การปลูกฟิล์มกราไฟท์โปร่งแสงบน NI และการถ่ายโอนแบบปราศจากพอลิเมอร์แบบสองทาง

ขอบคุณสำหรับการเยี่ยมชม Nature.com รุ่นของเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการสนับสนุน CSS จำกัด เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์รุ่นใหม่กว่า (หรือปิดการใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้เพื่อให้แน่ใจว่าการสนับสนุนอย่างต่อเนื่องเรากำลังแสดงเว็บไซต์โดยไม่ต้องจัดแต่งทรงผมหรือ JavaScript
ฟิล์มกราไฟท์ระดับนาโน (NGFs) เป็นวัสดุนาโนที่แข็งแกร่งซึ่งสามารถผลิตได้โดยการสะสมไอสารเคมีเร่งปฏิกิริยา แต่คำถามยังคงเกี่ยวกับความสะดวกในการถ่ายโอนและสัณฐานวิทยาของพื้นผิวส่งผลกระทบต่อการใช้งานในอุปกรณ์รุ่นต่อไป ที่นี่เรารายงานการเติบโตของ NGF ทั้งสองด้านของฟอยล์นิกเกิล polycrystalline (พื้นที่ 55 ซม. 2, ความหนาประมาณ 100 นาโนเมตร) และการถ่ายโอนที่ปราศจากพอลิเมอร์ (ด้านหน้าและด้านหลังพื้นที่สูงถึง 6 ซม. 2) เนื่องจากสัณฐานวิทยาของฟอยล์ตัวเร่งปฏิกิริยาฟิล์มคาร์บอนทั้งสองจึงแตกต่างกันในคุณสมบัติทางกายภาพและลักษณะอื่น ๆ (เช่นความขรุขระพื้นผิว) เราแสดงให้เห็นว่า NGFs ที่มีด้านหลังหยาบกว่านั้นเหมาะสำหรับการตรวจจับ NO2 ในขณะที่ NGFs ที่เรียบเนียนและนำไฟฟ้ามากขึ้นที่ด้านหน้า (2000 s/cm, ความต้านทานแผ่น - 50 ohms/m2) สามารถเป็นตัวนำที่ทำงานได้ ช่องหรืออิเล็กโทรดของเซลล์แสงอาทิตย์ (เนื่องจากส่ง 62% ของแสงที่มองเห็นได้) โดยรวมแล้วกระบวนการเจริญเติบโตและการขนส่งที่อธิบายไว้อาจช่วยให้ NGF เป็นวัสดุคาร์บอนทางเลือกสำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยีที่ฟิล์มกราฟีนและไมครอนมีความหนาไม่เหมาะสม
กราไฟท์เป็นวัสดุอุตสาหกรรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งกราไฟท์มีคุณสมบัติของความหนาแน่นของมวลค่อนข้างต่ำและการนำความร้อนและไฟฟ้าในระนาบสูงและมีความเสถียรมากในสภาพแวดล้อมทางความร้อนและสารเคมีที่รุนแรง 1,2 Flake Graphite เป็นวัสดุเริ่มต้นที่รู้จักกันดีสำหรับการวิจัยกราฟีน 3 เมื่อประมวลผลเป็นฟิล์มบาง ๆ สามารถใช้ในการใช้งานที่หลากหลายรวมถึงอ่างล้างมือความร้อนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่นสมาร์ทโฟน 4,5,6,7 เป็นวัสดุที่ใช้งานอยู่ในเซ็นเซอร์ 8,9,10 และสำหรับการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า 11 12 และภาพยนตร์สำหรับการพิมพ์หินใน Ultraviolet Extreme Extreme 13,14 ดำเนินการช่องทางในเซลล์แสงอาทิตย์ 15,16 สำหรับแอปพลิเคชันทั้งหมดเหล่านี้มันจะเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญหากพื้นที่ขนาดใหญ่ของฟิล์มกราไฟท์ (NGFs) ที่มีความหนาควบคุมในระดับนาโน <100 นาโนเมตรสามารถผลิตและขนส่งได้ง่าย
ฟิล์มกราไฟท์ผลิตโดยวิธีการต่าง ๆ ในกรณีหนึ่งการฝังและการขยายตัวตามด้วยการขัดผิวถูกนำมาใช้เพื่อผลิตกราฟีน flakes10,11,17 สะเก็ดจะต้องถูกประมวลผลต่อไปเป็นฟิล์มที่มีความหนาที่ต้องการและมักจะใช้เวลาหลายวันในการผลิตแผ่นกราไฟท์หนาแน่น อีกวิธีหนึ่งคือการเริ่มต้นด้วยสารตั้งต้นที่เป็นกราฟ ในอุตสาหกรรมแผ่นโพลีเมอร์จะถูกคาร์บอน (ที่ 1,000–1500 ° C) จากนั้นกราฟ (ที่ 2800–3200 ° C) เพื่อสร้างวัสดุชั้นที่มีโครงสร้างที่ดี แม้ว่าคุณภาพของภาพยนตร์เหล่านี้จะสูง แต่การใช้พลังงานมีความสำคัญ 1,18,19 และความหนาขั้นต่ำนั้น จำกัด อยู่เพียงไม่กี่ไมครอน 1,18,19,20
การสะสมไอสารเคมีตัวเร่งปฏิกิริยา (CVD) เป็นวิธีที่รู้จักกันดีในการผลิตฟิล์มกราฟีนกราฟีนและอัลตริน (<10 นาโนเมตร) ที่มีคุณภาพโครงสร้างสูงและราคาที่สมเหตุสมผล 21,22,23,24,25,26,27 อย่างไรก็ตามเมื่อเทียบกับการเติบโตของกราฟีนและกราไฟท์ฟิล์ม Ultrathin การเติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่และ/หรือการประยุกต์ใช้ NGF โดยใช้ CVD นั้นมีการสำรวจน้อยกว่า 11,13,29,30,31,32,33
กราฟีนที่ปลูก CVD และฟิล์มกราไฟท์มักจะต้องถ่ายโอนไปยังพื้นผิวที่ใช้งานได้ 34 การถ่ายโอนฟิล์มบางเหล่านี้เกี่ยวข้องกับสองวิธีหลัก 35: (1) การถ่ายโอนที่ไม่ใช่การถ่ายโอน 36,37 และ (2) การถ่ายโอนสารเคมีเปียกที่ใช้ Etch (รองรับสารตั้งต้น) 14,34,38 แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียบางประการและจะต้องเลือกขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันที่ตั้งใจไว้ตามที่อธิบายไว้ที่อื่น 35,39 สำหรับฟิล์มกราฟีน/กราไฟท์ที่ปลูกบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนผ่านกระบวนการทางเคมีแบบเปียก (ซึ่ง polymethyl methacrylate (PMMA) เป็นชั้นสนับสนุนที่ใช้กันมากที่สุด) ยังคงเป็นตัวเลือกแรก 13,30,34,38,40,41,42 คุณและคณะ มีการกล่าวถึงว่าไม่มีการใช้พอลิเมอร์สำหรับการถ่ายโอน NGF (ขนาดตัวอย่างประมาณ 4 cm2) 25,43 แต่ไม่มีการให้รายละเอียดเกี่ยวกับความเสถียรของตัวอย่างและ/หรือการจัดการระหว่างการถ่ายโอน กระบวนการทางเคมีแบบเปียกโดยใช้โพลีเมอร์ประกอบด้วยหลายขั้นตอนรวมถึงการประยุกต์และการกำจัดโพลีเมอร์แบบสังเวย 30,38,40,41,42 กระบวนการนี้มีข้อเสีย: ตัวอย่างเช่นพอลิเมอร์สารตกค้างสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของ Film38 ที่ปลูกได้ การประมวลผลเพิ่มเติมสามารถลบโพลิเมอร์ที่เหลือได้ แต่ขั้นตอนเพิ่มเติมเหล่านี้เพิ่มต้นทุนและเวลาของการผลิตภาพยนตร์ 38,40 ในระหว่างการเติบโตของ CVD ชั้นของกราฟีนจะถูกฝากไม่เพียง แต่ที่ด้านหน้าของฟอยล์ตัวเร่งปฏิกิริยา (ด้านข้างหันหน้าไปทางไอน้ำ) แต่ยังอยู่ด้านหลังด้วย อย่างไรก็ตามหลังถือว่าเป็นของเสียและสามารถลบออกได้อย่างรวดเร็วโดย soft plasma38,41 การรีไซเคิลภาพยนตร์เรื่องนี้สามารถช่วยเพิ่มผลผลิตได้มากที่สุดแม้ว่าจะมีคุณภาพต่ำกว่าฟิล์มคาร์บอน
ที่นี่เรารายงานการเตรียมการของการเติบโต bifacial ในระดับเวเฟอร์ของ NGF ที่มีคุณภาพโครงสร้างสูงบนฟอยล์นิกเกิล polycrystalline โดย CVD มันได้รับการประเมินว่าความขรุขระของพื้นผิวด้านหน้าและด้านหลังของฟอยล์มีผลต่อสัณฐานวิทยาและโครงสร้างของ NGF อย่างไร นอกจากนี้เรายังแสดงให้เห็นถึงการถ่ายโอนโพลีเมอร์ที่ปราศจากค่าใช้จ่ายและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมของ NGF จากฟอยล์นิกเกิลทั้งสองด้านไปยังพื้นผิวมัลติฟังก์ชั่นและแสดงให้เห็นว่าภาพยนตร์ด้านหน้าและด้านหลังเหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
ส่วนต่อไปนี้จะพูดถึงความหนาของฟิล์มกราไฟท์ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนเลเยอร์กราฟีนที่ซ้อนกัน: (i) กราฟีนเลเยอร์เดี่ยว (SLG, 1 ชั้น), (ii) กราฟีนสองชั้น (FLG, <10 ชั้น), (iii) กราฟีนหลายชั้น (MLG, 10-30 เลเยอร์) หลังเป็นความหนาที่พบบ่อยที่สุดที่แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของพื้นที่ (ประมาณ 97% พื้นที่ต่อ 100 µm2) 30 นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมภาพยนตร์ทั้งเรื่องจึงเรียกว่า NGF
Polycrystalline นิกเกิลฟอยล์ที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์ฟิล์มกราฟีนและกราไฟท์มีพื้นผิวที่แตกต่างกันอันเป็นผลมาจากการผลิตและการประมวลผลที่ตามมา เราเพิ่งรายงานการศึกษาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเติบโตของ NGF30 เราแสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์กระบวนการเช่นเวลาการหลอมและความดันในห้องในระหว่างขั้นตอนการเจริญเติบโตมีบทบาทสำคัญในการได้รับ NGF ที่มีความหนาสม่ำเสมอ ที่นี่เราได้ตรวจสอบการเติบโตของ NGF เพิ่มเติมที่ด้านหน้าขัดเงา (FS) และพื้นผิวด้านหลัง (BS) ที่ไม่ผ่านการขัดเงาของฟอยล์นิกเกิล (รูปที่ 1A) มีการตรวจสอบตัวอย่าง FS และ BS สามประเภทที่ระบุไว้ในตารางที่ 1 เมื่อตรวจสอบด้วยภาพการเจริญเติบโตที่สม่ำเสมอของ NGF ทั้งสองด้านของนิกเกิลฟอยล์ (NIAG) สามารถมองเห็นได้โดยการเปลี่ยนสีของพื้นผิว Ni จำนวนมากจากสีเทาเมทัลลิกสีเทา การวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้รับการยืนยัน (รูปที่ 1B, C) สเปกตรัมรามานทั่วไปของ FS-NGF ที่สังเกตได้ในพื้นที่สว่างและระบุด้วยลูกศรสีแดงสีน้ำเงินและสีส้มในรูปที่ 1B แสดงในรูปที่ 1C รามานที่มีลักษณะเฉพาะของกราไฟท์ G (1683 ซม. - 1) และ 2d (2696 ซม. - 1) ยืนยันการเติบโตของ NGF ผลึกสูง (รูปที่ 1C, ตาราง SI1) ตลอดทั้งภาพยนตร์มีการสังเกตความเด่นของ Raman spectra ที่มีอัตราส่วนความเข้ม (I2D/IG) ~ 0.3 ในขณะที่ Raman spectra กับ I2D/IG = 0.8 ไม่ค่อยพบ การขาดยอดเขาที่มีข้อบกพร่อง (d = 1350 cm-1) ในฟิล์มทั้งหมดบ่งบอกถึงการเติบโตของ NGF ที่มีคุณภาพสูง ผลลัพธ์ของรามานที่คล้ายกันได้รับจากตัวอย่าง BS-NGF (รูปที่ SI1 A และ B, Table SI1)
การเปรียบเทียบ NIAG FS- และ BS-NGF: (a) ภาพถ่ายของตัวอย่าง NGF (NIAG) ทั่วไปแสดงการเจริญเติบโตของ NGF ที่สเกลเวเฟอร์ (55 cm2) และตัวอย่างฟอยล์ BS- และ FS-NI การขยายของ FS -NGF/NI, (E, G) ภาพ SEM ที่กำลังขยายที่แตกต่างกันตั้งค่า BS -NGF/NI ลูกศรสีน้ำเงินหมายถึงภูมิภาค FLG ลูกศรสีส้มหมายถึงภูมิภาค MLG (ใกล้กับภูมิภาค FLG) ลูกศรสีแดงหมายถึงภูมิภาค NGF และลูกศรสีม่วงแดงหมายถึงการพับ
เนื่องจากการเจริญเติบโตขึ้นอยู่กับความหนาของสารตั้งต้นเริ่มต้นขนาดคริสตัลการปฐมนิเทศและขอบเขตของธัญพืชการได้รับการควบคุมความหนาของ NGF อย่างสมเหตุสมผลในพื้นที่ขนาดใหญ่ยังคงเป็นสิ่งที่ท้าทาย 20,34,44 การศึกษานี้ใช้เนื้อหาที่เราเผยแพร่ก่อนหน้านี้ 30 กระบวนการนี้สร้างพื้นที่สว่าง 0.1 ถึง 3% ต่อ 100 µm230 ในส่วนต่อไปนี้เรานำเสนอผลลัพธ์สำหรับทั้งสองประเภทของภูมิภาค ภาพ SEM ที่กำลังขยายสูงแสดงให้เห็นถึงพื้นที่ที่มีความคมชัดหลายแห่งทั้งสองด้าน (รูปที่ 1F, G) ซึ่งบ่งบอกถึงการปรากฏตัวของภูมิภาค FLG และ MLG 30,45 สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยการกระเจิงของรามาน (รูปที่ 1C) และผลลัพธ์ TEM (กล่าวถึงในส่วนนี้ในส่วน“ FS-NGF: โครงสร้างและคุณสมบัติ”) ภูมิภาค FLG และ MLG ที่สังเกตได้จากตัวอย่าง FS- และ BS-NGF/NI (ด้านหน้าและด้านหลัง NGF ที่ปลูกบน NI) อาจเติบโตบนธัญพืชขนาดใหญ่ NI (111) ที่เกิดขึ้นในช่วงก่อนที่จะเกิดขึ้นก่อน 22,30,45 พบการพับทั้งสองด้าน (รูปที่ 1B ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีม่วง) รอยพับเหล่านี้มักจะพบในกราฟีนที่ปลูก CVD และฟิล์มกราไฟท์เนื่องจากความแตกต่างอย่างมากในค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างกราไฟท์และสารตั้งต้นนิกเกิล 30,38
ภาพ AFM ยืนยันว่าตัวอย่าง FS-NGF นั้นราบเรียบกว่าตัวอย่าง BS-NGF (รูปที่ SI1) (รูป SI2) ค่าความหยาบของรูตค่าเฉลี่ยสแควร์ (RMS) ของ FS-NGF/NI (รูปที่ SI2C) และ BS-NGF/NI (รูปที่ SI2D) คือ 82 และ 200 นาโนเมตรตามลำดับ (วัดในพื้นที่ 20 × 20 μM2) ความขรุขระที่สูงขึ้นสามารถเข้าใจได้จากการวิเคราะห์พื้นผิวของนิกเกิล (NIAR) ฟอยล์ในสถานะที่ได้รับ (รูป SI3) ภาพ SEM ของ FS และ BS-NIAR แสดงในรูปที่ SI3A-D แสดงให้เห็นถึงสัณฐานวิทยาพื้นผิวที่แตกต่างกัน: ฟอยล์ FS-NI ที่ขัดเงามีอนุภาคทรงกลมขนาดเล็กและไมครอนในขณะที่ฟอยล์ BS-NI ที่ยังไม่ได้ขัดเงาแสดงบันไดการผลิต เป็นอนุภาคที่มีความแข็งแรงสูง และปฏิเสธ ภาพความละเอียดต่ำและความละเอียดสูงของนิกเกิลฟอยล์ (NIA) แสดงในรูป SI3E - H ในรูปเหล่านี้เราสามารถสังเกตการปรากฏตัวของอนุภาคนิกเกิลขนาดไมครอนหลายตัวทั้งสองด้านของฟอยล์นิกเกิล (รูปที่ SI3E-H) ธัญพืชขนาดใหญ่อาจมีการวางแนวพื้นผิว Ni (111) ตามที่รายงานก่อนหน้านี้ 30,46 มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในสัณฐานวิทยาฟอยล์นิกเกิลระหว่าง FS-NIA และ BS-NIA ความขรุขระที่สูงขึ้นของ BS-NGF/NI นั้นเกิดจากพื้นผิวที่ไม่ได้ขัดเงาของ BS-NIAR พื้นผิวที่ยังคงขรุขระอย่างมีนัยสำคัญแม้หลังจากการหลอม (รูป SI3) การจำแนกลักษณะพื้นผิวประเภทนี้ก่อนกระบวนการเจริญเติบโตช่วยให้ความขรุขระของกราฟีนและฟิล์มกราไฟท์สามารถควบคุมได้ ควรสังเกตว่าสารตั้งต้นดั้งเดิมได้รับการปรับโครงสร้างเม็ดบางส่วนในระหว่างการเจริญเติบโตของกราฟีนซึ่งลดขนาดเกรนเล็กน้อยและเพิ่มความขรุขระของพื้นผิวของพื้นผิวเล็กน้อยเมื่อเทียบกับฟอยล์ที่อบอ่อนและฟิล์ม Catalyst 21
การปรับแต่งความขรุขระพื้นผิวของพื้นผิวเวลาการหลอม (ขนาดเกรน) 30,47 และการควบคุมการปลดปล่อย 43 จะช่วยลดความหนาของ NGF ในระดับภูมิภาคให้กับระดับ µM2 และ/หรือแม้แต่ระดับ NM2 (เช่นความหนาของนาโนเมตรไม่กี่) เพื่อควบคุมความขรุขระของพื้นผิวของสารตั้งต้นวิธีการเช่นการขัดด้วยอิเล็กโทรไลต์ของฟอยล์นิกเกิลที่เกิดขึ้นสามารถพิจารณาได้ 48 ฟอยล์นิกเกิลที่ได้รับการรับรองนั้นสามารถอบได้ที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า (<900 ° C) 46 และเวลา (<5 นาที) เพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของธัญพืช Ni ขนาดใหญ่ (111) (ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตของ FLG)
SLG และ FLG graphene ไม่สามารถทนต่อแรงตึงผิวของกรดและน้ำได้ซึ่งต้องใช้เลเยอร์สนับสนุนเชิงกลในระหว่างกระบวนการถ่ายโอนสารเคมีเปียก 22,34,38 ในทางตรงกันข้ามกับการถ่ายโอนสารเคมีเปียกของกราฟีนที่รองรับพอลิเมอร์เดี่ยวที่ได้รับการสนับสนุนจากพอลิเมอร์เราพบว่าทั้งสองด้านของ NGF ที่ปลูกในการปลูกสามารถถ่ายโอนได้โดยไม่ต้องรองรับพอลิเมอร์ดังแสดงในรูปที่ 2A (ดูรูป SI4A สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) การถ่ายโอน NGF ไปยังสารตั้งต้นที่กำหนดเริ่มต้นด้วยการแกะสลักแบบเปียกของฟิล์ม NI30.49 พื้นฐาน ตัวอย่าง NGF/NI/NGF ที่โตแล้วถูกวางไว้ข้ามคืนใน 15 มล. ของ 70% HNO3 เจือจางด้วยน้ำปราศจากไอออน 600 มล. (DI) หลังจากฟอยล์ Ni ถูกละลายอย่างสมบูรณ์ FS-NGF ยังคงแบนและลอยอยู่บนพื้นผิวของของเหลวเช่นเดียวกับตัวอย่าง NGF/NI/NGF ในขณะที่ BS-NGF ถูกแช่อยู่ในน้ำ (รูปที่ 2A, B) จากนั้น NGF ที่แยกได้จะถูกถ่ายโอนจากบีกเกอร์หนึ่งที่มีน้ำปราศจากไอออนสดไปยังบีกเกอร์อื่นและ NGF ที่แยกได้ถูกล้างอย่างทั่วถึงซ้ำสี่ถึงหกครั้งผ่านจานแก้วเว้า ในที่สุด FS-NGF และ BS-NGF ถูกวางไว้บนพื้นผิวที่ต้องการ (รูปที่ 2C)
กระบวนการถ่ายโอนสารเคมีเปียกที่ปราศจากพอลิเมอร์สำหรับ NGF ที่ปลูกบนฟอยล์นิกเกิล: (a) กระบวนการไดอะแกรมการไหลของกระบวนการ (ดูรูป SI4 สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) (b) ภาพถ่ายดิจิตอลของ NGF ที่แยกจากกันหลังจากการกัด NI (2 ตัวอย่าง), (c) ตัวอย่าง FS-และ BS-NGF ไปยัง SiO2/Si substrate (D) ตัวอย่างเป็นพาเนล D (แบ่งออกเป็นสองส่วน), ถ่ายโอนไปยังกระดาษชุบทองและ nafion (พื้นผิวโปร่งใสที่ยืดหยุ่น, ขอบที่ทำเครื่องหมายด้วยมุมแดง)
โปรดทราบว่าการถ่ายโอน SLG ดำเนินการโดยใช้วิธีการถ่ายโอนสารเคมีเปียกต้องใช้เวลาในการประมวลผลทั้งหมด 20-24 ชั่วโมง 38 ด้วยเทคนิคการถ่ายโอนที่ปราศจากพอลิเมอร์แสดงให้เห็นที่นี่ (รูป SI4A) เวลาประมวลผลการถ่ายโอน NGF โดยรวมจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (ประมาณ 15 ชั่วโมง) กระบวนการประกอบด้วย: (ขั้นตอนที่ 1) เตรียมการแก้ปัญหาการแกะสลักและวางตัวอย่างไว้ในนั้น (~ 10 นาที) จากนั้นรอข้ามคืนสำหรับการแกะสลัก Ni (~ 7200 นาที), (ขั้นตอนที่ 2) ล้างด้วยน้ำปราศจากไอออน (ขั้นตอน - 3) เก็บในน้ำที่ปราศจากไอออนหรือถ่ายโอนไปยังพื้นผิวเป้าหมาย (20 นาที) น้ำที่ติดอยู่ระหว่าง NGF และเมทริกซ์จำนวนมากจะถูกลบออกโดยการกระทำของเส้นเลือดฝอย (โดยใช้กระดาษซับ) 38 จากนั้นหยดน้ำที่เหลือจะถูกลบออกโดยการอบแห้งตามธรรมชาติ (ประมาณ 30 นาที) และในที่สุดตัวอย่างจะถูกทำให้แห้งเป็นเวลา 10 นาที ขั้นต่ำในเตาอบสูญญากาศ (10–1 mbar) ที่ 50–90 ° C (60 นาที) 38
กราไฟท์เป็นที่รู้จักกันเพื่อทนต่อการมีน้ำและอากาศที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง (≥ 200 ° C) 50,51,52 เราทดสอบตัวอย่างโดยใช้ Raman spectroscopy, SEM และ XRD หลังจากเก็บน้ำในน้ำปราศจากไอออนที่อุณหภูมิห้องและในขวดที่ปิดผนึกได้ทุกที่จากไม่กี่วันถึงหนึ่งปี (รูป SI4) ไม่มีการย่อยสลายที่เห็นได้ชัดเจน รูปที่ 2C แสดง FS-NGF และ BS-NGF ที่ยืนฟรีในน้ำปราศจากไอออน เราจับพวกมันบนพื้นผิว SiO2 (300 nm)/Si ดังที่แสดงในตอนต้นของรูปที่ 2C นอกจากนี้ดังที่แสดงในรูปที่ 2D, E, NGF ต่อเนื่องสามารถถ่ายโอนไปยังพื้นผิวต่างๆเช่นโพลีเมอร์ (thermabright polyamide จาก nexolve และ nafion) และกระดาษคาร์บอนเคลือบทอง FS-NGF ลอยอยู่บนพื้นผิวเป้าหมายได้อย่างง่ายดาย (รูปที่ 2C, D) อย่างไรก็ตามตัวอย่าง BS-NGF ที่มีขนาดใหญ่กว่า 3 cm2 นั้นยากที่จะจัดการเมื่อแช่ในน้ำอย่างสมบูรณ์ โดยปกติเมื่อพวกเขาเริ่มม้วนในน้ำเนื่องจากการจัดการที่ประมาทบางครั้งพวกเขาแบ่งออกเป็นสองหรือสามส่วน (รูปที่ 2E) โดยรวมแล้วเราสามารถถ่ายโอน PS- และ BS-NGF ได้โดยปราศจากโพลีเมอร์ (การถ่ายโอนอย่างต่อเนื่องอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องเติบโต NGF/NI/NGF ที่ 6 ซม. 2) สำหรับตัวอย่างสูงถึง 6 และ 3 ซม. ในพื้นที่ตามลำดับ ชิ้นส่วนขนาดใหญ่หรือขนาดเล็กที่เหลืออยู่ใด ๆ สามารถ (มองเห็นได้ง่ายในสารละลายแกะสลักหรือน้ำที่ปราศจากไอออน) บนพื้นผิวที่ต้องการ (~ 1 mm2, รูป SI4B ดูตัวอย่างที่ถ่ายโอนไปยังกริดทองแดงเช่นเดียวกับใน“ FS-NGF: โครงสร้างและคุณสมบัติ (กล่าวถึง) 98-99% (หลังจากการเติบโตสำหรับการถ่ายโอน)
ตัวอย่างการถ่ายโอนที่ไม่มีพอลิเมอร์ถูกวิเคราะห์อย่างละเอียด ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวที่ได้รับจาก FS- และ BS-NGF/SIO2/SI (รูปที่ 2C) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ออปติคัล (OM) และภาพ SEM (รูปที่ SI5 และรูปที่ 3) แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างเหล่านี้ถูกถ่ายโอนโดยไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ ความเสียหายของโครงสร้างที่มองเห็นได้เช่นรอยแตกหลุมหรือพื้นที่ที่ไม่ได้ควบคุม รอยพับบน NGF ที่กำลังเติบโต (รูปที่ 3B, D, ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีม่วง) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากถ่ายโอน ทั้ง FS- และ BS-NGFs ประกอบด้วยภูมิภาค FLG (ภูมิภาคที่สว่างระบุโดยลูกศรสีน้ำเงินในรูปที่ 3) น่าแปลกใจที่ในทางตรงกันข้ามกับภูมิภาคที่เสียหายไม่กี่แห่งที่สังเกตได้โดยทั่วไปในระหว่างการถ่ายโอนพอลิเมอร์ของฟิล์มกราไฟท์ ultrathin, ภูมิภาค FLG และ MLG ขนาดไมครอนหลายตัวที่เชื่อมต่อกับ NGF (ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีน้ำเงินในรูปที่ 3D) ถูกถ่ายโอนโดยไม่มีรอยแตกหรือแตก (รูปที่ 3D) 3). - ความสมบูรณ์ทางกลได้รับการยืนยันเพิ่มเติมโดยใช้ภาพ TEM และ SEM ของ NGF ที่ถ่ายโอนไปยังกริดทองแดงลูกไม้-คาร์บอนตามที่กล่าวไว้ในภายหลัง (“ FS-NGF: โครงสร้างและคุณสมบัติ”) การถ่ายโอน BS-NGF/SIO2/SI นั้นหยาบกว่า FS-NGF/SIO2/SI ที่มีค่า RMS 140 นาโนเมตรและ 17 นาโนเมตรตามลำดับดังแสดงในรูปที่ SI6A และ B (20 × 20 μM2) ค่า RMS ของ NGF ที่ถ่ายโอนไปยัง SiO2/Si substrate (RMS <2 nm) ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ (ประมาณ 3 ครั้ง) อย่างมีนัยสำคัญกว่าของ NGF ที่ปลูกบน Ni (รูป SI2) แสดงว่าความหยาบเพิ่มเติมอาจสอดคล้องกับพื้นผิว Ni นอกจากนี้ภาพ AFM ที่ดำเนินการบนขอบของตัวอย่าง FS- และ BS-NGF/SIO2/SI แสดงความหนาของ NGF ที่ 100 และ 80 นาโนเมตรตามลำดับ (รูปที่ SI7) ความหนาที่เล็กกว่าของ BS-NGF อาจเป็นผลมาจากพื้นผิวที่ไม่ได้สัมผัสกับก๊าซสารตั้งต้นโดยตรง
ถ่ายโอน NGF (NIAG) โดยไม่มีพอลิเมอร์บน SiO2/Si Wafer (ดูรูปที่ 2C): (A, B) ภาพ SEM ของการถ่ายโอน FS-NGF: กำลังขยายต่ำและสูง (สอดคล้องกับสแควร์สีส้มในแผงควบคุม) พื้นที่ทั่วไป) - a) (C, D) ภาพ SEM ของการถ่ายโอน BS-NGF: กำลังขยายต่ำและสูง (สอดคล้องกับพื้นที่ทั่วไปที่แสดงโดยสแควร์สีส้มในแผง C) (E, F) ภาพ AFM ของการถ่ายโอน FS- และ BS-NGFS Blue Arrow แสดงถึงภูมิภาค FLG - ความคมชัดที่สดใส, ลูกศรสีฟ้า - ความคมชัด MLG สีดำ, ลูกศรสีแดง - ความคมชัดสีดำหมายถึงภูมิภาค NGF ลูกศรสีม่วงแดงหมายถึงการพับ
องค์ประกอบทางเคมีของ FS- และ BS-NGFS ที่โตแล้วและ BS-NGFs ถูกวิเคราะห์โดย X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (รูปที่ 4) จุดสูงสุดที่อ่อนแอถูกพบในสเปกตรัมที่วัดได้ (รูปที่ 4a, b) ซึ่งสอดคล้องกับสารตั้งต้น Ni (850 eV) ของ FS- และ BS-NGFS (NIAG) ที่โตแล้ว ไม่มียอดเขาในสเปกตรัมที่วัดได้ของการถ่ายโอน FS- และ BS-NGF/SIO2/SI (รูปที่ 4C ผลลัพธ์ที่คล้ายกันสำหรับ BS-NGF/SIO2/SI ไม่แสดง) แสดงว่าไม่มีการปนเปื้อน NI ที่เหลือหลังจากถ่ายโอน รูปที่ 4D-F แสดงสเปกตรัมความละเอียดสูงของระดับพลังงาน C 1 S, O 1 S และ SI 2P ของ FS-NGF/SIO2/SI พลังงานที่มีผลผูกพันของ C 1 s ของกราไฟท์คือ 284.4 EV53.54 รูปร่างเชิงเส้นของยอดกราไฟท์โดยทั่วไปถือว่าเป็นความไม่สมดุลดังแสดงในรูปที่ 4d54 สเปกตรัม C 1 S ระดับความละเอียดสูง (รูปที่ 4D) ยังยืนยันการถ่ายโอนบริสุทธิ์ (เช่นไม่มีพอลิเมอร์ตกค้าง) ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้า 38 linewidths ของสเปกตรัม C 1 s ของตัวอย่างที่ปลูกใหม่ (NIAG) และหลังจากการถ่ายโอนคือ 0.55 และ 0.62 eV ตามลำดับ ค่าเหล่านี้สูงกว่า SLG (0.49 eV สำหรับ SLG บนพื้นผิว SIO2) 38 อย่างไรก็ตามค่าเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่า linewidths ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้สำหรับตัวอย่างกราฟีนไพโรไลติกที่มุ่งเน้นสูง (~ 0.75 eV) 53,54,55 ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีไซต์คาร์บอนที่บกพร่องในวัสดุปัจจุบัน สเปกตรัมระดับพื้นดิน C 1 S และ O 1 S ยังขาดไหล่ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีความละเอียดสูงสุดความละเอียดสูง deconvolution54 มีπ→π* สูงสุดดาวเทียมประมาณ 291.1 eV ซึ่งมักจะสังเกตได้ในตัวอย่างกราไฟท์ สัญญาณ 103 EV และ 532.5 EV ในสเปกตรัมระดับแกน Si 2p และ O 1 S (ดูรูปที่ 4E, F) มีสาเหตุมาจากสารตั้งต้น SiO2 56 ตามลำดับ XPS เป็นเทคนิคที่ไวต่อพื้นผิวดังนั้นสัญญาณที่สอดคล้องกับ Ni และ SiO2 ที่ตรวจพบก่อนและหลังการถ่ายโอน NGF ตามลำดับจะถูกสันนิษฐานว่ามาจากภูมิภาค FLG พบผลลัพธ์ที่คล้ายกันสำหรับตัวอย่าง BS-NGF ที่ถ่ายโอน (ไม่แสดง)
ผลลัพธ์ NIAG XPS: (AC) สเปกตรัมการสำรวจขององค์ประกอบอะตอมองค์ประกอบที่แตกต่างกันของ FS-NGF/NI, BS-NGF/NI และถ่ายโอน FS-NGF/SIO2/SI ตามลำดับ (D-F) สเปกตรัมความละเอียดสูงของระดับแกนกลาง C 1 S, O 1S และ SI 2P ของตัวอย่าง FS-NGF/SIO2/SI
คุณภาพโดยรวมของผลึก NGF ที่ถ่ายโอนได้รับการประเมินโดยใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) รูปแบบ XRD ทั่วไป (รูปที่ SI8) ของการถ่ายโอน FS- และ BS-NGF/SIO2/SI แสดงการปรากฏตัวของยอดการเลี้ยวเบน (0 0 0 2) และ (0 0 0 4) ที่ 26.6 °และ 54.7 °คล้ายกับกราไฟท์ - สิ่งนี้เป็นการยืนยันคุณภาพผลึกสูงของ NGF และสอดคล้องกับระยะทาง interlayer ที่ D = 0.335 nm ซึ่งได้รับการบำรุงรักษาหลังจากขั้นตอนการถ่ายโอน ความเข้มของจุดสูงสุดการเลี้ยวเบน (0 0 0 0 2) ประมาณ 30 เท่าของยอดการเลี้ยวเบน (0 0 0 0 4) แสดงว่าระนาบคริสตัล NGF ได้รับการจัดแนวอย่างดีกับพื้นผิวตัวอย่าง
จากผลลัพธ์ของ SEM พบว่า Raman spectroscopy, XPS และ XRD พบว่าคุณภาพของ BS-NGF/NI พบว่าเหมือนกับ FS-NGF/NI แม้ว่าความหยาบของ RMS จะสูงขึ้นเล็กน้อย (ตัวเลข SI2, SI5) และ SI7)
SLGs ที่มีชั้นรองรับพอลิเมอร์หนาไม่เกิน 200 นาโนเมตรสามารถลอยอยู่บนน้ำได้ การตั้งค่านี้มักใช้ในกระบวนการถ่ายโอนสารเคมีแบบเปียกที่ช่วยพอลิเมอร์ได้ 23,38 กราฟีนและกราไฟท์นั้นไม่ชอบน้ำ (มุมเปียก 80–90 °) 57 พื้นผิวพลังงานที่มีศักยภาพของทั้งกราฟีนและ FLG ได้รับการรายงานว่าค่อนข้างแบนด้วยพลังงานที่มีศักยภาพต่ำ (~ 1 kJ/mol) สำหรับการเคลื่อนที่ด้านข้างของน้ำที่พื้นผิว 58 อย่างไรก็ตามพลังงานปฏิสัมพันธ์ที่คำนวณได้ของน้ำที่มีกราฟีนและกราฟีนสามชั้นประมาณ - 13 และ - 15 kJ/mol, 58 ตามลำดับแสดงให้เห็นว่าการทำงานร่วมกันของน้ำกับ NGF (ประมาณ 300 ชั้น) ต่ำกว่ากราฟีน นี่อาจเป็นหนึ่งในเหตุผลที่ NGF อิสระยังคงราบเรียบอยู่บนผิวน้ำในขณะที่กราฟีนอิสระ (ซึ่งลอยอยู่ในน้ำ) หยิกขึ้นและสลาย เมื่อ NGF ถูกแช่อยู่ในน้ำอย่างสมบูรณ์ (ผลลัพธ์จะเหมือนกันสำหรับ NGF ที่หยาบและแบน) ขอบของมันโค้งงอ (รูป SI4) ในกรณีของการแช่อย่างสมบูรณ์คาดว่าพลังงานปฏิสัมพันธ์ NGF-water จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (เมื่อเทียบกับ NGF ที่ลอยอยู่) และขอบของ NGF พับเพื่อรักษามุมสัมผัสที่สูง (hydrophobicity) เราเชื่อว่ากลยุทธ์สามารถพัฒนาเพื่อหลีกเลี่ยงการดัดผมของ NGFs ที่ฝังตัว วิธีหนึ่งคือการใช้ตัวทำละลายผสมเพื่อปรับปฏิกิริยาเปียกของ Film59 กราไฟท์
การถ่ายโอน SLG ไปยังสารตั้งต้นประเภทต่างๆผ่านกระบวนการถ่ายโอนสารเคมีเปียกได้รับการรายงานก่อนหน้านี้ เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่ากองกำลัง Van der Waals ที่อ่อนแออยู่ระหว่างฟิล์มกราฟีน/กราไฟท์และพื้นผิว (ไม่ว่าจะเป็นสารตั้งต้นที่แข็งเช่น SiO2/SI38,41,46,60, SIC38, AU42, SI Pillars22 และ Lacy Carbon Films30, 34 ที่นี่เราสมมติว่าการโต้ตอบของประเภทเดียวกันมีอิทธิพลเหนือกว่า เราไม่ได้สังเกตความเสียหายหรือการลอก NGF สำหรับพื้นผิวใด ๆ ที่นำเสนอที่นี่ในระหว่างการจัดการเชิงกล (ระหว่างการจำแนกลักษณะภายใต้สุญญากาศและ/หรือสภาพบรรยากาศหรือระหว่างการจัดเก็บ) (เช่นรูปที่ 2, SI7 และ SI9) นอกจากนี้เราไม่ได้สังเกต SIC Peak ในสเปกตรัม XPS C 1 S ของระดับแกนกลางของตัวอย่าง NGF/SIO2/SI (รูปที่ 4) ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าไม่มีพันธะทางเคมีระหว่าง NGF และสารตั้งต้นเป้าหมาย
ในส่วนก่อนหน้านี้“ การถ่ายโอน FS- และ BS-NGF ปราศจากพอลิเมอร์” เราแสดงให้เห็นว่า NGF สามารถเติบโตและถ่ายโอนทั้งสองด้านของนิกเกิลฟอยล์ FS-NGFS และ BS-NGFs เหล่านี้ไม่เหมือนกันในแง่ของความขรุขระของพื้นผิวซึ่งทำให้เราสำรวจแอปพลิเคชันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละประเภท
เมื่อพิจารณาถึงความโปร่งใสและพื้นผิวที่เรียบเนียนของ FS-NGF เราได้ศึกษาโครงสร้างท้องถิ่นคุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้าในรายละเอียดเพิ่มเติม โครงสร้างและโครงสร้างของ FS-NGF ที่ไม่มีการถ่ายโอนพอลิเมอร์มีลักษณะโดยการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) และการวิเคราะห์รูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน (SAED) ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันจะแสดงในรูปที่ 5 การถ่ายภาพ TEM แบบระนาบที่กำลังขยายต่ำเผยให้เห็นการปรากฏตัวของภูมิภาค NGF และ FLG ที่มีลักษณะความคมชัดของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันเช่นพื้นที่มืดและสว่างกว่าตามลำดับ (รูปที่ 5A) ภาพยนตร์โดยรวมแสดงถึงความสมบูรณ์ของกลไกที่ดีและความเสถียรระหว่างภูมิภาคต่าง ๆ ของ NGF และ FLG โดยมีการซ้อนทับกันที่ดีและไม่มีความเสียหายหรือการฉีกขาดซึ่งได้รับการยืนยันโดย SEM (รูปที่ 3) และการศึกษา TEM ที่กำลังขยายสูง (รูปที่ 5C-E) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรูปที่รูปที่ 5D แสดงโครงสร้างสะพานที่ส่วนที่ใหญ่ที่สุด (ตำแหน่งที่ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรประสีดำในรูปที่ 5D) ซึ่งมีรูปร่างเป็นรูปสามเหลี่ยมและประกอบด้วยชั้นกราฟีนที่มีความกว้างประมาณ 51 องค์ประกอบที่มีระยะห่าง interplanar 0.33 ± 0.01 nm จะลดลงอีกหลายชั้นของกราฟีนในพื้นที่แคบที่สุด (ปลายของลูกศรสีดำทึบในรูปที่ 5 d)
ภาพ TEM ระนาบของตัวอย่าง NIAG ที่ปราศจากพอลิเมอร์บนกริดทองแดงลูกไม้ลูกไม้คาร์บอน: (A, B) ภาพ TEM กำลังขยายต่ำรวมถึงภูมิภาค NGF และ FLG, (CE) ภาพการขยายสูงของภูมิภาคต่างๆในแผง A และ Panel-B ถูกทำเครื่องหมายลูกศรสีเดียวกัน ลูกศรสีเขียวในแผงควบคุม A และ C ระบุพื้นที่วงกลมของความเสียหายในระหว่างการจัดตำแหน่งลำแสง (F - I) ในแผง A ถึง C รูปแบบ SAED ในภูมิภาคต่าง ๆ จะถูกระบุด้วยวงกลมสีน้ำเงิน, สีฟ้า, สีส้มและสีแดงตามลำดับ
โครงสร้างริบบิ้นในรูปที่ 5C แสดง (ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีแดง) การวางแนวตั้งของระนาบกราไฟท์ขัดแตะซึ่งอาจเกิดจากการก่อตัวของนาโนโฟลด์ตามฟิล์ม (สิ่งที่ใส่เข้าไปในรูปที่ 5C) เนื่องจากแรงเฉือนที่ไม่ได้รับการชดเชย 30,61,62 ภายใต้ TEM ความละเอียดสูง nanofolds 30 เหล่านี้แสดงการวางแนวผลึกที่แตกต่างจากส่วนที่เหลือของภูมิภาค NGF; ระนาบฐานของกราไฟท์ตาข่ายนั้นมีแนวตั้งเกือบจะเป็นแนวตั้งมากกว่าในแนวนอนเหมือนส่วนที่เหลือของภาพยนตร์ (สิ่งที่ใส่เข้าไปในรูปที่ 5C) ในทำนองเดียวกันภูมิภาค FLG บางครั้งจะมีการพับแบบเส้นตรงและแคบเหมือนแถบ (ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีน้ำเงิน) ซึ่งปรากฏที่กำลังขยายต่ำและปานกลางในรูปที่ 5B, 5E ตามลำดับ สิ่งที่ใส่เข้าไปในรูปที่ 5E ยืนยันการปรากฏตัวของชั้นกราฟีนสองและสามชั้นในภาค FLG (ระยะทาง interplanar 0.33 ± 0.01 nm) ซึ่งเป็นข้อตกลงที่ดีกับผลลัพธ์ก่อนหน้าของเรา 30 นอกจากนี้ภาพ SEM ที่บันทึกไว้ของ NGF ที่ปราศจากพอลิเมอร์ถ่ายโอนไปยังกริดทองแดงด้วยฟิล์มคาร์บอน Lacy (หลังจากทำการวัด TEM มุมมองบนสุด) จะแสดงในรูป SI9 ภูมิภาค FLG ที่ถูกระงับไว้อย่างดี (ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีน้ำเงิน) และภูมิภาคที่แตกหักในรูป SI9F ลูกศรสีน้ำเงิน (ที่ขอบของ NGF ที่ถ่ายโอน) จะถูกนำเสนอโดยเจตนาเพื่อแสดงให้เห็นว่าภูมิภาค FLG สามารถต้านทานกระบวนการถ่ายโอนได้โดยไม่ต้องพอลิเมอร์ โดยสรุปภาพเหล่านี้ยืนยันว่า NGF ที่ถูกระงับบางส่วน (รวมถึงภูมิภาค FLG) ยังคงรักษาความสมบูรณ์ทางกลแม้หลังจากการจัดการอย่างเข้มงวดและการสัมผัสกับสูญญากาศสูงในระหว่างการวัด TEM และ SEM (รูปที่ SI9)
เนื่องจากความเรียบที่ยอดเยี่ยมของ NGF (ดูรูปที่ 5A) จึงไม่ยากที่จะปรับทิศทางสะเก็ดไปตามแกนโดเมน [0001] เพื่อวิเคราะห์โครงสร้าง SAED ขึ้นอยู่กับความหนาในท้องถิ่นของฟิล์มและที่ตั้งของมันมีการระบุหลายภูมิภาคที่น่าสนใจ (12 คะแนน) สำหรับการศึกษาการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน ในรูปที่ 5A - C สี่ของภูมิภาคทั่วไปเหล่านี้จะแสดงและทำเครื่องหมายด้วยวงกลมสี (สีน้ำเงิน, สีฟ้า, สีส้มและรหัสสีแดง) รูปที่ 2 และ 3 สำหรับโหมด SAED รูปที่ 5F และ G ได้รับจากภูมิภาค FLG ที่แสดงในรูปที่ 5 และ 5 ดังแสดงในรูปที่ 5B และ C ตามลำดับ พวกเขามีโครงสร้างหกเหลี่ยมคล้ายกับ graphene63 ที่บิดเบี้ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งรูปที่ 5F แสดงรูปแบบซ้อนทับสามรูปแบบที่มีการวางแนวเดียวกันของแกนโซน [0001] หมุนโดย 10 °และ 20 °ซึ่งเป็นหลักฐานโดยความไม่ตรงกันเชิงมุมของสามคู่ของการสะท้อน (10-10) ในทำนองเดียวกันรูปที่ 5G แสดงรูปแบบหกเหลี่ยมซ้อนทับสองรูปแบบหมุนโดย 20 ° สองหรือสามกลุ่มของรูปแบบหกเหลี่ยมในภูมิภาค FLG สามารถเกิดขึ้นได้จากสามชั้นในระนาบหรือชั้นนอกระนาบ 33 หมุนเทียบกับกันและกัน ในทางตรงกันข้ามรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนในรูปที่ 5H, I (สอดคล้องกับภูมิภาค NGF ที่แสดงในรูปที่ 5A) แสดงรูปแบบ [0001] เดี่ยวที่มีความเข้มการเลี้ยวเบนของจุดที่สูงขึ้นโดยรวมซึ่งสอดคล้องกับความหนาของวัสดุที่มากขึ้น โมเดล SAED เหล่านี้สอดคล้องกับโครงสร้างกราไฟต์ที่หนากว่าและการวางแนวกลางกว่า FLG ซึ่งอนุมานได้จากดัชนี 64. การจำแนกลักษณะของคุณสมบัติผลึกของ NGF เผยให้เห็นการอยู่ร่วมกันของผลึกกราไฟท์สองหรือสาม (หรือกราฟีน) สิ่งที่น่าสังเกตโดยเฉพาะอย่างยิ่งในภูมิภาค FLG คือผลึกมีระดับหนึ่งของการเกิดขึ้นในระนาบหรือนอกระนาบ อนุภาค/เลเยอร์กราไฟท์ที่มีมุมการหมุนในระนาบที่ 17 °, 22 °และ 25 °ได้รับการรายงานก่อนหน้านี้สำหรับ NGF ที่ปลูกบนฟิล์ม NI 64 ค่ามุมการหมุนที่สังเกตได้ในการศึกษานี้สอดคล้องกับมุมการหมุนที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้ (± 1 °) สำหรับกราฟีน BLG63 ที่บิดเบี้ยว
คุณสมบัติทางไฟฟ้าของ NGF/SIO2/SI ถูกวัดที่ 300 K เหนือพื้นที่ 10 × 3 mm2 ค่าของความเข้มข้นของผู้ให้บริการอิเล็กตรอนการเคลื่อนย้ายและการนำไฟฟ้าคือ 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 และ 2000 S-CM-1 ตามลำดับ ค่าการเคลื่อนที่และค่าการนำไฟฟ้าของ NGF ของเรานั้นคล้ายคลึงกับกราไฟต์ธรรมชาติ 2 และสูงกว่ากราไฟท์ไพโรไลติกที่มีความมุ่งมั่นสูงในเชิงพาณิชย์ (ผลิตที่ 3000 ° C) 29 ค่าความเข้มข้นของผู้ให้บริการอิเล็กตรอนที่สังเกตได้คือคำสั่งสองอันของขนาดที่สูงกว่าที่รายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้ (7.25 × 10 ซม. -3) สำหรับฟิล์มกราไฟท์หนาไมครอนที่เตรียมโดยใช้แผ่นโพลีไมด์อุณหภูมิสูง (3200 ° C) 20
นอกจากนี้เรายังทำการวัดการส่งผ่านรังสี UV ที่มองเห็นได้บน FS-NGF ที่ถ่ายโอนไปยังพื้นผิวควอตซ์ (รูปที่ 6) สเปกตรัมที่เกิดขึ้นแสดงการส่งผ่านเกือบคงที่ 62% ในช่วง 350–800 นาโนเมตรแสดงให้เห็นว่า NGF โปร่งแสงเป็นแสงที่มองเห็นได้ ในความเป็นจริงชื่อ“ Kaust” สามารถเห็นได้ในภาพถ่ายดิจิตอลของตัวอย่างในรูปที่ 6b แม้ว่าโครงสร้าง nanocrystalline ของ NGF นั้นแตกต่างจาก SLG แต่จำนวนเลเยอร์สามารถประมาณได้ประมาณโดยใช้กฎการสูญเสียการส่งสัญญาณ 2.3% ต่อเลเยอร์เพิ่มเติม 65 จากความสัมพันธ์นี้จำนวนเลเยอร์กราฟีนที่มีการสูญเสียการส่งสัญญาณ 38% คือ 21 NGF ที่โตแล้วส่วนใหญ่ประกอบด้วยชั้นกราฟีน 300 ชั้นเช่นหนาประมาณ 100 นาโนเมตร (รูปที่ 1, SI5 และ SI7) ดังนั้นเราจึงสันนิษฐานว่าความโปร่งใสทางแสงที่สังเกตได้สอดคล้องกับภูมิภาค FLG และ MLG เนื่องจากมีการแจกจ่ายตลอดทั้งฟิล์ม (รูปที่ 1, 3, 5 และ 6C) นอกเหนือจากข้อมูลโครงสร้างด้านบนการนำไฟฟ้าและความโปร่งใสยังยืนยันคุณภาพผลึกสูงของ NGF ที่ถ่ายโอน
(a) การวัดการส่งผ่านรังสี UV ที่มองเห็นได้ (b) การถ่ายโอน NGF ทั่วไปบนควอตซ์โดยใช้ตัวอย่างตัวแทน (C) แผนผังของ NGF (กล่องมืด) ที่มีภูมิภาคกระจายอย่างสม่ำเสมอและ MLG ที่มีการกระจายเป็นรูปทรงสุ่มสีเทาตลอดทั้งตัวอย่าง (ดูรูปที่ 1) (ประมาณ 0.1–3% พื้นที่ต่อ 100 μM2) รูปร่างแบบสุ่มและขนาดของพวกเขาในไดอะแกรมมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นตัวอย่างเท่านั้นและไม่สอดคล้องกับพื้นที่จริง
NGF โปร่งแสงที่ปลูกโดย CVD เคยถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวซิลิคอนเปลือยและใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ 15,16 ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่เกิดขึ้น (PCE) คือ 1.5% NGFs เหล่านี้ทำหน้าที่หลายอย่างเช่นเลเยอร์ผสมที่ใช้งาน, เส้นทางการขนส่งประจุและขั้วไฟฟ้าโปร่งใส 15,16 อย่างไรก็ตามฟิล์มกราไฟท์นั้นไม่เหมือนกัน การเพิ่มประสิทธิภาพเพิ่มเติมเป็นสิ่งจำเป็นโดยการควบคุมความต้านทานแผ่นและการส่งผ่านแสงของอิเล็กโทรดกราไฟท์อย่างระมัดระวังเนื่องจากคุณสมบัติทั้งสองนี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดค่า PCE ของเซลล์แสงอาทิตย์ 15,16 โดยทั่วไปแล้วฟิล์มกราฟีนมีความโปร่งใส 97.7% ต่อแสงที่มองเห็นได้ แต่มีความต้านทานต่อแผ่น 200–3000 โอห์ม/ตารางเมตร ความต้านทานพื้นผิวของฟิล์มกราฟีนสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มจำนวนเลเยอร์ (การถ่ายโอนหลายชั้นของกราฟีน) และยาสลบด้วย HNO3 (~ 30 ohm/sq.) 66 อย่างไรก็ตามกระบวนการนี้ใช้เวลานานและเลเยอร์การถ่ายโอนที่แตกต่างกันไม่ได้มีการติดต่อที่ดีเสมอไป NGF ด้านหน้าของเรามีคุณสมบัติเช่นการนำไฟฟ้า 2000 s/cm, การต้านทานแผ่นฟิล์ม 50 โอห์ม/ตาราง และความโปร่งใส 62% ทำให้เป็นทางเลือกที่ทำงานได้สำหรับช่องสัญญาณนำไฟฟ้าหรือขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ในเซลล์แสงอาทิตย์ 15,16
แม้ว่าโครงสร้างและเคมีพื้นผิวของ BS-NGF จะคล้ายกับ FS-NGF แต่ความหยาบของมันนั้นแตกต่างกัน (“ การเติบโตของ FS- และ BS-NGF”) ก่อนหน้านี้เราใช้ฟิล์มบางเฉียบ GRAGHITE22 เป็นเซ็นเซอร์ก๊าซ ดังนั้นเราจึงทดสอบความเป็นไปได้ของการใช้ BS-NGF สำหรับงานตรวจจับก๊าซ (รูป SI10) ประการแรกส่วนขนาด MM2 ของ BS-NGF ถูกถ่ายโอนไปยังชิปเซ็นเซอร์อิเล็กโทรดแบบ interdigitating (รูปที่ SI10A-C) ก่อนหน้านี้มีการรายงานรายละเอียดการผลิตของชิป; พื้นที่ที่ไวต่อการใช้งานของมันคือ 9 mm267 ในภาพ SEM (รูปที่ SI10B และ C) อิเล็กโทรดทองคำพื้นฐานสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนผ่าน NGF อีกครั้งจะเห็นได้ว่าการครอบคลุมชิปแบบสม่ำเสมอนั้นทำได้สำหรับตัวอย่างทั้งหมด บันทึกการวัดเซ็นเซอร์ก๊าซของก๊าซต่าง ๆ (รูปที่ SI10D) (รูปที่ SI11) และอัตราการตอบสนองที่เกิดขึ้นจะแสดงในรูปที่ SI10G มีแนวโน้มที่จะมีก๊าซรบกวนอื่น ๆ รวมถึง SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) และ NH3 (200 ppm) สาเหตุหนึ่งที่เป็นไปได้คือ NO2 ธรรมชาติของ GAS22,68 เมื่อดูดซับบนพื้นผิวของกราฟีนจะช่วยลดการดูดซึมของอิเล็กตรอนในปัจจุบันโดยระบบ การเปรียบเทียบข้อมูลเวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์ BS-NGF กับเซ็นเซอร์ที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้แสดงไว้ในตาราง SI2 กลไกสำหรับการเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ NGF ที่ใช้งานใหม่โดยใช้พลาสมา UV, พลาสมา O3 หรือความร้อน (50–150 ° C) การรักษาตัวอย่างที่เปิดเผยยังคงดำเนินต่อไปตามด้วยการใช้ระบบฝังตัว 69
ในระหว่างกระบวนการ CVD การเจริญเติบโตของกราฟีนเกิดขึ้นทั้งสองด้านของสารตั้งต้นตัวเร่งปฏิกิริยา 41 อย่างไรก็ตาม BS-graphene มักจะถูกไล่ออกในระหว่างกระบวนการถ่ายโอน 41 ในการศึกษานี้เราแสดงให้เห็นว่าการเติบโตของ NGF ที่มีคุณภาพสูงและการถ่ายโอน NGF ที่ปราศจากพอลิเมอร์สามารถทำได้ทั้งสองด้านของการสนับสนุนตัวเร่งปฏิกิริยา BS-NGF นั้นบางกว่า (~ 80 nm) กว่า FS-NGF (~ 100 nm) และความแตกต่างนี้อธิบายโดยความจริงที่ว่า BS-NI ไม่ได้สัมผัสกับการไหลของก๊าซสารตั้งต้นโดยตรง นอกจากนี้เรายังพบว่าความขรุขระของสารตั้งต้น NIAR มีผลต่อความขรุขระของ NGF ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่า FS-NGF ระนาบที่โตขึ้นสามารถใช้เป็นวัสดุสารตั้งต้นสำหรับกราฟีน (โดยวิธีการขัดผิว 70) หรือเป็นช่องทางนำไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์ 15,16 ในทางตรงกันข้าม BS-NGF จะใช้สำหรับการตรวจจับก๊าซ (รูปที่ SI9) และอาจเป็นระบบจัดเก็บพลังงาน 71,72 ซึ่งความขรุขระของพื้นผิวจะเป็นประโยชน์
เมื่อพิจารณาจากข้างต้นมันมีประโยชน์ในการรวมงานปัจจุบันเข้ากับภาพยนตร์กราไฟท์ที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้ที่เติบโตโดย CVD และใช้นิกเกิลฟอยล์ ดังที่เห็นได้ในตารางที่ 2 แรงกดดันที่สูงขึ้นที่เราใช้ทำให้เวลาตอบสนองลดลง (ระยะการเจริญเติบโต) แม้ที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (ในช่วง 850–1300 ° C) นอกจากนี้เรายังประสบความสำเร็จในการเติบโตมากขึ้นกว่าปกติซึ่งบ่งบอกถึงศักยภาพในการขยายตัว มีปัจจัยอื่น ๆ ที่ควรพิจารณาซึ่งบางอย่างที่เรารวมอยู่ในตาราง
NGF คุณภาพสูงสองด้านถูกปลูกบนฟอยล์นิกเกิลโดยตัวเร่งปฏิกิริยา CVD ด้วยการกำจัดพื้นผิวพอลิเมอร์แบบดั้งเดิม (เช่นที่ใช้ใน CVD graphene) เราได้รับการถ่ายโอน NGF แบบเปียกที่สะอาดและปราศจากข้อบกพร่อง (ปลูกที่ด้านหลังและด้านหน้าของฟอยล์นิกเกิล) ไปยังสารตั้งต้นที่สำคัญกระบวนการที่หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง NGF รวมถึงภูมิภาค FLG และ MLG (โดยทั่วไปคือ 0.1% ถึง 3% ต่อ 100 µM2) ที่มีโครงสร้างรวมเข้ากับฟิล์มที่หนาขึ้น TEM ระนาบแสดงให้เห็นว่าภูมิภาคเหล่านี้ประกอบด้วยสแต็คของอนุภาคกราไฟท์/กราฟีนสองถึงสามอนุภาค (คริสตัลหรือเลเยอร์ตามลำดับ) ซึ่งบางส่วนมีการหมุนไม่ตรงกัน 10-20 ° ภูมิภาค FLG และ MLG มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความโปร่งใสของ FS-NGF ต่อแสงที่มองเห็นได้ สำหรับแผ่นด้านหลังพวกเขาสามารถขนานกับแผ่นหน้าและดังที่แสดงสามารถมีวัตถุประสงค์การทำงาน (ตัวอย่างเช่นสำหรับการตรวจจับก๊าซ) การศึกษาเหล่านี้มีประโยชน์มากสำหรับการลดของเสียและค่าใช้จ่ายในกระบวนการ CVD ในระดับอุตสาหกรรม
โดยทั่วไปความหนาเฉลี่ยของ CVD NGF อยู่ระหว่างกราฟีน (ต่ำและหลายชั้น) และแผ่นกราไฟท์อุตสาหกรรม (ไมโครมิเตอร์) ช่วงของคุณสมบัติที่น่าสนใจของพวกเขารวมกับวิธีง่ายๆที่เราพัฒนาขึ้นสำหรับการผลิตและการขนส่งทำให้ภาพยนตร์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการการตอบสนองการทำงานของกราไฟท์โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายของกระบวนการผลิตอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานมากในปัจจุบัน
ฟอยล์นิกเกิลหนา 25 ไมโครเมตร (ความบริสุทธิ์ 99.5%, Goodfellow) ได้รับการติดตั้งในเครื่องปฏิกรณ์ CVD เชิงพาณิชย์ (Aixtron 4-inch BMPRO) ระบบถูกกำจัดด้วยอาร์กอนและอพยพไปยังแรงดันพื้นฐาน 10-3 MBAR จากนั้นวางฟอยล์นิกเกิล ใน AR/H2 (หลังจากเปิดตัวฟอยล์ Ni ก่อนเวลา 5 นาทีฟอยล์ได้รับความดัน 500 Mbar ที่ 900 ° C. NGF ถูกสะสมในการไหลของ CH4/H2 (100 cm3 ต่อครั้ง) เป็นเวลา 5 นาที ที่อื่น 30.
สัณฐานวิทยาพื้นผิวของตัวอย่างถูกมองเห็นโดย SEM โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ Zeiss Merlin (1 kV, 50 PA) วัดความขรุขระของพื้นผิวตัวอย่างและความหนาของ NGF โดยใช้ AFM (ไอคอนมิติ SPM, Bruker) การวัด TEM และ SAED ดำเนินการโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ FEI Titan 80–300 ลูกบาศก์ที่ติดตั้งปืนปล่อยความสว่างสูง (300 kV), monochromator ชนิด Fei Wien และ CEO Lens Lens Aberration Corrector เพื่อให้ได้ผลลัพธ์สุดท้าย ความละเอียดเชิงพื้นที่ 0.09 นาโนเมตร ตัวอย่าง NGF ถูกถ่ายโอนไปยังกริดทองแดงเคลือบด้วยคาร์บอนสำหรับการถ่ายภาพ TEM แบบแบนและการวิเคราะห์โครงสร้าง SAED ดังนั้นตัวอย่างส่วนใหญ่จะถูกแขวนไว้ในรูขุมขนของเมมเบรนที่รองรับ ตัวอย่าง NGF ที่ถ่ายโอนถูกวิเคราะห์โดย XRD รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ได้รับโดยใช้เครื่องวัดการกระจายแบบผง (brucker, d2 เฟส shifter ที่มีแหล่ง Cu Kα, 1.5418 Åและเครื่องตรวจจับ Lynxeye) โดยใช้แหล่งรังสี CU ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสง 3 มม.
การวัดจุดรามานหลายครั้งถูกบันทึกโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ confocal แบบบูรณาการ (Alpha 300 RA, Witec) เลเซอร์ 532 นาโนเมตรที่มีกำลังกระตุ้นต่ำ (25%) ถูกใช้เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่เกิดจากความร้อน X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ดำเนินการกับ Spectrometer แกน Kratos Ultra เหนือพื้นที่ตัวอย่าง 300 × 700 μm2โดยใช้รังสีอัลKαแบบโมโนโครม (Hν = 1486.6 eV) ที่พลังงาน 150 W. ตัวอย่าง NGF ที่ถ่ายโอนไปยัง SiO2 ถูกตัดเป็นชิ้น ๆ (3 × 10 mm2 ต่อคน) โดยใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ Ytterbium PLS6MW (1.06 μm) ที่ 30 W. Copper Wire Contacts (หนา 50 μm) ถูกประดิษฐ์โดยใช้เงินใต้กล้องจุลทรรศน์แสง การทดลองการขนส่งทางไฟฟ้าและฮอลล์เอฟเฟกต์ได้ดำเนินการกับตัวอย่างเหล่านี้ที่ 300 K และการแปรผันของสนามแม่เหล็ก± 9 tesla ในระบบการวัดคุณสมบัติทางกายภาพ (PPMS Evercool-II, การออกแบบควอนตัม, สหรัฐอเมริกา) สเปคตรัม UV -Vis ที่ส่งผ่านถูกบันทึกโดยใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ Lambda 950 UV - Vis ในช่วง NGF 350–800 nm ที่ถ่ายโอนไปยังพื้นผิวควอตซ์และตัวอย่างการอ้างอิงควอตซ์
เซ็นเซอร์ความต้านทานทางเคมี (ชิปอิเล็กโทรดแบบ interdigitated) ถูกต่อสายไปยังแผงวงจรพิมพ์ที่กำหนดเอง 73 และความต้านทานถูกสกัดชั่วคราว แผงวงจรที่พิมพ์ซึ่งอุปกรณ์นั้นเชื่อมต่อกับเทอร์มินัลติดต่อและวางไว้ในห้องตรวจจับก๊าซ 74 การวัดความต้านทานถูกนำไปใช้ที่แรงดันไฟฟ้า 1 V ด้วยการสแกนอย่างต่อเนื่องจากการล้างเพื่อการสัมผัสก๊าซแล้วล้างอีกครั้ง ห้องได้รับการทำความสะอาดครั้งแรกโดยการล้างด้วยไนโตรเจนที่ 200 cm3 เป็นเวลา 1 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่าการกำจัดการวิเคราะห์อื่น ๆ ทั้งหมดที่มีอยู่ในห้องรวมถึงความชื้น การวิเคราะห์แต่ละตัวจะถูกปล่อยเข้ามาในห้องอย่างช้าๆในอัตราการไหลเดียวกันที่ 200 ซม. 3 โดยการปิดกระบอกสูบ N2
ฉบับแก้ไขของบทความนี้ได้รับการเผยแพร่และสามารถเข้าถึงได้ผ่านลิงก์ที่ด้านบนของบทความ
Inagaki, M. and Kang, F. วัสดุคาร์บอนวัสดุและวิศวกรรม: พื้นฐาน ฉบับที่สองแก้ไข 2014. 542
Pearson, HO คู่มือคาร์บอน, กราไฟท์, เพชรและฟูลเลอเรน: คุณสมบัติการประมวลผลและการใช้งาน ฉบับพิมพ์ครั้งแรกได้รับการแก้ไขแล้ว 2537 นิวเจอร์ซีย์
Tsai, W. et al. ฟิล์มกราฟีน/กราไฟท์หลายชั้นขนาดใหญ่เป็นขั้วไฟฟ้านำไฟฟ้าบาง ๆ ที่โปร่งใส แอปพลิเคชัน. ฟิสิกส์. ไรท์ 95 (12), 123115 (2009)
คุณสมบัติความร้อน Balandin AA ของวัสดุกราฟีนและวัสดุคาร์บอนที่มีโครงสร้างนาโน นัท แมตต์ 10 (8), 569–581 (2011)
Cheng KY, Brown PW และ Cahill DG การนำความร้อนของฟิล์มกราไฟท์ที่ปลูกบน Ni (111) โดยการสะสมไอสารเคมีอุณหภูมิต่ำ คำวิเศษณ์ แมตต์ อินเตอร์เฟส 3, 16 (2016)
Hesjedal, T. การเติบโตอย่างต่อเนื่องของฟิล์มกราฟีนโดยการสะสมไอสารเคมี แอปพลิเคชัน. ฟิสิกส์. ไรท์ 98 (13), 133106 (2011)