Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS ярдәме чикләнгән. Иң яхшы нәтиҗәләргә ирешү өчен, без сезгә браузерыгызның яңарак версиясен кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, даими ярдәм күрсәтү өчен, без сайтны стильләштермичә яки JavaScriptсыз күрсәтәбез.
Наномасштаблы графит пленкалары (НГФ) - каталитик химик пар белән каплау юлы белән җитештерелергә мөмкин булган ныклы наноматериаллар, ләкин аларның күчерү җиңеллеге һәм өслек морфологиясенең киләсе буын җайланмаларында куллануга ничек тәэсир итүе турында сораулар кала. Монда без поликристалл никель фольгасының ике ягында да НГФ үсешен (мәйданы 55 см2, калынлыгы якынча 100 нм) һәм аның полимерсыз күчерелүен (алгы һәм арткы, мәйданы 6 см2 га кадәр) күрсәтәбез. Катализатор фольгасының морфологиясе аркасында, ике углерод пленкасы үзләренең физик үзлекләре һәм башка үзенчәлекләре (мәсәлән, өслекнең тупаслыгы) буенча аерылып тора. Без тупасрак арткы ягы булган НГФларның NO2 детекцияләү өчен бик яраклы булуын күрсәтәбез, ә алгы ягындагы шомарак һәм күбрәк үткәрүчән НГФлар (2000 С/см2, бит каршылыгы - 50 ом/м2) кояш батареясының каналы яки электроды өчен яраклы үткәргечләр була ала (чөнки ул күренә торган яктылыкның 62% ын үткәрә). Гомумән алганда, тасвирланган үсеш һәм транспорт процесслары графен һәм микрон калынлыгындагы графит пленкалары яраклы булмаган технологик кушымталар өчен альтернатив углерод материалы буларак NGFны гамәлгә ашырырга ярдәм итә ала.
Графит - киң кулланыла торган сәнәгать материалы. Шунысы игътибарга лаек, графит чагыштырмача түбән масса тыгызлыгы һәм югары яссылык эчендәге җылылык һәм электр үткәрүчәнлеге үзлекләренә ия, һәм каты җылылык һәм химик мохиттә бик тотрыклы1,2. Кабырчыклы графит - графен тикшеренүләре өчен билгеле башлангыч материал3. Нечкә пленкаларга эшкәртелгәндә, ул төрле кушымталарда, шул исәптән смартфоннар кебек электрон җайланмалар өчен җылылык раковиналарында4,5,6,7, сенсорларда актив материал буларак8,9,10 һәм электромагнит комачаулаудан саклауда11,12 һәм экстремаль ультрафиолетта литография өчен пленкаларда13,14, кояш батареяларында үткәрүче каналларда15,16 кулланылырга мөмкин. Бу кушымталарның барысы өчен дә, калынлыгы <100 нм наномасштабта контрольдә тотылган графит пленкаларының (NGF) зур мәйданнарын җиңел җитештереп һәм ташып була икән, бу зур өстенлек булыр иде.
Графит пленкалары төрле ысуллар белән җитештерелә. Бер очракта, графен кабырчыкларын алу өчен урнаштыру һәм киңәйтү, аннары эксфолиация кулланылган10,11,17. Кабырчыкларны кирәкле калынлыктагы пленкаларга эшкәртү кирәк, һәм еш кына тыгыз графит катламнарын алу өчен берничә көн кирәк була. Тагын бер ысул - графитлаштырыла торган каты прекурсорлардан башлау. Сәнәгатьтә полимер катламнары карбонлаштырыла (1000–1500 °C температурада), аннары яхшы структуралы катламлы материаллар формалаштыру өчен графитлаштырыла (2800–3200 °C температурада). Бу пленкаларның сыйфаты югары булса да, энергия куллану шактый зур1,18,19 һәм минималь калынлык берничә микрон белән чикләнгән1,18,19,20.
Каталитик химик пар белән каплау (CVD) - югары структура сыйфатына һәм арзан бәягә графен һәм ультранечкә графит пленкаларын (<10 нм) җитештерү өчен танылган ысул21,22,23,24,25,26,27. Ләкин, графен һәм ультранечкә графит пленкаларын үстерү белән чагыштырганда28, CVD кулланып NGF-ны зур мәйданда үстерү һәм/яки куллану тагын да азрак өйрәнелгән11,13,29,30,31,32,33.
CVD үстергән графен һәм графит пленкаларын еш кына функциональ субстратларга күчерергә кирәк була34. Бу юка пленка күчерүләре ике төп ысулны үз эченә ала35: (1) эшкәртүсез күчерү36,37 һәм (2) эшкәртү нигезендәге дымлы химик күчерү (субстрат белән тәэмин ителгән)14,34,38. Һәр ысулның кайбер өстенлекләре һәм кимчелекләре бар һәм алар башка урында тасвирланганча, максатчан куллануга карап сайланырга тиеш35,39. Каталитик субстратларда үстерелгән графен/графит пленкалары өчен дымлы химик процесслар аша күчерү (шуларның полиметилметакрилат (PMMA) иң еш кулланыла торган терәк катламы) беренче сайлау булып кала13,30,34,38,40,41,42. Сез һ.б. NGF күчерү өчен бернинди полимер да кулланылмавы турында әйтелде (үрнәк зурлыгы якынча 4 см2)25,43, ләкин күчерү вакытында үрнәкнең тотрыклылыгы һәм/яки эшкәртү турында бернинди мәгълүмат та бирелмәде; Полимерлар кулланып дымлы химия процесслары берничә этаптан тора, шул исәптән корбан полимер катламын куллану һәм аннан соң алып ташлау30,38,40,41,42. Бу процессның кимчелекләре бар: мәсәлән, полимер калдыклары үстерелгән пленканың үзлекләрен үзгәртә ала38. Өстәмә эшкәртү калдык полимерны бетерә ала, ләкин бу өстәмә адымнар пленка җитештерү бәясен һәм вакытын арттыра38,40. CVD үсеше вакытында графен катламы катализатор фольгасының алгы ягына гына түгел (пар агымына караган ягы), ә аның арткы ягына да утыра. Ләкин, соңгысы калдык продукт дип санала һәм йомшак плазма белән тиз арада бетерелергә мөмкин38,41. Бу пленканы кабат эшкәртү, хәтта ул өслек углерод пленкасыннан түбәнрәк сыйфатлы булса да, уңышны максимальләштерергә ярдәм итә ала.
Монда без поликристалл никель фольгасында CVD ысулы белән югары структуралы сыйфатлы NGF пластинасы масштабындагы бифациаль үсентесен әзерләү турында хәбәр итәбез. Фольганың алгы һәм арткы өслегенең тупаслыгы NGF морфологиясенә һәм структурасына ничек тәэсир итүе бәяләнде. Шулай ук без никель фольгасының ике ягыннан да күп функцияле субстратларга NGF ны экономияле һәм экологик яктан чиста полимерсыз күчерүне күрсәтәбез һәм алгы һәм арткы пленкаларның төрле кушымталар өчен ничек яраклы булуын күрсәтәбез.
Түбәндәге бүлекләрдә катламлы графен катламнары санына карап төрле графит пленка калынлыклары карала: (i) бер катламлы графен (SLG, 1 катлам), (ii) берничә катламлы графен (FLG, < 10 катлам), (iii) күп катламлы графен (MLG, 10-30 катлам) һәм (iv) NGF (~300 катлам). Соңгысы мәйданның процент нисбәтендә күрсәтелгән иң еш очрый торган калынлык (100 мкм2 га якынча 97% мәйдан)30. Шуңа күрә бөтен пленка гади генә NGF дип атала.
Графен һәм графит пленкаларын синтезлау өчен кулланыла торган поликристалл никель фольгалары җитештерү һәм аннан соң эшкәртү нәтиҗәсендә төрле текстураларга ия. Күптән түгел без NGF30 үсеш процессын оптимальләштерү буенча тикшеренү турында хәбәр иттек. Без үсеш этабында җылыту вакыты һәм камера басымы кебек процесс параметрларының бер үк калынлыктагы NGF алуда мөһим роль уйнавын күрсәтәбез. Монда без никель фольгасының ялтыратылган алгы (FS) һәм ялтыратылмаган арткы (BS) өслекләрендә NGF үсешен өйрәндек (1a рәсем). 1 нче таблицада күрсәтелгән өч төр FS һәм BS үрнәкләре тикшерелде. Визуаль тикшерү барышында никель фольгасының (NiAG) ике ягында да NGFның бер үк үсешен күп санлы Ni субстратының төсе характерлы металлик көмеш сорыдан мат сорыга үзгәрүе аша күрергә мөмкин (1a рәсем); микроскопик үлчәүләр расланды (1b, c рәсемнәр). Якты өлкәдә күзәтелгән һәм 1b рәсемдә кызыл, зәңгәр һәм кызгылт сары уклар белән күрсәтелгән FS-NGFның типик Раман спектры 1c рәсемдә күрсәтелгән. Графит G (1683 см−1) һәм 2D (2696 см−1) өчен характерлы Раман пиклары югары кристалллы NGF үсешен раслый (1c рәсем, SI1 таблицасы). Фильм дәвамында интенсивлык нисбәте (I2D/IG) ~0,3 булган Раман спектрларының өстенлек итүе күзәтелде, ә I2D/IG = 0,8 булган Раман спектрлары сирәк күзәтелде. Бөтен пленкада кимчелекле пикларның булмавы (D = 1350 см−1) NGF үсешенең югары сыйфатын күрсәтә. BS-NGF үрнәгендә охшаш Раман нәтиҗәләре алынды (SI1 а һәм b рәсем, SI1 таблицасы).
NiAG FS- һәм BS-NGF чагыштырмасы: (a) Пластиналы масштабта (55 см2) NGF үсешен күрсәтүче типик NGF (NiAG) үрнәгенең фотосурәте һәм нәтиҗәдә алынган BS- һәм FS-Ni фольга үрнәкләре, (b) Оптик микроскоп белән алынган FS-NGF рәсемнәре/Ni, (c) b панелендә төрле позицияләрдә теркәлгән типик Раман спектрлары, (d, f) FS-NGF/Ni'да төрле зурайтуларда SEM рәсемнәре, (e, g) төрле зурайтуларда SEM рәсемнәре BS -NGF/Ni көйләүләре. Зәңгәр ук FLG өлкәсен, кызгылт сары ук MLG өлкәсен (FLG өлкәсе янында), кызыл ук NGF өлкәсен, ә кызгылт көк ук бөкләнешне күрсәтә.
Үсеш башлангыч субстратның калынлыгына, кристалл зурлыгына, юнәлешенә һәм бөртек чикләренә бәйле булганлыктан, зур мәйданнарда NGF калынлыгын тиешенчә контрольдә тотуга ирешү авыр булып кала20,34,44. Бу тикшеренүдә без элек бастырып чыгарган эчтәлек кулланылды30. Бу процесс 100 мкм га 0,1 дән 3% ка кадәр якты өлкә бирә230. Түбәндәге бүлекләрдә без ике төр өлкә өчен дә нәтиҗәләрне тәкъдим итәбез. Югары зурлыктагы SEM рәсемнәре ике якта да берничә якты контраст өлкәләренең булуын күрсәтә (1f, g рәсем), бу FLG һәм MLG өлкәләренең булуын күрсәтә30,45. Моны Раман чәчелүе (1c рәсем) һәм TEM нәтиҗәләре дә раслады (соңрак "FS-NGF: структура һәм үзлекләр" бүлегендә каралачак). FS- һәм BS-NGF/Ni үрнәкләрендә күзәтелгән FLG һәм MLG өлкәләре (Ni өстендә үстерелгән алгы һәм арткы NGF) алдан җылыту вакытында барлыкка килгән зур Ni(111) бөртекләрендә үскән булырга мөмкин22,30,45. Ике яктан да бөкләнү күзәтелде (1b рәсем, шәмәхә төстәге уклар белән билгеләнгән). Бу бөкләнүләр еш кына CVD үстергән графен һәм графит пленкаларында очрый, чөнки графит һәм никель субстраты арасындагы җылылык киңәю коэффициентындагы зур аерма бар30,38.
AFM рәсеме FS-NGF үрнәгенең BS-NGF үрнәгенә караганда яссырак булуын раслады (SI1 рәсеме) (SI2 рәсеме). FS-NGF/Ni (SI2c рәсеме) һәм BS-NGF/Ni (SI2d рәсеме) өчен уртача квадрат (RMS) тигезсезлек кыйммәтләре 82 һәм 200 нм тәшкил итә (20 × 20 мкм2 мәйданда үлчәнгән). Югарырак тигезсезлекне никель (NiAR) фольгасының кабул ителгән хәлдәге өслек анализы нигезендә аңларга мөмкин (SI3 рәсеме). FS һәм BS-NiARның SEM рәсемнәре SI3a–d рәсемнәрендә күрсәтелгән, алар төрле өслек морфологияләрен күрсәтә: ялтыратылган FS-Ni фольгасында нано- һәм микрон зурлыгындагы сферик кисәкчәләр бар, ә ялтыратылмаган BS-Ni фольгасында җитештерү баскычы югары ныклык һәм кимү белән кисәкчәләр буларак күрсәтелә. Җылытылган никель фольгасының (NiA) түбән һәм югары ачыклыктагы рәсемнәре SI3e–h рәсемендә күрсәтелгән. Бу рәсемнәрдә без никель фольгасының ике ягында да берничә микрон зурлыгындагы никель кисәкчәләренең булуын күзәтә алабыз (SI3e–h рәсем). Зур бөртекләрнең Ni(111) өслек юнәлеше булырга мөмкин, бу турыда элек хәбәр ителгәнчә30,46. FS-NiA һәм BS-NiA арасында никель фольгасы морфологиясендә зур аермалар бар. BS-NGF/Ni-ның югарырак тупаслыгы BS-NiAR-ның ялтыратылмаган өслеге белән бәйле, аның өслеге хәтта яндырганнан соң да шактый тупас булып кала (SI3 рәсем). Үсеш процессы алдыннан бу төр өслек характеристикасы графен һәм графит пленкаларының тупаслыгын контрольдә тотарга мөмкинлек бирә. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, башлангыч субстрат графен үсеше вакытында бөртекләрнең бераз үзгәртеп корылуын кичерде, бу яндырылган фольга һәм катализатор пленкасы белән чагыштырганда бөртекләрнең зурлыгын бераз киметте һәм субстратның өслек тупаслыгын бераз арттырды22.
Субстрат өслегенең тигезсезлеген, җылыту вакытын (бөртек зурлыгы)30,47 һәм чыгаруны контрольдә тоту43 төбәк NGF калынлыгының бердәмлеген мкм2 һәм/яки хәтта нм2 масштабына кадәр киметергә ярдәм итәчәк (ягъни, берничә нанометр калынлык үзгәрешләре). Субстрат өслегенең тигезсезлеген контрольдә тоту өчен, барлыкка килгән никель фольгасын электролитик яктан ялтырату кебек ысулларны карарга мөмкин48. Аннары алдан эшкәртелгән никель фольгасын түбәнрәк температурада (<900 °C)46 һәм вакытта (<5 мин) җылытырга мөмкин, бу зур Ni(111) бөртекләре барлыкка килүдән саклану өчен (бу FLG үсеше өчен файдалы).
SLG һәм FLG графен кислоталарның һәм суның өслек киеренкелегенә чыдый алмый, дымлы химик күчерү процесслары вакытында механик ярдәм катламнары кирәк22,34,38. Полимер белән терәкләнгән бер катламлы графенның дымлы химик күчерүеннән аермалы буларак, без үскән NGFның ике ягын да полимер ярдәменнән башка күчереп була икәнен ачыкладык, бу 2a рәсемдә күрсәтелгән (тулырак мәгълүмат өчен SI4a рәсемен карагыз). NGFны билгеле бер субстратка күчерү астындагы Ni30.49 пленкасын дымлы эшкәртүдән башлана. Үскән NGF/Ni/NGF үрнәкләре төнлә 600 мл деионизацияләнгән (DI) су белән сыекландырылган 15 мл 70% HNO3 эченә урнаштырылды. Ni фольгасы тулысынча эрегәннән соң, FS-NGF яссы кала һәм NGF/Ni/NGF үрнәге кебек үк сыеклык өслегендә йөзеп йөри, ә BS-NGF суга чумдырыла (2a,b рәсемнәр). Аннары изоляцияләнгән NGF яңа деионизацияләнгән сулы бер стаканнан икенче стаканга күчерелде һәм изоляцияләнгән NGF яхшылап юылды, дүрт-алты тапкыр батынкы пыяла савыт аша үткәрелде. Ахырда, FS-NGF һәм BS-NGF кирәкле нигезгә урнаштырылды (2c рәсем).
Никель фольгасында үстерелгән NGF өчен полимерсыз дымлы химик күчерү процессы: (а) Процесс схемасы (тулырак мәгълүмат өчен SI4 рәсемен карагыз), (б) Ni белән эшкәртүдән соң аерылган NGFның санлы фотосурәте (2 үрнәк), (в) FS – һәм BS-NGFны SiO2/Si субстратына күчерү мисалы, (г) FS-NGFны тонык полимер субстратына күчерү, (д) d панеле белән бер үк үрнәктән BS-NGF (ике өлешкә бүленгән), алтын белән капланган C кәгазенә һәм Nafionга күчерелгән (сыгылмалы үтә күренмәле субстрат, кырыйлары кызыл почмаклар белән билгеләнгән).
Игътибар итегез, дымлы химик күчерү ысуллары белән башкарылган SLG күчерүе гомуми эшкәртү вакытын 20–24 сәгать таләп итә 38. Монда күрсәтелгән полимерсыз күчерү ысулы белән (SI4a рәсеме), NGF күчерүнең гомуми эшкәртү вакыты сизелерлек кими (якынча 15 сәгать). Процесс түбәндәгеләрдән тора: (1 нче адым) Гравировка эремәсен әзерләгез һәм аңа үрнәкне салыгыз (~10 минут), аннары Ni гравировкасы өчен төн көтегез (~7200 минут), (2 нче адым) Деионизацияләнгән су белән чайкатыгыз (-3 нче адым). Деионизацияләнгән суда саклагыз яки максатчан субстратка күчерегез (20 минут). NGF һәм күләм матрицасы арасында тотылган су капилляр тәэсир белән (блотировка кәгазе кулланып) 38 чыгарыла, аннары калган су тамчылары табигый киптерү юлы белән чыгарыла (якынча 30 минут), һәм ниһаять, үрнәк 50–90 °C температурада (60 минут) 38 10 минут вакуум мичендә (10–1 мбар) киптерелә.
Графитның шактый югары температураларда (≥ 200 °C) су һәм һава булуга чыдам булуы билгеле50,51,52. Без үрнәкләрне бүлмә температурасында деионизацияләнгән суда һәм ябык шешәләрдә берничә көннән бер елга кадәр саклаганнан соң Раман спектроскопиясе, SEM һәм XRD кулланып тикшердек (SI4 рәсеме). Күзгә күренерлек таркалу юк. 2c рәсемдә деионизацияләнгән суда аерым торган FS-NGF һәм BS-NGF күрсәтелгән. Без аларны SiO2 (300 нм)/Si субстратында тоттык, 2c рәсем башында күрсәтелгәнчә. Моннан тыш, 2d,e рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, өзлексез NGF төрле субстратларга, мәсәлән, полимерларга (Nexolve һәм Nafion компанияләреннән Thermabright полиамиды) һәм алтын белән капланган углерод кәгазенә күчерелергә мөмкин. Йөзүче FS-NGF максатлы субстратка җиңел урнаштырылды (2c, d рәсемнәре). Ләкин, 3 см2 дан зуррак BS-NGF үрнәкләрен суга тулысынча чумдырганда эшкәртү авыр булды. Гадәттә, алар суда тәгәрәп төшә башлагач, саксыз куллану аркасында кайвакыт ике яки өч өлешкә бүленә (2e рәсем). Гомумән алганда, без 6 һәм 3 см2 мәйданлы үрнәкләр өчен PS- һәм BS-NGF полимерсыз күчерүгә (NGF/Ni/NGF үсүсез өзлексез күчерү) ирешә алдык. Калган зур яки кечкенә кисәкләрне кирәкле субстратта (~1 мм2, SI4b рәсеме, үрнәкне "FS-NGF: Структура һәм үзлекләр ("Структура һәм үзлекләр" бүлегендә карала)" кебек бакыр челтәренә күчерергә яки киләчәктә куллану өчен сакларга мөмкин (SI4 рәсеме). Бу критерийга нигезләнеп, без NGFның 98-99% кадәр уңыш белән кайтарып алынуын фаразлыйбыз (күчерү өчен үскәннән соң).
Полимерсыз күчерү үрнәкләре җентекләп анализланды. Оптик микроскопия (OM) һәм SEM рәсемнәре (SI5 һәм 3 нче рәсемнәр) ярдәмендә FS- һәм BS-NGF/SiO2/Si (2c рәсем) буенча алынган өслек морфологик үзенчәлекләре бу үрнәкләрнең микроскопиясез күчерелгәнен күрсәтте. Ярыклар, тишекләр яки җәелгән урыннар кебек күренекле структураль зыян. Үсүче NGFтагы бөкләнешләр (3b, d рәсемнәре, шәмәхә уклар белән билгеләнгән) күчерелгәннән соң да сакланган. FS- һәм BS-NGFлар икесе дә FLG өлкәләреннән тора (3 нче рәсемдә зәңгәр уклар белән күрсәтелгән якты өлкәләр). Гаҗәпләнерлек, гадәттә ультра нечкә графит пленкаларын полимер күчерү вакытында күзәтелгән аз санлы зыян күргән өлкәләрдән аермалы буларак, NGFка тоташкан берничә микрон зурлыгындагы FLG һәм MLG өлкәләре (3d рәсемдә зәңгәр уклар белән билгеләнгән) ярыкларсыз яки өзелүләрсез күчерелгән (3d рәсем). . Механик бөтенлек соңрак тикшерелгәнчә, NGFның кружева-углерод бакыр челтәрләренә күчерелгән TEM һәм SEM рәсемнәре ярдәмендә расланды ("FS-NGF: Структура һәм үзлекләр"). Күчерелгән BS-NGF/SiO2/Si FS-NGF/SiO2/Si га караганда тупасрак, 140 нм һәм 17 нм уртача квадрат метр кыйммәтләре белән, SI6a һәм b рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә (20 × 20 мкм2). SiO2/Si субстратына күчерелгән NGF ның RMS кыйммәте (RMS < 2 нм) Ni га үстерелгән NGF га караганда күпкә түбәнрәк (якынча 3 тапкыр) (SI2 рәсем), бу өстәмә тупаслыкның Ni өслегенә туры килергә мөмкинлеген күрсәтә. Моннан тыш, FS- һәм BS-NGF/SiO2/Si үрнәкләренең кырыйларында ясалган AFM рәсемнәре NGF калынлыгын 100 һәм 80 нм күрсәтте (SI7 рәсем). BS-NGF калынлыгы кечерәк булуы өслекнең алдан килгән газга турыдан-туры дучар булмавы нәтиҗәсе булырга мөмкин.
SiO2/Si пластинасында полимерсыз күчерелгән NGF (NiAG) (2c рәсемен карагыз): (a,b) Күчерелгән FS-NGFның SEM рәсемнәре: түбән һәм югары зурайту (панельдәге кызгылт сары квадратка туры килә). Гадәти өлкәләр) – а). (c,d) Күчерелгән BS-NGFның SEM рәсемнәре: түбән һәм югары зурайту (c панелендәге кызгылт сары квадрат белән күрсәтелгән гадәти мәйданга туры килә). (e, f) Күчерелгән FS- һәм BS-NGFларның AFM рәсемнәре. Зәңгәр ук FLG өлкәсен күрсәтә – якты контраст, зәңгәрсу ук – кара MLG контрасты, кызыл ук – кара контраст NGF өлкәсен, шәмәхә ук бөкләнешне күрсәтә.
Үстерелгән һәм күчерелгән FS- һәм BS-NGFларның химик составы рентген фотоэлектрон спектроскопиясе (XPS) ярдәмендә анализланды (4 нче рәсем). Үлчәнгән спектрларда (4а, б рәсемнәр) зәгыйфь пик күзәтелде, бу үстерелгән FS- һәм BS-NGFларның (NiAG) Ni субстратына (850 эВ) туры килә. Күчерелгән FS- һәм BS-NGF/SiO2/Si үлчәнгән спектрларында пиклар юк (4в рәсем; BS-NGF/SiO2/Si өчен охшаш нәтиҗәләр күрсәтелмәгән, бу күчерүдән соң калдык Ni пычрануы булмавын күрсәтә. 4d–f рәсемнәрендә FS-NGF/SiO2/Si-ның C 1 s, O 1 s һәм Si 2p энергия дәрәҗәләренең югары ачыклыктагы спектрлары күрсәтелгән. Графитның C 1 s бәйләнеш энергиясе 284,4 эВ 53,54 тәшкил итә. Графит пикларының сызыклы формасы, гадәттә, 4d рәсемдә күрсәтелгәнчә, асимметрик дип санала54. Югары ачыклыклы үзәк дәрәҗәсендәге C1s спектры (4d рәсем) шулай ук саф күчерүне раслады (ягъни полимер калдыклары юк), бу алдагы тикшеренүләр белән туры килә38. Яңа үстерелгән үрнәкнең (NiAG) һәм күчерүдән соңгы C1s спектрларының сызык киңлекләре тиешенчә 0,55 һәм 0,62 эВ тәшкил итә. Бу кыйммәтләр SLG күрсәткечләреннән югарырак (SiO2 субстратындагы SLG өчен 0,49 эВ)38. Ләкин бу кыйммәтләр югары ориентацияләнгән пиролитик графен үрнәкләре өчен элек хәбәр ителгән сызык киңлекләреннән кечерәк (~0,75 эВ)53,54,55, бу хәзерге материалда дефектлы углерод урыннары булмавын күрсәтә. C1s һәм O1s җир өсте спектрларында да җилкәләр юк, бу югары ачыклыклы пик деконволюциясенә ихтыяҗны бетерә54. Графит үрнәкләрендә еш күзәтелә торган 291,1 эВ тирәсендә π → π* юлдаш пигы бар. Si 2p һәм O 1 s үзәк дәрәҗә спектрларындагы 103 эВ һәм 532,5 эВ сигналлар (4e, f рәсемнәрен карагыз) SiO2 56 субстратына карый. XPS - өслеккә сизгер ысул, шуңа күрә NGF күчерү алдыннан һәм аннан соң ачыкланган Ni һәм SiO2 сигналлары FLG өлкәсеннән килә дип фаразлана. Күчерелгән BS-NGF үрнәкләре өчен охшаш нәтиҗәләр күзәтелде (күрсәтелмәгән).
NiAG XPS нәтиҗәләре: (ac) Үсеп чыккан FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni һәм күчерелгән FS-NGF/SiO2/Si төрле элемент атом составларын тикшерү спектрлары. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si үрнәгенең C 1 s, O 1s һәм Si 2p үзәк дәрәҗәләренең югары ачыклыклы спектрлары.
Күчерелгән NGF кристалларының гомуми сыйфаты рентген дифракциясе (XRD) ярдәмендә бәяләнде. Күчерелгән FS- һәм BS-NGF/SiO2/Si-ның типик XRD үрнәкләре (SI8 нче рәсем) графит кебек 26,6° һәм 54,7° да дифракция пикларының (0 0 0 2) һәм (0 0 0 4) булуын күрсәтә. Бу NGF-ның югары кристалл сыйфатын раслый һәм d = 0,335 нм катлам аралыгына туры килә, ул күчерү этабыннан соң саклана. Дифракция пикының интенсивлыгы (0 0 0 2) дифракция пикыннан (0 0 0 4) якынча 30 тапкыр зуррак, бу NGF кристалл яссылыгының үрнәк өслеге белән яхшы туры килүен күрсәтә.
SEM, Раман спектроскопиясе, XPS һәм XRD нәтиҗәләре буенча, BS-NGF/Ni сыйфаты FS-NGF/Ni сыйфаты белән бер үк булып чыкты, гәрчә аның rms тигезсезлеге бераз югарырак булса да (SI2, SI5 һәм SI7 рәсемнәре).
200 нм калынлыктагы полимер терәткеч катламнары булган SLG суда йөзә ала. Бу җайланма гадәттә полимер ярдәмендәге дымлы химик күчерү процессларында кулланыла22,38. Графен һәм графит гидрофоб (дымлы почмак 80–90°)57. Графен һәм FLGның потенциаль энергия өслекләре шактый яссы, суның өслектә янга хәрәкәте өчен түбән потенциаль энергия (~1 кДж/моль)58 дип хәбәр ителә. Ләкин, суның графен һәм өч графен катламы белән исәпләнгән үзара тәэсир итешү энергияләре якынча −13 һәм −15 кДж/моль,58 тәшкил итә, бу суның NGF (якынча 300 катлам) белән үзара тәэсир итешүенең графенга караганда түбәнрәк булуын күрсәтә. Бу аерым торган NGF су өслегендә яссы булып калуының, ә аерым торган графенның (суда йөзеп йөри) бөгелеп таркалуының бер сәбәбе булырга мөмкин. NGF тулысынча суга чумганда (тупас һәм яссы NGF өчен нәтиҗәләр бер үк), аның кырыйлары бөгелә (SI4 рәсем). Тулысынча чуму очрагында, NGF-су үзара тәэсир итешү энергиясе икеләтә диярлек артачак (йөзүче NGF белән чагыштырганда) һәм NGF кырыйлары югары контакт почмагын (гидрофоблык) саклап калу өчен бөкләнәчәк дип көтелә. Без кертелгән NGF кырыйларының бөкләнүен булдырмас өчен стратегияләр эшләп була дип саныйбыз. Бер ысул - графит пленкасының дымлану реакциясен модуляцияләү өчен катнаш эреткечләр куллану59.
SLG-ның төрле төр субстратларга дымлы химик күчерү процесслары аша күчерелүе турында элегрәк хәбәр ителгән иде. Графен/графит пленкалары һәм субстратлар арасында (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si баганалары22 кебек каты субстратлар һәм тукыма углерод пленкалары30, 34 яки полиимид 37 кебек сыгылмалы субстратлар) зәгыйфь ван-дер-Ваальс көчләре булуы гомумән кабул ителгән. Монда без бер үк төрдәге үзара бәйләнешләр өстенлек итә дип фаразлыйбыз. Механик эшкәртү вакытында (вакуум һәм/яки атмосфера шартларында яки саклау вакытында характеристика бирү вакытында) монда күрсәтелгән бернинди субстрат өчен дә NGF-ның зыян күрүен яки кабыгуын күзәтмәдек (мәсәлән, 2 нче рәсем, SI7 һәм SI9). Моннан тыш, без NGF/SiO2/Si үрнәгенең үзәк дәрәҗәсенең XPS C 1s спектрында SiC пигын күзәтмәдек (4 нче рәсем). Бу нәтиҗәләр NGF һәм максатлы субстрат арасында химик бәйләнеш юклыгын күрсәтә.
Алдагы бүлектә, "FS- һәм BS-NGF полимерсыз күчерүе"ндә, без NGF никель фольгасының ике ягында да үсә һәм күчерә алуын күрсәттек. Бу FS-NGF һәм BS-NGF өслек тигезсезлеге буенча бер үк түгел, бу безне һәр төр өчен иң кулай кушымталарны өйрәнергә этәрде.
FS-NGF-ның үтә күренмәлелеген һәм тигезрәк өслеген исәпкә алып, без аның җирле структурасын, оптик һәм электр үзлекләрен җентекләбрәк өйрәндек. Полимер күчермәсе булмаган FS-NGF структурасы һәм структурасы трансмиссия электрон микроскопиясе (TEM) сурәтләү һәм сайланган өлкә электрон дифракциясе (SAED) үрнәген анализлау белән характерланды. Тиешле нәтиҗәләр 5 нче рәсемдә күрсәтелгән. Түбән зурайтылган яссы TEM сурәтләү төрле электрон контраст үзенчәлекләренә, ягъни караңгырак һәм яктырак өлкәләргә ия булган NGF һәм FLG өлкәләренең булуын күрсәтте (5а рәсем). Пленка, гомумән алганда, NGF һәм FLG төрле өлкәләре арасында яхшы механик бөтенлек һәм тотрыклылык күрсәтә, яхшы каплану һәм зыян яки ертылу юк, бу шулай ук SEM (3 нче рәсем) һәм югары зурайтылган TEM тикшеренүләре белән расланды (5c-e рәсем). Аерым алганда, 5d рәсемдә аның иң зур өлешендәге күпер структурасы күрсәтелгән (5d рәсемдә кара нокталы ук белән билгеләнгән урын), ул өчпочмаклы форма белән характерлана һәм якынча 51 киңлектәге графен катламыннан тора. 0,33 ± 0,01 нм тигезлек арасы булган состав иң тар өлкәдә берничә графен катламына кадәр кимегән (5d рәсемдәге кара укның очы).
Полимерсыз NiAG үрнәгенең углеродлы бакыр челтәрендәге яссы TEM сурәте: (a, b) NGF һәм FLG өлкәләрен үз эченә алган түбән зурлыктагы TEM сурәтләре, (ce) a һәм b панельләрендәге төрле өлкәләрнең югары зурлыктагы сурәтләре бер үк төстәге уклар белән билгеләнгән. a һәм c панельләрендәге яшел уклар нурны тигезләү вакытында зыян күргән түгәрәк өлкәләрне күрсәтә. (f–i) a дан c га кадәр панельләрдә төрле өлкәләрдәге SAED үрнәкләре зәңгәр, зәңгәрсу, кызгылт сары һәм кызыл түгәрәкләр белән күрсәтелгән.
5c рәсемендәге тасма структурасы графит рәшәткә яссылыкларының вертикаль юнәлешен күрсәтә (кызыл ук белән билгеләнгән), бу пленка буйлап нанобөкләнешләр барлыкка килү сәбәпле булырга мөмкин (5c рәсемдә өстәмә), артык компенсацияләнмәгән кисү көчәнеше аркасында30,61,62. Югары ачыклыклы TEM астында бу нанобөкләнешләр 30 NGF өлкәсенең калган өлешеннән аерылып торган кристаллографик юнәлеш күрсәтә; графит рәшәткәсенең базаль яссылыклары пленканың калган өлеше кебек горизонталь түгел, ә вертикаль рәвештә диярлек юнәлтелгән (5c рәсемдә өстәмә). Шулай ук, FLG өлкәсендә кайвакыт сызыклы һәм тар полосасыман бөкләнешләр күренә (зәңгәр уклар белән билгеләнгән), алар 5b, 5e рәсемнәрендә түбән һәм уртача зурайтуда күренә. 5e рәсемендәге өстәмә FLG секторында ике һәм өч катламлы графен катламнары булуын раслый (планар ара 0,33 ± 0,01 нм), бу безнең алдагы нәтиҗәләр белән яхшы туры килә30. Моннан тыш, полимерсыз NGF-ның (өстән күренгән TEM үлчәүләрен башкарганнан соң) бакыр челтәрләренә күчерелгән SEM рәсемнәре күрсәтелгән (өстән күренгән TEM үлчәүләрен башкарганнан соң). SI9 рәсемендә яхшы асылмалы FLG өлкәсе (зәңгәр ук белән билгеләнгән) һәм сынган өлкә. Зәңгәр ук (күчерелгән NGF кырыенда) FLG өлкәсенең полимерсыз күчерү процессына каршы тора алуын күрсәтү өчен махсус күрсәтелгән. Кыскасы, бу рәсемнәр өлешчә асылмалы NGF-ның (FLG өлкәсен дә кертеп) TEM һәм SEM үлчәүләре вакытында каты эшкәртүдән һәм югары вакуумга дучар булудан соң да механик бөтенлекне саклап калуын раслый (SI9 рәсем).
NGFның бик яхшы яссылыгы аркасында (5a рәсемен карагыз), SAED структурасын анализлау өчен кабырчыкларны [0001] домен күчәре буйлап ориентацияләү кыен түгел. Пленканың җирле калынлыгына һәм аның урнашуына карап, электрон дифракциясен өйрәнү өчен берничә кызыксыну өлкәсе (12 нокта) билгеләнде. 5a–c рәсемнәрендә бу типик өлкәләрнең дүртесе күрсәтелгән һәм төсле түгәрәкләр белән билгеләнгән (зәңгәр, зәңгәрсу, кызгылт сары һәм кызыл кодланган). SAED режимы өчен 2 һәм 3 рәсемнәр. 5f һәм g рәсемнәре 5 һәм 5 рәсемнәрдә күрсәтелгән FLG өлкәсеннән алынган. 5b һәм c рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә. Алар бөтерелгән графенга63 охшаш алты почмаклы структурага ия. Аерым алганда, 5f рәсемендә [0001] зона күчәре белән бер үк ориентацияле өч катламлы үрнәк күрсәтелгән, алар 10° һәм 20° белән әйләндерелгән, бу өч пар (10-10) чагылышның почмак туры килмәве белән раслана. Шулай ук, 5g рәсемендә 20° ка әйләндерелгән ике катламлы алты почмаклы рәсем күрсәтелгән. FLG өлкәсендәге ике яки өч алты почмаклы рәсем төркеме бер-берсенә карата әйләндерелгән өч яссылык эчендәге яки яссылыктан тыш графен катламыннан 33 барлыкка килергә мөмкин. Киресенчә, 5h,i рәсемендәге электрон дифракция рәсемнәре (5a рәсемендә күрсәтелгән NGF өлкәсенә туры килә) зуррак материал калынлыгына туры килә торган гомуми югарырак нокта дифракция интенсивлыгы белән бер [0001] рәсемне күрсәтә. Бу SAED модельләре 64 индексыннан күренгәнчә, FLGга караганда калынрак графит структурасына һәм арадаш юнәлешкә туры килә. NGF кристаллик үзенчәлекләрен характерлау ике яки өч катламлы графит (яки графен) кристаллитларының бергә яшәвен күрсәтте. FLG өлкәсендә аеруча игътибарга лаеклы нәрсә - кристаллитларның билгеле бер дәрәҗәдә яссылык эчендәге яки яссылыктан тыш ориентацияләнүе. Элегрәк Ni 64 пленкаларында үстерелгән NGF өчен 17°, 22° һәм 25° яссылык эчендә әйләнү почмаклары булган графит кисәкчәләре/катламнары турында хәбәр ителгән иде. Бу тикшеренүдә күзәтелгән әйләнү почмагы кыйммәтләре борылган BLG63 графены өчен элек күзәтелгән әйләнү почмакларына (±1°) туры килә.
NGF/SiO2/Si электр үзлекләре 300 К температурада 10×3 мм2 мәйданда үлчәнде. Электрон йөртүчеләр концентрациясе, хәрәкәтчәнлеге һәм үткәрүчәнлеге кыйммәтләре 1,6 × 1020 см-3, 220 см-2 V-1 C-1 һәм 2000 S-см-1 тәшкил итә. Безнең NGF хәрәкәтчәнлеге һәм үткәрүчәнлеге кыйммәтләре табигый графитка охшаш2 һәм коммерциядә сатыла торган югары юнәлешле пиролитик графиттан (3000 °C температурада җитештерелгән) югарырак29. Күзәтелгән электрон йөртүчеләр концентрациясе кыйммәтләре югары температуралы (3200 °C) полиимид катламнары кулланып әзерләнгән микрон калынлыктагы графит пленкалары өчен күптән түгел хәбәр ителгәннәрдән (7,25 × 10 см-3) ике тапкыр югарырак20.
Шулай ук без кварц субстратларына күчерелгән FS-NGF'та UV-күренмәле үткәрүчәнлек үлчәүләрен үткәрдек (6 нчы рәсем). Нәтиҗәдә, 350–800 нм диапазонында 62% диярлек даими үткәрүчәнлек күрсәтелә, бу NGF'ның күренә торган яктылык өчен үтә күренмәле булуын күрсәтә. Чынлыкта, "KAUST" исемен 6b рәсемендәге үрнәкнең санлы фотосурәтендә күрергә мөмкин. NGF'ның нанокристалл структурасы SLG'ныкыннан аерылып торса да, катламнар санын өстәмә катламга 2,3% үткәрүчәнлек югалтуы кагыйдәсен кулланып якынча исәпләргә мөмкин65. Бу мөнәсәбәт буенча, үткәрүчәнлек югалтуы 38% булган графен катламнары саны 21. Үскән NGF, нигездә, 300 графен катламыннан тора, ягъни якынча 100 нм калынлыкта (1 нче рәсем, SI5 һәм SI7). Шуңа күрә, без күзәтелгән оптик үтә күренмәлелек FLG һәм MLG өлкәләренә туры килә дип фаразлыйбыз, чөнки алар пленка буйлап таралган (1, 3, 5 һәм 6в рәсемнәр). Югарыда күрсәтелгән структураль мәгълүматлардан тыш, үткәрүчәнлек һәм үтә күренмәлелек тә күчерелгән NGF-ның югары кристалл сыйфатын раслый.
(a) УВ-күренмәле үткәрүчәнлекне үлчәү, (b) репрезентатив үрнәк кулланып, кварцта типик NGF күчерү. (c) NGF схемасы (караңгы тартма), үрнәк буенча тигез таралган FLG һәм MLG өлкәләре соры төстәге очраклы формалар белән билгеләнгән (1 нче рәсемне карагыз) (100 мкм2 га якынча 0,1–3% мәйдан). Диаграммадагы очраклы формалар һәм аларның зурлыклары иллюстрация максатларында гына бирелгән һәм чын мәйданнарга туры килми.
CVD белән үстерелгән үтә күренмәле NGF элек ялангач кремний өслекләренә күчерелгән һәм кояш батареяларында кулланылган15,16. Нәтиҗәдә энергияне үзгәртү нәтиҗәлелеге (PCE) 1,5% тәшкил итә. Бу NGFлар актив кушылма катламнары, заряд ташу юллары һәм үтә күренмәле электродлар кебек күп функцияләрне башкара15,16. Ләкин графит пленкасы бер үк төрле түгел. Графит электродының катлам каршылыгын һәм оптик үткәрүчәнлеген җентекләп контрольдә тотып, алга таба оптимизацияләү кирәк, чөнки бу ике үзенчәлек кояш батареясының PCE кыйммәтен билгеләүдә мөһим роль уйный15,16. Гадәттә, графен пленкалары күренә торган яктылык өчен 97,7% үтә күренмәле, ләкин катлам каршылыгы 200–3000 ом/кв.16 тәшкил итә. Графен пленкаларының өслек каршылыгын катламнар санын арттыру (графен катламнарын күп тапкыр күчерү) һәм HNO3 (~30 Ом/кв.) белән кушу юлы белән киметергә мөмкин66. Ләкин бу процесс озак вакыт ала, һәм төрле күчерү катламнары һәрвакыт яхшы контакт саклый алмый. Безнең алгы яктагы NGF үткәргечлеге 2000 С/см2, пленка катламының каршылыгы 50 Ом/кв.м һәм 62% үтә күренмәлелек кебек үзлекләргә ия, бу аны кояш батареяларындагы үткәргеч каналлар яки каршы электродлар өчен яраклы альтернатива итә15,16.
BS-NGF структурасы һәм өслек химиясе FS-NGFка охшаш булса да, аның тупаслыгы башкача ("FS- һәм BS-NGF үсеше"). Элегрәк без газ сенсоры буларак ультра юка пленкалы графит22 кулландык. Шуңа күрә без газны сизү бурычлары өчен BS-NGF куллану мөмкинлеген тикшердек (SI10 рәсем). Башта BS-NGFның мм2 зурлыктагы өлешләре саннар арасындагы электрод сенсоры чипына күчерелде (SI10a-c рәсем). Чипның җитештерү детальләре алдан хәбәр ителгән иде; аның актив сизгер мәйданы 9 мм267. SEM рәсемнәрендә (SI10b һәм c рәсемнәре), астындагы алтын электрод NGF аша ачык күренә. Тагын бер тапкыр, барлык үрнәкләр өчен дә чип каплавына ирешелгәнен күрергә мөмкин. Төрле газларның газ сенсорларын үлчәүләре теркәлде (SI10d рәсеме) (SI11 рәсеме) һәм нәтиҗәдә алынган җавап бирү тизлекләре SI10g рәсемнәрендә күрсәтелгән. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) һәм NH3 (200 ppm) кебек башка комачаулаучы газлар белән ихтимал. Бер мөмкин булган сәбәп - NO2. Газның электрофиль табигате22,68. Графен өслегенә адсорбцияләнгәндә, ул система тарафыннан электроннарның ток сеңүен киметә. BS-NGF сенсорының җавап бирү вакыты мәгълүматларын элек бастырылган сенсорлар белән чагыштыру SI2 таблицасында күрсәтелгән. Ачык үрнәкләрне УВ плазмасы, O3 плазмасы яки термик (50–150°C) эшкәртү ярдәмендә NGF сенсорларын яңадан активлаштыру механизмы дәвам итә, идеаль очракта, кертелгән системаларны гамәлгә ашыру69.
CVD процессы вакытында графен катализатор субстратының ике ягында да үсә41. Ләкин, гадәттә, BS-графен күчерү процессы вакытында чыгарыла41. Бу тикшеренүдә без катализатор терәгенең ике ягында да югары сыйфатлы NGF үсешен һәм полимерсыз NGF күчерүен тәэмин итәргә мөмкин икәнен күрсәтәбез. BS-NGF FS-NGFка караганда (~100 нм) нечкәрәк (~80 нм), һәм бу аерма BS-Ni турыдан-туры прекурсор газ агымына дучар булмавы белән аңлатыла. Без шулай ук NiAR субстратының тупаслыгы NGF тупаслыгына тәэсир итүен ачыкладык. Бу нәтиҗәләр үскән яссы FS-NGFның графен өчен прекурсор материал буларак (эксфолиация ысулы белән70) яки кояш батареяларында үткәрүче канал буларак кулланылырга мөмкинлеген күрсәтә15,16. Киресенчә, BS-NGF газны ачыклау өчен кулланылачак (SI9 рәсем) һәм, мөгаен, энергия саклау системалары өчен71,72, анда аның өслек тупаслыгы файдалы булачак.
Югарыда әйтелгәннәрне исәпкә алып, хәзерге эшне элек бастырылган CVD ярдәмендә һәм никель фольга кулланып үстерелгән графит пленкалары белән берләштерү файдалы. 2 нче таблицада күренгәнчә, без кулланган югарырак басымнар чагыштырмача түбән температураларда да (850–1300 °C диапазонында) реакция вакытын (үсеш этабын) кыскартты. Шулай ук без гадәттәгедән зуррак үсешкә ирештек, бу киңәю мөмкинлеген күрсәтә. Игътибар итәргә кирәк булган башка факторлар да бар, аларның кайберләрен без таблицага керттек.
Ике яклы югары сыйфатлы NGF никель фольгасында каталитик CVD ярдәмендә үстерелде. Традицион полимер субстратларын (мәсәлән, CVD графенында кулланыла торганнарны) бетереп, без NGFның (никель фольгасының арткы һәм алгы якларында үстерелгән) төрле процесс өчен мөһим субстратларга чиста һәм кимчелексез дымлы күчерелүенә ирешәбез. Шунысы игътибарга лаек, NGF калынрак пленкага структураль яктан яхшы интеграцияләнгән FLG һәм MLG өлкәләрен үз эченә ала (гадәттә 100 мкм2 га 0,1% тан 3% ка кадәр). Планар TEM бу өлкәләрнең икедән өчкә кадәр графит/графен кисәкчәләреннән (кристаллар яки катламнар) торган өемнәрдән торганлыгын күрсәтә, аларның кайберләренең әйләнү туры килмәве 10–20°. FLG һәм MLG өлкәләре FS-NGFның күренмәле яктылыкка үтә күренмәлелеге өчен җаваплы. Арткы битләргә килгәндә, алар алгы битләргә параллель рәвештә күчерелергә мөмкин һәм, күрсәтелгәнчә, функциональ максатка ия булырга мөмкин (мәсәлән, газны ачыклау өчен). Бу тикшеренүләр сәнәгать масштабындагы CVD процессларында калдыкларны һәм чыгымнарны киметү өчен бик файдалы.
Гомумән алганда, CVD NGF уртача калынлыгы (түбән һәм күп катламлы) графен һәм сәнәгать (микрометр) графит битләре арасында урнашкан. Аларның кызыклы үзлекләре, без аларны җитештерү һәм ташу өчен эшләгән гади ысул белән берлектә, бу пленкаларны хәзерге вакытта кулланыла торган энергия күп таләп итә торган сәнәгать җитештерү процессларыннан башка, графитның функциональ җавабын таләп итә торган кушымталар өчен аеруча яраклы итә.
Коммерция CVD реакторына (Aixtron 4 дюймлы BMPro) 25 мкм калынлыктагы никель фольгасы (99,5% чисталык, Goodfellow) урнаштырылды. Система аргон белән чистартылды һәм 10-3 мбар басымга кадәр эвакуацияләнде. Аннары никель фольгасы Ar/H2 эчендә урнаштырылды (Ni фольгасын 5 минут алдан җылытканнан соң, фольга 900 °C температурада 500 мбар басымга дучар ителде. NGF CH4/H2 агымында (һәрберсе 100 см3) 5 минутка урнаштырылды. Аннары үрнәк 40 °C/мин тизлектә Ar агымы (4000 см3) ярдәмендә 700 °C тан түбән температурага кадәр суытылды. NGF үсеш процессын оптимальләштерү турында тулырак мәгълүмат башка урында тасвирланган30.
Үрнәкнең өслек морфологиясе Zeiss Merlin микроскопы (1 кВ, 50 пА) ярдәмендә SEM ярдәмендә күрсәтелде. Үрнәк өслегенең тигезсезлеге һәм NGF калынлыгы AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) ярдәмендә үлчәнде. TEM һәм SAED үлчәүләре югары яктылык кыры эмиссия пистолеты (300 кВ), FEI Wien тибындагы монохроматор һәм CEOS линзасы сферик аберрация корректоры белән җиһазландырылган FEI Titan 80–300 Cubed микроскопы ярдәмендә үткәрелде, нәтиҗәдә, киңлек чишелеше 0,09 нм булды. NGF үрнәкләре яссы TEM сурәтләү һәм SAED структурасын анализлау өчен углерод белән капланган бакыр челтәрләренә күчерелде. Шулай итеп, үрнәк флокларының күбесе терәк мембранасы тишекләрендә асылынып тора. Күчерелгән NGF үрнәкләре рентгенограмма ярдәмендә анализланды. Рентген дифракция үрнәкләре порошок дифрактометры (Brucker, Cu Kα чыганагы булган D2 фаза күчергече, 1.5418 Å һәм LYNXEYE детекторы) ярдәмендә нур ноктасы диаметры 3 мм булган Cu нурланыш чыганагы ярдәмендә алынган.
Интеграцияләүче конфокаль микроскоп (Alpha 300 RA, WITeC) ярдәмендә берничә Раман ноктасы үлчәүләре теркәлде. Термик эффектлардан качу өчен түбән кузгату көче (25%) булган 532 нм лазер кулланылды. Рентген фотоэлектрон спектроскопиясе (XPS) Kratos Axis Ultra спектрометрында 300 × 700 мкм2 үрнәк мәйданында 150 Вт көчендә монохроматик Al Kα нурланышы (hν = 1486,6 эВ) кулланып башкарылды. Чишелеш спектрлары 160 эВ һәм 20 эВ үткәрү энергияләрендә алынды. SiO2 га күчерелгән NGF үрнәкләре 30 Вт көчендә PLS6MW (1,06 мкм) иттербий җепсел лазеры ярдәмендә кисәкләргә (һәрберсе 3 × 10 мм2) киселде. Бакыр чыбык контактлары (50 мкм калынлыкта) оптик микроскоп астында көмеш пастасы кулланып ясалды. Бу үрнәкләрдә 300 К температурада һәм физик үзлекләрне үлчәү системасында (PPMS EverCool-II, Quantum Design, АКШ) ± 9 Тесла магнит кыры үзгәрүендә электр транспорты һәм Холл эффекты экспериментлары үткәрелде. Күчерелгән УФ-күз спектрлары 350–800 нм NGF диапазонында Lambda 950 УФ-күз спектрофотометры ярдәмендә кварц субстратларына һәм кварц эталон үрнәкләренә күчерелде.
Химик каршылык сенсоры (ара санлы электрод чипы) махсус бастырылган схема тактасына 73 тоташтырылган һәм каршылык вакытлыча алынган. Җайланма урнашкан басма схема тактасы контакт терминалларына тоташтырылган һәм газ сизү камерасы 74 эченә урнаштырылган. Каршылык үлчәүләре 1 В көчәнештә чистартудан газга дучар булганчы өзлексез сканерлау белән алынган, аннары кабат чистартылган. Башта камера дымны да кертеп, камерада булган башка барлык аналитларны бетерү өчен 200 см3 азот белән 1 сәгать чистартылган. Аннары аерым аналитлар N2 цилиндрын ябып, камерага шул ук 200 см3 агым тизлегендә әкрен генә чыгарылган.
Бу мәкаләнең яңартылган версиясе басылып чыкты һәм аны мәкалә башындагы сылтама аша карап була.
Инагаки, М. һәм Канг, Ф. Углерод материаллары фәне һәм инженериясе: нигезләре. Икенче басма редакцияләнгән. 2014. 542.
Пирсон, ХО. Углерод, графит, алмаз һәм фуллереннар кулланмасы: үзлекләре, эшкәртү һәм куллану. Беренче басма редакцияләнгән. 1994, Нью-Джерси.
Цай, В. һ.б. Зур мәйданлы күп катламлы графен/графит пленкалары үтә күренмәле юка үткәргеч электродлар буларак. Куллану. физика. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин А.А. Графен һәм наноструктуралы углерод материалларының җылылык үзлекләре. Nat. Matthews. 10(8), 569–581 (2011).
Ченг К.Й., Браун П.В. һәм Кахилл Д.Г. Ni (111) өстендә түбән температуралы химик пар утырту юлы белән үстерелгән графит пленкаларының җылылык үткәрүчәнлеге. әкият. Мат. Интерфейс 3, 16 (2016).
Хесьедал, Т. Графен пленкаларының химик пар белән утырту юлы белән өзлексез үсеше. куллану. физика. Райт. 98(13), 133106(2011).
Бастырып чыгару вакыты: 2024 елның 23 августы