Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi sonuçlar için, tarayıcınızın daha yeni bir sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamlılığını sağlamak için siteyi stil veya JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
Nan ölçekli grafit filmler (NGF'ler), katalitik kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle üretilebilen sağlam nanomalzemelerdir, ancak transfer kolaylıkları ve yüzey morfolojisinin yeni nesil cihazlardaki kullanımlarını nasıl etkilediği konusunda sorular hala mevcuttur. Burada, polikristalin nikel folyonun (alan 55 cm2, kalınlık yaklaşık 100 nm) her iki tarafında NGF büyümesini ve polimer içermeyen transferini (ön ve arka, alan 6 cm2'ye kadar) rapor ediyoruz. Katalizör folyonun morfolojisi nedeniyle, iki karbon film fiziksel özellikleri ve diğer karakteristikleri (yüzey pürüzlülüğü gibi) bakımından farklılık gösterir. Arka yüzü daha pürüzlü olan NGF'lerin NO2 tespiti için uygun olduğunu, ön yüzü daha pürüzsüz ve daha iletken olan NGF'lerin (2000 S/cm, levha direnci – 50 ohm/m2) ise güneş pilinin kanal veya elektrotu için uygun iletkenler olabileceğini gösteriyoruz (çünkü görünür ışığın %62'sini iletir). Genel olarak, açıklanan büyüme ve taşıma süreçleri, grafen ve mikron kalınlığındaki grafit filmlerin uygun olmadığı teknolojik uygulamalar için NGF'nin alternatif bir karbon malzeme olarak gerçekleştirilmesine yardımcı olabilir.
Grafit, yaygın olarak kullanılan bir endüstriyel malzemedir. Özellikle, grafit nispeten düşük kütle yoğunluğuna ve yüksek düzlem içi termal ve elektriksel iletkenliğe 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 malzeme8,9,10 ve elektromanyetik girişim koruması11,12 ve aşırı ultraviyolede litografi için filmler13,14, güneş pillerinde iletken kanallar15,16 dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Tüm bu uygulamalar için, nano ölçekte (<100 nm) kontrol edilen kalınlıklara sahip geniş alanlı grafit filmlerin (NGF'ler) kolayca üretilip taşınabilmesi önemli bir avantaj olacaktır.
Grafit filmler çeşitli yöntemlerle üretilir. Bir durumda, grafen pulları üretmek için gömme ve genişletmeyi takiben pul pul ayrıştırma kullanılmıştır10,11,17. Pulların gerekli kalınlıkta filmlere dönüştürülmesi daha sonra işlenmelidir ve yoğun grafit levhaların üretilmesi genellikle birkaç gün sürer. Başka bir yaklaşım ise grafitlenebilir katı öncüllerle başlamaktır. Endüstride, polimer levhalar karbonize edilir (1000–1500 °C'de) ve ardından grafitize edilir (2800–3200 °C'de) ve iyi yapılandırılmış katmanlı malzemeler oluşturulur. Bu filmlerin kalitesi yüksek olmasına rağmen, enerji tüketimi önemli ölçüdedir1,18,19 ve minimum kalınlık birkaç mikronla sınırlıdır1,18,19,20.
Katalitik kimyasal buhar biriktirme (CVD), yüksek yapısal kaliteye ve makul maliyete sahip grafen ve ultra ince grafit filmlerin (<10 nm) üretimi için iyi bilinen bir yöntemdir21,22,23,24,25,26,27. Bununla birlikte, grafen ve ultra ince grafit filmlerin büyümesiyle karşılaştırıldığında28, CVD kullanılarak geniş alanlı NGF büyümesi ve/veya uygulaması daha az araştırılmıştır11,13,29,30,31,32,33.
CVD ile yetiştirilen grafen ve grafit filmlerin genellikle fonksiyonel alt tabakalara aktarılması gerekir34. Bu ince film aktarımları iki ana yöntem içerir35: (1) aşındırma gerektirmeyen aktarım36,37 ve (2) aşındırma tabanlı ıslak kimyasal aktarım (alt tabaka destekli)14,34,38. Her yöntemin bazı avantajları ve dezavantajları vardır ve başka yerlerde açıklandığı gibi35,39 amaçlanan uygulamaya bağlı olarak seçilmelidir. Katalitik alt tabakalarda yetiştirilen grafen/grafit filmler için, ıslak kimyasal işlemler yoluyla aktarım (bunlardan polimetil metakrilat (PMMA) en yaygın kullanılan destek tabakasıdır) ilk tercih olmaya devam etmektedir13,30,34,38,40,41,42. You ve ark. NGF aktarımı için hiçbir polimer kullanılmadığından (örnek boyutu yaklaşık 4 cm2)25,43 bahsedildi, ancak aktarım sırasında örnek stabilitesi ve/veya işlenmesiyle ilgili hiçbir ayrıntı verilmedi; Polimerler kullanılarak yapılan ıslak kimya işlemleri, bir feda edilebilir polimer tabakasının uygulanması ve ardından çıkarılması da dahil olmak üzere birkaç adımdan oluşur30,38,40,41,42. Bu işlemin dezavantajları vardır: örneğin, polimer kalıntıları büyütülen filmin özelliklerini değiştirebilir38. Ek işlemler artık polimeri uzaklaştırabilir, ancak bu ek adımlar film üretiminin maliyetini ve süresini artırır38,40. CVD büyümesi sırasında, grafen tabakası sadece katalizör folyosunun ön tarafına (buhar akışına bakan taraf) değil, aynı zamanda arka tarafına da biriktirilir. Bununla birlikte, ikincisi atık ürün olarak kabul edilir ve yumuşak plazma ile hızlı bir şekilde uzaklaştırılabilir38,41. Bu filmin geri dönüşümü, yüzey karbon filmine göre daha düşük kalitede olsa bile, verimi en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olabilir.
Burada, CVD yöntemiyle polikristalin nikel folyo üzerinde yüksek yapısal kaliteye sahip, wafer ölçeğinde çift taraflı NGF büyümesinin hazırlanmasını rapor ediyoruz. Folyonun ön ve arka yüzeyinin pürüzlülüğünün NGF'nin morfolojisi ve yapısını nasıl etkilediği değerlendirilmiştir. Ayrıca, nikel folyonun her iki tarafından çok fonksiyonlu alt tabakalara NGF'nin uygun maliyetli ve çevre dostu, polimer içermeyen transferini gösteriyoruz ve ön ve arka filmlerin çeşitli uygulamalar için nasıl uygun olduğunu gösteriyoruz.
Aşağıdaki bölümlerde, istiflenmiş grafen katmanlarının sayısına bağlı olarak farklı grafit film kalınlıkları tartışılmaktadır: (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). Sonuncusu, 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 filmlerinin sentezinde kullanılan polikristalin nikel folyolar, üretimleri ve sonrasındaki işlemler sonucunda farklı dokulara sahiptir. Yakın zamanda NGF30'un büyüme sürecini optimize etmeye yönelik bir çalışma yayınladık. Büyüme aşamasındaki tavlama süresi ve oda basıncı gibi işlem parametrelerinin, düzgün kalınlıkta NGF'ler elde etmede kritik bir rol oynadığını gösterdik. Burada, nikel folyonun cilalı ön (FS) ve cilasız arka (BS) yüzeylerinde NGF büyümesini daha ayrıntılı olarak inceledik (Şekil 1a). Tablo 1'de listelenen üç tip FS ve BS numunesi incelendi. Görsel incelemede, nikel folyonun (NiAG) her iki tarafında da NGF'nin düzgün büyümesi, ana Ni alt tabakasının karakteristik metalik gümüş griden mat gri renge dönüşmesiyle görülebilir (Şekil 1a); mikroskobik ölçümler bunu doğruladı (Şekil 1b, c). Şekil 1b'de kırmızı, mavi ve turuncu oklarla gösterilen parlak bölgede gözlemlenen FS-NGF'nin tipik bir Raman spektrumu Şekil 1c'de gösterilmiştir. Grafit G (1683 cm⁻¹) ve 2D (2696 cm⁻¹) karakteristik Raman pikleri, yüksek kristalli 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 kusurlu piklerin (D = 1350 cm⁻¹) yokluğu, NGF büyümesinin yüksek kalitesini göstermektedir. BS-NGF numunesinde de benzer Raman sonuçları elde edilmiştir (Şekil SI1a ve b, Tablo SI1).
NiAG FS- ve BS-NGF'nin karşılaştırılması: (a) Tipik bir NGF (NiAG) numunesinin fotoğrafı, wafer ölçeğinde (55 cm2) NGF büyümesini ve elde edilen BS- ve FS-Ni folyo numunelerini göstermektedir, (b) Optik mikroskopla elde edilen FS-NGF/Ni görüntüleri, (c) b panelindeki farklı konumlarda 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 bölgesine yakın), kırmızı ok NGF bölgesini ve macenta ok katlanmayı göstermektedir.
Büyüme, başlangıçtaki alt tabakanın kalınlığına, kristal boyutuna, yönelimine ve tane sınırlarına bağlı olduğundan, geniş alanlarda NGF kalınlığının makul bir şekilde kontrol edilmesi hala bir zorluktur20,34,44. Bu çalışmada daha önce yayınladığımız içerik kullanılmıştır30. Bu işlem, 100 µm başına %0,1 ila %3 oranında parlak bir bölge üretir230. Aşağıdaki bölümlerde, her iki bölge türü için sonuçları sunuyoruz. Yüksek büyütmeli SEM görüntüleri, her iki tarafta da birkaç parlak kontrast alanının varlığını göstermektedir (Şekil 1f,g), bu da FLG ve MLG bölgelerinin varlığını göstermektedir30,45. Bu, Raman saçılımı (Şekil 1c) ve TEM sonuçlarıyla da doğrulanmıştır (daha sonra "FS-NGF: yapı ve özellikler" bölümünde tartışılacaktır). FS- ve BS-NGF/Ni örneklerinde (Ni üzerinde büyütülen ön ve arka NGF) gözlemlenen FLG ve MLG bölgeleri, ön tavlama sırasında oluşan büyük Ni(111) taneleri 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 CVD ile yetiştirilen grafen ve grafit filmlerinde sıklıkla bulunur30,38.
AFM görüntüsü, FS-NGF numunesinin BS-NGF numunesinden daha düz olduğunu doğruladı (Şekil SI1) (Şekil SI2). FS-NGF/Ni (Şekil SI2c) ve BS-NGF/Ni'nin (Şekil SI2d) ortalama karekök (RMS) pürüzlülük değerleri sırasıyla 82 ve 200 nm'dir (20 × 20 μm2'lik bir alan üzerinde ölçülmüştür). Daha yüksek pürüzlülük, nikel (NiAR) folyonun işlenmemiş haldeki yüzey analizine dayanarak anlaşılabilir (Şekil SI3). FS ve BS-NiAR'ın SEM görüntüleri Şekil SI3a-d'de gösterilmiştir ve farklı yüzey morfolojilerini göstermektedir: cilalanmış FS-Ni folyosu nano ve mikron boyutlu küresel parçacıklara sahipken, cilalanmamış BS-Ni folyosu yüksek mukavemetli ve azalan parçacıklar olarak bir üretim merdiveni sergilemektedir. Tavlanmış nikel folyonun (NiA) düşük ve yüksek çözünürlüklü görüntüleri Şekil SI3e–h'de gösterilmiştir. Bu şekillerde, nikel folyonun her iki tarafında da 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'ın cilalanmamış yüzeyinden kaynaklanmaktadır; bu yüzey, tavlamadan sonra bile önemli ölçüde pürüzlü kalmaktadır (Şekil SI3). Büyüme işleminden önce yapılan bu tür yüzey karakterizasyonu, grafen ve grafit filmlerinin pürüzlülüğünün kontrol edilmesini sağlar. Orijinal alt tabakanın grafen büyümesi sırasında bazı tane yeniden düzenlenmesine uğradığı, bunun da tane boyutunu biraz azalttığı ve alt tabakanın yüzey pürüzlülüğünü tavlanmış folyo ve katalizör filmine kıyasla biraz artırdığı belirtilmelidir22.
Yüzey pürüzlülüğünün, tavlama süresinin (tane boyutu)30,47 ve salınım kontrolünün43 ince ayarı, bölgesel NGF kalınlık homojenliğini µm2 ve/veya hatta nm2 ölçeğine (yani birkaç nanometre kalınlık varyasyonlarına) düşürmeye yardımcı olacaktır. Yüzey pürüzlülüğünü kontrol etmek için, elde edilen nikel folyonun elektrolitik parlatılması gibi yöntemler düşünülebilir48. Ön işlemden geçirilmiş nikel folyo daha sonra büyük Ni(111) tanelerinin oluşumunu önlemek için daha düşük bir sıcaklıkta (< 900 °C) 46 ve sürede (< 5 dk) tavlanabilir (bu, FLG büyümesi için faydalıdır).
SLG ve FLG grafen, asitlerin 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, Şekil 2a'da gösterildiği gibi (daha fazla ayrıntı için Şekil SI4a'ya bakınız), büyütülmüş NGF'nin her iki tarafının da polimer desteği olmadan transfer edilebildiğini bulduk. NGF'nin belirli bir alt tabakaya transferi, alttaki Ni30.49 filminin ıslak aşındırılmasıyla başlar. Büyütülmüş NGF/Ni/NGF numuneleri, 600 mL deiyonize (DI) su ile seyreltilmiş 15 mL %70 HNO3'e bir gece boyunca yerleştirildi. Ni folyo tamamen çözündükten sonra, FS-NGF, NGF/Ni/NGF numunesi gibi düz kalır ve sıvının yüzeyinde yüzerken, BS-NGF suya batırılır (Şekil 2a,b). İzole edilen NGF daha sonra 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 alt tabakaya yerleştirildi (Şekil 2c).
Nikel folyo üzerinde yetiştirilen NGF için polimer içermeyen ıslak kimyasal transfer işlemi: (a) İşlem akış şeması (daha fazla ayrıntı için Şekil SI4'e bakınız), (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) d panelindeki aynı örnekten alınan BS-NGF (iki parçaya bölünmüş), altın kaplama C kağıdına ve Nafion'a (esnek şeffaf alt tabaka, kenarları kırmızı köşelerle işaretlenmiş) transfer edilmiştir.
Islak kimyasal transfer yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen SLG transferinin toplam işlem süresinin 20-24 saat olduğunu unutmayın 38. Burada gösterilen polimer içermeyen transfer tekniğiyle (Şekil SI4a), genel NGF transfer işlem süresi önemli ölçüde azalır (yaklaşık 15 saat). İşlem şunlardan oluşur: (Adım 1) Bir aşındırma çözeltisi hazırlayın ve numuneyi içine yerleştirin (~10 dakika), ardından Ni aşındırması için gece boyunca bekleyin (~7200 dakika), (Adım 2) Deiyonize su ile durulayın (Adım – 3). Deiyonize suda saklayın veya hedef alt tabakaya aktarın (20 dk). NGF ve ana matris arasında sıkışan su, kılcal etkiyle (emici kağıt kullanılarak) uzaklaştırılır 38, ardından kalan su damlacıkları doğal kurutma ile uzaklaştırılır (yaklaşık 30 dk) ve son olarak numune 50-90 °C'de (60 dk) vakumlu fırında (10-1 mbar) 10 dakika kurutulur 38.
Grafitin, oldukça yüksek sıcaklıklarda (≥ 200 °C) su ve havanın varlığına dayanabildiği 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). Gözle görülür bir bozulma yok. Şekil 2c, deiyonize suda serbest duran FS-NGF ve BS-NGF'yi göstermektedir. Bunları, Şekil 2c'nin başında gösterildiği gibi, bir SiO2 (300 nm)/Si alt tabakasına yerleştirdik. Ek olarak, 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). Bununla birlikte, 3 cm2'den büyük BS-NGF numuneleri, tamamen suya batırıldığında 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 polimer içermeyen PS- ve BS-NGF transferini (6 cm2'de NGF/Ni/NGF büyümesi olmadan sürekli ve kusursuz transfer) başarabildik. Kalan büyük veya küçük parçalar (aşındırma çözeltisinde veya deiyonize suda kolayca görülebilir) istenen alt tabakaya (~1 mm2, Şekil SI4b, “FS-NGF: Yapı ve Özellikler (tartışılan)” bölümünde olduğu gibi bakır ızgaraya aktarılan numuneye bakın) yerleştirilebilir veya gelecekteki kullanım için saklanabilir (Şekil SI4). Bu kritere dayanarak, NGF'nin %98-99'a kadar verimle geri kazanılabileceğini tahmin ediyoruz (transfer için büyümeden sonra).
Polimer içermeyen transfer örnekleri detaylı 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 (Şekil 2c), bu örneklerin mikroskopi olmadan transfer edildiğini gösterdi. Çatlaklar, delikler veya açılmış alanlar gibi görünür yapısal hasarlar yoktu. Büyüyen NGF üzerindeki kıvrımlar (Şekil 3b, d, mor oklarla işaretlenmiş) transferden sonra bozulmadan kaldı. Hem FS- hem de BS-NGF'ler FLG bölgelerinden oluşmaktadır (Şekil 3'te mavi oklarla gösterilen parlak bölgeler). Şaşırtıcı bir şekilde, ultra ince grafit filmlerin polimer transferi sırasında tipik olarak gözlemlenen birkaç hasarlı bölgenin aksine, NGF'ye bağlanan birkaç mikron boyutlu FLG ve MLG bölgesi (Şekil 3d'de mavi oklarla işaretlenmiş) çatlak veya kırılma olmadan transfer edildi (Şekil 3d). Mekanik bütünlük, daha sonra tartışılacağı üzere, 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 yetiştirilen NGF'ninkinden (Şekil SI2) önemli ölçüde daha düşüktür (yaklaşık 3 kat), bu da ek pürüzlülüğün Ni yüzeyine karşılık gelebileceğini göstermektedir. Ek olarak, FS- ve BS-NGF/SiO2/Si numunelerinin kenarlarında yapılan AFM görüntüleri, sırasıyla 100 ve 80 nm NGF kalınlıklarını göstermiştir (Şekil SI7). BS-NGF'nin daha ince olması, yüzeyin öncü gaza doğrudan maruz kalmamasından kaynaklanıyor olabilir.
Polimer içermeyen, SiO2/Si yonga levhasına aktarılmış NGF (NiAG) (bkz. Şekil 2c): (a,b) Aktarılmış FS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (paneldeki turuncu kareye karşılık gelir). Tipik alanlar) – a). (c,d) Aktarılmış BS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (panel c'deki turuncu kare ile gösterilen tipik alana karşılık gelir). (e, f) Aktarılmış 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.
Büyütülen ve aktarılan FS- ve BS-NGF'lerin kimyasal bileşimi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile analiz edildi (Şekil 4). Ölçülen spektrumlarda (Şekil 4a, b), büyütülen FS- ve BS-NGF'lerin (NiAG) Ni alt tabakasına (850 eV) karşılık gelen zayıf bir tepe noktası gözlemlendi. Aktarılan FS- ve BS-NGF/SiO2/Si'nin ölçülen spektrumlarında tepe noktası bulunmamaktadır (Şekil 4c; BS-NGF/SiO2/Si için benzer sonuçlar gösterilmemiştir), bu da aktarımdan sonra artık Ni kirliliğinin olmadığını göstermektedir. Şekil 4d-f, FS-NGF/SiO2/Si'nin C 1s, O 1s ve Si 2p enerji seviyelerinin yüksek çözünürlüklü spektrumlarını göstermektedir. Grafitin C 1s bağlanma enerjisi 284,4 eV'dir. Grafit piklerinin doğrusal şekli, Şekil 4d54'te gösterildiği gibi genellikle asimetrik olarak kabul edilir. Yüksek çözünürlüklü çekirdek seviyesi C 1s spektrumu (Şekil 4d), saf aktarımı (yani polimer kalıntısı yok) da doğruladı; bu da önceki çalışmalarla tutarlıdır38. Yeni büyütülmüş numunenin (NiAG) ve aktarımdan sonraki numunenin C 1s spektrumlarının çizgi genişlikleri sırasıyla 0,55 ve 0,62 eV'dir. Bu değerler, SLG'ninkinden (SiO2 alt tabakasında SLG için 0,49 eV)38 daha yüksektir. Bununla birlikte, bu değerler, daha önce yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafen numuneleri için bildirilen çizgi genişliklerinden (~0,75 eV)53,54,55 daha küçüktür ve bu da mevcut malzemede kusurlu karbon bölgelerinin bulunmadığını göstermektedir. C 1s ve O 1s temel seviye spektrumlarında da omuzlar bulunmamaktadır, bu da yüksek çözünürlüklü pik ayrıştırmasına olan ihtiyacı ortadan kaldırmaktadır54. Grafit örneklerinde sıklıkla gözlemlenen 291,1 eV civarında bir π → π* uydu tepe noktası bulunmaktadır. Si 2p ve O 1s çekirdek seviyesi spektrumlarındaki (bkz. Şekil 4e, f) 103 eV ve 532,5 eV sinyalleri sırasıyla SiO2 56 alt tabakasına atfedilmiştir. XPS yüzeye duyarlı bir tekniktir, bu nedenle NGF transferinden önce ve sonra tespit edilen Ni ve SiO2'ye karşılık gelen sinyallerin FLG bölgesinden kaynaklandığı varsayılmaktadır. Transfer edilmiş BS-NGF örnekleri için de benzer sonuçlar gözlemlenmiştir (gösterilmemiştir).
NiAG XPS sonuçları: (ac) Sırasıyla büyütülen FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ve aktarılan FS-NGF/SiO2/Si'nin farklı elementel atomik bileşimlerinin genel spektrumları. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si numunesinin C 1s, 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), grafitinkine benzer şekilde 26,6° ve 54,7°'de (0 0 0 2) ve (0 0 0 4) kırınım piklerinin varlığını göstermektedir. Bu, NGF'nin yüksek kristal kalitesini doğrular ve aktarım adımından sonra korunan d = 0,335 nm'lik bir katmanlar arası mesafeye karşılık gelir. (0 0 0 2) kırınım pikinin yoğunluğu, (0 0 0 4) kırınım pikinin yoğunluğunun yaklaşık 30 katıdır; 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 (Şekil SI2, SI5 ve SI7).
200 nm kalınlığa kadar polimer destek katmanlarına sahip SLG'ler suda yüzebilir. Bu düzenek, polimer destekli ıslak kimyasal transfer işlemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır22,38. Grafen ve grafit hidrofobiktir (ıslak açı 80–90°) 57. Hem grafen hem de FLG'nin potansiyel enerji yüzeylerinin oldukça düz olduğu ve yüzeyde suyun yanal hareketi için düşük potansiyel enerjiye (~1 kJ/mol) sahip olduğu bildirilmiştir58. Bununla birlikte, suyun grafen ve üç katmanlı grafen ile etkileşim enerjileri sırasıyla yaklaşık -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 kalmasının, serbest duran grafenin (suda yüzen) ise kıvrılıp parçalanmasının nedenlerinden biri olabilir. NGF tamamen suya batırıldığında (pürüzlü ve düz NGF için sonuçlar aynıdır), kenarları bükülür (Şekil SI4). Tamamen batırılma durumunda, NGF-su etkileşim enerjisinin (yüzen NGF'ye kıyasla) neredeyse iki katına çıkması ve NGF'nin kenarlarının yüksek temas açısını (hidrofobikliği) korumak 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 alt tabakalara aktarılması daha önce rapor edilmiştir. Grafen/grafit filmler ve alt tabakalar (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunları22 ve dantel karbon filmler30, 34 gibi sert alt tabakalar veya poliimid 37 gibi esnek alt tabakalar) arasında zayıf van der Waals kuvvetlerinin var olduğu genel olarak kabul edilmektedir. Burada aynı tip etkileşimlerin baskın olduğunu varsayıyoruz. Mekanik işlem sırasında (vakum ve/veya atmosferik koşullar altında karakterizasyon veya depolama sırasında) burada sunulan alt tabakaların hiçbirinde NGF'de herhangi bir hasar veya soyulma gözlemlemedik (örneğin, Şekil 2, SI7 ve SI9). Ek olarak, NGF/SiO2/Si numunesinin çekirdek seviyesinin XPS C 1s spektrumunda bir SiC tepe noktası gözlemlemedik (Şekil 4). Bu sonuçlar, NGF ile hedef alt tabaka arasında kimyasal bağ olmadığını göstermektedir.
Önceki bölümde, "FS- ve BS-NGF'nin Polimer İçermeyen Transferi" başlığı altında, NGF'nin nikel folyonun her iki tarafında da büyüyüp transfer edilebildiğini göstermiştik. Bu FS-NGF'ler ve BS-NGF'ler yüzey pürüzlülüğü açısından özdeş olmadığından, her bir 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 yapılmamış FS-NGF'nin yapısı ve yapısı, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüleme ve seçici 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 koymuştur; yani sırasıyla daha koyu ve daha açık alanlar (Şekil 5a). Film genel olarak, NGF ve FLG'nin farklı bölgeleri arasında iyi bir örtüşme ve hasar veya yırtılma olmaksızın iyi bir mekanik bütünlük ve kararlılık sergilemektedir; bu durum SEM (Şekil 3) ve yüksek büyütmeli TEM çalışmalarıyla da doğrulanmıştır (Şekil 5c-e). Özellikle, Şekil 5d'de, üçgen bir şekle sahip ve yaklaşık 51 nm genişliğinde bir grafen katmanından oluşan köprü yapısı en büyük kısmında (Şekil 5d'deki siyah noktalı okla işaretlenmiş konum) gösterilmektedir. 0,33 ± 0,01 nm düzlemler arası mesafeye sahip kompozisyon, en dar bölgede (Şekil 5 d'deki katı siyah okun ucu) birkaç grafen katmanına kadar 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) a ve b panellerindeki çeşitli bölgelerin yüksek büyütmeli görüntüleri aynı renkteki oklarla işaretlenmiştir. a ve c panellerindeki yeşil oklar, ışın hizalaması sırasında oluşan dairesel hasar alanlarını göstermektedir. (f–i) a'dan c'ye kadar olan panellerde, farklı bölgelerdeki SAED desenleri sırasıyla mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı dairelerle gösterilmiştir.
Şekil 5c'deki şerit yapısı (kırmızı okla işaretlenmiş), grafit kafes düzlemlerinin dikey yönelimini göstermektedir; bu durum, aşırı telafi edilmemiş kayma gerilimi nedeniyle film boyunca nanokatlanmaların oluşmasından kaynaklanıyor olabilir (Şekil 5c'deki ek resim)30,61,62. Yüksek çözünürlüklü TEM altında, bu nanokatlanmalar 30, NGF bölgesinin geri kalanından farklı bir kristalografik yönelim sergiler; grafit kafesinin temel düzlemleri, filmin geri kalanı gibi yatay değil, neredeyse dikey olarak yönlendirilmiştir (Şekil 5c'deki ek resim). Benzer şekilde, FLG bölgesi zaman zaman doğrusal ve dar bant benzeri katlanmalar sergiler (mavi oklarla işaretlenmiş), bunlar sırasıyla Şekil 5b ve 5e'de düşük ve orta büyütmede görünür. Şekil 5e'deki ek görüntü, FLG sektöründe iki ve üç katmanlı grafen katmanlarının varlığını (düzlemler arası mesafe 0,33 ± 0,01 nm) doğrulamaktadır ve bu, önceki sonuçlarımızla iyi bir uyum içindedir30. Ek olarak, (üstten görünüm TEM ölçümleri yapıldıktan sonra) dantel karbon filmli bakır ızgaralara aktarılan polimer içermeyen NGF'nin kaydedilen SEM görüntüleri Şekil SI9'da gösterilmiştir. Şekil SI9f'de iyi bir şekilde askıda kalan FLG bölgesi (mavi okla işaretlenmiş) ve kırık bölge gösterilmektedir. Mavi ok (aktarılan NGF'nin kenarında), FLG bölgesinin polimer olmadan aktarım işlemine direnebileceğini göstermek amacıyla kasıtlı olarak sunulmuştur. Özetle, bu görüntüler, kısmen askıda kalan NGF'nin (FLG bölgesi dahil), TEM ve SEM ölçümleri sırasında zorlu işlem ve yüksek vakuma maruz kalma sonrasında bile mekanik bütünlüğünü koruduğunu doğrulamaktadır (Şekil SI9).
NGF'nin mükemmel düzlüğü nedeniyle (bkz. Şekil 5a), SAED yapısını analiz etmek için pulları [0001] alan ekseni boyunca yönlendirmek 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 (mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı kodlu) işaretlenmiştir. SAED modu için Şekil 2 ve 3. Şekil 5f ve g, sırasıyla Şekil 5b ve c'de gösterilen FLG bölgesinden elde edilmiştir. Bunlar, bükülmüş grafene63 benzer altıgen bir yapıya sahiptir. Özellikle, Şekil 5f, üç çift (10-10) yansımasının açısal uyumsuzluğundan da anlaşılacağı gibi, [0001] bölge ekseninin aynı yönelimine sahip, 10° ve 20° döndürülmüş üç üst üste bindirilmiş deseni göstermektedir. Benzer şekilde, Şekil 5g, 20° döndürülmüş üst üste bindirilmiş iki altıgen deseni göstermektedir. FLG bölgesindeki iki veya üç grup altıgen desen, birbirine göre döndürülmüş üç düzlem içi veya düzlem dışı grafen katmanından kaynaklanabilir. Buna karşılık, Şekil 5h,i'deki elektron kırınım desenleri (Şekil 5a'da gösterilen NGF bölgesine karşılık gelir), daha yüksek malzeme kalınlığına karşılık gelen genel olarak daha yüksek nokta kırınım yoğunluğuna sahip tek bir [0001] deseni göstermektedir. Bu SAED modelleri, indeks 64'ten çıkarıldığı gibi, FLG'den daha kalın bir grafitik yapıya ve ara yönelime karşılık gelir. NGF'nin kristal özelliklerinin karakterizasyonu, üst üste bindirilmiş iki veya üç grafit (veya grafen) kristalinin bir arada bulunduğunu ortaya koymuştur. FLG bölgesinde özellikle dikkat çekici olan, kristallerin belirli bir derecede düzlem içi veya düzlem dışı yanlış yönelime sahip olmasıdır. Daha önce Ni 64 filmler üzerinde yetiştirilen NGF için düzlem içi dönme açıları 17°, 22° ve 25° olan grafit parçacıkları/katmanları rapor edilmiştir. Bu çalışmada gözlemlenen dönme açısı değerleri, bükülmüş BLG63 grafen için daha önce gözlemlenen dönme açılarıyla (±1°) tutarlıdır.
NGF/SiO2/Si'nin elektriksel özellikleri 300 K'de 10×3 mm2'lik bir alanda ölçülmüştür. Elektron taşıyıcı konsantrasyonu, hareketlilik ve iletkenlik değerleri sırasıyla 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ve 2000 S-cm-1'dir. NGF'mizin hareketlilik ve iletkenlik değerleri doğal grafite2 benzer ve ticari olarak temin edilebilen yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafitten (3000 °C'de üretilen)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 (7,25 × 10 cm-3) iki kat daha yüksektir20.
Ayrıca, kuvars alt tabakalara aktarılan FS-NGF üzerinde UV-görünür geçirgenlik ölçümleri de gerçekleştirdik (Şekil 6). Elde edilen spektrum, 350-800 nm aralığında yaklaşık %62'lik sabit bir geçirgenlik göstermekte olup, 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'den farklı olsa da, katman sayısı, ek katman başına %2,3'lük iletim kaybı kuralı kullanılarak kabaca tahmin edilebilir65. Bu ilişkiye göre, %38 iletim kaybına sahip grafen katmanlarının sayısı 21'dir. Büyütülen NGF esas olarak 300 grafen katmanından, yani yaklaşık 100 nm kalınlığından oluşmaktadır (Şekil 1, SI5 ve SI7). Bu nedenle, gözlemlenen optik saydamlığın, film boyunca dağılmış oldukları için 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 geçirgenlik ölçümü, (b) temsili bir örnek kullanılarak kuvars üzerinde tipik NGF aktarımı. (c) NGF'nin şematik gösterimi (koyu kutu), örnek boyunca gri rastgele şekiller olarak işaretlenmiş eşit olarak dağılmış FLG ve MLG bölgeleri (bkz. Şekil 1) (100 μm2 başına yaklaşık %0,1–3 alan). Diyagramdaki rastgele şekiller ve boyutları yalnızca açıklayıcı amaçlıdır ve gerçek alanlara karşılık gelmez.
CVD ile yetiştirilen yarı saydam NGF, daha önce çıplak silikon yüzeylere aktarılmış ve güneş pillerinde kullanılmıştır15,16. Elde edilen güç dönüşüm verimliliği (PCE) %1,5'tir. Bu NGF'ler, aktif bileşik katmanları, yük taşıma yolları ve şeffaf elektrotlar gibi çoklu işlevler yerine getirir15,16. Bununla birlikte, grafit film homojen değildir. Bu iki özellik güneş pilinin PCE değerini belirlemede önemli bir rol oynadığından15,16, grafit elektrotun yüzey direnci ve optik geçirgenliğinin dikkatlice kontrol edilmesiyle daha fazla optimizasyon gereklidir. Tipik olarak, grafen filmler görünür ışığa %97,7 oranında şeffaftır, ancak 200-3000 ohm/sq. yüzey direncine sahiptir16. Grafen filmlerin yüzey direnci, katman sayısının artırılması (grafen katmanlarının çoklu aktarımı) ve HNO3 (~30 Ohm/sq.) ile katkılama yoluyla azaltılabilir66. Bununla birlikte, bu işlem uzun zaman alır ve farklı aktarım katmanları her zaman iyi temas sağlamaz. Ön yüzey NGF'miz, 2000 S/cm iletkenlik, 50 ohm/sq film tabakası direnci ve %62 şeffaflık gibi özelliklere sahip olup, güneş pillerinde iletken kanallar veya karşı elektrotlar için uygun bir alternatif oluşturmaktadır15,16.
BS-NGF'nin yapısı ve yüzey kimyası FS-NGF'ye benzer olsa da, pürüzlülüğü farklıdır (“FS- ve BS-NGF'nin Büyümesi”). Daha önce, gaz sensörü olarak ultra ince film grafit22 kullanmıştık. Bu nedenle, BS-NGF'nin gaz algılama görevlerinde kullanılabilirliğini test ettik (Şekil SI10). İlk olarak, mm2 boyutundaki BS-NGF parçaları, aralıklı elektrot sensör çipine aktarıldı (Şekil SI10a-c). Çipin üretim detayları daha önce rapor edilmiştir; aktif hassas alanı 9 mm267'dir. SEM görüntülerinde (Şekil SI10b ve c), alttaki altın elektrot NGF üzerinden açıkça görülebilir. Yine, tüm numuneler için düzgün çip kaplamasının elde edildiği görülebilir. Çeşitli gazların gaz sensörü ölçümleri kaydedildi (Şekil SI10d) (Şekil SI11) ve elde edilen 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 girişim yapan gazlarla birlikte. Olası bir neden NO2'dir. Gazın elektrofilik doğası22,68. Grafen 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 üzerinde çalışmalar devam etmektedir ve ideal olarak gömülü sistemlerin uygulanmasıyla takip edilecektir69.
CVD işlemi sırasında, grafen büyümesi katalizör substratının her iki tarafında da gerçekleşir41. Bununla birlikte, BS-grafen genellikle transfer işlemi sırasında dışarı atılır41. Bu çalışmada, katalizör desteğinin her iki tarafında da yüksek kaliteli NGF büyümesinin ve polimer içermeyen NGF transferinin sağlanabileceğini gösteriyoruz. BS-NGF, FS-NGF'den (~100 nm) daha incedir (~80 nm) ve bu fark, BS-Ni'nin öncü gaz akışına doğrudan maruz kalmamasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, NiAR substratının pürüzlülüğünün NGF'nin pürüzlülüğünü etkilediğini de bulduk. Bu sonuçlar, büyütülen düzlemsel FS-NGF'nin grafen için öncü malzeme olarak (eksfoliasyon yöntemiyle70) veya güneş pillerinde iletken kanal olarak kullanılabileceğini göstermektedir15,16. Buna karşılık, BS-NGF gaz algılama (Şekil SI9) ve muhtemelen yüzey pürüzlülüğünün faydalı olacağı enerji depolama sistemlerinde71,72 kullanılacaktır.
Yukarıdakileri göz önünde bulundurarak, mevcut çalışmayı daha önce CVD yöntemiyle ve nikel folyo kullanılarak yetiştirilen 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 aşamasını) kısaltmıştır. Ayrıca, normalden daha fazla büyüme elde ettik, bu da genişleme potansiyeline işaret etmektedir. Tabloda yer verdiğimiz diğer faktörler de dikkate alınmalıdır.
Katalitik CVD yöntemiyle nikel folyo üzerine çift taraflı yüksek kaliteli NGF (Natural Graphene Fiber) üretildi. Geleneksel polimer alt tabakaları (CVD grafen üretiminde kullanılanlar gibi) ortadan kaldırarak, NGF'nin (nikel folyonun arka ve ön yüzlerinde üretilen) çeşitli işlem açısından kritik alt tabakalara temiz ve kusursuz ıslak transferini sağladık. Özellikle, NGF, daha kalın filme yapısal olarak iyi entegre edilmiş FLG (Frekans Grafen) ve MLG (Çok Katmanlı Grafen) 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 bazılarının 10-20°'lik bir dönme uyumsuzluğuna sahip olduğunu göstermektedir. FLG ve MLG bölgeleri, FS-NGF'nin görünür ışığa karşı şeffaflığından sorumludur. Arka tabakalar ise ön tabakalara paralel olarak taşınabilir ve gösterildiği gibi işlevsel bir amaca hizmet edebilir (örneğin, gaz tespiti için). Bu çalışmalar, endüstriyel ölçekteki CVD süreçlerinde atık ve maliyetleri azaltmak için çok faydalıdır.
Genel olarak, CVD NGF'nin ortalama kalınlığı (düşük ve çok katmanlı) grafen ile endüstriyel (mikrometre) grafit levhalar arasında yer almaktadır. İlginç özelliklerinin çeşitliliği, geliştirdiğimiz basit üretim ve taşıma yöntemiyle birleştiğinde, bu filmleri, şu anda kullanılan enerji yoğun endüstriyel üretim süreçlerinin maliyetine katlanmadan, grafitin fonksiyonel tepkisini gerektiren uygulamalar için özellikle uygun hale getirmektedir.
25 μm kalınlığında nikel folyo (%99,5 saflıkta, Goodfellow) ticari bir CVD reaktörüne (Aixtron 4 inç BMPro) yerleştirildi. Sistem argon ile temizlendi ve 10-3 mbar'lık bir temel basınca kadar vakumlandı. Daha sonra nikel folyo Ar/H2 akışına yerleştirildi (Ni folyo 5 dakika ön tavlamadan sonra 900 °C'de 500 mbar basınca maruz bırakıldı. NGF, 5 dakika boyunca CH4/H2 akışında (her biri 100 cm3) biriktirildi. Numune daha sonra 40 °C/dakika hızında Ar akışı (4000 cm3) kullanılarak 700 °C'nin altına soğutuldu. NGF büyüme sürecinin optimizasyonuna ilişkin ayrıntılar başka bir yerde açıklanmıştır30.
Numunenin yüzey morfolojisi, 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, yüksek parlaklıkta alan emisyon tabancası (300 kV), FEI Wien tipi monokromatör ve CEOS lens küresel sapma düzeltici ile donatılmış bir FEI Titan 80–300 Cubed mikroskobu kullanılarak gerçekleştirildi ve nihai sonuçlar elde edildi. Uzamsal çözünürlük 0,09 nm idi. NGF numuneleri, düz TEM görüntüleme ve SAED yapı analizi için karbon dantel kaplı bakır ızgaralara aktarıldı. Böylece, numune topaklarının çoğu destekleyici membranın gözeneklerinde askıda kaldı. 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, D2 faz kaydırıcı, Cu Kα kaynağı, 1.5418 Å ve LYNXEYE dedektörü) kullanılarak elde edildi.
Entegre konfokal mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) kullanılarak çeşitli Raman noktası ölçümleri kaydedildi. Isı kaynaklı etkilerden kaçınmak için düşük uyarı gücüne (%25) sahip 532 nm lazer kullanıldı. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), 300 × 700 μm2'lik bir numune alanı üzerinde, 150 W güçte monokromatik Al Kα radyasyonu (hν = 1486,6 eV) kullanılarak Kratos Axis Ultra spektrometresi ile gerçekleştirildi. Çözünürlük spektrumları sırasıyla 160 eV ve 20 eV iletim enerjilerinde elde edildi. SiO2 üzerine aktarılan NGF örnekleri, 30 W'lık bir PLS6MW (1,06 μm) iterbiyum fiber lazer kullanılarak parçalara (her biri 3 × 10 mm2) kesildi. Bakır tel kontaklar (50 μm kalınlığında), optik mikroskop altında gümüş macun kullanılarak üretildi. Bu örnekler üzerinde 300 K sıcaklıkta ve ± 9 Tesla manyetik alan değişiminde elektriksel iletim ve Hall etkisi deneyleri, bir fiziksel özellik ölçüm sisteminde (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ABD) gerçekleştirildi. İletilen UV-vis spektrumları, kuvars alt tabakalara ve kuvars referans örneklerine aktarılan 350-800 nm NGF aralığında bir Lambda 950 UV-vis spektrofotometre kullanılarak kaydedildi.
Kimyasal direnç sensörü (ara parmaklı elektrot çipi), özel bir baskılı devre kartı 73'e bağlandı ve direnç geçici olarak çıkarıldı. Cihazın bulunduğu baskılı devre kartı, temas terminallerine bağlandı ve gaz algılama odası 74'ün içine yerleştirildi. Direnç ölçümleri, gaz maruziyetine ve ardından tekrar gaz maruziyetine kadar sürekli bir tarama ile 1 V voltajda alındı. Oda, nem de dahil olmak üzere odada bulunan diğer tüm analitlerin uzaklaştırılmasını sağlamak için başlangıçta 1 saat boyunca 200 cm³ azot ile temizlendi. Daha sonra, N2 silindiri kapatılarak, bireysel analitler aynı 200 cm³ akış hızında yavaşça odaya bırakıldı.
Bu makalenin gözden geçirilmiş bir versiyonu yayınlanmıştır ve makalenin en üstündeki bağlantıdan erişilebilir.
Inagaki, M. ve Kang, F. Karbon Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: Temeller. İkinci baskı (editörlü). 2014. 542.
Pearson, HO Karbon, Grafit, Elmas ve Fullerenler El Kitabı: Özellikler, İşleme ve Uygulamalar. İlk baskı düzenlenmiştir. 1994, New Jersey.
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 malzemelerinin termal özellikleri. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ve Cahill DG Düşük sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle Ni (111) üzerine büyütülen grafit filmlerinin termal iletkenliği. adverb. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle grafen filmlerinin sürekli büyümesi. Uygulama. Fizik. Wright. 98(13), 133106(2011).
Yayın tarihi: 23 Ağustos 2024