Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamahusay na mga resulta, inirerekumenda namin na gumamit ka ng isang mas bagong bersyon ng iyong browser (o huwag paganahin ang mode ng pagiging tugma sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang estilo o JavaScript.
Ang Nanoscale Graphite Films (NGF) ay matatag na nanomaterial na maaaring magawa ng catalytic chemical vapor deposition, ngunit ang mga katanungan ay nananatiling tungkol sa kanilang kadalian ng paglipat at kung paano nakakaapekto ang ibabaw ng morphology sa kanilang paggamit sa mga susunod na henerasyon na aparato. Narito naiulat namin ang paglaki ng NGF sa magkabilang panig ng isang polycrystalline nickel foil (lugar 55 cm2, kapal ng halos 100 nm) at ang paglipat ng polymer-free (harap at likod, lugar hanggang sa 6 cm2). Dahil sa morphology ng foil ng katalista, ang dalawang pelikulang carbon ay naiiba sa kanilang mga pisikal na katangian at iba pang mga katangian (tulad ng pagkamagaspang sa ibabaw). Ipinakita namin na ang mga NGF na may isang rougher sa likuran ay angkop para sa pagtuklas ng NO2, habang ang makinis at mas maraming mga conductive NGF sa harap (2000 s/cm, ang paglaban sa sheet - 50 ohms/m2) ay maaaring maging mabubuhay na conductor. channel o elektrod ng solar cell (dahil nagpapadala ito ng 62% ng nakikitang ilaw). Sa pangkalahatan, ang inilarawan na mga proseso ng paglago at transportasyon ay maaaring makatulong na mapagtanto ang NGF bilang isang alternatibong materyal na carbon para sa mga teknolohikal na aplikasyon kung saan ang mga graphene at micron-makapal na mga grapayt na pelikula ay hindi angkop.
Ang grapayt ay isang malawak na ginagamit na pang -industriya na materyal. Kapansin-pansin, ang grapayt ay may mga katangian ng medyo mababang density ng masa at mataas na in-eroplano na thermal at electrical conductivity, at napaka-matatag sa malupit na thermal at kemikal na kapaligiran1,2. Ang Flake Graphite ay isang kilalang materyal na nagsisimula para sa Graphene Research3. Kapag naproseso sa mga manipis na pelikula, maaari itong magamit sa isang malawak na hanay ng mga aplikasyon, kabilang ang mga heat sink para sa mga elektronikong aparato tulad ng smartphones4,5,6,7, bilang isang aktibong materyal sa sensor8,9,10 at para sa electromagnetic interference protection11. 12 at mga pelikula para sa lithography sa matinding ultraviolet13,14, na nagsasagawa ng mga channel sa solar cells15,16. Para sa lahat ng mga application na ito, magiging isang makabuluhang kalamangan kung ang mga malalaking lugar ng mga grapayt na pelikula (NGF) na may mga kapal na kinokontrol sa nanoscale <100 nm ay madaling magawa at maipadala.
Ang mga grapayt na pelikula ay ginawa ng iba't ibang mga pamamaraan. Sa isang kaso, ang pag -embed at pagpapalawak na sinusundan ng pag -iwas ay ginamit upang makabuo ng mga graphene flakes10,11,17. Ang mga natuklap ay dapat na higit pang maproseso sa mga pelikula ng kinakailangang kapal, at madalas itong tumatagal ng ilang araw upang makabuo ng mga siksik na sheet ng grapayt. Ang isa pang diskarte ay upang magsimula sa graphitable solid precursors. Sa industriya, ang mga sheet ng polymers ay carbonized (sa 1000-1515 ° C) at pagkatapos ay na-graphitized (sa 2800–3200 ° C) upang mabuo ang mga maayos na nakabalangkas na materyales. Bagaman ang kalidad ng mga pelikulang ito ay mataas, ang pagkonsumo ng enerhiya ay makabuluhan1,18,19 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 grapayt films (<10 nm) na may mataas na kalidad na istruktura at makatwirang cost21,22,23,24,25,26,27. Gayunpaman, kung ihahambing sa paglaki ng graphene at ultrathin grapayt films28, ang paglaki ng malaking lugar at/o aplikasyon ng NGF gamit ang CVD ay kahit na hindi gaanong ginalugad11,13,29,30,31,32,33.
Ang mga graphene na may graphene na graphene at grapayt ay madalas na kailangang ilipat sa functional substrates34. Ang mga manipis na paglilipat ng pelikula ay nagsasangkot ng dalawang pangunahing pamamaraan35: (1) non-etch transfer36,37 at (2) etch-based wet chemical transfer (suportado ng substrate) 14,34,38. Ang bawat pamamaraan ay may ilang mga pakinabang at kawalan at dapat mapili depende sa inilaan na aplikasyon, tulad ng inilarawan sa ibang lugar35,39. Para sa mga graphene/grapayt na pelikula na lumago sa mga catalytic substrates, ang paglipat sa pamamagitan ng mga basa na proseso ng kemikal (na kung saan ang polymethyl methacrylate (PMMA) ay ang pinaka -karaniwang ginagamit na layer ng suporta) ay nananatiling unang pagpipilian13,30,34,38,40,41,42. Ikaw et al. Nabanggit na walang polimer na ginamit para sa paglipat ng NGF (laki ng sample na humigit -kumulang na 4 cm2) 25,43, ngunit walang mga detalye na ibinigay patungkol sa sample na katatagan at/o paghawak sa panahon ng paglipat; Ang mga proseso ng basa na kimika gamit ang mga polimer ay binubuo ng maraming mga hakbang, kabilang ang application at kasunod na pag -alis ng isang sakripisyo na polymer layer30,38,40,41,42. Ang prosesong ito ay may mga kawalan: halimbawa, ang mga residue ng polimer ay maaaring baguhin ang mga katangian ng lumaki na pelikula38. Ang karagdagang pagproseso ay maaaring mag -alis ng natitirang polimer, ngunit ang mga karagdagang hakbang na ito ay nagdaragdag ng gastos at oras ng paggawa ng pelikula38,40. Sa panahon ng paglago ng CVD, ang isang layer ng graphene ay idineposito hindi lamang sa harap na bahagi ng foil ng katalista (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 pelikulang ito ay maaaring makatulong na ma -maximize ang ani, kahit na ito ay mas mababa sa kalidad kaysa sa fail ng face ng face.
Dito, naiulat namin ang paghahanda ng wafer-scale bifacial na paglaki ng NGF na may mataas na kalidad ng istruktura sa polycrystalline nickel foil ng CVD. Nasuri kung paano ang pagkamagaspang ng harap at likod na ibabaw ng foil ay nakakaapekto sa morpolohiya at istraktura ng NGF. Nagpapakita din kami ng epektibong gastos at friendly na friendly na polymer-free transfer ng NGF mula sa magkabilang panig ng nikel foil papunta sa mga multifunctional substrates at ipinapakita kung paano angkop ang harap at likod na mga pelikula para sa iba't ibang mga aplikasyon.
Ang mga sumusunod na seksyon ay talakayin ang iba't ibang mga graphite film na kapal na nakasalalay sa bilang ng mga nakasalansan na mga layer ng graphene: (i) solong layer graphene (SLG, 1 layer), (ii) ilang layer graphene (FLG, <10 layer), (iii) multilayer graphene (MLG, 10-30 layer) at (iv) NGF (~ 300 layer). Ang huli ay ang pinaka -karaniwang kapal na ipinahayag bilang isang porsyento ng lugar (humigit -kumulang na 97% na lugar bawat 100 µM2) 30. Iyon ang dahilan kung bakit ang buong pelikula ay tinatawag na NGF.
Ang mga polycrystalline nickel foils na ginamit para sa synthesis ng graphene at grapayt na pelikula ay may iba't ibang mga texture bilang isang resulta ng kanilang paggawa at kasunod na pagproseso. Kamakailan lamang ay naiulat namin ang isang pag -aaral upang ma -optimize ang proseso ng paglago ng NGF30. Ipinakita namin na ang mga proseso ng mga parameter tulad ng oras ng pagsusubo at presyon ng silid sa panahon ng yugto ng paglago ay naglalaro ng isang kritikal na papel sa pagkuha ng mga NGF ng pantay na kapal. Dito, sinisiyasat pa namin ang paglaki ng NGF sa makintab na harap (FS) at hindi natapos sa likod (BS) na ibabaw ng nickel foil (Fig. 1A). Tatlong uri ng mga sample ang FS at BS ay sinuri, na nakalista sa Talahanayan 1. Sa visual inspeksyon, ang pantay na paglaki ng NGF sa magkabilang panig ng nikel foil (Niag) ay makikita sa pamamagitan ng pagbabago ng kulay ng bulk Ni substrate mula sa isang katangian na metal na pilak na kulay -abo hanggang sa isang kulay -abo na kulay (Fig. 1A); Ang mga pagsukat ng mikroskopiko ay nakumpirma (Fig. 1B, C). Ang isang tipikal na spectrum ng Raman ng FS-NGF na sinusunod sa maliwanag na rehiyon at ipinahiwatig ng pula, asul at orange na mga arrow sa Figure 1B ay ipinapakita sa Figure 1C. Ang katangian na Raman peak ng grapayt G (1683 cm - 1) at 2d (2696 cm - 1) ay nagpapatunay sa paglaki ng lubos na mala -kristal na NGF (Fig. 1C, Table SI1). Sa buong pelikula, ang isang namamayani ng Raman spectra na may intensity ratio (I2D/IG) ~ 0.3 ay sinusunod, habang ang Raman spectra na may I2D/IG = 0.8 ay bihirang sinusunod. Ang kawalan ng mga may sira na mga taluktok (d = 1350 cm-1) sa buong pelikula ay nagpapahiwatig ng mataas na kalidad ng paglago ng NGF. Ang mga katulad na resulta ng Raman ay nakuha sa sample ng BS-NGF (Larawan SI1 A at B, Table SI1).
Paghahambing ng Niag FS- at BS-NGF: (a) Larawan ng isang tipikal na NGF (Niag) na sample na nagpapakita ng paglago ng NGF sa wafer scale (55 cm2) at ang nagreresultang mga bs-at fs-Ni foil na mga sample, (b) fs-ngf mga imahe/ ni nakuha ng isang optical mikroskopyo, (c) karaniwang mga imahe ng Raman spectra na naitala sa magkakaibang posisyon sa panel b Ang mga magnitude sa FS -NGF/NI, (E, G) SEM na mga imahe sa iba't ibang mga magnitude ay nagtatakda ng BS -ngf/Ni. Ang asul na arrow ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng FLG, ang orange arrow ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng MLG (malapit sa rehiyon ng FLG), ang pulang arrow ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng NGF, at ang arrow ng Magenta ay nagpapahiwatig ng fold.
Dahil ang paglago ay nakasalalay sa kapal ng paunang substrate, laki ng kristal, orientation, at mga hangganan ng butil, na nakamit ang makatuwirang kontrol ng kapal ng NGF sa mga malalaking lugar ay nananatiling isang hamon20,34,44. Ang pag -aaral na ito ay ginamit na nilalaman na dati naming nai -publish30. Ang prosesong ito ay gumagawa ng isang maliwanag na rehiyon na 0.1 hanggang 3% bawat 100 µm230. Sa mga sumusunod na seksyon, ipinakikita namin ang mga resulta para sa parehong uri ng mga rehiyon. Ang mga mataas na imahe ng SEM ay nagpapakita ng pagkakaroon ng maraming maliwanag na mga lugar ng kaibahan sa magkabilang panig (Fig. 1F, G), na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga rehiyon ng FLG at MLG30,45. Ito ay nakumpirma din ng Raman Scattering (Fig. 1C) at mga resulta ng TEM (tinalakay mamaya sa seksyon na "FS-NGF: istraktura at mga katangian"). Ang mga rehiyon ng FLG at MLG na sinusunod sa mga sample ng FS- at BS-NGF/NI (harap at likod NGF na lumago sa NI) ay maaaring lumaki sa malalaking butil ng NI (111) na nabuo sa panahon ng pre-analying22,30,45. Ang natitiklop ay sinusunod sa magkabilang panig (Fig. 1B, minarkahan ng mga lilang arrow). Ang mga folds na ito ay madalas na matatagpuan sa mga graphene na may graphene at grapiko dahil sa malaking pagkakaiba sa koepisyent ng thermal expansion sa pagitan ng grapayt at nikel substrate30,38.
Kinumpirma ng imahe ng AFM na ang sample ng FS-NGF ay flatter kaysa sa sample ng BS-NGF (Larawan SI1) (Larawan SI2). Ang ugat ay nangangahulugang parisukat (RMS) na mga halaga ng pagkamagaspang ng FS-NGF/Ni (Fig. SI2C) at BS-NGF/Ni (Fig. SI2D) ay 82 at 200 nm, ayon sa pagkakabanggit (sinusukat sa isang lugar na 20 × 20 μM2). Ang mas mataas na pagkamagaspang ay maaaring maunawaan batay sa pagsusuri sa ibabaw ng nikel (NIAR) foil sa estado na natanggap na estado (Larawan SI3). Ang mga imahe ng SEM ng FS at BS-NIAR ay ipinapakita sa mga figure na Si3A-D, na nagpapakita ng iba't ibang mga morphologies sa ibabaw: ang pinakintab na fs-Ni foil ay may nano- at micron-sized na spherical particle, habang ang hindi natanggal na BS-Ni foil ay nagpapakita ng isang hagdan ng produksiyon. bilang mga particle na may mataas na lakas. at pagtanggi. Ang mga mababang at mataas na resolusyon ng mga imahe ng pinagsama -samang nickel foil (NIA) ay ipinapakita sa Figure SI3E -H. Sa mga figure na ito, maaari nating obserbahan ang pagkakaroon ng maraming mga micron-sized na mga particle ng nikel sa magkabilang panig ng nickel foil (Fig. Si3e-H). Ang mga malalaking butil ay maaaring magkaroon ng isang Orientasyon sa ibabaw ng Ni (111), tulad ng naunang naiulat na 30,46. Mayroong makabuluhang pagkakaiba sa morphology ng nickel foil sa pagitan ng FS-NIA at BS-NIA. Ang mas mataas na pagkamagaspang ng BS-NGF/Ni ay dahil sa hindi natapos na ibabaw ng BS-Niar, ang ibabaw ng kung saan ay nananatiling makabuluhang magaspang kahit na pagkatapos ng pagsusubo (Larawan SI3). Ang ganitong uri ng pagkilala sa ibabaw bago ang proseso ng paglago ay nagbibigay -daan sa pagkamagaspang ng mga graphene at grapayt na pelikula na kontrolado. Dapat pansinin na ang orihinal na substrate ay sumailalim sa ilang pag -aayos ng butil sa panahon ng paglaki ng graphene, na bahagyang nabawasan ang laki ng butil at medyo nadagdagan ang pagkamagaspang sa ibabaw ng substrate kumpara sa pinagsama -samang foil at catalyst film22.
Fine-tuning ang pagkamagaspang sa ibabaw ng substrate, oras ng pagsusubo (laki ng butil) 30,47 at ilabas ang control43 ay makakatulong na mabawasan ang regional NGF kapal ng pagkakapareho sa µM2 at/o kahit na scale ng NM2 (ibig sabihin, mga pagkakaiba-iba ng kapal ng ilang mga nanometer). Upang makontrol ang pagkamagaspang sa ibabaw ng substrate, ang mga pamamaraan tulad ng electrolytic polishing ng nagresultang nickel foil ay maaaring isaalang -alang48. Ang pretreated nickel foil ay maaaring mai -anneal sa isang 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).
Ang SLG at FLG graphene ay hindi makatiis sa pag -igting sa ibabaw ng mga acid at tubig, na nangangailangan ng mga layer ng suporta sa mekanikal sa panahon ng mga proseso ng paglilipat ng kemikal na22,34,38. Kabaligtaran sa basa na paglilipat ng kemikal ng suportang suportado ng polymer na single-layer na graphene38, nalaman namin na ang magkabilang panig ng AS-grown NGF ay maaaring ilipat nang walang suporta sa polimer, tulad ng ipinapakita sa Larawan 2A (tingnan ang Larawan SI4A para sa higit pang mga detalye). Ang paglipat ng NGF sa isang naibigay na substrate ay nagsisimula sa wet etching ng pinagbabatayan na NI30.49 film. Ang lumaki na mga sample ng NGF/NI/NGF ay inilagay nang magdamag sa 15 mL ng 70% HNO3 na natunaw na may 600 ML ng deionized (DI) na tubig. Matapos ang Ni foil ay ganap na natunaw, ang FS-NGF ay nananatiling patag at lumulutang sa ibabaw ng likido, tulad ng sample ng NGF/Ni/NGF, habang ang BS-NGF ay nalubog sa tubig (Fig. 2A, B). Ang nakahiwalay na NGF ay pagkatapos ay inilipat mula sa isang beaker na naglalaman ng sariwang deionized na tubig sa isa pang beaker at ang nakahiwalay na NGF ay hugasan nang lubusan, na ulitin ang apat hanggang anim na beses sa pamamagitan ng ulam na baso ng baso. Sa wakas, ang FS-NGF at BS-NGF ay inilagay sa nais na substrate (Fig. 2C).
Proseso ng polymer-free wet chemical transfer para sa NGF lumago sa nickel foil: (a) proseso ng daloy ng diagram (tingnan ang figure si4 para sa higit pang mga detalye), (b) digital na larawan ng hiwalay na NGF pagkatapos ng Ni etching (2 sample), (c) halimbawa fs-at paglilipat ng BS-NGF sa SIO2/SI substrate, (d) FS-NGF Transfer sa Opaque Polymer Substrate, (E) Bilang panel D (nahahati sa dalawang bahagi), inilipat sa gintong plated C paper at nafion (nababaluktot na transparent na substrate, ang mga gilid na minarkahan ng mga pulang sulok).
Tandaan na ang paglipat ng SLG na isinagawa gamit ang mga pamamaraan ng paglilipat ng basa na kemikal ay nangangailangan ng isang kabuuang oras ng pagproseso ng 20-24 na oras 38. Gamit ang diskarte sa paglilipat ng polymer-free na ipinakita dito (Larawan SI4A), ang pangkalahatang oras ng pagproseso ng paglipat ng NGF ay makabuluhang nabawasan (humigit-kumulang na 15 oras). Ang proseso ay binubuo ng: (Hakbang 1) Maghanda ng isang solusyon sa etching at ilagay ang sample sa loob nito (~ 10 minuto), pagkatapos ay maghintay nang magdamag para sa Ni etching (~ 7200 minuto), (hakbang 2) banlawan ng deionized water (hakbang - 3). Mag -imbak sa deionized na tubig o paglipat sa target na substrate (20 min). Ang tubig na nakulong sa pagitan ng NGF at ang bulk matrix ay tinanggal sa pamamagitan ng pagkilos ng capillary (gamit ang blotting paper) 38, kung gayon ang natitirang mga patak ng tubig ay tinanggal sa pamamagitan ng natural na pagpapatayo (humigit -kumulang na 30 min), at sa wakas ang sample ay natuyo ng 10 min. min sa isang vacuum oven (10-1 mbar) sa 50-90 ° C (60 min) 38.
Ang grapayt ay kilala upang mapaglabanan ang pagkakaroon 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 ng imbakan sa deionized na tubig sa temperatura ng silid at sa mga selyadong bote para sa kahit saan mula sa ilang araw hanggang isang taon (Larawan SI4). Walang kapansin -pansin na pagkasira. Ang Figure 2c ay nagpapakita ng libreng 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. Bilang karagdagan, tulad ng ipinapakita sa Figure 2D, E, ang tuluy-tuloy na NGF ay maaaring ilipat sa iba't ibang mga substrate tulad ng mga polymers (thermabright polyamide mula sa Nexolve at Nafion) at papel na may pinahiran na papel na carbon. Ang lumulutang na FS-NGF ay madaling inilagay sa target na substrate (Fig. 2C, D). Gayunpaman, ang mga sample ng BS-NGF na mas malaki kaysa sa 3 cm2 ay mahirap hawakan kapag ganap na nalubog sa tubig. Karaniwan, kapag nagsisimula silang gumulong sa tubig, dahil sa walang pag -iingat na paghawak kung minsan ay sumisira sila sa dalawa o tatlong bahagi (Larawan 2E). Sa pangkalahatan, nakamit namin ang paglipat ng polymer-free ng PS- at BS-NGF (patuloy na walang tahi na paglipat nang walang paglago ng NGF/Ni/NGF sa 6 cm2) para sa mga sample hanggang sa 6 at 3 cm2 sa lugar, ayon sa pagkakabanggit. Ang anumang natitirang malaki o maliit na piraso ay maaaring (madaling makita sa etching solution o deionized water) sa nais na substrate (~ 1 mm2, figure si4b, tingnan ang halimbawang inilipat sa tanso na grid tulad ng sa "FS-NGF: istraktura at mga katangian (tinalakay) sa ilalim ng" istraktura at pag-aari ") o mag-imbak para sa hinaharap na paggamit (Larawan SI4). 98-99% (pagkatapos ng paglago para sa paglipat).
Ang mga sample ng paglipat nang walang polimer ay nasuri nang detalyado. Ang mga katangian ng morphological na 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 halimbawang ito ay inilipat nang walang mikroskopya. Nakikita ang pinsala sa istruktura tulad ng mga bitak, butas, o hindi nakontrol na mga lugar. Ang mga fold sa lumalagong NGF (Fig. 3B, D, na minarkahan ng mga lilang arrow) ay nanatiling buo pagkatapos ng paglipat. Parehong FS- at BS-NGF ay binubuo ng mga rehiyon ng FLG (maliwanag na mga rehiyon na ipinahiwatig ng mga asul na arrow sa Larawan 3). Nakakagulat, sa kaibahan sa ilang mga nasirang rehiyon na karaniwang sinusunod sa panahon ng paglipat ng polymer ng mga ultrathin grapayt na pelikula, maraming mga micron-sized na FLG at MLG na mga rehiyon na kumokonekta sa NGF (minarkahan ng mga asul na arrow sa Figure 3D) ay inilipat nang walang mga bitak o break (Larawan 3D). 3). . Ang integridad ng mekanikal ay karagdagang nakumpirma gamit ang mga imahe ng TEM at SEM ng NGF na inilipat sa mga grids ng tanso na karbon, tulad ng tinalakay mamaya ("FS-NGF: istraktura at mga pag-aari"). Ang inilipat na BS-NGF/SIO2/SI ay mas rougher kaysa sa FS-NGF/SIO2/Si na may mga halaga ng RMS na 140 nm at 17 nm, ayon sa pagkakabanggit, tulad ng ipinapakita sa Figure SI6A at B (20 × 20 μM2). Ang halaga ng RMS ng NGF na inilipat sa SIO2/Si substrate (RMS <2 nm) ay makabuluhang mas mababa (mga 3 beses) kaysa sa NGF na lumago sa Ni (Larawan SI2), na nagpapahiwatig na ang karagdagang pagkamagaspang ay maaaring tumutugma sa ibabaw ng NI. Bilang karagdagan, ang mga imahe ng AFM na isinagawa sa mga gilid ng mga sample ng FS- at BS-NGF/SIO2/SI ay nagpakita ng mga kapal ng NGF na 100 at 80 nm, ayon sa pagkakabanggit (Fig. SI7). Ang mas maliit na kapal ng BS-NGF ay maaaring isang resulta ng ibabaw na hindi direktang nakalantad sa precursor gas.
Inilipat ang NGF (NIAG) nang walang polimer sa SIO2/Si Wafer (tingnan ang Larawan 2C): (a, b) SEM mga imahe ng inilipat na FS-NGF: Mababa at mataas na pagpapalaki (naaayon sa orange square sa panel). Karaniwang mga lugar) - a). . (E, f) Mga imahe ng AFM ng inilipat na FS- at BS-NGFS. Ang asul na arrow ay kumakatawan sa rehiyon ng FLG - maliwanag na kaibahan, cyan arrow - black mlg kaibahan, pulang arrow - itim na kaibahan ay kumakatawan sa rehiyon ng NGF, ang Magenta Arrow ay kumakatawan sa fold.
Ang kemikal na komposisyon ng lumago at inilipat ang FS- at BS-NGFS ay nasuri ng X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 4). Ang isang mahina na rurok ay sinusunod sa sinusukat na spectra (Fig. 4A, B), na naaayon sa NI substrate (850 eV) ng lumago na FS- at BS-NGFS (NIAG). Walang mga taluktok sa sinusukat na spectra ng inilipat na FS- at BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 4C; magkatulad na mga resulta para sa BS-NGF/SiO2/Si ay hindi ipinakita), na nagpapahiwatig na walang natitirang kontaminasyon ng Ni pagkatapos ng paglipat. Ang mga figure 4D-F ay nagpapakita ng high-resolution na spectra ng C 1 S, O 1 S at SI 2P na antas ng enerhiya ng FS-NGF/SIO2/Si. Ang nagbubuklod na enerhiya ng C 1 s ng grapayt ay 284.4 EV53.54. Ang linear na hugis ng graphite peaks ay karaniwang itinuturing na asymmetrical, tulad ng ipinapakita sa Figure 4D54. Ang high-resolution core-level C 1 S spectrum (Fig. 4D) ay nakumpirma din ang purong paglipat (ibig sabihin, walang mga residue ng polimer), na naaayon sa mga nakaraang pag-aaral38. Ang mga linewidth ng C 1 S spectra ng sariwang lumago na sample (NIAG) at pagkatapos ng paglipat ay 0.55 at 0.62 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga halagang ito ay mas mataas kaysa sa mga SLG (0.49 eV para sa SLG sa isang SIO2 substrate) 38. Gayunpaman, ang mga halagang ito ay mas maliit kaysa sa naunang naiulat na mga linewidth para sa mataas na oriented na pyrolytic graphene sample (~ 0.75 eV) 53,54,55, na nagpapahiwatig ng kawalan ng mga may sira na mga site ng carbon sa kasalukuyang materyal. Ang c 1 s at o 1 s ground level spectra ay kulang din sa mga balikat, tinanggal ang pangangailangan para sa high-resolution peak deconvolution54. Mayroong isang π → π* satellite peak sa paligid ng 291.1 eV, na madalas na sinusunod sa mga sample ng grapayt. Ang 103 eV at 532.5 EV signal sa Si 2p at O 1 s core level spectra (tingnan ang Fig. 4e, F) ay maiugnay sa SIO2 56 substrate, ayon sa pagkakabanggit. Ang XPS ay isang pamamaraan na sensitibo sa ibabaw, kaya ang mga senyas na naaayon sa NI at SIO2 ay napansin bago at pagkatapos ng paglipat ng NGF, ayon sa pagkakabanggit, ay ipinapalagay na nagmula sa rehiyon ng FLG. Ang mga magkatulad na resulta ay sinusunod para sa inilipat na mga sample ng BS-NGF (hindi ipinakita).
Mga Resulta ng Niag XPS: (AC) Survey spectra ng iba't ibang mga elemental na komposisyon ng atomic ng lumaki na FS-NGF/NI, BS-NGF/NI at inilipat ang FS-NGF/SIO2/Si, ayon sa pagkakabanggit. .
Ang pangkalahatang kalidad ng inilipat na mga kristal ng NGF ay nasuri gamit ang X-ray diffraction (XRD). Karaniwang mga pattern ng XRD (Fig. SI8) ng inilipat na FS- at BS-NGF/SIO2/Si ay nagpapakita ng pagkakaroon ng mga pagkakaiba-iba ng mga peak (0 0 0 2) at (0 0 0 4) sa 26.6 ° at 54.7 °, katulad ng grapiko. . Kinukumpirma nito ang mataas na kalidad ng mala -kristal ng NGF at tumutugma sa isang interlayer na distansya ng D = 0.335 nm, na pinananatili pagkatapos ng hakbang sa paglipat. Ang intensity ng pagkakaiba -iba ng rurok (0 0 0 2) ay humigit -kumulang na 30 beses na ang pagkakaiba -iba ng rurok (0 0 0 4), na nagpapahiwatig na ang eroplano ng kristal ng NGF ay maayos na nakahanay sa sample na ibabaw.
Ayon sa mga resulta ng SEM, Raman spectroscopy, XPS at XRD, ang kalidad ng BS-NGF/Ni ay natagpuan na katulad ng sa FS-NGF/Ni, bagaman ang pagkamagaspang ng RMS nito ay bahagyang mas mataas (Mga figure si2, SI5) at SI7).
Ang mga SLG na may mga layer ng suporta sa polimer hanggang sa 200 nm makapal ay maaaring lumutang sa tubig. Ang pag-setup na ito ay karaniwang ginagamit sa mga proseso ng paglilipat ng wet na tinulungan ng polymer222,38. Ang graphene at grapayt ay hydrophobic (basa na anggulo 80-90 °) 57. Ang mga potensyal na ibabaw ng enerhiya ng parehong graphene at FLG ay naiulat na medyo patag, na may mababang potensyal na enerhiya (~ 1 kJ/mol) para sa pag -ilid ng paggalaw ng tubig sa ibabaw58. Gayunpaman, ang kinakalkula na energies ng pakikipag -ugnay ng tubig na may graphene at tatlong mga layer ng graphene ay humigit -kumulang - 13 at - 15 kJ/mol, 58 ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig na ang pakikipag -ugnay ng tubig na may NGF (mga 300 layer) ay mas mababa kumpara sa graphene. Maaaring ito ang isa sa mga kadahilanan kung bakit ang freestanding NGF ay nananatiling flat sa ibabaw ng tubig, habang ang freestanding graphene (na lumulutang sa tubig) ay bumagsak at bumagsak. Kapag ang NGF ay ganap na nalubog sa tubig (ang mga resulta ay pareho para sa magaspang at flat NGF), ang mga gilid nito ay yumuko (Larawan SI4). Sa kaso ng kumpletong paglulubog, inaasahan na ang enerhiya ng pakikipag-ugnay sa tubig ng NGF ay halos doble (kumpara sa lumulutang na NGF) at na ang mga gilid ng fold ng NGF upang mapanatili ang isang mataas na anggulo ng contact (hydrophobicity). Naniniwala kami na ang mga diskarte ay maaaring mabuo upang maiwasan ang pag -curling ng mga gilid ng naka -embed na NGF. Ang isang diskarte ay ang paggamit ng halo -halong mga solvent upang mabago ang reaksyon ng basa ng grapayt na film59.
Ang paglipat ng SLG sa iba't ibang uri ng mga substrate sa pamamagitan ng mga proseso ng paglilipat ng basa na kemikal ay naiulat na dati. Karaniwang tinatanggap na ang mga mahina na puwersa ng van der Waals ay umiiral sa pagitan ng mga graphene/grapayt na pelikula at mga substrate (maging mahigpit na mga substrate tulad ng SiO2/Si38,41,46,60, SIC38, AU42, SI Pillars22 at Lacy Carbon Films30, 34 o nababaluktot na mga substrate tulad ng poliyimide 37). Dito ipinapalagay namin na ang mga pakikipag -ugnay ng parehong uri ay namamayani. Hindi namin napansin ang anumang pinsala o pagbabalat ng NGF para sa alinman sa mga substrate na ipinakita dito sa panahon ng paghawak ng mekanikal (sa panahon ng pagkilala sa ilalim ng vacuum at/o mga kondisyon sa atmospera o sa panahon ng pag -iimbak) (halimbawa, Larawan 2, SI7 at SI9). Bilang karagdagan, hindi namin napansin ang isang sic peak sa XPS C 1 s spectrum ng core level ng NGF/SiO2/Si sample (Fig. 4). Ang mga resulta na ito ay nagpapahiwatig na walang bono ng kemikal sa pagitan ng NGF at ang target na substrate.
Sa nakaraang seksyon, "Ang paglilipat ng polymer-free ng FS- at BS-NGF," ipinakita namin na ang NGF ay maaaring lumago at ilipat sa magkabilang panig ng nikel foil. Ang mga FS-NGF at BS-NGF ay hindi magkapareho sa mga tuntunin ng pagkamagaspang sa ibabaw, na nag-udyok sa amin na galugarin ang pinaka-angkop na aplikasyon para sa bawat uri.
Isinasaalang-alang ang transparency at mas maayos na ibabaw ng FS-NGF, pinag-aralan namin ang lokal na istraktura, optical at electrical properties nang mas detalyado. Ang istraktura at istraktura ng FS-NGF na walang paglipat ng polimer ay nailalarawan sa pamamagitan ng paghahatid ng elektron mikroskopya (TEM) na imaging at napiling lugar ng electron diffraction (SAED) pattern analysis. Ang kaukulang mga resulta ay ipinapakita sa Figure 5. Ang mababang pagpapalaki ng planar tem imaging ay nagsiwalat ng pagkakaroon ng mga rehiyon ng NGF at FLG na may iba't ibang mga katangian ng kaibahan ng elektron, ibig sabihin, mas madidilim at mas maliwanag na mga lugar, ayon sa pagkakabanggit (Fig. 5A). Ang pangkalahatang pelikula ay nagpapakita ng mahusay na integridad ng mekanikal at katatagan sa pagitan ng iba't ibang mga rehiyon ng NGF at FLG, na may mahusay na overlap at walang pinsala o luha, na nakumpirma din ng SEM (Larawan 3) at mataas na pag-aaral ng magnification TEM (Larawan 5C-E). Sa partikular, sa Fig. Ang Figure 5D ay nagpapakita ng istraktura ng tulay sa pinakamalaking bahagi nito (ang posisyon na minarkahan ng itim na may tuldok na arrow sa Figure 5D), na kung saan ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tatsulok na hugis at binubuo ng isang layer ng graphene na may lapad na halos 51. Ang komposisyon na may isang interplanar spacing na 0.33 ± 0.01 nm ay karagdagang nabawasan sa ilang mga layer ng graphene sa makitid na rehiyon (dulo ng solidong itim na arrow sa Figure 5 d).
Ang imahe ng planar TEM ng isang sample na walang polymer na NIAG sa isang grid ng tanso na tanso ng carbon: (a, b) mababang mga imahe ng magnification TEM kabilang ang mga rehiyon ng NGF at FLG, (CE) mataas na mga imahe ng magnification ng iba't ibang mga rehiyon sa panel-a at panel-b ay minarkahang mga arrow ng parehong kulay. Ang mga berdeng arrow sa mga panel A at C ay nagpapahiwatig ng mga pabilog na lugar ng pinsala sa panahon ng pag -align ng beam. (F - I) sa mga panel A hanggang C, ang mga pattern sa iba't ibang mga rehiyon ay ipinahiwatig ng asul, cyan, orange, at pulang bilog, ayon sa pagkakabanggit.
Ang istraktura ng laso sa Figure 5C ay nagpapakita (minarkahan ng pulang arrow) ang vertical orientation ng mga eroplano na lattice ng grapiko, na maaaring sanhi ng pagbuo ng mga nanofolds kasama ang pelikula (inset sa Figure 5C) dahil sa labis na uncompensated shear stress30,61,62. Sa ilalim ng high-resolution TEM, ang mga nanofolds na 30 ay nagpapakita ng ibang crystallographic orientation kaysa sa natitirang rehiyon ng NGF; Ang mga basal na eroplano ng graphite lattice ay nakatuon halos patayo, sa halip na pahalang tulad ng natitirang bahagi ng pelikula (inset sa Figure 5C). Katulad nito, ang rehiyon ng FLG paminsan-minsan ay nagpapakita ng mga linear at makitid na mga band na tulad ng mga band (minarkahan ng mga asul na arrow), na lumilitaw sa mababa at katamtamang pagpapalaki sa Mga figure 5B, 5E, ayon sa pagkakabanggit. Ang inset sa Figure 5E ay nagpapatunay sa pagkakaroon ng dalawa at tatlong layer na graphene layer sa sektor ng FLG (distansya ng interplanar 0.33 ± 0.01 nm), na nasa mabuting kasunduan sa aming nakaraang mga resulta30. Bilang karagdagan, ang naitala na mga imahe ng SEM ng polymer-free NGF na inilipat sa mga grids ng tanso na may mga lacy carbon films (pagkatapos ng pagsasagawa ng mga top-view na pagsukat ng TEM) ay ipinapakita sa Figure SI9. Ang mahusay na nasuspinde 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 sinasadyang ipinakita upang ipakita na ang rehiyon ng FLG ay maaaring pigilan ang proseso ng paglipat nang walang polimer. Sa buod, kinumpirma ng mga larawang ito na bahagyang nasuspinde ang 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 sukat ng TEM at SEM (Larawan SI9).
Dahil sa mahusay na flatness ng NGF (tingnan ang Larawan 5A), hindi mahirap i -orient ang mga natuklap kasama ang [0001] domain axis upang pag -aralan ang istruktura ng SAED. Depende sa lokal na kapal ng pelikula at lokasyon nito, maraming mga rehiyon ng interes (12 puntos) ang nakilala para sa mga pag -aaral ng pagkakaiba -iba ng elektron. Sa Mga figure 5A -C, apat sa mga karaniwang rehiyon na ito ay ipinapakita at minarkahan ng mga kulay na bilog (asul, cyan, orange, at pulang naka -code). Mga figure 2 at 3 para sa SAED mode. Ang mga figure 5f at g ay nakuha mula sa rehiyon ng FLG na ipinapakita sa Mga figure 5 at 5. Tulad ng ipinapakita sa Mga figure 5B at C, ayon sa pagkakabanggit. Mayroon silang isang hexagonal na istraktura na katulad ng baluktot na graphene63. Sa partikular, ang Figure 5f ay nagpapakita ng tatlong mga superimposed na pattern na may parehong orientation ng [0001] zone axis, na pinaikot ng 10 ° at 20 °, tulad ng ebidensya ng angular mismatch ng tatlong pares ng (10-10) na pagmuni-muni. Katulad nito, ang Figure 5G ay nagpapakita ng dalawang superimposed hexagonal pattern na pinaikot ng 20 °. Dalawa o tatlong pangkat ng mga pattern ng hexagonal sa rehiyon ng FLG ay maaaring lumitaw mula sa tatlong in-eroplano o out-of-plane graphene layer 33 na pinaikot na kamag-anak sa bawat isa. Sa kaibahan, ang mga pattern ng pagkakaiba -iba ng elektron sa Figure 5h, I (naaayon sa rehiyon ng NGF na ipinapakita sa Figure 5A) ay nagpapakita ng isang solong [0001] na pattern na may isang pangkalahatang mas mataas na point diffraction intensity, na naaayon sa higit na kapal ng materyal. Ang mga modelong SAED na ito ay tumutugma sa isang mas makapal na istraktura ng graphitic at intermediate orientation kaysa sa FLG, tulad ng infer mula sa index 64. Ang pagkilala sa mga katangian ng mala -kristal ng NGF ay nagsiwalat ng pagkakaisa ng dalawa o tatlong superimposed grapayt (o graphene) crystallites. Ano ang partikular na kapansin-pansin sa rehiyon ng FLG ay ang mga crystallite ay may isang tiyak na antas ng in-eroplano o out-of-plane misorientation. Ang mga partikulo ng grapiko/layer na may mga anggulo ng pag-ikot ng eroplano na 17 °, 22 ° at 25 ° ay nauna nang naiulat para sa NGF na lumago sa Ni 64 na pelikula. Ang mga halaga ng anggulo ng pag -ikot na sinusunod sa pag -aaral na ito ay naaayon sa dati nang sinusunod na mga anggulo ng pag -ikot (± 1 °) para sa baluktot na graphene ng Blg63.
Ang mga de -koryenteng katangian ng NGF/SiO2/Si ay sinusukat sa 300 K sa isang lugar na 10 × 3 mm2. Ang mga halaga ng konsentrasyon ng carrier ng elektron, kadaliang kumilos at kondaktibiti ay 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 v-1 c-1 at 2000 S-CM-1, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga halaga ng kadaliang mapakilos at kondaktibiti ng aming NGF ay katulad ng natural na Graphite2 at mas mataas kaysa sa magagamit na komersyal na mataas na oriented na pyrolytic grapayt (na ginawa sa 3000 ° C) 29. Ang mga napansin na mga halaga ng konsentrasyon ng carrier ng elektron ay dalawang mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa mga kamakailan-lamang na naiulat (7.25 × 10 cm-3) para sa mga micron-makapal na mga grapayt na pelikula na inihanda gamit ang high-temperatura (3200 ° C) polyimide sheet 20.
Nagsagawa rin kami ng mga pagsukat ng transmittance ng UV na inilipat sa FS-NGF na inilipat sa mga substrate ng quartz (Larawan 6). Ang nagreresultang spectrum ay nagpapakita ng halos pare -pareho ang pagpapadala ng 62% sa saklaw na 350-800 nm, na nagpapahiwatig na ang NGF ay isinalin sa nakikitang ilaw. Sa katunayan, ang pangalang "Kaust" ay makikita sa digital na litrato ng sample sa Figure 6B. Bagaman ang nanocrystalline na istraktura ng NGF ay naiiba mula sa SLG, ang bilang ng mga layer ay maaaring tinantya na tinantya gamit ang panuntunan ng 2.3% pagkawala ng paghahatid bawat karagdagang layer65. Ayon sa relasyon na ito, ang bilang ng mga graphene layer na may 38% na pagkawala ng paghahatid ay 21. Ang lumaki NGF higit sa lahat ay binubuo ng 300 graphene layer, ibig sabihin tungkol sa 100 nm makapal (Fig. 1, SI5 at SI7). Samakatuwid, ipinapalagay namin na ang napansin na optical transparency ay tumutugma sa mga rehiyon ng FLG at MLG, dahil ipinamamahagi ito sa buong pelikula (Figs. 1, 3, 5 at 6C). Bilang karagdagan sa nasa itaas na istruktura ng data, ang conductivity at transparency ay nagpapatunay din sa mataas na kalidad ng mala -kristal ng inilipat na NGF.
. . Ang mga random na hugis at ang kanilang mga sukat sa diagram ay para sa mga layunin na naglalarawan lamang at hindi tumutugma sa mga aktwal na lugar.
Ang translucent NGF na lumago ng CVD ay dati nang inilipat sa hubad na mga ibabaw ng silikon at ginamit sa mga solar cells15,16. Ang nagresultang kahusayan ng conversion ng kapangyarihan (PCE) ay 1.5%. Ang mga NGF na ito ay nagsasagawa ng maraming mga pag -andar tulad ng mga aktibong layer ng tambalan, singil ng mga landas sa transportasyon, at mga transparent na electrodes15,16. Gayunpaman, ang grapayt film ay hindi pantay. Ang karagdagang pag -optimize ay kinakailangan sa pamamagitan ng maingat na pagkontrol sa paglaban ng sheet at optical transmittance ng grapayt na elektrod, dahil ang dalawang mga pag -aari na ito ay may mahalagang papel sa pagtukoy ng halaga ng PCE ng solar cell15,16. Karaniwan, ang mga graphene films ay 97.7% na transparent sa nakikitang ilaw, ngunit mayroong isang pagtutol ng sheet na 200-3000 ohms/sq.16. Ang paglaban sa ibabaw ng mga graphene films ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga layer (maramihang paglipat ng mga layer ng graphene) at doping na may HNO3 (~ 30 ohm/sq.) 66. Gayunpaman, ang prosesong ito ay tumatagal ng mahabang panahon at ang iba't ibang mga layer ng paglilipat ay hindi palaging nagpapanatili ng mahusay na pakikipag -ugnay. Ang aming front side NGF ay may mga katangian tulad ng conductivity 2000 s/cm, paglaban sa sheet ng pelikula 50 ohm/sq. at 62% transparency, ginagawa itong isang mabubuhay na alternatibo para sa mga conductive channel o counter electrodes sa solar cells15,16.
Bagaman ang istraktura at kimika ng ibabaw ng BS-NGF ay katulad ng FS-NGF, ang pagkamagaspang nito ay naiiba ("Ang paglaki ng FS- at BS-NGF"). Noong nakaraan, ginamit namin ang ultra-manipis na film grapayt22 bilang isang sensor ng gas. Samakatuwid, sinubukan namin ang pagiging posible ng paggamit ng BS-NGF para sa mga gawain sa sensing ng gas (Larawan SI10). Una, ang mga sukat na laki ng MM2 ng BS-NGF ay inilipat sa interdigitating electrode sensor chip (Larawan SI10A-C). Ang mga detalye ng pagmamanupaktura ng chip ay naiulat na dati; Ang aktibong sensitibong lugar nito ay 9 mm267. Sa mga imahe ng SEM (Larawan SI10B at C), ang pinagbabatayan na elektrod ng ginto ay malinaw na nakikita sa pamamagitan ng NGF. Muli, makikita na ang unipormeng saklaw ng chip ay nakamit para sa lahat ng mga sample. Ang mga sukat ng sensor ng gas ng iba't ibang mga gas ay naitala (Fig. SI10D) (Fig. SI11) at ang mga nagresultang rate ng pagtugon ay ipinapakita sa Figs. Si10g. Malamang sa 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 dahilan ay ang NO2. Electrophilic na likas na katangian ng gas22,68. Kapag na -adsorbed sa ibabaw ng graphene, binabawasan nito ang kasalukuyang pagsipsip ng mga electron ng system. Ang paghahambing ng data ng oras ng pagtugon ng sensor ng BS-NGF na may naunang nai-publish na mga sensor ay ipinakita sa Table SI2. Ang mekanismo para sa muling pag -reaktibo ng mga sensor ng NGF gamit ang UV plasma, O3 plasma o thermal (50-150 ° C) ang paggamot ng mga nakalantad na sample ay patuloy, na may perpektong sinusundan ng pagpapatupad ng mga naka -embed na system69.
Sa panahon ng proseso ng CVD, ang paglaki ng graphene ay nangyayari sa magkabilang panig ng catalyst substrate41. Gayunpaman, ang BS-graphene ay karaniwang na-ejected sa panahon ng paglipat ng proseso41. Sa pag-aaral na ito, ipinapakita namin na ang mataas na kalidad na paglago ng NGF at paglipat ng polymer-free NGF ay maaaring makamit sa magkabilang panig ng suporta sa katalista. Ang BS-NGF ay mas payat (~ 80 nm) kaysa sa FS-NGF (~ 100 nm), at ang pagkakaiba na ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang BS-Ni ay hindi direktang nakalantad sa daloy ng precursor gas. Natagpuan din namin na ang pagkamagaspang ng NIAR substrate ay nakakaimpluwensya sa pagkamagaspang ng NGF. Ang mga resulta na ito ay nagpapahiwatig na ang lumago na planar FS-NGF ay maaaring magamit bilang isang precursor material para sa graphene (sa pamamagitan ng exfoliation method70) o bilang isang conductive channel sa mga solar cells15,16. Sa kaibahan, ang BS-NGF ay gagamitin para sa pagtuklas ng gas (Fig. SI9) at marahil para sa mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya71,72 kung saan ang pagiging magaspang sa ibabaw nito ay magiging kapaki-pakinabang.
Isinasaalang -alang ang nasa itaas, kapaki -pakinabang na pagsamahin ang kasalukuyang gawain sa dati nang nai -publish na mga grapayt na pelikula na lumago ng CVD at gamit ang nickel foil. Tulad ng makikita sa Talahanayan 2, ang mas mataas na mga panggigipit na ginamit namin ay pinaikling ang oras ng reaksyon (yugto ng paglago) kahit na sa medyo mababang temperatura (sa saklaw ng 850-1300 ° C). Nakamit din namin ang higit na paglaki kaysa sa dati, na nagpapahiwatig ng potensyal para sa pagpapalawak. Mayroong iba pang mga kadahilanan na dapat isaalang -alang, ang ilan sa kung saan kasama namin sa talahanayan.
Ang dobleng panig na de-kalidad na NGF ay lumaki sa nickel foil ng catalytic CVD. Sa pamamagitan ng pag-alis ng tradisyonal na mga substrate ng polymer (tulad ng mga ginamit sa graphene ng CVD), nakamit namin ang malinis at walang kakulangan na wet transfer ng NGF (lumago sa likod at harap na mga gilid ng nickel foil) sa iba't ibang mga proseso-kritikal na mga substrate. Kapansin -pansin, ang NGF ay nagsasama ng mga rehiyon ng FLG at MLG (karaniwang 0.1% hanggang 3% bawat 100 µM2) na maayos na isinama sa mas makapal na pelikula. Ipinapakita ng Planar TEM na ang mga rehiyon na ito ay binubuo ng mga stack ng dalawa hanggang tatlong graphite/graphene particle (mga kristal o layer, ayon sa pagkakabanggit), ang ilan sa mga ito ay may isang rotational mismatch ng 10-20 °. Ang mga rehiyon ng FLG at MLG ay may pananagutan para sa transparency ng FS-NGF sa nakikitang ilaw. Tulad ng para sa mga likurang sheet, maaari silang dalhin kahanay sa mga front sheet at, tulad ng ipinakita, ay maaaring magkaroon ng isang functional na layunin (halimbawa, para sa pagtuklas ng gas). Ang mga pag -aaral na ito ay lubhang kapaki -pakinabang para sa pagbabawas ng basura at gastos sa mga proseso ng pang -industriya na CVD.
Sa pangkalahatan, ang average na kapal ng CVD NGF ay namamalagi sa pagitan ng (low- at multi-layer) graphene at pang-industriya (micrometer) graphite sheet. Ang saklaw ng kanilang mga kagiliw-giliw na mga katangian, na sinamahan ng simpleng pamamaraan na binuo namin para sa kanilang produksyon at transportasyon, ay ginagawang angkop ang mga pelikulang ito para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng pagganap na tugon ng grapayt, nang walang gastos ng mga proseso ng paggawa ng enerhiya na kasalukuyang ginagamit.
Ang isang 25-μm-makapal na nickel foil (99.5% kadalisayan, Goodfellow) ay na-install sa isang komersyal na CVD reaktor (Aixtron 4-inch BMPro). Ang system ay nalinis ng argon at lumikas sa isang base pressure ng 10-3 MBAR. Pagkatapos ay inilagay si Nickel Foil. Sa AR/H2 (pagkatapos ng pre-annealing ang Ni foil para sa 5 min, ang foil ay nakalantad sa isang presyon ng 500 mbar sa 900 ° C. NGF ay idineposito sa isang daloy ng CH4/H2 (100 cm3 bawat isa) para sa 5 min. Saanman30.
Ang ibabaw morphology ng sample ay na -visualize ng SEM gamit ang isang Zeiss Merlin mikroskopyo (1 kV, 50 Pa). Ang sample na pagkamagaspang sa ibabaw at kapal ng NGF ay sinusukat gamit ang AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Ang mga pagsukat ng TEM at SAED ay isinasagawa gamit ang isang FEI Titan 80-300 cubed mikroskopyo na nilagyan ng isang mataas na ilaw na patlang ng paglabas ng patlang (300 kV), isang FEI wien type monochromator at isang CEOs lens spherical aberration corrector upang makuha ang pangwakas na mga resulta. spatial resolution 0.09 nm. Ang mga sample ng NGF ay inilipat sa carbon lacy coated tanso grids para sa flat TEM imaging at SAED na pagsusuri ng istraktura. Kaya, ang karamihan sa mga sample flocs ay nasuspinde sa mga pores ng sumusuporta sa lamad. Ang mga inilipat na mga sample ng NGF ay nasuri ng XRD. Ang mga pattern ng pagkakaiba-iba ng X-ray ay nakuha gamit ang isang pulbos na diffractometer (Brucker, D2 phase shifter na may pinagmulan ng Cu Kα, 1.5418 Å at lynxeye detector) gamit ang isang mapagkukunan ng radiation ng CU na may diameter ng beam spot na 3 mm.
Maraming mga sukat ng Raman point ang naitala gamit ang isang pagsasama ng confocal mikroskopyo (Alpha 300 RA, WITEC). Ang isang 532 nm laser na may mababang lakas ng paggulo (25%) ay ginamit upang maiwasan ang mga thermally sapilitan na epekto. Ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ay isinagawa sa isang Kratos axis ultra spectrometer sa isang sample na lugar na 300 × 700 μM2 gamit ang monochromatic AL Kα radiation (hν = 1486.6 eV) sa isang kapangyarihan ng 150 W. resolusyon na spectra ay nakuha sa paghahatid ng mga energies ng 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. tanso wire contact (50 μm makapal) ay gawa -gawa gamit ang pilak na paste sa ilalim ng isang optical mikroskopyo. Ang mga eksperimento sa elektrikal na transportasyon at hall ay isinasagawa sa mga halimbawang ito sa 300 K at isang pagkakaiba-iba ng magnetic field ng ± 9 TESLA sa isang sistema ng pagsukat ng pisikal na katangian (PPMS evercool-II, disenyo ng dami, USA). Naitala ang UV -Vis spectra ay naitala gamit ang isang Lambda 950 UV -Vis spectrophotometer sa saklaw ng 350-800 nm ngf na inilipat sa mga quartz substrate at mga sample ng sanggunian ng kuwarts.
Ang sensor ng paglaban sa kemikal (interdigitated electrode chip) ay naka -wire sa isang pasadyang nakalimbag na circuit board 73 at ang paglaban ay nakuha nang lumilipas. Ang nakalimbag na circuit board kung saan matatagpuan ang aparato ay konektado sa mga terminal ng contact at inilagay sa loob ng silid ng sensing ng gas 74. Ang mga pagsukat ng paglaban ay kinuha sa isang boltahe ng 1 V na may tuluy -tuloy na pag -scan mula sa paglilinis hanggang sa pagkakalantad ng gas at pagkatapos ay linisin muli. Ang silid ay una nang nalinis sa pamamagitan ng paglilinis ng nitrogen sa 200 cm3 para sa 1 oras upang matiyak ang pag -alis ng lahat ng iba pang mga analyt na naroroon sa silid, kabilang ang kahalumigmigan. Ang mga indibidwal na pag -aaral ay pagkatapos ay dahan -dahang pinakawalan sa silid sa parehong rate ng daloy ng 200 cm3 sa pamamagitan ng pagsasara ng silindro ng N2.
Ang isang binagong bersyon ng artikulong ito ay nai -publish at mai -access sa pamamagitan ng link sa tuktok ng artikulo.
Inagaki, M. at Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Mga Batayan. Na -edit ang pangalawang edisyon. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook ng Carbon, Graphite, Diamond at Fullerenes: Mga Katangian, Pagproseso at Aplikasyon. Ang unang edisyon ay na -edit. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Malaking lugar ng multilayer graphene/grapayt films bilang transparent manipis na conductive electrodes. Application. pisika. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Balandin AA Thermal Properties ng Graphene at Nanostructured Carbon Materials. Nat. Mat. 10 (8), 569-581 (2011).
Cheng KY, Brown PW at Cahill DG thermal conductivity ng mga grapayt na pelikula na lumago sa Ni (111) sa pamamagitan ng mababang temperatura na pag-aalis ng singaw ng kemikal. adverb. Mat. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Patuloy na Paglago ng mga graphene films sa pamamagitan ng pag -aalis ng singaw ng kemikal. Application. pisika. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Oras ng Mag-post: Aug-23-2024