Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có kết quả tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phiên bản trình duyệt mới hơn (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi đang hiển thị trang web mà không có kiểu dáng hoặc JavaScript.
Màng than chì nano (NGF) là vật liệu nano bền chắc có thể được sản xuất bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học xúc tác, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi về tính dễ dàng chuyển giao của chúng và ảnh hưởng của hình thái bề mặt đến việc sử dụng chúng trong các thiết bị thế hệ tiếp theo. Ở đây, chúng tôi báo cáo về sự phát triển của NGF trên cả hai mặt của lá niken đa tinh thể (diện tích 55 cm2, độ dày khoảng 100 nm) và quá trình chuyển giao không cần polymer (mặt trước và mặt sau, diện tích lên đến 6 cm2). Do hình thái của lá xúc tác, hai màng carbon khác nhau về tính chất vật lý và các đặc điểm khác (như độ nhám bề mặt). Chúng tôi chứng minh rằng NGF có mặt sau nhám hơn rất phù hợp cho việc phát hiện NO2, trong khi NGF mịn hơn và dẫn điện tốt hơn ở mặt trước (2000 S/cm, điện trở suất – 50 ohms/m2) có thể là chất dẫn điện khả thi hoặc điện cực của pin mặt trời (vì nó truyền 62% ánh sáng nhìn thấy). Nhìn chung, các quá trình tăng trưởng và vận chuyển được mô tả có thể giúp hiện thực hóa NGF như một vật liệu carbon thay thế cho các ứng dụng công nghệ mà graphene và màng than chì dày micromet không phù hợp.
Than chì là một vật liệu công nghiệp được sử dụng rộng rãi. Đặc biệt, than chì có các đặc tính như mật độ khối lượng tương đối thấp và độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao trong mặt phẳng, đồng thời rất ổn định trong môi trường nhiệt và hóa học khắc nghiệt1,2. Than chì dạng vảy là nguyên liệu ban đầu nổi tiếng cho nghiên cứu graphene3. Khi được xử lý thành màng mỏng, nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm tản nhiệt cho các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh4,5,6,7, làm vật liệu hoạt tính trong cảm biến8,9,10 và để bảo vệ chống nhiễu điện từ11, 12 và màng cho quang khắc trong vùng cực tím13,14, kênh dẫn điện trong pin mặt trời15,16. Đối với tất cả các ứng dụng này, sẽ là một lợi thế đáng kể nếu có thể dễ dàng sản xuất và vận chuyển các diện tích lớn màng than chì (NGF) với độ dày được kiểm soát ở cấp độ nano <100 nm.
Màng than chì được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong một trường hợp, phương pháp nhúng và giãn nở tiếp theo là tách lớp được sử dụng để sản xuất các mảnh graphene10,11,17. Các mảnh này phải được xử lý thêm thành màng có độ dày cần thiết, và thường mất vài ngày để sản xuất các tấm than chì đặc. Một cách tiếp cận khác là bắt đầu với các tiền chất rắn có thể tạo than chì. Trong công nghiệp, các tấm polyme được cacbon hóa (ở 1000–1500 °C) và sau đó được graphit hóa (ở 2800–3200 °C) để tạo thành các vật liệu nhiều lớp có cấu trúc tốt. Mặc dù chất lượng của các màng này cao, nhưng mức tiêu thụ năng lượng rất đáng kể1,18,19 và độ dày tối thiểu bị giới hạn ở vài micromet1,18,19,20.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học xúc tác (CVD) là một phương pháp nổi tiếng để sản xuất graphene và màng than chì siêu mỏng (<10 nm) với chất lượng cấu trúc cao và chi phí hợp lý21,22,23,24,25,26,27. Tuy nhiên, so với việc phát triển graphene và màng than chì siêu mỏng28, việc phát triển và/hoặc ứng dụng NGF trên diện tích lớn bằng CVD thậm chí còn ít được nghiên cứu hơn11,13,29,30,31,32,33.
Màng graphene và than chì được nuôi cấy bằng CVD thường cần được chuyển lên các chất nền chức năng34. Việc chuyển màng mỏng này bao gồm hai phương pháp chính35: (1) chuyển không ăn mòn36,37 và (2) chuyển hóa học ướt dựa trên ăn mòn (được hỗ trợ bởi chất nền)14,34,38. Mỗi phương pháp đều có một số ưu điểm và nhược điểm và phải được lựa chọn tùy thuộc vào ứng dụng dự định, như đã mô tả ở nơi khác35,39. Đối với màng graphene/than chì được nuôi cấy trên chất nền xúc tác, việc chuyển bằng các quy trình hóa học ướt (trong đó polymethyl methacrylate (PMMA) là lớp hỗ trợ được sử dụng phổ biến nhất) vẫn là lựa chọn hàng đầu13,30,34,38,40,41,42. You et al. đã đề cập rằng không có polyme nào được sử dụng cho việc chuyển NGF (kích thước mẫu khoảng 4 cm2)25,43, nhưng không có chi tiết nào được cung cấp liên quan đến độ ổn định của mẫu và/hoặc cách xử lý trong quá trình chuyển; Các quy trình hóa học ướt sử dụng polyme bao gồm nhiều bước, trong đó có việc ứng dụng và loại bỏ lớp polyme hy sinh30,38,40,41,42. Quá trình này có những nhược điểm: ví dụ, cặn polyme có thể làm thay đổi tính chất của màng được tạo ra38. Xử lý bổ sung có thể loại bỏ polyme dư, nhưng các bước bổ sung này làm tăng chi phí và thời gian sản xuất màng38,40. Trong quá trình tăng trưởng CVD, một lớp graphene được lắng đọng không chỉ ở mặt trước của lá xúc tác (mặt hướng về phía dòng hơi nước), mà còn ở mặt sau của nó. Tuy nhiên, mặt sau được coi là sản phẩm thải và có thể được loại bỏ nhanh chóng bằng plasma mềm38,41. Việc tái chế màng này có thể giúp tối đa hóa năng suất, ngay cả khi chất lượng của nó thấp hơn so với màng carbon mặt trước.
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương pháp điều chế màng NGF hai mặt quy mô wafer với chất lượng cấu trúc cao trên lá niken đa tinh thể bằng phương pháp CVD. Chúng tôi đã đánh giá ảnh hưởng của độ nhám bề mặt trước và sau của lá niken đến hình thái và cấu trúc của NGF. Chúng tôi cũng chứng minh phương pháp chuyển NGF không dùng polymer, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường từ cả hai mặt của lá niken lên các chất nền đa chức năng, đồng thời chỉ ra cách màng mặt trước và mặt sau phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Các phần sau đây thảo luận về độ dày khác nhau của màng than chì tùy thuộc vào số lớp graphene xếp chồng lên nhau: (i) graphene đơn lớp (SLG, 1 lớp), (ii) graphene đa lớp (FLG, < 10 lớp), (iii) graphene nhiều lớp (MLG, 10-30 lớp) và (iv) NGF (~300 lớp). Độ dày phổ biến nhất được biểu thị bằng phần trăm diện tích (khoảng 97% diện tích trên 100 µm2)30. Đó là lý do tại sao toàn bộ màng được gọi đơn giản là NGF.
Các lá niken đa tinh thể được sử dụng để tổng hợp màng graphene và than chì có cấu trúc khác nhau do quá trình sản xuất và xử lý tiếp theo. Gần đây, chúng tôi đã báo cáo một nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình phát triển NGF30. Chúng tôi chỉ ra rằng các thông số quy trình như thời gian ủ và áp suất buồng trong giai đoạn phát triển đóng vai trò quan trọng trong việc thu được NGF có độ dày đồng nhất. Ở đây, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu sự phát triển của NGF trên bề mặt trước được đánh bóng (FS) và bề mặt sau không được đánh bóng (BS) của lá niken (Hình 1a). Ba loại mẫu FS và BS đã được kiểm tra, được liệt kê trong Bảng 1. Khi quan sát bằng mắt thường, sự phát triển đồng nhất của NGF trên cả hai mặt của lá niken (NiAG) có thể được nhìn thấy bằng sự thay đổi màu sắc của chất nền Ni từ màu xám bạc kim loại đặc trưng sang màu xám mờ (Hình 1a); các phép đo hiển vi đã được xác nhận (Hình 1b, c). Phổ Raman điển hình của FS-NGF được quan sát trong vùng sáng và được chỉ ra bằng các mũi tên màu đỏ, xanh lam và cam trong Hình 1b được thể hiện trong Hình 1c. Các đỉnh Raman đặc trưng của graphit G (1683 cm−1) và 2D (2696 cm−1) xác nhận sự phát triển của NGF có độ kết tinh cao (Hình 1c, Bảng SI1). Trên toàn bộ màng, người ta quan sát thấy sự chiếm ưu thế của phổ Raman với tỷ lệ cường độ (I2D/IG) ~0,3, trong khi phổ Raman với I2D/IG = 0,8 hiếm khi được quan sát thấy. Sự vắng mặt của các đỉnh khuyết tật (D = 1350 cm-1) trong toàn bộ màng cho thấy chất lượng cao của sự phát triển NGF. Kết quả Raman tương tự cũng thu được trên mẫu BS-NGF (Hình SI1 a và b, Bảng SI1).
So sánh NiAG FS- và BS-NGF: (a) Ảnh chụp mẫu NGF (NiAG) điển hình cho thấy sự phát triển của NGF trên quy mô tấm wafer (55 cm2) và các mẫu lá Ni BS- và FS-Ni thu được, (b) Hình ảnh FS-NGF/Ni thu được bằng kính hiển vi quang học, (c) Phổ Raman điển hình được ghi lại ở các vị trí khác nhau trong hình b, (d, f) Hình ảnh SEM ở các độ phóng đại khác nhau trên FS-NGF/Ni, (e, g) Hình ảnh SEM ở các độ phóng đại khác nhau của bộ BS-NGF/Ni. Mũi tên màu xanh lam chỉ vùng FLG, mũi tên màu cam chỉ vùng MLG (gần vùng FLG), mũi tên màu đỏ chỉ vùng NGF và mũi tên màu tím chỉ nếp gấp.
Vì sự phát triển phụ thuộc vào độ dày của chất nền ban đầu, kích thước tinh thể, hướng và ranh giới hạt, việc đạt được sự kiểm soát hợp lý độ dày NGF trên diện tích lớn vẫn là một thách thức20,34,44. Nghiên cứu này sử dụng nội dung mà chúng tôi đã công bố trước đây30. Quá trình này tạo ra một vùng sáng từ 0,1 đến 3% trên 100 µm230. Trong các phần tiếp theo, chúng tôi trình bày kết quả cho cả hai loại vùng. Hình ảnh SEM phóng đại cao cho thấy sự hiện diện của một số vùng tương phản sáng ở cả hai mặt (Hình 1f,g), cho thấy sự hiện diện của các vùng FLG và MLG30,45. Điều này cũng được xác nhận bằng tán xạ Raman (Hình 1c) và kết quả TEM (được thảo luận sau trong phần “FS-NGF: cấu trúc và tính chất”). Các vùng FLG và MLG được quan sát trên các mẫu FS- và BS-NGF/Ni (NGF mặt trước và mặt sau được nuôi cấy trên Ni) có thể đã phát triển trên các hạt Ni(111) lớn được hình thành trong quá trình ủ sơ bộ22,30,45. Hiện tượng gấp nếp được quan sát thấy ở cả hai phía (Hình 1b, được đánh dấu bằng mũi tên màu tím). Những nếp gấp này thường được tìm thấy trong các màng graphene và than chì được trồng bằng phương pháp CVD do sự khác biệt lớn về hệ số giãn nở nhiệt giữa than chì và chất nền niken30,38.
Hình ảnh AFM xác nhận rằng mẫu FS-NGF phẳng hơn mẫu BS-NGF (Hình SI1) (Hình SI2). Giá trị độ nhám trung bình bình phương (RMS) của FS-NGF/Ni (Hình SI2c) và BS-NGF/Ni (Hình SI2d) lần lượt là 82 và 200 nm (đo trên diện tích 20 × 20 μm2). Độ nhám cao hơn có thể được giải thích dựa trên phân tích bề mặt của lá niken (NiAR) ở trạng thái ban đầu (Hình SI3). Hình ảnh SEM của FS và BS-NiAR được thể hiện trong Hình SI3a–d, cho thấy các hình thái bề mặt khác nhau: lá FS-Ni được đánh bóng có các hạt hình cầu kích thước nano và micron, trong khi lá BS-Ni chưa được đánh bóng thể hiện cấu trúc bậc thang. Các hạt có độ bền cao và giảm dần. Hình ảnh độ phân giải thấp và cao của lá niken đã được ủ (NiA) được thể hiện trong Hình SI3e–h. Trong các hình này, chúng ta có thể quan sát thấy sự hiện diện của một số hạt niken kích thước micromet trên cả hai mặt của lá niken (Hình SI3e–h). Các hạt lớn có thể có hướng bề mặt Ni(111), như đã được báo cáo trước đây30,46. Có sự khác biệt đáng kể về hình thái lá niken giữa FS-NiA và BS-NiA. Độ nhám cao hơn của BS-NGF/Ni là do bề mặt chưa được đánh bóng của BS-NiAR, bề mặt của nó vẫn còn khá nhám ngay cả sau khi ủ (Hình SI3). Loại đặc trưng bề mặt này trước quá trình tăng trưởng cho phép kiểm soát độ nhám của màng graphene và than chì. Cần lưu ý rằng chất nền ban đầu đã trải qua một số sự tái cấu trúc hạt trong quá trình tăng trưởng graphene, điều này làm giảm nhẹ kích thước hạt và làm tăng phần nào độ nhám bề mặt của chất nền so với lá đã được ủ và màng xúc tác22.
Việc tinh chỉnh độ nhám bề mặt chất nền, thời gian ủ (kích thước hạt)30,47 và kiểm soát giải phóng43 sẽ giúp giảm sự không đồng nhất về độ dày NGF theo vùng xuống mức µm2 và/hoặc thậm chí nm2 (tức là sự biến đổi độ dày vài nanomet). Để kiểm soát độ nhám bề mặt của chất nền, có thể xem xét các phương pháp như đánh bóng điện phân lá niken thu được48. Lá niken đã được xử lý trước sau đó có thể được ủ ở nhiệt độ thấp hơn (< 900 °C) 46 và thời gian (< 5 phút) để tránh sự hình thành các hạt Ni(111) lớn (có lợi cho sự phát triển FLG).
Graphene SLG và FLG không thể chịu được sức căng bề mặt của axit và nước, đòi hỏi các lớp hỗ trợ cơ học trong quá trình chuyển hóa học ướt22,34,38. Trái ngược với quá trình chuyển hóa học ướt của graphene đơn lớp được hỗ trợ bằng polymer38, chúng tôi nhận thấy rằng cả hai mặt của NGF được nuôi cấy có thể được chuyển mà không cần hỗ trợ polymer, như thể hiện trong Hình 2a (xem Hình SI4a để biết thêm chi tiết). Quá trình chuyển NGF sang chất nền nhất định bắt đầu bằng việc khắc ướt lớp màng Ni30,49 bên dưới. Các mẫu NGF/Ni/NGF được nuôi cấy được đặt qua đêm trong 15 mL HNO3 70% pha loãng với 600 mL nước khử ion (DI). Sau khi lá Ni tan hoàn toàn, FS-NGF vẫn phẳng và nổi trên bề mặt chất lỏng, giống như mẫu NGF/Ni/NGF, trong khi BS-NGF bị ngâm trong nước (Hình 2a,b). Sau đó, NGF được phân lập được chuyển từ một cốc chứa nước khử ion mới sang một cốc khác và được rửa kỹ lưỡng, lặp lại từ bốn đến sáu lần qua đĩa thủy tinh lõm. Cuối cùng, FS-NGF và BS-NGF được đặt lên chất nền mong muốn (Hình 2c).
Quy trình chuyển hóa học ướt không dùng polymer cho NGF được nuôi cấy trên lá niken: (a) Sơ đồ quy trình (xem Hình SI4 để biết thêm chi tiết), (b) Ảnh kỹ thuật số của NGF đã tách sau khi khắc Ni (2 mẫu), (c) Ví dụ về quá trình chuyển FS – và BS-NGF lên chất nền SiO2/Si, (d) Quá trình chuyển FS-NGF lên chất nền polymer mờ đục, (e) BS-NGF từ cùng một mẫu như hình d (chia thành hai phần), được chuyển lên giấy C mạ vàng và Nafion (chất nền trong suốt linh hoạt, các cạnh được đánh dấu bằng góc đỏ).
Lưu ý rằng việc chuyển SLG được thực hiện bằng phương pháp chuyển hóa chất ướt yêu cầu tổng thời gian xử lý là 20–24 giờ 38. Với kỹ thuật chuyển không dùng polymer được trình bày ở đây (Hình SI4a), tổng thời gian xử lý chuyển NGF được giảm đáng kể (khoảng 15 giờ). Quy trình bao gồm: (Bước 1) Chuẩn bị dung dịch khắc và đặt mẫu vào đó (~10 phút), sau đó đợi qua đêm để khắc Ni (~7200 phút), (Bước 2) Rửa bằng nước khử ion (Bước 3) bảo quản trong nước khử ion hoặc chuyển sang chất nền đích (20 phút). Nước bị kẹt giữa NGF và ma trận khối được loại bỏ bằng tác dụng mao dẫn (sử dụng giấy thấm)38, sau đó các giọt nước còn lại được loại bỏ bằng cách làm khô tự nhiên (khoảng 30 phút), và cuối cùng mẫu được sấy khô trong 10 phút trong lò chân không (10–1 mbar) ở 50–90 °C (60 phút) 38.
Than chì được biết đến là có khả năng chịu được sự hiện diện của nước và không khí ở nhiệt độ khá cao (≥ 200 °C)50,51,52. Chúng tôi đã thử nghiệm các mẫu bằng quang phổ Raman, SEM và XRD sau khi bảo quản trong nước khử ion ở nhiệt độ phòng và trong chai kín trong khoảng thời gian từ vài ngày đến một năm (Hình SI4). Không có sự suy giảm đáng kể nào. Hình 2c cho thấy FS-NGF và BS-NGF tự do trong nước khử ion. Chúng tôi đã thu giữ chúng trên chất nền SiO2 (300 nm)/Si, như được hiển thị ở đầu Hình 2c. Ngoài ra, như được hiển thị trong Hình 2d,e, NGF liên tục có thể được chuyển sang các chất nền khác nhau như polyme (polyamide Thermabright từ Nexolve và Nafion) và giấy carbon phủ vàng. FS-NGF nổi dễ dàng được đặt trên chất nền mục tiêu (Hình 2c, d). Tuy nhiên, các mẫu BS-NGF lớn hơn 3 cm2 rất khó xử lý khi ngâm hoàn toàn trong nước. Thông thường, khi bắt đầu lăn trong nước, do thao tác bất cẩn, chúng đôi khi bị vỡ thành hai hoặc ba phần (Hình 2e). Nhìn chung, chúng tôi đã có thể đạt được sự chuyển giao PS- và BS-NGF không cần polymer (chuyển giao liên tục liền mạch mà không cần sự phát triển NGF/Ni/NGF ở diện tích 6 cm2) cho các mẫu có diện tích lần lượt lên đến 6 và 3 cm2. Bất kỳ mảnh lớn hoặc nhỏ còn lại nào có thể được (dễ dàng nhìn thấy trong dung dịch khắc hoặc nước khử ion) trên chất nền mong muốn (~1 mm2, Hình SI4b, xem mẫu được chuyển sang lưới đồng như trong “FS-NGF: Cấu trúc và Tính chất (đã thảo luận) trong phần “Cấu trúc và Tính chất”) hoặc lưu trữ để sử dụng trong tương lai (Hình SI4). Dựa trên tiêu chí này, chúng tôi ước tính rằng NGF có thể được thu hồi với hiệu suất lên đến 98-99% (sau khi phát triển để chuyển giao).
Các mẫu chuyển không có polymer đã được phân tích chi tiết. Đặc điểm hình thái bề mặt thu được trên FS- và BS-NGF/SiO2/Si (Hình 2c) bằng kính hiển vi quang học (OM) và ảnh SEM (Hình SI5 và Hình 3) cho thấy các mẫu này được chuyển mà không có hư hại cấu trúc rõ ràng như vết nứt, lỗ hoặc vùng bị bung ra. Các nếp gấp trên NGF đang phát triển (Hình 3b, d, được đánh dấu bằng mũi tên màu tím) vẫn còn nguyên vẹn sau khi chuyển. Cả FS- và BS-NGF đều bao gồm các vùng FLG (các vùng sáng được chỉ ra bằng mũi tên màu xanh lam trong Hình 3). Điều đáng ngạc nhiên là, trái ngược với một vài vùng bị hư hại thường thấy trong quá trình chuyển polymer của màng than chì siêu mỏng, một số vùng FLG và MLG kích thước micromet kết nối với NGF (được đánh dấu bằng mũi tên màu xanh lam trong Hình 3d) đã được chuyển mà không có vết nứt hoặc đứt gãy (Hình 3d). 3). . Tính toàn vẹn cơ học được xác nhận thêm bằng cách sử dụng hình ảnh TEM và SEM của NGF được chuyển lên lưới đồng carbon dạng ren, như sẽ được thảo luận sau (“FS-NGF: Cấu trúc và Tính chất”). BS-NGF/SiO2/Si được chuyển có bề mặt gồ ghề hơn FS-NGF/SiO2/Si với giá trị rms lần lượt là 140 nm và 17 nm, như thể hiện trong Hình SI6a và b (20 × 20 μm2). Giá trị RMS của NGF được chuyển lên chất nền SiO2/Si (RMS < 2 nm) thấp hơn đáng kể (khoảng 3 lần) so với NGF được nuôi cấy trên Ni (Hình SI2), cho thấy độ gồ ghề bổ sung có thể tương ứng với bề mặt Ni. Ngoài ra, hình ảnh AFM được thực hiện trên các cạnh của mẫu FS- và BS-NGF/SiO2/Si cho thấy độ dày NGF lần lượt là 100 và 80 nm (Hình SI7). Độ dày nhỏ hơn của BS-NGF có thể là do bề mặt không tiếp xúc trực tiếp với khí tiền chất.
Màng NGF (NiAG) được chuyển lên đế SiO2/Si mà không có polymer (xem Hình 2c): (a,b) Ảnh SEM của màng FS-NGF được chuyển: độ phóng đại thấp và cao (tương ứng với hình vuông màu cam trong hình). (Các vùng điển hình) – a). (c,d) Ảnh SEM của màng BS-NGF được chuyển: độ phóng đại thấp và cao (tương ứng với vùng điển hình được hiển thị bởi hình vuông màu cam trong hình c). (e, f) Ảnh AFM của màng FS- và BS-NGF được chuyển. Mũi tên màu xanh lam biểu thị vùng FLG – độ tương phản sáng, mũi tên màu lục lam – độ tương phản MLG đen, mũi tên màu đỏ – độ tương phản đen biểu thị vùng NGF, mũi tên màu đỏ tươi biểu thị nếp gấp.
Thành phần hóa học của các màng FS- và BS-NGF được nuôi cấy và chuyển giao đã được phân tích bằng quang phổ điện tử tia X (XPS) (Hình 4). Một đỉnh yếu được quan sát thấy trong phổ đo được (Hình 4a, b), tương ứng với chất nền Ni (850 eV) của các màng FS- và BS-NGF được nuôi cấy (NiAG). Không có đỉnh nào trong phổ đo được của màng FS- và BS-NGF/SiO2/Si được chuyển giao (Hình 4c; kết quả tương tự đối với BS-NGF/SiO2/Si không được hiển thị), cho thấy không có sự nhiễm bẩn Ni còn sót lại sau khi chuyển giao. Hình 4d–f cho thấy phổ độ phân giải cao của các mức năng lượng C 1s, O 1s và Si 2p của màng FS-NGF/SiO2/Si. Năng lượng liên kết của C 1s của than chì là 284,4 eV53,54. Hình dạng tuyến tính của các đỉnh than chì thường được coi là bất đối xứng, như thể hiện trong Hình 4d54. Phổ C 1s mức lõi độ phân giải cao (Hình 4d) cũng xác nhận quá trình chuyển giao thuần túy (tức là không có cặn polymer), phù hợp với các nghiên cứu trước đây38. Độ rộng vạch của phổ C 1s của mẫu mới được nuôi cấy (NiAG) và sau khi chuyển giao lần lượt là 0,55 và 0,62 eV. Các giá trị này cao hơn so với SLG (0,49 eV đối với SLG trên chất nền SiO2)38. Tuy nhiên, các giá trị này nhỏ hơn độ rộng vạch đã được báo cáo trước đây đối với các mẫu graphene nhiệt phân định hướng cao (~0,75 eV)53,54,55, cho thấy sự vắng mặt của các vị trí carbon bị lỗi trong vật liệu hiện tại. Phổ mức cơ bản C 1s và O 1s cũng không có vai, loại bỏ nhu cầu phân tích đỉnh độ phân giải cao54. Có một đỉnh vệ tinh π → π* xung quanh 291,1 eV, thường được quan sát thấy trong các mẫu than chì. Các tín hiệu 103 eV và 532,5 eV trong phổ mức lõi Si 2p và O 1s (xem Hình 4e, f) lần lượt được quy cho chất nền SiO2 56. XPS là một kỹ thuật nhạy cảm với bề mặt, do đó các tín hiệu tương ứng với Ni và SiO2 được phát hiện trước và sau khi chuyển NGF, lần lượt được cho là bắt nguồn từ vùng FLG. Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy đối với các mẫu BS-NGF đã được chuyển (không hiển thị).
Kết quả XPS của NiAG: (ac) Phổ tổng quan về thành phần nguyên tử của các nguyên tố khác nhau trong FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni và FS-NGF/SiO2/Si được chuyển giao, tương ứng. (d–f) Phổ độ phân giải cao của các mức lõi C 1s, O 1s và Si 2p của mẫu FS-NGF/SiO2/Si.
Chất lượng tổng thể của các tinh thể NGF được chuyển giao đã được đánh giá bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Các mẫu XRD điển hình (Hình SI8) của FS- và BS-NGF/SiO2/Si được chuyển giao cho thấy sự hiện diện của các đỉnh nhiễu xạ (0 0 0 2) và (0 0 0 4) ở 26,6° và 54,7°, tương tự như than chì. Điều này xác nhận chất lượng tinh thể cao của NGF và tương ứng với khoảng cách giữa các lớp là d = 0,335 nm, được duy trì sau bước chuyển giao. Cường độ của đỉnh nhiễu xạ (0 0 0 2) xấp xỉ gấp 30 lần so với đỉnh nhiễu xạ (0 0 0 4), cho thấy mặt phẳng tinh thể NGF được căn chỉnh tốt với bề mặt mẫu.
Theo kết quả phân tích SEM, quang phổ Raman, XPS và XRD, chất lượng của BS-NGF/Ni được xác định là tương đương với FS-NGF/Ni, mặc dù độ nhám rms của nó cao hơn một chút (Hình SI2, SI5 và SI7).
SLG với lớp hỗ trợ polymer dày tới 200 nm có thể nổi trên mặt nước. Cấu hình này thường được sử dụng trong các quy trình chuyển hóa chất ướt có hỗ trợ polymer22,38. Graphene và graphite có tính kỵ nước (góc ướt 80–90°) 57. Bề mặt năng lượng tiềm năng của cả graphene và FLG đều được báo cáo là khá phẳng, với năng lượng tiềm năng thấp (~1 kJ/mol) cho chuyển động ngang của nước trên bề mặt58. Tuy nhiên, năng lượng tương tác được tính toán của nước với graphene và ba lớp graphene lần lượt xấp xỉ −13 và −15 kJ/mol,58 cho thấy sự tương tác của nước với NGF (khoảng 300 lớp) thấp hơn so với graphene. Đây có thể là một trong những lý do tại sao NGF tự do vẫn phẳng trên bề mặt nước, trong khi graphene tự do (nổi trên mặt nước) bị cuộn lại và vỡ ra. Khi NGF được ngâm hoàn toàn trong nước (kết quả tương tự đối với NGF thô và phẳng), các cạnh của nó bị uốn cong (Hình SI4). Trong trường hợp ngâm hoàn toàn, người ta dự đoán rằng năng lượng tương tác giữa NGF và nước sẽ tăng gần gấp đôi (so với NGF nổi) và các cạnh của NGF sẽ gập lại để duy trì góc tiếp xúc cao (tính kỵ nước). Chúng tôi tin rằng có thể phát triển các chiến lược để tránh hiện tượng cuộn mép của các NGF được nhúng. Một cách tiếp cận là sử dụng dung môi hỗn hợp để điều chỉnh phản ứng làm ướt của màng than chì59.
Việc chuyển SLG sang các loại chất nền khác nhau thông qua các quy trình chuyển hóa học ướt đã được báo cáo trước đây. Người ta thường chấp nhận rằng tồn tại lực van der Waals yếu giữa màng graphene/graphite và chất nền (cho dù đó là chất nền cứng như SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, cột Si22 và màng carbon dạng lưới30, 34 hoặc chất nền mềm như polyimide 37). Ở đây, chúng tôi giả định rằng các tương tác cùng loại chiếm ưu thế. Chúng tôi không quan sát thấy bất kỳ hư hỏng hoặc bong tróc nào của NGF đối với bất kỳ chất nền nào được trình bày ở đây trong quá trình xử lý cơ học (trong quá trình đặc trưng hóa trong điều kiện chân không và/hoặc khí quyển hoặc trong quá trình lưu trữ) (ví dụ: Hình 2, SI7 và SI9). Ngoài ra, chúng tôi không quan sát thấy đỉnh SiC trong phổ XPS C 1s của mức lõi của mẫu NGF/SiO2/Si (Hình 4). Những kết quả này cho thấy không có liên kết hóa học giữa NGF và chất nền mục tiêu.
Trong phần trước, “Chuyển NGF không cần polymer của FS- và BS-NGF”, chúng tôi đã chứng minh rằng NGF có thể phát triển và chuyển trên cả hai mặt của lá niken. Các FS-NGF và BS-NGF này không giống nhau về độ nhám bề mặt, điều này đã thúc đẩy chúng tôi tìm hiểu các ứng dụng phù hợp nhất cho từng loại.
Xét đến tính trong suốt và bề mặt mịn hơn của FS-NGF, chúng tôi đã nghiên cứu chi tiết hơn về cấu trúc cục bộ, tính chất quang học và điện học của nó. Cấu trúc của FS-NGF không có quá trình chuyển polymer được đặc trưng bằng hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phân tích mẫu nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc (SAED). Kết quả tương ứng được thể hiện trong Hình 5. Hình ảnh TEM phẳng ở độ phóng đại thấp cho thấy sự hiện diện của các vùng NGF và FLG với các đặc điểm tương phản điện tử khác nhau, tức là các vùng tối hơn và sáng hơn tương ứng (Hình 5a). Nhìn chung, màng phim thể hiện tính toàn vẹn và ổn định cơ học tốt giữa các vùng NGF và FLG khác nhau, với sự chồng lấp tốt và không bị hư hại hoặc rách, điều này cũng được xác nhận bằng SEM (Hình 3) và nghiên cứu TEM ở độ phóng đại cao (Hình 5c-e). Đặc biệt, trong Hình 5d cho thấy cấu trúc cầu nối ở phần lớn nhất của nó (vị trí được đánh dấu bằng mũi tên chấm đen trong Hình 5d), được đặc trưng bởi hình tam giác và bao gồm một lớp graphene có chiều rộng khoảng 51 μm. Cấu trúc với khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,33 ± 0,01 nm tiếp tục được thu gọn thành nhiều lớp graphene trong vùng hẹp nhất (đầu mũi tên màu đen liền nét trong Hình 5d).
Ảnh TEM phẳng của mẫu NiAG không có polymer trên lưới đồng carbon dạng ren: (a, b) Ảnh TEM độ phóng đại thấp bao gồm các vùng NGF và FLG, (ce) Ảnh độ phóng đại cao của các vùng khác nhau trong hình a và hình b được đánh dấu bằng các mũi tên cùng màu. Các mũi tên màu xanh lá cây trong hình a và c chỉ ra các vùng tròn bị hư hại trong quá trình căn chỉnh chùm tia. (f–i) Trong hình a đến c, các mẫu SAED ở các vùng khác nhau được biểu thị bằng các vòng tròn màu xanh lam, lục lam, cam và đỏ tương ứng.
Cấu trúc dạng dải trong Hình 5c cho thấy (được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ) hướng thẳng đứng của các mặt phẳng mạng tinh thể graphit, có thể là do sự hình thành các nếp gấp nano dọc theo màng (hình nhỏ trong Hình 5c) do ứng suất cắt dư thừa không được bù trừ30,61,62. Dưới kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao, các nếp gấp nano này30 thể hiện hướng tinh thể học khác với phần còn lại của vùng NGF; các mặt phẳng đáy của mạng tinh thể graphit được định hướng gần như thẳng đứng, chứ không phải nằm ngang như phần còn lại của màng (hình nhỏ trong Hình 5c). Tương tự, vùng FLG đôi khi thể hiện các nếp gấp dạng dải hẹp và tuyến tính (được đánh dấu bằng mũi tên màu xanh), xuất hiện ở độ phóng đại thấp và trung bình trong Hình 5b và 5e tương ứng. Hình nhỏ trong Hình 5e xác nhận sự hiện diện của các lớp graphene hai và ba lớp trong vùng FLG (khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,33 ± 0,01 nm), phù hợp với kết quả trước đây của chúng tôi30. Ngoài ra, hình ảnh SEM ghi lại của NGF không chứa polymer được chuyển lên lưới đồng với màng carbon dạng lưới (sau khi thực hiện các phép đo TEM nhìn từ trên xuống) được hiển thị trong Hình SI9. Vùng FLG được treo lơ lửng tốt (được đánh dấu bằng mũi tên màu xanh) và vùng bị đứt gãy trong Hình SI9f. Mũi tên màu xanh (ở rìa của NGF được chuyển) được cố ý thể hiện để chứng minh rằng vùng FLG có thể chịu được quá trình chuyển mà không cần polymer. Tóm lại, những hình ảnh này xác nhận rằng NGF được treo một phần (bao gồm cả vùng FLG) vẫn duy trì được tính toàn vẹn cơ học ngay cả sau khi xử lý mạnh và tiếp xúc với chân không cao trong quá trình đo TEM và SEM (Hình SI9).
Do độ phẳng tuyệt vời của NGF (xem Hình 5a), việc định hướng các mảnh dọc theo trục miền [0001] để phân tích cấu trúc SAED không khó. Tùy thuộc vào độ dày cục bộ của màng và vị trí của nó, một số vùng quan tâm (12 điểm) đã được xác định để nghiên cứu nhiễu xạ điện tử. Trong Hình 5a–c, bốn trong số các vùng điển hình này được hiển thị và đánh dấu bằng các vòng tròn màu (màu xanh lam, lục lam, cam và đỏ). Hình 2 và 3 dành cho chế độ SAED. Hình 5f và g được thu được từ vùng FLG được hiển thị trong Hình 5 và 5. Như được hiển thị trong Hình 5b và c, tương ứng. Chúng có cấu trúc lục giác tương tự như graphene xoắn63. Đặc biệt, Hình 5f cho thấy ba mẫu chồng lên nhau với cùng hướng của trục vùng [0001], được xoay 10° và 20°, được chứng minh bằng sự không khớp góc của ba cặp phản xạ (10-10). Tương tự, Hình 5g cho thấy hai mẫu hình lục giác chồng lên nhau được xoay 20°. Hai hoặc ba nhóm mẫu hình lục giác trong vùng FLG có thể xuất hiện từ ba lớp graphene trong mặt phẳng hoặc ngoài mặt phẳng 33 được xoay tương đối với nhau. Ngược lại, các mẫu nhiễu xạ điện tử trong Hình 5h,i (tương ứng với vùng NGF được hiển thị trong Hình 5a) cho thấy một mẫu [0001] duy nhất với cường độ nhiễu xạ điểm tổng thể cao hơn, tương ứng với độ dày vật liệu lớn hơn. Các mô hình SAED này tương ứng với cấu trúc graphit dày hơn và định hướng trung gian hơn so với FLG, như được suy ra từ chỉ số 64. Việc đặc trưng hóa các tính chất tinh thể của NGF cho thấy sự cùng tồn tại của hai hoặc ba tinh thể graphit (hoặc graphene) chồng lên nhau. Điều đặc biệt đáng chú ý trong vùng FLG là các tinh thể có một mức độ sai lệch định hướng nhất định trong mặt phẳng hoặc ngoài mặt phẳng. Các hạt/lớp than chì với góc xoay trong mặt phẳng là 17°, 22° và 25° đã được báo cáo trước đây đối với NGF được nuôi cấy trên màng Ni 64. Các giá trị góc xoay quan sát được trong nghiên cứu này phù hợp với các góc xoay (±1°) đã được quan sát trước đây đối với graphene BLG63 xoắn.
Các đặc tính điện của NGF/SiO2/Si được đo ở 300 K trên diện tích 10×3 mm2. Các giá trị nồng độ hạt tải điện, độ linh động và độ dẫn điện lần lượt là 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 và 2000 S-cm-1. Giá trị độ linh động và độ dẫn điện của NGF của chúng tôi tương tự như than chì tự nhiên2 và cao hơn than chì nhiệt phân định hướng cao có sẵn trên thị trường (được sản xuất ở 3000 °C)29. Các giá trị nồng độ hạt tải điện quan sát được cao hơn hai bậc độ lớn so với các giá trị được báo cáo gần đây (7,25 × 10 cm-3) đối với màng than chì dày micromet được điều chế bằng cách sử dụng tấm polyimide ở nhiệt độ cao (3200 °C)20.
Chúng tôi cũng đã thực hiện các phép đo độ truyền quang UV-visible trên FS-NGF được chuyển lên chất nền thạch anh (Hình 6). Phổ thu được cho thấy độ truyền quang gần như không đổi là 62% trong phạm vi 350–800 nm, cho thấy NGF trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy. Trên thực tế, tên “KAUST” có thể được nhìn thấy trong ảnh kỹ thuật số của mẫu trong Hình 6b. Mặc dù cấu trúc tinh thể nano của NGF khác với SLG, nhưng số lớp có thể được ước tính sơ bộ bằng cách sử dụng quy tắc mất 2,3% độ truyền quang trên mỗi lớp bổ sung65. Theo mối quan hệ này, số lớp graphene với độ mất truyền quang 38% là 21. NGF được nuôi cấy chủ yếu bao gồm 300 lớp graphene, tức là dày khoảng 100 nm (Hình 1, SI5 và SI7). Do đó, chúng tôi giả định rằng độ trong suốt quang học quan sát được tương ứng với các vùng FLG và MLG, vì chúng được phân bố khắp màng (Hình 1, 3, 5 và 6c). Ngoài các dữ liệu cấu trúc nêu trên, độ dẫn điện và độ trong suốt cũng xác nhận chất lượng tinh thể cao của NGF được chuyển giao.
(a) Đo độ truyền quang UV-visible, (b) Quá trình chuyển NGF điển hình trên thạch anh sử dụng mẫu đại diện. (c) Sơ đồ NGF (ô màu tối) với các vùng FLG và MLG phân bố đều được đánh dấu bằng các hình dạng ngẫu nhiên màu xám trên toàn bộ mẫu (xem Hình 1) (diện tích xấp xỉ 0,1–3% trên 100 μm2). Các hình dạng ngẫu nhiên và kích thước của chúng trong sơ đồ chỉ mang tính minh họa và không tương ứng với diện tích thực tế.
Màng NGF trong suốt được nuôi cấy bằng CVD trước đây đã được chuyển lên bề mặt silicon trần và được sử dụng trong pin mặt trời15,16. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) thu được là 1,5%. Các màng NGF này thực hiện nhiều chức năng như lớp hợp chất hoạt tính, đường dẫn truyền tải điện tích và điện cực trong suốt15,16. Tuy nhiên, màng than chì không đồng nhất. Cần tối ưu hóa hơn nữa bằng cách kiểm soát cẩn thận điện trở suất và độ truyền quang của điện cực than chì, vì hai đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giá trị PCE của pin mặt trời15,16. Thông thường, màng graphene trong suốt 97,7% đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng có điện trở suất từ 200–3000 ohms/sq.16. Điện trở bề mặt của màng graphene có thể được giảm bằng cách tăng số lớp (chuyển nhiều lớp graphene) và pha tạp với HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Tuy nhiên, quá trình này mất nhiều thời gian và các lớp chuyển khác nhau không phải lúc nào cũng duy trì được sự tiếp xúc tốt. Mặt trước của NGF có các đặc tính như độ dẫn điện 2000 S/cm, điện trở suất màng 50 ohm/sq. và độ trong suốt 62%, khiến nó trở thành một lựa chọn thay thế khả thi cho các kênh dẫn điện hoặc điện cực đối diện trong pin mặt trời15,16.
Mặc dù cấu trúc và hóa học bề mặt của BS-NGF tương tự như FS-NGF, nhưng độ nhám của nó lại khác nhau (“Sự phát triển của FS- và BS-NGF”). Trước đây, chúng tôi đã sử dụng than chì màng siêu mỏng22 làm cảm biến khí. Do đó, chúng tôi đã thử nghiệm tính khả thi của việc sử dụng BS-NGF cho các nhiệm vụ cảm biến khí (Hình SI10). Đầu tiên, các phần BS-NGF có kích thước mm2 được chuyển lên chip cảm biến điện cực xen kẽ (Hình SI10a-c). Chi tiết sản xuất của chip đã được báo cáo trước đó; diện tích nhạy cảm hoạt động của nó là 9 mm267. Trong ảnh SEM (Hình SI10b và c), điện cực vàng bên dưới có thể nhìn thấy rõ ràng qua NGF. Một lần nữa, có thể thấy rằng độ phủ chip đồng đều đã đạt được cho tất cả các mẫu. Các phép đo cảm biến khí của nhiều loại khí khác nhau đã được ghi lại (Hình SI10d) (Hình SI11) và tỷ lệ phản hồi thu được được hiển thị trong Hình SI10g. Có thể do các khí gây nhiễu khác bao gồm SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) và NH3 (200 ppm). Một nguyên nhân có thể là NO2. Bản chất ái điện tử của khí22,68. Khi hấp thụ trên bề mặt graphene, nó làm giảm sự hấp thụ dòng điện của electron bởi hệ thống. Bảng SI2 trình bày so sánh dữ liệu thời gian phản hồi của cảm biến BS-NGF với các cảm biến đã được công bố trước đó. Cơ chế kích hoạt lại cảm biến NGF bằng cách sử dụng plasma UV, plasma O3 hoặc xử lý nhiệt (50–150°C) các mẫu tiếp xúc đang được nghiên cứu, lý tưởng nhất là tiếp theo sẽ là việc triển khai các hệ thống nhúng69.
Trong quá trình CVD, sự phát triển của graphene diễn ra trên cả hai mặt của chất nền xúc tác41. Tuy nhiên, BS-graphene thường bị đẩy ra trong quá trình chuyển41. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chứng minh rằng sự phát triển NGF chất lượng cao và quá trình chuyển NGF không có polymer có thể đạt được trên cả hai mặt của chất nền xúc tác. BS-NGF mỏng hơn (~80 nm) so với FS-NGF (~100 nm), và sự khác biệt này được giải thích bởi thực tế là BS-Ni không tiếp xúc trực tiếp với dòng khí tiền chất. Chúng tôi cũng nhận thấy rằng độ nhám của chất nền NiAR ảnh hưởng đến độ nhám của NGF. Những kết quả này cho thấy FS-NGF phẳng được nuôi cấy có thể được sử dụng làm vật liệu tiền chất cho graphene (bằng phương pháp bóc tách70) hoặc làm kênh dẫn điện trong pin mặt trời15,16. Ngược lại, BS-NGF sẽ được sử dụng để phát hiện khí (Hình SI9) và có thể cho các hệ thống lưu trữ năng lượng71,72, nơi độ nhám bề mặt của nó sẽ hữu ích.
Xét những điều trên, việc kết hợp công trình hiện tại với các nghiên cứu trước đây về màng than chì được tạo ra bằng phương pháp CVD và sử dụng lá niken là rất hữu ích. Như có thể thấy trong Bảng 2, áp suất cao hơn mà chúng tôi sử dụng đã rút ngắn thời gian phản ứng (giai đoạn tăng trưởng) ngay cả ở nhiệt độ tương đối thấp (trong khoảng 850–1300 °C). Chúng tôi cũng đạt được tốc độ tăng trưởng cao hơn bình thường, cho thấy tiềm năng mở rộng. Còn có những yếu tố khác cần xem xét, một số yếu tố trong đó chúng tôi đã đưa vào bảng.
Màng graphene nano (NGF) chất lượng cao hai mặt được nuôi cấy trên lá niken bằng phương pháp CVD xúc tác. Bằng cách loại bỏ các chất nền polymer truyền thống (như những chất nền được sử dụng trong CVD graphene), chúng tôi đạt được quá trình chuyển NGF ướt sạch và không khuyết tật (được nuôi cấy trên cả mặt trước và mặt sau của lá niken) sang nhiều chất nền quan trọng trong quy trình. Đặc biệt, NGF bao gồm các vùng FLG và MLG (thường từ 0,1% đến 3% trên 100 µm2) được tích hợp tốt về mặt cấu trúc vào lớp màng dày hơn. Hình ảnh TEM phẳng cho thấy các vùng này được cấu tạo từ các chồng hai đến ba hạt graphit/graphene (tinh thể hoặc lớp, tương ứng), một số trong đó có độ lệch xoay từ 10–20°. Các vùng FLG và MLG chịu trách nhiệm cho độ trong suốt của FS-NGF đối với ánh sáng nhìn thấy. Đối với các tấm phía sau, chúng có thể được mang song song với các tấm phía trước và, như đã trình bày, có thể có mục đích chức năng (ví dụ, để phát hiện khí). Những nghiên cứu này rất hữu ích để giảm thiểu chất thải và chi phí trong các quy trình CVD quy mô công nghiệp.
Nhìn chung, độ dày trung bình của CVD NGF nằm giữa graphene (lớp đơn và lớp đa) và tấm than chì công nghiệp (micromet). Phạm vi các đặc tính thú vị của chúng, kết hợp với phương pháp đơn giản mà chúng tôi đã phát triển để sản xuất và vận chuyển, làm cho các màng này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phản ứng chức năng của than chì, mà không cần tốn kém chi phí của các quy trình sản xuất công nghiệp tiêu tốn nhiều năng lượng hiện đang được sử dụng.
Một lá niken dày 25 μm (độ tinh khiết 99,5%, Goodfellow) được lắp đặt trong lò phản ứng CVD thương mại (Aixtron BMPro 4 inch). Hệ thống được làm sạch bằng argon và hút chân không đến áp suất cơ bản là 10-3 mbar. Sau đó, lá niken được đặt trong hỗn hợp Ar/H2 (Sau khi ủ sơ bộ lá Ni trong 5 phút, lá được đặt dưới áp suất 500 mbar ở 900 °C. NGF được lắng đọng trong dòng CH4/H2 (100 cm3 mỗi loại) trong 5 phút. Sau đó, mẫu được làm nguội đến nhiệt độ dưới 700 °C bằng dòng khí Ar (4000 cm3) ở tốc độ 40 °C/phút. Chi tiết về việc tối ưu hóa quy trình tăng trưởng NGF được mô tả ở nơi khác30.
Hình thái bề mặt của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng kính hiển vi Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Độ nhám bề mặt mẫu và độ dày NGF được đo bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) (Dimension Icon SPM, Bruker). Các phép đo TEM và SAED được thực hiện bằng kính hiển vi FEI Titan 80–300 Cubed được trang bị súng phát xạ trường độ sáng cao (300 kV), bộ đơn sắc kiểu FEI Wien và bộ hiệu chỉnh quang sai cầu thấu kính CEOS để thu được kết quả cuối cùng với độ phân giải không gian 0,09 nm. Các mẫu NGF được chuyển lên lưới đồng phủ carbon dạng lưới để chụp ảnh TEM phẳng và phân tích cấu trúc SAED. Do đó, hầu hết các cụm mẫu được treo lơ lửng trong các lỗ xốp của màng đỡ. Các mẫu NGF đã được chuyển được phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD). Các mẫu nhiễu xạ tia X được thu thập bằng máy nhiễu xạ bột (Brucker, bộ dịch pha D2 với nguồn Cu Kα, 1,5418 Å và đầu dò LYNXEYE) sử dụng nguồn bức xạ Cu với đường kính điểm chiếu là 3 mm.
Một số phép đo điểm Raman được ghi lại bằng kính hiển vi tích hợp confocal (Alpha 300 RA, WITeC). Laser 532 nm với công suất kích thích thấp (25%) được sử dụng để tránh các hiệu ứng do nhiệt gây ra. Phổ quang điện tử tia X (XPS) được thực hiện trên máy quang phổ Kratos Axis Ultra trên diện tích mẫu 300 × 700 μm2 bằng bức xạ Al Kα đơn sắc (hν = 1486,6 eV) ở công suất 150 W. Phổ phân giải được thu được ở năng lượng truyền lần lượt là 160 eV và 20 eV. Các mẫu NGF được chuyển lên SiO2 được cắt thành từng mảnh (mỗi mảnh 3 × 10 mm2) bằng laser sợi quang ytterbium PLS6MW (1,06 μm) ở công suất 30 W. Các tiếp điểm dây đồng (dày 50 μm) được chế tạo bằng keo bạc dưới kính hiển vi quang học. Các thí nghiệm về vận chuyển điện và hiệu ứng Hall được thực hiện trên các mẫu này ở nhiệt độ 300 K và từ trường biến thiên ± 9 Tesla trong hệ thống đo tính chất vật lý (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Phổ UV-vis truyền qua được ghi lại bằng máy quang phổ UV-vis Lambda 950 trong dải NGF 350–800 nm, được chuyển lên chất nền thạch anh và các mẫu tham chiếu thạch anh.
Cảm biến điện trở hóa học (chip điện cực xen kẽ) được nối dây với bảng mạch in tùy chỉnh 73 và điện trở được trích xuất tạm thời. Bảng mạch in chứa thiết bị được kết nối với các đầu nối tiếp xúc và đặt bên trong buồng cảm biến khí 74. Các phép đo điện trở được thực hiện ở điện áp 1 V với quá trình quét liên tục từ khi làm sạch đến khi tiếp xúc với khí và sau đó lại làm sạch. Buồng được làm sạch ban đầu bằng cách sục khí nitơ ở 200 cm3 trong 1 giờ để đảm bảo loại bỏ tất cả các chất phân tích khác có trong buồng, bao gồm cả hơi ẩm. Sau đó, các chất phân tích riêng lẻ được từ từ đưa vào buồng với cùng tốc độ dòng chảy 200 cm3 bằng cách đóng bình khí N2.
Phiên bản sửa đổi của bài viết này đã được xuất bản và có thể được truy cập thông qua liên kết ở đầu bài viết.
Inagaki, M. và Kang, F. Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Carbon: Nguyên lý cơ bản. Phiên bản thứ hai do biên tập viên chỉnh sửa. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes: Properties, Processing and Applications. Ấn bản đầu tiên đã được biên tập. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Màng graphene/graphite đa lớp diện tích lớn làm điện cực dẫn điện mỏng trong suốt. Ứng dụng. Vật lý. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Tính chất nhiệt của graphene và vật liệu carbon cấu trúc nano. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW và Cahill DG Độ dẫn nhiệt của màng than chì được nuôi cấy trên Ni (111) bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ thấp. trạng từ. Giao diện Matt. 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Sự phát triển liên tục của màng graphene bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học. Ứng dụng. Vật lý. Wright. 98(13), 133106(2011).
Thời gian đăng bài: 23/08/2024