Ni-ի վրա կիսաթափանցիկ գրաֆիտային թաղանթ աճեցնելը և դրա երկկողմանի փոխանցումը առանց պոլիմերների

Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար: Ձեր օգտագործած բրաուզերի տարբերակը ունի սահմանափակ CSS աջակցություն: Լավագույն արդյունքների համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել ձեր բրաուզերի ավելի նոր տարբերակը (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Միևնույն ժամանակ, շարունակական աջակցություն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճավորման կամ JavaScript-ի:
Նանոմաշտաբով գրաֆիտային թաղանթները (NGFs) ամուր նանոնյութեր են, որոնք կարող են արտադրվել կատալիտիկ քիմիական գոլորշիների նստեցման միջոցով, սակայն հարցերը մնում են դրանց փոխանցման հեշտության և ինչպես է մակերևույթի մորֆոլոգիան ազդում դրանց օգտագործման հաջորդ սերնդի սարքերում: Այստեղ մենք զեկուցում ենք NGF-ի աճը բազմաբյուրեղ նիկելային փայլաթիթեղի երկու կողմերում (տարածքը 55 սմ2, հաստությունը մոտ 100 նմ) ​​և դրա պոլիմերից ազատ փոխանցումը (առջևի և հետևի, տարածքը մինչև 6 սմ2): Կատալիզատորի փայլաթիթեղի մորֆոլոգիայի պատճառով երկու ածխածնային թաղանթները տարբերվում են իրենց ֆիզիկական հատկություններով և այլ բնութագրերով (օրինակ՝ մակերեսի կոշտությամբ): Մենք ցույց ենք տալիս, որ ավելի կոպիտ հետևի NGF-ները հարմար են NO2-ի հայտնաբերման համար, մինչդեռ առջևի կողմի ավելի հարթ և հաղորդիչ NGF-ները (2000 S/cm, թերթիկի դիմադրությունը՝ 50 ohms/m2) կարող են կենսունակ հաղորդիչներ լինել: արեգակնային մարտկոցի ալիքը կամ էլեկտրոդը (քանի որ այն փոխանցում է տեսանելի լույսի 62%-ը): Ընդհանուր առմամբ, նկարագրված աճի և փոխադրման գործընթացները կարող են օգնել իրականացնել NGF-ը որպես այլընտրանքային ածխածնային նյութ տեխնոլոգիական կիրառությունների համար, որտեղ գրաֆենը և միկրոն հաստությամբ գրաֆիտային թաղանթները հարմար չեն:
Գրաֆիտը լայնորեն օգտագործվող արդյունաբերական նյութ է։ Հատկանշական է, որ գրաֆիտն ունի համեմատաբար ցածր զանգվածային խտության և բարձր ջերմային և էլեկտրական հաղորդունակության հատկություններ, և շատ կայուն է կոշտ ջերմային և քիմիական միջավայրերում1,2: Փաթիլային գրաֆիտը գրաֆենի հետազոտության հայտնի մեկնարկային նյութ է3: Երբ մշակվում է բարակ թաղանթների մեջ, այն կարող է օգտագործվել կիրառությունների լայն շրջանակում, ներառյալ ջերմատախտակները էլեկտրոնային սարքերի համար, ինչպիսիք են սմարթֆոնները4,5,6,7, որպես ակտիվ նյութ սենսորներում8,9,10 և էլեկտրամագնիսական միջամտություններից պաշտպանվելու համար11: 12 և թաղանթներ ծայրահեղ ուլտրամանուշակագույնում լիտոգրաֆիայի համար13,14, արևային բջիջներում հաղորդող ալիքներ15,16: Այս բոլոր կիրառությունների համար զգալի առավելություն կլիներ, եթե գրաֆիտային թաղանթների (NGFs) մեծ տարածքներ, որոնց հաստությունը վերահսկվում է նանոմաշտաբով <100 նմ, հեշտությամբ կարող էին արտադրվել և փոխադրվել:
Գրաֆիտային թաղանթները արտադրվում են տարբեր մեթոդներով։ Մի դեպքում, ներկառուցումը և ընդլայնումը, որին հաջորդում է շերտավորումը, օգտագործվել են գրաֆենի փաթիլներ ստանալու համար10,11,17: Փաթիլները պետք է հետագայում վերամշակվեն պահանջվող հաստության թաղանթների մեջ, և հաճախ մի քանի օր է պահանջվում գրաֆիտի խիտ թիթեղներ արտադրելու համար: Մեկ այլ մոտեցում է սկսել գրաֆիկական պինդ պրեկուրսորներից: Արդյունաբերության մեջ պոլիմերների թիթեղները կարբոնացվում են (1000–1500 °C) և այնուհետև գրաֆիտացվում (2800–3200 °C ջերմաստիճանում)՝ ձևավորելով լավ կառուցվածք ունեցող շերտավոր նյութեր։ Չնայած այս թաղանթների որակը բարձր է, էներգիայի սպառումը զգալի է1,18,19, իսկ նվազագույն հաստությունը սահմանափակվում է մի քանի միկրոնով1,18,19,20:
Գոլորշիների կատալիտիկ քիմիական նստեցումը (CVD) հայտնի մեթոդ է գրաֆենի և գերբարակ գրաֆիտի թաղանթների արտադրության համար (<10 նմ) ​​բարձր կառուցվածքային որակով և ողջամիտ գնով21,22,23,24,25,26,27: Այնուամենայնիվ, համեմատած գրաֆենի և գերբարակ գրաֆիտի թաղանթների աճի հետ28, մեծ տարածքի աճը և/կամ NGF-ի կիրառումը CVD-ի միջոցով նույնիսկ ավելի քիչ է ուսումնասիրված11,13,29,30,31,32,33:
CVD-ով աճեցված գրաֆենի և գրաֆիտի թաղանթները հաճախ պետք է տեղափոխվեն ֆունկցիոնալ ենթաշերտերի վրա34: Այս բարակ թաղանթի փոխանցումները ներառում են երկու հիմնական մեթոդ35. (1) առանց փորագրման փոխանցում36,37 և (2) թաց քիմիական տեղափոխում (ենթաշերտի աջակցությամբ)14,34,38: Յուրաքանչյուր մեթոդ ունի որոշ առավելություններ և թերություններ և պետք է ընտրվի կախված նախատեսված կիրառությունից, ինչպես նկարագրված է այլուր35,39: Գրաֆենի/գրաֆիտի թաղանթների համար, որոնք աճում են կատալիտիկ ենթաշերտերի վրա, տեղափոխումը խոնավ քիմիական պրոցեսների միջոցով (որից պոլիմեթիլ մետակրիլատը (PMMA) ամենատարածված օժանդակ շերտն է) մնում է առաջին ընտրությունը13,30,34,38,40,41,42: Դուք et al. Նշվեց, որ NGF փոխանցման համար պոլիմեր չի օգտագործվել (նմուշի չափը մոտավորապես 4 սմ2)25,43, սակայն նմուշի կայունության և/կամ տեղափոխման ընթացքում մանրամասներ չեն տրամադրվել. Պոլիմերների օգտագործմամբ խոնավ քիմիայի գործընթացները բաղկացած են մի քանի փուլից, ներառյալ զոհաբերվող պոլիմերային շերտի կիրառումը և հետագա հեռացումը30,38,40,41,42: Այս գործընթացն ունի թերություններ. օրինակ, պոլիմերային մնացորդները կարող են փոխել աճեցված թաղանթի հատկությունները38: Լրացուցիչ մշակումը կարող է հեռացնել մնացորդային պոլիմերները, սակայն այս լրացուցիչ քայլերը մեծացնում են ֆիլմի արտադրության արժեքը և ժամանակը38,40: CVD-ի աճի ժամանակ գրաֆենի շերտը նստում է ոչ միայն կատալիզատորի փայլաթիթեղի առջևի մասում (այն կողմը, որը նայում է դեպի գոլորշու հոսքը), այլև դրա հետևի կողմում: Այնուամենայնիվ, վերջինս համարվում է թափոն և կարող է արագ հեռացվել փափուկ պլազմայի միջոցով38,41: Այս թաղանթի վերամշակումը կարող է օգնել առավելագույնի հասցնել բերքատվությունը, նույնիսկ եթե այն ավելի ցածր որակի է, քան դեմքի ածխածնային թաղանթը:
Այստեղ մենք զեկուցում ենք CVD-ի կողմից պոլիբյուրեղային նիկելի փայլաթիթեղի վրա բարձր կառուցվածքային որակով NGF-ի վաֆլի մասշտաբի երկդիմաց աճի պատրաստումը: Գնահատվել է, թե ինչպես է փայլաթիթեղի առջևի և հետևի մակերեսի կոշտությունն ազդում NGF-ի մորֆոլոգիայի և կառուցվածքի վրա: Մենք նաև ցույց ենք տալիս ծախսարդյունավետ և էկոլոգիապես մաքուր պոլիմերից զերծ NGF-ի փոխանցումը նիկելի փայլաթիթեղի երկու կողմերից բազմաֆունկցիոնալ ենթաշերտերի վրա և ցույց ենք տալիս, թե ինչպես են առջևի և հետևի թաղանթները հարմար տարբեր կիրառությունների համար:
Հետևյալ բաժինները քննարկում են տարբեր գրաֆիտային թաղանթի հաստություններ՝ կախված գրաֆենի շերտավորված շերտերի քանակից. (i) միաշերտ գրաֆեն (SLG, 1 շերտ), (ii) մի քանի շերտ գրաֆեն (FLG, < 10 շերտ), (iii) բազմաշերտ գրաֆեն ( MLG, 10-30 շերտ) և (iv) NGF (~ 300 շերտ): Վերջինս ամենատարածված հաստությունն է՝ արտահայտված որպես տարածքի տոկոս (մոտավորապես 97% մակերես 100 մկմ2-ի համար)30: Այդ իսկ պատճառով ամբողջ ֆիլմը պարզապես կոչվում է NGF:
Նիկելի պոլիբյուրեղային փայլաթիթեղները, որոնք օգտագործվում են գրաֆենի և գրաֆիտի թաղանթների սինթեզի համար, ունեն տարբեր հյուսվածքներ՝ դրանց արտադրության և հետագա մշակման արդյունքում: Վերջերս մենք զեկուցեցինք NGF30-ի աճի գործընթացի օպտիմալացման ուսումնասիրության մասին: Մենք ցույց ենք տալիս, որ գործընթացի պարամետրերը, ինչպիսիք են եռացման ժամանակը և խցիկի ճնշումը աճի փուլում, կարևոր դեր են խաղում միատեսակ հաստության NGF-ների ստացման գործում: Այստեղ մենք հետագայում ուսումնասիրեցինք NGF-ի աճը նիկելային փայլաթիթեղի փայլեցված առջևի (FS) և չփայլեցված հետևի (BS) մակերեսների վրա (նկ. 1ա): Հետազոտվել են FS և BS նմուշների երեք տեսակներ, որոնք թվարկված են Աղյուսակ 1-ում: Տեսողական զննման արդյունքում նիկելի փայլաթիթեղի (NiAG) երկու կողմերում NGF-ի միատեսակ աճը կարելի է տեսնել բնորոշ մետաղական արծաթից Ni սուբստրատի հիմնական գույնի փոփոխությամբ: մոխրագույնից մինչև փայլատ մոխրագույն գույն (նկ. 1ա); Հաստատվել են մանրադիտակային չափումները (նկ. 1բ, գ): FS-NGF-ի տիպիկ Raman սպեկտրը, որը նկատվում է պայծառ հատվածում և նշված է Նկար 1b-ում կարմիր, կապույտ և նարնջագույն սլաքներով, ներկայացված է Նկար 1c-ում: Գրաֆիտ G (1683 սմ−1) և 2D (2696 սմ−1) բնորոշ Raman գագաթները հաստատում են բարձր բյուրեղային NGF-ի աճը (նկ. 1c, Աղյուսակ SI1): Ամբողջ ֆիլմի ընթացքում նկատվել է Raman սպեկտրների գերակշռում ինտենսիվության հարաբերակցությամբ (I2D/IG) ~0.3, մինչդեռ Raman սպեկտրները I2D/IG = 0.8 հազվադեպ են դիտվել: Ամբողջ ֆիլմում թերի գագաթների բացակայությունը (D = 1350 սմ-1) վկայում է NGF-ի աճի բարձր որակի մասին: Նմանատիպ Raman արդյունքներ են ստացվել BS-NGF նմուշի վրա (Նկար SI1 a և b, Աղյուսակ SI1):
NiAG FS- և BS-NGF համեմատություն. ա) տիպիկ NGF (NiAG) նմուշի լուսանկար, որը ցույց է տալիս NGF-ի աճը վաֆլի մասշտաբով (55 սմ2) և ստացված BS- և FS-Ni փայլաթիթեղի նմուշները, բ) FS-NGF: Օպտիկական մանրադիտակով ստացված պատկերներ/ Նի, (գ) տիպիկ Raman սպեկտրներ, որոնք գրանցված են b վահանակի տարբեր դիրքերում, (d, f) SEM պատկերներ տարբեր խոշորացումներով FS-NGF/Ni, (է, է) SEM պատկերներ տարբեր խոշորացումներով Սահմանում է BS -NGF/Ni: Կապույտ սլաքը ցույց է տալիս FLG շրջանը, նարնջագույն սլաքը ցույց է տալիս MLG շրջանը (FLG շրջանի մոտ), կարմիր սլաքը ցույց է տալիս NGF շրջանը, իսկ մագենտա սլաքը ցույց է տալիս ծալքը:
Քանի որ աճը կախված է սկզբնական ենթաշերտի հաստությունից, բյուրեղների չափից, կողմնորոշումից և հատիկների սահմաններից, մեծ տարածքներում NGF հաստության ողջամիտ վերահսկողության հասնելը մնում է մարտահրավեր20,34,44: Այս ուսումնասիրությունը օգտագործել է բովանդակություն, որը մենք նախկինում հրապարակել ենք30: Այս պրոցեսը 100 մկմ230-ի համար առաջացնում է 0,1-ից 3% պայծառ տարածք: Հետևյալ բաժիններում մենք ներկայացնում ենք արդյունքներ երկու տեսակի տարածաշրջանների համար: Բարձր խոշորացման SEM պատկերները ցույց են տալիս մի քանի վառ կոնտրաստ տարածքների առկայությունը երկու կողմերում (նկ. 1f,g), ինչը ցույց է տալիս FLG և MLG շրջանների առկայությունը30,45: Սա հաստատվեց նաև Ռամանի ցրման (նկ. 1c) և TEM-ի արդյունքներով (հետագայում «FS-NGF. կառուցվածք և հատկություններ» բաժնում): FS- և BS-NGF/Ni նմուշների վրա նկատված FLG և MLG շրջանները (առջևի և հետևի NGF աճեցված Ni-ի վրա) կարող են աճել մեծ Ni(111) հատիկների վրա, որոնք ձևավորվել են նախամշակման ընթացքում22,30,45: Երկու կողմից նկատվել է ծալում (նկ. 1բ, նշված է մանուշակագույն սլաքներով): Այս ծալքերը հաճախ հանդիպում են CVD-ով աճեցված գրաֆենի և գրաֆիտի թաղանթներում՝ գրաֆիտի և նիկելի ենթաշերտի միջև ջերմային ընդարձակման գործակցի մեծ տարբերության պատճառով30,38:
AFM պատկերը հաստատեց, որ FS-NGF նմուշն ավելի հարթ էր, քան BS-NGF նմուշը (Նկար SI1) (Նկար SI2): FS-NGF/Ni (նկ. SI2c) և BS-NGF/Ni (նկ. SI2d) կոշտության արմատի միջին քառակուսի (RMS) արժեքները համապատասխանաբար 82 և 200 նմ են (չափված 20 × տարածքում: 20 մկմ2): Ավելի բարձր կոշտությունը կարելի է հասկանալ՝ նիկելի (NiAR) փայլաթիթեղի մակերեսային վերլուծության հիման վրա ստացված վիճակում (Նկար SI3): FS-ի և BS-NiAR-ի SEM պատկերները ներկայացված են SI3a–d նկարներում՝ ցուցադրելով մակերեսի տարբեր մորֆոլոգիաներ. փայլեցված FS-Ni փայլաթիթեղն ունի նանո և միկրոն չափերի գնդաձև մասնիկներ, մինչդեռ չհղկված BS-Ni փայլաթիթեղը արտադրական սանդուղք է ցուցադրում: որպես բարձր ուժ ունեցող մասնիկներ։ և անկում։ Հալված նիկելի փայլաթիթեղի (NiA) ցածր և բարձր լուծաչափով պատկերները ներկայացված են Նկար SI3e–h-ում: Այս նկարներում մենք կարող ենք դիտել նիկելի փայլաթիթեղի երկու կողմերում մի քանի միկրոն չափի նիկելի մասնիկների առկայությունը (նկ. SI3e–h): Խոշոր հատիկները կարող են ունենալ Ni(111) մակերեսային կողմնորոշում, ինչպես նախկինում հաղորդվել էր30,46: Նիկելի փայլաթիթեղի ձևաբանության մեջ զգալի տարբերություններ կան FS-NiA-ի և BS-NiA-ի միջև: BS-NGF/Ni-ի ավելի մեծ կոպտությունը պայմանավորված է BS-NiAR-ի չհղկված մակերեսով, որի մակերեսը մնում է զգալիորեն կոպիտ նույնիսկ կռելուց հետո (Նկար SI3): Մակերեւույթի այս տեսակի բնութագրումը նախքան աճի գործընթացը թույլ է տալիս վերահսկել գրաֆենի և գրաֆիտի թաղանթների կոշտությունը: Հարկ է նշել, որ սկզբնական ենթաշերտը գրաֆենի աճի ընթացքում ենթարկվել է որոշակի հատիկի վերակազմավորման, ինչը մի փոքր նվազեցրել է հատիկի չափը և որոշ չափով մեծացրել ենթաշերտի մակերևութային կոշտությունը՝ համեմատած զտված փայլաթիթեղի և կատալիզատորի թաղանթի հետ22:
Ենթաշերտի մակերևույթի կոշտությունը, եռացման ժամանակը (հատիկի չափը)30,47 և թողարկման վերահսկումը43 կնպաստեն տարածաշրջանային NGF հաստության միատեսակությանը մինչև μm2 և/կամ նույնիսկ nm2 սանդղակը (այսինքն՝ հաստության տատանումները մի քանի նանոմետրով): Ենթաշերտի մակերևույթի կոշտությունը վերահսկելու համար կարող են դիտարկվել այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են ստացված նիկելային փայլաթիթեղի էլեկտրոլիտիկ փայլեցումը48: Նախապես մշակված նիկելի փայլաթիթեղը կարող է այնուհետև զտվել ավելի ցածր ջերմաստիճանում (< 900 °C) 46 և ժամանակի (< 5 րոպե)՝ խոշոր Ni(111) հատիկների ձևավորումից խուսափելու համար (որը օգտակար է FLG-ի աճի համար):
SLG և FLG գրաֆենը ի վիճակի չէ դիմակայել թթուների և ջրի մակերևութային լարվածությանը, ինչը պահանջում է մեխանիկական աջակցության շերտեր խոնավ քիմիական փոխանցման գործընթացների ժամանակ22,34,38: Ի տարբերություն պոլիմերների վրա հիմնված միաշերտ գրաֆենի38 խոնավ քիմիական փոխանցման, մենք պարզեցինք, որ աճեցված NGF-ի երկու կողմերն էլ կարող են փոխանցվել առանց պոլիմերային աջակցության, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2ա-ում (ավելի մանրամասն տե՛ս Նկար SI4a): NGF-ի փոխանցումը տվյալ սուբստրատին սկսվում է հիմքում ընկած Ni30.49 թաղանթի թաց փորագրմամբ: Աճեցված NGF/Ni/NGF նմուշները գիշերվա ընթացքում տեղադրվեցին 15 մլ 70% HNO3-ում՝ նոսրացված 600 մլ դեիոնացված (DI) ջրով: Ni փայլաթիթեղի ամբողջական լուծարումից հետո FS-NGF-ը մնում է հարթ և լողում է հեղուկի մակերեսի վրա, ինչպես NGF/Ni/NGF նմուշը, մինչդեռ BS-NGF-ն ընկղմվում է ջրի մեջ (նկ. 2ա,բ): Մեկուսացված NGF-ն այնուհետև տեղափոխվեց մի բաժակից, որը պարունակում էր թարմ դեիոնացված ջուր մեկ այլ բաժակ, և մեկուսացված NGF-ը մանրակրկիտ լվացվեց՝ կրկնելով չորսից վեց անգամ գոգավոր ապակե ամանի միջով: Ի վերջո, FS-NGF-ը և BS-NGF-ը տեղադրվեցին ցանկալի հիմքի վրա (նկ. 2c):
Նիկելային փայլաթիթեղի վրա աճեցված NGF-ի առանց պոլիմերների խոնավ քիմիական փոխանցման գործընթաց. ա) գործընթացի հոսքի դիագրամ (ավելի մանրամասն տե՛ս Նկար SI4), (բ) առանձնացված NGF-ի թվային լուսանկարը Ni-ի փորագրումից հետո (2 նմուշ), (գ) Օրինակ FS – և BS-NGF փոխանցում SiO2/Si սուբստրատին, (դ) FS-NGF փոխանցում անթափանց պոլիմերային հիմքի վրա, (ե) BS-NGF-ը նույն նմուշից, ինչ վահանակը d (բաժանված է երկու մասի), փոխանցվում է ոսկեպատ C թղթի վրա։ և Nafion (ճկուն թափանցիկ ենթաշերտ, եզրերը նշված են կարմիր անկյուններով):
Նկատի ունեցեք, որ SLG փոխանցումը, որն իրականացվում է թաց քիմիական փոխանցման մեթոդների կիրառմամբ, պահանջում է ընդհանուր մշակման ժամանակ 20–24 ժամ38: Այստեղ ցուցադրված պոլիմերից ազատ փոխանցման տեխնիկայով (Նկար SI4a), NGF-ի փոխանցման մշակման ընդհանուր ժամանակը զգալիորեն կրճատվում է (մոտ 15 ժամ): Գործընթացը բաղկացած է․ . պահել դեոնացված ջրի մեջ կամ տեղափոխել թիրախային ենթաշերտը (20 րոպե): NGF-ի և մեծածավալ մատրիցայի միջև թակարդված ջուրը հեռացվում է մազանոթային գործողությամբ (օգտագործելով բիծ թուղթ)38, այնուհետև մնացած ջրի կաթիլները հանվում են բնական չորացման միջոցով (մոտ 30 րոպե), և վերջապես նմուշը չորանում է 10 րոպե: րոպե վակուումային ջեռոցում (10–1 մբար) 50–90 °C (60 րոպե) 38.
Հայտնի է, որ գրաֆիտը դիմանում է ջրի և օդի առկայությանը բավականին բարձր ջերմաստիճանների (≥ 200 °C) 50,51,52: Մենք փորձարկեցինք նմուշները՝ օգտագործելով Raman սպեկտրոսկոպիա, SEM և XRD՝ սենյակային ջերմաստիճանում դեոնացված ջրի մեջ և փակ շշերի մեջ պահելուց հետո մի քանի օրից մինչև մեկ տարի (Նկար SI4): Չկա նկատելի դեգրադացիա։ Նկար 2c-ը ցույց է տալիս ազատ կանգնած FS-NGF և BS-NGF դեոնացված ջրում: Մենք դրանք գրավեցինք SiO2 (300 նմ)/Si սուբստրատի վրա, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2c-ի սկզբում: Բացի այդ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2d,e-ում, շարունակական NGF-ը կարող է փոխանցվել տարբեր ենթաշերտերի, ինչպիսիք են պոլիմերները (Thermabright պոլիամիդ Nexolve-ից և Nafion-ից) և ոսկով պատված ածխածնային թղթի վրա: Լողացող FS-NGF-ը հեշտությամբ տեղադրվեց թիրախային հիմքի վրա (նկ. 2c, d): Այնուամենայնիվ, 3 սմ2-ից ավելի BS-NGF նմուշները դժվարությամբ էին մշակվում, երբ ամբողջովին ընկղմված էին ջրի մեջ: Սովորաբար, երբ նրանք սկսում են գլորվել ջրի մեջ, անզգույշ վարվելու պատճառով երբեմն բաժանվում են երկու կամ երեք մասի (նկ. 2ե): Ընդհանուր առմամբ, մենք կարողացանք հասնել PS- և BS-NGF առանց պոլիմերների փոխանցման (շարունակական անխափան փոխանցում առանց NGF/Ni/NGF աճի 6 սմ2-ում) համապատասխանաբար մինչև 6 և 3 սմ2 տարածքի նմուշների համար: Մնացած ցանկացած մեծ կամ փոքր կտոր կարող է (հեշտությամբ երևալ փորագրման լուծույթում կամ դեիոնացված ջրի մեջ) ցանկալի հիմքի վրա (~1 մմ2, Նկար SI4b, տես նմուշը, որը փոխանցվել է պղնձե ցանցին, ինչպես «FS-NGF. Կառուցվածք և հատկություններ (քննարկված) «Կառուցվածք և հատկություններ» բաժնում) կամ պահել ապագա օգտագործման համար (Նկար SI4): Այս չափանիշի հիման վրա մենք գնահատում ենք, որ NGF-ը կարող է վերականգնվել մինչև 98-99% եկամտաբերությամբ (փոխանցման աճից հետո):
Առանց պոլիմերի փոխանցման նմուշները մանրամասն վերլուծվել են: Մակերեւութային մորֆոլոգիական բնութագրերը, որոնք ստացվել են FS- և BS-NGF/SiO2/Si (նկ. 2c) վրա՝ օգտագործելով օպտիկական մանրադիտակի (OM) և SEM պատկերները (նկ. SI5 և նկ. 3) ցույց են տվել, որ այդ նմուշները տեղափոխվել են առանց մանրադիտակի: Տեսանելի կառուցվածքային վնաս, ինչպիսիք են ճաքերը, անցքերը կամ չոլորված տարածքները: Աճող NGF-ի ծալքերը (նկ. 3b, d, նշված մանուշակագույն սլաքներով) տեղափոխելուց հետո մնացել են անփոփոխ: Երկու FS- և BS-NGF-ները կազմված են FLG շրջաններից (պայծառ շրջանները, որոնք նշված են Նկար 3-ում կապույտ սլաքներով): Զարմանալիորեն, ի տարբերություն մի քանի վնասված շրջանների, որոնք սովորաբար նկատվում են գերբարակ գրաֆիտային թաղանթների պոլիմերային փոխանցման ժամանակ, մի քանի միկրոն չափի FLG և MLG շրջաններ, որոնք միանում են NGF-ին (նկար 3d-ում նշված են կապույտ սլաքներով) տեղափոխվել են առանց ճաքերի կամ կոտրվածքների (Նկար 3d) . 3). . Մեխանիկական ամբողջականությունը հետագայում հաստատվել է՝ օգտագործելով NGF-ի TEM և SEM պատկերները, որոնք փոխանցվել են ժանյակային-ածխածնային պղնձե ցանցերի վրա, ինչպես քննարկվել է ավելի ուշ («FS-NGF. Կառուցվածք և հատկություններ»): Փոխանցված BS-NGF/SiO2/Si ավելի կոպիտ է, քան FS-NGF/SiO2/Si, համապատասխանաբար 140 նմ և 17 նմ rms արժեքներով, ինչպես ցույց է տրված SI6a և b նկարներում (20 × 20 μm2): SiO2/Si սուբստրատի վրա փոխանցված NGF-ի RMS արժեքը (RMS < 2 նմ) զգալիորեն ցածր է (մոտ 3 անգամ), քան Ni-ի վրա աճեցված NGF-ի արժեքը (Նկար SI2), ինչը ցույց է տալիս, որ լրացուցիչ կոշտությունը կարող է համապատասխանել Ni-ի մակերեսին: Բացի այդ, FS- և BS-NGF/SiO2/Si նմուշների եզրերին կատարված AFM պատկերները ցույց են տվել համապատասխանաբար 100 և 80 նմ NGF հաստություն (նկ. SI7): BS-NGF-ի ավելի փոքր հաստությունը կարող է լինել այն պատճառով, որ մակերեսը անմիջականորեն չի ենթարկվում պրեկուրսոր գազին:
Տեղափոխված NGF (NiAG) առանց պոլիմերների SiO2/Si վաֆլի վրա (տես Նկար 2գ). Տիպիկ տարածքներ) – ա). (գ,դ) փոխանցված BS-NGF-ի SEM պատկերներ. ցածր և բարձր խոշորացում (համապատասխանում է տիպիկ տարածքին, որը ցույց է տրված c վահանակի նարնջագույն քառակուսին): (ե, զ) փոխանցված FS- և BS-NGF-ների AFM պատկերներ: Կապույտ սլաքը ներկայացնում է FLG շրջանը` վառ հակադրություն, ցիան սլաքը` սև MLG կոնտրաստը, կարմիր սլաքը` սև կոնտրաստը ներկայացնում է NGF շրջանը, մագենտա սլաքը ներկայացնում է ծալքը:
Աճեցված և տեղափոխված FS- և BS-NGF-ների քիմիական բաղադրությունը վերլուծվել է ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի (XPS) միջոցով (նկ. 4): Չափված սպեկտրներում (նկ. 4ա, բ) նկատվել է թույլ գագաթ, որը համապատասխանում է աճեցված FS- և BS-NGFs (NiAG) Ni սուբստրատին (850 eV): Տեղափոխված FS- և BS-NGF/SiO2/Si չափված սպեկտրներում գագաթներ չկան (նկ. 4c. BS-NGF/SiO2/Si-ի համար նմանատիպ արդյունքներ ցույց չեն տրված), ինչը ցույց է տալիս, որ փոխանցումից հետո չկա Ni-ի մնացորդային աղտոտում: . Նկարները 4d–f ցույց են տալիս FS-NGF/SiO2/Si C 1 s, O 1 s և Si 2p էներգիայի մակարդակների բարձր լուծաչափ սպեկտրները: C 1 s գրաֆիտի միացման էներգիան 284.4 eV53.54 է։ Գրաֆիտի գագաթների գծային ձևը սովորաբար համարվում է ասիմետրիկ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 4d54-ում: Բարձր լուծաչափության միջուկի մակարդակի C 1 սպեկտրը (նկ. 4d) նույնպես հաստատեց մաքուր փոխանցումը (այսինքն՝ պոլիմերային մնացորդներ չկան), ինչը համահունչ է նախորդ ուսումնասիրություններին38: Թարմ աճեցված նմուշի (NiAG) և տեղափոխումից հետո C 1 s սպեկտրների գծի լայնությունը համապատասխանաբար 0,55 և 0,62 էՎ է: Այս արժեքները ավելի բարձր են, քան SLG-ի արժեքները (0,49 էՎ SLG-ի համար SiO2 սուբստրատի վրա)38: Այնուամենայնիվ, այս արժեքները ավելի փոքր են, քան նախկինում հաղորդված գծերի լայնությունը բարձր կողմնորոշված ​​պիրոլիտիկ գրաֆենի նմուշների համար (~0.75 eV) 53,54,55, ինչը ցույց է տալիս ընթացիկ նյութում ածխածնի թերի տեղամասերի բացակայությունը: C 1 s և O 1 s գրունտային մակարդակի սպեկտրները նույնպես չունեն ուսեր, ինչը վերացնում է բարձր լուծաչափի գագաթնակետային ապակոնվոլյուցիայի անհրաժեշտությունը54: Կա π → π* արբանյակային գագաթնակետ մոտ 291,1 էՎ, որը հաճախ նկատվում է գրաֆիտի նմուշներում։ 103 eV և 532.5 eV ազդանշանները Si 2p և O 1 s միջուկային մակարդակի սպեկտրներում (տես նկ. 4e, f) վերագրվում են համապատասխանաբար SiO2 56 սուբստրատին: XPS-ը մակերեսային զգայուն տեխնիկա է, ուստի Ni-ին և SiO2-ին համապատասխանող ազդանշանները, որոնք հայտնաբերվում են համապատասխանաբար NGF-ի փոխանցումից առաջ և հետո, ենթադրվում է, որ ծագում են FLG տարածաշրջանից: Նմանատիպ արդյունքներ են դիտվել փոխանցված BS-NGF նմուշների համար (ցուցադրված չէ):
NiAG XPS արդյունքները. (ac) Տարբեր տարերային ատոմային բաղադրությունների հետազոտման սպեկտրները համապատասխանաբար աճեցված FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni և փոխանցված FS-NGF/SiO2/Si: (d–f) FS-NGF/SiO2/Si նմուշի C 1 s, O 1s և Si 2p միջուկային մակարդակների բարձր լուծաչափ սպեկտրներ։
Փոխանցված NGF բյուրեղների ընդհանուր որակը գնահատվել է ռենտգենյան դիֆրակցիա (XRD): Տեղափոխված FS- և BS-NGF/SiO2/Si XRD օրինաչափությունները (նկ. SI8) ցույց են տալիս դիֆրակցիոն գագաթների առկայությունը (0 0 0 2) և (0 0 0 4) 26,6° և 54,7°-ում, որոնք նման են գրաֆիտին: . Սա հաստատում է NGF-ի բարձր բյուրեղային որակը և համապատասխանում է d = 0,335 նմ միջշերտային հեռավորությանը, որը պահպանվում է փոխանցման քայլից հետո: Դիֆրակցիոն գագաթնակետի ինտենսիվությունը (0 0 0 2) մոտավորապես 30 անգամ գերազանցում է դիֆրակցիոն գագաթնակետին (0 0 0 4), ինչը ցույց է տալիս, որ NGF բյուրեղային հարթությունը լավ համահունչ է նմուշի մակերեսին:
Համաձայն SEM-ի, Raman սպեկտրոսկոպիայի, XPS-ի և XRD-ի արդյունքների, BS-NGF/Ni-ի որակը նույնն է, ինչ FS-NGF/Ni-ն, թեև դրա rms կոպտությունը մի փոքր ավելի բարձր էր (Նկարներ SI2, SI5) և SI7):
Մինչև 200 նմ հաստությամբ պոլիմերային հենարաններ ունեցող SLG-ները կարող են լողալ ջրի վրա: Այս կարգավորումը սովորաբար օգտագործվում է պոլիմերային օգնությամբ խոնավ քիմիական փոխանցման գործընթացներում22,38: Գրաֆենը և գրաֆիտը հիդրոֆոբ են (թաց անկյունը 80–90°) 57: Ե՛վ գրաֆենի, և՛ FLG-ի պոտենցիալ էներգիայի մակերևույթները բավականին հարթ են, ցածր պոտենցիալ էներգիայով (~ 1 կՋ/մոլ) մակերեսի վրա ջրի կողային շարժման համար58: Այնուամենայնիվ, ջրի հաշվարկված փոխազդեցության էներգիաները գրաֆենի և գրաֆենի երեք շերտերի հետ մոտավորապես −13 և −15 կՋ/մոլ են,58, ինչը ցույց է տալիս, որ ջրի փոխազդեցությունը NGF-ի հետ (մոտ 300 շերտ) ավելի ցածր է գրաֆենի համեմատ։ Սա կարող է լինել պատճառներից մեկը, որ անկախ NGF-ը հարթ է մնում ջրի մակերևույթի վրա, մինչդեռ անկախ գրաֆենը (որը լողում է ջրի մեջ) գանգուրվում և քայքայվում է: Երբ NGF-ն ամբողջությամբ ընկղմվում է ջրի մեջ (արդյունքները նույնն են կոպիտ և հարթ NGF-ի դեպքում), նրա եզրերը թեքվում են (Նկար SI4): Ամբողջական ընկղմման դեպքում ակնկալվում է, որ NGF-ջուր փոխազդեցության էներգիան գրեթե կրկնապատկվում է (համեմատած լողացող NGF-ի հետ) և NGF-ի եզրերը ծալվում են բարձր շփման անկյունը պահպանելու համար (հիդրոֆոբություն): Մենք հավատում ենք, որ կարող են մշակվել ռազմավարություններ՝ ներկառուցված NGF-ների եզրերի ոլորումից խուսափելու համար: Մոտեցումներից մեկը խառը լուծիչներ օգտագործելն է՝ գրաֆիտի թաղանթի թրջման ռեակցիան մոդուլացնելու համար59:
Նախկինում հաղորդվել է, որ SLG-ի տեղափոխումը տարբեր տեսակի ենթաշերտերին՝ թաց քիմիական տեղափոխման գործընթացների միջոցով: Ընդհանրապես ընդունված է, որ թույլ վան դեր Վալսյան ուժեր գոյություն ունեն գրաֆենի/գրաֆիտի թաղանթների և ենթաշերտերի միջև (լինի դա կոշտ ենթաշերտեր, ինչպիսիք են SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si սյուներ22 և ժանյակային ածխածնային թաղանթներ30, 34 կամ ճկուն ենթաշերտեր։ ինչպիսին է պոլիիմիդը 37): Այստեղ մենք ենթադրում ենք, որ գերակշռում են նույն տեսակի փոխազդեցությունները։ Մենք չենք նկատել NGF-ի որևէ վնաս կամ թեփոտում այստեղ ներկայացված ենթաշերտերից որևէ մեկի համար մեխանիկական մշակման ժամանակ (վակուումային և/կամ մթնոլորտային պայմաններում կամ պահեստավորման ընթացքում բնութագրման ժամանակ) (օրինակ՝ Նկար 2, SI7 և SI9): Բացի այդ, մենք չնկատեցինք SiC գագաթնակետ NGF/SiO2/Si նմուշի միջուկային մակարդակի XPS C 1 սպեկտրում (նկ. 4): Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ NGF-ի և թիրախային սուբստրատի միջև քիմիական կապ չկա:
Նախորդ բաժնում՝ «FS- և BS-NGF առանց պոլիմերների փոխանցում», մենք ցույց տվեցինք, որ NGF-ը կարող է աճել և փոխանցվել նիկելային փայլաթիթեղի երկու կողմերում: Այս FS-NGF-ները և BS-NGF-ները նույնական չեն մակերևույթի կոշտության առումով, ինչը մեզ դրդեց ուսումնասիրել յուրաքանչյուր տեսակի համար ամենահարմար հավելվածները:
Հաշվի առնելով FS-NGF-ի թափանցիկությունն ու ավելի հարթ մակերեսը՝ մենք ավելի մանրամասն ուսումնասիրեցինք նրա տեղական կառուցվածքը, օպտիկական և էլեկտրական հատկությունները: FS-NGF-ի կառուցվածքն ու կառուցվածքը առանց պոլիմերային փոխանցման բնութագրվել է փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի (TEM) պատկերման և ընտրված տարածքի էլեկտրոնային դիֆրակցիոն (SAED) օրինաչափության վերլուծությամբ: Համապատասխան արդյունքները ներկայացված են Նկար 5-ում: Ցածր խոշորացման հարթ TEM պատկերումը բացահայտեց NGF և FLG շրջանների առկայությունը՝ տարբեր էլեկտրոնային հակադրություն բնութագրերով, այսինքն՝ համապատասխանաբար ավելի մուգ և պայծառ տարածքներ (նկ. 5ա): Ընդհանուր առմամբ ֆիլմը լավ մեխանիկական ամբողջականություն և կայունություն է ցուցադրում NGF-ի և FLG-ի տարբեր շրջանների միջև՝ լավ համընկնմամբ և առանց վնասվելու կամ պատռվելու, ինչը նույնպես հաստատվել է SEM-ի (Նկար 3) և բարձր խոշորացման TEM-ի ուսումնասիրություններով (Նկար 5c-e): Մասնավորապես, Նկար 5d-ում ցույց է տրվում կամրջի կառուցվածքը իր ամենամեծ մասում (նկար 5d-ում սև կետավոր սլաքով նշված դիրքը), որը բնութագրվում է եռանկյունաձև ձևով և բաղկացած է գրաֆենի շերտից՝ մոտ 51 լայնությամբ: 0,33 ± 0,01 նմ միջպլանային տարածությամբ բաղադրությունը հետագայում կրճատվում է գրաֆենի մի քանի շերտերի ամենացածր շրջանում (նկար 5 դ-ում պինդ սև նետի վերջը):
Պոլիմերից զերծ NiAG նմուշի հարթ TEM պատկերը ածխածնային ժանյակավոր պղնձե ցանցի վրա. նույն գույնի նշված սլաքները: Ա և c վահանակների կանաչ սլաքները ցույց են տալիս ճառագայթների հավասարեցման ժամանակ վնասված շրջանաձև հատվածները: (f–i) a-ից c վահանակներում SAED նախշերը տարբեր շրջաններում նշված են համապատասխանաբար կապույտ, կապույտ, նարնջագույն և կարմիր շրջանակներով:
Նկար 5c-ում ժապավենի կառուցվածքը ցույց է տալիս (նշված է կարմիր սլաքով) գրաֆիտային ցանցի հարթությունների ուղղահայաց կողմնորոշումը, որը կարող է պայմանավորված լինել թաղանթի երկայնքով նանոծալքերի ձևավորմամբ (ներդիր Նկար 5c-ում)՝ չփոխհատուցվող կտրվածքի ավելցուկային լարվածության պատճառով30,61,62: . Բարձր լուծաչափի TEM-ի պայմաններում այս նանոծալքերը 30 ցուցադրում են բյուրեղագրական այլ կողմնորոշում, քան NGF-ի մնացած հատվածը. Գրաֆիտային ցանցի բազալ հարթությունները ուղղված են գրեթե ուղղահայաց, այլ ոչ թե հորիզոնական, ինչպես մնացած թաղանթը (ներդիր Նկար 5c-ում): Նմանապես, FLG տարածաշրջանը երբեմն ցուցադրում է գծային և նեղ ժապավենի նման ծալքեր (նշված կապույտ սլաքներով), որոնք երևում են համապատասխանաբար 5b, 5e նկարներում ցածր և միջին խոշորացումներով: Նկար 5e-ի ներդիրը հաստատում է երկշերտ գրաֆենի շերտերի առկայությունը FLG հատվածում (միջպլանային հեռավորություն 0,33 ± 0,01 նմ), ինչը լավ համընկնում է մեր նախորդ արդյունքների հետ30: Բացի այդ, պոլիմերից զերծ NGF-ի ձայնագրված SEM պատկերները, որոնք փոխանցվել են ժանյակավոր ածխածնային թաղանթներով պղնձե ցանցերի վրա (վերևից դիտվող TEM չափումներ կատարելուց հետո) ներկայացված են Նկար SI9-ում: Լավ կասեցված FLG շրջանը (նշված կապույտ սլաքով) և կոտրված հատվածը Նկար SI9f-ում: Կապույտ սլաքը (փոխանցված NGF-ի եզրին) դիտավորյալ ներկայացված է ցույց տալու համար, որ FLG շրջանը կարող է դիմակայել առանց պոլիմերի փոխանցման գործընթացին: Ամփոփելով, այս պատկերները հաստատում են, որ մասամբ կասեցված NGF-ը (ներառյալ FLG շրջանը) պահպանում է մեխանիկական ամբողջականությունը նույնիսկ խիստ բեռնաթափումից և բարձր վակուումի ենթարկվելուց հետո TEM և SEM չափումների ժամանակ (Նկար SI9):
NGF-ի գերազանց հարթության պատճառով (տես Նկար 5ա), դժվար չէ փաթիլները կողմնորոշել [0001] տիրույթի առանցքի երկայնքով SAED կառուցվածքը վերլուծելու համար: Կախված թաղանթի լոկալ հաստությունից և տեղակայությունից՝ էլեկտրոնների դիֆրակցիայի ուսումնասիրության համար որոշվել են հետաքրքրության մի քանի շրջաններ (12 կետ): Նկարներ 5a–c-ում այս բնորոշ շրջաններից չորսը ցուցադրված և նշված են գունավոր շրջանակներով (կապույտ, կապույտ, նարնջագույն և կարմիր կոդավորված): Նկարներ 2 և 3 SAED ռեժիմի համար: Նկարներ 5f և g ստացվել են Նկար 5 և 5-ում ներկայացված FLG շրջանից: Ինչպես համապատասխանաբար ցույց է տրված Նկար 5b և c-ում: Նրանք ունեն վեցանկյուն կառուցվածք, որը նման է ոլորված գրաֆենին63: Մասնավորապես, Նկար 5f-ում ներկայացված են [0001] գոտու առանցքի նույն կողմնորոշմամբ երեք վերադրված նախշեր, որոնք պտտվել են 10° և 20°-ով, ինչի մասին վկայում է երեք զույգ (10-10) անդրադարձումների անկյունային անհամապատասխանությունը: Նմանապես, Նկար 5g-ը ցույց է տալիս երկու վերադրված վեցանկյուն նախշեր, որոնք պտտվել են 20°-ով: FLG տարածաշրջանում վեցանկյուն նախշերի երկու կամ երեք խումբ կարող է առաջանալ երեք՝ հարթության մեջ կամ հարթությունից դուրս գտնվող գրաֆենի 33 շերտերից, որոնք պտտվել են միմյանց նկատմամբ: Ի հակադրություն, Նկար 5h,i-ի էլեկտրոնային դիֆրակցիայի օրինաչափությունները (համապատասխանում է Նկար 5ա-ում ներկայացված NGF շրջանին) ցույց են տալիս մեկ [0001] օրինաչափություն՝ ընդհանուր ավելի բարձր կետային դիֆրակցիայի ինտենսիվությամբ, որը համապատասխանում է նյութի ավելի մեծ հաստությանը: Այս SAED մոդելները համապատասխանում են ավելի հաստ գրաֆիկական կառուցվածքին և միջանկյալ կողմնորոշմանը, քան FLG-ն, ինչպես ենթադրվում է 64 ինդեքսից: NGF-ի բյուրեղային հատկությունների բնութագրումը բացահայտեց երկու կամ երեք գրաֆիտի (կամ գրաֆենի) բյուրեղների համակեցությունը: Այն, ինչ հատկապես ուշագրավ է FLG տարածաշրջանում, այն է, որ բյուրեղները ունեն որոշակի աստիճանի սխալ կողմնորոշում հարթությունից կամ հարթությունից դուրս: Նի 64 թաղանթների վրա աճեցված NGF-ի համար նախկինում հաղորդվել է գրաֆիտի մասնիկների/շերտերի 17°, 22° և 25° պտտման անկյուններով: Այս ուսումնասիրության մեջ դիտարկված պտտման անկյան արժեքները համահունչ են պտտվող BLG63 գրաֆենի նախկինում դիտարկված պտտման անկյուններին (±1°):
NGF/SiO2/Si-ի էլեկտրական հատկությունները չափվել են 300 K-ում՝ 10×3 մմ2 տարածքի վրա: Էլեկտրոնային կրիչի կոնցենտրացիայի, շարժունակության և հաղորդունակության արժեքներն են համապատասխանաբար 1,6 × 1020 սմ-3, 220 սմ2 V-1 C-1 և 2000 S-cm-1: Մեր NGF-ի շարժունակության և հաղորդունակության արժեքները նման են բնական գրաֆիտին2 և ավելի բարձր, քան առևտրային հասանելի բարձր կողմնորոշված ​​պիրոլիտիկ գրաֆիտը (արտադրված 3000 °C ջերմաստիճանում)29: Դիտարկված էլեկտրոնային կրիչի կոնցենտրացիայի արժեքները երկու կարգով ավելի բարձր են, քան վերջերս հաղորդվածները (7,25 × 10 սմ-3) միկրոն հաստությամբ գրաֆիտային թաղանթների համար, որոնք պատրաստված են բարձր ջերմաստիճանի (3200 °C) պոլիիմիդային թիթեղներով 20:
Մենք նաև կատարեցինք ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման տեսանելի հաղորդունակության չափումներ FS-NGF-ի վրա, որոնք տեղափոխվեցին քվարցային ենթաշերտեր (Նկար 6): Ստացված սպեկտրը ցույց է տալիս 62% գրեթե հաստատուն հաղորդունակություն 350–800 նմ միջակայքում, ինչը ցույց է տալիս, որ NGF-ը կիսաթափանցիկ է տեսանելի լույսի համար: Փաստորեն, «KAUST» անունը կարելի է տեսնել Նկար 6b-ի նմուշի թվային լուսանկարում: Չնայած NGF-ի նանաբյուրեղային կառուցվածքը տարբերվում է SLG-ի կառուցվածքից, շերտերի թիվը կարելի է մոտավորապես գնահատել՝ օգտագործելով 2,3% փոխանցման կորստի կանոնը մեկ լրացուցիչ շերտի համար65: Ըստ այս հարաբերության՝ 38% փոխանցման կորստով գրաֆենի շերտերի թիվը 21 է: Աճեցված NGF-ը հիմնականում բաղկացած է 300 գրաֆենի շերտից, այսինքն՝ մոտ 100 նմ հաստությամբ (նկ. 1, SI5 և SI7): Հետևաբար, մենք ենթադրում ենք, որ դիտարկվող օպտիկական թափանցիկությունը համապատասխանում է FLG և MLG շրջաններին, քանի որ դրանք բաշխված են ամբողջ ֆիլմում (նկ. 1, 3, 5 և 6c): Բացի վերը նշված կառուցվածքային տվյալներից, հաղորդունակությունը և թափանցիկությունը նույնպես հաստատում են փոխանցված NGF-ի բարձր բյուրեղային որակը:
ա) ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման տեսանելի հաղորդունակության չափում, բ) բնորոշ NGF փոխանցում քվարցի վրա՝ օգտագործելով ներկայացուցչական նմուշ: գ) NGF-ի (մուգ տուփի) սխեման՝ հավասարաչափ բաշխված FLG և MLG շրջաններով, որոնք նշված են որպես մոխրագույն պատահական ձևեր ամբողջ նմուշում (տես Նկար 1) (մոտ 0,1–3% տարածք 100 մկմ2-ի համար): Դիագրամում պատահական ձևերը և դրանց չափերը միայն պատկերազարդման նպատակով են և չեն համապատասխանում իրական տարածքներին:
CVD-ով աճեցված կիսաթափանցիկ NGF-ը նախկինում տեղափոխվել է մերկ սիլիցիումի մակերեսներ և օգտագործվել արևային բջիջներում15,16: Ստացված էներգիայի փոխակերպման արդյունավետությունը (PCE) կազմում է 1,5%: Այս NGF-ները կատարում են բազմաթիվ գործառույթներ, ինչպիսիք են ակտիվ միացությունների շերտերը, լիցքի տեղափոխման ուղիները և թափանցիկ էլեկտրոդները15,16: Այնուամենայնիվ, գրաֆիտի թաղանթը միատեսակ չէ: Հետագա օպտիմալացումն անհրաժեշտ է՝ ուշադիր վերահսկելով գրաֆիտի էլեկտրոդի թիթեղի դիմադրությունը և օպտիկական հաղորդունակությունը, քանի որ այս երկու հատկությունները կարևոր դեր են խաղում արևային մարտկոցի PCE արժեքը15,16 որոշելու հարցում: Սովորաբար, գրաֆենի թաղանթները 97,7%-ով թափանցիկ են տեսանելի լույսի համար, բայց ունեն 200–3000 ohms/qq.16 թիթեղների դիմադրություն: Գրաֆենային թաղանթների մակերեսային դիմադրությունը կարող է կրճատվել շերտերի քանակի ավելացմամբ (գրաֆենի շերտերի բազմակի փոխանցում) և HNO3-ով դոպինգով (~30 Օմ/քմ)66: Այնուամենայնիվ, այս գործընթացը երկար ժամանակ է պահանջում, և փոխանցման տարբեր շերտերը միշտ չէ, որ լավ շփում են պահպանում: Մեր առջևի NGF-ն ունի այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են հաղորդունակությունը 2000 Ս/սմ, ֆիլմի թերթիկի դիմադրությունը՝ 50 օհմ/քմ: և 62% թափանցիկություն՝ այն դարձնելով կենսունակ այլընտրանք արևային մարտկոցներում հաղորդիչ ալիքների կամ հակաէլեկտրոդների համար15,16:
Չնայած BS-NGF-ի կառուցվածքը և մակերեսի քիմիան նման են FS-NGF-ին, դրա կոշտությունը տարբեր է («FS- և BS-NGF աճ»): Նախկինում մենք օգտագործում էինք գերբարակ թաղանթով գրաֆիտ22 որպես գազի սենսոր: Հետևաբար, մենք փորձարկեցինք BS-NGF-ի օգտագործման իրագործելիությունը գազի ընկալման առաջադրանքների համար (Նկար SI10): Նախ, BS-NGF-ի մմ2 չափի մասերը փոխանցվեցին միջթվային էլեկտրոդի սենսորային չիպի վրա (Նկար SI10a-c): Չիպի արտադրության մանրամասները նախկինում հաղորդվել էին. նրա ակտիվ զգայուն տարածքը 9 մմ267 է: SEM պատկերներում (Նկար SI10b և c), հիմքում ընկած ոսկու էլեկտրոդը հստակ տեսանելի է NGF-ի միջոցով: Կրկին, կարելի է տեսնել, որ բոլոր նմուշների համար ձեռք է բերվել միատեսակ չիպային ծածկույթ: Արձանագրվել են տարբեր գազերի գազի սենսորների չափումները (նկ. SI10d) (նկ. SI11) և արդյունքում ստացված արձագանքման արագությունները ներկայացված են Նկ. SI 10 գ. Հավանաբար այլ խանգարող գազերի հետ՝ ներառյալ SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) և NH3 (200 ppm): Հնարավոր պատճառներից մեկը NO2-ն է: գազի էլեկտրոֆիլ բնույթը22,68. Երբ ներծծվում է գրաֆենի մակերեսի վրա, այն նվազեցնում է համակարգի կողմից էլեկտրոնների ընթացիկ կլանումը: BS-NGF սենսորի արձագանքման ժամանակի տվյալների համեմատությունը նախկինում հրապարակված սենսորների հետ ներկայացված է Աղյուսակ SI2-ում: NGF սենսորների վերաակտիվացման մեխանիզմը ուլտրամանուշակագույն պլազմայի, O3 պլազմայի կամ մերկացած նմուշների ջերմային (50–150°C) մշակման միջոցով շարունակվում է, որին իդեալականորեն հաջորդում է ներդրված համակարգերի ներդրումը69:
CVD գործընթացի ընթացքում գրաֆենի աճը տեղի է ունենում կատալիզատորի ենթաշերտի երկու կողմերում41: Այնուամենայնիվ, BS-գրաֆենը սովորաբար արտանետվում է փոխանցման գործընթացում41: Այս ուսումնասիրության մեջ մենք ցույց ենք տալիս, որ բարձրորակ NGF աճը և պոլիմերից զերծ NGF փոխանցումը կարելի է հասնել կատալիզատորի աջակցության երկու կողմերում: BS-NGF-ն ավելի բարակ է (~80 նմ), քան FS-NGF-ը (~100 նմ), և այս տարբերությունը բացատրվում է նրանով, որ BS-Ni-ն ուղղակիորեն չի ենթարկվում պրեկուրսոր գազի հոսքին: Մենք նաև պարզեցինք, որ NiAR սուբստրատի կոշտությունը ազդում է NGF-ի կոպտության վրա: Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ աճեցված հարթ FS-NGF-ը կարող է օգտագործվել որպես գրաֆենի պրեկուրսոր նյութ (շերտավորման մեթոդով70) կամ որպես հաղորդիչ ալիք արևային բջիջներում15,16: Ի հակադրություն, BS-NGF-ը կօգտագործվի գազի հայտնաբերման համար (նկ. SI9) և, հնարավոր է, էներգիայի պահպանման համակարգերի համար71,72, որտեղ դրա մակերեսի կոշտությունը օգտակար կլինի:
Հաշվի առնելով վերը նշվածը, օգտակար է համատեղել ընթացիկ աշխատանքը նախկինում հրապարակված գրաֆիտային թաղանթների հետ, որոնք աճեցվել են CVD-ով և օգտագործելով նիկելային փայլաթիթեղ: Ինչպես երևում է Աղյուսակ 2-ում, մեր օգտագործած ավելի բարձր ճնշումները կրճատում էին ռեակցիայի ժամանակը (աճի փուլ) նույնիսկ համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում (850–1300 °C միջակայքում): Մենք նաև հասանք սովորականից ավելի մեծ աճի, ինչը ցույց է տալիս ընդլայնման հնարավորությունը: Պետք է հաշվի առնել այլ գործոններ, որոնցից մի քանիսը մենք ներառել ենք աղյուսակում:
Երկկողմանի բարձրորակ NGF-ն աճեցվել է նիկելային փայլաթիթեղի վրա կատալիտիկ CVD-ով: Վերացնելով ավանդական պոլիմերային ենթաշերտերը (օրինակ՝ CVD գրաֆենում օգտագործվողները), մենք հասնում ենք NGF-ի (աճեցված նիկելային փայլաթիթեղի հետևի և առջևի կողմերում) մաքուր և անթերի թաց փոխանցմանը մի շարք գործընթացների համար կարևոր ենթաշերտեր: Հատկանշական է, որ NGF-ը ներառում է FLG և MLG շրջաններ (սովորաբար 0.1% -ից մինչև 3% 100 μm2-ի համար), որոնք կառուցվածքային առումով լավ ինտեգրված են ավելի հաստ թաղանթին: Planar TEM-ը ցույց է տալիս, որ այս շրջանները կազմված են երկու-երեք գրաֆիտ/գրաֆենի մասնիկներից (համապատասխանաբար բյուրեղներ կամ շերտեր), որոնցից մի քանիսն ունեն 10–20° պտույտի անհամապատասխանություն։ FLG և MLG շրջանները պատասխանատու են տեսանելի լույսի նկատմամբ FS-NGF-ի թափանցիկության համար: Ինչ վերաբերում է հետևի թիթեղներին, ապա դրանք կարող են իրականացվել առջևի թիթեղներին զուգահեռ և, ինչպես ցույց է տրված, կարող են ունենալ ֆունկցիոնալ նշանակություն (օրինակ, գազի հայտնաբերման համար): Այս ուսումնասիրությունները շատ օգտակար են արդյունաբերական մասշտաբով CVD գործընթացներում թափոնների և ծախսերի նվազեցման համար:
Ընդհանուր առմամբ, CVD NGF-ի միջին հաստությունը գտնվում է (ցածր և բազմաշերտ) գրաֆենի և արդյունաբերական (միկրոմետր) գրաֆիտի թիթեղների միջև: Նրանց հետաքրքիր հատկությունների շարքը, զուգակցված դրանց արտադրության և տեղափոխման համար մեր մշակած պարզ մեթոդի հետ, այս թաղանթները հատկապես հարմար են դարձնում գրաֆիտի ֆունկցիոնալ արձագանքը պահանջող ծրագրերի համար՝ առանց ներկայումս օգտագործվող էներգատար արդյունաբերական արտադրության գործընթացների ծախսերի:
25 մկմ հաստությամբ նիկելի փայլաթիթեղ (99,5% մաքրություն, Goodfellow) տեղադրվել է առևտրային CVD ռեակտորում (Aixtron 4 դյույմ BMPro): Համակարգը մաքրվել է արգոնով և տարհանվել մինչև 10-3 մբ բազային ճնշման: Այնուհետեւ տեղադրվեց նիկելային փայլաթիթեղ: Ar/H2-ում (Նի փայլաթիթեղը 5 րոպե նախապես հալվելուց հետո փայլաթիթեղը ենթարկվել է 500 մբար ճնշման 900 °C-ում: NGF-ը նստեցվել է CH4/H2 (յուրաքանչյուրը 100 սմ3) հոսքի մեջ 5 րոպե: Այնուհետև նմուշը սառեցվեց մինչև 700 °C-ից ցածր ջերմաստիճան՝ օգտագործելով Ar հոսքը (4000 սմ3) 40 °C/րոպե ջերմաստիճանում:
Նմուշի մակերևույթի մորֆոլոգիան տեսանելի է SEM-ի միջոցով՝ օգտագործելով Zeiss Merlin մանրադիտակը (1 կՎ, 50 պԱ): Նմուշի մակերեսի կոշտությունը և NGF հաստությունը չափվել են AFM-ի միջոցով (Dimension Icon SPM, Bruker): TEM և SAED չափումները կատարվել են FEI Titan 80–300 Cubed մանրադիտակի միջոցով, որը հագեցած է բարձր պայծառության դաշտի արտանետման ատրճանակով (300 կՎ), FEI Wien տեսակի մոնոխրոմատորով և CEOS ոսպնյակի գնդաձև շեղման ուղղիչով վերջնական արդյունքներ ստանալու համար: տարածական թույլտվություն 0,09 նմ: NGF նմուշները տեղափոխվել են ածխածնային ժանյակավոր պատված պղնձե ցանցեր՝ հարթ TEM պատկերավորման և SAED կառուցվածքի վերլուծության համար: Այսպիսով, նմուշների ֆլոկների մեծ մասը կասեցված է կրող մեմբրանի ծակոտիներում: Տեղափոխված NGF նմուշները վերլուծվել են XRD-ով: Ռենտգենյան դիֆրակցիոն օրինաչափությունները ստացվել են փոշու դիֆրակտոմետրի միջոցով (Brucker, D2 փուլային փոխարկիչ Cu Ka աղբյուրով, 1,5418 Å և LYNXEYE դետեկտոր)՝ օգտագործելով Cu ճառագայթման աղբյուր՝ 3 մմ ճառագայթային կետի տրամագծով:
Մի քանի Raman կետի չափումներ են գրանցվել ինտեգրվող կոնֆոկալ մանրադիտակի միջոցով (Alpha 300 RA, WITeC): Ջերմային ազդեցությունից խուսափելու համար օգտագործվել է 532 նմ լազեր՝ ցածր գրգռման հզորությամբ (25%): Ռենտգենյան ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիա (XPS) իրականացվել է Kratos Axis Ultra սպեկտրոմետրի վրա 300 × 700 μm2 նմուշի տարածքում՝ օգտագործելով մոնոխրոմատիկ Al Ka ​​ճառագայթում (hν = 1486,6 eV) 150 Վտ հզորությամբ: Բանաձևի սպեկտրները ստացվել են հաղորդման էներգիաները համապատասխանաբար 160 էՎ և 20 էՎ։ NGF նմուշները, որոնք փոխանցվել են SiO2-ի վրա, կտրվել են կտորների (յուրաքանչյուրը 3 × 10 մմ2)՝ օգտագործելով PLS6MW (1,06 մկմ) իտերբիումի մանրաթելային լազեր՝ 30 Վտ հզորությամբ: Պղնձե մետաղալարերի կոնտակտները (50 մկմ հաստությամբ) արտադրվել են արծաթի մածուկի միջոցով՝ օպտիկական մանրադիտակի տակ: Էլեկտրական տրանսպորտի և Հոլլի էֆեկտի փորձարկումներն իրականացվել են այս նմուշների վրա 300 K ջերմաստիճանում և ± 9 Տեսլա մագնիսական դաշտի տատանումներ ֆիզիկական հատկությունների չափման համակարգում (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ԱՄՆ): Փոխանցվող ուլտրամանուշակագույն ուլտրամանուշակագույն սպեկտրները գրանցվել են Lambda 950 UV–vis սպեկտրոֆոտոմետրի միջոցով 350–800 նմ NGF միջակայքում, որը փոխանցվել է քվարցային ենթաշերտերին և քվարցային հղման նմուշներին:
Քիմիական դիմադրության սենսորը (էլեկտրոդի միջնիշային չիպ) միացված էր սովորական տպագիր տպատախտակին 73, և դիմադրությունը արդյունահանվեց ժամանակավոր: Տպագիր տպատախտակը, որի վրա տեղադրված է սարքը, միացված է կոնտակտային տերմինալներին և տեղադրվում է գազի ընկալման խցիկի ներսում 74: Դիմադրության չափումները կատարվել են 1 Վ լարման դեպքում՝ շարունակական սկանավորումով մաքրումից մինչև գազի բացահայտում և այնուհետև նորից մաքրում: Խցիկը սկզբնապես մաքրվել է ազոտով 200 սմ3-ում 1 ժամվա ընթացքում մաքրելով, որպեսզի ապահովվի խցիկում առկա բոլոր այլ անալիտների հեռացումը, ներառյալ խոնավությունը: Այնուհետև առանձին անալիտները դանդաղորեն բաց թողնվեցին խցիկ՝ նույն հոսքի արագությամբ՝ 200 սմ3՝ փակելով N2 բալոնը:
Հրապարակվել է այս հոդվածի վերանայված տարբերակը, որին կարելի է ծանոթանալ հոդվածի վերևի հղման միջոցով:
Inagaki, M. and Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Երկրորդ հրատարակությունը խմբագրված է։ 2014. 542.
Pearson, HO Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes. Properties, Processing and Applications. Առաջին հրատարակությունը խմբագրվել է։ 1994, Նյու Ջերսի.
Tsai, W. et al. Մեծ մակերեսով բազմաշերտ գրաֆեն/գրաֆիտ թաղանթներ՝ որպես թափանցիկ բարակ հաղորդիչ էլեկտրոդներ: դիմումը. ֆիզիկա. Ռայթ. 95 (12), 123115 (2009):
Balandin AA գրաֆենի և նանոկառուցվածքային ածխածնային նյութերի ջերմային հատկությունները: Նաթ. Մատթ. 10 (8), 569–581 (2011):
Cheng KY, Brown PW և Cahill DG Գրաֆիտային թաղանթների ջերմահաղորդականություն, որոնք աճում են Ni (111) վրա ցածր ջերմաստիճանի քիմիական գոլորշիների նստեցման միջոցով: մակդիր. Մատթ. Ինտերֆեյս 3, 16 (2016):
Hesjedal, T. Գրաֆենի թաղանթների շարունակական աճը քիմիական գոլորշիների նստվածքով: դիմումը. ֆիզիկա. Ռայթ. 98 (13), 133106 (2011):