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纳米级石墨膜（NGFS）是可通过催化化学蒸气沉积产生的强大纳米材料，但是关于它们的易于传递的问题以及表面形态如何影响其在下一代设备中的使用。在这里，我们报告了多晶镍箔（区域55 cm2，厚度约100 nm）的两侧NGF的生长及其无聚合物的转移（前后，面积为6 cm2）。由于催化剂箔的形态，两种碳膜的物理特性和其他特征（例如表面粗糙度）有所不同。我们证明，具有更粗糙背面的NGF非常适合NO2检测，而前侧的更平滑和更有导电的NGF（2000 s/cm，板电阻 - 50欧姆/m2）可以是可行的导体。太阳能电池的通道或电极（因为它传输了可见光的62％）。总体而言，所描述的生长和运输过程可能有助于将NGF作为技术应用的替代碳材料，而石墨烯和微米厚的石墨膜不合适。
石墨是一种广泛使用的工业材料。值得注意的是，石墨具有相对较低的质量密度和较高的平面热和电导率的特性，并且在恶劣的热和化学环境中非常稳定1,2。 Flake石墨是石墨烯研究的众所周知的起始材料3。当将其加工成薄膜时，它可以用于广泛的应用中，包括用于电子设备的散热器，例如4,5,6,7，用作传感器中的活性材料8,9,10和电磁干扰保护11。在极端紫外线13,14中的平纹图12和膜，在太阳能电池中进行通道15,16。对于所有这些应用，如果可以轻松地生产和运输纳米级<100 nm的大面积石墨膜（NGF），那将是一个重要的优势。
石墨膜由各种方法产生。在一种情况下，使用嵌入和膨胀，然后进行去角质产生石墨烯薄片10,11,17。必须将薄片进一步处理成所需厚度的膜，并且通常需要几天才能产生密集的石墨板。另一种方法是从图形性固体前体开始。在行业中，聚合物的薄片被碳化（在1000–1500°C下），然后将（在2800–3200°C）进行石墨形成结构良好的分层材料。尽管这些薄膜的质量很高，但能源消耗显着1,18,19，最小厚度仅限于几微米1,18,19,20。
催化化学蒸气沉积（CVD）是一种众所周知的方法，用于生产具有高结构质量和合理成本为21,22,23,23,24,25,25,26,27的石墨烯和超薄石墨膜（<10 nm）。但是，与石墨烯和超薄石墨膜的生长相比，使用CVD的大面积增长和/或应用NGF的探索甚至较少11,13,29,30,31,32,33。
CVD生长的石墨烯和石墨膜通常需要转移到功能基质上34。这些薄膜转移涉及两种主要方法35：（1）非蚀刻转移36,37和（2）基于蚀刻的湿化学转移（支持底物）14,34,38。每种方法都有一些优点和缺点，必须根据预期的应用程序选择，如其他地方所述35,39。对于在催化底物上生长的石墨烯/石墨膜，通过湿化学过程（其中多甲基丙烯酸酯（PMMA）是最常用的支撑层）的转移仍然是首选13,30,34,34,38,40,41,42。你等。有人提到，没有用于NGF转移的聚合物（样本量约为4 cm2）25,43，但在传输过程中未提供有关样品稳定性和/或处理的详细信息；使用聚合物的湿化学过程包括多个步骤，包括应用和随后去除牺牲聚合物层30,38,40,41,42。此过程有缺点：例如，聚合物残基可以改变成长膜38的特性。额外的处理可以消除剩余的聚合物，但是这些额外的步骤增加了胶卷制作的成本和时间38,40。在CVD生长过程中，一层石墨烯不仅沉积在催化剂箔的前侧（面向蒸汽流动的侧），还沉积在其后侧。但是，后者被认为是废物，可以通过软质量38,41迅速去除。回收这部电影可以帮助最大化产量，即使它的质量低于面部碳膜。
在这里，我们报告了通过CVD在多晶镍箔上具有高结构质量的NGF的晶片尺度分两种生长的制备。评估了箔的前表和背面的粗糙度如何影响NGF的形态和结构。我们还展示了NGF从镍箔的两面转移到多功能基板上的成本效益和环保聚合物的无聚合物转移，并展示了前后膜如何适用于各种应用。
以下各节讨论了不同的石墨膜厚度，具体取决于堆叠的石墨烯层的数量：（i）单层石墨烯（SLG，1层），（ii）几层石墨烯（FLG，<10层），（iii）多层石墨烯（MLG，10-30层，10-30层）和（IV）NGF（IV）NGF（IV）NGF（IV）NGF（〜300层）。后者是最常见的厚度，表示为面积的百分比（每100 µm2的面积约为97％）30。这就是为什么整部电影被简单地称为NGF的原因。
用于合成石墨烯的多晶镍箔和石墨膜由于其制造和随后的加工而具有不同的纹理。我们最近报告了一项研究，以优化NGF30的生长过程。我们表明，在生长阶段，诸如退火时间和腔室压力之类的过程参数在获得均匀厚度的NGF中起着关键作用。在这里，我们进一步研究了NGF在抛光前（FS）和未抛光后部（BS）表面的生长（图1A）。检查了三种类型的样品FS和BS，在表1中列出。在视觉检查后，可以通过从特征性的金属银灰色到哑光灰色的块Ni底物的颜色变化来观察NGF均匀的NGF生长（NIAG）（NIAG）；确认了微观测量（图1B，C）。图1B中显示了在明亮区域观察到的FS-NGF的典型拉曼光谱，并在图1B中以红色，蓝色和橙色箭头表示。石墨G（1683 cm -1）和2D（2696 cm -1）的特征拉曼峰证实了高度晶体NGF的生长（图1C，表SI1）。在整个电影中，观察到具有强度比（I2d/ig）〜0.3的拉曼光谱的占主导地位，而很少观察到具有I2d/ig = 0.8的拉曼光谱。在整个薄膜中没有缺陷峰（D = 1350 cm-1）表明NGF生长的高质量。在BS-NGF样品上获得了类似的拉曼结果（图SI1 A和B，表Si1）。
NIAG FS-和BS-NGF的比较：（a）典型的NGF（NIAG）样品的照片，显示了NGF在晶圆量表（55 cm2）和由此产生的BS和FS-NI FOIL样品，（b）FS-NGF图像（b）通过光学显微镜（c）在典型的位置（c）在典型的位置（c）在不同的位置（c）在不同的位置（c）不同的位置（c）的位置（c）不同的位置（c）不同的位置（c）的位置（c）不同的位置（C） FS -NGF/Ni，（E，G）在不同放大倍率的SEM图像上的宏伟元素设置BS -NGF/Ni。蓝色箭头指示FLG区域，橙色箭头指示MLG区域（靠近FLG区域），红色箭头指示NGF区域，而Magenta Arrow表示折叠。
由于生长取决于初始底物的厚度，晶体尺寸，方向和晶界，因此在大面积上可以合理地控制NGF厚度，这仍然是挑战20,34,44。这项研究使用了我们以前发表的内容30。该过程的明亮区域为每100 µm230的0.1至3％。在以下各节中，我们介绍两种类型区域的结果。高放大率SEM图像显示两侧存在几个明亮的对比区域（图1F，G），表明存在FLG和MLG区域30,45。拉曼散射（图1C）和TEM结果也证实了这一点（稍后在“ FS-NGF：结构和特性”部分中进行了讨论）。在FS-和BS-NGF/NI样品（NI上生长的前后NGF）上观察到的FLG和MLG区域可能在预备前的22,30,45期间形成的大Ni（111）颗粒上生长。两侧都观察到折叠（图1B，标有紫色箭头）。这些褶皱通常在CVD生长的石墨烯和石墨膜中发现，这是因为石墨和镍底物30,38之间热膨胀系数的差异很大。
AFM图像证实了FS-NGF样品比BS-NGF样品更平整（图SI1）（图SI2）。 FS-NGF/Ni（图SI2C）和BS-NGF/Ni（图SI2D）的根平方（RMS）粗糙度值分别为82和200 nm（在20×20μm2的面积上测量）。可以根据接收状态的镍（NIAR）箔的表面分析来理解较高的粗糙度（图SI3）。 FS和BS-NIAR的SEM图像显示在图Si3a – d中，证明了不同的表面形态：抛光的FS-Ni箔具有纳米和微米大小的球形颗粒，而未磨光的BS-NI箔则表现出生产梯子。作为高强度的颗粒。和下降。退火镍箔（NIA）的低分辨率图像如图SI3E – H所示。在这些数字中，我们可以观察到镍箔的两侧存在几个微米大小的镍颗粒（图SI3E – H）。大型谷物可能具有Ni（111）的表面取向，如先前报道的30,46。 FS-NIA和BS-NIA之间的镍箔形态存在显着差异。 BS-NGF/Ni的较高粗糙度是由于BS-NIAR的未抛光表面引起的，即使在退火后，其表面仍然显着粗糙（图SI3）。在生长过程之前，这种表面表征可以控制石墨烯和石墨膜的粗糙度。应该注意的是，与退火箔和催化剂Film22相比，原始底物在石墨烯生长过程中经过了一些谷物的重组，从而略微降低了晶粒尺寸，并在某种程度上增加了底物的表面粗糙度。
微调底物表面粗糙度，退火时间（晶粒尺寸）30,47和释放控制43将有助于将NGF厚度均匀性降低至µm2和/或NM2尺度（即，几种纳米的厚度变化）。为了控制底物的表面粗糙度，可以考虑使用诸如所得镍箔的电解抛光之类的方法48。然后，预处理的镍箔可以在较低的温度（<900°C）46和时间（<5分钟）下退火，以避免形成大Ni（111）晶粒（这对FLG生长有益）。
SLG和FLG石墨烯无法承受酸和水的表面张力，在湿化学转移过程中需要机械支撑层为22,34,38。与聚合物支撑的单层石墨烯的湿化学转移相反，我们发现可以在没有聚合物支持的情况下转移生长的NGF的两侧，如图2A所示（有关更多详细信息，请参见图SI4A）。将NGF转移到给定的底物始于基础Ni30.49膜的湿蚀刻。将生长的NGF/NI/NGF样品放置在15 mL的70％HNO3中，用600 mL的去离子化（DI）水稀释。 NI箔完全溶解后，FS-NGF保持平坦并在液体表面漂浮，就像NGF/Ni/NGF样品一样，而BS-NGF则浸入水中（图2A，B）。然后将隔离的NGF从一个烧杯中转移到一个烧杯中，向另一个烧杯转移到另一个烧杯中，并彻底洗涤了隔离的NGF，通过凹面玻璃盘重复了四到六次。最后，将FS-NGF和BS-NGF放置在所需的底物上（图2C）。
Polymer-free wet chemical transfer process for NGF grown on nickel foil: (a) Process flow diagram (see Figure SI4 for more details), (b) Digital photograph of separated NGF after Ni etching (2 samples), (c) Example FS – and BS-NGF transfer to SiO2/Si substrate, (d) FS-NGF transfer to opaque polymer substrate, (e) BS-NGF from the same样品作为面板D（分为两部分），转移到镀金的C纸和Nafion（柔性透明基板，带有红色角的边缘）。
请注意，使用湿化学转移方法进行的SLG转移需要总处理时间为20-24小时38。通过此处演示的无聚合物转移技术（图SI4A），总体NGF转移处理时间大大减少（大约15小时）。该过程包括：（步骤1）准备蚀刻溶液并将样品放入其中（〜10分钟），然后等待ni蚀刻（〜7200分钟），（步骤2）用去离子水冲洗（步骤 - 3）。存放在去离子水中或转移到靶标底物（20分钟）。通过毛细管作用（使用印迹纸）去除去NGF和散装基质之间的水38，然后通过天然干燥（约30分钟）去除其余的水滴，最后将样品干燥10分钟。在50–90°C（60 min）38的真空烤箱（10–1 Mbar）中的最小值。
已知石墨可以承受在相当高的温度下（≥200°C）50,51,52的水和空气的存在。我们在室温下在去离子水中存储在水中和密封的瓶子中，使用拉曼光谱，SEM和XRD测试了样品（图SI4）。没有明显的退化。图2C显示了在去离子水中的独立式FS-NGF和BS-NGF。如图2C的开头所示，我们在SiO2（300 nm）/Si底物上捕获了它们。另外，如图2D，E所示，连续NGF可以转移到各种底物上，例如聚合物（来自Nexolve和Nafion的Thermabright聚酰胺）和涂有金涂的碳纸。浮动FS-NGF很容易放在目标基板上（图2C，D）。但是，当完全浸入水中时，BS-NGF样品大于3 cm2很难处理。通常，当它们开始在水中滚动时，由于粗心处理，它们有时会分为两个或三个部分（图2E）。总体而言，我们能够分别在面积高达6和3 cm2的样品时实现PS-和BS-NGF的无聚合物转移（无接缝传递，无NGF/NI/NGF生长）。在所需的底物上可以（在蚀刻溶液或去离子水）上（〜1 mm2，图SI4B），请参见“ FS-NGF：“结构和属性”中的“结构和属性）”中的样品，请参见“结构和属性”），或者以将来的使用（在cripteriation croctimation ng中恢复，我们可以在“结构和属性）下，请参见“ fs-ngf：讨论的结构和属性（讨论）。 98-99％（转移增长后）。
详细分析了无聚合物的转移样品。使用光学显微镜（OM）和SEM图像（图SI5和图3）获得的FS和BS-NGF/SIO2/SI（图2C）获得的表面形态特征（图2C）表明，这些样品在没有显微镜的情况下传递。可见的结构损害，例如裂缝，孔或展开区域。传递后，生长的NGF上的褶皱（图3b，d，以紫色箭头为标记）保持完整。 FS-NGF和BS-NGF均由FLG区域组成（图3中的蓝色箭头指示的明亮区域）。令人惊讶的是，与在超薄石墨膜的聚合物转移过程中通常观察到的几个损坏区域，几个微米大小的FLG和连接到NGF的MLG区域（图3D中的蓝色箭头标记）没有裂缝或破裂（图3D）。 3）。 。使用TEM和NGF的SEM图像进一步证实了机械完整性，如稍后讨论（“ FS-NGF：结构和性质”）。如图SI6A和B（20×20μm2）所示，转移的BS-NGF/SIO2/Si分别比FS-NGF/SIO2/Si分别为140 nm和17 nm的FS-NGF/SIO2/Si（20×20μm2）。转移到SIO2/SI底物（RMS <2 nm）上的NGF的RMS值明显低于Ni上生长的NGF的RMS值（图SI2），表明额外的粗糙度可能对应于Ni表面。此外，在FS和BS-NGF/SIO2/SI样品的边缘上执行的AFM图像分别显示NGF厚度为100和80 nm（图SI7）。 BS-NGF的较小厚度可能是表面未直接暴露于前体气体的结果。
在SiO2/Si Wafer上不带聚合物的NGF（NIAG）转移（见图2C）：（ a，b）传递的FS-NGF的SEM图像：低和高放大倍率（对应于面板中的橙色正方形）。典型区域） - a）。 （c，d）转移的BS-NGF的SEM图像：低和高放大倍数（对应于面板C中的橙色正方形所示的典型区域）。 （e，f）转移的FS和BS-NGF的AFM图像。蓝色箭头代表FLG区域 - 明亮的对比度，青色箭头 - 黑色MLG对比度，红色箭头 - 黑色对比代表NGF区域，洋红色箭头代表折叠。
通过X射线光电子光谱法（XPS）分析了生长和转移的FS和BS-NGF的化学组成（图4）。在测得的光谱中观察到一个弱峰（图4a，b），对应于生长的FS和BS-NGFS（NIAG）的Ni底物（850 eV）。未显示的FS和BS-NGF/SIO2/Si的测得光谱中没有峰（图4C；未显示BS-NGF/SIO2/SI的相似结果），表明转移后没有残留的Ni污染。图4D – F显示了FS-NGF/SIO2/Si的C 1 S，O 1 S和Si 2p能级的高分辨率光谱。 C 1 S s石墨的结合能为284.4 EV53.54。石墨峰的线性形状通常被认为是不对称的，如图4D54所示。高分辨率核心水平C 1 S频谱（图4D）也证实了纯转移（即无聚合物残基），这与以前的研究一致。38。新鲜生长样品（NIAG）和转移后C 1 S光谱的线宽分别为0.55和0.62 eV。这些值高于SLG的值（SIO2底物上SLG的0.49 eV）38。但是，这些值比先前报道的高度取向热解石墨烯样品（〜0.75 eV）的线宽小53,54,55，表明当前材料中没有缺陷的碳位点。 C 1 S和O 1 S的地面光谱也缺乏肩膀，从而消除了对高分辨率峰值反volution的需求。54。在291.1 eV附近有一个π→π*卫星峰，通常在石墨样品中观察到。 Si 2p和O 1 s核心水平光谱中的103 eV和532.5 eV信号分别归因于SIO2 56底物。 XPS是一种表面敏感的技术，因此分别假定与NGF转移之前和之后检测到的Ni和SiO2相对应的信号被认为是源自FLG区域的。观察到转移的BS-NGF样品的相似结果（未显示）。
NIAG XPS结果：（AC）分别分别fs-ngf/ni，bs-ngf/ni和转移的FS-NGF/SIO2/SI的不同元素原子组成的调查光谱。 （D – F）FS-NGF/SIO2/SI样品的核心水平C 1 S，O 1S和SI 2P的高分辨率光谱。
使用X射线衍射（XRD）评估了转移的NGF晶体的总体质量。转移的FS和BS-NGF/SIO2/Si的典型XRD模式（图SI8）显示出在26.6°和54.7°下的衍射峰（0 0 0 0 2）和（0 0 0 0 4），类似于石墨。 。这证实了NGF的高晶体质量，对应于d = 0.335 nm的层间距离，该距离在转移步骤后保持。衍射峰（0 0 0 2）的强度约为衍射峰（0 0 0 4）的30倍，表明NGF晶体平面与样品表面很好地对齐。
根据SEM，拉曼光谱，XPS和XRD的结果，发现BS-NGF/Ni的质量与FS-NGF/Ni的质量相同，尽管其RMS粗糙度略高（图Si2，Si5）和Si7）。
带有聚合物支撑层的SLG厚度高达200 nm，可以漂浮在水上。该设置通常用于聚合物辅助的湿化学转移工艺22,38。石墨烯和石墨是疏水（湿角80–90°）57。据报道，石墨烯和FLG的势能表面相当平坦，在表面上的水的横向运动中，势能低（约1 kJ/mol）。但是，水与石墨烯和三层石墨烯的相互作用能分别为-13和-15 kJ/mol，58分别为58，表明与石墨烯相比，水与NGF（约300层）的相互作用较低。这可能是独立式NGF保持在水面上平坦的原因之一，同时独立的石墨烯（漂浮在水中）卷曲并分解。当NGF完全浸入水中时（对于粗糙和扁平的NGF，结果相同），其边缘弯曲（图SI4）。在完全沉浸的情况下，预计NGF - 水相互作用能量几乎翻了一番（与浮动NGF相比），并且NGF折叠的边缘以保持高接触角（疏水性）。我们认为，可以制定策略，以避免嵌入NGF的边缘卷曲。一种方法是使用混合溶剂调节石墨膜的润湿反应。
先前已经报道过通过湿化学转移过程将SLG转移到各种类型的底物上。普遍认为，石墨烯/石墨膜和底物之间存在弱范德华力（无论是刚性基质，例如SIO2/SI38,41,41,46,60，SIC38，AU42，SI Pillars22，Si Pillars22和Lacy Carbon Carars22和Lacy Carbon Carbon Films30，34还是诸如Polyimide 37）。在这里，我们假设相同类型的相互作用占主导地位。我们没有观察到机械处理过程中此处介绍的任何底物（在真空和/或大气条件下或存储期间表征期间）的任何损坏或脱皮（例如，图2，SI7和SI9）。此外，我们没有观察到NGF/SIO2/SI样品的核心水平的XPS C 1 S频谱中的SIC峰（图4）。这些结果表明，NGF和目标底物之间没有化学键。
在上一节中，“ FS和BS-NGF的无聚合物转移”，我们证明了NGF可以在镍箔的两侧生长和转移。这些FS-NGF和BS-NGF在表面粗糙度方面并不相同，这促使我们探索了每种类型的最合适的应用程序。
考虑到FS-NGF的透明度和更光滑的表面，我们更详细地研究了其局部结构，光学和电气性能。通过透射电子显微镜（TEM）成像和选定的面积电子衍射（SAED）模式分析来表征无聚合物转移的FS-NGF的结构和结构。相应的结果如图5所示。低放大平面TEM成像揭示了具有不同电子对比度特征的NGF和FLG区域的存在，即分别更暗，更明亮的区域（图5A）。该膜的整体表现出NGF和FLG不同区域之间的良好机械完整性和稳定性，具有良好的重叠，没有损坏或撕裂，这也通过SEM（图3）和高放大量TEM研究证实了这一点（图5C-E）。特别是，在图5D中，图5D显示了其最大部分的桥结构（图5D中的黑色虚线箭头标记的位置），其特征在于三角形，由宽度约为51的石墨烯层组成。在最狭窄区域（图5 d中的固体黑色箭头末端），具有0.33±0.01 nm的平面间距的组合物进一步还原为几层石墨烯。
无聚合物NIAG样品的平面TEM图像在碳扎铜铜网上：（a，b）低放大倍数图像，包括NGF和FLG区域，（CE）面板-A和面板B中各个区域的高放大图像是相同颜色的标记箭头。面板A和C中的绿色箭头表示光束对齐期间的圆形损坏区域。 （F – I）在A到C中，不同区域的SAED模式分别用蓝色，青色，橙色和红色圆圈表示。
图5C中的色带结构显示（用红色箭头标记）石墨晶格平面的垂直方向，这可能是由于沿膜沿膜形成（图5C中的插图），这是由于过量的未加密的剪切应力30,61,62。在高分辨率的TEM下，这些纳米折30的晶体学取向与NGF区域的其余部分不同。石墨晶格的基平面几乎是垂直定向的，而不是像胶片的其余部分一样水平（图5C中的插图）。同样，FLG区域偶尔表现出线性和狭窄的带状褶皱（以蓝色箭头为标记），它们分别出现在图5b，5e中。图5E中的插图证实了FLG扇区中的两层石墨烯层的存在（平面距离0.33±0.01 nm），这与我们先前的结果30非常吻合。此外，图SI9显示了带有蕾丝碳膜的无聚合物NGF的SEM图像（执行顶部视角测量值之后）。悬浮良好的FLG区域（用蓝色箭头标记）和图Si9f中的损坏区域。有意提出蓝色箭头（在转移的NGF的边缘），以证明FLG区域可以在没有聚合物的情况下抵抗转移过程。总而言之，这些图像证实，即使在TEM和SEM测量过程中进行严格的处理和暴露于高真空度之后，部分悬浮的NGF（包括FLG区域）仍保持机械完整性（图SI9）。
由于NGF的出色平坦度（见图5A），沿[0001]域轴的薄片并不难以分析SAED结构。根据膜的局部厚度及其位置，用于电子衍射研究的几个感兴趣区域（12分）。在图5a – c中，其中四个典型区域显示并用彩色圆圈（蓝色，青色，橙色和红色编码）标记。 SAED模式的图2和3。图5f和g是从图5和5所示的FLG区域获得的。如图5b和C所示。它们的六边形结构类似于扭曲的石墨烯63。特别是，图5F显示了三个叠加的模式，具有[0001]区域轴相同的方向，旋转10°和20°，这证明了三对（10-10）反射的角度不匹配。同样，图5G显示了两个叠加的六角形图案，旋转20°。 FLG区域中的两个或三组六角形模式可能来自三个面内或平面外石墨烯层33相对于彼此旋转的33层。相反，图5H中的电子衍射模式（对应于图5a中所示的NGF区域）显示了一个单个[0001]模式，其总体更高点衍射强度，对应于较大的材料厚度。这些SAED模型对应于比FLG的较厚的石墨结构和中间方向，如索引64所推论。NGF的晶体特性的表征揭示了两个或三个叠加石墨（或石墨烯）结晶岩的共存。在FLG区域中特别值得注意的是，微晶具有一定程度的平面或平面外的不良方向。先前已经报道了在Ni 64膜上生长的NGF，具有17°，22°和25°的平面旋转角度的石墨颗粒/层。在这项研究中观察到的旋转角值与扭曲的BLG63石墨烯的先前观察到的旋转角（±1°）一致。
在10×3 mm2的面积上，在300 K下测量NGF/SIO2/Si的电性能。电子载体浓度，迁移率和电导率的值分别为1.6×1020 cm-3，220 cm2 V-1 C-1和2000 S-CM-1。我们的NGF的迁移率和电导率值类似于天然石墨2，并且高于市售高度定向的热解石墨（在3000°C下产生）29。观察到的电子载体浓度值是使用高温（3200°C）聚酰亚胺纸20制备的微米厚的石墨膜高两个数量级（7.25×10 cm-3）高的数量级（7.25×10 cm-3）。
我们还对转移到石英底物的FS-NGF进行了紫外可见的透射率测量（图6）。所得的光谱显示在350–800 nm的范围内近乎恒定的传输量为62％，这表明NGF透明透明地符合可见光。实际上，在图6b的样本的数字照片中可以看到“ kaust”的名称。尽管NGF的纳米晶结构与SLG的结构不同，但可以使用每额外的layer65的2.3％传输损耗大致估算层的数量。根据这种关系，38％传输损失的石墨烯层数为21。生长的NGF主要由300个石墨烯层组成，即约100 nm厚（图1，SI5和SI7）。因此，我们假设观察到的光学透明度对应于FLG和MLG区域，因为它们分布在整个薄膜中（图1、3、5和6C）。除了上述结构数据外，电导率和透明度还证实了转移的NGF的高晶体质量。
（a）使用代表性样本在石英上进行紫外可见的透射率测量，（b）典型的NGF转移。 （c）NGF（深色框）的示意图，其均匀分布的FLG和MLG区域在整个样品中标记为灰色随机形状（见图1）（大约每100μm2的0.1–3％面积）。该图中的随机形状及其大小仅用于说明目的，并且与实际区域不符。
CVD生长的半透明NGF先前已转移到裸硅表面，并用于太阳能电池15,16。产生的功率转换效率（PCE）为1.5％。这些NGF执行多种功能，例如活动化合物层，电荷传输途径和透明电极15,16。但是，石墨膜并不统一。通过仔细控制石墨电极的板电阻和光学透射率，需要进一步优化，因为这两种属性在确定太阳能电池的PCE值15,16方面起着重要作用。通常，石墨烯膜对可见光透明97.7％，但具有200-3000欧姆/平方英尺的薄板电阻。可以通过增加层数（石墨烯层的多个转移）并用HNO3（〜30 ohm/sq。）掺杂地石墨烯膜的表面电阻。66。但是，此过程需要很长时间，并且不同的转移层并不总是保持良好的接触。我们的前侧NGF具有诸如电导率2000 s/cm，胶片电阻50欧姆/平方英尺之类的属性。和62％的透明度，使其成为太阳能电池中的导电通道或反电极的可行替代方案15,16。
尽管BS-NGF的结构和表面化学与FS-NGF相似，但其粗糙度不同（“ FS和BS-NGF的生长”）。以前，我们使用了超薄膜石墨22作为气体传感器。因此，我们测试了使用BS-NGF进行气体传感任务的可行性（图SI10）。首先，将BS-NGF的MM2大小部分转移到插型电极传感器芯片上（图SI10A-C）。先前报道了芯片的制造细节；它的主动敏感区域为9 mm267。在SEM图像（图SI10B和C）中，通过NGF可以清楚地看到潜在的金电极。同样，可以看出，所有样品都可以实现均匀的芯片覆盖范围。记录了各种气体的气体传感器测量值（图SI10D）（图SI11），所得的响应速率如图2和图2所示。 Si10g。可能与其他干扰气体，包括SO2（200 ppm），H2（2％），CH4（200 ppm），CO2（2％），H2S（200 ppm）（200 ppm）和NH3（200 ppm）。一个可能的原因是No2。气体22,68的亲电性。当吸附在石墨烯表面时，它会减少系统的电流吸收。表Si2列出了BS-NGF传感器与先前发布的传感器的响应时间数据的比较。使用紫外等离子体，O3血浆或热样品（50–150°C）处理裸露样品的机制正在进行中，理想之后是实施嵌入式Systems69。
在CVD过程中，石墨烯生长发生在催化剂底物41的两侧。但是，通常在转移过程中弹出BS-Graphene41。在这项研究中，我们证明，在催化剂支持的两侧都可以实现高质量的NGF生长和无聚合物NGF转移。 BS-NGF比FS-NGF（〜100 nm）较薄（〜80 nm），并且这种差异是由BS-NI直接暴露于前体气流的事实来解释的。我们还发现，NIAR底物的粗糙度会影响NGF的粗糙度。这些结果表明，生长的平面FS-NGF可以用作石墨烯的前体材料（通过去角质方法70）或太阳能电池中的导电通道15,16。相比之下，BS-NGF将用于气体检测（图SI9），可能用于储能系统71,72，其表面粗糙度将很有用。
考虑到上述内容，将当前作品与CVD生长并使用镍箔种植的先前发表的石墨膜相结合很有用。从表2中可以看出，即使在相对较低的温度（在850–1300°C的范围内），我们使用的较高压力也缩短了反应时间（生长阶段）。我们还比平常实现了更大的增长，表明扩张的潜力。还有其他因素需要考虑，其中一些包括在表中。
通过催化CVD在镍箔上生长了双面高质量的NGF。通过消除传统的聚合物底物（例如CVD石墨烯中使用的聚合物底物），我们将NGF（在镍箔的背面和前侧生长）实现清洁且无缺陷的湿传递到各种过程 - 临界基板。值得注意的是，NGF包括FLG和MLG区域（通常为0.1％至3％，每100 µm2）在结构上很好地整合到较厚的薄膜中。平面TEM表明，这些区域由两到三个石墨/石墨烯颗粒（分别晶体或层）组成，其中一些区域的旋转不匹配为10–20°。 FLG和MLG区域负责FS-NGF对可见光的透明度。至于后板，它们可以平行于前板，如图所示，可以具有功能性的目的（例如，用于气体检测）。这些研究对于减少工业规模CVD过程的浪费和成本非常有用。
通常，CVD NGF的平均厚度位于（低层和多层）石墨烯和工业（微米）石墨板之间。它们的有趣属性范围，再加上我们为生产和运输开发的简单方法，使这些电影特别适合需要石墨功能响应的应用，而没有目前使用的能源密集型工业生产过程。
在商业CVD反应堆（Aixtron 4英寸BMPRO）中安装了25μm厚的镍箔（纯度99.5％，Goodfellow）。该系统用氩气清除，并疏散至10-3 MBAR的基本压力。然后放置镍箔。在AR/H2中（将Ni箔预先保存5分钟后，将箔在900°C时在900°C下的压力约为500 MBAR。在CH4/H2的流量中，将铝箔固定在CH4/H2（每个100 cm3）的流量中5分钟（每次100 cm3）。然后使用AR流量（4000 cm3）在40 cm3中的700°C降低到700°C的温度，将样品冷却至700°C，在40 cm3上进行了nit nec.gf in。
使用Zeiss Merlin显微镜（1 kV，50 pa）通过SEM观察样品的表面形态。使用AFM（尺寸图标SPM，Bruker）测量样品表面粗糙度和NGF厚度。使用配备高亮度场发射枪（300 kV），FEI WIEN型单色仪和CEO镜头球形异差校正器的FEI Titan 80-300立方体显微镜进行TEM和SAED测量结果。空间分辨率0.09 nm。将NGF样品转移到碳纤维涂层铜网格中，以进行平坦的TEM成像和SAED结构分析。因此，大多数样品絮凝物被悬浮在支撑膜的孔中。通过XRD分析了转移的NGF样品。使用粉末衍射仪（Brucker，带有CuKα源的D2相变器，1.5418Å和Lynxeye检测器）获得X射线衍射图，并使用孔斑点直径为3 mm。
使用集成共聚焦显微镜（Alpha 300 RA，WITEC）记录了几个拉曼点测量值。使用低激发能力（25％）的532 nm激光避免了热诱导的效果。使用单色ALKα辐射（Hν= 1486.6 eV），在150 W.分别以160 ev和20 ev的传输能量获得分辨率光谱，使用单色ALKα辐射（Hν= 1486.6 eV），在300×700μm2的样品面积上，在300×700μm2的样品面积上，在Kratos轴超光谱仪上进行X射线光电子光谱仪（XPS）。使用PLS6MW（1.06μm）Ytterbium Fiber激光器在30 W.将铜线触点（50μm厚）使用银色糊状物制成，使用PLS6MW（1.06μm）Ytterbium纤维激光器将转移到SIO2的NGF样品切成碎片（每个3×10 mm2）。在300 K的这些样品上进行了电运输和霍尔效应实验，在物理性质测量系统（PPMS Evercool-II，Quantum Design，USA）中，在300 K的这些样品上进行了±9 Tesla的磁场变化。使用LAMBDA 950 UV -VIS分光光度计记录了传输的UV – VIS光谱，该光谱在350–800 nm NGF范围内传输到了Quartz substrates和Quartz参考样品。
将耐化学抗性传感器（相互插入电极芯片）连接到定制的印刷电路板73，并暂时提取电阻。设备所在的印刷电路板连接到接触端子并放置在气体传感室内74中。电阻测量是在1 V的电压下进行的，并连续扫描从清除到气体暴露，然后再次清除。最初，通过用氮气在200 cm3净化1小时来清洁腔室，以确保清除腔室中存在的所有其他分析物（包括水分）。然后，通过关闭N2圆柱体，以相同的流量为200 cm3缓慢释放单个分析物。
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Inagaki，M。和Kang，F。碳材料科学与工程：基本面。第二版编辑。 2014。542。
皮尔森（Pearson），碳，石墨，钻石和富勒烯的HO手册：属性，加工和应用。第一版已被编辑。 1994年，新泽西州。
Tsai，W。等。大面积多层石墨烯/石墨膜作为透明的薄导电电极。应用。物理。赖特。 95（12），123115（2009）。
石墨烯和纳米结构碳材料的Balandin AA热性能。纳特。马特。 10（8），569–581（2011）。
Cheng Ky，Brown PW和Cahill DG通过低温化学蒸气沉积在Ni上生长的石墨膜的热导率。副词。马特。接口3，16（2016）。
Hesjedal，T。化学蒸气沉积对石墨烯膜的连续生长。应用。物理。赖特。 98（13），133106（2011）。
发布时间：8月23日至2024年