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 mới hơn của trình duyệt (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng hoặc JavaScript.
Phim 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 khả năng dễ chuyển giao của chúng và cách hình thái bề mặt ảnh hưởng đến việc sử dụng chúng trong các thiết bị thế hệ tiếp theo. Ở đây, chúng tôi báo cáo 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 có polyme của nó (mặt trước và mặt sau, diện tích lên tới 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 thô hơn rất phù hợp để phát hiện NO2, trong khi NGF mịn hơn và dẫn điện tốt hơn ở mặt trước (2000 S/cm, điện trở tấm - 50 ohm/m2) có thể là chất dẫn điện khả thi. kênh hoặc điện cực của pin mặt trời (vì nó truyền 62% ánh sáng khả kiến). Nhìn chung, các quá trình phát triển 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 màng graphene và than chì dày micron không phù hợp.
Than chì là một vật liệu công nghiệp được sử dụng rộng rãi. Đáng chú ý, than chì có đặc tính là khối lượng riêng tương đối thấp và độ dẫn nhiệt và điện trong mặt phẳng cao, và rất ổn định trong môi trường nhiệt và hóa học khắc nghiệt1,2. Than chì dạng vảy là một vật liệu khởi đầu nổi tiếng cho nghiên cứu graphene3. Khi được chế biến thành màng mỏng, nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm bộ 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 nhiễu điện từ11. 12 và màng cho quang khắc trong tia cực tím cực mạnh13,14, dẫn kênh trong pin mặt trời15,16. Đối với tất cả các ứng dụng này, sẽ là một lợi thế đáng kể nếu các vùng lớn màng than chì (NGF) có độ dày được kiểm soát ở cấp độ nano <100 nm có thể dễ dàng được sản xuất và vận chuyển.
Phim than chì được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong một trường hợp, nhúng và giãn nở tiếp theo là tách lớp được sử dụng để sản xuất các mảnh graphene10,11,17. Các mảnh phải được xử lý thêm thành các màng có độ dày cần thiết và thường mất vài ngày để sản xuất các tấm than chì dày đặc. Một cách tiếp cận khác là bắt đầu với các tiền chất rắn có thể tạo thành than chì. Trong công nghiệp, các tấm polyme được cacbon hóa (ở 1000–1500 °C) và sau đó được than hóa (ở 2800–3200 °C) để tạo thành các vật liệu phân lớp có cấu trúc tốt. Mặc dù chất lượng của các màng này cao, nhưng mức tiêu thụ năng lượng là đáng kể1,18,19 và độ dày tối thiểu bị giới hạn ở một vài micron1,18,19,20.
Lắng đọng hơi hóa học xúc tác (CVD) là một phương pháp nổi tiếng để sản xuất màng graphene và graphite 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 sự phát triển của màng graphene và graphite siêu mỏng28, sự phát triển diện tích lớn và/hoặc ứng dụng NGF bằng CVD thậm chí còn ít được khám phá hơn11,13,29,30,31,32,33.
Các màng graphene và graphite phát triển trên CVD thường cần được chuyển lên các chất nền chức năng34. Các chuyển màng mỏng này bao gồm hai phương pháp chính35: (1) chuyển không khắc36,37 và (2) chuyển hóa chất ướt dựa trên khắc (chất nền được hỗ trợ)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 các màng graphene/graphite phát triển trên chất nền xúc tác, chuyển thông qua 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 đầu tiên13,30,34,38,40,41,42. You et al. Người ta đã đề cập rằng không có polyme nào được sử dụng để chuyển NGF (kích thước mẫu khoảng 4 cm2)25,43, nhưng không cung cấp thông tin chi tiết nào về 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 một số bước, bao gồm ứng dụng và loại bỏ sau đó lớp polyme hy sinh30,38,40,41,42. Quy trình này có những nhược điểm: ví dụ, cặn polyme có thể làm thay đổi các đặc tính của màng đã phát triển38. Quá trình xử lý bổ sung có thể loại bỏ polyme còn sót lại, nhưng các bước bổ sung này làm tăng chi phí và thời gian sản xuất màng38,40. Trong quá trình phát triển CVD, một lớp graphene không chỉ được lắng đọng ở mặt trước của lá xúc tác (mặt hướng về luồng hơi nước) mà còn ở mặt sau của nó. Tuy nhiên, mặt sau được coi là sản phẩm thải và có thể nhanh chóng được loại bỏ bằng plasma mềm38,41. Tái chế màng này có thể giúp tối đa hóa năng suất, ngay cả khi chất lượng của nó thấp hơn màng carbon mặt.
Ở đây, chúng tôi báo cáo về quá trình chuẩn bị sự phát triển hai mặt của NGF ở quy mô wafer với chất lượng cấu trúc cao trên lá niken đa tinh thể bằng CVD. Chúng tôi đã đánh giá cách độ nhám của bề mặt trước và sau của lá ảnh hưởng đến hình thái và cấu trúc của NGF. Chúng tôi cũng chứng minh việc chuyển NGF không cần polyme hiệu quả về mặt chi phí và thân thiện với môi trường từ cả hai mặt của lá niken lên các chất nền đa chức năng và cho thấy cách các màng trước và sau phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Các phần sau đây thảo luận về các độ dày màng than chì khác nhau tùy thuộc vào số lớp graphene xếp chồng: (i) graphene một lớp (SLG, 1 lớp), (ii) graphene ít lớp (FLG, < 10 lớp), (iii) graphene nhiều lớp (MLG, 10-30 lớp) và (iv) NGF (~300 lớp). Độ dày sau là độ dày phổ biến nhất được biểu thị dưới dạng 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 graphite có kết cấu khác nhau do quá trình sản xuất và xử lý tiếp theo. Gần đây, chúng tôi đã báo cáo một nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình phát triển của 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 đều. Ở đây, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu sự phát triển của NGF trên bề mặt mặt trước được đánh bóng (FS) và mặt sau chưa 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, có thể thấy sự phát triển đồng đều của NGF trên cả hai mặt của lá niken (NiAG) bằng cách thay đổi màu của chất nền Ni khối từ màu xám bạc kim loại đặc trưng sang màu xám mờ (Hình 1a); các phép đo vi mô đã được xác nhận (Hình 1b, c). Phổ Raman điển hình của FS-NGF được quan sát thấy 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 graphite G (1683 cm−1) và 2D (2696 cm−1) xác nhận sự phát triển của NGF có độ tinh thể cao (Hình 1c, Bảng SI1). Trong toàn bộ màng, phổ Raman chiếm ưu thế với tỷ lệ cường độ (I2D/IG) ~0,3 đã được quan sát thấy, trong khi phổ Raman với I2D/IG = 0,8 hiếm khi được quan sát thấy. Việc không có các đỉnh khiếm khuyết (D = 1350 cm-1) trong toàn bộ màng cho thấy chất lượng phát triển NGF cao. Các kết quả Raman tương tự đã 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 điển hình (NiAG) cho thấy sự phát triển của NGF ở quy mô wafer (55 cm2) và các mẫu lá 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 bảng 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 Bộ BS -NGF/Ni. Mũi tên màu xanh biểu thị vùng FLG, mũi tên màu cam biểu thị vùng MLG (gần vùng FLG), mũi tên màu đỏ biểu thị vùng NGF và mũi tên màu đỏ tươi biểu thị 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, nên việc đạt được khả năng 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 chúng tôi đã công bố trước đó30. Quá trình này tạo ra vùng sáng từ 0,1 đến 3% trên 100 µm230. Trong các phần sau, 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 vùng FLG và MLG30,45. Điều này cũng được xác nhận bằng kết quả tán xạ Raman (Hình 1c) và TEM (được thảo luận sau trong phần "FS-NGF: cấu trúc và tính chất"). Các vùng FLG và MLG được quan sát thấy trên các mẫu FS- và BS-NGF/Ni (NGF mặt trước và mặt sau phát triển trên Ni) có thể đã phát triển trên các hạt Ni(111) lớn được hình thành trong quá trình ủ trước22,30,45. Sự gấp nếp được quan sát thấy ở cả hai mặt (Hình 1b, được đánh dấu bằng mũi tên màu tím). Những nếp gấp này thường được tìm thấy trong màng graphene và than chì phát triển bằng 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 căn bậc hai trung bình (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 hiểu dựa trên phân tích bề mặt của lá niken (NiAR) ở trạng thái như đã nhận (Hình SI3). Hình ảnh SEM của FS và BS-NiAR được thể hiện trong Hình SI3a–d, chứng minh các hình thái bề mặt khác nhau: lá FS-Ni đã đánh bóng có các hạt hình cầu có kích thước nano và micron, trong khi lá BS-Ni chưa đánh bóng thể hiện thang sản xuất. như các hạt có độ bền cao. và suy giảm. Hình ảnh có độ phân giải thấp và cao của lá niken 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 có kích thước micron ở cả hai mặt của lá niken (Hình SI3e–h). Các hạt lớn có thể có định hướng bề mặt Ni(111), như đã 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 nhám đáng kể ngay cả sau khi ủ (Hình SI3). Kiểu đặc tính bề mặt này trước quá trình phát triển 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 quá trình sắp xếp lại hạt trong quá trình phát triển 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 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 độ đồng đều độ dày NGF khu vực xuống thang µm2 và/hoặc thậm chí là nm2 (tức là, độ dày thay đổi vài nanomet). Để kiểm soát độ nhám bề mặt của chất nền, có thể cân nhắc các phương pháp như đánh bóng điện phân lá niken thu được48. Lá niken đã qua xử lý trước sau đó có thể được ủ ở nhiệt độ thấp hơn (< 900 °C)46 và thời gian (< 5 phút) để tránh hình thành các hạt Ni(111) lớn (có lợi cho sự phát triển của 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 chất ướt22,34,38. Ngược lại với quá trình chuyển hóa chất ướt của graphene một lớp được hỗ trợ bằng polyme38, chúng tôi thấy rằng cả hai mặt của NGF đang phát triển đều có thể được chuyển mà không cần hỗ trợ polyme, như thể hiện trong Hình 2a (xem Hình SI4a để biết thêm chi tiết). Việc chuyển NGF sang một chất nền nhất định bắt đầu bằng quá trình khắc ướt lớp màng Ni30,49 bên dưới. Các mẫu NGF/Ni/NGF đã phát triển 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 được ngâm trong nước (Hình 2a, b). Sau đó, NGF cô lập được chuyển từ một cốc thủy tinh chứa nước khử ion mới sang một cốc thủy tinh khác và NGF cô lập được rửa sạch, lặp lại bốn đến sáu lần qua đĩa thủy tinh lõm. Cuối cùng, FS-NGF và BS-NGF được đặt trên chất nền mong muốn (Hình 2c).
Quy trình chuyển hóa ướt không chứa polyme cho NGF được phát triển trên lá niken: (a) Sơ đồ quy trình (xem Hình SI4 để biết thêm chi tiết), (b) Ảnh kỹ thuật số của NGF tách ra sau khi khắc Ni (2 mẫu), (c) Ví dụ chuyển FS – và BS-NGF sang chất nền SiO2/Si, (d) Chuyển FS-NGF sang chất nền polyme mờ, (e) BS-NGF từ cùng mẫu với tấm d (chia thành hai phần), chuyển sang giấy C mạ vàng và Nafion (chất nền trong suốt mềm dẻo, các cạnh được đánh dấu bằng góc màu đỏ).
Lưu ý rằng việc chuyển SLG được thực hiện bằng phương pháp chuyển hóa chất ướt cần tổng thời gian xử lý là 20–24 giờ 38 . Với kỹ thuật chuyển không polyme 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 sạch bằng nước khử ion (Bước – 3). bảo quản trong nước khử ion hoặc chuyển sang chất nền mục tiêu (20 phút). Nước bị giữ lại giữa NGF và ma trận khối được loại bỏ bằng tác động mao dẫn (sử dụng giấy thấm) 38 , sau đó các giọt nước còn lại được loại bỏ bằng cách sấy 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 là có thể 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 phương pháp quang phổ Raman, SEM và XRD sau khi lưu trữ trong nước khử ion ở nhiệt độ phòng và trong các chai kín trong khoảng thời gian từ vài ngày đến một năm (Hình SI4). Không có sự suy thoái đáng chú ý. Hình 2c cho thấy FS-NGF và BS-NGF độc lập trong nước khử ion. Chúng tôi đã thu thập chúng trên một chất nền SiO2 (300 nm)/Si, như thể hiện ở đầu Hình 2c. Ngoài ra, như thể hiện trong Hình 2d, e, NGF liên tục có thể được chuyển sang nhiều chất nền khác nhau như polyme (polyamide Thermabright từ Nexolve và Nafion) và giấy than phủ vàng. FS-NGF nổi được đặt dễ dàng 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 chúng bắt đầu lăn trong nước, do xử lý bất cẩn, đôi khi chúng vỡ thành hai hoặc ba phần (Hình 2e). Nhìn chung, chúng tôi có thể đạt được quá trình chuyển giao không cần polyme của PS- và BS-NGF (chuyển giao liên tục liền mạch mà không có sự phát triển của NGF/Ni/NGF ở 6 cm2) cho các mẫu có diện tích lên tới 6 và 3 cm2. Bất kỳ mảnh lớn hoặc nhỏ nào còn lại đều có thể (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 năng suất lên tới 98-99% (sau khi phát triển để chuyển giao).
Các mẫu chuyển không có polyme đã được phân tích chi tiết. Các đặc điểm hình thái bề mặt thu được trên FS- và BS-NGF/SiO2/Si (Hình 2c) sử dụng kính hiển vi quang học (OM) và hình ảnh SEM (Hình SI5 và Hình 3) cho thấy các mẫu này đã được chuyển mà không cần kính hiển vi. Hư hỏng cấu trúc có thể nhìn thấy như vết nứt, lỗ hoặc các khu vực không cuộn. 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 trong Hình 3). Đáng ngạc nhiên là, trái ngược với một số ít vùng bị hư hỏng thường được quan sát thấy trong quá trình chuyển polyme của màng than chì siêu mỏng, một số vùng FLG và MLG có kích thước micron kết nối với NGF (được đánh dấu bằng mũi tên màu xanh trong Hình 3d) đã được chuyển mà không có vết nứt hoặc vỡ (Hình 3d). 3). Tính toàn vẹn về mặt cơ học được xác nhận thêm bằng cách sử dụng hình ảnh TEM và SEM của NGF được chuyển lên lưới đồng ren-cacbon, như đã thảo luận sau (“FS-NGF: Cấu trúc và tính chất”). BS-NGF/SiO2/Si được chuyển thô 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 giá trị của NGF phát triển trên Ni (Hình SI2), cho thấy độ nhám 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 kết quả của việc bề mặt không tiếp xúc trực tiếp với khí tiền chất.
NGF chuyển (NiAG) không có polyme trên wafer SiO2/Si (xem Hình 2c): (a, b) Ảnh SEM của FS-NGF chuyển: độ phóng đại thấp và cao (tương ứng với hình vuông màu cam trong bảng). Các khu vực điển hình) – a). (c, d) Ảnh SEM của BS-NGF chuyển: độ phóng đại thấp và cao (tương ứng với khu vực điển hình được hiển thị bởi hình vuông màu cam trong bảng c). (e, f) Ảnh AFM của FS và BS-NGF chuyển. Mũi tên màu xanh biểu thị vùng FLG – độ tương phản sáng, mũi tên màu lục lam – độ tương phản MLG màu đen, mũi tên màu đỏ – độ tương phản màu đen biểu thị vùng NGF, mũi tên màu đỏ tươi biểu thị nếp gấp.
Thành phần hóa học của FS- và BS-NGF được nuôi cấy và chuyển giao đã được phân tích bằng phương pháp quang phổ điện tử tia X (XPS) (Hình 4). Một đỉnh yếu đã được quan sát thấy trong quang phổ đo được (Hình 4a, b), tương ứng với chất nền Ni (850 eV) của FS- và BS-NGF được nuôi cấy (NiAG). Không có đỉnh nào trong quang phổ đo được của 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 tạp chất Ni còn sót lại sau khi chuyển giao. Hình 4d–f cho thấy quang phổ có độ phân giải cao của các mức năng lượng C 1 s, O 1 s và Si 2p của FS-NGF/SiO2/Si. Năng lượng liên kết của C 1 s của than chì là 284,4 eV53,54. Hình dạng tuyến tính của các đỉnh graphite thường được coi là không đối xứng, như thể hiện trong Hình 4d54. Phổ C 1 s ở mức lõi có độ phân giải cao (Hình 4d) cũng xác nhận sự chuyển giao tinh khiết (tức là không có dư lượng polyme), phù hợp với các nghiên cứu trước đây38. Độ rộng vạch của phổ C 1 s của mẫu mới trồng (NiAG) và sau khi chuyển giao lần lượt là 0,55 và 0,62 eV. Các giá trị này cao hơn giá trị của SLG (0,49 eV đối với SLG trên chất nền SiO2)38. Tuy nhiên, các giá trị này nhỏ hơn độ rộng vạch đã 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 cacbon bị lỗi trong vật liệu hiện tại. Phổ mức cơ bản C 1 s và O 1 s cũng không có vai, loại bỏ nhu cầu giải mã đỉnh có độ phân giải cao54. Có một đỉnh vệ tinh π → π* quanh 291,1 eV, thường được quan sát thấy trong các mẫu than chì. Các tín hiệu 103 eV và 532,5 eV trong quang phổ mức lõi Si 2p và O 1 s (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 truyền NGF, tương ứng, được cho là có nguồn gốc từ vùng FLG. Các kết quả tương tự đã được quan sát thấy đối với các mẫu BS-NGF được truyền (không hiển thị).
Kết quả NiAG XPS: (ac) Phổ khảo sát các thành phần nguyên tử nguyên tố khác nhau của 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 1 s, O 1s và Si 2p của mẫu FS-NGF/SiO2/Si.
Chất lượng tổng thể của các tinh thể NGF được chuyển giao được đánh giá bằng cách sử dụng 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) gấp khoảng 30 lần cường độ của 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 của SEM, phổ Raman, XPS và XRD, chất lượng của BS-NGF/Ni được xác định là giống 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 polyme dày tới 200 nm có thể nổi trên mặt nước. Thiết lập này thường được sử dụng trong các quy trình chuyển hóa ướt hỗ trợ polyme22,38. Graphene và graphite là kỵ nước (góc ướt 80–90°) 57 . Các bề mặt năng lượng tiềm tàng của cả graphene và FLG đã được báo cáo là khá phẳng, với năng lượng tiềm tàng 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 là khoảng − 13 và − 15 kJ/mol,58, cho thấy 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 độc lập vẫn nằm phẳng trên bề mặt nước, trong khi graphene độc lập (nổi trong nước) cuộn tròn và bị phá vỡ. Khi NGF được ngâm hoàn toàn trong nước (kết quả giống nhau đối với NGF thô và phẳng), các cạnh của nó sẽ uốn cong (Hình SI4). Trong trường hợp ngâm hoàn toàn, dự kiến năng lượng tương tác NGF-nước sẽ tăng gần gấp đôi (so với NGF nổi) và các cạnh của NGF sẽ gấp lại để duy trì góc tiếp xúc cao (kỵ nước). Chúng tôi tin rằng có thể phát triển các chiến lược để tránh cong các cạnh của NGF 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 nhiều loại chất nền khác nhau thông qua các quy trình chuyển hóa ướt đã được báo cáo trước đây. Người ta thường chấp nhận rằng lực van der Waals yếu tồn tại giữa các màng graphene/graphite và chất nền (cho dù đó là chất nền cứng như SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, trụ Si22 và màng carbon ren30, 34 hay chất nền mềm như polyimide 37). Ở đây, chúng tôi cho 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 xác định đặc tính 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 1 s của mức lõi của mẫu NGF/SiO2/Si (Hình 4). Những kết quả này chỉ ra rằng không có liên kết hóa học giữa NGF và chất nền mục tiêu.
Trong phần trước, “Chuyển FS- và BS-NGF không cần polyme”, 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 thúc đẩy chúng tôi khám phá các ứng dụng phù hợp nhất cho từng loại.
Xét đến độ trong suốt và bề mặt mịn hơn của FS-NGF, chúng tôi đã nghiên cứu cấu trúc cục bộ, tính chất quang học và điện của nó chi tiết hơn. Cấu trúc và cấu trúc của FS-NGF không có sự chuyển giao polyme được mô tả bằng hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phân tích mẫu nhiễu xạ điện tử vùng chọn (SAED). Các kết quả tương ứng được thể hiện trong Hình 5. Hình ảnh TEM phẳng có 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 (Hình 5a). Nhìn chung, màng thể hiện tính toàn vẹn cơ học và độ ổn định tốt giữa các vùng khác nhau của NGF và FLG, với sự chồng chéo tốt và không bị hư hỏng hoặc rách, điều này cũng được xác nhận bằng SEM (Hình 3) và các nghiên cứu TEM có độ phóng đại cao (Hình 5c-e). Đặc biệt, trong Hình 5d cho thấy cấu trúc cầu 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. Thành phần có khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,33 ± 0,01 nm được thu hẹp hơn nữa thành nhiều lớp graphene ở vùng hẹp nhất (đầu mũi tên đen đặc trong Hình 5 d).
Ảnh TEM phẳng của mẫu NiAG không chứa polyme trên lưới đồng ren cacbon: (a, b) Ảnh TEM có độ phóng đại thấp bao gồm các vùng NGF và FLG, (ce) Ảnh có độ phóng đại cao của nhiều vùng khác nhau trong bảng a và bảng b được đánh dấu bằng các mũi tên cùng màu. Các mũi tên màu xanh lá cây trong bảng a và c chỉ ra các vùng hư hỏng hình tròn trong quá trình căn chỉnh chùm tia. (f–i) Trong các bảng a đến c, các mẫu SAED ở các vùng khác nhau được chỉ ra bằng các vòng tròn màu xanh lam, lục lam, cam và đỏ tương ứng.
Cấu trúc ruy băng trong Hình 5c cho thấy (được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ) hướng thẳng đứng của các mặt phẳng mạng than chì, có thể là do sự hình thành các nanofold dọc theo màng (hình chèn trong Hình 5c) do ứng suất cắt không được bù trừ quá mức30,61,62. Dưới TEM có độ phân giải cao, các nanofold này 30 thể hiện hướng tinh thể khác so với phần còn lại của vùng NGF; các mặt phẳng cơ sở của mạng than chì được định hướng gần như theo chiều dọc, thay vì theo chiều ngang như phần còn lại của màng (hình chèn trong Hình 5c). Tương tự như vậy, vùng FLG đôi khi thể hiện các nếp gấp giống dải hẹp và tuyến tính (được đánh dấu bằng mũi tên màu xanh lam), xuất hiện ở độ phóng đại thấp và trung bình trong Hình 5b, 5e. Hình chèn 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 các kết quả trước đây của chúng tôi30. Ngoài ra, hình ảnh SEM được ghi lại của NGF không có polyme được chuyển lên lưới đồng với màng carbon ren (sau khi thực hiện phép đo TEM nhìn từ trên xuống) được hiển thị trong Hình SI9. Vùng FLG được treo tốt (được đánh dấu bằng mũi tên màu xanh) và vùng bị đứt trong Hình SI9f. Mũi tên màu xanh (ở rìa của NGF được chuyển) được trình bày có chủ đích để chứng minh rằng vùng FLG có thể chống lại quá trình chuyển mà không cần polyme. Tóm lại, những hình ảnh này xác nhận rằng NGF được treo một phần (bao gồm cả vùng FLG) vẫn duy trì tính toàn vẹn về mặt cơ học ngay cả sau khi xử lý nghiêm ngặt 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), không khó để định hướng các vảy dọc theo trục miền [0001] để phân tích cấu trúc SAED. 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 (mã hóa màu xanh lam, lục lam, cam và đỏ). Hình 2 và 3 cho chế độ SAED. Hình 5f và g 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 một hướng của trục vùng [0001], quay 10° và 20°, bằng chứng là sự không khớp góc của ba cặp phản xạ (10-10). Tương tự như vậy, Hình 5g cho thấy hai mẫu lục giác chồng lên nhau được xoay 20°. Hai hoặc ba nhóm mẫu lục giác trong vùng FLG có thể phát sinh từ ba lớp graphene trong mặt phẳng hoặc ngoài mặt phẳng 33 được xoay tương đối với nhau. Ngược lại, các mẫu nhiễu xạ electron 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 so với FLG, như suy ra từ chỉ số 64. Đặc điểm của các tính chất tinh thể của NGF cho thấy sự cùng tồn tại của hai hoặc ba tinh thể graphite (hoặc graphene) chồng lên nhau. Điều đặc biệt đáng chú ý trong vùng FLG là các tinh thể có một mức độ lệch định hướng trong mặt phẳng hoặc ngoài mặt phẳng nhất định. Các hạt/lớp than chì có góc quay trong mặt phẳng là 17°, 22° và 25° đã được báo cáo trước đây đối với NGF phát triển trên màng Ni 64. Các giá trị góc quay quan sát được trong nghiên cứu này phù hợp với các góc quay quan sát được trước đây (±1°) đối với graphene BLG63 xoắn.
Các tính chất điện của NGF/SiO2/Si được đo ở 300 K trên diện tích 10×3 mm2. Các giá trị nồng độ, độ linh động và độ dẫn điện của chất mang điện tử lần lượt là 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 và 2000 S-cm-1. Các 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 chất mang điện tử 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 micron được chế tạo bằng cách sử dụng các tấm polyimide nhiệt độ cao (3200 °C) 20.
Chúng tôi cũng đã thực hiện các phép đo độ truyền qua UV-vis trên FS-NGF được chuyển sang chất nền thạch anh (Hình 6). Phổ kết quả cho thấy độ truyền qua gần như không đổi là 62% trong phạm vi 350–800 nm, cho thấy NGF trong mờ với ánh sáng khả kiến. Trên thực tế, tên "KAUST" có thể được nhìn thấy trong ảnh kỹ thuật số của mẫu trong Hình 6b. Mặc dù cấu trúc nanocrystalline của NGF khác với SLG, số lượng lớp có thể được ước tính sơ bộ bằng cách sử dụng quy tắc mất truyền 2,3% trên mỗi lớp bổ sung65. Theo mối quan hệ này, số lớp graphene có độ mất truyền 38% là 21. NGF phát triển chủ yếu bao gồm 300 lớp graphene, tức là dày khoảng 100 nm (Hình 1, SI5 và SI7). Do đó, chúng tôi cho rằng độ trong suốt quang học quan sát được tương ứng với các vùng FLG và MLG, vì chúng phân bố khắp màng (Hình 1, 3, 5 và 6c). Ngoài các dữ liệu về cấu trúc 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 qua UV-vis, (b) chuyển NGF điển hình trên thạch anh sử dụng mẫu đại diện. (c) Sơ đồ NGF (hộp tối) với các vùng FLG và MLG phân bố đều được đánh dấu là các hình dạng ngẫu nhiên màu xám trên toàn bộ mẫu (xem Hình 1) (khoảng 0,1–3% diện tích trên 100 μm2). Các hình dạng ngẫu nhiên và kích thước của chúng trong sơ đồ chỉ nhằm mục đích minh họa và không tương ứng với các diện tích thực tế.
NGF trong mờ được phát triển bằng CVD trước đây đã được chuyển sang 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 NGF này thực hiện nhiều chức năng như lớp hợp chất hoạt động, đường dẫn truyền điện tích và điện cực trong suốt15,16. Tuy nhiên, màng than chì không đồng nhất. Cần phải tối ưu hóa thêm bằng cách kiểm soát cẩn thận điện trở tấm 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% với ánh sáng khả kiến, nhưng có điện trở tấm là 200–3000 ohm/sq.16. Điện trở bề mặt của màng graphene có thể giảm bằng cách tăng số lớp (chuyển nhiều lớp graphene) và pha tạp 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 tiếp xúc tốt. Mặt trước NGF của chúng tôi có các đặc tính như độ dẫn điện 2000 S/cm, điện trở màng phim 50 ohm/sq. và độ trong suốt 62%, khiến nó trở thành giải pháp thay thế khả thi cho các kênh dẫn điện hoặc điện cực đối diện trong pin mặt trời15,16.
Mặc dù cấu trúc và tính chất hóa học bề mặt của BS-NGF tương tự như FS-NGF, nhưng độ nhám của nó lại khác (“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 có kích thước mm2 của BS-NGF được chuyển vào chip cảm biến điện cực xen kẽ (Hình SI10a-c). Chi tiết sản xuất của chip đã được báo cáo trước đó; vùng nhạy cảm hoạt động của nó là 9 mm267. Trong hình ảnh SEM (Hình SI10b và c), điện cực vàng bên dưới có thể nhìn thấy rõ 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 tốc độ phản hồi kết quả được thể hiện trong Hình SI10g. Có khả năng xảy ra với 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 ưa điện tử của khí22,68. Khi được hấp phụ trên bề mặt graphene, nó làm giảm sự hấp thụ dòng điện của các 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 công bố trước đây. Cơ chế để kích hoạt lại cảm biến NGF bằng cách sử dụng plasma UV, plasma O3 hoặc xử lý nhiệt (50–150°C) đối với các mẫu đã tiếp xúc, lý tưởng nhất là sau đó triển khai các hệ thống nhúng69.
Trong quá trình CVD, sự phát triển của graphene xảy ra ở cả hai mặt của chất nền xúc tác41. Tuy nhiên, BS-graphene thường bị đẩy ra trong quá trình chuyển giao41. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chứng minh rằng sự phát triển NGF chất lượng cao và sự chuyển giao NGF không có polyme có thể đạt được ở cả hai mặt của chất mang 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 phát hiện ra rằng độ nhám của chất nền NiAR ảnh hưởng đến độ nhám của NGF. Những kết quả này chỉ ra rằng FS-NGF phẳng đã phát triển 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.
Xem xét những điều trên, việc kết hợp công trình hiện tại với các màng graphite đã công bố trước đây được phát triển bằng 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 sự tăng trưởng lớn hơn bình thường, cho thấy tiềm năng mở rộng. Có những yếu tố khác cần xem xét, một số trong số đó chúng tôi đã đưa vào bảng.
NGF chất lượng cao hai mặt được phát triển trên lá niken bằng CVD xúc tác. Bằng cách loại bỏ các chất nền polyme truyền thống (chẳng hạn như những chất nền được sử dụng trong graphene CVD), chúng tôi đạt được sự chuyển giao ướt sạch và không có khuyết tật của NGF (được phát triển trên mặt trước và mặt sau của lá niken) sang nhiều loại chất nền quan trọng của quy trình. Đáng chú ý, NGF bao gồm các vùng FLG và MLG (thường là 0,1% đến 3% trên 100 µm2) được tích hợp tốt về mặt cấu trúc vào màng dày hơn. TEM phẳng cho thấy các vùng này bao gồm các chồng từ hai đến ba hạt graphite/graphene (tương ứng là tinh thể hoặc lớp), một số trong số đó có độ không khớp quay là 10–20°. Các vùng FLG và MLG chịu trách nhiệm về độ trong suốt của FS-NGF đối với ánh sáng khả kiến. Đối với các tấm phía sau, chúng có thể được mang song song với các tấm phía trước và, như đã minh họa, có thể có mục đích chức năng (ví dụ, để phát hiện khí). Những nghiên cứu này rất hữu ích để giảm 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 thấp và nhiều lớp) và các tấm graphite công nghiệp (micromet). Phạm vi các tính chất thú vị của chúng, kết hợp với phương pháp đơn giản mà chúng tôi đã phát triển để sản xuất và vận chuyển chúng, khiến những màng này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phản ứng chức năng của graphite, mà không tốn kém chi phí cho 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 4 inch BMPro). Hệ thống được thanh lọc bằng argon và chân không đến áp suất cơ bản là 10-3 mbar. Sau đó, lá niken được đặt trong Ar/H2 (Sau khi ủ trước lá Ni trong 5 phút, lá được tiếp xúc với áp suất 500 mbar ở 900 °C. NGF được lắng đọng trong luồng CH4/H2 (mỗi luồng 100 cm3) trong 5 phút. Sau đó, mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ dưới 700 °C bằng luồng Ar (4000 cm3) ở tốc độ 40 °C/phút. Chi tiết về việc tối ưu hóa quy trình phát triển NGF được mô tả ở nơi khác30.
Hình thái bề mặt của mẫu được quan sát bằng SEM sử dụng kính hiển vi Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Độ nhám bề mặt mẫu và độ dày NGF được đo bằng 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 sáng cao (300 kV), máy đơn sắc loại FEI Wien và bộ hiệu chỉnh quang sai cầu của thấu kính CEOS để thu được kết quả cuối cùng. độ phân giải không gian 0,09 nm. Các mẫu NGF được chuyển sang lưới đồng phủ ren carbon để chụp ảnh TEM phẳng và phân tích cấu trúc SAED. Do đó, hầu hết các bông mẫu được treo trong các lỗ của màng hỗ trợ. Các mẫu NGF được chuyển được phân tích bằng XRD. Mẫu nhiễu xạ tia X thu được 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 có đường kính điểm chùm tia là 3 mm.
Một số phép đo điểm Raman đã được ghi lại bằng kính hiển vi cộng hưởng tích hợp (Alpha 300 RA, WITeC). Tia laser 532 nm có công suất kích thích thấp (25%) đã được sử dụng để tránh các hiệu ứng do nhiệt gây ra. Phổ quang điện tử tia X (XPS) đã được thực hiện trên máy quang phổ Kratos Axis Ultra trên diện tích mẫu là 300 × 700 μm2 bằng bức xạ Al Kα đơn sắc (hν = 1486,6 eV) ở công suất 150 W. Phổ độ phân giải đã thu được ở năng lượng truyền lần lượt là 160 eV và 20 eV. Các mẫu NGF chuyển lên SiO2 đã được cắt thành các mảnh (3 × 10 mm2 mỗi mảnh) bằng tia laser sợi ytterbium PLS6MW (1,06 μm) ở 30 W. Các điểm tiếp xúc bằng dây đồng (dày 50 μm) được chế tạo bằng cách sử dụng bột bạc dưới kính hiển vi quang học. Các thí nghiệm về vận chuyển điện và hiệu ứng Hall đã được thực hiện trên các mẫu này ở 300 K và biến thiên từ trường ± 9 Tesla trong hệ thống đo tính chất vật lý (PPMS EverCool-II, Quantum Design, Hoa Kỳ). Phổ UV-vis truyền qua đã được ghi lại bằng máy quang phổ UV-vis Lambda 950 trong phạm vi NGF 350–800 nm được truyền sang các 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 một bảng mạch in tùy chỉnh 73 và điện trở được trích xuất tạm thời. Bảng mạch in mà thiết bị nằm trên đó được kết nối với các đầu nối tiếp xúc và được 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 xả đến khi tiếp xúc với khí và sau đó xả lại. Ban đầu, buồng được làm sạch bằng cách xả bằng nitơ ở mức 200 cm3 trong 1 giờ để đảm bảo loại bỏ tất cả các chất phân tích khác có trong buồng, bao gồm cả độ ẩm. Sau đó, các chất phân tích riêng lẻ được giải phóng từ từ vào buồng với cùng lưu lượng 200 cm3 bằng cách đóng bình N2.
Phiên bản sửa đổi của bài viết này đã được xuất bản và có thể truy cập thông qua liên kết ở đầu bài viết.
Inagaki, M. và Kang, F. Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Carbon: Cơ bản. Phiên bản thứ hai biên tập. 2014. 542.
Pearson, HO Sổ tay về Carbon, Graphite, Diamond và Fullerene: Tính chất, Xử lý và Ứng dụng. Phiên bản đầu tiên đã được biên tập. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Phim graphene/graphite nhiều lớp diện tích lớn như 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 có 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 phát triển trên Ni (111) bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ thấp. trạng từ. Matt. Giao diện 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: 23-08-2024