Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir. En iyi sonuçlar için, tarayıcınızın daha yeni bir sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stil veya JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
Nano ölçekli grafit filmler (NGF'ler), katalitik kimyasal buhar biriktirme ile üretilebilen sağlam nanomalzemelerdir, ancak bunların transfer kolaylığı ve yüzey morfolojisinin yeni nesil cihazlarda kullanımını nasıl etkilediği konusunda sorular devam etmektedir. Burada, bir polikristalin nikel folyonun (alan 55 cm2, kalınlık yaklaşık 100 nm) her iki tarafındaki NGF büyümesini ve polimer içermeyen transferini (ön ve arka, alan 6 cm2'ye kadar) bildiriyoruz. Katalizör folyonun morfolojisi nedeniyle, iki karbon filmi fiziksel özellikleri ve diğer özellikleri (yüzey pürüzlülüğü gibi) bakımından farklılık gösterir. Daha pürüzlü bir arka yüze sahip NGF'lerin NO2 tespiti için çok uygun olduğunu, ön taraftaki daha pürüzsüz ve daha iletken NGF'lerin (2000 S/cm, tabaka direnci – 50 ohm/m2) ise uygulanabilir iletkenler olabileceğini gösteriyoruz. güneş hücresinin kanalı veya elektrodu (görünür ışığın %62'sini ilettiği için). Genel olarak açıklanan büyüme ve taşıma süreçleri, grafen ve mikron kalınlığındaki grafit filmlerin uygun olmadığı teknolojik uygulamalar için NGF'nin alternatif bir karbon malzemesi olarak gerçekleştirilmesine yardımcı olabilir.
Grafit yaygın olarak kullanılan bir endüstriyel malzemedir. Özellikle grafit, nispeten düşük kütle yoğunluğu ve yüksek düzlem içi termal ve elektriksel iletkenlik özelliklerine sahiptir ve zorlu termal ve kimyasal ortamlarda çok kararlıdır1,2. Pul grafit, grafen araştırmaları için iyi bilinen bir başlangıç malzemesidir3. İnce filmlere işlendiğinde, akıllı telefonlar gibi elektronik cihazlar için ısı emiciler4,5,6,7, sensörlerde aktif malzeme olarak8,9,10 ve elektromanyetik girişim koruması11,12 ve aşırı ultraviyole ışıkta litografi filmleri13,14, güneş hücrelerinde iletken kanallar15,16 dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Tüm bu uygulamalar için, kalınlıkları nanometre ölçeğinde <100 nm olarak kontrol edilen geniş grafit film (NGF) alanlarının kolayca üretilebilmesi ve taşınabilmesi önemli bir avantaj olacaktır.
Grafit filmler çeşitli yöntemlerle üretilir. Bir durumda, grafen pulları üretmek için gömme ve genişletme ve ardından soyma kullanılmıştır10,11,17. Pullar, gerekli kalınlıkta filmlere daha fazla işlenmelidir ve yoğun grafit levhalar üretmek genellikle birkaç gün sürer. Başka bir yaklaşım, grafitlenebilir katı öncüllerle başlamaktır. Endüstride, polimer levhalar karbonize edilir (1000–1500 °C'de) ve sonra grafitleştirilir (2800–3200 °C'de) ve böylece iyi yapılandırılmış katmanlı malzemeler oluşturulur. Bu filmlerin kalitesi yüksek olsa da, enerji tüketimi önemlidir1,18,19 ve minimum kalınlık birkaç mikronla sınırlıdır1,18,19,20.
Katalitik kimyasal buhar biriktirme (CVD), yüksek yapısal kalite ve makul maliyetle grafen ve ultra ince grafit filmleri (<10 nm) üretmek için iyi bilinen bir yöntemdir21,22,23,24,25,26,27. Ancak, grafen ve ultra ince grafit filmlerinin büyümesiyle karşılaştırıldığında28, CVD kullanılarak NGF'nin geniş alanlı büyümesi ve/veya uygulanması daha da az araştırılmıştır11,13,29,30,31,32,33.
CVD ile büyütülen grafen ve grafit filmlerinin sıklıkla işlevsel alt tabakalara aktarılması gerekir34. Bu ince film transferleri iki ana yöntemi içerir35: (1) aşındırmayan transfer36,37 ve (2) aşındırma tabanlı ıslak kimyasal transfer (alt tabaka destekli)14,34,38. Her yöntemin bazı avantajları ve dezavantajları vardır ve başka bir yerde açıklandığı gibi amaçlanan uygulamaya bağlı olarak seçilmelidir35,39. Katalitik alt tabakalar üzerinde büyütülen grafen/grafit filmleri için ıslak kimyasal işlemlerle transfer (bunlardan polimetil metakrilat (PMMA) en yaygın kullanılan destek tabakasıdır) ilk tercih olmaya devam etmektedir13,30,34,38,40,41,42. You ve ark. NGF transferi için hiçbir polimer kullanılmadığından bahsedildi (numune boyutu yaklaşık 4 cm2)25,43, ancak transfer sırasında numune kararlılığı ve/veya elleçleme ile ilgili hiçbir ayrıntı sağlanmamıştır; Polimerler kullanan ıslak kimya prosesleri, kurbanlık polimer tabakasının uygulanması ve ardından çıkarılması dahil olmak üzere birkaç adımdan oluşur30,38,40,41,42. Bu prosesin dezavantajları vardır: örneğin, polimer kalıntıları büyütülen filmin özelliklerini değiştirebilir38. Ek işleme kalıntı polimeri çıkarabilir, ancak bu ek adımlar film üretiminin maliyetini ve süresini artırır38,40. CVD büyümesi sırasında, bir grafen tabakası yalnızca katalizör folyosunun ön tarafına (buhar akışına bakan taraf) değil, aynı zamanda arka tarafına da biriktirilir. Ancak, ikincisi bir atık ürün olarak kabul edilir ve yumuşak plazma ile hızla çıkarılabilir38,41. Bu filmi geri dönüştürmek, yüz karbon filminden daha düşük kalitede olsa bile verimi en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olabilir.
Burada, CVD ile polikristalin nikel folyo üzerinde yüksek yapısal kaliteye sahip NGF'nin yonga ölçeğinde çift taraflı büyümesinin hazırlanmasını bildiriyoruz. Folyonun ön ve arka yüzeyinin pürüzlülüğünün NGF'nin morfolojisini ve yapısını nasıl etkilediği değerlendirildi. Ayrıca, nikel folyonun her iki tarafından çok işlevli alt tabakalara NGF'nin uygun maliyetli ve çevre dostu polimersiz transferini gösteriyoruz ve ön ve arka filmlerin çeşitli uygulamalar için nasıl uygun olduğunu gösteriyoruz.
Aşağıdaki bölümlerde, yığılmış grafen katmanlarının sayısına bağlı olarak farklı grafit film kalınlıkları tartışılmaktadır: (i) tek katmanlı grafen (SLG, 1 katman), (ii) birkaç katmanlı grafen (FLG, < 10 katman), (iii) çok katmanlı grafen (MLG, 10-30 katman) ve (iv) NGF (~300 katman). İkincisi, alan yüzdesi olarak ifade edilen en yaygın kalınlıktır (yaklaşık olarak 100 µm2 başına %97 alan)30. Bu nedenle tüm filme basitçe NGF denir.
Grafen ve grafit filmlerinin sentezinde kullanılan polikristalin nikel folyolar, üretimleri ve sonraki işlemleri sonucunda farklı dokulara sahiptir. Yakın zamanda NGF30'un büyüme sürecini optimize etmek için bir çalışma bildirdik. Büyüme aşamasında tavlama süresi ve oda basıncı gibi işlem parametrelerinin, düzgün kalınlıkta NGF'ler elde etmede kritik bir rol oynadığını gösteriyoruz. Burada, nikel folyonun cilalı ön (FS) ve cilasız arka (BS) yüzeylerindeki NGF büyümesini daha fazla araştırdık (Şekil 1a). Tablo 1'de listelenen üç tip numune FS ve BS incelendi. Görsel incelemede, nikel folyonun (NiAG) her iki tarafında NGF'nin düzgün büyümesi, toplu Ni substratının karakteristik metalik gümüş grisinden mat gri renge dönüşmesiyle görülebilir (Şekil 1a); mikroskobik ölçümler doğrulandı (Şekil 1b, c). Şekil 1b'de kırmızı, mavi ve turuncu oklarla gösterilen ve parlak bölgede gözlenen FS-NGF'nin tipik bir Raman spektrumu Şekil 1c'de gösterilmiştir. Grafit G (1683 cm−1) ve 2D'nin (2696 cm−1) karakteristik Raman pikleri, yüksek kristalin NGF'nin büyümesini doğrulamaktadır (Şekil 1c, Tablo SI1). Film boyunca, yoğunluk oranı (I2D/IG) ~0,3 olan Raman spektrumlarının baskınlığı gözlemlenirken, I2D/IG = 0,8 olan Raman spektrumları nadiren gözlemlenmiştir. Tüm filmde hatalı piklerin (D = 1350 cm-1) yokluğu, NGF büyümesinin yüksek kalitesini göstermektedir. Benzer Raman sonuçları BS-NGF örneğinde elde edilmiştir (Şekil SI1 a ve b, Tablo SI1).
NiAG FS- ve BS-NGF'nin karşılaştırılması: (a) Yonga ölçeğinde (55 cm2) NGF büyümesini gösteren tipik bir NGF (NiAG) numunesinin fotoğrafı ve elde edilen BS- ve FS-Ni folyo numuneleri, (b) Optik mikroskopla elde edilen FS-NGF Görüntüleri/Ni, (c) Panel b'deki farklı pozisyonlarda kaydedilen tipik Raman spektrumları, (d, f) FS-NGF/Ni üzerinde farklı büyütmelerde SEM görüntüleri, (e, g) BS-NGF/Ni Setleri üzerinde farklı büyütmelerde SEM görüntüleri. Mavi ok FLG bölgesini, turuncu ok MLG bölgesini (FLG bölgesinin yakınında), kırmızı ok NGF bölgesini ve macenta ok kıvrımı göstermektedir.
Büyüme başlangıç substratının kalınlığına, kristal boyutuna, yönelime ve tane sınırlarına bağlı olduğundan, büyük alanlar üzerinde NGF kalınlığının makul bir şekilde kontrol edilmesi hala bir zorluk olmaya devam etmektedir20,34,44. Bu çalışmada daha önce yayınladığımız içerik kullanılmıştır30. Bu işlem 100 µm230 başına %0,1 ila %3 parlak bir bölge üretir. Aşağıdaki bölümlerde, her iki bölge türü için sonuçları sunuyoruz. Yüksek büyütmeli SEM görüntüleri her iki tarafta birkaç parlak kontrast alanının varlığını göstermektedir (Şekil 1f,g), bu da FLG ve MLG bölgelerinin varlığını göstermektedir30,45. Bu ayrıca Raman saçılması (Şekil 1c) ve TEM sonuçlarıyla da doğrulanmıştır (daha sonra “FS-NGF: yapı ve özellikler” bölümünde tartışılacaktır). FS- ve BS-NGF/Ni örneklerinde (Ni üzerinde büyütülmüş ön ve arka NGF) gözlemlenen FLG ve MLG bölgeleri, ön tavlama sırasında oluşan büyük Ni(111) tanecikleri üzerinde büyümüş olabilir22,30,45. Her iki tarafta da katlanma gözlemlendi (Şekil 1b, mor oklarla işaretlenmiştir). Bu katlanmalar, grafit ve nikel alt tabaka arasındaki termal genleşme katsayısındaki büyük fark nedeniyle genellikle CVD ile büyütülmüş grafen ve grafit filmlerinde bulunur30,38.
AFM görüntüsü, FS-NGF numunesinin BS-NGF numunesinden daha düz olduğunu doğruladı (Şekil SI1) (Şekil SI2). FS-NGF/Ni'nin (Şekil SI2c) ve BS-NGF/Ni'nin (Şekil SI2d) ortalama karekökü (RMS) pürüzlülük değerleri sırasıyla 82 ve 200 nm'dir (20 × 20 μm2'lik bir alan üzerinde ölçülmüştür). Daha yüksek pürüzlülük, alındığı haliyle nikel (NiAR) folyonun yüzey analizine dayanarak anlaşılabilir (Şekil SI3). FS ve BS-NiAR'ın SEM görüntüleri, Şekil SI3a–d'de gösterilmiş olup farklı yüzey morfolojilerini göstermektedir: cilalı FS-Ni folyo nano ve mikron boyutlu küresel parçacıklara sahipken, cilasız BS-Ni folyo bir üretim merdiveni sergiler. yüksek mukavemetli parçacıklar olarak. ve düşüş. Tavlanmış nikel folyonun (NiA) düşük ve yüksek çözünürlüklü görüntüleri Şekil SI3e–h'de gösterilmiştir. Bu şekillerde, nikel folyonun her iki tarafında birkaç mikron boyutunda nikel parçacığının varlığını gözlemleyebiliriz (Şekil SI3e–h). Daha önce bildirildiği gibi, büyük taneler Ni(111) yüzey yönelimine sahip olabilir30,46. FS-NiA ve BS-NiA arasında nikel folyo morfolojisinde önemli farklılıklar vardır. BS-NGF/Ni'nin daha yüksek pürüzlülüğü, yüzeyi tavlamadan sonra bile önemli ölçüde pürüzlü kalan BS-NiAR'nin cilalanmamış yüzeyinden kaynaklanmaktadır (Şekil SI3). Büyüme sürecinden önce bu tür bir yüzey karakterizasyonu, grafen ve grafit filmlerin pürüzlülüğünün kontrol edilmesini sağlar. Orijinal alt tabakanın, grafen büyümesi sırasında bir miktar tane yeniden düzenlenmesi geçirdiğine, bunun da tane boyutunu hafifçe azalttığına ve tavlanmış folyo ve katalizör filme kıyasla alt tabakanın yüzey pürüzlülüğünü biraz artırdığına dikkat edilmelidir22.
Alt tabaka yüzey pürüzlülüğünün, tavlama süresinin (tane boyutu)30,47 ve salınım kontrolünün43 ince ayarlanması, bölgesel NGF kalınlık düzgünlüğünün µm2 ve/veya hatta nm2 ölçeğine (yani birkaç nanometrelik kalınlık değişimlerine) düşürülmesine yardımcı olacaktır. Alt tabakanın yüzey pürüzlülüğünü kontrol etmek için, elde edilen nikel folyonun elektrolitik parlatılması gibi yöntemler düşünülebilir48. Ön işlem görmüş nikel folyo daha sonra büyük Ni(111) taneciklerinin oluşumunu önlemek için daha düşük bir sıcaklıkta (< 900 °C) 46 ve sürede (< 5 dakika) tavlanabilir (bu FLG büyümesi için faydalıdır).
SLG ve FLG grafeni, asitlerin ve suyun yüzey gerilimine dayanamaz ve ıslak kimyasal transfer işlemleri sırasında mekanik destek katmanları gerektirir22,34,38. Polimer destekli tek katmanlı grafenin ıslak kimyasal transferinin aksine38, Şekil 2a'da gösterildiği gibi, büyütülmüş NGF'nin her iki tarafının da polimer desteği olmadan transfer edilebileceğini bulduk (daha fazla ayrıntı için Şekil SI4a'ya bakın). NGF'nin belirli bir alt tabakaya transferi, alttaki Ni30.49 filminin ıslak aşındırılmasıyla başlar. Büyüyen NGF/Ni/NGF örnekleri, 600 mL deiyonize (DI) su ile seyreltilmiş 15 mL %70 HNO3'e bir gece boyunca yerleştirildi. Ni folyo tamamen çözüldükten sonra, FS-NGF düz kalır ve NGF/Ni/NGF örneği gibi sıvının yüzeyinde yüzer, BS-NGF ise suya daldırılır (Şekil 2a,b). İzole edilmiş NGF daha sonra taze deiyonize su içeren bir beherden başka bir behere aktarıldı ve izole edilmiş NGF iyice yıkandı, bu işlem içbükey cam kapta dört ila altı kez tekrarlandı. Son olarak, FS-NGF ve BS-NGF istenen substrat üzerine yerleştirildi (Şekil 2c).
Nikel folyo üzerine büyütülen NGF için polimer içermeyen ıslak kimyasal transfer işlemi: (a) İşlem akış şeması (daha fazla ayrıntı için Şekil SI4'e bakın), (b) Ni aşındırma işleminden sonra ayrılmış NGF'nin dijital fotoğrafı (2 numune), (c) Örnek FS ve BS-NGF'nin SiO2/Si alt tabakasına transferi, (d) FS-NGF'nin opak polimer alt tabakasına transferi, (e) Panel d ile aynı numuneden alınan BS-NGF (iki parçaya bölünmüş), altın kaplama C kağıdına ve Nafion'a (esnek şeffaf alt tabaka, kenarları kırmızı köşelerle işaretlenmiştir) transfer edilmiştir.
Islak kimyasal transfer yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen SLG transferinin toplam 20-24 saatlik bir işlem süresi gerektirdiğini unutmayın 38 . Burada gösterilen polimersiz transfer tekniği ile (Şekil SI4a), genel NGF transfer işlem süresi önemli ölçüde azalır (yaklaşık 15 saat). İşlem şunlardan oluşur: (Adım 1) Bir aşındırma solüsyonu hazırlayın ve numuneyi içine yerleştirin (~10 dakika), ardından Ni aşındırması için bir gece bekleyin (~7200 dakika), (Adım 2) Deiyonize suyla durulayın (Adım – 3). Deiyonize suda saklayın veya hedef substrata aktarın (20 dakika). NGF ile toplu matris arasında sıkışan su, kılcal etki ile (kurutma kağıdı kullanılarak)38 uzaklaştırılır, ardından kalan su damlacıkları doğal kurutma ile uzaklaştırılır (yaklaşık 30 dakika) ve son olarak numune 50–90 °C'de vakumlu bir fırında (10–1 mbar) 10 dakika kurutulur (60 dakika) 38.
Grafitin oldukça yüksek sıcaklıklarda (≥ 200 °C) su ve havanın varlığına dayandığı bilinmektedir50,51,52. Numuneleri oda sıcaklığında deiyonize suda ve birkaç günden bir yıla kadar kapalı şişelerde saklandıktan sonra Raman spektroskopisi, SEM ve XRD kullanarak test ettik (Şekil SI4). Gözle görülür bir bozulma yoktur. Şekil 2c, deiyonize suda serbest duran FS-NGF ve BS-NGF'yi göstermektedir. Şekil 2c'nin başında gösterildiği gibi bunları bir SiO2 (300 nm)/Si alt tabakasında yakaladık. Ek olarak, Şekil 2d,e'de gösterildiği gibi, sürekli NGF, polimerler (Nexolve ve Nafion'dan Thermabright poliamid) ve altın kaplamalı karbon kağıdı gibi çeşitli alt tabakalara aktarılabilir. Yüzen FS-NGF hedef alt tabakaya kolayca yerleştirildi (Şekil 2c, d). Ancak, 3 cm2'den büyük BS-NGF numuneleri tamamen suya daldırıldığında işlenmesi zordu. Genellikle, suda yuvarlanmaya başladıklarında, dikkatsizce elleçleme nedeniyle bazen iki veya üç parçaya ayrılırlar (Şekil 2e). Genel olarak, sırasıyla 6 ve 3 cm2'ye kadar olan numuneler için PS ve BS-NGF'nin polimersiz transferini (6 cm2'de NGF/Ni/NGF büyümesi olmadan sürekli kesintisiz transfer) başardık. Kalan büyük veya küçük parçalar (aşındırma çözeltisinde veya deiyonize suda kolayca görülebilir) istenen alt tabakaya (~1 mm2, Şekil SI4b, örneğin "Yapı ve Özellikler" altında "FS-NGF: Yapı ve Özellikler (tartışılan)"da olduğu gibi bakır ızgaraya aktarılmasına bakın) konulabilir veya gelecekte kullanılmak üzere saklanabilir (Şekil SI4). Bu kritere dayanarak, NGF'nin transfer için büyümeden sonra %98-99'a varan verimlerle geri kazanılabileceğini tahmin ediyoruz.
Polimersiz transfer örnekleri ayrıntılı olarak analiz edildi. Optik mikroskopi (OM) ve SEM görüntüleri (Şekil SI5 ve Şekil 3) kullanılarak FS- ve BS-NGF/SiO2/Si (Şekil 2c) üzerinde elde edilen yüzey morfolojik özellikleri, bu örneklerin mikroskopi olmadan transfer edildiğini gösterdi. Çatlaklar, delikler veya açılmamış alanlar gibi görünür yapısal hasarlar. Büyüyen NGF'deki kıvrımlar (Şekil 3b, d, mor oklarla işaretlenmiştir) transferden sonra sağlam kaldı. Hem FS- hem de BS-NGF'ler FLG bölgelerinden oluşur (Şekil 3'te mavi oklarla gösterilen parlak bölgeler). Şaşırtıcı bir şekilde, ultra ince grafit filmlerin polimer transferi sırasında tipik olarak gözlenen birkaç hasarlı bölgenin aksine, NGF'ye bağlanan birkaç mikron boyutundaki FLG ve MLG bölgesi (Şekil 3d'de mavi oklarla işaretlenmiştir) çatlak veya kırılma olmadan transfer edildi (Şekil 3d). 3). . Daha sonra tartışıldığı gibi, dantel karbon bakır ızgaralarına aktarılan NGF'nin TEM ve SEM görüntüleri kullanılarak mekanik bütünlük daha da doğrulandı ("FS-NGF: Yapı ve Özellikler"). Aktarılan BS-NGF/SiO2/Si, Şekil SI6a ve b'de gösterildiği gibi sırasıyla 140 nm ve 17 nm'lik rms değerleriyle FS-NGF/SiO2/Si'den daha pürüzlüdür (20 × 20 μm2). SiO2/Si substratına aktarılan NGF'nin RMS değeri (RMS < 2 nm), Ni üzerinde büyütülen NGF'ninkinden önemli ölçüde daha düşüktür (yaklaşık 3 kat) (Şekil SI2), bu da ek pürüzlülüğün Ni yüzeyine karşılık gelebileceğini göstermektedir. Ek olarak, FS ve BS-NGF/SiO2/Si örneklerinin kenarlarında gerçekleştirilen AFM görüntüleri sırasıyla 100 ve 80 nm'lik NGF kalınlıkları göstermiştir (Şekil SI7). BS-NGF'nin daha küçük kalınlığı, yüzeyin öncül gaza doğrudan maruz kalmamasından kaynaklanıyor olabilir.
Polimersiz SiO2/Si yonga üzerinde transfer edilen NGF (NiAG) (bkz. Şekil 2c): (a,b) Transfer edilen FS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (paneldeki turuncu kareye karşılık gelir). Tipik alanlar) – a). (c,d) Transfer edilen BS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (panel c'deki turuncu kareyle gösterilen tipik alana karşılık gelir). (e, f) Transfer edilen FS ve BS-NGF'lerin AFM görüntüleri. Mavi ok FLG bölgesini temsil eder – parlak kontrast, camgöbeği ok – siyah MLG kontrastı, kırmızı ok – siyah kontrast NGF bölgesini temsil eder, macenta ok kıvrımı temsil eder.
Büyütülmüş ve transfer edilmiş FS ve BS-NGF'lerin kimyasal bileşimi X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile analiz edildi (Şekil 4). Ölçülen spektrumlarda (Şekil 4a, b), büyütülmüş FS ve BS-NGF'lerin (NiAG) Ni substratına (850 eV) karşılık gelen zayıf bir tepe gözlendi. Transfer edilmiş FS ve BS-NGF/SiO2/Si'nin ölçülen spektrumlarında tepe yoktur (Şekil 4c; BS-NGF/SiO2/Si için benzer sonuçlar gösterilmemiştir), bu da transferden sonra artık Ni kirliliği olmadığını gösterir. Şekil 4d–f, FS-NGF/SiO2/Si'nin C 1 s, O 1 s ve Si 2p enerji seviyelerinin yüksek çözünürlüklü spektrumlarını göstermektedir. Grafitin C 1 s'sinin bağlanma enerjisi 284,4 eV53,54'tür. Grafit tepelerinin doğrusal şekli, Şekil 4d'de gösterildiği gibi genellikle asimetrik olarak kabul edilir54. Yüksek çözünürlüklü çekirdek seviyesi C 1 s spektrumu (Şekil 4d) ayrıca önceki çalışmalarla tutarlı olan saf transferi (yani polimer kalıntısı yok) doğruladı38. Taze yetiştirilmiş numunenin (NiAG) ve transferden sonraki C 1 s spektrumlarının çizgi genişlikleri sırasıyla 0,55 ve 0,62 eV'dir. Bu değerler SLG'nin değerlerinden (SiO2 alt tabaka üzerindeki SLG için 0,49 eV)38 daha yüksektir. Ancak, bu değerler daha önce bildirilen yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafen numuneleri için çizgi genişliklerinden daha küçüktür (~0,75 eV)53,54,55, bu da mevcut malzemede hatalı karbon bölgelerinin bulunmadığını gösterir. C 1 s ve O 1 s yer seviyesi spektrumlarında da omuzlar yoktur ve bu da yüksek çözünürlüklü tepe dekonvolüsyonuna olan ihtiyacı ortadan kaldırır54. Grafit örneklerinde sıklıkla gözlenen 291,1 eV civarında bir π → π* uydu tepe noktası vardır. Si 2p ve O 1 s çekirdek seviyesi spektrumlarındaki 103 eV ve 532,5 eV sinyalleri (bkz. Şekil 4e, f) sırasıyla SiO2 56 substratına atfedilir. XPS yüzey hassasiyeti olan bir tekniktir, bu nedenle NGF transferinden önce ve sonra sırasıyla tespit edilen Ni ve SiO2'ye karşılık gelen sinyallerin FLG bölgesinden kaynaklandığı varsayılır. Transfer edilen BS-NGF örnekleri için de benzer sonuçlar gözlendi (gösterilmemiştir).
NiAG XPS sonuçları: (ac) Sırasıyla yetiştirilen FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ve transfer edilen FS-NGF/SiO2/Si'nin farklı temel atom bileşimlerinin tarama spektrumları. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si numunesinin C 1 s, O 1s ve Si 2p çekirdek seviyelerinin yüksek çözünürlüklü spektrumları.
Aktarılan NGF kristallerinin genel kalitesi X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak değerlendirildi. Aktarılan FS- ve BS-NGF/SiO2/Si'nin tipik XRD desenleri (Şekil SI8), grafite benzer şekilde 26,6° ve 54,7°'de (0 0 0 2) ve (0 0 0 4) kırınım tepelerinin varlığını göstermektedir. Bu, NGF'nin yüksek kristal kalitesini teyit eder ve aktarma adımından sonra korunan d = 0,335 nm'lik bir katmanlar arası mesafeye karşılık gelir. Kırınım tepe noktasının (0 0 0 2) yoğunluğu, kırınım tepe noktasının (0 0 0 4) yaklaşık 30 katıdır ve bu da NGF kristal düzleminin numune yüzeyiyle iyi hizalandığını gösterir.
SEM, Raman spektroskopisi, XPS ve XRD sonuçlarına göre, BS-NGF/Ni'nin kalitesinin FS-NGF/Ni ile aynı olduğu, ancak rms pürüzlülüğünün biraz daha yüksek olduğu bulunmuştur (Şekiller SI2, SI5 ve SI7).
Polimer destek katmanları 200 nm kalınlığa kadar olan SLG'ler su üzerinde yüzebilir. Bu kurulum genellikle polimer destekli ıslak kimyasal transfer işlemlerinde kullanılır22,38. Grafen ve grafit hidrofobiktir (ıslak açı 80–90°) 57 . Hem grafenin hem de FLG'nin potansiyel enerji yüzeylerinin oldukça düz olduğu ve suyun yüzeydeki yanal hareketi için düşük potansiyel enerjiye (~1 kJ/mol) sahip olduğu bildirilmiştir58. Ancak suyun grafen ve üç grafen katmanıyla hesaplanan etkileşim enerjileri sırasıyla yaklaşık olarak -13 ve -15 kJ/mol'dür58, bu da suyun NGF ile etkileşiminin (yaklaşık 300 katman) grafene kıyasla daha düşük olduğunu göstermektedir. Bu, serbest duran NGF'nin su yüzeyinde düz kalırken, serbest duran grafenin (suda yüzen) kıvrılıp parçalanmasının nedenlerinden biri olabilir. NGF tamamen suya daldırıldığında (sonuçlar pürüzlü ve düz NGF için aynıdır), kenarları bükülür (Şekil SI4). Tamamen daldırma durumunda, NGF-su etkileşim enerjisinin neredeyse iki katına çıkması (yüzen NGF ile karşılaştırıldığında) ve NGF kenarlarının yüksek bir temas açısı (hidrofobisite) sağlamak için katlanması beklenir. Gömülü NGF'lerin kenarlarının kıvrılmasını önlemek için stratejiler geliştirilebileceğine inanıyoruz. Bir yaklaşım, grafit filminin ıslatma reaksiyonunu modüle etmek için karışık çözücüler kullanmaktır59.
SLG'nin ıslak kimyasal transfer işlemleri yoluyla çeşitli tipteki substratlara transferi daha önce bildirilmiştir. Genel olarak, grafen/grafit filmleri ve substratlar (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunları22 gibi sert substratlar ve dantelli karbon filmleri30, 34 veya poliimid 37 gibi esnek substratlar) arasında zayıf van der Waals kuvvetlerinin var olduğu kabul edilir. Burada aynı tipteki etkileşimlerin baskın olduğunu varsayıyoruz. Burada sunulan substratların hiçbirinde mekanik işleme sırasında (vakum ve/veya atmosferik koşullar altında karakterizasyon sırasında veya depolama sırasında) NGF'de herhangi bir hasar veya soyulma gözlemlemedik (örneğin, Şekil 2, SI7 ve SI9). Ayrıca, NGF/SiO2/Si örneğinin çekirdek seviyesinin XPS C 1 s spektrumunda bir SiC zirvesi gözlemlemedik (Şekil 4). Bu sonuçlar, NGF ile hedef substrat arasında kimyasal bağ olmadığını göstermektedir.
Önceki bölümde, "FS ve BS-NGF'nin polimersiz transferi" bölümünde, NGF'nin nikel folyonun her iki tarafında da büyüyebileceğini ve transfer edilebileceğini gösterdik. Bu FS-NGF'ler ve BS-NGF'ler yüzey pürüzlülüğü açısından aynı değildir, bu da bizi her tür için en uygun uygulamaları keşfetmeye yöneltti.
FS-NGF'nin şeffaflığı ve daha pürüzsüz yüzeyi göz önüne alındığında, yerel yapısını, optik ve elektriksel özelliklerini daha ayrıntılı olarak inceledik. Polimer transferi olmadan FS-NGF'nin yapısı ve yapısı, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüleme ve seçili alan elektron kırınımı (SAED) desen analizi ile karakterize edildi. İlgili sonuçlar Şekil 5'te gösterilmiştir. Düşük büyütmeli düzlemsel TEM görüntüleme, farklı elektron kontrast özelliklerine sahip NGF ve FLG bölgelerinin varlığını ortaya koydu, yani sırasıyla daha koyu ve daha parlak alanlar (Şekil 5a). Film genel olarak NGF ve FLG'nin farklı bölgeleri arasında iyi mekanik bütünlük ve kararlılık sergiliyor, iyi örtüşme ve hasar veya yırtılma yok, bu da SEM (Şekil 3) ve yüksek büyütmeli TEM çalışmaları (Şekil 5c-e) ile de doğrulandı. Özellikle, Şekil 5d'de, köprü yapısı en geniş kısmında (Şekil 5d'de siyah noktalı okla işaretlenen konum) gösterilmektedir; bu yapı üçgen bir şekil ile karakterize edilmekte ve yaklaşık 51 genişliğinde bir grafen tabakasından oluşmaktadır. 0,33 ± 0,01 nm'lik bir düzlemler arası aralığa sahip kompozisyon, en dar bölgede (Şekil 5d'deki dolu siyah okun sonu) birkaç grafen tabakasına daha da indirgenmiştir.
Karbon dantelli bakır ızgara üzerinde polimer içermeyen bir NiAG örneğinin düzlemsel TEM görüntüsü: (a, b) NGF ve FLG bölgelerini içeren düşük büyütmeli TEM görüntüleri, (ce) Panel-a ve panel-b'deki çeşitli bölgelerin yüksek büyütmeli görüntüleri aynı renkte işaretlenmiş oklardır. Panel a ve c'deki yeşil oklar ışın hizalaması sırasında dairesel hasar alanlarını gösterir. (f–i) Panel a ila c'de, farklı bölgelerdeki SAED desenleri sırasıyla mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı dairelerle gösterilir.
Şekil 5c'deki şerit yapısı (kırmızı okla işaretlenmiştir) film boyunca nanofoldların oluşumundan (Şekil 5c'de ek) kaynaklanan aşırı telafi edilmemiş kayma gerilimi nedeniyle grafit kafes düzlemlerinin dikey yönelimini gösterir30,61,62. Yüksek çözünürlüklü TEM altında, bu nanofoldlar 30 NGF bölgesinin geri kalanından farklı bir kristalografik yönelim sergiler; grafit kafesin bazal düzlemleri filmin geri kalanı gibi yatay olmaktan ziyade neredeyse dikey olarak yönlendirilmiştir (Şekil 5c'de ek). Benzer şekilde, FLG bölgesi zaman zaman doğrusal ve dar bant benzeri kıvrımlar sergiler (mavi oklarla işaretlenmiştir) ve bunlar sırasıyla Şekil 5b, 5e'de düşük ve orta büyütmede görülür. Şekil 5e'deki ek parça, FLG sektöründe iki ve üç katmanlı grafen katmanlarının varlığını doğrulamaktadır (düzlemler arası mesafe 0,33 ± 0,01 nm), bu da önceki sonuçlarımızla iyi bir uyum içindedir30. Ek olarak, dantelli karbon filmlere sahip bakır ızgaralara aktarılan polimersiz NGF'nin kaydedilmiş SEM görüntüleri (üstten görünüm TEM ölçümleri gerçekleştirildikten sonra) Şekil SI9'da gösterilmektedir. İyi askıya alınmış FLG bölgesi (mavi okla işaretli) ve Şekil SI9f'deki kırık bölge. Mavi ok (aktarılmış NGF'nin kenarında), FLG bölgesinin polimer olmadan transfer sürecine direnebileceğini göstermek için kasıtlı olarak sunulmuştur. Özetle, bu görüntüler kısmen askıya alınmış NGF'nin (FLG bölgesi dahil) TEM ve SEM ölçümleri sırasında sıkı elleçleme ve yüksek vakuma maruz bırakıldıktan sonra bile mekanik bütünlüğünü koruduğunu doğrulamaktadır (Şekil SI9).
NGF'nin mükemmel düzlüğü nedeniyle (bkz. Şekil 5a), pulları SAED yapısını analiz etmek için [0001] alan ekseni boyunca yönlendirmek zor değildir. Filmin yerel kalınlığına ve konumuna bağlı olarak, elektron kırınımı çalışmaları için birkaç ilgi alanı (12 nokta) belirlendi. Şekil 5a–c'de, bu tipik bölgelerden dördü gösterilmiş ve renkli dairelerle işaretlenmiştir (mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı kodlanmıştır). Şekil 2 ve 3 SAED modu içindir. Şekil 5f ve g, Şekil 5 ve 5'te gösterilen FLG bölgesinden elde edilmiştir. Sırasıyla Şekil 5b ve c'de gösterildiği gibi. Bükülmüş grafene benzer altıgen bir yapıya sahiptirler63. Özellikle, Şekil 5f, üç çift (10-10) yansımanın açısal uyumsuzluğuyla kanıtlandığı gibi, [0001] bölge ekseninin aynı yönelimine sahip, 10° ve 20° döndürülmüş üç üst üste bindirilmiş deseni göstermektedir. Benzer şekilde, Şekil 5g, 20° döndürülmüş iki üst üste bindirilmiş altıgen desen göstermektedir. FLG bölgesinde iki veya üç grup altıgen desen, birbirine göre döndürülmüş üç düzlem içi veya düzlem dışı grafen katmanından 33 ortaya çıkabilir. Buna karşılık, Şekil 5h,i'deki elektron kırınımı desenleri (Şekil 5a'da gösterilen NGF bölgesine karşılık gelir), daha büyük malzeme kalınlığına karşılık gelen genel olarak daha yüksek nokta kırınımı yoğunluğuna sahip tek bir [0001] desen göstermektedir. Bu SAED modelleri, 64 indeksinden çıkarıldığı üzere, FLG'den daha kalın bir grafit yapısına ve ara yönelime karşılık gelir. NGF'nin kristal özelliklerinin karakterizasyonu, iki veya üç üst üste bindirilmiş grafit (veya grafen) kristalitinin bir arada bulunduğunu ortaya koymuştur. FLG bölgesinde özellikle dikkat çekici olan şey, kristalitlerin belirli bir derecede düzlem içi veya düzlem dışı yanlış yönelime sahip olmasıdır. Ni 64 filmleri üzerinde büyütülen NGF için daha önce 17°, 22° ve 25° düzlem içi dönüş açılarına sahip grafit parçacıkları/katmanları rapor edilmiştir. Bu çalışmada gözlemlenen dönüş açısı değerleri, bükülmüş BLG63 grafeni için daha önce gözlemlenen dönüş açılarıyla (±1°) tutarlıdır.
NGF/SiO2/Si'nin elektriksel özellikleri 300 K'de 10x3 mm2'lik bir alan üzerinde ölçüldü. Elektron taşıyıcı konsantrasyonu, hareketlilik ve iletkenlik değerleri sırasıyla 1,6x1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ve 2000 S-cm-1'dir. NGF'mizin hareketlilik ve iletkenlik değerleri doğal grafite benzerdir2 ve ticari olarak temin edilebilen yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafitten (3000 °C'de üretilir)29 daha yüksektir. Gözlemlenen elektron taşıyıcı konsantrasyonu değerleri, yüksek sıcaklıkta (3200 °C) poliimid levhalar kullanılarak hazırlanan mikron kalınlığındaki grafit filmler için yakın zamanda bildirilen değerlerden (7,25x10 cm-3) iki kat daha yüksektir20.
Ayrıca kuvars alt tabakalara aktarılan FS-NGF üzerinde UV-görünür ışık geçirgenliği ölçümleri de gerçekleştirdik (Şekil 6). Elde edilen spektrum, 350-800 nm aralığında %62'lik neredeyse sabit bir geçirgenlik göstermektedir ve bu da NGF'nin görünür ışığa yarı saydam olduğunu göstermektedir. Aslında, Şekil 6b'deki numunenin dijital fotoğrafında “KAUST” adı görülebilir. NGF'nin nanokristalin yapısı SLG'ninkinden farklı olmasına rağmen, katman sayısı, ek katman başına %2,3 geçirgenlik kaybı kuralı kullanılarak kabaca tahmin edilebilir65. Bu ilişkiye göre, %38 geçirgenlik kaybına sahip grafen katmanlarının sayısı 21'dir. Büyütülmüş NGF esas olarak 300 grafen katmanından oluşur, yani yaklaşık 100 nm kalınlığındadır (Şekil 1, SI5 ve SI7). Bu nedenle, gözlenen optik şeffaflığın FLG ve MLG bölgelerine karşılık geldiğini varsayıyoruz, çünkü bunlar film boyunca dağılmış durumda (Şekil 1, 3, 5 ve 6c). Yukarıdaki yapısal verilere ek olarak, iletkenlik ve şeffaflık da aktarılan NGF'nin yüksek kristal kalitesini doğruluyor.
(a) UV-görünür ışık geçirgenlik ölçümü, (b) temsili bir örnek kullanılarak kuvars üzerinde tipik NGF transferi. (c) Örnek boyunca gri rastgele şekiller olarak işaretlenmiş eşit olarak dağıtılmış FLG ve MLG bölgelerine sahip NGF'nin şeması (koyu kutu) (bkz. Şekil 1) (yaklaşık 100 μm2 başına %0,1–3 alan). Diyagramdaki rastgele şekiller ve boyutları yalnızca örnek amaçlıdır ve gerçek alanlara karşılık gelmez.
CVD ile büyütülen yarı saydam NGF daha önce çıplak silikon yüzeylere aktarılmış ve güneş hücrelerinde kullanılmıştır15,16. Elde edilen güç dönüşüm verimliliği (PCE) %1,5'tir. Bu NGF'ler aktif bileşik katmanları, yük taşıma yolları ve şeffaf elektrotlar gibi birden fazla işlevi yerine getirir15,16. Ancak grafit film tekdüze değildir. Grafit elektrodun tabaka direncini ve optik geçirgenliğini dikkatlice kontrol ederek daha fazla optimizasyon gereklidir, çünkü bu iki özellik güneş hücresinin PCE değerini belirlemede önemli bir rol oynar15,16. Tipik olarak, grafen filmleri görünür ışığa %97,7 oranında şeffaftır, ancak 200–3000 ohm/sq.16 tabaka direncine sahiptir. Grafen filmlerinin yüzey direnci, katman sayısını artırarak (grafen katmanlarının çoklu transferi) ve HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 ile katkılayarak azaltılabilir. Ancak, bu işlem uzun zaman alır ve farklı transfer katmanları her zaman iyi bir temas sağlamaz. Ön taraftaki NGF'miz 2000 S/cm iletkenlik, 50 ohm/sq. film levhası direnci ve %62 şeffaflık gibi özelliklere sahip olup, bu da onu güneş hücrelerinde iletken kanallar veya karşı elektrotlar için uygulanabilir bir alternatif haline getirmektedir15,16.
BS-NGF'nin yapısı ve yüzey kimyası FS-NGF'ye benzemesine rağmen, pürüzlülüğü farklıdır ("FS- ve BS-NGF'nin Büyümesi"). Daha önce, gaz sensörü olarak ultra ince film grafit22 kullandık. Bu nedenle, BS-NGF'nin gaz algılama görevleri için kullanılmasının uygulanabilirliğini test ettik (Şekil SI10). İlk olarak, BS-NGF'nin mm2 boyutundaki parçaları iç içe geçen elektrot sensör çipine aktarıldı (Şekil SI10a-c). Çipin üretim ayrıntıları daha önce bildirilmişti; aktif hassas alanı 9 mm267'dir. SEM görüntülerinde (Şekil SI10b ve c), alttaki altın elektrot NGF'den açıkça görülebilmektedir. Yine, tüm numuneler için düzgün çip kaplamasının elde edildiği görülebilir. Çeşitli gazların gaz sensörü ölçümleri kaydedildi (Şekil SI10d) (Şekil SI11) ve ortaya çıkan yanıt oranları Şekil SI10g'de gösterilmiştir. Muhtemelen SO2 (200 ppm), H2 (%2), CH4 (200 ppm), CO2 (%2), H2S (200 ppm) ve NH3 (200 ppm) dahil olmak üzere diğer karışan gazlarla. Olası bir neden NO2'dir. Gazın elektrofilik yapısı22,68. Grafenin yüzeyine adsorbe edildiğinde, sistem tarafından elektronların akım emilimini azaltır. BS-NGF sensörünün tepki süresi verilerinin daha önce yayınlanmış sensörlerle karşılaştırılması Tablo SI2'de sunulmuştur. UV plazma, O3 plazma veya maruz kalan numunelerin termal (50–150 °C) işlemi kullanılarak NGF sensörlerinin yeniden etkinleştirilmesi mekanizması devam etmektedir ve ideal olarak gömülü sistemlerin uygulanması bunu takip etmektedir69.
CVD işlemi sırasında, katalizör substratının her iki tarafında da grafen büyümesi meydana gelir41. Ancak, BS-grafen genellikle transfer işlemi sırasında dışarı atılır41. Bu çalışmada, yüksek kaliteli NGF büyümesinin ve polimersiz NGF transferinin katalizör desteğinin her iki tarafında da elde edilebileceğini gösteriyoruz. BS-NGF, FS-NGF'den (~100 nm) daha incedir (~80 nm) ve bu fark, BS-Ni'nin öncül gaz akışına doğrudan maruz kalmaması gerçeğiyle açıklanmaktadır. Ayrıca, NiAR substratının pürüzlülüğünün NGF'nin pürüzlülüğünü etkilediğini bulduk. Bu sonuçlar, büyütülen düzlemsel FS-NGF'nin grafen için bir öncül malzeme olarak (soyulma yöntemi ile70) veya güneş hücrelerinde iletken bir kanal olarak kullanılabileceğini göstermektedir15,16. Bunun aksine, BS-NGF gaz tespiti için (Şekil SI9) ve muhtemelen yüzey pürüzlülüğünün faydalı olacağı enerji depolama sistemleri için kullanılacaktır71,72.
Yukarıdakileri göz önünde bulundurarak, mevcut çalışmayı CVD ile büyütülmüş ve nikel folyo kullanılarak daha önce yayınlanmış grafit filmlerle birleştirmek yararlıdır. Tablo 2'de görülebileceği gibi, kullandığımız daha yüksek basınçlar, nispeten düşük sıcaklıklarda (850–1300 °C aralığında) bile reaksiyon süresini (büyüme aşaması) kısalttı. Ayrıca, normalden daha fazla büyüme elde ettik ve bu da genişleme potansiyelini gösteriyor. Dikkate alınması gereken başka faktörler de var ve bunlardan bazılarını tabloya ekledik.
Çift taraflı yüksek kaliteli NGF, katalitik CVD ile nikel folyo üzerinde büyütüldü. Geleneksel polimer substratları (CVD grafende kullanılanlar gibi) ortadan kaldırarak, çeşitli işlem açısından kritik substratlara NGF'nin (nikel folyonun arka ve ön taraflarında büyütülen) temiz ve hatasız ıslak transferini elde ettik. Özellikle, NGF, daha kalın filme yapısal olarak iyi entegre edilmiş FLG ve MLG bölgelerini (tipik olarak 100 µm2 başına %0,1 ila %3) içerir. Düzlemsel TEM, bu bölgelerin iki ila üç grafit/grafen parçacığının (sırasıyla kristaller veya katmanlar) yığınlarından oluştuğunu ve bunlardan bazılarının 10–20°'lik bir dönme uyumsuzluğuna sahip olduğunu göstermektedir. FLG ve MLG bölgeleri, FS-NGF'nin görünür ışığa olan şeffaflığından sorumludur. Arka tabakalara gelince, ön tabakalara paralel olarak taşınabilirler ve gösterildiği gibi işlevsel bir amaca sahip olabilirler (örneğin, gaz tespiti için). Bu çalışmalar endüstriyel ölçekte CVD proseslerinde atık ve maliyetlerin azaltılması açısından oldukça faydalıdır.
Genel olarak, CVD NGF'nin ortalama kalınlığı (düşük ve çok katmanlı) grafen ile endüstriyel (mikrometre) grafit levhalar arasındadır. İlginç özelliklerinin aralığı, üretimleri ve taşınmaları için geliştirdiğimiz basit yöntemle birleştiğinde, bu filmleri, şu anda kullanılan enerji yoğun endüstriyel üretim süreçlerinin maliyeti olmadan, grafitin işlevsel tepkisini gerektiren uygulamalar için özellikle uygun hale getirir.
Ticari bir CVD reaktörüne (Aixtron 4 inç BMPro) 25 μm kalınlığında bir nikel folyo (99,5% saflıkta, Goodfellow) yerleştirildi. Sistem argonla temizlendi ve 10-3 mbar'lık bir taban basıncına kadar boşaltıldı. Daha sonra nikel folyo Ar/H2'ye yerleştirildi (Ni folyoyu 5 dakika ön tavladıktan sonra folyo 900 °C'de 500 mbar'lık bir basınca maruz bırakıldı. NGF, 5 dakika boyunca CH4/H2 akışına (her biri 100 cm3) bırakıldı. Numune daha sonra 40 °C/dakika hızında Ar akışı (4000 cm3) kullanılarak 700 °C'nin altındaki bir sıcaklığa soğutuldu. NGF büyüme sürecinin optimizasyonuyla ilgili ayrıntılar başka bir yerde açıklanmıştır30.
Numunenin yüzey morfolojisi, bir Zeiss Merlin mikroskobu (1 kV, 50 pA) kullanılarak SEM ile görselleştirildi. Numune yüzey pürüzlülüğü ve NGF kalınlığı, AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) kullanılarak ölçüldü. TEM ve SAED ölçümleri, son sonuçları elde etmek için yüksek parlaklıklı alan emisyon tabancası (300 kV), bir FEI Wien tipi monokromatör ve bir CEOS lens küresel sapma düzelticisi ile donatılmış bir FEI Titan 80–300 Cubed mikroskobu kullanılarak gerçekleştirildi. mekansal çözünürlük 0,09 nm. NGF numuneleri, düz TEM görüntüleme ve SAED yapı analizi için karbon dantelli kaplamalı bakır ızgaralara aktarıldı. Böylece, numune floklarının çoğu, destekleyici membranın gözeneklerinde süspanse edildi. Aktarılan NGF numuneleri, XRD ile analiz edildi. X-ışını kırınım desenleri, 3 mm ışın noktası çapına sahip bir Cu radyasyon kaynağı kullanan bir toz difraktometresi (Brucker, Cu Kα kaynaklı D2 faz kaydırıcı, 1.5418 Å ve LYNXEYE dedektörü) kullanılarak elde edildi.
Entegre konfokal mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) kullanılarak birkaç Raman noktası ölçümü kaydedildi. Termal olarak indüklenen etkilerden kaçınmak için düşük uyarma gücüne sahip (%25) 532 nm lazer kullanıldı. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), 150 W gücünde monokromatik Al Kα radyasyonu (hν = 1486,6 eV) kullanılarak 300 × 700 μm2'lik bir örnek alanı üzerinde Kratos Axis Ultra spektrometresinde gerçekleştirildi. Çözünürlük spektrumları sırasıyla 160 eV ve 20 eV iletim enerjilerinde elde edildi. SiO2 üzerine aktarılan NGF örnekleri, 30 W'da bir PLS6MW (1,06 μm) iterbiyum fiber lazer kullanılarak parçalara kesildi (her biri 3 × 10 mm2). Bakır tel temas noktaları (50 μm kalınlığında), bir optik mikroskop altında gümüş macun kullanılarak üretildi. Bu örnekler üzerinde elektriksel iletim ve Hall etkisi deneyleri, bir fiziksel özellik ölçüm sisteminde (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ABD) 300 K ve ± 9 Tesla'lık bir manyetik alan değişiminde gerçekleştirildi. Kuvars substratlara ve kuvars referans örneklerine aktarılan 350-800 nm NGF aralığında bir Lambda 950 UV-vis spektrofotometresi kullanılarak iletilen UV-vis spektrumları kaydedildi.
Kimyasal direnç sensörü (iç içe geçmiş elektrot çipi) özel bir baskılı devre kartına 73 bağlandı ve direnç geçici olarak çıkarıldı. Cihazın bulunduğu baskılı devre kartı temas terminallerine bağlandı ve gaz algılama haznesinin 74 içine yerleştirildi. Direnç ölçümleri, temizlemeden gaza maruz bırakmaya ve ardından tekrar temizlemeye kadar sürekli tarama ile 1 V'luk bir voltajda alındı. Hazne, nem dahil haznede bulunan diğer tüm analitlerin giderilmesini sağlamak için başlangıçta 1 saat boyunca 200 cm3'te nitrojenle temizlenerek temizlendi. Daha sonra tek tek analitler, N2 silindiri kapatılarak aynı 200 cm3 akış hızında hazneye yavaşça bırakıldı.
Bu makalenin revize edilmiş hali yayımlanmış olup, makalenin üst kısmındaki bağlantıdan erişilebilir.
Inagaki, M. ve Kang, F. Karbon Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: Temeller. İkinci baskı düzenlendi. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerene: Properties, Processing and Applications. İlk baskı düzenlendi. 1994, New Jersey.
Tsai, W. ve diğerleri. Şeffaf ince iletken elektrotlar olarak geniş alanlı çok katmanlı grafen/grafit filmleri. uygulama. fizik. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Grafen ve nanoyapılı karbon malzemelerin termal özellikleri. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ve Cahill DG Düşük sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme yoluyla Ni (111) üzerinde büyütülen grafit filmlerinin ısıl iletkenliği. zarf. Matt. Arayüz 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kimyasal buhar biriktirme ile grafen filmlerinin sürekli büyümesi. uygulama. fizik. Wright. 98(13), 133106(2011).
Gönderi zamanı: 23-Ağu-2024