Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamahusay na resulta, inirerekomenda namin na gumamit ka ng mas bagong bersyon ng iyong browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang styling o JavaScript.
Ang mga nanoscale graphite film (NGF) ay matibay na nanomaterial na maaaring magawa sa pamamagitan ng catalytic chemical vapor deposition, ngunit nananatili ang mga katanungan tungkol sa kadalian ng paglilipat ng mga ito at kung paano nakakaapekto ang morpolohiya ng ibabaw sa paggamit ng mga ito sa mga susunod na henerasyong aparato. Dito, iniuulat namin ang paglaki ng NGF sa magkabilang panig ng isang polycrystalline nickel foil (lugar na 55 cm2, kapal na humigit-kumulang 100 nm) at ang polymer-free transfer nito (harap at likod, lawak na hanggang 6 cm2). Dahil sa morpolohiya ng catalyst foil, ang dalawang carbon film ay magkaiba sa kanilang mga pisikal na katangian at iba pang mga katangian (tulad ng surface roughness). Ipinapakita namin na ang mga NGF na may mas magaspang na likuran ay angkop para sa NO2 detection, habang ang mas makinis at mas konduktibong NGF sa harap na bahagi (2000 S/cm, sheet resistance – 50 ohms/m2) ay maaaring maging mabubuhay na conductor. channel o electrode ng solar cell (dahil nagpapadala ito ng 62% ng nakikitang liwanag). Sa pangkalahatan, ang inilarawan na mga proseso ng paglaki at transportasyon ay maaaring makatulong na maisakatuparan ang NGF bilang isang alternatibong carbon material para sa mga teknolohikal na aplikasyon kung saan hindi angkop ang graphene at micron-thick graphite films.
Ang graphite ay isang malawakang ginagamit na materyal na pang-industriya. Kapansin-pansin, ang graphite ay may mga katangian ng medyo mababang densidad ng masa at mataas na in-plane thermal at electrical conductivity, at napakatatag sa malupit na thermal at kemikal na kapaligiran1,2. Ang flake graphite ay isang kilalang panimulang materyal para sa pananaliksik sa graphene3. Kapag pinoproseso sa manipis na mga pelikula, maaari itong gamitin sa malawak na hanay ng mga aplikasyon, kabilang ang mga heat sink para sa mga elektronikong aparato tulad ng mga smartphone4,5,6,7, bilang isang aktibong materyal sa mga sensor8,9,10 at para sa proteksyon laban sa electromagnetic interference11.12 at mga pelikula para sa lithography sa matinding ultraviolet13,14, mga conducting channel sa mga solar cell15,16. Para sa lahat ng mga aplikasyong ito, magiging isang malaking kalamangan kung ang malalaking lugar ng mga graphite film (NGF) na may kapal na kinokontrol sa nanoscale <100 nm ay madaling magawa at maipadala.
Ang mga graphite film ay ginagawa sa pamamagitan ng iba't ibang pamamaraan. Sa isang kaso, ang pag-embed at pagpapalawak na sinusundan ng exfoliation ay ginamit upang makagawa ng mga graphene flakes10,11,17. Ang mga flakes ay dapat pang iproseso upang maging mga film na may kinakailangang kapal, at kadalasan ay tumatagal ng ilang araw upang makagawa ng mga siksik na graphite sheet. Ang isa pang paraan ay ang magsimula sa mga graphitable solid precursor. Sa industriya, ang mga sheet ng polymer ay nira-carbonize (sa 1000–1500 °C) at pagkatapos ay nira-graphiteize (sa 2800–3200 °C) upang makabuo ng mga mahusay na istrukturang layered na materyales. Bagama't mataas ang kalidad ng mga film na ito, malaki ang konsumo ng enerhiya1,18,19 at ang minimum na kapal ay limitado sa ilang microns1,18,19,20.
Ang catalytic chemical vapor deposition (CVD) ay isang kilalang pamamaraan para sa paggawa ng graphene at ultrathin graphite films (<10 nm) na may mataas na kalidad ng istruktura at makatwirang gastos21,22,23,24,25,26,27. Gayunpaman, kumpara sa paglaki ng graphene at ultrathin graphite films28, ang paglaki sa malawak na lugar at/o aplikasyon ng NGF gamit ang CVD ay mas hindi gaanong nasusuri11,13,29,30,31,32,33.
Ang mga pelikulang graphene at graphite na lumago sa CVD ay kadalasang kailangang ilipat sa mga gumaganang substrate34. Ang mga paglilipat na ito ng manipis na pelikula ay kinabibilangan ng dalawang pangunahing pamamaraan35: (1) paglilipat na hindi etch36,37 at (2) paglilipat ng kemikal na nakabatay sa etch (sinusuportahan ng substrate)14,34,38. Ang bawat pamamaraan ay may ilang mga kalamangan at kahinaan at dapat piliin depende sa nilalayong aplikasyon, tulad ng inilarawan sa ibang lugar35,39. Para sa mga pelikulang graphene/graphite na lumago sa mga catalytic substrate, ang paglilipat sa pamamagitan ng mga prosesong kemikal na basa (kung saan ang polymethyl methacrylate (PMMA) ang pinakakaraniwang ginagamit na layer ng suporta) ay nananatiling unang pagpipilian13,30,34,38,40,41,42. Nabanggit nina You et al. na walang ginamit na polymer para sa paglilipat ng NGF (laki ng sample na humigit-kumulang 4 cm2)25,43, ngunit walang mga detalyeng ibinigay tungkol sa katatagan at/o paghawak ng sample habang inililipat; Ang mga proseso ng wet chemistry gamit ang mga polymer ay binubuo ng ilang hakbang, kabilang ang paglalapat at kasunod na pag-alis ng isang sacrificial polymer layer30,38,40,41,42. Ang prosesong ito ay may mga disbentaha: halimbawa, ang mga residue ng polymer ay maaaring magpabago sa mga katangian ng lumaki na film38. Ang karagdagang pagproseso ay maaaring mag-alis ng natitirang polymer, ngunit ang mga karagdagang hakbang na ito ay nagpapataas ng gastos at oras ng paggawa ng film38,40. Sa panahon ng paglaki ng CVD, isang layer ng graphene ang idineposito hindi lamang sa harap na bahagi ng catalyst foil (ang gilid na nakaharap sa daloy ng singaw), kundi pati na rin sa likurang bahagi nito. Gayunpaman, ang huli ay itinuturing na isang basurang produkto at maaaring mabilis na maalis ng malambot na plasma38,41. Ang pag-recycle ng film na ito ay makakatulong na mapakinabangan ang ani, kahit na ito ay mas mababa ang kalidad kaysa sa face carbon film.
Dito, aming iniuulat ang paghahanda ng wafer-scale bifacial growth ng NGF na may mataas na kalidad ng istruktura sa polycrystalline nickel foil gamit ang CVD. Sinuri kung paano nakakaapekto ang pagkamagaspang ng harap at likod na ibabaw ng foil sa morpolohiya at istruktura ng NGF. Ipinakita rin namin ang cost-effective at environment-friendly na polymer-free na paglilipat ng NGF mula sa magkabilang panig ng nickel foil papunta sa mga multifunctional substrate at ipinapakita kung paano angkop ang harap at likod na mga pelikula para sa iba't ibang aplikasyon.
Ang mga sumusunod na seksyon ay tumatalakay sa iba't ibang kapal ng graphite film depende sa bilang ng mga nakapatong na layer ng graphene: (i) single layer graphene (SLG, 1 layer), (ii) few layer graphene (FLG, < 10 layer), (iii) multilayer graphene (MLG, 10-30 layer) at (iv) NGF (~300 layer). Ang huli ang pinakakaraniwang kapal na ipinapahayag bilang porsyento ng lawak (humigit-kumulang 97% ng lawak bawat 100 µm2)30. Kaya naman ang buong pelikula ay simpleng tinatawag na NGF.
Ang mga polycrystalline nickel foil na ginagamit para sa synthesis ng graphene at graphite films ay may iba't ibang tekstura bilang resulta ng kanilang paggawa at kasunod na pagproseso. Kamakailan ay iniulat namin ang isang pag-aaral upang ma-optimize ang proseso ng paglaki ng NGF30. Ipinapakita namin na ang mga parameter ng proseso tulad ng oras ng annealing at presyon ng chamber sa panahon ng yugto ng paglaki ay gumaganap ng isang kritikal na papel sa pagkuha ng mga NGF na may pare-parehong kapal. Dito, mas sinuri namin ang paglaki ng NGF sa pinakintab na harap (FS) at hindi pinakintab na likod (BS) na mga ibabaw ng nickel foil (Fig. 1a). Tatlong uri ng mga sample na FS at BS ang sinuri, na nakalista sa Table 1. Sa biswal na inspeksyon, ang pare-parehong paglaki ng NGF sa magkabilang panig ng nickel foil (NiAG) ay makikita sa pamamagitan ng pagbabago ng kulay ng bulk Ni substrate mula sa isang katangiang metallic silver gray patungo sa isang matte gray na kulay (Fig. 1a); nakumpirma ang mga mikroskopikong sukat (Fig. 1b, c). Ang isang tipikal na Raman spectrum ng FS-NGF na naobserbahan sa maliwanag na rehiyon at ipinahiwatig ng pula, asul at orange na mga arrow sa Figure 1b ay ipinapakita sa Figure 1c. Ang mga katangiang Raman peak ng graphite G (1683 cm−1) at 2D (2696 cm−1) ay nagpapatunay sa paglaki ng highly crystalline NGF (Fig. 1c, Table SI1). Sa buong pelikula, isang pangingibabaw ng Raman spectra na may intensity ratio (I2D/IG) ~0.3 ang naobserbahan, habang ang Raman spectra na may I2D/IG = 0.8 ay bihirang naobserbahan. Ang kawalan ng depektibong mga peak (D = 1350 cm-1) sa buong pelikula ay nagpapahiwatig ng mataas na kalidad ng paglaki ng NGF. Katulad na mga resulta ng Raman ang nakuha sa sample ng BS-NGF (Figure SI1 a at b, Table SI1).
Paghahambing ng NiAG FS- at BS-NGF: (a) Larawan ng isang tipikal na sample ng NGF (NiAG) na nagpapakita ng paglaki ng NGF sa wafer scale (55 cm2) at ang mga nagresultang sample ng BS- at FS-Ni foil, (b) Mga Larawan ng FS-NGF/Ni na nakuha gamit ang isang optical microscope, (c) tipikal na Raman spectra na naitala sa iba't ibang posisyon sa panel b, (d, f) Mga imahe ng SEM sa iba't ibang magnification sa FS-NGF/Ni, (e, g) Mga imahe ng SEM sa iba't ibang magnification Itinatakda ang BS-NGF/Ni. Ang asul na palaso ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng FLG, ang orange na palaso ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng MLG (malapit sa rehiyon ng FLG), ang pulang palaso ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng NGF, at ang magenta na palaso ay nagpapahiwatig ng fold.
Dahil ang paglaki ay nakasalalay sa kapal ng inisyal na substrate, laki ng kristal, oryentasyon, at mga hangganan ng butil, ang pagkamit ng makatwirang kontrol sa kapal ng NGF sa malalaking lugar ay nananatiling isang hamon20,34,44. Ginamit ng pag-aaral na ito ang nilalaman na dati naming inilathala30. Ang prosesong ito ay nagbubunga ng isang maliwanag na rehiyon na 0.1 hanggang 3% bawat 100 µm230. Sa mga sumusunod na seksyon, ipinapakita namin ang mga resulta para sa parehong uri ng mga rehiyon. Ipinapakita ng mga imahe ng SEM na may mataas na magnification ang pagkakaroon ng ilang maliwanag na contrast area sa magkabilang panig (Fig. 1f,g), na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga rehiyon ng FLG at MLG30,45. Kinumpirma rin ito ng Raman scattering (Fig. 1c) at mga resulta ng TEM (tatalakayin mamaya sa seksyong "FS-NGF: istruktura at mga katangian"). Ang mga rehiyon ng FLG at MLG na naobserbahan sa mga sample ng FS- at BS-NGF/Ni (harap at likod na NGF na lumaki sa Ni) ay maaaring lumaki sa malalaking butil ng Ni(111) na nabuo noong pre-annealing22,30,45. Naobserbahan ang pagtiklop sa magkabilang panig (Larawan 1b, minarkahan ng mga lilang arrow). Ang mga pagtiklop na ito ay kadalasang matatagpuan sa mga pelikulang graphene at graphite na lumaki sa CVD dahil sa malaking pagkakaiba sa coefficient of thermal expansion sa pagitan ng graphite at ng nickel substrate30,38.
Kinumpirma ng imahe ng AFM na ang sample ng FS-NGF ay mas patag kaysa sa sample ng BS-NGF (Larawan SI1) (Larawan SI2). Ang mga halaga ng root mean square (RMS) roughness ng FS-NGF/Ni (Larawan SI2c) at BS-NGF/Ni (Larawan SI2d) ay 82 at 200 nm, ayon sa pagkakabanggit (sinukat sa isang lugar na 20 × 20 μm2). Ang mas mataas na roughness ay mauunawaan batay sa pagsusuri sa ibabaw ng nickel (NiAR) foil sa estado ng pagtanggap (Larawan SI3). Ang mga imahe ng SEM ng FS at BS-NiAR ay ipinapakita sa Mga Larawan SI3a–d, na nagpapakita ng iba't ibang morpolohiya ng ibabaw: ang pinakintab na FS-Ni foil ay may mga spherical particle na kasinglaki ng nano at micron, habang ang hindi pinakintab na BS-Ni foil ay nagpapakita ng isang production ladder bilang mga particle na may mataas na lakas at pagbaba. Ang mga imahe ng mababa at mataas na resolution ng annealed nickel foil (NiA) ay ipinapakita sa Larawan SI3e–h. Sa mga pigurang ito, mapapansin natin ang presensya ng ilang micron-sized na nickel particle sa magkabilang gilid ng nickel foil (Fig. SI3e–h). Ang malalaking butil ay maaaring may oryentasyon sa ibabaw na Ni(111), gaya ng naiulat noon30,46. May mga makabuluhang pagkakaiba sa morpolohiya ng nickel foil sa pagitan ng FS-NiA at BS-NiA. Ang mas mataas na pagkamagaspang ng BS-NGF/Ni ay dahil sa hindi makintab na ibabaw ng BS-NiAR, na ang ibabaw ay nananatiling magaspang kahit na pagkatapos ng annealing (Figure SI3). Ang ganitong uri ng paglalarawan sa ibabaw bago ang proseso ng paglaki ay nagbibigay-daan sa pagkontrol ng pagkamagaspang ng graphene at graphite films. Dapat tandaan na ang orihinal na substrate ay sumailalim sa ilang muling pagsasaayos ng butil habang lumalaki ang graphene, na bahagyang nagpababa sa laki ng butil at medyo nagpapataas sa pagkamagaspang ng ibabaw ng substrate kumpara sa annealed foil at catalyst film22.
Ang pagpipino sa pagkamagaspang ng ibabaw ng substrate, oras ng pag-annealing (laki ng butil)30,47 at pagkontrol sa paglabas43 ay makakatulong na mabawasan ang pagkakapareho ng kapal ng NGF sa rehiyon sa µm2 at/o kahit nm2 na sukat (ibig sabihin, mga pagkakaiba-iba ng kapal na ilang nanometer). Upang makontrol ang pagkamagaspang ng ibabaw ng substrate, maaaring isaalang-alang ang mga pamamaraan tulad ng electrolytic polishing ng nagresultang nickel foil48. Ang pretreated na nickel foil ay maaaring i-annealing sa mas mababang temperatura (< 900 °C)46 at oras (< 5 min) upang maiwasan ang pagbuo ng malalaking butil ng Ni(111) (na kapaki-pakinabang para sa paglaki ng FLG).
Hindi kayang tiisin ng SLG at FLG graphene ang surface tension ng mga acid at tubig, kaya nangangailangan ito ng mga mechanical support layer habang isinasagawa ang wet chemical transfer processes22,34,38. Kabaligtaran ng wet chemical transfer ng polymer-supported single-layer graphene38, natuklasan namin na ang magkabilang panig ng as-grown NGF ay maaaring ilipat nang walang polymer support, gaya ng ipinapakita sa Figure 2a (tingnan ang Figure SI4a para sa karagdagang detalye). Ang paglipat ng NGF sa isang partikular na substrate ay nagsisimula sa wet etching ng pinagbabatayang Ni30.49 film. Ang mga lumaking sample ng NGF/Ni/NGF ay inilagay magdamag sa 15 mL ng 70% HNO3 na hinaluan ng 600 mL ng deionized (DI) na tubig. Matapos tuluyang matunaw ang Ni foil, ang FS-NGF ay nananatiling patag at lumulutang sa ibabaw ng likido, tulad ng sample ng NGF/Ni/NGF, habang ang BS-NGF ay inilulubog sa tubig (Fig. 2a,b). Ang nakahiwalay na NGF ay inilipat mula sa isang beaker na naglalaman ng sariwang deionized na tubig patungo sa isa pang beaker at ang nakahiwalay na NGF ay hinugasan nang mabuti, inulit nang apat hanggang anim na beses sa pamamagitan ng concave glass dish. Panghuli, ang FS-NGF at BS-NGF ay inilagay sa nais na substrate (Fig. 2c).
Proseso ng paglilipat ng basang kemikal na walang polimer para sa NGF na itinanim sa nickel foil: (a) Diagram ng daloy ng proseso (tingnan ang Figure SI4 para sa karagdagang detalye), (b) Digital na litrato ng pinaghiwalay na NGF pagkatapos ng Ni etching (2 sample), (c) Halimbawa ng paglilipat ng FS – at BS-NGF sa SiO2/Si substrate, (d) Paglilipat ng FS-NGF sa opaque polymer substrate, (e) BS-NGF mula sa parehong sample gaya ng panel d (hinati sa dalawang bahagi), inilipat sa gintong papel na C at Nafion (flexible transparent substrate, mga gilid na may markang pulang sulok).
Tandaan na ang paglilipat ng SLG na isinagawa gamit ang mga pamamaraan ng wet chemical transfer ay nangangailangan ng kabuuang oras ng pagproseso na 20-24 oras 38. Gamit ang pamamaraan ng polymer-free transfer na ipinakita rito (Figure SI4a), ang kabuuang oras ng pagproseso ng paglilipat ng NGF ay makabuluhang nabawasan (humigit-kumulang 15 oras). Ang proseso ay binubuo ng: (Hakbang 1) Maghanda ng solusyon sa pag-ukit at ilagay ang sample dito (~10 minuto), pagkatapos ay maghintay magdamag para sa Ni etching (~7200 minuto), (Hakbang 2) Banlawan ng deionized na tubig (Hakbang 3). iimbak sa deionized na tubig o ilipat sa target na substrate (20 minuto). Ang tubig na nakulong sa pagitan ng NGF at ng bulk matrix ay tinatanggal sa pamamagitan ng capillary action (gamit ang blotting paper) 38, pagkatapos ay ang natitirang mga patak ng tubig ay tinatanggal sa pamamagitan ng natural na pagpapatuyo (humigit-kumulang 30 minuto), at sa wakas ang sample ay pinatutuyo sa loob ng 10 minuto sa isang vacuum oven (10-1 mbar) sa 50-90 °C (60 minuto) 38.
Ang graphite ay kilalang nakakayanan ang presensya ng tubig at hangin sa medyo mataas na temperatura (≥ 200 °C)50,51,52. Sinubukan namin ang mga sample gamit ang Raman spectroscopy, SEM, at XRD pagkatapos iimbak sa deionized na tubig sa temperatura ng silid at sa mga selyadong bote nang ilang araw hanggang isang taon (Figure SI4). Walang kapansin-pansing pagkasira. Ipinapakita ng Figure 2c ang free-standing na FS-NGF at BS-NGF sa deionized na tubig. Nakuha namin ang mga ito sa isang SiO2 (300 nm)/Si substrate, tulad ng ipinapakita sa simula ng Figure 2c. Bukod pa rito, tulad ng ipinapakita sa Figure 2d,e, ang tuluy-tuloy na NGF ay maaaring ilipat sa iba't ibang substrate tulad ng mga polymer (Thermabright polyamide mula sa Nexolve at Nafion) at gold-coated carbon paper. Ang lumulutang na FS-NGF ay madaling mailagay sa target na substrate (Fig. 2c, d). Gayunpaman, ang mga BS-NGF sample na mas malaki sa 3 cm2 ay mahirap hawakan kapag ganap na inilubog sa tubig. Kadalasan, kapag nagsimula silang gumulong sa tubig, dahil sa pabaya na paghawak, minsan ay nabibiyak sila sa dalawa o tatlong bahagi (Larawan 2e). Sa pangkalahatan, nakamit namin ang polymer-free transfer ng PS- at BS-NGF (tuloy-tuloy na tuluy-tuloy na paglipat nang walang NGF/Ni/NGF na paglaki sa 6 cm2) para sa mga sample na hanggang 6 at 3 cm2 ang lawak, ayon sa pagkakabanggit. Anumang natitirang malalaki o maliliit na piraso ay maaaring (madaling makita sa etching solution o deionized water) sa nais na substrate (~1 mm2, Larawan SI4b, tingnan ang sample na inilipat sa copper grid tulad ng nasa “FS-NGF: Structure and Properties (tinalakay) sa ilalim ng “Structure and Properties”) o iimbak para sa paggamit sa hinaharap (Larawan SI4). Batay sa pamantayang ito, tinatantya namin na ang NGF ay maaaring mabawi sa ani na hanggang 98-99% (pagkatapos ng paglaki para sa paglilipat).
Ang mga sample ng paglilipat nang walang polimer ay sinuri nang detalyado. Ang mga katangiang morpolohikal ng ibabaw na nakuha sa FS- at BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) gamit ang optical microscopy (OM) at mga imahe ng SEM (Fig. SI5 at Fig. 3) ay nagpakita na ang mga sample na ito ay inilipat nang walang mikroskopya. Ang mga nakikitang pinsala sa istruktura tulad ng mga bitak, butas, o mga nakabukang bahagi. Ang mga tupi sa lumalaking NGF (Fig. 3b, d, minarkahan ng mga lilang arrow) ay nanatiling buo pagkatapos ng paglilipat. Ang parehong FS- at BS-NGF ay binubuo ng mga rehiyon ng FLG (maliwanag na rehiyon na ipinahiwatig ng mga asul na arrow sa Figure 3). Nakakagulat, kabaligtaran sa ilang nasirang rehiyon na karaniwang naoobserbahan sa panahon ng paglilipat ng polimer ng mga ultrathin graphite film, ilang mga rehiyon ng FLG at MLG na kasinglaki ng micron na nakakonekta sa NGF (minarkahan ng mga asul na arrow sa Figure 3d) ay inilipat nang walang mga bitak o bali (Figure 3d). 3). Ang mekanikal na integridad ay karagdagang nakumpirma gamit ang mga imahe ng TEM at SEM ng NGF na inilipat sa mga lace-carbon copper grid, gaya ng tatalakayin mamaya (“FS-NGF: Istruktura at Mga Katangian”). Ang inilipat na BS-NGF/SiO2/Si ay mas magaspang kaysa sa FS-NGF/SiO2/Si na may mga halagang rms na 140 nm at 17 nm, ayon sa pagkakabanggit, gaya ng ipinapakita sa Figure SI6a at b (20 × 20 μm2). Ang halaga ng RMS ng NGF na inilipat sa substrate ng SiO2/Si (RMS < 2 nm) ay mas mababa nang malaki (mga 3 beses) kaysa sa NGF na lumaki sa Ni (Figure SI2), na nagpapahiwatig na ang karagdagang pagkamagaspang ay maaaring tumutugma sa ibabaw ng Ni. Bukod pa rito, ang mga imahe ng AFM na isinagawa sa mga gilid ng mga sample ng FS- at BS-NGF/SiO2/Si ay nagpakita ng kapal ng NGF na 100 at 80 nm, ayon sa pagkakabanggit (Fig. SI7). Ang mas maliit na kapal ng BS-NGF ay maaaring resulta ng ibabaw na hindi direktang nalalantad sa precursor gas.
Inilipat na NGF (NiAG) nang walang polimer sa SiO2/Si wafer (tingnan ang Figure 2c): (a,b) Mga imahe ng SEM ng inilipat na FS-NGF: mababa at mataas na magnification (katumbas ng orange na parisukat sa panel). Karaniwang mga lugar) – a). (c,d) Mga imahe ng SEM ng inilipat na BS-NGF: mababa at mataas na magnification (katumbas ng karaniwang lugar na ipinapakita ng orange na parisukat sa panel c). (e, f) Mga imahe ng AFM ng inilipat na FS- at BS-NGF. Ang asul na arrow ay kumakatawan sa rehiyon ng FLG – maliwanag na contrast, cyan arrow – itim na MLG contrast, pulang arrow – itim na contrast ay kumakatawan sa rehiyon ng NGF, ang magenta arrow ay kumakatawan sa fold.
Ang kemikal na komposisyon ng mga lumaki at nailipat na FS- at BS-NGF ay sinuri gamit ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Larawan 4). Isang mahinang peak ang naobserbahan sa nasukat na spectra (Larawan 4a, b), na katumbas ng Ni substrate (850 eV) ng mga lumaki na FS- at BS-NGF (NiAG). Walang mga peak sa nasukat na spectra ng nailipat na FS- at BS-NGF/SiO2/Si (Larawan 4c; hindi ipinapakita ang mga katulad na resulta para sa BS-NGF/SiO2/Si), na nagpapahiwatig na walang natitirang kontaminasyon ng Ni pagkatapos ng paglipat. Ipinapakita ng mga Larawan 4d–f ang high-resolution spectra ng mga antas ng enerhiya ng C1s, O1s at Si2p ng FS-NGF/SiO2/Si. Ang binding energy ng C1s ng graphite ay 284.4 eV53.54. Ang linear na hugis ng mga peak ng graphite ay karaniwang itinuturing na asymmetrical, gaya ng ipinapakita sa Figure 4d54. Kinumpirma rin ng high-resolution core-level C1s spectrum (Fig. 4d) ang purong transfer (ibig sabihin, walang polymer residues), na naaayon sa mga nakaraang pag-aaral38. Ang linewidths ng C1s spectra ng bagong tubo na sample (NiAG) at pagkatapos ng transfer ay 0.55 at 0.62 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga halagang ito ay mas mataas kaysa sa SLG (0.49 eV para sa SLG sa isang SiO2 substrate)38. Gayunpaman, ang mga halagang ito ay mas maliit kaysa sa mga naunang naiulat na linewidths para sa mga highly oriented pyrolytic graphene sample (~0.75 eV)53,54,55, na nagpapahiwatig ng kawalan ng mga depektibong carbon site sa kasalukuyang materyal. Ang C1s at O1s ground level spectra ay kulang din sa mga shoulder, na nag-aalis ng pangangailangan para sa high-resolution peak deconvolution54. Mayroong π → π* satellite peak na nasa bandang 291.1 eV, na kadalasang naoobserbahan sa mga graphite sample. Ang 103 eV at 532.5 eV signals sa Si 2p at O 1s core level spectra (tingnan ang Fig. 4e, f) ay iniuugnay sa SiO2 56 substrate, ayon sa pagkakabanggit. Ang XPS ay isang surface-sensitive technique, kaya ang mga signal na katumbas ng Ni at SiO2 na na-detect bago at pagkatapos ng NGF transfer, ayon sa pagkakabanggit, ay ipinapalagay na nagmula sa rehiyon ng FLG. Katulad na mga resulta ang naobserbahan para sa mga inilipat na BS-NGF sample (hindi ipinakita).
Mga resulta ng NiAG XPS: (ac) Mga spectra ng survey ng iba't ibang elementong komposisyon ng atomo ng lumaking FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni at inilipat na FS-NGF/SiO2/Si, ayon sa pagkakabanggit. (d–f) Mga high-resolution na spectra ng mga core level na C1s, O1s at Si2p ng sample ng FS-NGF/SiO2/Si.
Ang pangkalahatang kalidad ng mga nailipat na kristal ng NGF ay tinasa gamit ang X-ray diffraction (XRD). Ang karaniwang mga pattern ng XRD (Fig. SI8) ng nailipat na FS- at BS-NGF/SiO2/Si ay nagpapakita ng pagkakaroon ng mga diffraction peak (0 0 0 2) at (0 0 0 4) sa 26.6° at 54.7°, katulad ng graphite. . Kinukumpirma nito ang mataas na kalidad ng kristal ng NGF at tumutugma sa isang distansya sa pagitan ng mga layer na d = 0.335 nm, na pinapanatili pagkatapos ng hakbang ng paglilipat. Ang intensity ng diffraction peak (0 0 0 2) ay humigit-kumulang 30 beses kaysa sa diffraction peak (0 0 0 4), na nagpapahiwatig na ang NGF crystal plane ay mahusay na nakahanay sa ibabaw ng sample.
Ayon sa mga resulta ng SEM, Raman spectroscopy, XPS at XRD, ang kalidad ng BS-NGF/Ni ay natagpuang kapareho ng sa FS-NGF/Ni, bagama't bahagyang mas mataas ang rms roughness nito (Mga Larawan SI2, SI5) at SI7).
Ang mga SLG na may mga patong ng suporta ng polimer na hanggang 200 nm ang kapal ay maaaring lumutang sa tubig. Ang setup na ito ay karaniwang ginagamit sa mga proseso ng paglilipat ng kemikal na tinutulungan ng polimer22,38. Ang graphene at graphite ay hydrophobic (wet angle 80–90°)57. Ang mga ibabaw ng potensyal na enerhiya ng parehong graphene at FLG ay naiulat na medyo patag, na may mababang potensyal na enerhiya (~1 kJ/mol) para sa lateral na paggalaw ng tubig sa ibabaw58. Gayunpaman, ang kinakalkulang mga enerhiya ng interaksyon ng tubig sa graphene at tatlong patong ng graphene ay humigit-kumulang − 13 at − 15 kJ/mol,58 ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig na ang interaksyon ng tubig sa NGF (mga 300 patong) ay mas mababa kumpara sa graphene. Maaaring ito ang isa sa mga dahilan kung bakit ang freestanding NGF ay nananatiling patag sa ibabaw ng tubig, habang ang freestanding graphene (na lumulutang sa tubig) ay kumukulot at nasisira. Kapag ang NGF ay ganap na nakalubog sa tubig (ang mga resulta ay pareho para sa magaspang at patag na NGF), ang mga gilid nito ay yumuko (Larawan SI4). Sa kaso ng kumpletong paglulubog, inaasahang halos doble ang enerhiya ng interaksyon ng NGF-tubig (kumpara sa lumulutang na NGF) at ang mga gilid ng NGF ay titiklop upang mapanatili ang isang mataas na anggulo ng pakikipag-ugnayan (hydrophobicity). Naniniwala kami na maaaring bumuo ng mga estratehiya upang maiwasan ang pagkulot ng mga gilid ng mga naka-embed na NGF. Ang isang paraan ay ang paggamit ng magkahalong solvent upang baguhin ang reaksyon ng pagbasa ng graphite film59.
Ang paglipat ng SLG sa iba't ibang uri ng substrates sa pamamagitan ng mga proseso ng wet chemical transfer ay naiulat na noon. Karaniwang tinatanggap na mayroong mahinang puwersa ng van der Waals sa pagitan ng mga graphene/graphite films at substrates (maging ito ay mga matibay na substrates tulad ng SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 at lacy carbon films30, 34 o mga flexible na substrates tulad ng polyimide 37). Dito, ipinapalagay namin na nangingibabaw ang mga interaksyon ng parehong uri. Wala kaming naobserbahang anumang pinsala o pagbabalat ng NGF para sa alinman sa mga substrate na ipinakita dito sa panahon ng mekanikal na paghawak (habang isinasagawa ang paglalarawan sa ilalim ng vacuum at/o mga kondisyon ng atmospera o habang iniimbak) (hal., Figure 2, SI7 at SI9). Bilang karagdagan, wala kaming naobserbahang SiC peak sa XPS C1s spectrum ng core level ng NGF/SiO2/Si sample (Fig. 4). Ang mga resultang ito ay nagpapahiwatig na walang kemikal na bond sa pagitan ng NGF at ng target na substrate.
Sa nakaraang seksyon, “Polymer-free transfer ng FS- at BS-NGF,” ipinakita namin na ang NGF ay maaaring lumaki at lumipat sa magkabilang panig ng nickel foil. Ang mga FS-NGF at BS-NGF na ito ay hindi magkapareho sa mga tuntunin ng surface roughness, na nag-udyok sa amin na tuklasin ang mga pinakaangkop na aplikasyon para sa bawat uri.
Kung isasaalang-alang ang transparency at mas makinis na ibabaw ng FS-NGF, mas detalyado naming pinag-aralan ang lokal na istruktura, optical at electrical properties nito. Ang istruktura at istruktura ng FS-NGF nang walang polymer transfer ay nailalarawan sa pamamagitan ng transmission electron microscopy (TEM) imaging at selected area electron diffraction (SAED) pattern analysis. Ang mga kaukulang resulta ay ipinapakita sa Figure 5. Ang low magnification planar TEM imaging ay nagpakita ng presensya ng mga rehiyon ng NGF at FLG na may iba't ibang katangian ng electron contrast, ibig sabihin, mas madilim at mas maliwanag na mga lugar, ayon sa pagkakabanggit (Fig. 5a). Ang pelikula sa pangkalahatan ay nagpapakita ng mahusay na mechanical integrity at stability sa pagitan ng iba't ibang rehiyon ng NGF at FLG, na may mahusay na overlap at walang pinsala o pagkapunit, na kinumpirma rin ng SEM (Figure 3) at high magnification TEM studies (Figure 5c-e). Sa partikular, sa Fig. Figure 5d ay nagpapakita ng istruktura ng tulay sa pinakamalaking bahagi nito (ang posisyon na minarkahan ng itim na tuldok-tuldok na arrow sa Figure 5d), na nailalarawan sa pamamagitan ng isang tatsulok na hugis at binubuo ng isang graphene layer na may lapad na humigit-kumulang 51. Ang komposisyon na may interplanar spacing na 0.33 ± 0.01 nm ay lalong nabawasan sa ilang patong ng graphene sa pinakamakitid na rehiyon (dulo ng solidong itim na palaso sa Figure 5 d).
Planar na imahe ng TEM ng isang polymer-free na sample ng NiAG sa isang carbon lacy copper grid: (a, b) Mga imahe ng TEM na may mababang magnification kabilang ang mga rehiyon ng NGF at FLG, (ce) Ang mga imahe ng mataas na magnification ng iba't ibang rehiyon sa panel-a at panel-b ay mga markadong arrow na may parehong kulay. Ang mga berdeng arrow sa mga panel a at c ay nagpapahiwatig ng mga pabilog na lugar ng pinsala habang nakahanay ang beam. (f–i) Sa mga panel a hanggang c, ang mga pattern ng SAED sa iba't ibang rehiyon ay ipinapahiwatig ng mga asul, cyan, orange, at pulang bilog, ayon sa pagkakabanggit.
Ang istruktura ng laso sa Figure 5c ay nagpapakita (minarkahan ng pulang palaso) ng patayong oryentasyon ng mga graphite lattice planes, na maaaring dahil sa pagbuo ng mga nanofold sa kahabaan ng film (nakalagay sa Figure 5c) dahil sa labis na uncompensated shear stress30,61,62. Sa ilalim ng high-resolution TEM, ang mga nanofold na ito 30 ay nagpapakita ng ibang crystallographic orientation kaysa sa iba pang bahagi ng rehiyon ng NGF; ang mga basal planes ng graphite lattice ay halos patayo ang oryentasyon, sa halip na pahalang tulad ng iba pang bahagi ng film (nakalagay sa Figure 5c). Katulad nito, ang rehiyon ng FLG ay paminsan-minsang nagpapakita ng mga linear at makitid na band-like folds (minarkahan ng mga asul na palaso), na lumilitaw sa mababa at katamtamang magnification sa Figures 5b, 5e, ayon sa pagkakabanggit. Kinukumpirma ng nakalagay sa Figure 5e ang presensya ng dalawa at tatlong-layer na graphene layers sa sektor ng FLG (interplanar distance 0.33 ± 0.01 nm), na naaayon sa aming mga nakaraang resulta30. Bukod pa rito, ang mga naitalang SEM na imahe ng polymer-free NGF na inilipat sa mga copper grid na may lacy carbon films (pagkatapos magsagawa ng top-view TEM measurements) ay ipinapakita sa Figure SI9. Ang mahusay na nakabitin na rehiyon ng FLG (minarkahan ng asul na arrow) at ang sirang rehiyon sa Figure SI9f. Ang asul na arrow (sa gilid ng inilipat na NGF) ay sadyang ipinakita upang ipakita na ang rehiyon ng FLG ay kayang labanan ang proseso ng paglilipat nang walang polymer. Sa buod, kinukumpirma ng mga larawang ito na ang bahagyang nakabitin na NGF (kabilang ang rehiyon ng FLG) ay nagpapanatili ng mekanikal na integridad kahit na matapos ang mahigpit na paghawak at pagkakalantad sa mataas na vacuum sa panahon ng mga pagsukat ng TEM at SEM (Figure SI9).
Dahil sa mahusay na pagiging patag ng NGF (tingnan ang Figure 5a), hindi mahirap i-orient ang mga flakes sa kahabaan ng [0001] domain axis upang masuri ang istruktura ng SAED. Depende sa lokal na kapal ng film at lokasyon nito, ilang rehiyon na interesado (12 puntos) ang natukoy para sa mga pag-aaral ng electron diffraction. Sa Figures 5a–c, apat sa mga tipikal na rehiyong ito ang ipinapakita at minarkahan ng mga bilog na may kulay (asul, cyan, orange, at pula na naka-code). Figures 2 at 3 para sa SAED mode. Ang Figures 5f at g ay nakuha mula sa rehiyon ng FLG na ipinapakita sa Figures 5 at 5. Gaya ng ipinapakita sa Figures 5b at c, ayon sa pagkakabanggit. Mayroon silang hexagonal na istruktura na katulad ng twisted graphene63. Sa partikular, ang Figure 5f ay nagpapakita ng tatlong nakapatong na pattern na may parehong oryentasyon ng [0001] zone axis, na pinaikot ng 10° at 20°, gaya ng pinatutunayan ng angular mismatch ng tatlong pares ng (10-10) na mga repleksyon. Gayundin, ipinapakita ng Figure 5g ang dalawang nakapatong na hexagonal pattern na pinaikot ng 20°. Dalawa o tatlong grupo ng hexagonal pattern sa rehiyon ng FLG ay maaaring lumitaw mula sa tatlong in-plane o out-of-plane graphene layer 33 na pinaikot kaugnay ng isa't isa. Sa kabaligtaran, ang mga electron diffraction pattern sa Figure 5h,i (na katumbas ng rehiyon ng NGF na ipinapakita sa Figure 5a) ay nagpapakita ng isang [0001] pattern na may pangkalahatang mas mataas na point diffraction intensity, na tumutugma sa mas malaking kapal ng materyal. Ang mga SAED model na ito ay tumutugma sa isang mas makapal na graphitic structure at intermediate orientation kaysa sa FLG, gaya ng hinuha mula sa index 64. Ang paglalarawan ng mga crystalline properties ng NGF ay nagsiwalat ng magkakasamang pagkakasama ng dalawa o tatlong nakapatong na graphite (o graphene) crystallites. Ang partikular na kapansin-pansin sa rehiyon ng FLG ay ang mga crystallite ay may isang tiyak na antas ng in-plane o out-of-plane misorientation. Ang mga partikulo/patong ng graphite na may mga anggulo ng pag-ikot na nasa eroplano na 17°, 22° at 25° ay naiulat na noon para sa NGF na lumaki sa mga pelikulang Ni 64. Ang mga halaga ng anggulo ng pag-ikot na naobserbahan sa pag-aaral na ito ay naaayon sa mga naunang naobserbahang anggulo ng pag-ikot (±1°) para sa baluktot na graphene ng BLG63.
Ang mga katangiang elektrikal ng NGF/SiO2/Si ay sinukat sa 300 K sa isang lawak na 10×3 mm2. Ang mga halaga ng konsentrasyon, mobility, at conductivity ng electron carrier ay 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 at 2000 S-cm-1, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga halaga ng mobility at conductivity ng aming NGF ay katulad ng natural graphite2 at mas mataas kaysa sa mga komersyal na makukuhang highly oriented pyrolytic graphite (ginawa sa 3000 °C)29. Ang mga naobserbahang halaga ng konsentrasyon ng electron carrier ay dalawang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa mga kamakailang naiulat (7.25 × 10 cm-3) para sa mga micron-thick graphite film na inihanda gamit ang mga high-temperature (3200 °C) polyimide sheet 20.
Nagsagawa rin kami ng mga pagsukat ng UV-visible transmittance sa FS-NGF na inilipat sa mga substrate ng quartz (Larawan 6). Ang nagresultang spectrum ay nagpapakita ng halos pare-parehong transmittance na 62% sa hanay na 350–800 nm, na nagpapahiwatig na ang NGF ay translucent sa nakikitang liwanag. Sa katunayan, ang pangalang "KAUST" ay makikita sa digital na litrato ng sample sa Larawan 6b. Bagama't ang nanocrystalline na istraktura ng NGF ay naiiba sa SLG, ang bilang ng mga layer ay maaaring tinatayang tantyahin gamit ang panuntunan ng 2.3% transmission loss sa bawat karagdagang layer65. Ayon sa ugnayang ito, ang bilang ng mga graphene layer na may 38% transmission loss ay 21. Ang lumaking NGF ay pangunahing binubuo ng 300 graphene layer, ibig sabihin, humigit-kumulang 100 nm ang kapal (Larawan 1, SI5 at SI7). Samakatuwid, ipinapalagay namin na ang naobserbahang optical transparency ay tumutugma sa mga rehiyon ng FLG at MLG, dahil ang mga ito ay nakakalat sa buong pelikula (Mga Larawan 1, 3, 5 at 6c). Bukod sa mga datos na istruktural na nabanggit, kinukumpirma rin ng kondaktibiti at transparency ang mataas na kalidad ng mala-kristal ng inilipat na NGF.
(a) Pagsukat ng transmittance na nakikita sa UV, (b) tipikal na paglilipat ng NGF sa quartz gamit ang isang kinatawan na sample. (c) Eskematiko ng NGF (madilim na kahon) na may pantay na ipinamamahaging mga rehiyon ng FLG at MLG na minarkahan bilang kulay abong random na mga hugis sa buong sample (tingnan ang Larawan 1) (humigit-kumulang 0.1–3% na lawak bawat 100 μm2). Ang mga random na hugis at ang kanilang mga laki sa diagram ay para lamang sa mga layuning paglalarawan at hindi tumutugma sa mga aktwal na lawak.
Ang translucent NGF na pinatubo sa pamamagitan ng CVD ay dati nang inilipat sa mga bare silicon surface at ginamit sa mga solar cell15,16. Ang nagresultang power conversion efficiency (PCE) ay 1.5%. Ang mga NGF na ito ay gumaganap ng maraming tungkulin tulad ng mga active compound layer, charge transport pathway, at transparent electrodes15,16. Gayunpaman, ang graphite film ay hindi pare-pareho. Kinakailangan ang karagdagang pag-optimize sa pamamagitan ng maingat na pagkontrol sa sheet resistance at optical transmittance ng graphite electrode, dahil ang dalawang katangiang ito ay may mahalagang papel sa pagtukoy ng halaga ng PCE ng solar cell15,16. Kadalasan, ang mga graphene film ay 97.7% transparent sa nakikitang liwanag, ngunit may sheet resistance na 200–3000 ohms/sq.16. Ang surface resistance ng mga graphene film ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagdaragdag ng bilang ng mga layer (multiple transfer of graphene layers) at pagdo-dop gamit ang HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Gayunpaman, ang prosesong ito ay tumatagal ng mahabang panahon at ang iba't ibang transfer layer ay hindi palaging nagpapanatili ng magandang contact. Ang aming harapang NGF ay may mga katangian tulad ng conductivity na 2000 S/cm, film sheet resistance na 50 ohm/sq. at 62% transparency, kaya isa itong mabisang alternatibo para sa mga conductive channel o counter electrodes sa mga solar cell15,16.
Bagama't ang istruktura at kimika sa ibabaw ng BS-NGF ay katulad ng FS-NGF, ang pagkamagaspang nito ay magkaiba ("Paglago ng FS- at BS-NGF"). Dati, gumamit kami ng ultra-thin film graphite22 bilang gas sensor. Samakatuwid, sinubukan namin ang posibilidad ng paggamit ng BS-NGF para sa mga gawain sa pag-detect ng gas (Figure SI10). Una, ang mga bahagi ng BS-NGF na kasinglaki ng mm2 ay inilipat sa interdigitating electrode sensor chip (Figure SI10a-c). Ang mga detalye ng paggawa ng chip ay naiulat na dati; ang aktibong sensitibong lugar nito ay 9 mm267. Sa mga imahe ng SEM (Figure SI10b at c), ang pinagbabatayang gold electrode ay malinaw na nakikita sa pamamagitan ng NGF. Muli, makikita na ang pantay na saklaw ng chip ay nakamit para sa lahat ng mga sample. Ang mga sukat ng gas sensor ng iba't ibang mga gas ay naitala (Fig. SI10d) (Fig. SI11) at ang mga nagresultang rate ng tugon ay ipinapakita sa Figs. SI10g. Malamang na may kasamang iba pang mga nakakasagabal na gas kabilang ang SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) at NH3 (200 ppm). Ang isang posibleng sanhi ay ang electrophilic na katangian ng NO2 ng gas22,68. Kapag na-adsorb sa ibabaw ng graphene, binabawasan nito ang kasalukuyang pagsipsip ng mga electron ng sistema. Ang paghahambing ng datos ng oras ng pagtugon ng sensor ng BS-NGF sa mga naunang nailathalang sensor ay ipinapakita sa Table SI2. Ang mekanismo para sa muling pag-activate ng mga sensor ng NGF gamit ang UV plasma, O3 plasma o thermal (50–150°C) na paggamot ng mga nakalantad na sample ay patuloy na isinasagawa, na mas mainam na susundan ng pagpapatupad ng mga embedded system69.
Sa proseso ng CVD, ang paglaki ng graphene ay nangyayari sa magkabilang panig ng substrate ng catalyst41. Gayunpaman, ang BS-graphene ay karaniwang ibinubuga habang isinasagawa ang proseso ng paglilipat41. Sa pag-aaral na ito, ipinapakita namin na ang mataas na kalidad na paglaki ng NGF at paglilipat ng NGF na walang polymer ay maaaring makamit sa magkabilang panig ng suporta ng catalyst. Ang BS-NGF ay mas manipis (~80 nm) kaysa sa FS-NGF (~100 nm), at ang pagkakaibang ito ay ipinaliwanag ng katotohanan na ang BS-Ni ay hindi direktang nalalantad sa daloy ng precursor gas. Natuklasan din namin na ang pagkamagaspang ng NiAR substrate ay nakakaimpluwensya sa pagkamagaspang ng NGF. Ipinapahiwatig ng mga resultang ito na ang lumaking planar FS-NGF ay maaaring gamitin bilang precursor material para sa graphene (sa pamamagitan ng exfoliation method70) o bilang isang conductive channel sa mga solar cell15,16. Sa kabaligtaran, ang BS-NGF ay gagamitin para sa gas detection (Fig. SI9) at posibleng para sa mga energy storage system71,72 kung saan ang surface roughness nito ay magiging kapaki-pakinabang.
Kung isasaalang-alang ang nabanggit, kapaki-pakinabang na pagsamahin ang kasalukuyang pag-aaral sa mga naunang nailathalang graphite film na pinatubo sa pamamagitan ng CVD at paggamit ng nickel foil. Gaya ng makikita sa Table 2, ang mas mataas na presyon na ginamit namin ay nagpaikli sa oras ng reaksyon (yugto ng paglago) kahit na sa medyo mababang temperatura (sa hanay na 850–1300 °C). Nakamit din namin ang mas malaking paglago kaysa karaniwan, na nagpapahiwatig ng potensyal para sa paglawak. May iba pang mga salik na dapat isaalang-alang, na ang ilan ay isinama namin sa talahanayan.
Ang dobleng-panig na mataas na kalidad na NGF ay pinatubo sa nickel foil sa pamamagitan ng catalytic CVD. Sa pamamagitan ng pag-aalis ng mga tradisyonal na polymer substrates (tulad ng mga ginagamit sa CVD graphene), nakakamit namin ang malinis at walang depekto na basang paglilipat ng NGF (na pinatubo sa likod at harap na bahagi ng nickel foil) sa iba't ibang substrates na kritikal sa proseso. Kapansin-pansin, kinabibilangan ng NGF ang mga rehiyon ng FLG at MLG (karaniwang 0.1% hanggang 3% bawat 100 µm2) na mahusay na naka-integrate sa mas makapal na pelikula. Ipinapakita ng planar TEM na ang mga rehiyong ito ay binubuo ng mga stack ng dalawa hanggang tatlong graphite/graphene particle (mga kristal o layer, ayon sa pagkakabanggit), na ang ilan ay may rotational mismatch na 10–20°. Ang mga rehiyon ng FLG at MLG ay responsable para sa transparency ng FS-NGF sa nakikitang liwanag. Para sa mga likurang sheet, maaari itong dalhin nang parallel sa mga harap na sheet at, tulad ng ipinapakita, ay maaaring magkaroon ng functional na layunin (halimbawa, para sa pagtukoy ng gas). Ang mga pag-aaral na ito ay lubhang kapaki-pakinabang para sa pagbabawas ng basura at mga gastos sa mga proseso ng CVD sa industriyal na antas.
Sa pangkalahatan, ang karaniwang kapal ng CVD NGF ay nasa pagitan ng (mababa at maraming patong) na graphene at pang-industriya (micrometer) na mga sheet ng graphite. Ang saklaw ng kanilang mga kawili-wiling katangian, kasama ang simpleng pamamaraan na aming binuo para sa kanilang produksyon at transportasyon, ay ginagawang partikular na angkop ang mga pelikulang ito para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng functional response ng graphite, nang walang gastos sa mga proseso ng produksyong pang-industriya na masinsinan sa enerhiya na kasalukuyang ginagamit.
Isang 25-μm-kapal na nickel foil (99.5% kadalisayan, Goodfellow) ang inilagay sa isang komersyal na CVD reactor (Aixtron 4-inch BMPro). Ang sistema ay nilinis gamit ang argon at inilikas sa base pressure na 10-3 mbar. Pagkatapos ay inilagay ang nickel foil sa Ar/H2 (Matapos i-pre-annealing ang Ni foil sa loob ng 5 minuto, ang foil ay inilantad sa pressure na 500 mbar sa 900 °C. Ang NGF ay idineposito sa isang daloy ng CH4/H2 (100 cm3 bawat isa) sa loob ng 5 minuto. Ang sample ay pagkatapos ay pinalamig sa temperaturang mas mababa sa 700 °C gamit ang Ar flow (4000 cm3) sa 40 °C/min. Ang mga detalye sa pag-optimize ng proseso ng paglaki ng NGF ay inilarawan sa ibang lugar30.
Ang morpolohiya ng ibabaw ng sample ay nakita gamit ang SEM gamit ang isang Zeiss Merlin microscope (1 kV, 50 pA). Ang roughness ng ibabaw ng sample at kapal ng NGF ay sinukat gamit ang AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Ang mga pagsukat ng TEM at SAED ay isinagawa gamit ang isang FEI Titan 80–300 Cubed microscope na nilagyan ng high brightness field emission gun (300 kV), isang FEI Wien type monochromator at isang CEOS lens spherical aberration corrector upang makuha ang pangwakas na resulta. Ang spatial resolution ay 0.09 nm. Ang mga sample ng NGF ay inilipat sa mga carbon lacy coated copper grid para sa flat TEM imaging at SAED structure analysis. Kaya, karamihan sa mga sample floc ay nakabitin sa mga pores ng supporting membrane. Ang mga inilipat na sample ng NGF ay sinuri gamit ang XRD. Ang mga X-ray diffraction pattern ay nakuha gamit ang isang powder diffractometer (Brucker, D2 phase shifter na may Cu Kα source, 1.5418 Å at LYNXEYE detector) gamit ang isang Cu radiation source na may beam spot diameter na 3 mm.
Ilang sukat ng Raman point ang naitala gamit ang isang integrating confocal microscope (Alpha 300 RA, WITeC). Isang 532 nm laser na may mababang excitation power (25%) ang ginamit upang maiwasan ang mga epektong dulot ng init. Isinagawa ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) sa isang Kratos Axis Ultra spectrometer sa isang sample area na 300 × 700 μm2 gamit ang monochromatic Al Kα radiation (hν = 1486.6 eV) sa power na 150 W. Ang mga resolution spectra ay nakuha sa mga transmission energies na 160 eV at 20 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga sample ng NGF na inilipat sa SiO2 ay pinutol sa mga piraso (3 × 10 mm2 bawat isa) gamit ang isang PLS6MW (1.06 μm) ytterbium fiber laser sa 30 W. Ang mga copper wire contact (50 μm ang kapal) ay ginawa gamit ang silver paste sa ilalim ng optical microscope. Isinagawa ang mga eksperimento sa electrical transport at Hall effect sa mga sampol na ito sa 300 K at isang magnetic field variation na ± 9 Tesla sa isang sistema ng pagsukat ng mga pisikal na katangian (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Ang mga ipinadalang UV–vis spectra ay naitala gamit ang isang Lambda 950 UV–vis spectrophotometer sa hanay ng 350–800 nm NGF na inilipat sa mga quartz substrate at quartz reference sample.
Ang chemical resistance sensor (interdigitated electrode chip) ay ikinakabit sa isang custom printed circuit board 73 at ang resistance ay pansamantalang kinuha. Ang printed circuit board kung saan matatagpuan ang device ay nakakonekta sa mga contact terminal at inilagay sa loob ng gas sensing chamber 74. Ang mga sukat ng resistance ay kinuha sa boltahe na 1 V na may tuloy-tuloy na scan mula sa purge hanggang sa pagkakalantad sa gas at pagkatapos ay muling purge. Ang chamber ay unang nilinis sa pamamagitan ng pagpurge gamit ang nitrogen sa 200 cm3 sa loob ng 1 oras upang matiyak na natatanggal ang lahat ng iba pang analyte na nasa chamber, kabilang ang moisture. Ang mga indibidwal na analyte ay dahan-dahang inilabas sa chamber sa parehong flow rate na 200 cm3 sa pamamagitan ng pagsasara ng N2 cylinder.
Isang binagong bersyon ng artikulong ito ang nailathala na at maaaring ma-access sa pamamagitan ng link sa itaas ng artikulo.
Inagaki, M. at Kang, F. Agham at Inhinyeriya ng Materyales ng Karbon: Mga Pangunahing Kaalaman. Ikalawang edisyon na na-edit. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook ng Carbon, Graphite, Diamond at Fullerene: Mga Katangian, Pagproseso at Aplikasyon. Na-edit na ang unang edisyon. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Mga pelikulang graphene/graphite na may malawak na lugar bilang manipis at transparent na konduktibong mga electrode. aplikasyon. pisika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Mga katangiang thermal ng graphene at mga materyales na nanostructured carbon. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW at Cahill DG Thermal conductivity ng mga graphite film na lumaki sa Ni (111) sa pamamagitan ng low-temperature chemical vapor deposition. pang-abay. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Patuloy na paglaki ng mga pelikulang graphene sa pamamagitan ng kemikal na pagdedeposito ng singaw. aplikasyon. pisika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Oras ng pag-post: Agosto-23-2024