисёрқабата (MLG, 10-30 қабат) ва (iv) NGF (~300 қабат). Охирин ғафсии маъмултарин аст, ки ҳамчун фоизи масоҳат ифода карда мешавад (тақрибан 97% масоҳат барои 100 мкм2)30. Аз ин рӯ, тамоми плёнка танҳо NGF номида мешавад.
Фолгаҳои никелии поликристаллӣ, ки барои синтези плёнкаҳои графен ва графит истифода мешаванд, дар натиҷаи истеҳсол ва коркарди минбаъдаи онҳо сохторҳои гуногун доранд. Мо ба наздикӣ дар бораи як таҳқиқоте барои беҳтар кардани раванди афзоиши NGF30 хабар додем. Мо нишон медиҳем, ки параметрҳои раванд, ба монанди вақти тафсондан ва фишори камера дар марҳилаи афзоиш, дар ба даст овардани NGF-ҳои ғафсии якхела нақши муҳим доранд. Дар ин ҷо, мо афзоиши NGF-ро дар сатҳҳои пеши сайқалёфта (FS) ва қафои сайқалнаёфтаи (BS) фолгаи никел минбаъд таҳқиқ кардем (Расми 1a). Се намуди намунаҳои FS ва BS, ки дар Ҷадвали 1 номбар шудаанд, тафтиш карда шуданд. Пас аз санҷиши визуалӣ, афзоиши якхелаи NGF дар ҳарду тарафи фолгаи никел (NiAG)-ро бо тағирёбии ранги субстрати асосии Ni аз ранги хоси нуқрагини металлӣ ба ранги хокистарии матт дидан мумкин аст (Расми 1a); андозагириҳои микроскопӣ тасдиқ карда шуданд (Расми 1b, c). Спектри маъмулии Рамани FS-NGF, ки дар минтақаи дурахшон мушоҳида мешавад ва бо тирҳои сурх, кабуд ва норанҷӣ дар расми 1b нишон дода шудааст, дар расми 1c нишон дода шудааст. Қуллаҳои хоси Рамани графит G (1683 см−1) ва 2D (2696 см−1) афзоиши NGF-и хеле кристаллиро тасдиқ мекунанд (Расми 1c, Ҷадвали SI1). Дар тӯли филм, бартарии спектрҳои Раман бо таносуби шиддат (I2D/IG) ~0.3 мушоҳида шуд, дар ҳоле ки спектрҳои Раман бо I2D/IG = 0.8 хеле кам мушоҳида шуданд. Набудани қуллаҳои нуқсондор (D = 1350 см-1) дар тамоми филм аз сифати баланди афзоиши NGF шаҳодат медиҳад. Натиҷаҳои шабеҳи Раман дар намунаи BS-NGF ба даст оварда шуданд (Расми SI1 а ва b, Ҷадвали SI1).
Муқоисаи NiAG FS- ва BS-NGF: (a) Акси намунаи маъмулии NGF (NiAG), ки афзоиши NGF-ро дар миқёси вафли (55 см2) ва намунаҳои фолгаи BS- ва FS-Ni-и ҳосилшударо нишон медиҳад, (b) Тасвирҳои FS-NGF/Ni, ки бо истифода аз микроскопи оптикӣ ба даст оварда шудаанд, (c) спектрҳои маъмулии Раман, ки дар мавқеъҳои гуногун дар панели b сабт шудаанд, (d, f) Тасвирҳои SEM бо бузургкуниҳои гуногун дар FS-NGF/Ni, (e, g) Тасвирҳои SEM бо бузургкуниҳои гуногун Маҷмӯи BS -NGF/Ni. Тири кабуд минтақаи FLG-ро, тири норанҷӣ минтақаи MLG-ро (дар наздикии минтақаи FLG), тири сурх минтақаи NGF-ро ва тири арғувонӣ печро нишон медиҳад.
Азбаски афзоиш аз ғафсии субстрати ибтидоӣ, андозаи булӯр, самт ва ҳудудҳои донаҳо вобаста аст, ба даст овардани назорати оқилонаи ғафсии NGF дар масоҳатҳои калон мушкил боқӣ мемонад20,34,44. Дар ин таҳқиқот аз мундариҷае, ки мо қаблан нашр карда будем, истифода шудааст30. Ин раванд минтақаи дурахшонро аз 0,1 то 3% барои 100 мкм ба вуҷуд меорад230. Дар бахшҳои зерин мо натиҷаҳоро барои ҳарду намуди минтақаҳо пешниҳод мекунем. Тасвирҳои SEM бо андозаи баланд мавҷудияти якчанд минтақаҳои контрасти дурахшонро дар ҳарду тараф нишон медиҳанд (Расми 1f,g), ки мавҷудияти минтақаҳои FLG ва MLG-ро нишон медиҳад30,45. Ин инчунин бо парокандагии Раман (Расми 1c) ва натиҷаҳои TEM (баъдтар дар бахши "FS-NGF: сохтор ва хосиятҳо" баррасӣ мешавад) тасдиқ карда шуд. Минтақаҳои FLG ва MLG, ки дар намунаҳои FS- ва BS-NGF/Ni мушоҳида шудаанд (NGF-и пеш ва қафо, ки дар Ni парвариш карда шудаанд), метавонанд дар донаҳои калони Ni(111), ки ҳангоми пеш аз гармкунӣ ташаккул ёфтаанд, афзоиш ёфта бошанд22,30,45. Дар ҳарду тараф печидан мушоҳида шуд (расми 1b, ки бо тирҳои арғувонӣ ишора шудааст). Ин печиданҳо аксар вақт дар плёнкаҳои графен ва графити парваришёфтаи CVD пайдо мешаванд, ки ин аз сабаби фарқияти калон дар коэффитсиенти васеъшавии гармӣ байни графит ва субстрати никел ба вуҷуд меояд30,38.
Тасвири AFM тасдиқ кард, ки намунаи FS-NGF нисбат ба намунаи BS-NGF ҳамвортар аст (Расми SI1) (Расми SI2). Арзишҳои ноҳамвории миёнаи квадратии (RMS) FS-NGF/Ni (Расми SI2c) ва BS-NGF/Ni (Расми SI2d) мутаносибан 82 ва 200 нм мебошанд (дар масоҳати 20 × 20 мкм2 чен карда шудаанд). Ноҳамвории баландтарро метавон дар асоси таҳлили сатҳии фолгаи никел (NiAR) дар ҳолати қабулшуда фаҳмид (Расми SI3). Тасвирҳои SEM-и FS ва BS-NiAR дар расмҳои SI3a–d нишон дода шудаанд, ки морфологияҳои гуногуни сатҳро нишон медиҳанд: фолгаи сайқалёфтаи FS-Ni зарраҳои сферии андозаи нано ва микрон дорад, дар ҳоле ки фолгаи сайқалнаёфтаи BS-Ni зинапояи истеҳсолӣ нишон медиҳад. ҳамчун зарраҳо бо қувваи баланд ва коҳиш. Тасвирҳои паст ва баландсифати фолгаи никелии тафсондашуда (NiA) дар расми SI3e–h нишон дода шудаанд. Дар ин расмҳо, мо метавонем мавҷудияти якчанд зарраҳои никелии андозаи микронро дар ҳарду тарафи фолгаи никел мушоҳида кунем (Расми SI3e–h). Донаҳои калон метавонанд самти сатҳи Ni(111) дошта бошанд, чунон ки қаблан гузориш шуда буд30,46. Дар морфологияи фолгаи никел байни FS-NiA ва BS-NiA фарқиятҳои назаррас мавҷуданд. Ноҳамвории баланди BS-NGF/Ni аз сатҳи сайқалнаёфтаи BS-NiAR вобаста аст, ки сатҳи он ҳатто пас аз тафсондан ба таври назаррас ноҳамвор боқӣ мемонад (Расми SI3). Ин намуди тавсифи сатҳ пеш аз раванди афзоиш имкон медиҳад, ки ноҳамвории плёнкаҳои графен ва графит назорат карда шавад. Бояд қайд кард, ки субстрати аслӣ ҳангоми афзоиши графен баъзе аз нав ташкили донаҳоро аз сар гузаронидааст, ки дар муқоиса бо плёнкаи тафсондашуда ва плёнкаи катализатор каме андозаи донаҳоро кам ва ноҳамвории сатҳи субстратро каме зиёд кардааст22.
Танзими дақиқи ноҳамвории сатҳи субстрат, вақти тафсондан (андозаи дона)30,47 ва назорати раҳоӣ43 ба коҳиш додани якрангии ғафсии минтақавии NGF то миқёси µm2 ва/ё ҳатто nm2 (яъне, тағирёбии ғафсии чанд нанометр) мусоидат мекунад. Барои назорат кардани ноҳамвории сатҳи субстрат, усулҳо ба монанди сайқалдиҳии электролитии фолгаи никелии ҳосилшударо метавон баррасӣ кард48. Сипас фолгаи никелии пешакӣ коркардшударо метавон дар ҳарорати пасттар (<900 °C)46 ва вақт (<5 дақиқа) тафсонд, то аз пайдоиши доначаҳои калони Ni(111) пешгирӣ карда шавад (ки барои афзоиши FLG муфид аст).
Графени SLG ва FLG наметавонад ба шиддати сатҳии кислотаҳо ва об тоб оварад, ки ҳангоми равандҳои интиқоли кимиёвии тар қабатҳои дастгирии механикӣ лозиманд22,34,38. Бар хилофи интиқоли кимиёвии тар аз графени якқабата, ки бо полимер дастгирӣ мешавад38, мо муайян кардем, ки ҳарду тарафи NGF-и парваришёфтаро бе дастгирии полимер интиқол додан мумкин аст, чунон ки дар расми 2a нишон дода шудааст (барои тафсилоти бештар ба расми SI4a нигаред). Интиқоли NGF ба як субстрати додашуда бо кандакории тар аз плёнкаи зеризаминии Ni30.49 оғоз мешавад. Намунаҳои парваришёфтаи NGF/Ni/NGF шабона дар 15 мл 70% HNO3 бо 600 мл оби деионизатсияшуда (DI) ҷойгир карда шуданд. Пас аз пурра ҳал шудани фолгаи Ni, FS-NGF ҳамвор мемонад ва дар сатҳи моеъ шино мекунад, мисли намунаи NGF/Ni/NGF, дар ҳоле ки BS-NGF дар об ғӯтонида мешавад (расми 2a,b). Сипас, NGF-и ҷудошуда аз як стакан, ки оби тозаи деионизатсияшударо дошт, ба стакани дигар интиқол дода шуд ва NGF-и ҷудошуда бодиққат шуста шуд ва ин корро аз чор то шаш маротиба тавассути зарфи шишагии коҷ такрор кард. Дар ниҳоят, FS-NGF ва BS-NGF ба рӯи таҳкурсии дилхоҳ гузошта шуданд (Расми 2c).
Раванди интиқоли кимиёвии тар бидуни полимер барои NGF, ки дар фолгаи никел парвариш карда шудааст: (а) Диаграммаи ҷараёни раванд (барои тафсилоти бештар ба расми SI4 нигаред), (б) Акси рақамии NGF-и ҷудошуда пас аз кандакории Ni (2 намуна), (в) Намунаи интиқоли FS – ва BS-NGF ба субстрати SiO2/Si, (г) интиқоли FS-NGF ба субстрати полимерии ношаффоф, (д) BS-NGF аз ҳамон намунае, ки панели d (ба ду қисм тақсим шудааст), ба коғази тиллоӣ C ва Nafion (субстрати шаффофи чандир, канорҳо бо кунҷҳои сурх қайд карда шудаанд) интиқол дода шудааст.
Дар хотир доред, ки интиқоли SLG, ки бо истифода аз усулҳои интиқоли кимиёвии тар анҷом дода мешавад, вақти умумии коркарди 20-24 соатро талаб мекунад 38. Бо усули интиқоли бе полимер, ки дар ин ҷо нишон дода шудааст (Расми SI4a), вақти умумии коркарди интиқоли NGF ба таври назаррас кам карда мешавад (тақрибан 15 соат). Раванд аз инҳо иборат аст: (Қадами 1) Маҳлули кандакорӣ омода кунед ва намунаро дар он ҷойгир кунед (~10 дақиқа), сипас шабона барои кандакорӣ бо Ni интизор шавед (~7200 дақиқа), (Қадами 2) Бо оби деионизатсияшуда бишӯед (Қадами – 3). Дар оби деионизатсияшуда нигоҳ доред ё ба субстрати мақсаднок интиқол диҳед (20 дақиқа). Оби байни NGF ва матритсаи оммавӣ бо таъсири капиллярӣ (бо истифода аз коғази блоттинг) хориҷ карда мешавад 38, сипас қатраҳои боқимондаи об бо хушккунии табиӣ хориҷ карда мешаванд (тақрибан 30 дақиқа) ва дар ниҳоят намуна дар танӯри вакуумӣ (10-1 мбар) дар ҳарорати 50-90 °C (60 дақиқа) 38 ба муддати 10 дақиқа хушк карда мешавад.
Маълум аст, ки графит дар ҳарорати нисбатан баланд (≥ 200 °C)50,51,52 ба мавҷудияти об ва ҳаво тоб меорад. Мо намунаҳоро бо истифода аз спектроскопияи Раман, SEM ва XRD пас аз нигоҳдорӣ дар оби деионизатсияшуда дар ҳарорати хонагӣ ва дар шишаҳои мӯҳршуда барои ҳар ҷо аз чанд рӯз то як сол санҷидаем (Расми SI4). Таназзули назаррас вуҷуд надорад. Расми 2c FS-NGF ва BS-NGF-и мустақилро дар оби деионизатсияшуда нишон медиҳад. Мо онҳоро дар субстрати SiO2 (300 нм)/Si сабт кардем, чунон ки дар аввали расми 2c нишон дода шудааст. Илова бар ин, тавре ки дар расми 2d,e нишон дода шудааст, NGF-и пайвастаро метавон ба субстратҳои гуногун, ба монанди полимерҳо (полиамиди Термабрайт аз Nexolve ва Nafion) ва коғази карбонии тиллоӣ интиқол дод. FS-NGF-и шинокунанда ба осонӣ дар субстрати мақсаднок ҷойгир карда шуд (Расми 2c, d). Аммо, ҳангоми пурра ғӯтонидан дар об, коркарди намунаҳои BS-NGF-и калонтар аз 3 см2 душвор буд. Одатан, вақте ки онҳо дар об ғелонда мешаванд, аз сабаби муносибати беэҳтиётӣ баъзан ба ду ё се қисм тақсим мешаванд (Расми 2e). Умуман, мо тавонистем интиқоли бе полимерии PS- ва BS-NGF-ро (интиқоли бефосилаи пайваста бидуни афзоиши NGF/Ni/NGF дар 6 см2) барои намунаҳои то 6 ва 3 см2 масоҳат ба даст орем. Ҳама гуна қисмҳои калон ё хурди боқимондаро метавон (ба осонӣ дар маҳлули кандакорӣ ё оби деионизатсияшуда дидан мумкин аст) дар зеризаминии дилхоҳ (~1 мм2, Расми SI4b, ба намуна нигаред, ки ба шабакаи мисӣ интиқол дода шудааст, ба монанди "FS-NGF: Сохтор ва хосиятҳо (дар зери "Сохтор ва хосиятҳо" баррасӣ шудааст)") ё барои истифодаи оянда нигоҳ дошт (Расми SI4). Бар асоси ин меъёр, мо тахмин мезанем, ки NGF метавонад бо ҳосили то 98-99% барқарор карда шавад (пас аз афзоиш барои интиқол).
Намунаҳои интиқолӣ бе полимер муфассал таҳлил карда шуданд. Хусусиятҳои морфологии сатҳӣ, ки дар FS- ва BS-NGF/SiO2/Si (Расми 2c) бо истифода аз микроскопияи оптикӣ (OM) ва тасвирҳои SEM (Расми SI5 ва Расми 3) ба даст оварда шудаанд, нишон доданд, ки ин намунаҳо бе микроскопия интиқол дода шудаанд. Зарари сохтории намоён ба монанди тарқишҳо, сӯрохиҳо ё минтақаҳои кушода. Қатъҳо дар NGF-и афзоянда (Расми 3b, d, ки бо тирҳои арғувонӣ қайд карда шудаанд) пас аз интиқол бетағйир монданд. Ҳам FS- ва ҳам BS-NGF аз минтақаҳои FLG иборатанд (минтақаҳои дурахшон бо тирҳои кабуд дар расми 3 нишон дода шудаанд). Тааҷҷубовар аст, ки бар хилофи чанд минтақаҳои осебдида, ки одатан ҳангоми интиқоли полимерии плёнкаҳои графити ултра тунук мушоҳида мешаванд, якчанд минтақаҳои FLG ва MLG-и андозаи микрон, ки ба NGF пайваст мешаванд (бо тирҳои кабуд дар расми 3d нишон дода шудаанд), бе тарқишҳо ё шикастан интиқол дода шуданд (Расми 3d). . Якпорчагии механикӣ минбаъд бо истифода аз тасвирҳои TEM ва SEM-и NGF, ки ба шабакаҳои мисии тӯрӣ-карбон интиқол дода шудаанд, тасдиқ карда шуд, ки баъдтар баррасӣ шуд ("FS-NGF: Сохтор ва хосиятҳо"). BS-NGF/SiO2/Si-и интиқолшуда нисбат ба FS-NGF/SiO2/Si бо арзишҳои rms мутаносибан 140 нм ва 17 нм ноҳамвортар аст, ки дар расми SI6a ва b (20 × 20 μm2) нишон дода шудааст. Арзиши RMS-и NGF-и интиқолшуда ба субстрати SiO2/Si (RMS < 2 нм) нисбат ба NGF-и парваришшуда дар Ni (Расми SI2) ба таври назаррас пасттар аст (тақрибан 3 маротиба), ки нишон медиҳад, ки ноҳамвории иловагӣ метавонад ба сатҳи Ni мувофиқат кунад. Илова бар ин, тасвирҳои AFM, ки дар канорҳои намунаҳои FS- ва BS-NGF/SiO2/Si анҷом дода шудаанд, ғафсии NGF-ро мутаносибан 100 ва 80 нм нишон доданд (Расми SI7). Ғафсии хурдтари BS-NGF метавонад натиҷаи он бошад, ки сатҳ мустақиман ба гази пешгузашта дучор намешавад.
NGF-и интиқолшуда (NiAG) бе полимер дар лавҳаи SiO2/Si (нигаред ба расми 2c): (a,b) Тасвирҳои SEM-и FS-NGF-и интиқолшуда: бузургии паст ва баланд (мувофиқ ба мураббаъи норанҷӣ дар панел). Минтақаҳои маъмулӣ) – а). (c,d) Тасвирҳои SEM-и BS-NGF-и интиқолшуда: бузургии паст ва баланд (мувофиқ ба минтақаи маъмулӣ, ки бо мураббаъи норанҷӣ дар панели c нишон дода шудааст). (e, f) Тасвирҳои AFM-и FS- ва BS-NGF-ҳои интиқолшуда. Тири кабуд минтақаи FLG-ро нишон медиҳад – контрасти дурахшон, тири кабуд – контрасти сиёҳи MLG, тири сурх – контрасти сиёҳ минтақаи NGF-ро нишон медиҳад ва тири арғувонӣ қатро нишон медиҳад.
Таркиби кимиёвии FS- ва BS-NGF-ҳои парваришёфта ва интиқолёфта бо истифода аз спектроскопияи фотоэлектронии рентгенӣ (XPS) таҳлил карда шуд (Расми 4). Дар спектрҳои ченшуда қуллаи заиф мушоҳида шуд (Расми 4a, b), ки ба субстрати Ni (850 eV)-и FS- ва BS-NGF-ҳои парваришёфта (NiAG) мувофиқат мекунад. Дар спектрҳои ченшудаи FS- ва BS-NGF/SiO2/Si интиқолшуда қуллаҳо вуҷуд надоранд (Расми 4c; натиҷаҳои монанд барои BS-NGF/SiO2/Si нишон дода нашудаанд), ки нишон медиҳанд, ки пас аз интиқол ифлосшавии боқимондаи Ni вуҷуд надорад. Расмҳои 4d–f спектрҳои баландсифати сатҳҳои энергияи C 1 s, O 1 s ва Si 2p-и FS-NGF/SiO2/Si-ро нишон медиҳанд. Энергияи пайвастшавии C 1 s-и графит 284.4 eV53.54 аст. Шакли хаттии қуллаҳои графитӣ одатан асимметрӣ ҳисобида мешавад, чунон ки дар расми 4d54 нишон дода шудааст. Спектри сатҳи баланди аслии C1s (расми 4d) низ интиқоли холисро (яъне, боқимондаҳои полимерӣ надоштан) тасдиқ кард, ки бо таҳқиқоти қаблӣ38 мувофиқ аст. Паҳнои хатҳои спектрҳои C1s намунаи нав парваришёфта (NiAG) ва пас аз интиқол мутаносибан 0,55 ва 0,62 эВ мебошанд. Ин арзишҳо нисбат ба SLG (0,49 эВ барои SLG дар субстрати SiO2)38 баландтаранд. Аммо, ин арзишҳо нисбат ба паҳнои хатҳои қаблан гузоришшуда барои намунаҳои графени пиролитикии баландсамтӣ (~0,75 эВ)53,54,55 хурдтаранд, ки аз набудани ҷойҳои нуқсондори карбон дар маводи ҷорӣ шаҳодат медиҳад. Спектрҳои сатҳи заминии C1s ва O1s низ китф надоранд, ки ниёз ба деконволютсияи қуллаҳои баландсифатро аз байн мебарад54. Қуллаи моҳвораии π → π* дар атрофи 291.1 эВ мавҷуд аст, ки аксар вақт дар намунаҳои графит мушоҳида мешавад. Сигналҳои 103 эВ ва 532.5 эВ дар спектрҳои сатҳи аслии Si 2p ва O 1s (нигаред ба расми 4e, f) мутаносибан ба субстрати SiO2 56 нисбат дода мешаванд. XPS як техникаи ҳассос ба сатҳ аст, аз ин рӯ, сигналҳои мувофиқ ба Ni ва SiO2, ки мутаносибан пеш аз ва баъд аз интиқоли NGF муайян карда шудаанд, аз минтақаи FLG сарчашма мегиранд, тахмин карда мешавад. Натиҷаҳои монанд барои намунаҳои интиқолшудаи BS-NGF (нишон дода нашудаанд) мушоҳида шуданд.
Натиҷаҳои NiAG XPS: (ac) Спектрҳои омӯзиши таркибҳои гуногуни атомии элементҳои мутаносибан FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ва FS-NGF/SiO2/Si-и интиқолшуда. (d–f) Спектрҳои баландсифати сатҳҳои аслӣ C 1 s, O 1s ва Si 2p-и намунаи FS-NGF/SiO2/Si.
Сифати умумии кристаллҳои NGF-и интиқолшуда бо истифода аз дифраксияи рентгенӣ (XRD) арзёбӣ карда шуд. Нақшаҳои маъмулии XRD (Расми SI8)-и FS- ва BS-NGF/SiO2/Si-и интиқолшуда мавҷудияти қуллаҳои дифраксия (0 0 0 2) ва (0 0 0 4)-ро дар 26.6° ва 54.7°, ки ба графит монанданд, нишон медиҳанд. Ин сифати баланди кристаллии NGF-ро тасдиқ мекунад ва ба масофаи байниқабатҳои d = 0.335 нм мувофиқат мекунад, ки пас аз марҳилаи интиқол нигоҳ дошта мешавад. Шиддати қуллаи дифраксия (0 0 0 2) тақрибан 30 маротиба аз қуллаи дифраксия (0 0 0 4) зиёдтар аст, ки нишон медиҳад, ки сатҳи кристаллии NGF бо сатҳи намуна хуб ҳамоҳанг шудааст.
Мувофиқи натиҷаҳои SEM, спектроскопияи Раман, XPS ва XRD, сифати BS-NGF/Ni бо сифати FS-NGF/Ni якхела будааст, гарчанде ки ноҳамвории rms-и он каме баландтар буд (Расмҳои SI2, SI5) ва SI7).
SLG-ҳо бо қабатҳои дастгирии полимер то ғафсии 200 нм метавонанд дар рӯи об шино кунанд. Ин дастгоҳ одатан дар равандҳои интиқоли тар бо ёрии полимер истифода мешавад22,38. Графен ва графит гидрофобӣ мебошанд (кунҷи тар 80-90°)57. Гузориш дода шудааст, ки сатҳҳои энергияи потенсиалии ҳам графен ва ҳам FLG хеле ҳамвор буда, энергияи потенсиалии паст (~1 кҶ/мол) барои ҳаракати паҳлӯии об дар сатҳ58 доранд. Аммо, энергияҳои мутақобилаи ҳисобшудаи об бо графен ва се қабати графен мутаносибан тақрибан − 13 ва − 15 кҶ/мол,58 мебошанд, ки нишон медиҳад, ки таъсири мутақобилаи об бо NGF (тақрибан 300 қабат) нисбат ба графен пасттар аст. Ин метавонад яке аз сабабҳо бошад, ки чаро NGF-и мустақил дар сатҳи об ҳамвор мемонад, дар ҳоле ки графени мустақил (ки дар об шино мекунад) печида ва вайрон мешавад. Вақте ки NGF пурра дар об ғӯтонида мешавад (натиҷаҳо барои NGF-и ноҳамвор ва ҳамвор якхелаанд), канорҳои он хам мешаванд (Расми SI4). Дар сурати ғӯтонидани пурра, интизор меравад, ки энергияи таъсири мутақобилаи NGF-об қариб ду баробар зиёд шавад (дар муқоиса бо NGF-и шинокунанда) ва канорҳои NGF барои нигоҳ доштани кунҷи баланди тамос (гидрофобӣ) печонида шаванд. Мо боварӣ дорем, ки стратегияҳоеро барои пешгирӣ аз печидан аз канорҳои NGF-ҳои дарунсохт таҳия кардан мумкин аст. Як равиш истифодаи ҳалкунандаҳои омехта барои танзими аксуламали тар кардани плёнкаи графитӣ мебошад59.
Интиқоли SLG ба намудҳои гуногуни субстратҳо тавассути равандҳои интиқоли кимиёвии тар қаблан гузориш шуда буд. Умуман қабул карда мешавад, ки қувваҳои заифи ван дер Ваалс байни плёнкаҳои графен/графит ва субстратҳо (хоҳ субстратҳои сахт ба монанди SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, сутунҳои Si22 ва плёнкаҳои карбонии торӣ30, 34 ё субстратҳои чандир ба монанди полиимид 37) вуҷуд доранд. Дар ин ҷо мо фарз мекунем, ки таъсири мутақобилаи як навъ бартарӣ дорад. Мо ҳангоми коркарди механикӣ (ҳангоми тавсиф дар шароити вакуум ва/ё атмосфера ё ҳангоми нигоҳдорӣ) ягон осеб ё пӯстшавии NGF-ро барои ҳеҷ яке аз субстратҳои дар ин ҷо пешниҳодшуда мушоҳида накардем (масалан, расми 2, SI7 ва SI9). Илова бар ин, мо қуллаи SiC-ро дар спектри XPS C 1s сатҳи аслии намунаи NGF/SiO2/Si мушоҳида накардем (расми 4). Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки байни NGF ва субстрати мақсаднок ягон пайванди кимиёвӣ вуҷуд надорад.
Дар бахши қаблӣ, "Интиқоли бидуни полимери FS- ва BS-NGF", мо нишон додем, ки NGF метавонад дар ҳарду тарафи фолгаи никел афзоиш ёбад ва интиқол ёбад. Ин FS-NGF ва BS-NGF аз ҷиҳати ноҳамвории сатҳ якхела нестанд, ки моро водор кард, ки мувофиқтарин барномаҳоро барои ҳар як намуд омӯзем.
Бо назардошти шаффофият ва сатҳи ҳамвортари FS-NGF, мо сохтори маҳаллӣ, хосиятҳои оптикӣ ва электрикии онро муфассалтар омӯхтем. Сохтор ва сохтори FS-NGF бе интиқоли полимер бо истифода аз тасвири микроскопияи электронии интиқол (TEM) ва таҳлили намунаи дифраксияи электронии минтақаи интихобшуда (SAED) тавсиф карда шуданд. Натиҷаҳои мувофиқ дар расми 5 нишон дода шудаанд. Тасвири ҳамвори TEM бо андозаи паст мавҷудияти минтақаҳои NGF ва FLG-ро бо хусусиятҳои гуногуни контрасти электронӣ, яъне минтақаҳои ториктар ва равшантар, мутаносибан нишон дод (Расми 5a). Дар маҷмӯъ, плёнка якпорчагии хуби механикӣ ва устувориро байни минтақаҳои гуногуни NGF ва FLG бо ҳампӯшии хуб ва бе осеб ё кандашавӣ нишон медиҳад, ки ин инчунин бо SEM (Расми 3) ва таҳқиқоти TEM бо андозаи баланд (Расми 5c-e) тасдиқ карда шудааст. Аз ҷумла, дар расми 5d сохтори пул дар қисми калонтарини он (мавқеъе, ки бо тирчаи нуқтадори сиёҳ дар расми 5d қайд шудааст) нишон дода шудааст, ки бо шакли секунҷа тавсиф мешавад ва аз қабати графен бо паҳнои тақрибан 51 иборат аст. Таркиб бо фосилаи байниҳамвории 0,33 ± 0,01 нм минбаъд ба якчанд қабатҳои графен дар минтақаи тангтарин табдил меёбад (нӯги тири сиёҳи якранг дар расми 5d).
Тасвири ҳамвори TEM-и намунаи NiAG-и бе полимер дар шабакаи мисии карбон: (a, b) Тасвирҳои TEM бо андозаи паст, ки минтақаҳои NGF ва FLG-ро дар бар мегиранд, (ce) Тасвирҳои андозаи баландтари минтақаҳои гуногун дар панели a ва панели b тирҳои якранг мебошанд. Тирчаҳои сабз дар панелҳои a ва c минтақаҳои даврии осебро ҳангоми ҳамоҳангсозии шуоъ нишон медиҳанд. (f–i) Дар панелҳои a то c, нақшҳои SAED дар минтақаҳои гуногун мутаносибан бо доираҳои кабуд, кабуд, норанҷӣ ва сурх нишон дода шудаанд.
Сохтори лента дар расми 5c самти амудии сатҳҳои шабакаи графитиро нишон медиҳад (бо тири сурх қайд карда шудааст), ки метавонад аз сабаби пайдоиши наноқабатҳо дар тӯли плёнка (дар расми 5c) аз сабаби фишори буриши аз ҳад зиёди ҷуброннашуда бошад30,61,62. Дар зери TEM-и баландсифат, ин наноқабатҳо 30 самти дигари кристаллографиро нисбат ба дигар минтақаи NGF нишон медиҳанд; сатҳҳои асосии шабакаи графит қариб амудӣ, на ба таври уфуқӣ мисли дигар қисми плёнка (дар расми 5c), равона карда шудаанд. Ба ҳамин монанд, минтақаи FLG баъзан қатҳои хаттӣ ва рахмонанди тангро (бо тирҳои кабуд қайд карда шудаанд) нишон медиҳад, ки мутаносибан дар бузургкунии паст ва миёна дар расмҳои 5b, 5e пайдо мешаванд. Дар расми 5e мавҷудияти қабатҳои ду ва сеқабатаи графенро дар сектори FLG (масофаи байниҳамӣ 0,33 ± 0,01 нм) тасдиқ мекунад, ки бо натиҷаҳои қаблии мо30 мувофиқат мекунад. Илова бар ин, тасвирҳои сабтшудаи SEM-и NGF-и бе полимер, ки ба шабакаҳои мисӣ бо плёнкаҳои карбонии торӣ интиқол дода шудаанд (пас аз анҷом додани андозагириҳои TEM аз боло) дар расми SI9 нишон дода шудаанд. Минтақаи FLG-и хуб овезоншуда (бо тири кабуд қайд карда шудааст) ва минтақаи шикаста дар расми SI9f. Тири кабуд (дар канори NGF-и интиқолшуда) қасдан пешниҳод шудааст, то нишон диҳад, ки минтақаи FLG метавонад ба раванди интиқол бе полимер муқовимат кунад. Хулоса, ин тасвирҳо тасдиқ мекунанд, ки NGF-и қисман овезоншуда (аз ҷумла минтақаи FLG) ҳатто пас аз коркарди сахт ва таъсири вакууми баланд ҳангоми андозагириҳои TEM ва SEM якпорчагии механикиро нигоҳ медорад (Расми SI9).
Аз сабаби ҳамвории аълои NGF (нигаред ба расми 5a), самт додани пораҳо дар тӯли меҳвари домени [0001] барои таҳлили сохтори SAED душвор нест. Вобаста ба ғафсии маҳаллии плёнка ва макони он, якчанд минтақаҳои ҷолиб (12 нуқта) барои таҳқиқоти дифракцияи электронӣ муайян карда шуданд. Дар расмҳои 5a–c, чор минтақаи маъмулӣ нишон дода шудаанд ва бо доираҳои ранга (кабуд, кабуд, норанҷӣ ва сурх рамзгузорӣ шудаанд) қайд карда шудаанд. Расмҳои 2 ва 3 барои ҳолати SAED. Расмҳои 5f ва g аз минтақаи FLG, ки дар расмҳои 5 ва 5 нишон дода шудаанд, гирифта шудаанд. Тавре ки мутаносибан дар расмҳои 5b ва c нишон дода шудаанд. Онҳо сохтори шашкунҷа доранд, ки ба графени печида монанд аст63. Аз ҷумла, расми 5f се намунаи болоиро бо самти якхелаи меҳвари минтақаи [0001] нишон медиҳад, ки бо 10° ва 20° гардиш мекунанд, ки ин аз номувофиқати кунҷии се ҷуфт инъикоси (10-10) шаҳодат медиҳад. Ба ҳамин монанд, дар расми 5g ду намунаи шашкунҷаи болои ҳам гузошташуда, ки бо кунҷи 20° гардиш мекунанд, нишон дода шудааст. Ду ё се гурӯҳи намунаҳои шашкунҷа дар минтақаи FLG метавонанд аз се қабати графени дар ҳамворӣ ё берун аз ҳамворӣ 33, ки нисбат ба якдигар гардиш мекунанд, ба вуҷуд оянд. Баръакс, намунаҳои дифракцияи электрон дар расми 5h,i (ки ба минтақаи NGF, ки дар расми 5a нишон дода шудааст, мувофиқат мекунанд) намунаи ягонаи [0001]-ро бо шиддати умумии дифракцияи нуқтаи баландтар нишон медиҳанд, ки ба ғафсии бештари мавод мувофиқат мекунад. Ин моделҳои SAED ба сохтори графитии ғафстар ва самти миёна нисбат ба FLG мувофиқат мекунанд, чунон ки аз индекси 64 бармеояд. Тавсифи хосиятҳои кристаллии NGF ҳамзистии ду ё се кристаллитҳои графит (ё графен)-и болои ҳам гузошташударо нишон дод. Он чизе, ки дар минтақаи FLG махсусан қобили таваҷҷӯҳ аст, ин аст, ки кристаллитҳо дараҷаи муайяни нодурустии дар ҳамворӣ ё берун аз ҳамворӣ доранд. Қаблан дар бораи зарраҳо/қабатҳои графит бо кунҷҳои гардиши дохилиҳамвории 17°, 22° ва 25° барои NGF, ки дар плёнкаҳои Ni 64 парвариш карда шудаанд, гузориш дода шуда буд. Арзишҳои кунҷи гардиш, ки дар ин таҳқиқот мушоҳида шудаанд, бо кунҷҳои гардиши қаблан мушоҳидашуда (±1°) барои графени печидашудаи BLG63 мувофиқанд.
Хусусиятҳои электрикии NGF/SiO2/Si дар 300 К дар масоҳати 10×3 мм2 чен карда шуданд. Арзишҳои консентратсияи интиқолдиҳандаҳои электронӣ, ҳаракатнокӣ ва гузаронандагӣ мутаносибан 1,6 × 1020 см-3, 220 см-2 V-1 C-1 ва 2000 S-см-1 мебошанд. Арзишҳои ҳаракатнокӣ ва гузаронандагии NGF-и мо ба графити табиӣ2 монанданд ва аз графити пиролитикии ба таври тиҷоратӣ дастрас (дар ҳарорати 3000 °C истеҳсолшуда)29 баландтаранд. Арзишҳои консентратсияи интиқолдиҳандаҳои электрон, ки мушоҳида шудаанд, ду тартиби бузургтар аз арзишҳое мебошанд, ки ба наздикӣ гузориш дода шудаанд (7,25 × 10 см-3) барои плёнкаҳои графити ғафси микрон, ки бо истифода аз варақаҳои полиимидии ҳарорати баланд (3200 °C) 20 омода карда шудаанд.
Мо инчунин андозагириҳои гузариши намоёни ултрабунафшро дар FS-NGF, ки ба субстратҳои кварсӣ интиқол дода шудааст, анҷом додем (Расми 6). Спектри натиҷа гузариши қариб доимии 62% -ро дар диапазони 350-800 нм нишон медиҳад, ки нишон медиҳад, ки NGF барои нури намоён шаффоф аст. Дар асл, номи "KAUST"-ро дар акси рақамии намуна дар расми 6b дидан мумкин аст. Гарчанде ки сохтори нанокристаллии NGF аз сохтори SLG фарқ мекунад, шумораи қабатҳоро бо истифода аз қоидаи талафоти интиқоли 2,3% барои як қабати иловагӣ тақрибан ҳисоб кардан мумкин аст65. Мувофиқи ин робита, шумораи қабатҳои графен бо талафоти интиқоли 38% 21 аст. NGF-и парваришёфта асосан аз 300 қабати графен иборат аст, яъне тақрибан 100 нм ғафсӣ (Расми 1, SI5 ва SI7). Аз ин рӯ, мо фарз мекунем, ки шаффофияти оптикии мушоҳидашуда ба минтақаҳои FLG ва MLG мувофиқат мекунад, зеро онҳо дар тамоми плёнка паҳн шудаанд (Расми 1, 3, 5 ва 6c). Илова бар маълумоти сохтории дар боло зикршуда, гузаронандагӣ ва шаффофият инчунин сифати баланди кристаллии NGF-и интиқолшударо тасдиқ мекунанд.
(а) Андозагирии гузариши намоёни ултрабунафш, (б) интиқоли маъмулии NGF дар кварс бо истифода аз намунаи намояндагӣ. (в) Схемаи NGF (қуттии торик) бо минтақаҳои баробар тақсимшудаи FLG ва MLG, ки ҳамчун шаклҳои тасодуфии хокистарӣ дар тамоми намуна қайд карда шудаанд (нигаред ба расми 1) (тақрибан 0.1–3% масоҳат барои 100 мкм2). Шаклҳои тасодуфӣ ва андозаи онҳо дар диаграмма танҳо барои мақсадҳои тасвирӣ мебошанд ва ба масоҳатҳои воқеӣ мувофиқат намекунанд.
NGF-и шаффоф, ки бо CVD парвариш карда шудааст, қаблан ба сатҳҳои луч аз кремний интиқол дода шуда, дар батареяҳои офтобӣ истифода мешуд15,16. Самаранокии табдили қувва (PCE)-и ҳосилшуда 1,5% аст. Ин NGF-ҳо вазифаҳои сершуморро, аз қабили қабатҳои пайвастагии фаъол, роҳҳои интиқоли заряд ва электродҳои шаффоф15,16, иҷро мекунанд. Аммо, плёнкаи графитӣ яксон нест. Беҳсозии минбаъда бо назорати бодиққати муқовимати варақ ва гузариши оптикии электроди графитӣ зарур аст, зеро ин ду хосият дар муайян кардани арзиши PCE-и батареяи офтобӣ15,16 нақши муҳим мебозанд. Одатан, плёнкаҳои графенӣ 97,7% барои нури намоён шаффофанд, аммо муқовимати варақаи онҳо 200-3000 ом/кв.16 доранд. Муқовимати сатҳии плёнкаҳои графениро метавон бо зиёд кардани шумораи қабатҳо (интиқоли сершумори қабатҳои графен) ва легиркунӣ бо HNO3 (~30 Ом/кв.)66 кам кард. Аммо, ин раванд вақти зиёдро мегирад ва қабатҳои гуногуни интиқол на ҳамеша тамоси хубро нигоҳ медоранд. NGF-и тарафи пеши мо дорои хосиятҳо ба монанди гузаронандагии 2000 С/см, муқовимати варақаи плёнка 50 ом/кв ва шаффофияти 62% мебошад, ки онро алтернативаи қобили қабул барои каналҳои гузаронанда ё электродҳои муқобил дар батареяҳои офтобӣ мегардонад15,16.
Гарчанде ки сохтор ва химияи сатҳии BS-NGF ба FS-NGF монанд аст, аммо ноҳамвории он фарқ мекунад ("Афзоиши FS- ва BS-NGF"). Қаблан, мо графити22-и плёнкаи ултра тунукро ҳамчун сенсори газ истифода мебурдем. Аз ин рӯ, мо имконияти истифодаи BS-NGF-ро барои вазифаҳои ҳассоскунии газ санҷида будем (Расми SI10). Аввалан, қисмҳои андозаи мм2-и BS-NGF ба чипи сенсори электроди байнирақама интиқол дода шуданд (Расми SI10a-c). Тафсилоти истеҳсоли чип қаблан гузориш дода шуда буданд; майдони ҳассоси фаъоли он 9 мм267 аст. Дар тасвирҳои SEM (Расми SI10b ва c), электроди тиллоии зеризаминӣ тавассути NGF ба таври возеҳ намоён аст. Боз ҳам, дидан мумкин аст, ки барои ҳамаи намунаҳо фарогирии якхелаи чип ба даст оварда шудааст. Андозагирии сенсори гази газҳои гуногун сабт карда шуданд (Расми SI10d) (Расми SI11) ва суръати вокуниши натиҷавӣ дар расмҳои SI10g нишон дода шудааст. Эҳтимол дорад, ки бо дигар газҳои халалдор, аз ҷумла SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ва NH3 (200 ppm) алоқаманд бошад. Яке аз сабабҳои имконпазир NO2 мебошад. табиати электрофилии газ22,68. Ҳангоми адсорбсия дар сатҳи графен, он ҷабби ҷараёни электронҳоро аз ҷониби система коҳиш медиҳад. Муқоисаи маълумоти вақти вокуниши сенсори BS-NGF бо сенсорҳои қаблан нашршуда дар Ҷадвали SI2 оварда шудааст. Механизми дубора фаъол кардани сенсорҳои NGF бо истифода аз плазмаи ултрабунафш, плазмаи O3 ё коркарди гармӣ (50-150°C)-и намунаҳои фошшуда идома дорад ва дар ҳолати беҳтарин пас аз он татбиқи системаҳои дарунсохт69 анҷом дода мешавад.
Дар раванди CVD, афзоиши графен дар ҳарду тарафи субстрати катализатор ба амал меояд41. Аммо, BS-графен одатан ҳангоми раванди интиқол партофта мешавад41. Дар ин таҳқиқот, мо нишон медиҳем, ки афзоиши NGF-и баландсифат ва интиқоли NGF-и бе полимерро дар ҳарду тарафи такягоҳи катализатор ба даст овардан мумкин аст. BS-NGF нисбат ба FS-NGF (~100 нм) тунуктар аст (~80 нм) ва ин фарқият бо он шарҳ дода мешавад, ки BS-Ni мустақиман ба ҷараёни гази пешакӣ дучор намешавад. Мо инчунин муайян кардем, ки ноҳамвории субстрати NiAR ба ноҳамвории NGF таъсир мерасонад. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки FS-NGF-и ҳамвори парваришёфтаро ҳамчун маводи пешакӣ барои графен (бо усули эксфолиатсия70) ё ҳамчун канали гузаронанда дар батареяҳои офтобӣ15,16 истифода бурдан мумкин аст. Баръакс, BS-NGF барои ошкор кардани газ (Расми SI9) ва эҳтимолан барои системаҳои нигоҳдории энергия71,72 истифода мешавад, ки дар он ноҳамвории сатҳи он муфид хоҳад буд.
Бо назардошти гуфтаҳои боло, якҷоя кардани кори ҷорӣ бо плёнкаҳои графитие, ки қаблан нашр шуда буданд, ки бо истифода аз CVD ва бо истифода аз фолгаи никел парвариш карда шудаанд, муфид аст. Тавре ки дар Ҷадвали 2 дида мешавад, фишорҳои баландтари истифодашуда вақти реаксияро (марҳилаи афзоиш) ҳатто дар ҳарорати нисбатан паст (дар диапазони 850-1300 °C) кӯтоҳ карданд. Мо инчунин нисбат ба маъмулӣ афзоиши бештар ба даст овардем, ки ин аз эҳтимолияти васеъшавӣ шаҳодат медиҳад. Омилҳои дигаре низ ҳастанд, ки бояд ба назар гирифта шаванд, ки баъзе аз онҳоро мо дар ҷадвал дохил кардем.
NGF-и дутарафа бо сифати баланд дар фолгаи никелӣ бо истифода аз CVD-и каталитикӣ парвариш карда шуд. Бо бартараф кардани субстратҳои анъанавии полимерӣ (масалан, онҳое, ки дар графени CVD истифода мешаванд), мо интиқоли тар ва тозаи NGF-ро (ки дар паҳлӯҳои қафо ва пеши фолгаи никел парвариш карда мешаванд) ба як қатор субстратҳои муҳими равандӣ ба даст меорем. Қобили зикр аст, ки NGF минтақаҳои FLG ва MLG-ро дар бар мегирад (одатан аз 0,1% то 3% дар 100 мкм2), ки аз ҷиҳати сохторӣ ба плёнкаи ғафс хуб муттаҳид карда шудаанд. TEM-и ҳамвор нишон медиҳад, ки ин минтақаҳо аз қабатҳои ду то се зарраҳои графит/графен (мутаносибан кристаллҳо ё қабатҳо) иборатанд, ки баъзеи онҳо номувофиқати гардиши 10-20° доранд. Минтақаҳои FLG ва MLG барои шаффофияти FS-NGF ба нури намоён масъуланд. Дар мавриди варақаҳои қафо, онҳо метавонанд ба варақаҳои пеш мувозӣ интиқол дода шаванд ва, тавре ки нишон дода шудааст, метавонанд мақсади функсионалӣ дошта бошанд (масалан, барои ошкор кардани газ). Ин таҳқиқот барои кам кардани партовҳо ва хароҷот дар равандҳои CVD дар миқёси саноатӣ хеле муфиданд.
Умуман, ғафсии миёнаи CVD NGF дар байни графени (пастқабат ва бисёрқабат) ва варақаҳои графити саноатӣ (микрометрӣ) ҷойгир аст. Доираи хосиятҳои ҷолиби онҳо дар якҷоягӣ бо усули соддае, ки мо барои истеҳсол ва интиқоли онҳо таҳия кардаем, ин плёнкаҳоро махсусан барои барномаҳое, ки вокуниши функсионалии графитро талаб мекунанд, бидуни хароҷоти равандҳои истеҳсоли саноатии энергияталаб, ки айни замон истифода мешаванд, мувофиқ мегардонад.
Фолгаи никелии ғафсии 25 мкм (99.5% покӣ, Goodfellow) дар реактори тиҷоратии CVD (Aixtron 4-дюймаи BMPro) насб карда шуд. Система бо аргон тоза карда шуд ва то фишори асосии 10-3 мбар холӣ карда шуд. Сипас фолгаи никелӣ дар Ar/H2 ҷойгир карда шуд (Пас аз гарм кардани пешакӣ фолгаи Ni барои 5 дақиқа, фолга дар фишори 500 мбар дар 900 °C дучор карда шуд. NGF дар ҷараёни CH4/H2 (ҳар кадом 100 см3) барои 5 дақиқа гузошта шуд. Сипас намуна бо истифода аз ҷараёни Ar (4000 см3) дар 40 °C/дақ то ҳарорати камтар аз 700 °C хунук карда шуд. Тафсилот дар бораи беҳсозии раванди афзоиши NGF дар ҷои дигар тавсиф шудааст30.
Морфологияи сатҳи намуна тавассути SEM бо истифода аз микроскопи Zeiss Merlin (1 кВ, 50 пА) визуалӣ карда шуд. Ноҳамвории сатҳи намуна ва ғафсии NGF бо истифода аз AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) чен карда шуданд. Андозагирии TEM ва SAED бо истифода аз микроскопи FEI Titan 80–300 Cubed, ки бо таппончаи партоби майдони равшании баланд (300 кВ), монохроматори навъи FEI Wien ва ислоҳкунандаи аберратсияи сферавии линзаи CEOS муҷаҳҳаз шудааст, барои ба даст овардани натиҷаҳои ниҳоӣ анҷом дода шуд. Қарори фазоӣ 0.09 нм. Намунаҳои NGF барои тасвири ҳамвори TEM ва таҳлили сохтори SAED ба шабакаҳои мисии бо тӯри карбон пӯшонидашуда интиқол дода шуданд. Ҳамин тариқ, аксари флокҳои намуна дар сӯрохиҳои мембранаи дастгирикунанда овезон карда шудаанд. Намунаҳои NGF-и интиқолшуда бо истифода аз XRD таҳлил карда шуданд. Нақшҳои дифракцияи рентгенӣ бо истифода аз дифрактометри хокагӣ (Brucker, гузариши фазаи D2 бо манбаи Cu Kα, 1.5418 Å ва детектори LYNXEYE) бо истифода аз манбаи радиатсияи Cu бо диаметри нуқтаи шуоъ 3 мм ба даст оварда шуданд.
Якчанд андозагириҳои нуқтаи Раман бо истифода аз микроскопи конфокалии муттаҳидкунанда (Alpha 300 RA, WITeC) сабт карда шуданд. Барои пешгирӣ аз таъсири гармӣ, лазери 532 нм бо қувваи ангезиши паст (25%) истифода шуд. Спектроскопияи фотоэлектронии рентгенӣ (XPS) дар спектрометри Kratos Axis Ultra дар масоҳати намунаи 300 × 700 мкм2 бо истифода аз радиатсияи монохроматии Al Kα (hν = 1486.6 эВ) бо қувваи 150 Вт анҷом дода шуд. Спектрҳои қатъӣ дар энергияҳои интиқоли мутаносибан 160 эВ ва 20 эВ ба даст оварда шуданд. Намунаҳои NGF, ки ба SiO2 интиқол дода шуданд, бо истифода аз лазери нахи иттербийи PLS6MW (1.06 мкм) дар 30 Вт ба қисмҳо (ҳар кадоме 3 × 10 мм2) бурида шуданд. Контактҳои сими мисӣ (ғафсии 50 мкм) бо истифода аз хамираи нуқра дар зери микроскопи оптикӣ сохта шуданд. Дар ин намунаҳо таҷрибаҳои интиқоли барқӣ ва таъсири Холл дар ҳарорати 300 К ва тағйирёбии майдони магнитии ± 9 Тесла дар системаи андозагирии хосиятҳои физикӣ (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ИМА) гузаронида шуданд. Спектрҳои UV-vis-и интиқолшуда бо истифода аз спектрофотометри Lambda 950 UV-vis дар диапазони 350-800 нм NGF, ки ба субстратҳои кварц ва намунаҳои истинодии кварц интиқол дода шудаанд, сабт карда шуданд.
Сенсори муқовимати кимиёвӣ (чипи электроди байнирақама) ба тахтаи схемаи чопии фармоишӣ 73 пайваст карда шуд ва муқовимат муваққатан хориҷ карда шуд. Тахтаи схемаи чопӣ, ки дастгоҳ дар он ҷойгир аст, ба терминалҳои тамос пайваст карда шуда, дар дохили камераи ҳассоскунандаи газ 74 ҷойгир карда шудааст. Андозагирии муқовимат бо шиддати 1 В бо сканкунии пайваста аз тозакунӣ то таъсири газ ва сипас дубора тозакунӣ анҷом дода шуд. Дар аввал камера бо тозакунӣ бо нитроген дар ҳаҷми 200 см3 барои 1 соат тоза карда шуд, то тозакунии ҳама аналитҳои дигари мавҷуд дар камера, аз ҷумла намӣ, таъмин карда шавад. Сипас аналитҳои алоҳида бо пӯшидани силиндри N2 бо ҳамон суръати ҷараёни 200 см3 ба камера оҳиста-оҳиста бароварда шуданд.
Нусхаи таҳриршудаи ин мақола нашр шудааст ва онро тавассути истиноди дар болои мақола овардашуда дастрас кардан мумкин аст.
Инагаки, М. ва Канг, Ф. Илм ва муҳандисии маводҳои карбон: Асосҳо. Нашри дуюм, таҳриршуда. 2014. 542.
Дастури карбон, графит, алмос ва фуллеренҳо, Пирсон, ХО: хосиятҳо, коркард ва татбиқ. Нашри аввал таҳрир шудааст. 1994, Ню Ҷерсӣ.
Цай, В. ва дигарон. Плёнкаҳои графен/графити бисёрқабата бо масоҳати калон ҳамчун электродҳои тунуки ноқилӣ. татбиқ. физика. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин АА Хусусиятҳои гармии графен ва маводҳои карбонии наносохторӣ. Мат. Мат. 10(8), 569–581 (2011).
Ченг KY, Браун PW ва Кахилл DG Гузаронандагии гармии плёнкаҳои графитӣ, ки дар Ni (111) бо роҳи таҳшиншавии буғи кимиёвии ҳарорати паст парвариш карда мешаванд. зарф. Мат. Интерфейс 3, 16 (2016).
Хесжедал, Т. Афзоиши пайвастаи плёнкаҳои графен тавассути таҳшиншавии буғи кимиёвӣ. татбиқ. физика. Райт. 98(13), 133106(2011).
Вақти нашр: 23 августи соли 2024