Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi natijalarga erishish uchun brauzeringizning yangi versiyasidan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz yoki JavaScriptsiz namoyish qilmoqdamiz.
Nano o'lchamli grafit plyonkalari (NGF) katalitik kimyoviy bug' cho'ktirish orqali ishlab chiqarilishi mumkin bo'lgan mustahkam nanomateriallardir, ammo ularning o'tkazuvchanlik qulayligi va sirt morfologiyasi ularning keyingi avlod qurilmalarida qo'llanilishiga qanday ta'sir qilishi haqida savollar qolmoqda. Bu yerda biz polikristalli nikel folgasining ikkala tomonida (maydoni 55 sm2, qalinligi taxminan 100 nm) NGF o'sishi va uning polimersiz o'tkazilishi (old va orqa, maydoni 6 sm2 gacha) haqida ma'lumot beramiz. Katalizator folgasining morfologiyasi tufayli ikkita uglerod plyonkasi fizik xususiyatlari va boshqa xususiyatlari (masalan, sirt pürüzlülüğü) jihatidan farq qiladi. Biz qo'polroq orqa tomoniga ega NGFlar NO2 ni aniqlash uchun juda mos kelishini, old tomonidagi silliqroq va ko'proq o'tkazuvchan NGFlar (2000 S/sm2, varaq qarshiligi – 50 ohm/m2) esa quyosh batareyasining kanali yoki elektrodining hayotiy o'tkazgichlari bo'lishi mumkinligini ko'rsatamiz (chunki u ko'rinadigan yorug'likning 62% ni o'tkazadi). Umuman olganda, tasvirlangan o'sish va tashish jarayonlari NGFni grafen va mikron qalinlikdagi grafit plyonkalari mos kelmaydigan texnologik qo'llanmalar uchun muqobil uglerod materiali sifatida amalga oshirishga yordam berishi mumkin.
Grafit keng qo'llaniladigan sanoat materialidir. Shunisi e'tiborga loyiqki, grafit nisbatan past massa zichligi va yuqori tekislikdagi issiqlik va elektr o'tkazuvchanlik xususiyatlariga ega va qattiq issiqlik va kimyoviy muhitlarda juda barqaror1,2. Parcha grafit grafen tadqiqotlari uchun taniqli boshlang'ich materialdir3. Yupqa plyonkalarga ishlov berilganda, u smartfonlar kabi elektron qurilmalar uchun issiqlik qabul qilgichlar4,5,6,7, sensorlarda faol material sifatida8,9,10 va elektromagnit shovqinlardan himoya qilish11 uchun12 va ekstremal ultrabinafsha nurlarida litografiya uchun plyonkalar13,14, quyosh batareyalaridagi o'tkazuvchan kanallar15,16 kabi keng ko'lamli dasturlarda ishlatilishi mumkin. Ushbu dasturlarning barchasi uchun, nanoskalada <100 nm qalinlikda boshqariladigan grafit plyonkalarining (NGF) katta maydonlarini osongina ishlab chiqarish va tashish mumkin bo'lsa, bu katta afzallik bo'ladi.
Grafit plyonkalari turli usullar bilan ishlab chiqariladi. Bir holatda, grafen parchalarini ishlab chiqarish uchun joylashtirish va kengaytirish, so'ngra eksfoliatsiya qo'llanilgan10,11,17. Parchalar kerakli qalinlikdagi plyonkalarga qo'shimcha ishlov berilishi kerak va zich grafit plitalarini ishlab chiqarish ko'pincha bir necha kun davom etadi. Yana bir yondashuv - grafitlanadigan qattiq prekursorlardan boshlash. Sanoatda polimer plitalari karbonlashtiriladi (1000–1500 °C da) va keyin yaxshi tuzilgan qatlamli materiallarni hosil qilish uchun grafitlanadi (2800–3200 °C da). Ushbu plyonkalarning sifati yuqori bo'lsa-da, energiya sarfi sezilarli1,18,19 va minimal qalinlik bir necha mikron bilan cheklangan1,18,19,20.
Katalitik kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD) yuqori strukturaviy sifat va o'rtacha narxga ega grafen va ultra yupqa grafit plyonkalarini (<10 nm) ishlab chiqarishning taniqli usuli hisoblanadi21,22,23,24,25,26,27. Biroq, grafen va ultra yupqa grafit plyonkalarining o'sishi bilan solishtirganda28, CVD yordamida NGF ni katta maydonlarda o'stirish va/yoki qo'llash yanada kam o'rganilgan11,13,29,30,31,32,33.
CVDda yetishtirilgan grafen va grafit plyonkalarini ko'pincha funktsional substratlarga o'tkazish kerak bo'ladi34. Bu yupqa plyonkali o'tkazishlar ikkita asosiy usulni o'z ichiga oladi35: (1) o'ymakorliksiz o'tkazish36,37 va (2) o'ymakorlik asosidagi nam kimyoviy o'tkazish (substrat qo'llab-quvvatlanadi)14,34,38. Har bir usulning bir qator afzalliklari va kamchiliklari bor va ular boshqa joyda tasvirlanganidek, mo'ljallangan qo'llanilishiga qarab tanlanishi kerak35,39. Katalitik substratlarda yetishtirilgan grafen/grafit plyonkalari uchun nam kimyoviy jarayonlar orqali o'tkazish (ulardan polimetil metakrilat (PMMA) eng ko'p ishlatiladigan tayanch qatlami) birinchi tanlov bo'lib qolmoqda13,30,34,38,40,41,42. Siz va boshqalar. NGF o'tkazish uchun hech qanday polimer ishlatilmagani (namuna hajmi taxminan 4 sm2)25,43 ta'kidlangan, ammo o'tkazish paytida namunaning barqarorligi va/yoki ishlov berish haqida hech qanday ma'lumot berilmagan; Polimerlardan foydalangan holda nam kimyoviy jarayonlar bir nechta bosqichlardan iborat, jumladan, qurbonlik polimer qatlamini qo'llash va keyinchalik olib tashlash30,38,40,41,42. Bu jarayonning kamchiliklari bor: masalan, polimer qoldiqlari o'stirilgan plyonkaning xususiyatlarini o'zgartirishi mumkin38. Qo'shimcha ishlov berish qoldiq polimerni olib tashlashi mumkin, ammo bu qo'shimcha bosqichlar plyonka ishlab chiqarish narxini va vaqtini oshiradi38,40. CVD o'sishi paytida grafen qatlami nafaqat katalizator folgasining old tomoniga (bug 'oqimiga qaragan tomoni), balki uning orqa tomoniga ham cho'kadi. Biroq, ikkinchisi chiqindi mahsulot hisoblanadi va yumshoq plazma bilan tezda olib tashlanishi mumkin38,41. Ushbu plyonkani qayta ishlash, hatto yuzaki uglerod plyonkasidan pastroq sifatga ega bo'lsa ham, hosilni maksimal darajada oshirishga yordam beradi.
Bu yerda biz CVD usuli bilan polikristalli nikel folgasida yuqori strukturaviy sifatga ega NGF ning plastinka shaklidagi bifasial o'sishini tayyorlash haqida xabar beramiz. Folga old va orqa yuzasining pürüzlülüğü NGF morfologiyasi va tuzilishiga qanday ta'sir qilishi baholandi. Shuningdek, biz NGF ni nikel folgasining ikkala tomonidan ko'p funksiyali substratlarga tejamkor va ekologik toza polimersiz o'tkazishni namoyish etamiz va old va orqa plyonkalarning turli xil qo'llanmalar uchun qanday mos kelishini ko'rsatamiz.
Quyidagi bo'limlarda grafen qatlamlarining soniga qarab turli grafit plyonka qalinliklari muhokama qilinadi: (i) bir qatlamli grafen (SLG, 1 qatlam), (ii) bir necha qatlamli grafen (FLG, < 10 qatlam), (iii) ko'p qatlamli grafen (MLG, 10-30 qatlam) va (iv) NGF (~300 qatlam). Ikkinchisi maydonning foizi sifatida ifodalangan eng keng tarqalgan qalinlikdir (100 µm2 uchun taxminan 97% maydon)30. Shuning uchun butun plyonka shunchaki NGF deb ataladi.
Grafen va grafit plyonkalarini sintez qilish uchun ishlatiladigan polikristalli nikel folgalari ishlab chiqarish va keyingi qayta ishlash natijasida turli xil teksturalarga ega. Yaqinda biz NGF30 ning o'sish jarayonini optimallashtirish bo'yicha tadqiqot haqida xabar berdik. Biz o'sish bosqichida tavlash vaqti va kamera bosimi kabi jarayon parametrlari bir xil qalinlikdagi NGFlarni olishda muhim rol o'ynashini ko'rsatamiz. Bu yerda biz nikel folgasining abraziv old (FS) va abrazivlanmagan orqa (BS) yuzalarida NGF o'sishini batafsilroq o'rganib chiqdik (1a-rasm). 1-jadvalda keltirilgan uch xil FS va BS namunalari tekshirildi. Vizual tekshirish natijasida nikel folgasining (NiAG) ikkala tomonida NGF ning bir xil o'sishini asosiy Ni substratining rangi xarakterli metall kumush kulrangdan mot kulrang rangga o'zgarishi orqali ko'rish mumkin (1a-rasm); mikroskopik o'lchovlar tasdiqlandi (1b, c-rasm). Yorqin mintaqada kuzatilgan va 1b-rasmda qizil, ko'k va to'q sariq strelkalar bilan ko'rsatilgan FS-NGF ning odatiy Raman spektri 1c-rasmda ko'rsatilgan. Grafit G (1683 sm−1) va 2D (2696 sm−1) ning xarakterli Raman cho'qqilari yuqori kristalli NGF o'sishini tasdiqlaydi (1c-rasm, SI1-jadval). Film davomida intensivlik nisbati (I2D/IG) ~0.3 bo'lgan Raman spektrlarining ustunligi kuzatildi, I2D/IG = 0.8 bo'lgan Raman spektrlari esa kamdan-kam hollarda kuzatildi. Butun filmda nuqsonli cho'qqilarning yo'qligi (D = 1350 sm−1) NGF o'sishining yuqori sifatini ko'rsatadi. Shunga o'xshash Raman natijalari BS-NGF namunasida olingan (SI1 a va b-rasm, SI1-jadval).
NiAG FS- va BS-NGF ni taqqoslash: (a) Plastinka shkalasida (55 sm2) NGF o'sishini ko'rsatadigan odatiy NGF (NiAG) namunasining fotosurati va natijada olingan BS- va FS-Ni folga namunalari, (b) Optik mikroskop yordamida olingan FS-NGF tasvirlari/Ni, (c) b panelida turli pozitsiyalarda qayd etilgan odatiy Raman spektrlari, (d, f) FS-NGF/Ni da turli kattalashtirishlarda SEM tasvirlari, (e, g) Turli kattalashtirishlarda SEM tasvirlari BS -NGF/Ni ni o'rnatadi. Moviy strelka FLG mintaqasini, to'q sariq strelka MLG mintaqasini (FLG mintaqasi yaqinida), qizil strelka NGF mintaqasini va binafsha strelka buklanishni bildiradi.
O'sish boshlang'ich substratning qalinligiga, kristall o'lchamiga, yo'nalishiga va dona chegaralariga bog'liq bo'lganligi sababli, katta maydonlarda NGF qalinligini oqilona nazorat qilishga erishish qiyin bo'lib qolmoqda20,34,44. Ushbu tadqiqotda biz ilgari nashr etgan kontentdan foydalanilgan30. Bu jarayon 100 µm uchun 0,1 dan 3% gacha yorqin mintaqa hosil qiladi230. Keyingi bo'limlarda biz ikkala turdagi mintaqalar uchun natijalarni taqdim etamiz. Yuqori kattalashtirilgan SEM tasvirlari ikkala tomonda ham bir nechta yorqin kontrastli sohalarning mavjudligini ko'rsatadi (1f, g-rasm), bu FLG va MLG mintaqalarining mavjudligini ko'rsatadi30,45. Bu shuningdek, Raman sochilishi (1c-rasm) va TEM natijalari bilan tasdiqlangan (keyinchalik "FS-NGF: tuzilishi va xususiyatlari" bo'limida muhokama qilinadi). FS- va BS-NGF/Ni namunalarida kuzatilgan FLG va MLG mintaqalari (Ni ustida o'stirilgan old va orqa NGF) oldindan tavlash paytida hosil bo'lgan katta Ni(111) donalarida o'sgan bo'lishi mumkin22,30,45. Ikkala tomonda ham buklanish kuzatildi (1b-rasm, binafsha strelkalar bilan belgilangan). Grafit va nikel substrati orasidagi issiqlik kengayish koeffitsientidagi katta farq tufayli bu buklanishlar ko'pincha CVDda o'stirilgan grafen va grafit plyonkalarida uchraydi30,38.
AFM tasviri FS-NGF namunasining BS-NGF namunasiga qaraganda tekisroq ekanligini tasdiqladi (SI1-rasm) (SI2-rasm). FS-NGF/Ni (SI2c-rasm) va BS-NGF/Ni (SI2d-rasm) ning o'rtacha kvadrat (RMS) pürüzlülük qiymatlari mos ravishda 82 va 200 nm ni tashkil qiladi (20 × 20 μm2 maydonda o'lchanadi). Yuqori pürüzlülük nikel (NiAR) folgasining qabul qilingan holatdagi sirt tahlili asosida tushunilishi mumkin (SI3-rasm). FS va BS-NiAR ning SEM tasvirlari SI3a–d rasmlarida turli sirt morfologiyalarini ko'rsatib, ko'rsatilgan: abraziv FS-Ni folgasida nano- va mikron o'lchamdagi sharsimon zarralar mavjud, abrazivlanmagan BS-Ni folga esa yuqori mustahkamlik va pasayish zarralari sifatida ishlab chiqarish narvonini namoyish etadi. Tavlangan nikel folgasining (NiA) past va yuqori aniqlikdagi tasvirlari SI3e–h rasmida ko'rsatilgan. Ushbu rasmlarda biz nikel folgasining ikkala tomonida bir nechta mikron o'lchamdagi nikel zarrachalarining mavjudligini kuzatishimiz mumkin (SI3e–h-rasm). Katta donachalar ilgari xabar qilinganidek, Ni(111) sirt yo'nalishiga ega bo'lishi mumkin30,46. FS-NiA va BS-NiA o'rtasida nikel folga morfologiyasida sezilarli farqlar mavjud. BS-NGF/Ni ning yuqori pürüzlülüğü BS-NiAR ning sayqallanmagan yuzasi bilan bog'liq bo'lib, uning yuzasi tavlangandan keyin ham sezilarli darajada pürüzlü bo'lib qoladi (SI3-rasm). O'sish jarayonidan oldin sirt tavsifining bu turi grafen va grafit plyonkalarining pürüzlülüğünü nazorat qilish imkonini beradi. Shuni ta'kidlash kerakki, asl substrat grafen o'sishi paytida ba'zi don qayta tashkil etilishiga uchragan, bu tavlangan folga va katalizator plyonkasiga nisbatan don hajmini biroz kamaytirgan va substratning sirt pürüzlülüğünü biroz oshirgan22.
Substrat sirtining pürüzlülüğünü, tavlash vaqtini (don hajmi)30,47 va chiqarishni boshqarish43 ni aniq sozlash mintaqaviy NGF qalinligining bir xilligini µm2 va/yoki hatto nm2 shkalasiga (ya'ni, bir necha nanometr qalinlik o'zgarishlariga) kamaytirishga yordam beradi. Substratning sirt pürüzlülüğünü nazorat qilish uchun hosil bo'lgan nikel folgasini elektrolitik abrazivlash kabi usullarni ko'rib chiqish mumkin48. Keyin oldindan ishlov berilgan nikel folga katta Ni(111) donalarining hosil bo'lishining oldini olish uchun pastroq haroratda (<900 °C)46 va vaqt (<5 daqiqa) tavlanishi mumkin (bu FLG o'sishi uchun foydalidir).
SLG va FLG grafenlari kislotalar va suvning sirt tarangligiga bardosh bera olmaydi, bu esa nam kimyoviy uzatish jarayonlarida mexanik tayanch qatlamlarini talab qiladi22,34,38. Polimer bilan qo'llab-quvvatlanadigan bir qavatli grafenning nam kimyoviy uzatishidan farqli o'laroq38, biz 2a-rasmda ko'rsatilgandek (batafsil ma'lumot uchun SI4a-rasmga qarang) o'sgan NGFning ikkala tomoni ham polimer tayanchisiz o'tkazilishi mumkinligini aniqladik. NGFni berilgan substratga o'tkazish ostidagi Ni30.49 plyonkasini nam o'yish bilan boshlanadi. O'sgan NGF/Ni/NGF namunalari 600 ml deionlangan (DI) suv bilan suyultirilgan 15 ml 70% HNO3 ga bir kechada joylashtirildi. Ni folgasi to'liq eriganidan so'ng, FS-NGF tekis bo'lib qoladi va xuddi NGF/Ni/NGF namunasi kabi suyuqlik yuzasida suzadi, BS-NGF esa suvga botiriladi (2a, b-rasm). Keyin ajratilgan NGF yangi deionizatsiyalangan suv solingan bir stakandan boshqa stakanga o'tkazildi va ajratilgan NGF yaxshilab yuvildi, bu jarayon botiq shisha idish orqali to'rt-olti marta takrorlandi. Nihoyat, FS-NGF va BS-NGF kerakli substratga joylashtirildi (2c-rasm).
Nikel folgasida yetishtirilgan NGF uchun polimersiz nam kimyoviy o'tkazish jarayoni: (a) Jarayon oqimi diagrammasi (batafsil ma'lumot uchun SI4-rasmga qarang), (b) Ni bilan o'yib ishlangandan keyin ajratilgan NGFning raqamli fotosurati (2 ta namuna), (c) FS – va BS-NGF ni SiO2/Si substratiga o'tkazish misoli, (d) FS-NGF ni noaniq polimer substratiga o'tkazish, (e) d paneli bilan bir xil namunadan BS-NGF (ikki qismga bo'lingan), oltin bilan qoplangan C qog'oz va Nafionga (egiluvchan shaffof substrat, qirralari qizil burchaklar bilan belgilangan) o'tkaziladi.
E'tibor bering, nam kimyoviy uzatish usullari yordamida amalga oshirilgan SLG uzatish umumiy ishlov berish vaqtini 20-24 soat talab qiladi 38. Bu yerda ko'rsatilgan polimersiz uzatish texnikasi bilan (SI4a-rasm), NGF uzatishning umumiy ishlov berish vaqti sezilarli darajada kamayadi (taxminan 15 soat). Jarayon quyidagilardan iborat: (1-bosqich) O'yish eritmasini tayyorlang va namunani unga joylashtiring (~10 daqiqa), keyin Ni o'yish uchun bir kecha kuting (~7200 daqiqa), (2-bosqich) Deionizatsiyalangan suv bilan yuving (3-bosqich). Deionizatsiyalangan suvda saqlang yoki maqsadli substratga o'tkazing (20 daqiqa). NGF va asosiy matritsa o'rtasida qolgan suv kapillyar harakatlar bilan (blotting qog'ozi yordamida) olib tashlanadi 38, keyin qolgan suv tomchilari tabiiy quritish orqali olib tashlanadi (taxminan 30 daqiqa) va nihoyat namuna 50-90 °C (60 daqiqa) da vakuumli pechda (10-1 mbar) 10 daqiqa davomida quritiladi 38.
Grafit ancha yuqori haroratlarda (≥ 200 °C) suv va havo mavjudligiga bardosh berishi ma'lum50,51,52. Biz xona haroratida deionizatsiyalangan suvda va yopiq idishlarda bir necha kundan bir yilgacha saqlangandan so'ng namunalarni Raman spektroskopiyasi, SEM va XRD yordamida sinovdan o'tkazdik (SI4-rasm). Sezilarli parchalanish yo'q. 2c-rasmda deionizatsiyalangan suvda mustaqil turgan FS-NGF va BS-NGF ko'rsatilgan. Biz ularni 2c-rasm boshida ko'rsatilganidek, SiO2 (300 nm)/Si substratida ushladik. Bundan tashqari, 2d,e-rasmda ko'rsatilganidek, uzluksiz NGF polimerlar (Nexolve va Nafiondan Thermabright poliamidi) va oltin bilan qoplangan uglerod qog'ozi kabi turli substratlarga o'tkazilishi mumkin. Suzuvchi FS-NGF maqsadli substratga osongina joylashtirildi (2c, d-rasm). Biroq, 3 sm2 dan katta BS-NGF namunalarini suvga to'liq botirganda boshqarish qiyin edi. Odatda, ular suvda dumalay boshlaganda, ehtiyotsizlik tufayli ba'zan ikki yoki uch qismga bo'linadi (2e-rasm). Umuman olganda, biz mos ravishda 6 va 3 sm2 gacha bo'lgan namunalar uchun PS- va BS-NGF ning polimersiz o'tkazilishiga (NGF/Ni/NGF o'sishisiz uzluksiz uzatish, 6 sm2 da) erishdik. Qolgan har qanday katta yoki kichik bo'laklarni kerakli substratda (~1 mm2, SI4b-rasm, namunani "FS-NGF: Tuzilishi va xususiyatlari ("Tuzilishi va xususiyatlari" bo'limida muhokama qilingan)" kabi mis panjarasiga o'tkazish mumkin) yoki kelajakda foydalanish uchun saqlash mumkin (SI4-rasm). Ushbu mezon asosida biz NGF ni 98-99% gacha hosildorlikda (o'tkazish uchun o'sishdan keyin) qayta tiklash mumkinligini taxmin qilamiz.
Polimersiz o'tkazma namunalari batafsil tahlil qilindi. Optik mikroskopiya (OM) va SEM tasvirlari (SI5 va 3-rasm) yordamida FS- va BS-NGF/SiO2/Si (2c-rasm) da olingan sirt morfologik xususiyatlari bu namunalar mikroskopiyasiz o'tkazilganligini ko'rsatdi. Yoriqlar, teshiklar yoki ochilmagan joylar kabi ko'rinadigan strukturaviy shikastlanishlar. O'sayotgan NGFdagi burmalar (3b, d-rasm, binafsha strelkalar bilan belgilangan) o'tkazilgandan keyin ham butunligicha qoldi. Ikkala FS- va BS-NGF ham FLG mintaqalaridan iborat (3-rasmda ko'k strelkalar bilan belgilangan yorqin mintaqalar). Ajablanarlisi shundaki, ultra yupqa grafit plyonkalarini polimer o'tkazish paytida odatda kuzatiladigan bir nechta shikastlangan mintaqalardan farqli o'laroq, NGFga ulanadigan bir nechta mikron o'lchamli FLG va MLG mintaqalari (3d-rasmda ko'k strelkalar bilan belgilangan) yoriqlar yoki uzilishlarsiz o'tkazildi (3d-rasm). . Mexanik yaxlitlik keyinchalik muhokama qilinganidek, dantel-uglerodli mis panjaralariga o'tkazilgan NGF ning TEM va SEM tasvirlari yordamida yanada tasdiqlandi ("FS-NGF: Tuzilishi va xususiyatlari"). O'tkazilgan BS-NGF/SiO2/Si mos ravishda 140 nm va 17 nm rms qiymatlari bilan FS-NGF/SiO2/Si ga qaraganda qo'polroq, bu SI6a va b rasmlarda ko'rsatilgan (20 × 20 μm2). SiO2/Si substratiga o'tkazilgan NGF ning RMS qiymati (RMS < 2 nm) Ni ustida o'stirilgan NGF ga qaraganda ancha past (taxminan 3 marta) (SI2-rasm), bu qo'shimcha qo'pollik Ni yuzasiga mos kelishi mumkinligini ko'rsatadi. Bundan tashqari, FS- va BS-NGF/SiO2/Si namunalarining chekkalarida bajarilgan AFM tasvirlari mos ravishda 100 va 80 nm NGF qalinligini ko'rsatdi (SI7-rasm). BS-NGF ning kichikroq qalinligi sirtning prekursor gaziga to'g'ridan-to'g'ri ta'sir qilmasligi natijasi bo'lishi mumkin.
SiO2/Si plastinkasida polimersiz o'tkazilgan NGF (NiAG) (2c-rasmga qarang): (a,b) O'tkazilgan FS-NGF ning SEM tasvirlari: past va yuqori kattalashtirish (paneldagi to'q sariq kvadratga mos keladi). Odatdagi maydonlar) – a). (c,d) O'tkazilgan BS-NGF ning SEM tasvirlari: past va yuqori kattalashtirish (c panelidagi to'q sariq kvadrat bilan ko'rsatilgan odatiy maydonga mos keladi). (e, f) O'tkazilgan FS- va BS-NGF ning AFM tasvirlari. Moviy strelka FLG mintaqasini – yorqin kontrastni, ko'k strelka – qora MLG kontrastini, qizil strelka – qora kontrast NGF mintaqasini, binafsha strelka buklamani ifodalaydi.
Yetishtirilgan va uzatilgan FS- va BS-NGFlarning kimyoviy tarkibi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) yordamida tahlil qilindi (4-rasm). O'lchangan spektrlarda zaif cho'qqi kuzatildi (4a, b-rasm), bu yetishtirilgan FS- va BS-NGFlarning (NiAG) Ni substratiga (850 eV) mos keladi. O'tkazilgan FS- va BS-NGF/SiO2/Si ning o'lchangan spektrlarida cho'qqilar yo'q (4c-rasm; BS-NGF/SiO2/Si uchun shunga o'xshash natijalar ko'rsatilmagan), bu uzatishdan keyin qoldiq Ni ifloslanishi yo'qligini ko'rsatadi. 4d–f-rasmlarda FS-NGF/SiO2/Si ning C 1 s, O 1 s va Si 2p energiya darajalarining yuqori aniqlikdagi spektrlari ko'rsatilgan. Grafitning C 1 s ning bog'lanish energiyasi 284,4 eV53,54 ga teng. Grafit cho'qqilarining chiziqli shakli odatda assimetrik deb hisoblanadi, bu 4d54-rasmda ko'rsatilgan. Yuqori aniqlikdagi yadro darajasidagi C1s spektri (4d-rasm) ham sof uzatishni tasdiqladi (ya'ni, polimer qoldiqlari yo'q), bu avvalgi tadqiqotlarga mos keladi38. Yangi yetishtirilgan namunaning (NiAG) va uzatishdan keyingi C1s spektrlarining chiziq kengliklari mos ravishda 0,55 va 0,62 eV ni tashkil qiladi. Bu qiymatlar SLG dan yuqori (SiO2 substratida SLG uchun 0,49 eV)38. Biroq, bu qiymatlar yuqori yo'naltirilgan pirolitik grafen namunalari uchun ilgari xabar qilingan chiziq kengliklaridan kichikroq (~0,75 eV)53,54,55, bu mavjud materialda nuqsonli uglerod joylari yo'qligini ko'rsatadi. C1s va O1s yer sathidagi spektrlarida ham yelkalar yo'q, bu esa yuqori aniqlikdagi cho'qqilarni dekonvolyutsiya qilish zaruratini bartaraf etadi54. Grafit namunalarida ko'pincha kuzatiladigan 291,1 eV atrofida π → π* sun'iy yo'ldosh cho'qqisi mavjud. Si 2p va O 1 s yadro sathidagi spektrlardagi 103 eV va 532,5 eV signallar (4e-rasm, f ga qarang) mos ravishda SiO2 56 substratiga tegishli. XPS sirtga sezgir texnikadir, shuning uchun NGF o'tkazilishidan oldin va keyin aniqlangan Ni va SiO2 ga mos keladigan signallar FLG mintaqasidan kelib chiqqan deb taxmin qilinadi. O'tkazilgan BS-NGF namunalari uchun ham shunga o'xshash natijalar kuzatildi (ko'rsatilmagan).
NiAG XPS natijalari: (ac) Mos ravishda yetishtirilgan FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni va uzatilgan FS-NGF/SiO2/Si ning turli elementar atom tarkiblarini o'rganish spektrlari. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si namunasining C 1 s, O 1s va Si 2p yadro sathlarining yuqori aniqlikdagi spektrlari.
O'tkazilgan NGF kristallarining umumiy sifati rentgen difraksiyasi (XRD) yordamida baholandi. O'tkazilgan FS- va BS-NGF/SiO2/Si ning odatiy XRD naqshlari (SI8-rasm) grafitga o'xshash 26,6° va 54,7° da diffraktsiya cho'qqilarining (0 0 0 2) va (0 0 0 4) mavjudligini ko'rsatadi. Bu NGF ning yuqori kristallik sifatini tasdiqlaydi va o'tkazish bosqichidan keyin saqlanib qoladigan d = 0,335 nm qatlamlararo masofaga mos keladi. Diffraktsiya cho'qqisining intensivligi (0 0 0 2) diffraktsiya cho'qqisining (0 0 0 4) taxminan 30 baravariga teng, bu NGF kristal tekisligi namuna yuzasi bilan yaxshi moslanganligini ko'rsatadi.
SEM, Raman spektroskopiyasi, XPS va XRD natijalariga ko'ra, BS-NGF/Ni ning sifati FS-NGF/Ni bilan bir xil ekanligi aniqlandi, garchi uning rms pürüzlülüğü biroz yuqoriroq bo'lsa ham (SI2, SI5 va SI7-rasmlar).
Qalinligi 200 nm gacha bo'lgan polimer tayanch qatlamlariga ega SLGlar suv ustida suzib yurishi mumkin. Ushbu o'rnatish odatda polimer yordamida nam kimyoviy uzatish jarayonlarida qo'llaniladi22,38. Grafen va grafit gidrofobdir (namlik burchagi 80–90°)57. Grafen va FLG ning potensial energiya sirtlari ancha tekis ekanligi, suvning sirtdagi lateral harakati uchun past potensial energiya (~1 kJ/mol) ekanligi haqida xabar berilgan58. Biroq, suvning grafen va grafenning uchta qatlami bilan hisoblangan o'zaro ta'sir energiyalari mos ravishda taxminan −13 va −15 kJ/mol,58 ni tashkil qiladi, bu suvning NGF (taxminan 300 qatlam) bilan o'zaro ta'siri grafenga nisbatan pastroq ekanligini ko'rsatadi. Bu mustaqil NGF suv yuzasida tekis bo'lib qolishining sabablaridan biri bo'lishi mumkin, mustaqil grafen esa (suvda suzib yuradi) esa buklanadi va parchalanadi. NGF to'liq suvga botirilganda (qo'pol va tekis NGF uchun natijalar bir xil), uning chekkalari bukiladi (SI4-rasm). To'liq suvga botirish holatida, NGF-suv o'zaro ta'sir energiyasi deyarli ikki baravar ko'payishi (suzuvchi NGF bilan solishtirganda) va NGF chekkalari yuqori aloqa burchagini (gidrofobiklik) saqlab qolish uchun buklanishi kutilmoqda. Bizning fikrimizcha, ko'milgan NGF chekkalarining buklanishining oldini olish uchun strategiyalar ishlab chiqilishi mumkin. Bitta yondashuv grafit plyonkasining namlanish reaksiyasini modulyatsiya qilish uchun aralash erituvchilardan foydalanishdir59.
SLG ning turli xil substratlarga nam kimyoviy uzatish jarayonlari orqali o'tkazilishi ilgari xabar qilingan edi. Grafen/grafit plyonkalari va substratlar (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si ustunlari22 kabi qattiq substratlar va dantelli uglerod plyonkalari30, 34 yoki poliimid 37 kabi egiluvchan substratlar) o'rtasida zaif van der Waals kuchlari mavjudligi odatda qabul qilinadi. Bu yerda biz bir xil turdagi o'zaro ta'sirlar ustunlik qiladi deb taxmin qilamiz. Mexanik ishlov berish paytida (vakuum va/yoki atmosfera sharoitida yoki saqlash paytida tavsiflash paytida) bu yerda keltirilgan substratlarning hech biri uchun NGF ning shikastlanishi yoki po'stlanishini kuzatmadik (masalan, 2-rasm, SI7 va SI9). Bundan tashqari, biz NGF/SiO2/Si namunasining yadro sathining XPS C 1s spektrida SiC cho'qqisini kuzatmadik (4-rasm). Bu natijalar NGF va maqsadli substrat o'rtasida kimyoviy bog'lanish yo'qligini ko'rsatadi.
Oldingi bo'limda, "FS- va BS-NGF ning polimersiz o'tkazilishi"da biz NGF nikel folgasining ikkala tomonida ham o'sishi va o'tishi mumkinligini ko'rsatdik. Bu FS-NGF va BS-NGF sirt pürüzlülüğü jihatidan bir xil emas, bu bizni har bir tur uchun eng mos qo'llanmalarni o'rganishga undadi.
FS-NGF ning shaffofligi va silliq yuzasini hisobga olgan holda, biz uning mahalliy tuzilishini, optik va elektr xususiyatlarini batafsilroq o'rganib chiqdik. Polimer o'tkazmasdan FS-NGF ning tuzilishi va tuzilishi transmissiya elektron mikroskopi (TEM) tasvirlash va tanlangan maydon elektron difraksiyasi (SAED) naqsh tahlili bilan tavsiflandi. Tegishli natijalar 5-rasmda ko'rsatilgan. Past kattalashtirishli tekis TEM tasvirlash turli elektron kontrast xususiyatlariga ega bo'lgan NGF va FLG mintaqalarining mavjudligini aniqladi, ya'ni mos ravishda quyuqroq va yorqinroq sohalar (5a-rasm). Umuman olganda, plyonka NGF va FLG ning turli mintaqalari o'rtasida yaxshi mexanik yaxlitlik va barqarorlikni namoyish etadi, yaxshi ustma-ust tushish va shikastlanish yoki yirtilish yo'q, bu SEM (3-rasm) va yuqori kattalashtirishli TEM tadqiqotlari bilan ham tasdiqlangan (5c-e-rasm). Xususan, 5d-rasmda uning eng katta qismidagi ko'prik tuzilishi ko'rsatilgan (5d-rasmdagi qora nuqtali strelka bilan belgilangan joy), u uchburchak shakl bilan tavsiflanadi va taxminan 51 kenglikdagi grafen qatlamidan iborat. 0,33 ± 0,01 nm tekisliklararo masofaga ega kompozitsiya eng tor sohada bir nechta grafen qatlamlariga qisqartiriladi (5d-rasmdagi qora strelkaning uchi).
Uglerodli mis panjarasidagi polimersiz NiAG namunasining tekis TEM tasviri: (a, b) NGF va FLG mintaqalarini o'z ichiga olgan past kattalashtirishli TEM tasvirlari, (ce) a va b panellaridagi turli mintaqalarning yuqori kattalashtirishli tasvirlari bir xil rangdagi strelkalar bilan belgilangan. a va c panellaridagi yashil strelkalar nurni tekislash paytida zararlangan dumaloq sohalarni ko'rsatadi. (f–i) a dan c gacha bo'lgan panellarda turli mintaqalardagi SAED naqshlari mos ravishda ko'k, ko'k, to'q sariq va qizil doiralar bilan ko'rsatilgan.
5c-rasmdagi lenta tuzilishi grafit panjara tekisliklarining vertikal yo'nalishini ko'rsatadi (qizil strelka bilan belgilangan), bu ortiqcha kompensatsiyalanmagan siljish kuchlanishi tufayli plyonka bo'ylab nanoburchalar hosil bo'lishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin (5c-rasmdagi qo'shimcha). Yuqori aniqlikdagi TEM ostida bu nanoburchalar 30 NGF mintaqasining qolgan qismiga qaraganda boshqacha kristallografik yo'nalishni namoyish etadi; grafit panjarasining bazal tekisliklari plyonkaning qolgan qismi kabi gorizontal emas, balki deyarli vertikal yo'naltirilgan (5c-rasmdagi qo'shimcha). Xuddi shunday, FLG mintaqasi vaqti-vaqti bilan chiziqli va tor tasma shaklidagi burmalar (ko'k strelkalar bilan belgilangan) ni namoyish etadi, ular mos ravishda 5b, 5e-rasmlarda past va o'rta kattalashtirishda paydo bo'ladi. 5e-rasmdagi qo'shimcha FLG sektorida ikki va uch qatlamli grafen qatlamlarining mavjudligini tasdiqlaydi (tekisliklararo masofa 0,33 ± 0,01 nm), bu bizning oldingi natijalarimizga mos keladi30. Bundan tashqari, (yuqoridan ko'rinadigan TEM o'lchovlarini amalga oshirgandan so'ng) to'rsimon uglerod plyonkalari bilan mis panjaralariga o'tkazilgan polimersiz NGF ning yozib olingan SEM tasvirlari SI9-rasmda ko'rsatilgan. SI9f-rasmda yaxshi suspenziyalangan FLG mintaqasi (ko'k strelka bilan belgilangan) va singan mintaqa. Ko'k strelka (uzatilgan NGF chetida) FLG mintaqasi polimersiz uzatish jarayoniga qarshilik ko'rsatishi mumkinligini ko'rsatish uchun ataylab taqdim etilgan. Xulosa qilib aytganda, bu tasvirlar qisman suspenziyalangan NGF (shu jumladan FLG mintaqasi) TEM va SEM o'lchovlari paytida qattiq ishlov berilgandan va yuqori vakuumga duchor bo'lgandan keyin ham mexanik yaxlitlikni saqlab qolishini tasdiqlaydi (SI9-rasm).
NGF ning ajoyib tekisligi tufayli (5a-rasmga qarang), SAED tuzilishini tahlil qilish uchun yoriqlarni [0001] domen o'qi bo'ylab yo'naltirish qiyin emas. Plyonkaning mahalliy qalinligi va uning joylashuviga qarab, elektron diffraktsiya tadqiqotlari uchun bir nechta qiziqish uyg'otadigan mintaqalar (12 nuqta) aniqlandi. 5a–c rasmlarda ushbu tipik mintaqalarning to'rttasi ko'rsatilgan va rangli doiralar (ko'k, ko'k, to'q sariq va qizil kodlangan) bilan belgilangan. SAED rejimi uchun 2 va 3-rasmlar. 5f va g rasmlari 5 va 5-rasmlarda ko'rsatilgan FLG mintaqasidan olingan. Mos ravishda 5b va c rasmlarda ko'rsatilganidek. Ular buralgan grafenga o'xshash olti burchakli tuzilishga ega63. Xususan, 5f rasmda [0001] zona o'qining bir xil yo'nalishiga ega bo'lgan, 10° va 20° ga burilgan uchta ustma-ust tushgan naqsh ko'rsatilgan, bu uchta juft (10-10) aks ettirishning burchak mos kelmasligidan dalolat beradi. Xuddi shunday, 5g-rasmda 20° ga aylantirilgan ikkita ustma-ust qo'yilgan olti burchakli naqsh ko'rsatilgan. FLG mintaqasidagi ikki yoki uchta olti burchakli naqshlar guruhi bir-biriga nisbatan aylantirilgan uchta tekislik ichidagi yoki tekislikdan tashqaridagi grafen qatlamlaridan 33 paydo bo'lishi mumkin. Aksincha, 5h,i-rasmdagi elektron diffraktsiya naqshlari (5a-rasmda ko'rsatilgan NGF mintaqasiga mos keladi) material qalinligining kattaligiga mos keladigan umumiy yuqori nuqta diffraktsiya intensivligiga ega bo'lgan bitta [0001] naqshni ko'rsatadi. Ushbu SAED modellari 64-indeksdan kelib chiqqan holda, FLGga qaraganda qalinroq grafit tuzilishi va oraliq yo'nalishga mos keladi. NGF ning kristallik xususiyatlarini tavsiflash ikki yoki uchta ustma-ust qo'yilgan grafit (yoki grafen) kristallitlarining birgalikda mavjudligini ko'rsatdi. FLG mintaqasida ayniqsa diqqatga sazovor narsa shundaki, kristallitlar ma'lum darajada tekislik ichidagi yoki tekislikdan tashqaridagi noto'g'ri yo'nalishga ega. Ni 64 plyonkalarida o'stirilgan NGF uchun tekislikda aylanish burchaklari 17°, 22° va 25° bo'lgan grafit zarralari/qatlamlari ilgari xabar qilingan edi. Ushbu tadqiqotda kuzatilgan aylanish burchagi qiymatlari buralgan BLG63 grafeni uchun avval kuzatilgan aylanish burchaklariga (±1°) mos keladi.
NGF/SiO2/Si ning elektr xususiyatlari 300 K da 10×3 mm2 maydonda o'lchandi. Elektron tashuvchilar konsentratsiyasi, harakatchanligi va o'tkazuvchanligi qiymatlari mos ravishda 1,6 × 1020 sm-3, 220 sm-2 V-1 C-1 va 2000 S-sm-1 ni tashkil qiladi. Bizning NGF ning harakatchanligi va o'tkazuvchanlik qiymatlari tabiiy grafitga o'xshash2 va tijoratda mavjud bo'lgan yuqori yo'naltirilgan pirolitik grafitdan (3000 °C da ishlab chiqarilgan) yuqori29. Kuzatilgan elektron tashuvchilar konsentratsiyasi qiymatlari yuqori haroratli (3200 °C) poliimid varaqlari yordamida tayyorlangan mikron qalinlikdagi grafit plyonkalari uchun yaqinda xabar qilingan qiymatlardan (7,25 × 10 sm-3) ikki baravar yuqori20.
Shuningdek, biz kvarts substratlariga o'tkazilgan FS-NGFda UB-ko'rinadigan o'tkazuvchanlik o'lchovlarini o'tkazdik (6-rasm). Olingan spektr 350–800 nm oralig'ida deyarli 62% doimiy o'tkazuvchanlikni ko'rsatadi, bu NGF ko'rinadigan yorug'likka shaffofligini ko'rsatadi. Aslida, "KAUST" nomini 6b-rasmdagi namunaning raqamli fotosuratida ko'rish mumkin. NGF ning nanokristalli tuzilishi SLG nikidan farq qilsa-da, qatlamlar sonini har bir qo'shimcha qatlam uchun 2,3% o'tkazuvchanlik yo'qotish qoidasi yordamida taxminan hisoblash mumkin65. Ushbu bog'liqlikka ko'ra, 38% o'tkazuvchanlik yo'qotishiga ega grafen qatlamlari soni 21 tani tashkil qiladi. Yetishtirilgan NGF asosan 300 ta grafen qatlamidan, ya'ni taxminan 100 nm qalinlikdan iborat (1-rasm, SI5 va SI7). Shuning uchun, biz kuzatilgan optik shaffoflik FLG va MLG mintaqalariga mos keladi deb taxmin qilamiz, chunki ular plyonka bo'ylab tarqalgan (1, 3, 5 va 6c-rasmlar). Yuqoridagi strukturaviy ma'lumotlarga qo'shimcha ravishda, o'tkazuvchanlik va shaffoflik ham uzatilgan NGFning yuqori kristall sifatini tasdiqlaydi.
(a) UB nurlari bilan ko'rinadigan o'tkazuvchanlikni o'lchash, (b) vakillik namunasi yordamida kvartsda NGFning odatiy o'tkazilishi. (c) Namuna bo'ylab kulrang tasodifiy shakllar sifatida belgilangan teng taqsimlangan FLG va MLG mintaqalari bilan NGF (qorong'u quti) sxemasi (1-rasmga qarang) (100 mkm2 uchun taxminan 0,1–3% maydon). Diagrammadagi tasodifiy shakllar va ularning o'lchamlari faqat illyustratsiya maqsadida berilgan va haqiqiy maydonlarga mos kelmaydi.
CVD tomonidan yetishtirilgan shaffof NGF ilgari yalang'och kremniy sirtlariga o'tkazilgan va quyosh batareyalarida ishlatilgan15,16. Olingan quvvatni konvertatsiya qilish samaradorligi (PCE) 1,5% ni tashkil qiladi. Bu NGFlar faol birikma qatlamlari, zaryad tashish yo'llari va shaffof elektrodlar kabi bir nechta funktsiyalarni bajaradi15,16. Biroq, grafit plyonkasi bir xil emas. Grafit elektrodining varaq qarshiligi va optik o'tkazuvchanligini diqqat bilan nazorat qilish orqali qo'shimcha optimallashtirish zarur, chunki bu ikki xususiyat quyosh batareyasining PCE qiymatini aniqlashda muhim rol o'ynaydi15,16. Odatda, grafen plyonkalari ko'rinadigan yorug'lik uchun 97,7% shaffof, ammo varaq qarshiligi 200–3000 ohm/kv.16 ni tashkil qiladi. Grafen plyonkalarining sirt qarshiligini qatlamlar sonini ko'paytirish (grafen qatlamlarini bir necha marta o'tkazish) va HNO3 (~30 Ohm/kv.) bilan qo'shish orqali kamaytirish mumkin66. Biroq, bu jarayon uzoq vaqt talab etadi va turli o'tkazish qatlamlari har doim ham yaxshi aloqani saqlab qolavermaydi. Bizning old tomonimizdagi NGF o'tkazuvchanlik 2000 S/sm3, plyonka qarshiligi 50 ohm/kvadrat va 62% shaffoflik kabi xususiyatlarga ega, bu esa uni quyosh batareyalaridagi o'tkazuvchan kanallar yoki qarshi elektrodlar uchun munosib alternativa qiladi15,16.
BS-NGF ning tuzilishi va sirt kimyosi FS-NGF ga o'xshash bo'lsa-da, uning pürüzlülüğü boshqacha ("FS- va BS-NGF ning o'sishi"). Ilgari biz gaz sensori sifatida ultra yupqa plyonkali grafit22 dan foydalanganmiz. Shuning uchun biz gazni aniqlash vazifalari uchun BS-NGF dan foydalanish imkoniyatini sinab ko'rdik (SI10-rasm). Birinchidan, BS-NGF ning mm2 o'lchamdagi qismlari raqamli elektrod sensor chipiga o'tkazildi (SI10a-c-rasm). Chipning ishlab chiqarish tafsilotlari ilgari xabar qilingan edi; uning faol sezgir maydoni 9 mm267 ni tashkil qiladi. SEM tasvirlarida (SI10b va c-rasmlar), tagidagi oltin elektrod NGF orqali aniq ko'rinadi. Yana bir bor, barcha namunalar uchun bir xil chip qoplamasiga erishilganligini ko'rish mumkin. Turli gazlarning gaz sensori o'lchovlari qayd etildi (SI10d-rasm) (SI11-rasm) va natijada olingan javob tezligi SI10g-rasmlarda ko'rsatilgan. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) va NH3 (200 ppm) kabi boshqa aralashuvchi gazlar bilan ehtimol. Buning mumkin bo'lgan sabablaridan biri NO2. Gazning elektrofil tabiati22,68. Grafen yuzasida adsorbsiyalanganda, u tizim tomonidan elektronlarning tok yutilishini kamaytiradi. BS-NGF sensorining javob vaqti ma'lumotlarini ilgari nashr etilgan sensorlar bilan taqqoslash SI2-jadvalda keltirilgan. NGF sensorlarini UV plazmasi, O3 plazmasi yoki ochiq namunalarni termal (50–150°C) ishlov berish orqali qayta faollashtirish mexanizmi davom etmoqda, ideal holda ko'milgan tizimlarni joriy etish69 amalga oshiriladi.
CVD jarayonida grafen o'sishi katalizator substratining ikkala tomonida ham sodir bo'ladi41. Biroq, BS-grafen odatda uzatish jarayonida chiqariladi41. Ushbu tadqiqotda biz katalizator tayanchining ikkala tomonida ham yuqori sifatli NGF o'sishi va polimersiz NGF o'tkazilishiga erishish mumkinligini ko'rsatamiz. BS-NGF FS-NGF (~100 nm) ga qaraganda yupqaroq (~80 nm) va bu farq BS-Ni to'g'ridan-to'g'ri oldingi gaz oqimiga duchor bo'lmasligi bilan izohlanadi. Shuningdek, biz NiAR substratining pürüzlülüğü NGF pürüzlülüğüne ta'sir qilishini aniqladik. Bu natijalar shuni ko'rsatadiki, o'stirilgan tekis FS-NGF grafen uchun oldingi material sifatida (eksfoliatsiya usuli bilan70) yoki quyosh batareyalarida o'tkazuvchan kanal sifatida ishlatilishi mumkin15,16. Aksincha, BS-NGF gazni aniqlash uchun ishlatiladi (SI9-rasm) va ehtimol energiya saqlash tizimlari uchun71,72, bu yerda uning sirt pürüzlülüğü foydali bo'ladi.
Yuqoridagilarni hisobga olgan holda, joriy ishlarni ilgari nashr etilgan CVD va nikel folga yordamida yetishtirilgan grafit plyonkalari bilan birlashtirish foydalidir. 2-jadvalda ko'rinib turibdiki, biz foydalangan yuqori bosimlar nisbatan past haroratlarda ham (850–1300 °C oralig'ida) reaksiya vaqtini (o'sish bosqichini) qisqartirdi. Shuningdek, biz odatdagidan ko'ra ko'proq o'sishga erishdik, bu esa kengayish potentsialini ko'rsatadi. Ko'rib chiqish kerak bo'lgan boshqa omillar ham mavjud, ularning ba'zilarini biz jadvalga kiritdik.
Ikki tomonlama yuqori sifatli NGF katalitik CVD yordamida nikel folgasida yetishtirildi. An'anaviy polimer substratlarini (masalan, CVD grafenida ishlatiladiganlarni) yo'q qilish orqali biz NGF ning (nikel folgasining orqa va old tomonlarida yetishtirilgan) turli xil jarayon uchun muhim substratlarga toza va nuqsonsiz nam o'tkazilishiga erishamiz. Shunisi e'tiborga loyiqki, NGF qalinroq plyonkaga strukturaviy jihatdan yaxshi integratsiyalashgan FLG va MLG mintaqalarini (odatda 100 µm2 uchun 0,1% dan 3% gacha) o'z ichiga oladi. Planar TEM shuni ko'rsatadiki, bu mintaqalar ikki-uchta grafit/grafen zarrachalari (mos ravishda kristallar yoki qatlamlar) to'plamidan iborat bo'lib, ularning ba'zilari 10-20° aylanish mos kelmasligiga ega. FLG va MLG mintaqalari FS-NGF ning ko'rinadigan yorug'likka shaffofligi uchun javobgardir. Orqa varaqlarga kelsak, ular oldingi varaqlarga parallel ravishda olib borilishi mumkin va ko'rsatilganidek, funktsional maqsadga ega bo'lishi mumkin (masalan, gazni aniqlash uchun). Ushbu tadqiqotlar sanoat miqyosidagi CVD jarayonlarida chiqindilar va xarajatlarni kamaytirish uchun juda foydali.
Umuman olganda, CVD NGF ning o'rtacha qalinligi (past va ko'p qatlamli) grafen va sanoat (mikrometr) grafit varaqlari orasida joylashgan. Ularning qiziqarli xususiyatlarining xilma-xilligi, ularni ishlab chiqarish va tashish uchun biz ishlab chiqqan oddiy usul bilan birgalikda, ushbu plyonkalarni hozirda qo'llaniladigan energiya talab qiladigan sanoat ishlab chiqarish jarayonlarining xarajatlarisiz, grafitning funktsional reaksiyasini talab qiladigan ilovalar uchun ayniqsa mos qiladi.
Tijorat CVD reaktoriga (Aixtron 4 dyuymli BMPro) 25 mkm qalinlikdagi nikel folga (99,5% tozalik, Goodfellow) o'rnatildi. Tizim argon bilan tozalandi va 10-3 mbar asosiy bosimgacha evakuatsiya qilindi. Keyin nikel folga Ar/H2 ga joylashtirildi (Ni folga 5 daqiqa davomida oldindan tavlangandan so'ng, folga 900 °C da 500 mbar bosimga duchor qilindi. NGF CH4/H2 (har biri 100 sm3) oqimida 5 daqiqa davomida cho'ktirildi. Keyin namuna 40 °C/min da Ar oqimi (4000 sm3) yordamida 700 °C dan past haroratgacha sovutildi. NGF o'sish jarayonini optimallashtirish bo'yicha tafsilotlar boshqa joyda tasvirlangan30.
Namunaning sirt morfologiyasi Zeiss Merlin mikroskopi (1 kV, 50 pA) yordamida SEM yordamida vizualizatsiya qilindi. Namuna sirtining pürüzlülüğü va NGF qalinligi AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) yordamida o'lchandi. TEM va SAED o'lchovlari yakuniy natijalarni olish uchun yuqori yorqinlikdagi maydon emissiya quroli (300 kV), FEI Wien tipidagi monoxromator va CEOS linzali sferik aberatsiya korrektori bilan jihozlangan FEI Titan 80–300 Cubed mikroskopi yordamida amalga oshirildi. fazoviy o'lchamlari 0,09 nm. NGF namunalari tekis TEM tasvirlash va SAED strukturasini tahlil qilish uchun uglerodli qoplangan mis panjaralariga o'tkazildi. Shunday qilib, namunaviy floklarning aksariyati qo'llab-quvvatlovchi membrananing teshiklarida osilgan. O'tkazilgan NGF namunalari XRD yordamida tahlil qilindi. Rentgen difraksiya naqshlari 3 mm nurlanish nuqtasi diametriga ega Cu nurlanish manbasidan foydalangan holda kukun difraktometri (Brucker, Cu Kα manbali D2 fazali o'tkazgich, 1.5418 Å va LYNXEYE detektori) yordamida olingan.
Bir nechta Raman nuqta o'lchovlari integratsiyalashgan konfokal mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) yordamida qayd etildi. Termik induksiyalangan ta'sirlarning oldini olish uchun past qo'zg'alish kuchiga (25%) ega 532 nm lazer ishlatilgan. Rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) Kratos Axis Ultra spektrometrida 300 × 700 mkm2 namunaviy maydon ustida 150 Vt quvvatda monoxromatik Al Kα nurlanishi (hν = 1486,6 eV) yordamida amalga oshirildi. Ruxsat spektrlari mos ravishda 160 eV va 20 eV uzatish energiyalarida olindi. SiO2 ga o'tkazilgan NGF namunalari 30 Vt quvvatda PLS6MW (1,06 mkm) itterbiy tolali lazer yordamida bo'laklarga (har biri 3 × 10 mm2) kesildi. Mis sim kontaktlari (qalinligi 50 mkm) optik mikroskop ostida kumush pasta yordamida tayyorlandi. Ushbu namunalarda 300 K haroratda va fizik xususiyatlarni o'lchash tizimida (PPMS EverCool-II, Quantum Design, AQSh) ± 9 Tesla magnit maydoni o'zgarishida elektr transporti va Xoll effekti bo'yicha tajribalar o'tkazildi. O'tkazilgan UV-vis spektrlari kvarts substratlari va kvarts namunalariga o'tkazilgan 350–800 nm NGF diapazonidagi Lambda 950 UV-vis spektrofotometri yordamida qayd etildi.
Kimyoviy qarshilik sensori (interraqamli elektrod chipi) maxsus bosilgan elektron plata 73 ga ulangan va qarshilik vaqtincha ajratib olingan. Qurilma joylashgan bosilgan elektron plata kontakt terminallariga ulangan va gazni sezish kamerasi 74 ichiga joylashtirilgan. Qarshilik o'lchovlari 1 V kuchlanishda tozalanishdan gaz ta'siriga qadar uzluksiz skanerlash bilan olingan va keyin yana tozalangan. Kamera dastlab namlikni o'z ichiga olgan holda kamerada mavjud bo'lgan barcha boshqa analitlarni olib tashlashni ta'minlash uchun 200 sm3 da azot bilan 1 soat davomida tozalangan. Keyin alohida analitlar N2 silindrini yopish orqali kameraga 200 sm3 oqim tezligida asta-sekin chiqarildi.
Ushbu maqolaning qayta ko'rib chiqilgan versiyasi nashr etildi va uni maqolaning yuqori qismidagi havola orqali olish mumkin.
Inagaki, M. va Kang, F. Uglerod materiallari fanlari va muhandisligi: asoslari. Ikkinchi nashr tahrirlangan. 2014. 542.
Pearson, HO Uglerod, Grafit, Olmos va Fullerenlar bo'yicha qo'llanma: Xususiyatlari, Qayta ishlash va Qo'llanilishi. Birinchi nashr tahrirlangan. 1994, Nyu-Jersi.
Tsai, W. va boshqalar. Shaffof yupqa o'tkazuvchan elektrodlar sifatida katta maydonli ko'p qatlamli grafen/grafit plyonkalari. Qo'llanilishi. Fizika. Rayt. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Grafen va nanostrukturali uglerod materiallarining issiqlik xususiyatlari. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW va Cahill DG Ni (111) ga past haroratli kimyoviy bug' cho'ktirish orqali o'stirilgan grafit plyonkalarining issiqlik o'tkazuvchanligi. ravish. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Grafen plyonkalarining kimyoviy bug' cho'ktirish orqali uzluksiz o'sishi. qo'llanilishi. fizika. Rayt. 98(13), 133106(2011).
Joylashtirilgan vaqt: 2024-yil 23-avgust