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 Modu'nu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stil veya JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
Nano ölçekli grafit filmler (NGF'ler), katalitik kimyasal buhar biriktirme ile üretilebilen sağlam nanomalzemelerdir; ancak transfer kolaylıkları ve yüzey morfolojilerinin 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 karakteristikleri (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, levha 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 oldukça kararlıdır1,2. Pul grafit, grafen araştırmaları için iyi bilinen bir başlangıç malzemesidir3. İnce filmlere işlendiğinde, akıllı telefonlar gibi elektronik cihazlarda ısı emiciler4,5,6,7, sensörlerde aktif malzeme olarak8,9,10 ve elektromanyetik girişim koruması11,12 ve aşırı ultraviyole ışınlarında 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 genleştirme işlemlerinin ardından eksfoliasyon kullanılmıştır10,11,17. Pulların gerekli kalınlıkta filmlere dönüştürülmesi gerekir ve yoğun grafit levhalar üretmek genellikle birkaç gün sürer. Diğer bir yaklaşım ise grafitlenebilir katı öncüllerle başlamaktır. Endüstride, polimer levhalar karbonize edilir (1000-1500 °C'de) ve ardından grafitlendirilir (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 filmler (<10 nm) üretmek için iyi bilinen bir yöntemdir21,22,23,24,25,26,27. Ancak, grafen ve ultra ince grafit filmlerin büyümesiyle karşılaştırıldığında28, CVD kullanılarak geniş alanlı NGF büyümesi ve/veya uygulaması daha da az araştırılmıştır11,13,29,30,31,32,33.
CVD ile büyütülen grafen ve grafit filmlerin sıklıkla işlevsel alt tabakalara aktarılması gerekir34. Bu ince film transferleri iki ana yöntemi içerir35: (1) aşındırmasız transfer36,37 ve (2) aşındırma bazlı 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 herhangi bir polimer kullanılmadığından bahsedildi (numune boyutu yaklaşık 4 cm2)25,43, ancak transfer sırasında numune stabilitesi ve/veya elleçleme ile ilgili hiçbir ayrıntı verilmemiştir; Polimerler kullanılarak gerçekleştirilen ıslak kimya prosesleri, feda edilebilir bir polimer tabakasının uygulanması ve ardından çıkarılması da dahil olmak üzere birkaç adımdan oluşur30,38,40,41,42. Bu prosesin dezavantajları vardır: örneğin, polimer kalıntıları büyütülen filmin özelliklerini değiştirebilir38. Ek işlemler kalıntı polimeri çıkarabilir, ancak bu ek adımlar film üretim maliyetini ve süresini artırır38,40. CVD büyütme sırasında, bir grafen tabakası yalnızca katalizör folyosunun ön yüzüne (buhar akışına bakan taraf) değil, aynı zamanda arka yüzüne de biriktirilir. Ancak, ikincisi bir atık ürün olarak kabul edilir ve yumuşak plazma ile hızla çıkarılabilir38,41. Bu filmin geri dönüştürülmesi, yüzey karbon filminden daha düşük kalitede olsa bile verimi en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olabilir.
Burada, polikristalin nikel folyo üzerinde CVD yöntemiyle yüksek yapısal kaliteye sahip yonga ölçeğinde çift taraflı NGF büyümesinin hazırlanmasını bildiriyoruz. Folyonun ön ve arka yüzeylerinin pürüzlülüğünün NGF'nin morfolojisi ve yapısını nasıl etkilediği değerlendirildi. Ayrıca, nikel folyonun her iki tarafından çok işlevli alt tabakalara uygun maliyetli ve çevre dostu polimer içermeyen NGF transferini gösteriyor ve ön ve arka filmlerin çeşitli uygulamalar için nasıl uygun olduğunu gösteriyoruz.
Aşağıdaki bölümlerde, üst üste bindirilmiş grafen katmanlarının sayısına bağlı olarak farklı grafit film kalınlıkları ele alınmaktadır: (i) tek katmanlı grafen (SLG, 1 katman), (ii) az 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 (100 µm2 başına yaklaşık %97 alan)30. Bu nedenle filmin tamamına kısaca NGF denir.
Grafen ve grafit filmlerin sentezinde kullanılan polikristalin nikel folyolar, üretim ve sonraki işlemler 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. Bu çalışmada, nikel folyonun cilalı ön (FS) ve cilasız arka (BS) yüzeylerinde NGF büyümesini daha ayrıntılı olarak inceledik (Şekil 1a). Tablo 1'de listelenen üç tür numune FS ve BS incelendi. Görsel incelemede, nikel folyonun (NiAG) her iki tarafında da NGF'nin düzgün büyümesi, toplu Ni alttaşının karakteristik metalik gümüş grisinden mat gri rengine dönüşmesiyle görülebilir (Şekil 1a); mikroskobik ölçümler doğrulandı (Şekil 1b, c). Şekil 1b'de kırmızı, mavi ve turuncu oklarla gösterilen parlak bölgede gözlenen FS-NGF'nin tipik bir Raman spektrumu Şekil 1c'de gösterilmektedir. Grafit G (1683 cm-1) ve 2D'nin (2696 cm-1) karakteristik Raman pikleri, yüksek kristalli NGF büyümesini doğrulamaktadır (Şekil 1c, Tablo SI1). Film boyunca, yoğunluk oranı (I2D/IG) ~0,3 olan Raman spektrumları baskın olarak gözlemlenirken, I2D/IG = 0,8 olan Raman spektrumları nadiren gözlenmiştir. Filmin tamamında hatalı piklerin (D = 1350 cm-1) olmaması, NGF büyümesinin yüksek kalitesini göstermektedir. BS-NGF numunesinde de benzer Raman sonuçları 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) örneğinin fotoğrafı ve elde edilen BS- ve FS-Ni folyo örnekleri, (b) Bir optik mikroskopla elde edilen FS-NGF Görüntüleri/Ni, (c) panel b'de farklı pozisyonlarda kaydedilen tipik Raman spektrumları, (d, f) FS-NGF/Ni üzerinde farklı büyütmelerde SEM görüntüleri, (e, g) BS-NGF/Ni kümelerinde 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, geniş alanlar üzerinde NGF kalınlığının makul bir şekilde kontrol altına alınması hala bir zorluktur20,34,44. 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 de 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 durum Raman saçılması (Şekil 1c) ve TEM sonuçlarıyla da doğrulanmıştır (“FS-NGF: yapı ve özellikler” bölümünde daha sonra tartışılacaktır). FS ve BS-NGF/Ni numunelerinde (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 gözlemlenmiştir (Şekil 1b, mor oklarla işaretlenmiştir). Bu katlanmalar, grafit ile nikel alt tabaka arasındaki termal genleşme katsayısındaki büyük fark nedeniyle genellikle CVD ile büyütülmüş grafen ve grafit filmlerde 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'nin SEM görüntüleri, Şekil SI3a–d'de gösterilmiş olup farklı yüzey morfolojilerini göstermektedir: cilalı FS-Ni folyo nano ve mikron boyutunda 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, BS-NiAR'nin cilalanmamış yüzeyinden kaynaklanmaktadır; bu yüzey, tavlamadan sonra bile önemli ölçüde pürüzlü kalır (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 geçirdiği ve bunun tavlanmış folyo ve katalizör filme kıyasla alt tabakanın tane boyutunu hafifçe azalttığı ve yüzey pürüzlülüğünü biraz artırdığı unutulmamalıdır22.
Alt tabaka yüzey pürüzlülüğünün, tavlama süresinin (tane boyutu)30,47 ve salınım kontrolünün43 ince ayarlanması, bölgesel NGF kalınlık homojenliğinin 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 işlemden geçirilmiş nikel folyo daha sonra, büyük Ni(111) taneciklerinin oluşumunu önlemek için daha düşük bir sıcaklıkta (< 900 °C)46 ve daha kısa sürede (< 5 dakika) tavlanabilir (bu, FLG büyümesi için faydalıdır).
SLG ve FLG grafeni asit ve suyun yüzey gerilimine dayanamaz ve ıslak kimyasal transfer işlemleri sırasında mekanik destek katmanlarına ihtiyaç duyar22,34,38. Polimer destekli tek katmanlı grafenin ıslak kimyasal transferinin aksine38, büyütülmüş NGF'nin her iki tarafının da Şekil 2a'da gösterildiği gibi polimer desteği olmadan aktarılabileceğini bulduk (daha fazla ayrıntı için Şekil SI4a'ya bakın). NGF'nin belirli bir alt tabakaya transferi, alttaki Ni30.49 filminin ıslak aşındırılmasıyla başlar. Büyütülmüş NGF/Ni/NGF örnekleri, 600 mL deiyonize (DI) su ile seyreltilmiş 15 mL %70 HNO3'te bir gece bekletildi. Ni folyo tamamen çözündükten sonra, FS-NGF düz kalır ve tıpkı NGF/Ni/NGF örneği gibi sıvının yüzeyinde yüzer; BS-NGF ise suya daldırılır (Şekil 2a,b). İzole edilen NGF, taze deiyonize su içeren bir beherden başka bir behere aktarıldı ve izole edilen NGF, içbükey cam kapta dört ila altı kez tekrarlanarak iyice yıkandı. 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 aşındırmasından sonra ayrılmış NGF'nin dijital fotoğrafı (2 örnek), (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 örnekten (iki parçaya bölünmüş) alınan BS-NGF, altın kaplama C kağıdına ve Nafion'a (kenarları kırmızı köşelerle işaretlenmiş esnek, şeffaf alt tabaka) transfer edilmiştir.
Islak kimyasal transfer yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen SLG transferinin toplam 20-24 saatlik bir işlem süresi gerektirdiğini unutmayın 38 . Burada gösterilen polimersiz transfer tekniğiyle (Şekil SI4a), toplam NGF transfer işlem süresi önemli ölçüde azalır (yaklaşık 15 saat). İşlem şunlardan oluşur: (Adım 1) Bir aşındırma çözeltisi hazırlayın ve örneği 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 etkiyle (kurutma kağıdı kullanılarak) uzaklaştırılır38, ardından kalan su damlacıkları doğal kurutmayla uzaklaştırılır (yaklaşık 30 dakika) ve son olarak örnek, 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 dayanıklı olduğu bilinmektedir50,51,52. Numuneleri oda sıcaklığında deiyonize suda ve birkaç günden bir yıla kadar kapalı şişelerde sakladıktan sonra Raman spektroskopisi, SEM ve XRD kullanarak test ettik (Şekil SI4). Belirgin 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. Ayrıca, Şekil 2d,e'de gösterildiği gibi, sürekli NGF, polimerler (Nexolve ve Nafion'dan Thermabright poliamid) ve altın kaplı 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, dikkatsiz kullanım 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 ve kesintisiz transfer) başardık. Kalan büyük veya küçük parçalar (aşındırma çözeltisinde veya deiyonize suda kolayca görülebilir) istenen alt tabakaya (~1 mm2, Şekil SI4b, örneğin "FS-NGF: Yapı ve Özellikler (tartışılan) "Yapı ve Özellikler" altında "FS-NGF: Yapı ve Özellikler"de olduğu gibi bakır ızgaraya aktarılmasına bakın) yerleştirilebilir veya gelecekte kullanılmak üzere saklanabilir (Şekil SI4). Bu kritere dayanarak, NGF'nin transfer için büyütüldükten sonra %98-99'a varan verimlerle geri kazanılabileceğini tahmin ediyoruz.
Polimer içermeyen transfer örnekleri ayrıntılı olarak analiz edildi. Optik mikroskopi (OM) ve SEM görüntüleri (Şekil SI5 ve Şekil 3) kullanılarak FS ve BS-NGF/SiO2/Si üzerinde elde edilen yüzey morfolojik özellikleri, bu örneklerin mikroskopi olmadan transfer edildiğini gösterdi. Çatlaklar, delikler veya açılmamış alanlar gibi görünür yapısal hasarlar. Büyüyen NGF üzerindeki kıvrımlar (Şekil 3b, d, mor oklarla işaretlenmiş) 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). . Mekanik bütünlük, daha sonra tartışıldığı gibi, dantel karbon bakır ızgaralara aktarılan NGF'nin TEM ve SEM görüntüleri kullanılarak daha da doğrulandı ("FS-NGF: Yapı ve Özellikler"). Aktarılan BS-NGF/SiO2/Si, Şekil SI6a ve b'de (20 × 20 μm2) gösterildiği gibi sırasıyla 140 nm ve 17 nm rms değerleriyle FS-NGF/SiO2/Si'den daha pürüzlüdür. SiO2/Si alt tabakasına 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.
SiO2/Si yongası üzerinde polimersiz transfer edilmiş NGF (NiAG) (bkz. Şekil 2c): (a,b) Transfer edilmiş FS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (paneldeki turuncu kareye karşılık gelir). Tipik alanlar) – a). (c,d) Transfer edilmiş BS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (panel c'deki turuncu kareyle gösterilen tipik alana karşılık gelir). (e, f) Transfer edilmiş 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 kontaminasyonu 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 C1s spektrumu (Şekil 4d) da saf transferi (yani polimer kalıntısı yok) doğruladı; bu da önceki çalışmalarla tutarlıdır38. Taze büyütülmüş numunenin (NiAG) ve transferden sonraki C1s spektrumlarının çizgi genişlikleri sırasıyla 0,55 ve 0,62 eV'dir. Bu değerler, SLG'ninkilerden (SiO2 alttaş üzerindeki SLG için 0,49 eV) daha yüksektir38. Ancak, bu değerler, daha önce bildirilen yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafen numuneleri için çizgi genişliklerinden (~0,75 eV)53,54,55 daha küçüktür ve bu da mevcut malzemede kusurlu karbon bölgelerinin bulunmadığını gösterir. C1s ve O1s zemin seviyesi spektrumlarında da omuzlar yoktur ve bu da yüksek çözünürlüklü tepe dekonvolüsyonuna olan ihtiyacı ortadan kaldırır54. Grafit numunelerinde 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, yüzeye duyarlı bir teknik olduğundan, NGF transferinden önce ve sonra sırasıyla tespit edilen Ni ve SiO2'ye karşılık gelen sinyallerin FLG bölgesinden kaynaklandığı varsayılır. Transfer edilen BS-NGF numuneleri için de benzer sonuçlar gözlenmiştir (gösterilmemiştir).
NiAG XPS sonuçları: (ac) Sırasıyla yetiştirilen FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ve aktarılan FS-NGF/SiO2/Si'nin farklı element atom bileşimlerinin tarama spektrumları. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si örneğinin çekirdek seviyeleri C 1 s, O 1s ve Si 2p'nin 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 etmekte ve aktarım adımından sonra korunan d = 0,335 nm'lik bir katmanlar arası mesafeye karşılık gelmektedir. 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 göstermektedir.
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 (Şekil SI2, SI5 ve SI7).
200 nm kalınlığa kadar polimer destek katmanlarına sahip SLG'ler su üzerinde yüzebilir. Bu kurulum, polimer destekli ıslak kimyasal transfer işlemlerinde yaygın olarak 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 (yaklaşık 300 katman) ile etkileşiminin 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'ye kıyasla) 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 ıslanma reaksiyonunu düzenlemek için karışık çözücüler kullanmaktır59.
SLG'nin ıslak kimyasal transfer işlemleri yoluyla çeşitli tipteki alt tabakalara transferi daha önce bildirilmiştir. Genel olarak, grafen/grafit filmleri ve alt tabakalar (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunlar22 gibi sert alt tabakalar ve dantelli karbon filmler30, 34 veya poliimid 37 gibi esnek alt tabakalar) arasında zayıf van der Waals kuvvetlerinin bulunduğu kabul edilir. Burada aynı tipteki etkileşimlerin baskın olduğunu varsayıyoruz. Burada sunulan alt tabakaların 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 numunesinin çekirdek seviyesinin XPS C 1 s spektrumunda bir SiC zirvesi gözlemlemedik (Şekil 4). Bu sonuçlar, NGF ile hedef alt tabaka arasında kimyasal bir bağ olmadığını göstermektedir.
Önceki bölüm olan "FS ve BS-NGF'nin polimersiz transferi"nde, NGF'nin nikel folyonun her iki tarafında da büyüyüp transfer edilebileceğini göstermiştik. Bu FS-NGF'ler ve BS-NGF'ler yüzey pürüzlülüğü açısından aynı olmadığından, her iki tür için en uygun uygulamaları araştırmaya yöneldik.
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 bir örtüşme ve hasar veya yırtılma yok; bu durum SEM (Şekil 3) ve yüksek büyütmeli TEM çalışmalarıyla (Şekil 5c-e) da 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 olan 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 numunesinin 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 oklarla işaretlenmiştir. Panel a ve c'deki yeşil oklar, ışın hizalaması sırasında oluşan dairesel hasar alanlarını göstermektedir. (f–i) Panel a ila c'de, farklı bölgelerdeki SAED desenleri sırasıyla mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı dairelerle gösterilmiştir.
Şekil 5c'deki şerit yapısı (kırmızı okla işaretlenmiştir) grafit kafes düzlemlerinin dikey yönelimini göstermektedir; bu yönelim, telafi edilmemiş aşırı kayma gerilimi nedeniyle film boyunca nanofoldların (Şekil 5c'de ekte) oluşumundan kaynaklanıyor olabilir30,61,62. Yüksek çözünürlüklü TEM altında, bu nanofoldlar 30, NGF bölgesinin geri kalanından farklı bir kristalografik yönelim sergiler; grafit kafesin taban düzlemleri, filmin geri kalanı gibi yatay değil, neredeyse dikey olarak yönlendirilmiştir (Şekil 5c'de ekte). Benzer şekilde, FLG bölgesi zaman zaman doğrusal ve dar bant benzeri kıvrımlar sergiler (mavi oklarla işaretlenmiştir), bunlar sırasıyla Şekil 5b ve 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 oldukça uyumludur30. 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. Şekil SI9f'de iyi asılı FLG bölgesi (mavi okla işaretli) ve kırık bölge. Mavi ok (aktarılan NGF'nin kenarında), FLG bölgesinin polimer olmadan transfer sürecine direnebileceğini göstermek için kasıtlı olarak sunulmuştur. Özetle, bu görüntüler kısmen asılı NGF'nin (FLG bölgesi dahil) TEM ve SEM ölçümleri sırasında sıkı kullanım ve yüksek vakuma maruz bırakıldıktan sonra bile mekanik bütünlüğünü koruduğunu doğrulamaktadır (Şekil SI9).
NGF'nin mükemmel düzlüğü nedeniyle (bkz. Şekil 5a), pulları [0001] alan ekseni boyunca yönlendirerek SAED yapısını analiz etmek zor değildir. Filmin yerel kalınlığına ve konumuna bağlı olarak, elektron kırınımı çalışmaları için birkaç ilgi alanı (12 nokta) belirlenmiştir. Şekil 5a–c'de, bu tipik bölgelerden dördü gösterilmiş ve renkli dairelerle işaretlenmiştir (mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı kodlu). 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 uyumsuzluğundan da anlaşılacağı üzere, [0001] bölge ekseninin aynı yönelimine sahip, 10° ve 20° döndürülmüş üç üst üste bindirilmiş desen 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 katmanı 33'ten ortaya çıkabilir. Buna karşılık, Şekil 5h,i'deki elektron kırınım desenleri (Şekil 5a'da gösterilen NGF bölgesine karşılık gelir), daha büyük malzeme kalınlığına karşılık gelen genel olarak daha yüksek nokta kırınım yoğunluğuna sahip tek bir [0001] desen göstermektedir. Bu SAED modelleri, 64 indeksinden anlaşıldığı 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, kristalitlerin belirli bir derecede düzlem içi veya düzlem dışı yanlış yönelime sahip olmasıdır. Ni 64 filmler üzerine 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, 10x3 mm2'lik bir alan üzerinde 300 K'de 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) daha yüksektir29. Gözlenen 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; bu da NGF'nin görünür ışığa yarı saydam olduğunu göstermektedir. Nitekim, Şekil 6b'deki numunenin dijital fotoğrafında “KAUST” ismi 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, gözlemlenen optik şeffaflığın, film boyunca dağılmış olan FLG ve MLG bölgelerine karşılık geldiğini varsayıyoruz (Şekil 1, 3, 5 ve 6c). Yukarıdaki yapısal verilere ek olarak, iletkenlik ve şeffaflık da aktarılan NGF'nin yüksek kristal kalitesini doğrulamaktadır.
(a) UV-görünür ışık geçirgenlik ölçümü, (b) temsili bir örnek kullanılarak kuvars üzerinde tipik NGF transferi. (c) Örnek boyunca eşit dağılmış FLG ve MLG bölgelerinin gri rastgele şekillerle işaretlendiği NGF şeması (koyu kutu) (bkz. Şekil 1) (100 μm2 başına yaklaşık %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 filmler görünür ışığa %97,7 oranında şeffaftır, ancak 200-3000 ohm/kare'lik bir tabaka direncine sahiptir16. Grafen filmlerin yüzey direnci, katman sayısını artırarak (çoklu grafen katmanları transferi) ve HNO3 (~30 Ohm/kare) ile katkılanarak azaltılabilir66. 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 levha 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 benzese de, pürüzlülüğü farklıdır ("FS ve BS-NGF'nin Büyümesi"). Daha önce, gaz sensörü olarak ultra ince film grafit22 kullandık. Bu nedenle, BS-NGF'yi gaz algılama görevleri için kullanmanın 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 detayları daha önce bildirilmişti; aktif hassas alanı 9 mm267'dir. SEM görüntülerinde (Şekil SI10b ve c), alttaki altın elektrot NGF aracılığıyla açıkça görülebilmektedir. Yine, tüm numuneler için düzgün çip kaplamasının sağlandığı görülebilir. Çeşitli gazların gaz sensörü ölçümleri kaydedildi (Şekil SI10d) (Şekil SI11) ve elde edilen tepki oranları Şekil SI10g'de gösterilmektedir. SO2 (200 ppm), H2 (%2), CH4 (200 ppm), CO2 (%2), H2S (200 ppm) ve NH3 (200 ppm) dahil olmak üzere diğer karışan gazlarla muhtemeldir. 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 karşılaştırması 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 edecektir69.
CVD işlemi sırasında, katalizör substratının her iki tarafında da grafen büyümesi meydana gelir41. Ancak, BS-grafen genellikle transfer işlemi sırasında dışarı atılır41. Bu çalışmada, katalizör desteğinin her iki tarafında yüksek kaliteli NGF büyümesi ve polimersiz NGF transferinin elde edilebileceğini gösterdik. 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. Buna karşılık, BS-NGF gaz algılama için (Şekil SI9) ve muhtemelen yüzey pürüzlülüğünün faydalı olacağı enerji depolama sistemlerinde71,72 kullanılacaktır.
Yukarıdakiler göz önüne alındığında, mevcut çalışmayı CVD ve nikel folyo kullanılarak büyütülmüş daha önce yayınlanmış grafit filmlerle birleştirmek faydalı olacaktır. Tablo 2'de görülebileceği gibi, kullandığımız daha yüksek basınçlar, nispeten düşük sıcaklıklarda (850-1300 °C aralığında) bile reaksiyon süresini (büyüme aşaması) kısaltmıştır. Ayrıca, normalden daha yüksek bir büyüme elde ettik ve bu da genişleme potansiyeline işaret etmektedir. Dikkate alınması gereken başka faktörler de vardır 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, nikel folyonun arka ve ön taraflarında büyütülen NGF'nin çeşitli işlem açısından kritik substratlara temiz ve hatasız ıslak transferini başardık. NGF, özellikle daha kalın filme yapısal olarak iyi entegre olmuş FLG ve MLG bölgeleri (tipik olarak 100 µm2 başına %0,1 ila %3) içerir. Düzlemsel TEM, bu bölgelerin iki ila üç grafit/grafen parçacığından (sırasıyla kristaller veya katmanlar) oluşan yığınlardan 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 çeşitliliği ve üretim ve taşıma için geliştirdiğimiz basit yöntem, bu filmleri, günümüzde kullanılan enerji yoğun endüstriyel üretim süreçlerinin maliyeti olmadan, grafitin işlevsel tepkisini gerektiren uygulamalar için özellikle uygun hale getirir.
25 μm kalınlığında nikel folyo (%99,5 saflıkta, Goodfellow) ticari bir CVD reaktörüne (Aixtron 4 inç BMPro) yerleştirildi. Sistem argonla temizlendi ve 10-3 mbar 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 basınca maruz bırakıldı. NGF, 5 dakika boyunca CH4/H2 (her biri 100 cm3) akışına biriktirildi. 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 görüntülendi. Numune yüzey pürüzlülüğü ve NGF kalınlığı, AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) kullanılarak ölçüldü. TEM ve SAED ölçümleri, nihai 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. Uzaysal çözünürlük 0,09 nm. NGF numuneleri, düz TEM görüntüleme ve SAED yapı analizi için karbon dantelli kaplı bakır ızgaralara aktarıldı. Böylece, numune floklarının çoğu destekleyici membranın gözeneklerinde asılı kalır. 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 çeşitli Raman noktası ölçümleri kaydedildi. Termal kaynaklı etkileri önlemek için düşük uyarma gücüne (25%) sahip 532 nm lazer kullanıldı. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), 300 × 700 μm2'lik bir örnek alanı üzerinde, 150 W gücünde tek renkli Al Kα radyasyonu (hν = 1486,6 eV) kullanılarak bir Kratos Axis Ultra spektrometresi üzerinde 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), optik bir 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'de 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 geçirilen UV-vis spektrumları kaydedildi.
Kimyasal direnç sensörü (iç içe geçmiş elektrot çipi), özel bir baskılı devre kartı 73'e bağlandı ve direnç geçici olarak çıkarıldı. Cihazın bulunduğu baskılı devre kartı, kontak terminallerine bağlanarak gaz algılama odası 74'ün içine yerleştirildi. Direnç ölçümleri, temizlemeden gaza maruz bırakmaya ve ardından tekrar temizlemeye kadar sürekli bir tarama ile 1 V voltajda alındı. Oda, nem de dahil olmak üzere odada bulunan diğer tüm analitlerin giderilmesini sağlamak için başlangıçta 200 cm3'te 1 saat boyunca azotla temizlendi. Daha sonra, N2 silindiri kapatılarak tek tek analitler, aynı 200 cm3 akış hızında yavaşça odaya 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 Karbon, Grafit, Elmas ve Fulleren El Kitabı: Özellikler, İşleme ve Uygulamalar. İlk baskı 1994, New Jersey'de düzenlenmiştir.
Tsai, W. ve diğerleri. Şeffaf ince iletken elektrotlar olarak geniş alanlı çok katmanlı grafen/grafit filmler. 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 filmlerin 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 Ağustos 2024