Nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Ulanýan brauzeriňiziň wersiýasynda CSS goldawy çäkli. Iň gowy netijeler üçin brauzeriňiziň täze wersiýasyny ulanmagyňyzy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de Gatnaşyklyk Režimini öçüriň). Şol bir wagtyň özünde, yzygiderli goldawy üpjün etmek üçin saýty stilizasiýasyz ýa-da JavaScript-siz görkezýäris.
Nanoölçegli grafit plýonkalary (NGF) katalitik himiki bug çökündisi arkaly öndürilip bilinýän berk nanomateriallardyr, ýöne olaryň geçirilmeginiň aňsatlygy we ýüz morfologiýasynyň täze nesil enjamlarda ulanylyşyna nähili täsir edýändigi barada soraglar galýar. Bu ýerde biz polikristal nikel folgasynyň iki tarapynda NGF-iň ösüşini (meýdany 55 sm2, galyňlygy takmynan 100 nm) we onuň polimersiz geçirilmegini (öň we arka, meýdany 6 sm2-e çenli) habar berýäris. Katalizator folgasynyň morfologiýasy sebäpli iki uglerod plýonkasy fiziki häsiýetleri we beýleki häsiýetleri (meselem, ýüziň gödekligi) boýunça tapawutlanýar. Biz has gödek arka taraply NGF-leriň NO2-ni anyklamak üçin gowy amatlydygyny, öň tarapdaky has tekiz we has geçiriji NGF-leriň (2000 S/sm2, list garşylygy – 50 ohm/m2) bolsa gün batareýasynyň kanaly ýa-da elektrody üçin amatly geçiriji bolup biljekdigini görkezýäris (sebäbi ol görünýän ýagtylygyň 62% -ni geçirýär). Umuman, beýan edilen ösüş we daşamak prosesleri grafen we mikron galyňlygyndaky grafit plýonkalarynyň laýyk gelmeýän tehnologiki ulanylyşlar üçin alternatiw uglerod materialy hökmünde NGF-ni amala aşyrmaga kömek edip biler.
Grafit giňden ulanylýan senagat materialydyr. Grafitiň massa dykyzlygy we ýokary tekizlikdäki ýylylyk we elektrik geçirijiligi häsiýetleri has-da pes, şeýle hem berk ýylylyk we himiki gurşawlarda örän durnuklydyr1,2. Gatlak grafit grafen barlaglary üçin meşhur başlangyç materialdyr3. Inçe plýonkalara işlenende, ol dürli ulanylyşlarda, şol sanda smartfonlar ýaly elektron enjamlar üçin ýylylyk berijilerde4,5,6,7, sensorlarda işjeň material hökmünde8,9,10 we elektromagnit päsgelçiliklerden goranmak üçin11,12 we ekstremal ultramelewşe şöhlelerde litografiýa üçin plýonkalar13,14, gün batareýalaryndaky geçirijilik kanallary15,16 ulanylyp bilner. Bu ulanylyşlaryň hemmesi üçin, galyňlygy nano ölçegli <100 nm-de gözegçilik edilýän uly grafit plýonkalarynyň (NGF) giň meýdanlaryny aňsatlyk bilen öndürip we daşap boljak bolsa, bu uly artykmaçlyk bolar.
Grafit plýonkalary dürli usullar bilen öndürilýär. Bir ýagdaýda, grafen böleklerini öndürmek üçin içine goýmak we giňeltmek, soňra bolsa eksfoliasiýa ulanyldy10,11,17. Ölçegler zerur galyňlykdaky plýonkalara gaýtadan işlenmeli we dykyz grafit listlerini öndürmek üçin köplenç birnäçe gün gerek bolýar. Başga bir çemeleşme grafitlenip bilýän berk prekursorlardan başlamakdyr. Senagatda polimer listleri kömürleşdirilýär (1000–1500 °C-da) we soňra gowy gurluşly gatlakly materiallary emele getirmek üçin grafitleşdirilýär (2800–3200 °C-da). Bu plýonkalaryň hili ýokary bolsa-da, energiýa sarp edilişi ep-esli1,18,19 we iň pes galyňlyk birnäçe mikron bilen çäklenýär1,18,19,20.
Katalitik himiki bug çökündisi (KHÇ) ýokary gurluş hiline we amatly bahasyna eýe bolan grafen we ultra inçe grafit plýonkalaryny (<10 nm) öndürmek üçin giňden tanalýan usuldyr21,22,23,24,25,26,27. Şeýle-de bolsa, grafen we ultra inçe grafit plýonkalarynyň ösüşi bilen deňeşdirilende28, KHÇ ulanyp NGF-niň uly meýdanda ösmegi we/ýa-da ulanylmagy has az öwrenilen11,13,29,30,31,32,33.
CVD-de ösdürilip ýetişdirilen grafen we grafit plýonkalaryny köplenç funksional substratlara geçirmek gerek bolýar34. Bu inçe plýonka geçirmekleri iki esasy usuly öz içine alýar35: (1) aşyndyrylmadyk geçirmek36,37 we (2) aşyndyrylan çygly himiki geçirmek (substrat goldanylýar)14,34,38. Her bir usulyň käbir artykmaçlyklary we kemçilikleri bar we başga ýerde beýan edilişi ýaly, maksatly ulanylyşyna baglylykda saýlanmalydyr35,39. Katalitik substratlarda ösdürilip ýetişdirilen grafen/grafit plýonkalary üçin çygly himiki prosesler arkaly geçirmek (olaryň arasynda polimetil metakrilat (PMMA) iň köp ulanylýan goldaw gatlagy) birinji saýlaw bolmagynda galýar13,30,34,38,40,41,42. Siz we beýlekiler. NGF geçirmek üçin hiç hili polimeriň ulanylmaýandygy (nusganyň ululygy takmynan 4 sm2)25,43 aýdyldy, ýöne geçirmek wagtynda nusganyň durnuklylygy we/ýa-da işlemegi barada hiç hili maglumat berilmedi; Polimerleri ulanýan çygly himiýa prosesleri birnäçe ädimden ybarat, şol sanda gurban polimer gatlagyny ulanmak we soňra aýyrmak30,38,40,41,42. Bu prosesiň kemçilikleri bar: mysal üçin, polimer galyndylary ösdürilip ýetişdirilen plyonkanyň häsiýetlerini üýtgedip biler38. Goşmaça gaýtadan işlemek galyndy polimeri aýryp biler, ýöne bu goşmaça ädimler plyonka öndürmegiň bahasyny we wagtyny artdyrýar38,40. CVD ösüşi wagtynda grafen gatlagy diňe katalizator folgasynyň öň tarapynda (bug akymyna seredýän tarapynda) däl, eýsem onuň arka tarapynda hem çökýär. Şeýle-de bolsa, ikinjisi galyndy önüm hasaplanýar we ýumşak plazma bilen çalt aýrylyp bilner38,41. Bu plyonkany gaýtadan işlemek, hatda ýüz uglerod plyonkasyndan pes hilli bolsa-da, hasyllylygy ýokarlandyrmaga kömek edip biler.
Bu ýerde biz CVD usuly bilen polikristal nikel folgasynda ýokary gurluşly hilli NGF-iň wafer ölçegli iki ýüzli ösüşini taýýarlaýandygymyzy habar berýäris. Folganyň öň we arka ýüzüniň gödekliginiň NGF-iň morfologiýasyna we gurluşyna nähili täsir edýändigi seljerildi. Şeýle hem, biz nikel folgasynyň iki tarapyndan köpugurly substratlara NGF-iň tygşytly we ekologiýa taýdan arassa polimersiz geçirilmegini görkezýäris we öň we arka plýonkalaryň dürli ulanylyşlar üçin nähili amatlydygyny görkezýäris.
Aşakdaky bölümlerde gatlakly grafen gatlaklarynyň sanyna baglylykda dürli grafit plýonkasynyň galyňlyklary ara alnyp maslahatlaşylýar: (i) bir gatlakly grafen (SLG, 1 gatlak), (ii) birnäçe gatlakly grafen (FLG, < 10 gatlak), (iii) köp gatlakly grafen (MLG, 10-30 gatlak) we (iv) NGF (~300 gatlak). Soňky galyňlyk meýdanyň göterimi hökmünde görkezilen iň köp ýaýran galyňlykdyr (100 µm2 üçin takmynan 97% meýdan)30. Şonuň üçin tutuş plýonka diňe NGF diýlip atlandyrylýar.
Grafen we grafit plýonkalaryny sintez etmek üçin ulanylýan polikristal nikel folgalary öndürilişi we soňraky işlenilişi netijesinde dürli teksturalara eýedir. Biz ýakynda NGF30-yň ösüş prosesini optimizirlemek üçin geçirilen gözleg barada habar berdik. Ösüş tapgyrynda ýumşatma wagty we kamera basyşy ýaly proses parametrleriniň birmeňzeş galyňlykdaky NGF-leri almakda möhüm rol oýnaýandygyny görkezýäris. Bu ýerde biz nikel folgasynyň jylaňlanan öň (FS) we jylaňlanmadyk arka (BS) ýüzlerinde NGF-iň ösüşini has giňişleýin öwrendik (1a surat). 1-nji tablisada görkezilen üç görnüşli FS we BS nusgalary barlandy. Görsel barlagdan soň, nikel folgasynyň (NiAG) iki tarapynda NGF-iň birmeňzeş ösüşini esasy Ni substratynyň reňkiniň häsiýetli metal kümüşsöw reňkden mat çal reňke üýtgemegi arkaly görmek bolýar (1a surat); mikroskopik ölçegler tassyklanyldy (1b, c surat). Ýagty sebitde synlanan we 1b suratda gyzyl, gök we mämişi oklary bilen görkezilen FS-NGF-iň adaty Raman spektri 1c suratda görkezilen. Grafit G (1683 sm−1) we 2D (2696 sm−1)-iň häsiýetli Raman depeleri ýokary kristallyk NGF-iň ösüşini tassyklaýar (1c surat, SI1 tablisa). Filmiň dowamynda intensiwlik gatnaşygy (I2D/IG) ~0.3 bolan Raman spektrleriniň agdyklyk edýändigi, I2D/IG = 0.8 bolan Raman spektrleriniň bolsa seýrek duş gelýändigi syn edildi. Tutuş filmde kemçilikli depeleriň (D = 1350 sm−1) ýoklugy NGF ösüşiniň ýokary hilini görkezýär. BS-NGF nusgasynda Raman netijeleriniň meňzeşligi gazanyldy (SI1 a we b surat, SI1 tablisa).
NiAG FS- we BS-NGF deňeşdirmesi: (a) Plastinka ölçeginde (55 sm2) NGF ösüşini görkezýän adaty NGF (NiAG) nusgasynyň fotosuraty we netijede BS- we FS-Ni folga nusgalary, (b) Optiki mikroskop arkaly alnan FS-NGF suratlary/Ni, (c) b panelinde dürli ýerlerde ýazylan adaty Raman spektrleri, (d, f) FS-NGF/Ni-de dürli ulaldyşlarda SEM suratlary, (e, g) dürli ulaldyşlarda SEM suratlary BS -NGF/Ni sazlaşyklary. Gök ok FLG sebitini, mämişi ok MLG sebitini (FLG sebitiniň golaýynda), gyzyl ok NGF sebitini we gyzyl ok bolsa gyrymsy ok gatlagy görkezýär.
Ösüş başlangyç substratyň galyňlygyna, kristal ölçegine, ugry we däne serhetlerine bagly bolany üçin, uly meýdanlarda NGF galyňlygynyň dogry gözegçiligini gazanmak kyn bolmagynda galýar20,34,44. Bu gözlegde öň çap edilen mazmunymyz ulanyldy30. Bu proses 100 µm üçin 0,1-den 3% -e çenli ýagty sebit döredýär230. Aşakdaky bölümlerde iki görnüşli sebit üçin netijeleri hödürleýäris. Ýokary ulaldyşly SEM suratlary iki tarapda hem birnäçe ýagty kontrast sebitleriniň bardygyny görkezýär (1f, g surat), bu bolsa FLG we MLG sebitleriniň bardygyny görkezýär30,45. Bu Raman saçylmasy (1c surat) we TEM netijeleri bilen hem tassyklanyldy (soňra "FS-NGF: gurluş we häsiýetler" bölüminde ara alnyp maslahatlaşylýar). FS- we BS-NGF/Ni nusgalarynda syn edilen FLG we MLG sebitleri (Ni-de ösdürilip ýetişdirilen öň we yzky NGF) öňünden ýumşadylanda emele gelen uly Ni(111) dänelerinde ösüp çykan bolmagy mümkin22,30,45. Iki tarapda hem gyrymsylyk syn edildi (1b-nji surat, gyrmyzy ok bilen bellenen). Bu gyrymsylyklar köplenç CVD-de ösdürilip ýetişdirilen grafen we grafit plýonkalarynda duş gelýär, sebäbi grafit bilen nikel substratynyň arasyndaky termal giňelme koeffisiýentindäki uly tapawut bar30,38.
AFM suraty FS-NGF nusgasynyň BS-NGF nusgasyndan tekizdigini tassyklady (SI1 surat) (SI2 surat). FS-NGF/Ni (SI2c surat) we BS-NGF/Ni (SI2d surat)-yň kök ortaça kwadrat (RMS) gödeklik gymmatlyklary degişlilikde 82 we 200 nm (20 × 20 μm2 meýdanda ölçenýär). Ýokary gödeklik nikel (NiAR) folgasynyň kabul edilen ýagdaýyndaky ýüz seljermesine esaslanyp düşünilip bilner (SI3 surat). FS we BS-NiAR-yň SEM suratlary SI3a–d suratlarynda görkezilen, dürli ýüz morfologiýalaryny görkezýär: jylaňlanan FS-Ni folgasynda nano- we mikron ölçegli sferiki bölejikler bar, jylaňlanmadyk BS-Ni folgasynda bolsa önümçilik basgançagy görkezilýär. ýokary berklik we pese gaçyş bölejikleri hökmünde. Tawlanan nikel folgasynyň (NiA) pes we ýokary çözgütli suratlary SI3e–h suratlarynda görkezilen. Bu suratlarda nikel folgasynyň iki tarapynda birnäçe mikron ölçegli nikel bölejikleriniň bardygyny görüp bolýar (SI3e–h surat). Öň habar berlişi ýaly, uly dänejikler Ni(111) ýüzüniň ugryna eýe bolup biler30,46. FS-NiA we BS-NiA arasynda nikel folgasynyň morfologiýasynda uly tapawutlar bar. BS-NGF/Ni-niň ýokary gödekligi BS-NiAR-yň jylaňlanmadyk ýüzüne baglydyr, onuň ýüzü ýumşadylandan soň hem ep-esli gödek bolmagynda galýar (SI3 surat). Ösüş prosesinden öň ýüziň bu görnüşiniň häsiýetlendirilmegi grafen we grafit plýonkalarynyň gödekligini gözegçilikde saklamaga mümkinçilik berýär. Grafen ösüşi döwründe asyl substratyň käbir dänejikleriň täzeden gurnalmagyna sezewar bolandygyny, bu bolsa ýumşadylan folga we katalizator plýonkasyna garanyňda dänejikleriň ölçegini birneme azaldandygyny we substratyň ýüzüniň gödekligini birneme artdyrandygyny bellemeli22.
Substratyň ýüzüniň gödekligini, ýumşatma wagtyny (däne ölçegini)30,47 we goýberiş gözegçiligini43 inçe sazlamak, sebitdäki NGF galyňlygynyň birmeňzeşligini µm2 we/ýa-da hatda nm2 ölçegine çenli azaltmaga kömek eder (ýagny, birnäçe nanometr galyňlyk üýtgemeleri). Substratyň ýüzüniň gödekligini gözegçilikde saklamak üçin, netijede dörän nikel folgasynyň elektrolitik jylaňlamagy ýaly usullary göz öňünde tutup bolýar48. Soňra öňünden işlenen nikel folgasy uly Ni(111) dänejikleriniň emele gelmeginiň öňüni almak üçin pes temperaturada (<900 °C)46 we wagtda (<5 min) ýumşadylyp bilner (bu FLG ösüşi üçin peýdalydyr).
SLG we FLG grafen kislotalaryň we suwuň ýüzleý dartgynlylygyna çydap bilmeýär, şonuň üçin çygly himiki geçiş proseslerinde mehaniki goldaw gatlaklary gerek bolýar22,34,38. Polimer bilen goldanylýan bir gatlakly grafeniň çygly himiki geçişinden tapawutlylykda38, biz 2a suratda görkezilişi ýaly (has giňişleýin maglumat üçin SI4a suratyna serediň) ösýän NGF-iň iki tarapynyň hem polimer goldawsyz geçirilip bilinjekdigini anykladyk. NGF-iň berlen substrata geçirilmegi aşagyndaky Ni30.49 plýonkasynyň çygly aşyndyrylmagy bilen başlanýar. Ösen NGF/Ni/NGF nusgalary 600 ml deionlaşdyrylan (DI) suw bilen suwuklandyrylan 15 ml 70% HNO3-de bir gije goýuldy. Ni folgasy doly ereýäninden soň, FS-NGF tekiz galýar we NGF/Ni/NGF nusgasy ýaly suwuklygyň ýüzünde ýüzýär, BS-NGF bolsa suwa batyrylýar (2a, b surat). Soňra bölünip alnan NGF täze deionizirlenen suwly bir stakandan başga bir stakana geçirildi we bölünip alnan NGF içi boş aýna gap arkaly dört-alty gezek gaýtalanyp, doly ýuwuldy. Ahyrsoňy, FS-NGF we BS-NGF islenýän substrata ýerleşdirildi (2c-nji surat).
Nikel folgasynda ösdürilip ýetişdirilen NGF üçin polimersiz çygly himiki geçiş prosesi: (a) Proses akymynyň diagrammasy (has giňişleýin maglumat üçin SI4-nji surata serediň), (b) Ni aşındyrylandan soň bölünen NGF-iň sanly fotosuraty (2 nusga), (c) FS – we BS-NGF-iň SiO2/Si substratyna geçirilmeginiň mysaly, (d) FS-NGF-iň mat polimer substratyna geçirilmegi, (e) d paneli bilen bir nusgadan BS-NGF (iki bölege bölünen), altyn örtülen C kagyzyna we Nafiona (çeýe açyk substrat, gyralary gyzyl burçlar bilen bellenen) geçirildi.
Çygly himiki geçiş usullaryny ulanyp ýerine ýetirilýän SLG geçişiniň umumy işleme wagtynyň 20–24 sagat 38 bolmagyny talap edýändigini belläň. Bu ýerde görkezilen polimersiz geçiş usuly bilen (SI4a surat), NGF geçişiniň umumy işleme wagty ep-esli azaldylýar (takmynan 15 sagat). Bu proses aşakdakylardan ybarat: (1-nji ädim) Aşyrma erginini taýýarlaň we nusgany şoňa goýuň (~10 minut), soňra Ni aşyrmasy üçin bir gije garaşyň (~7200 minut), (2-nji ädim) Deionizirlenen suw bilen ýuwuň (3-nji ädim). Deionizirlenen suwda saklaň ýa-da maksatly substrata geçirip beriň (20 minut). NGF bilen köpçülikleýin matrisanyň arasynda galan suw kapillýar täsir bilen aýrylýar (blokirleýji kagyz ulanylyp) 38, soňra galan suw damjalary tebigy guradyş arkaly aýrylýar (takmynan 30 minut) we ahyrsoňy nusga wakuum peçde (10–1 mbar) 50–90 °C (60 minut) 38 10 minut guradylýar.
Grafitiň ýokary temperaturada (≥ 200 °C)50,51,52 suwuň we howanyň bolmagyna çydamlydygy mälim. Biz otag temperaturasynda deionizirlenen suwda we ýapyk çüýşelerde birnäçe günden bir ýyla çenli saklanandan soň, Raman spektroskopiýasyny, SEM we XRD ulanyp nusgalary synagdan geçirdik (SI4 surat). Görünýän dargama ýok. 2c suratda deionizirlenen suwda erkin duran FS-NGF we BS-NGF görkezilýär. Biz olary 2c suratyň başynda görkezilişi ýaly SiO2 (300 nm)/Si substratynda tutduk. Mundan başga-da, 2d,e suratda görkezilişi ýaly, üznüksiz NGF polimerler (Nexolve we Nafion-dan Thermabright poliamidi) we altyn örtülen uglerod kagyzy ýaly dürli substratlara geçirip bolýar. Ýüzýän FS-NGF maksatly substrata aňsatlyk bilen ýerleşdirildi (2c, d surat). Şeýle-de bolsa, 3 sm2-den uly BS-NGF nusgalaryny suwa doly batyrylanda ulanmak kyn boldy. Adatça, olar suwda togalanyp başlanda, seresapsyz ulanylanda, käwagt iki ýa-da üç bölege bölünýärler (2e surat). Umuman alanyňda, degişlilikde 6 we 3 sm2 meýdana çenli nusgalar üçin PS- we BS-NGF-niň polimersiz geçirilmegini (NGF/Ni/NGF ösüşi bolmazdan 6 sm2-de üznüksiz geçiş) gazanyp bildik. Galan uly ýa-da kiçi bölekleri islenýän substratda (~1 mm2, SI4b surat, nusgany "FS-NGF: Gurluşy we häsiýetleri ("Gurluşy we häsiýetleri" bölüminde ara alnyp maslahatlaşylýar) ýaly mis toruna geçirip bolýar) ýa-da geljekde ulanmak üçin saklap bolýar (SI4 surat). Bu kriteriýa esaslanyp, NGF-niň 98-99% -e çenli hasyl bilen dikeldilip bilinjekdigini çaklaýarys (öwrüp geçmek üçin ösüşden soň).
Polimersiz geçirilýän nusgalar jikme-jik seljerildi. Optiki mikroskopiýa (OM) we SEM suratlary (SI5 we 3-nji suratlar) ulanylyp, FS- we BS-NGF/SiO2/Si (2c-nji surat) boýunça alnan ýüz morfologiki häsiýetnamalary bu nusgalaryň mikroskopiýasyz geçirilýändigini görkezdi. Ýaryklar, deşikler ýa-da açylmadyk ýerler ýaly görünýän gurluş zeperlenmeleri. Ösýän NGF-däki gyrymsylar (3b, d-nji suratlar, gyrmyzy ok bilen bellenen) geçirilenden soň hem bitewi galdy. FS- we BS-NGF-leriň ikisi hem FLG sebitlerinden ybarat (3-nji suratda gök ok bilen görkezilen ýagty sebitler). Geň galdyryjy zat, ultra inçe grafit plýonkalarynyň polimer geçirilmegi wagtynda adatça syn edilýän az sanly zeperlenen sebitlerden tapawutlylykda, NGF-e birikdirilýän birnäçe mikron ölçegli FLG we MLG sebitleri (3d-nji suratda gök ok bilen bellenen) çatlaklar ýa-da döwülmeler bolmazdan geçirildi (3d-nji surat). . Mehaniki bitewülik soňra ara alnyp maslahatlaşylan ýaly, kružewa-uglerodly mis torlaryna geçirilýän NGF-iň TEM we SEM suratlary arkaly has-da tassyklanyldy ("FS-NGF: Gurluşy we häsiýetleri"). Geçirilen BS-NGF/SiO2/Si, SI6a we b suratlarynda görkezilişi ýaly (20 × 20 μm2), rms gymmatlyklary degişlilikde 140 nm we 17 nm bolan FS-NGF/SiO2/Si-den has gödekdir. SiO2/Si substratyna geçirilen NGF-iň RMS bahasy (RMS < 2 nm) Ni-de ösdürilen NGF-den has pes (takmynan 3 esse) (SI2 surat), bu bolsa goşmaça gödekligiň Ni ýüzüne gabat gelip biljekdigini görkezýär. Mundan başga-da, FS- we BS-NGF/SiO2/Si nusgalarynyň gyralarynda ýerine ýetirilen AFM suratlary NGF-iň galyňlygyny degişlilikde 100 we 80 nm görkezdi (SI7 surat). BS-NGF-iň has kiçi galyňlygy, ýüzüň öňünden çykýan gaza gönüden-göni täsir etmezliginiň netijesi bolup biler.
SiO2/Si plastinkasynda polimersiz geçirilýän NGF (NiAG) (2c surata serediň): (a,b) Geçirilen FS-NGF-niň SEM suratlary: pes we ýokary ulaldyş (paneldäki mämişi kwadrat bilen gabat gelýär). Tipiki meýdanlar) – a). (c,d) Geçirilen BS-NGF-niň SEM suratlary: pes we ýokary ulaldyş (c panelindäki mämişi kwadrat bilen görkezilen tipiki meýdana gabat gelýär). (e, f) Geçirilen FS- we BS-NGF-leriň AFM suratlary. Gök ok FLG sebitini görkezýär – ýagty kontrast, gök ok – gara MLG kontrast, gyzyl ok – gara kontrast NGF sebitini, gyzyl ok bolsa gatlagy görkezýär.
Ösdürilen we geçirilen FS- we BS-NGF-leriň himiki düzümi rentgen fotoelektron spektroskopiýasy (XPS) arkaly seljerildi (4-nji surat). Ölçenen spektrlerde gowşak pik syn edildi (4a, b-nji surat), bu ösen FS- we BS-NGF-leriň (NiAG) Ni substratyna (850 eV) laýyk gelýär. Geçirilen FS- we BS-NGF/SiO2/Si-niň ölçenen spektrlerinde pikler ýok (4c-nji surat; BS-NGF/SiO2/Si üçin meňzeş netijeler görkezilmeýär), bu bolsa geçirilenden soň galan Ni hapalanmasynyň ýokdugyny görkezýär. 4d–f suratlarynda FS-NGF/SiO2/Si-niň C 1 s, O 1 s we Si 2p energiýa derejeleriniň ýokary çözgütli spektrleri görkezilýär. Grafitiň C 1 s-niň baglanyşyk energiýasy 284,4 eV53,54-e deňdir. Grafit depeleriniň çyzykly görnüşi, adatça, 4d54 suratda görkezilişi ýaly, asimmetrik hasaplanýar. Ýokary çözgütli özen derejesindäki C1s spektri (4d surat) hem arassa geçişi tassyklady (ýagny polimer galyndylarynyň ýokdugyny), bu bolsa öňki barlaglar bilen gabat gelýär38. Täze ösdürilip ýetişdirilen nusganyň (NiAG) we geçişden soňky C1s spektrleriniň çyzyk giňlikleri degişlilikde 0,55 we 0,62 eV. Bu gymmatlyklar SLG-den ýokarydyr (SiO2 substratyndaky SLG üçin 0,49 eV)38. Şeýle-de bolsa, bu gymmatlyklar ýokary ugurly pirolitik grafen nusgalary üçin öň habar berlen çyzyk giňliklerinden kiçidir (~0,75 eV)53,54,55, bu bolsa häzirki materialda kemçilikli uglerod ýerleriniň ýokdugyny görkezýär. C1s we O1s ýer derejesindäki spektrlerde hem eginler ýok, bu bolsa ýokary çözgütli pik dekonwolusiýasyna zerurlygy aradan aýyrýar54. Grafit nusgalarynda köplenç syn edilýän 291,1 eV töwereginde π → π* hemra piki bar. Si 2p we O 1s esasy derejesindäki spektrlerdäki (4e, f suratlaryna serediň) 103 eV we 532,5 eV signallar degişlilikde SiO2 56 substratyna degişli edilýär. XPS ýüze duýgur usuldyr, şonuň üçin degişlilikde NGF geçirilmezden öň we soň anyklanan Ni we SiO2-e degişli signallaryň FLG sebitinden gelip çykýandygy çak edilýär. Geçirilen BS-NGF nusgalary üçin hem meňzeş netijeler syn edildi (görkezilmedi).
NiAG XPS netijeleri: (ac) Degişlilikde ösdürilip ýetişdirilen FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni we geçirilen FS-NGF/SiO2/Si-niň dürli element atom düzümleriniň spektrlerini gözden geçirmek. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si nusgasynyň C 1 s, O 1s we Si 2p esasy derejeleriniň ýokary çözgütli spektrleri.
Geçirilen NGF kristallarynyň umumy hili rentgen difraksiýasy (XRD) arkaly bahalandyryldy. Geçirilen FS- we BS-NGF/SiO2/Si-niň tipiki XRD nusgalary (SI8-nji surat) grafite meňzeş 26.6° we 54.7°-da difraksiýa depeleriniň (0 0 0 2) we (0 0 0 4) bardygyny görkezýär. Bu NGF-niň ýokary kristal hilini tassyklaýar we geçiş ädiminden soň saklanýan d = 0.335 nm gatlak aralygyna gabat gelýär. Difraksiýa depesiniň intensiwligi (0 0 0 2) difraksiýa depesiniň (0 0 0 4) intensiwliginden takmynan 30 esse uly, bu bolsa NGF kristal tekizliginiň nusganyň ýüzüne gowy gabat gelýändigini görkezýär.
SEM, Raman spektroskopiýasynyň, XPS we XRD netijelerine görä, BS-NGF/Ni-niň hiliniň FS-NGF/Ni-niňki bilen birmeňzeşdigi anyklandy, emma onuň rms gödekligi biraz ýokarydy (SI2, SI5 we SI7 suratlary).
200 nm galyňlygyna çenli polimer goldaw gatlaklary bolan SLG-ler suwuň ýüzünde ýüzip bilýär. Bu gurluş köplenç polimer kömegi bilen çygly himiki geçiş proseslerinde ulanylýar22,38. Grafen we grafit gidrofobdyr (çygly burç 80–90°)57. Grafen we FLG-niň potensial energiýa ýüzleriniň gaty tekizdigi, suwuň ýüzünde gapdal hereketi üçin pes potensial energiýa (~1 kJ/mol) bolandygy habar berildi58. Şeýle-de bolsa, suwuň grafen we grafeniň üç gatlagy bilen hasaplanan özara täsir energiýalary degişlilikde takmynan −13 we −15 kJ/mol,58 bolup, suwuň NGF (takmynan 300 gatlak) bilen özara täsiriniň grafen bilen deňeşdirilende pesdigini görkezýär. Bu, aýry duran NGF-niň suwuň ýüzünde tekiz galmagynyň, aýry duran grafeniň (suwda ýüzýän) bolsa bükülmeginiň we dargamagynyň sebäpleriniň biri bolup biler. NGF suwa doly batyrylanda (netijeler gödek we tekiz NGF üçin birmeňzeş), onuň gyralary bükülýär (SI4-nji surat). Doly çümdürilen ýagdaýynda, NGF-suw özara täsir energiýasynyň (ýüzýän NGF bilen deňeşdirilende) iki esse artmagyna we NGF-iň gyralarynyň ýokary kontakt burçuny (gidrofobikligi) saklamak üçin bükülmegine garaşylýar. Biz içine goýlan NGF-leriň gyralarynyň bükülmeginiň öňüni almak üçin strategiýalaryň işlenip düzülip bilinjekdigine ynanýarys. Bir usul, grafit plyonkasynyň çyglylyk reaksiýasyny modulirlemek üçin garyşyk erginleri ulanmakdyr59.
SLG-niň dürli görnüşli substratlara çygly himiki geçiş prosesleri arkaly geçirilmegi barada öň habar berlipdi. Grafen/grafit plýonkalary bilen substratlaryň (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunlary22 ýaly berk substratlar we kružewe uglerod plýonkalary30, 34 ýa-da poliimid 37 ýaly çeýe substratlar bolsun) arasynda gowşak van der Waals güýçleriniň bardygy umumy kabul edilýär. Bu ýerde biz bir görnüşli özara täsirleriň agdyklyk edýändigini çaklaýarys. Biz mehaniki işleme wagtynda (wakuum we/ýa-da atmosfera şertlerinde ýa-da saklamak wagtynda häsiýetlendirme wagtynda) bu ýerde görkezilen substratlaryň hiç birinde NGF-iň zaýalanmagyny ýa-da soyulmasyny görmedik (meselem, 2-nji surat, SI7 we SI9). Mundan başga-da, biz NGF/SiO2/Si nusgasynyň esasy derejesiniň XPS C 1s spektrinde SiC pikini görmedik (4-nji surat). Bu netijeler NGF bilen maksatly substratyň arasynda himiki baglanyşygyň ýokdugyny görkezýär.
Öňki bölümde, “FS- we BS-NGF-niň polimersiz geçirilmegi” atly bölümde, biz NGF-iň nikel folgasynyň iki tarapynda hem ösüp we geçip bilýändigini görkezdik. Bu FS-NGF we BS-NGF ýüziň gödekligi babatda birmeňzeş däl, bu bolsa bizi her bir görnüş üçin iň amatly ulanylyşlary öwrenmäge iterdi.
FS-NGF-iň açyklygyny we has tekiz ýüzüni göz öňünde tutup, onuň ýerli gurluşyny, optiki we elektrik häsiýetlerini has jikme-jik öwrendik. Polimer geçirijisiz FS-NGF-iň gurluşy we gurluşy geçiriji elektron mikroskopiýasynyň (TEM) şekili we saýlanan meýdan elektron difraksiýasy (SAED) nusga seljermesi arkaly häsiýetlendirildi. Degişli netijeler 5-nji suratda görkezilen. Pes ulaldyşly tekiz TEM şekili dürli elektron kontrast häsiýetlerine, ýagny degişlilikde garaňky we ýagty ýerlere eýe bolan NGF we FLG sebitleriniň bardygyny görkezdi (5a-njy surat). Umuman, plýonka NGF we FLG-niň dürli sebitleriniň arasynda gowy mehaniki bitewüligi we durnuklylygy görkezýär, gowy gabat gelýär we zyýan ýa-da ýyrtylma ýok, bu SEM (3-nji surat) we ýokary ulaldyşly TEM barlaglary bilen hem tassyklanyldy (5c-e-nji surat). Hususan-da, 5d-nji suratda üçburçluk şekil bilen häsiýetlendirilýän we takmynan 51 ini bolan grafen gatlagyndan ybarat bolan iň uly böleginde (5d-nji suratda gara nokatly ok bilen bellenen ýer) köpri gurluşy görkezilýär, ol üçburçluk şekil bilen häsiýetlendirilýär we takmynan 51 ini bolan grafen gatlagyndan ybaratdyr. 0,33 ± 0,01 nm tekizlik aralygy bolan düzüm iň dar sebitde (5d suratdaky gara okuň ujy) birnäçe grafen gatlagyna çenli azaldylýar.
Polimersiz NiAG nusgasynyň uglerod kružewaly mis torunda tekiz TEM şekili: (a, b) NGF we FLG sebitlerini öz içine alýan pes ulaldyşly TEM şekilleri, (ce) a we b panellerdäki dürli sebitleriň ýokary ulaldyşly şekilleri bir reňkdäki ok bilen bellenilýär. a we c panellerdäki ýaşyl ok bilen şöhle deňleşdirilende tegelek zeper ýeten ýerleri görkezilýär. (f–i) a-dan c-ä çenli panellerde dürli sebitlerdäki SAED nagyşlary degişlilikde gök, gök, mämişi we gyzyl tegelekler bilen görkezilýär.
5c suratdaky lenta gurluşy grafit tor tekizlikleriniň dik ugruny görkezýär (gyzyl ok bilen bellenen), bu bolsa artykmaç kompensasiýa edilmedik gaýyş stresi sebäpli plyonka boýunça nanobütleriň emele gelmegi bilen baglanyşykly bolup biler (5c suratdaky goýma)30,61,62. Ýokary çözgütli TEM-de bu nanobütler30 NGF sebitiniň galan böleginden tapawutly kristalografik ugur görkezýär; grafit torunyň esasy tekizlikleri plyonkanyň galan bölegi ýaly gorizontal däl-de, diýen ýaly dik ugurlydyr (5c suratdaky goýma). Şonuň ýaly-da, FLG sebitinde wagtal-wagtal çyzykly we dar zolakly örmeler görkezilýär (gök ok bilen bellenen), olar degişlilikde 5b, 5e suratlarynda pes we orta ulaldyşda peýda bolýar. 5e suratdaky goýma FLG sektorynda iki we üç gatlakly grafen gatlaklarynyň bardygyny tassyklaýar (tekizlikler arasyndaky aralyk 0,33 ± 0,01 nm), bu bolsa öňki netijelerimiz bilen gowy gabat gelýär30. Mundan başga-da, (ýokarky görnüşli TEM ölçeglerini ýerine ýetirenden soň) mis torlaryna geçirilen polimersiz NGF-iň ýazylan SEM suratlary SI9 suratda görkezilen. SI9f suratda guýy asma FLG sebiti (gök ok bilen bellenen) we döwülen sebit. Gök ok (geçirilen NGF-iň gyrasynda) FLG sebitiniň polimersiz geçiş prosesine garşy durup biljekdigini görkezmek üçin bilgeşleýin görkezilen. Gysgaça aýdylanda, bu suratlar bölekleýin asma NGF-iň (FLG sebitini goşmak bilen) TEM we SEM ölçegleri wagtynda berk işlenilenden we ýokary wakuuma sezewar edilenden soň hem mehaniki bitewüligi saklaýandygyny tassyklaýar (SI9 surat).
NGF-iň ajaýyp tekizligi sebäpli (5a-njy surata serediň), SAED gurluşyny seljermek üçin gyrymsylary [0001] domen okunyň ugrunda gönükdirmek kyn däl. Plenkanyň ýerli galyňlygyna we ýerleşýän ýerine baglylykda, elektron diffraksiýa barlaglary üçin birnäçe gyzyklanma sebitleri (12 nokat) kesgitlenildi. 5a–c suratlarynda bu tipiki sebitleriň dördüsi görkezilýär we reňkli tegelekler (gök, gök, mämişi we gyzyl kodlanan) bilen bellenilýär. SAED režimi üçin 2-nji we 3-nji suratlar. 5f we g suratlary 5-nji we 5-nji suratlarda görkezilen FLG sebitinden alyndy. Degişlilikde 5b we c suratlarynda görkezilişi ýaly. Olar burlan grafen 63-e meňzeş altyburçluk gurluşa eýedirler. Hususan-da, 5f suraty [0001] zona okunyň birmeňzeş ugry bolan, 10° we 20° bilen aýlanan üç sany üst-üste goýlan nusgany görkezýär, bu bolsa üç jübüt (10-10) şöhlelenmeleriň burç gabat gelmezligi bilen subut edilýär. Şonuň ýaly-da, 5g suratda 20° aýlanan iki sany üst-üst edilen altyburçluk nagyş görkezilýär. FLG sebitindäki iki ýa-da üç sany altyburçluk nagyş topary biri-birine görä aýlanan üç sany tekizlikdäki ýa-da tekizlikden daşary grafen gatlaklaryndan 33 döräp biler. Tersine, 5h,i suratdaky elektron difraksiýa nagyşlary (5a suratda görkezilen NGF sebitine laýyk gelýär) has uly material galyňlygyna laýyk gelýän umumy ýokary nokat difraksiýa intensiwligine eýe bolan ýeke-täk [0001] nagyş görkezýär. Bu SAED modelleri 64-nji indeksden gelip çykýşy ýaly, FLG-den has galyň grafit gurluşyna we aralyk ugurlylyga laýyk gelýär. NGF-niň kristallik häsiýetleriniň häsiýetlendirilmegi iki ýa-da üç sany üst-üst edilen grafit (ýa-da grafen) kristallitleriniň bilelikde bardygyny ýüze çykardy. FLG sebitinde aýratyn üns çekiji zat, kristallitleriň belli bir derejede tekizlikdäki ýa-da tekizlikden daşary ugursyzlygy bolmagydyr. Ni 64 plýonkalarynda ösdürilip ýetişdirilen NGF üçin tekizlikde aýlanma burçlary 17°, 22° we 25° bolan grafit bölejikleri/gatlaklary ozal habar berlipdi. Bu gözlegde syn edilen aýlanma burç gymmatlyklary burulýan BLG63 grafeni üçin öň syn edilen aýlanma burçlaryna (±1°) gabat gelýär.
NGF/SiO2/Si-niň elektrik häsiýetleri 300 K-da 10×3 mm2 meýdanda ölçeldi. Elektron daşaýjylaryň konsentrasiýasynyň, hereketliliginiň we geçirijiliginiň gymmatlyklary degişlilikde 1,6 × 1020 sm-3, 220 sm-2 V-1 C-1 we 2000 S-sm-1-dir. NGF-imiziň hereketliligi we geçirijiligi gymmatlyklary tebigy grafite meňzeşdir2 we täjirçilik taýdan elýeterli ýokary ugurly pirolitik grafitden (3000 °C-da öndürilen) ýokarydyr29. Synalan elektron daşaýjylaryň konsentrasiýasynyň gymmatlyklary ýokary temperaturaly (3200 °C) poliimid listlerini ulanyp taýýarlanan mikron galyňlykdaky grafit plýonkalary üçin ýakynda habar berlenlerden (7,25 × 10 sm-3) iki esse ýokarydyr20.
Şeýle hem, kwars substratlaryna geçirilen FS-NGF-de UB-görünýän geçirijilik ölçeglerini geçirdik (6-njy surat). Netijede, spektr 350–800 nm aralygynda tas 62% üýtgewsiz geçirijiligi görkezýär, bu bolsa NGF-iň görünýän ýagtylyga açykdygyny görkezýär. Aslynda, "KAUST" adyny 6b-nji suratdaky nusganyň sanly fotosuratynda görmek bolýar. NGF-iň nanokristal gurluşy SLG-den tapawutly bolsa-da, gatlaklaryň sanyny goşmaça gatlak üçin 2,3% geçirijilik ýitgisi düzgünini ulanyp takmynan hasaplap bolýar65. Bu gatnaşyga görä, geçirijilik ýitgisi 38% bolan grafen gatlaklarynyň sany 21-e deňdir. Ösen NGF esasan 300 grafen gatlagyndan, ýagny takmynan 100 nm galyňlygyndan ybarat (1-nji surat, SI5 we SI7). Şonuň üçin, synlanan optiki açyklygyň FLG we MLG sebitlerine gabat gelýändigini çaklaýarys, sebäbi olar plýonka boýunça paýlanypdyr (1, 3, 5 we 6c-nji suratlar). Ýokardaky gurluş maglumatlaryndan başga-da, geçirijilik we açyklyk hem geçirilýän NGF-iň ýokary kristal hilini tassyklaýar.
(a) UB-görünýän geçirijilik ölçegi, (b) wekilçilikli nusgany ulanyp, kwarsda NGF-iň adaty geçişi. (c) Nusga boýunça deň paýlanan FLG we MLG sebitleri bilen NGF-iň shemasy (garaňky gutu) (1-nji surata serediň) (100 μm2 üçin takmynan 0,1–3% meýdan). Diagrammadaky tötänleýin görnüşler we olaryň ölçegleri diňe mysal üçin berilýär we hakyky meýdanlara gabat gelmeýär.
CVD tarapyndan ösdürilip ýetişdirilen şeffaf NGF öň ýalaňaç kremniý ýüzlerine geçirildi we gün batareýalarynda ulanyldy15,16. Netijede güýç öwürmek netijeliligi (PCE) 1,5% -e deňdir. Bu NGF-ler işjeň birleşme gatlaklary, zarýad daşamak ýollary we şeffaf elektrodlar ýaly köp sanly funksiýalary ýerine ýetirýär15,16. Şeýle-de bolsa, grafit plýonkasy deň däl. Grafit elektrodynyň list garşylygyny we optiki geçirijiligini üns bilen gözegçilikde saklamak arkaly has-da optimizasiýa zerurdyr, sebäbi bu iki häsiýet gün batareýasynyň PCE gymmatyny kesgitlemekde möhüm rol oýnaýar15,16. Adatça, grafen plýonkalary görünýän ýagtylyk üçin 97,7% şeffafdyr, ýöne list garşylygy 200–3000 om/kwadrat16. Grafen plýonkalarynyň ýüz garşylygyny gatlaklaryň sanyny köpeltmek (grafen gatlaklarynyň köp gezek geçirilmegi) we HNO3 (~30 Om/kwadrat) bilen garyşdyrmak arkaly azaltmak mümkin66. Şeýle-de bolsa, bu proses köp wagt alýar we dürli geçiriji gatlaklar hemişe gowy gatnaşygy saklamaýar. Öň tarapymyzdaky NGF geçirijiligi 2000 S/sm2, plýonka listiniň garşylygy 50 ohm/kwadrat we 62% açyklyk ýaly häsiýetlere eýedir, bu bolsa ony gün batareýalaryndaky geçiriji kanallar ýa-da garşy elektrodlar üçin amatly alternatiwa edýär15,16.
BS-NGF-iň gurluşy we ýüz himiýasy FS-NGF-e meňzeş bolsa-da, onuň gödekligi tapawutlydyr (“FS- we BS-NGF-iň ösüşi”). Mundan öň biz gaz sensory hökmünde ultra inçe plýonkaly grafit22 ulandyk. Şonuň üçin biz gaz duýujy işler üçin BS-NGF-ni ulanmagyň mümkinçiligini synagdan geçirdik (SI10 surat). Ilki bilen, BS-NGF-iň mm2 ölçegli bölekleri sanlar arasyndaky elektrod sensor çipine geçirildi (SI10a-c surat). Çipiň önümçilik jikme-jiklikleri öň habar berildi; onuň işjeň duýgur meýdany 9 mm267. SEM suratlarynda (SI10b we c suratlary), aşagyndaky altyn elektrod NGF arkaly aýdyň görünýär. Ýene-de, ähli nusgalar üçin birmeňzeş çip örtüginiň gazanylandygyny görmek bolýar. Dürli gazlaryň gaz sensor ölçegleri ýazga alyndy (SI10d suraty) (SI11 suraty) we netijede alnan jogap tizlikleri SI10g suratlarynda görkezilýär. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) we NH3 (200 ppm) ýaly beýleki päsgel berýän gazlar bilen bolmagy mümkin. Mümkin bolan sebäpleriň biri NO2. Gazyň elektrofil tebigaty22,68. Grafeniň ýüzünde adsorbsiýa edilende, ulgam tarapyndan elektronlaryň tok siňdirilişini azaldýar. BS-NGF sensorynyň jogap wagty maglumatlarynyň öň çap edilen sensorlar bilen deňeşdirilmegi SI2 tablisasynda görkezilen. Açyk nusgalary UV plazmasy, O3 plazmasy ýa-da termal (50–150°C) işläp bejermek arkaly NGF sensorlaryny gaýtadan işjeňleşdirmegiň mehanizmi dowam edýär, ideal ýagdaýda bolsa gömülen ulgamlary ornaşdyrmagy göz öňünde tutýar69.
CVD prosesi wagtynda grafeniň ösüşi katalizator substratynyň iki tarapynda hem bolýar41. Şeýle-de bolsa, BS-grafen adatça geçiş prosesi wagtynda çykarylýar41. Bu gözlegde biz katalizator daýanjynyň iki tarapynda hem ýokary hilli NGF ösüşini we polimersiz NGF geçişini gazanyp boljakdygyny görkezýäris. BS-NGF FS-NGF-den (~100 nm) inçe (~80 nm) we bu tapawut BS-Ni-niň öňünden çykan gaz akymyna gönüden-göni sezewar edilmeýändigi bilen düşündirilýär. Şeýle hem, NiAR substratynyň gödekliginiň NGF-niň gödekligine täsir edýändigini anykladyk. Bu netijeler ösdürilip ýetişdirilen tekiz FS-NGF-iň grafen üçin öňünden çykan material hökmünde (eksfoliasiýa usuly bilen70) ýa-da gün batareýalarynda geçirijilik kanaly hökmünde ulanylyp bilinjekdigini görkezýär15,16. Tersine, BS-NGF gazy anyklamak üçin ulanylar (SI9-njy surat) we mümkin bolsa, onuň ýüzüniň gödekligi peýdaly boljak energiýa saklaýyş ulgamlary üçin71,72 ulanylar.
Ýokardakylary göz öňünde tutup, häzirki işi öň çap edilen CVD we nikel folgasy ulanylyp ösdürilen grafit plýonkalary bilen utgaşdyrmak peýdalydyr. 2-nji tablisada görkezilişi ýaly, ulanan ýokary basyşlarymyz has pes temperaturada (850–1300 °C aralygynda) hem reaksiýa wagtyny (ösüş tapgyryny) gysgaltdy. Şeýle hem, biz adatdakysyndan has uly ösüşe ýetdik, bu bolsa giňelmegiň mümkinçiligini görkezýär. Başga-da göz öňünde tutmaly faktorlar bar, olaryň käbirini tablisa goşduk.
Iki taraply ýokary hilli NGF katalitik CVD arkaly nikel folgasynda ösdürilip ýetişdirildi. Adaty polimer substratlaryny (meselem, CVD grafeninde ulanylýanlary) aýyrmak bilen, biz NGF-niň (nikel folgasynyň arka we öň taraplarynda ösdürilip ýetişdirilen) dürli proses üçin möhüm substratlara arassa we kemçiliksiz çygly geçirilmegini gazanýarys. Belli bir zat, NGF galyň plýonka gurluş taýdan gowy utgaşdyrylan FLG we MLG sebitlerini (adatça 100 µm2 üçin 0,1% -den 3% -e çenli) öz içine alýar. Tekiz TEM bu sebitleriň iki-üç grafit/grafen bölejikleriniň (degişlilikde kristallar ýa-da gatlaklar) üýşmelerinden ybaratdygyny görkezýär, olaryň käbiriniň aýlanma deňsizligi 10–20°. FLG we MLG sebitleri FS-NGF-niň görünýän ýagtylyga açyklygy üçin jogapkärdir. Yzky listlere gelende bolsa, olar öň listlere parallel alnyp bilner we görkezilişi ýaly, funksional maksatly bolup biler (meselem, gazy anyklamak üçin). Bu barlaglar senagat möçberindäki CVD proseslerinde galyndylary we çykdajylary azaltmak üçin örän peýdalydyr.
Umuman alanyňda, CVD NGF-iň ortaça galyňlygy (pes we köp gatlakly) grafen we senagat (mikrometr) grafit listleriniň arasynda ýerleşýär. Olaryň gyzykly häsiýetleriniň dürliligi, olary öndürmek we daşamak üçin işläp düzen ýönekeý usulymyz bilen birleşdirilende, bu plýonkalary häzirki wagtda ulanylýan energiýany köp sarp edýän senagat önümçilik prosesleriniň çykdajylary bolmazdan, grafidiň funksional jogabyny talap edýän ulanyşlar üçin has amatly edýär.
25 μm galyňlykdaky nikel folgasy (99,5% arassalyk, Goodfellow) täjirçilik CVD reaktoryna (Aixtron 4-дюйm BMPro) oturdyldy. Ulgam argon bilen arassalandy we 10-3 mbar esasy basyşa çenli sowadyldy. Soňra nikel folgasy Ar/H2-de ýerleşdirildi (Ni folgasy 5 minut öňünden ýumşadylandan soň, folga 900 °C-da 500 mbar basyşa sezewar edildi. NGF 5 minutlap CH4/H2 (her biri 100 sm3) akymynda ýerleşdirildi. Soňra nusga 40 °C/min-da Ar akymy (4000 sm3) ulanylyp 700 °C-den aşak temperatura çenli sowatyldy. NGF ösüş prosesini optimizirlemek baradaky jikme-jik maglumatlar başga ýerde beýan edilýär30.
Nusganyň ýüz morfologiýasy Zeiss Merlin mikroskopy (1 kV, 50 pA) arkaly SEM arkaly görkezildi. Nusganyň ýüziniň tekizligi we NGF galyňlygy AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) arkaly ölçeldi. TEM we SAED ölçegleri ýokary ýagtylyk meýdan emissiýa topy (300 kV), FEI Wien görnüşli monohromator we CEOS linzasynyň sferiki aberrasiýa düzedijisi bilen enjamlaşdyrylan FEI Titan 80–300 Cubed mikroskopy arkaly jemleýji netijeleri almak üçin geçirildi. giňişlik çözgüdi 0,09 nm. NGF nusgalary tekiz TEM şekilleri we SAED gurluş seljermesi üçin uglerod kružewa bilen örtülen mis torlaryna geçirildi. Şeýlelik bilen, nusga floklarynyň köpüsi goldaw membranasynyň gözeneklerinde asylgy dur. Geçirilen NGF nusgalary rentgen arkaly seljerildi. Rentgen difraksiýa nusgalary 3 mm diametrli şöhle nokadynyň diametri bolan Cu şöhlelenme çeşmesini ulanyp, poroşok difraktometr (Brucker, Cu Kα çeşmesi bolan D2 faza geçirijisi, 1.5418 Å we LYNXEYE detektory) ulanylyp alyndy.
Birnäçe Raman nokady ölçegleri integrasiýa konfokal mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) arkaly ýazga alyndy. Termiki täsirleriň öňüni almak üçin pes oýandyryjy güýji (25%) bolan 532 nm lazer ulanyldy. Rentgen fotoelektron spektroskopiýasy (XPS) Kratos Axis Ultra spektrometrinde 300 × 700 μm2 nusga meýdanynda 150 W kuwwatlylykda monohromatik Al Kα şöhlelenmesini (hν = 1486,6 eV) ulanyp geçirildi. Çözgüt spektrleri degişlilikde 160 eV we 20 eV geçirijilik energiýalarynda alyndy. SiO2-ä geçirilýän NGF nusgalary 30 W kuwwatlylykda PLS6MW (1,06 μm) itterbium süýümli lazer arkaly böleklere (her biri 3 × 10 mm2) kesildi. Mis sim kontaktlary (50 μm galyňlykda) optiki mikroskop astynda kümüş pastasyny ulanyp ýasaldy. Elektrik geçirijiligi we Holl täsiri boýunça tejribeler bu nusgalarda 300 K temperaturada we fiziki häsiýetleri ölçeýiş ulgamynda (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ABŞ) ± 9 Tesla magnit meýdanynyň üýtgemegi bilen geçirildi. Geçirilen UV-görnüş spektrleri kwars substratlaryna we kwars salgylanma nusgalaryna geçirilýän 350–800 nm NGF diapazonynda Lambda 950 UV-görnüş spektrofotometri arkaly ýazylyp alyndy.
Himiki garşylyk datçigi (intersanly elektrod çipi) ýörite çap edilen elektron plata 73 bilen birikdirildi we garşylyk wagtlaýynça aýryldy. Enjamyň ýerleşýän çap edilen elektron platasy kontakt terminallaryna birikdirildi we gaz duýujy kameranyň 74 içine ýerleşdirildi. Garşylyk ölçegleri 1 V naprýaženiýede arassalaýyşdan gaz täsirine çenli üznüksiz skanirleme bilen alnyp, soňra gaýtadan arassalandy. Kamera ilki bilen çyglylygy goşmak bilen kamerada bar bolan ähli beýleki analitleriň aýrylmagyny üpjün etmek üçin 200 sm3 azot bilen 1 sagatlap arassalanyp arassalanyldy. Soňra aýry-aýry analitler N2 silindrini ýapmak arkaly kameranyň içine 200 sm3 şol bir akym tizliginde ýuwaş-ýuwaş goýberildi.
Bu makalanyň gaýtadan işlenen görnüşi çap edildi we ony makalanyň ýokarsyndaky baglanyşyk arkaly okap bilersiňiz.
Inagaki, M. we Kang, F. Uglerod materiallary ylmy we inženerçiligi: Esaslar. Ikinji neşir redaktirlendi. 2014. 542.
Pirson, HO Uglerod, Grafit, Almaz we Fullerenler boýunça gollanma: häsiýetler, gaýtadan işlemek we ulanmak. Birinji neşir redaktirlendi. 1994, Nýu-Jersi.
Tsai, W. we başg. Uly meýdanly köp gatlakly grafen/grafit plýonkalary açyk inçe geçiriji elektrodlar hökmünde. ulanylyşy. fizika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Grafen we nanostrukturaly uglerod materiallarynyň termal häsiýetleri. Nat. Mat. 10(8), 569–581 (2011).
Çeng KY, Braun PW we Kehill DG Ni (111)-de pes temperaturaly himiki bug çökündisi arkaly ösdürilip ýetişdirilen grafit plýonkalarynyň ýylylyk geçirijiligi. zarf. Matta. Interfeýs 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Grafen plýonkalarynyň himiki bug çökündisi arkaly üznüksiz ösmegi. ulanylyş. fizika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Ýerleşdirilen wagty: 2024-nji ýylyň 23-nji awgusty