Ni üzərində şəffaf qrafit filminin yetişdirilməsi və onun ikitərəfli polimersiz ötürülməsi

Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında məhdud CSS dəstəyi var. Ən yaxşı nəticələr üçün brauzerinizin daha yeni versiyasını istifadə etməyi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyi) tövsiyə edirik. Bu arada, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı üslub və ya JavaScript olmadan göstəririk.
Nanoölçülü qrafit filmləri (NGF) katalitik kimyəvi buxar çökdürmə yolu ilə istehsal oluna bilən möhkəm nanomateriallardır, lakin onların ötürülməsinin asanlığı və səth morfologiyasının onların gələcək nəsil cihazlarda istifadəsinə necə təsir etməsi ilə bağlı suallar qalır. Burada biz polikristal nikel folqasının hər iki tərəfində (sahəsi 55 sm2, qalınlığı təqribən 100 nm) NGF-nin böyüməsini və onun polimersiz ötürülməsini (ön və arxa, 6 sm2-ə qədər sahə) bildiririk. Katalizator folqasının morfologiyasına görə, iki karbon filmi fiziki xassələri və digər xüsusiyyətləri (məsələn, səthin pürüzlülüyü) ilə fərqlənir. Biz nümayiş etdiririk ki, daha kobud arxa tərəfi olan NGF-lər NO2 aşkarlanması üçün yaxşı uyğundur, ön tərəfdəki daha hamar və daha keçirici NGF-lər (2000 S/sm, təbəqə müqaviməti – 50 ohm/m2) canlı keçiricilər ola bilər. günəş batareyasının kanalı və ya elektrodu (görünən işığın 62% -ni ötürdüyü üçün). Ümumilikdə, təsvir olunan böyümə və nəql prosesləri NGF-ni qrafen və mikron qalınlığında qrafit filmlərinin uyğun olmadığı texnoloji tətbiqlər üçün alternativ karbon materialı kimi həyata keçirməyə kömək edə bilər.
Qrafit geniş istifadə olunan sənaye materialıdır. Qeyd edək ki, qrafit nisbətən aşağı kütlə sıxlığı və yüksək müstəvidə istilik və elektrik keçiriciliyi xüsusiyyətlərinə malikdir və sərt istilik və kimyəvi mühitlərdə çox sabitdir1,2. Lopa qrafit qrafen tədqiqatları üçün məşhur başlanğıc materialdır3. Nazik filmlərə emal edildikdə, o, sensorlar8,9,10 və elektromaqnit müdaxiləsindən qorunma11 üçün aktiv material kimi smartfonlar4,5,6,7 kimi elektron qurğular üçün istilik qəbulediciləri daxil olmaqla geniş tətbiqlərdə istifadə oluna bilər. 12 və həddindən artıq ultrabənövşəyidə litoqrafiya üçün filmlər13,14, günəş hüceyrələrində keçirici kanallar15,16. Bütün bu tətbiqlər üçün, qalınlığı 100 nm-dən aşağı olan nanoölçədə idarə olunan qrafit plyonkaların (NGF) geniş sahələrinin asanlıqla istehsal və daşınması əhəmiyyətli bir üstünlük olardı.
Qrafit plyonkaları müxtəlif üsullarla istehsal olunur. Bir halda, qrafen lopalarının istehsalı üçün yerləşdirmə və genişlənmədən sonra aşındırma istifadə edilmişdir10,11,17. Lopalar lazımi qalınlıqda filmlər şəklində daha da emal edilməlidir və sıx qrafit təbəqələrinin istehsalı üçün çox vaxt bir neçə gün lazımdır. Başqa bir yanaşma qrafikləşdirilə bilən bərk prekursorlardan başlamaqdır. Sənayedə polimer təbəqələri karbonlaşdırılır (1000-1500 °C-də) və sonra yaxşı strukturlaşdırılmış laylı materiallar yaratmaq üçün qrafitləşdirilir (2800-3200 °C). Bu filmlərin keyfiyyəti yüksək olsa da, enerji sərfiyyatı əhəmiyyətlidir1,18,19 və minimum qalınlıq bir neçə mikron1,18,19,20 ilə məhdudlaşır.
Katalitik kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) yüksək struktur keyfiyyəti və münasib qiymətə malik qrafen və ultranazik qrafit plyonkalarının (<10 nm) istehsalı üçün məşhur üsuldur21,22,23,24,25,26,27. Bununla belə, qrafen və ultranazik qrafit plyonkalarının28 böyüməsi ilə müqayisədə, CVD-dən istifadə edərək NGF-nin geniş ərazilərdə böyüməsi və/yaxud tətbiqi daha az öyrənilmişdir11,13,29,30,31,32,33.
CVD-də yetişdirilmiş qrafen və qrafit filmləri tez-tez funksional substratlara köçürülməlidir34. Bu nazik təbəqə köçürmələri iki əsas metodu əhatə edir35: (1) aşındırılmayan köçürmə36,37 və (2) aşındırma əsaslı yaş kimyəvi transfer (substrat dəstəklənir)14,34,38. Hər bir metodun bəzi üstünlükləri və mənfi cəhətləri var və başqa yerdə təsvir olunduğu kimi nəzərdə tutulan tətbiqdən asılı olaraq seçilməlidir35,39. Katalitik substratlarda yetişdirilən qrafen/qrafit filmləri üçün nəm kimyəvi proseslərlə (bunlardan polimetil metakrilat (PMMA) ən çox istifadə edilən dəstək təbəqəsidir) ilk seçim olaraq qalır13,30,34,38,40,41,42. Siz və başqaları. Qeyd olundu ki, NGF ötürülməsi üçün heç bir polimer istifadə olunmayıb (nümunə ölçüsü təqribən 4 sm2)25,43, lakin köçürmə zamanı nümunənin dayanıqlığı və/yaxud rəftarla bağlı heç bir təfərrüat verilməyib; Polimerlərdən istifadə edilən yaş kimya prosesləri bir neçə mərhələdən ibarətdir, o cümlədən qurban polimer təbəqəsinin tətbiqi və sonrakı çıxarılması30,38,40,41,42. Bu prosesin mənfi cəhətləri var: məsələn, polimer qalıqları yetişdirilmiş plyonkanın xassələrini dəyişə bilər38. Əlavə emal qalıq polimeri çıxara bilər, lakin bu əlavə addımlar film istehsalının maya dəyərini və vaxtını artırır38,40. CVD böyüməsi zamanı qrafen təbəqəsi təkcə katalizator folqasının ön tərəfində (buxar axınına baxan tərəf) deyil, həm də arxa tərəfində çökür. Bununla belə, sonuncu tullantı məhsul sayılır və yumşaq plazma ilə tez bir zamanda çıxarıla bilər38,41. Bu filmin təkrar emal edilməsi, hətta üz karbon filmindən daha aşağı keyfiyyətli olsa belə, məhsuldarlığı artırmağa kömək edə bilər.
Burada CVD tərəfindən polikristal nikel folqa üzərində yüksək struktur keyfiyyəti ilə NGF-nin vafli miqyaslı ikiüzlü böyüməsinin hazırlanmasını bildiririk. Folqanın ön və arxa səthinin pürüzlülüyünün NGF-nin morfologiyasına və quruluşuna necə təsir etdiyi qiymətləndirilmişdir. Biz həmçinin NGF-nin nikel folqanın hər iki tərəfindən çoxfunksiyalı substratlara sərfəli və ekoloji cəhətdən təmiz polimersiz ötürülməsini nümayiş etdiririk və ön və arxa plyonkaların müxtəlif tətbiqlər üçün necə uyğun olduğunu göstəririk.
Aşağıdakı bölmələr yığılmış qrafen təbəqələrinin sayından asılı olaraq müxtəlif qrafit film qalınlıqlarını müzakirə edir: (i) tək qatlı qrafen (SLG, 1 qat), (ii) bir neçə qatlı qrafen (FLG, < 10 qat), (iii) çox qatlı qrafen ( MLG, 10-30 qat) və (iv) NGF (~300 qat). Sonuncu sahənin faizi kimi ifadə edilən ən ümumi qalınlıqdır (100 µm2-ə təxminən 97% sahə)30. Buna görə də bütün film sadəcə olaraq NGF adlanır.
Qrafen və qrafit plyonkalarının sintezi üçün istifadə edilən polikristal nikel folqaları onların istehsalı və sonrakı emal nəticəsində müxtəlif teksturalara malikdir. Bu yaxınlarda NGF30-un böyümə prosesini optimallaşdırmaq üçün bir araşdırma haqqında məlumat verdik. Biz göstəririk ki, böyümə mərhələsində yumşalma vaxtı və kamera təzyiqi kimi proses parametrləri vahid qalınlıqda NGF-lərin əldə edilməsində mühüm rol oynayır. Burada nikel folqanın cilalanmış ön (FS) və cilalanmamış arxa (BS) səthlərində NGF-nin böyüməsini daha da araşdırdıq (Şəkil 1a). Cədvəl 1-də sadalanan üç növ FS və BS nümunələri tədqiq edilmişdir. Vizual yoxlamadan sonra nikel folqanın (NiAG) hər iki tərəfində NGF-nin vahid artımı xarakterik metal gümüşdən toplu Ni substratının rənginin dəyişməsi ilə görünə bilər. bozdan tutqun boz rəngə qədər (şəkil 1a); mikroskopik ölçülər təsdiq edilmişdir (şək. 1b, c). Parlaq bölgədə müşahidə edilən və Şəkil 1b-də qırmızı, mavi və narıncı oxlarla göstərilən FS-NGF-nin tipik Raman spektri Şəkil 1c-də göstərilmişdir. Qrafit G (1683 sm−1) və 2D (2696 sm−1) üçün xarakterik Raman zirvələri yüksək kristallıq NGF-nin artımını təsdiqləyir (Şəkil 1c, Cədvəl SI1). Film boyu intensivlik nisbəti (I2D/IG) ~0,3 olan Raman spektrlərinin üstünlük təşkil etdiyi halda, I2D/IG = 0,8 olan Raman spektrləri nadir hallarda müşahidə olunurdu. Bütün filmdə qüsurlu piklərin (D = 1350 sm-1) olmaması NGF artımının yüksək keyfiyyətini göstərir. Oxşar Raman nəticələri BS-NGF nümunəsində əldə edilmişdir (Şəkil SI1 a və b, Cədvəl SI1).
NiAG FS- və BS-NGF-nin müqayisəsi: (a) vafli miqyasda (55 sm2) NGF artımını göstərən tipik NGF (NiAG) nümunəsinin fotoşəkili və nəticədə BS- və FS-Ni folqa nümunələri, (b) FS-NGF Optik mikroskopla əldə edilən şəkillər/ Ni, (c) b panelində müxtəlif mövqelərdə qeydə alınmış tipik Raman spektrləri, (d, f) FS-NGF/Ni üzərində müxtəlif böyütmələrdə SEM şəkilləri, (e, g) müxtəlif böyütmələrdə SEM şəkilləri BS -NGF/Ni təyin edir. Mavi ox FLG bölgəsini, narıncı ox MLG bölgəsini (FLG bölgəsinin yaxınlığında), qırmızı ox NGF bölgəsini, qırmızı ox isə qatı göstərir.
Artım ilkin substratın qalınlığından, kristal ölçüsündən, oriyentasiyasından və taxıl sərhədlərindən asılı olduğundan, böyük ərazilərdə NGF qalınlığına ağlabatan nəzarətə nail olmaq problem olaraq qalır20,34,44. Bu araşdırmada əvvəllər dərc etdiyimiz məzmundan istifadə edilib30. Bu proses 100 µm230 üçün 0,1-3% parlaq bölgə yaradır. Növbəti bölmələrdə biz hər iki region növü üçün nəticələri təqdim edirik. Yüksək böyüdücü SEM şəkilləri hər iki tərəfdə bir neçə parlaq kontrast sahələrinin mövcudluğunu göstərir (Şəkil 1f,g), bu da FLG və MLG bölgələrinin mövcudluğunu göstərir30,45. Bu, həmçinin Raman səpilməsi (Şəkil 1c) və TEM nəticələri (sonra “FS-NGF: struktur və xassələr” bölməsində müzakirə olunacaq) ilə də təsdiq edilmişdir. FS- və BS-NGF/Ni nümunələrində müşahidə edilən FLG və MLG bölgələri (Ni üzərində yetişdirilmiş ön və arxa NGF) əvvəlcədən tavlama zamanı əmələ gələn iri Ni(111) taxıllarında böyümüş ola bilər22,30,45. Hər iki tərəfdən bükülmə müşahidə edildi (şəkil 1b, bənövşəyi oxlarla işarələnmiş). Qrafit və nikel substratı arasında istilik genişlənmə əmsalında böyük fərqə görə bu qıvrımlara tez-tez CVD-də yetişdirilmiş qrafen və qrafit filmlərində rast gəlinir30,38.
AFM şəkli FS-NGF nümunəsinin BS-NGF nümunəsindən daha düz olduğunu təsdiqlədi (Şəkil SI1) (Şəkil SI2). FS-NGF/Ni (Şəkil SI2c) və BS-NGF/Ni (Şəkil SI2d) kök orta kvadrat (RMS) pürüzlülük dəyərləri müvafiq olaraq 82 və 200 nm-dir (20 × sahədə ölçülür) 20 μm2). Daha yüksək pürüzlülük nikel (NiAR) folqasının qəbul edilmiş vəziyyətdə səthinin təhlili əsasında başa düşülə bilər (Şəkil SI3). FS və BS-NiAR-ın SEM təsvirləri müxtəlif səth morfologiyalarını nümayiş etdirən SI3a-d Şəkillərində göstərilmişdir: cilalanmış FS-Ni folqa nano və mikron ölçülü sferik hissəciklərə malikdir, cilalanmamış BS-Ni folqa isə istehsal nərdivanını nümayiş etdirir. yüksək möhkəmliyə malik hissəciklər kimi. və azalma. Tavlanmış nikel folqa (NiA) aşağı və yüksək ayırdetmə təsvirləri Şəkil SI3e-h-də göstərilmişdir. Bu rəqəmlərdə nikel folqasının hər iki tərəfində bir neçə mikron ölçülü nikel hissəciklərinin mövcudluğunu müşahidə edə bilərik (Şəkil SI3e–h). İri taxıllar əvvəllər bildirildiyi kimi Ni(111) səth oriyentasiyasına malik ola bilər30,46. FS-NiA və BS-NiA arasında nikel folqa morfologiyasında əhəmiyyətli fərqlər var. BS-NGF/Ni-nin daha yüksək pürüzlülüyü BS-NiAR-ın cilalanmamış səthi ilə bağlıdır, səthi hətta yumşaldıldıqdan sonra da əhəmiyyətli dərəcədə kobud qalır (Şəkil SI3). Böyümə prosesindən əvvəl səthin bu tip xarakteristikası qrafen və qrafit filmlərinin pürüzlülüyünü idarə etməyə imkan verir. Qeyd etmək lazımdır ki, orijinal substrat qrafenin böyüməsi zamanı bəzi taxıl reorqanizasiyasına məruz qalmışdır ki, bu da tavlanmış folqa və katalizator filmi ilə müqayisədə taxıl ölçüsünü bir qədər azaldıb və substratın səthi pürüzlülüyünü bir qədər artırıb22.
Substratın səthi pürüzlülüyünün, yumşalma vaxtının (dənənin ölçüsü)30,47 və buraxılışa nəzarətin43 dəqiq tənzimlənməsi regional NGF qalınlığının vahidliyini µm2 və/və ya hətta nm2 miqyasına (yəni, bir neçə nanometr qalınlığın dəyişməsi) azaltmağa kömək edəcək. Substratın səthinin pürüzlülüyünə nəzarət etmək üçün nəticədə yaranan nikel folqanın elektrolitik cilalanması kimi üsullar nəzərdən keçirilə bilər48. Əvvəlcədən işlənmiş nikel folqa daha sonra daha aşağı temperaturda (< 900 °C) 46 və vaxtda (<5 dəq) tavlana bilər ki, böyük Ni(111) dənəciklərinin əmələ gəlməsinin qarşısını alır (bu, FLG böyüməsi üçün faydalıdır).
SLG və FLG qrafen turşuların və suyun səthi gərginliyinə tab gətirə bilmir, yaş kimyəvi ötürmə prosesləri zamanı mexaniki dəstək təbəqələri tələb edir22,34,38. Polimerlə dəstəklənən bir qatlı qrafenin yaş kimyəvi transferindən fərqli olaraq38, Şəkil 2a-da göstərildiyi kimi böyüyən NGF-nin hər iki tərəfinin polimer dəstəyi olmadan köçürülə biləcəyini gördük (daha ətraflı məlumat üçün Şəkil SI4a-a baxın). NGF-nin müəyyən bir substrata köçürülməsi əsas Ni30.49 filminin yaş aşındırılması ilə başlayır. Yetişmiş NGF/Ni/NGF nümunələri gecə ərzində 600 mL deionlaşdırılmış (DI) su ilə seyreltilmiş 15 mL 70% HNO3-də yerləşdirildi. Ni folqa tamamilə həll edildikdən sonra FS-NGF düz qalır və NGF/Ni/NGF nümunəsi kimi mayenin səthində üzür, BS-NGF isə suya batırılır (şək. 2a,b). Daha sonra təcrid olunmuş NGF tərkibində təzə deionlaşdırılmış su olan bir stəkanda başqa bir stəkana köçürüldü və təcrid olunmuş NGF hərtərəfli yuyularaq içbükey şüşə qabda dörd-altı dəfə təkrarlandı. Nəhayət, FS-NGF və BS-NGF istənilən substrata yerləşdirildi (Şəkil 2c).
Nikel folqa üzərində yetişdirilən NGF üçün polimersiz nəm kimyəvi transfer prosesi: (a) Proses axını diaqramı (ətraflı məlumat üçün Şəkil SI4-ə baxın), (b) Ni ilə aşındırmadan sonra ayrılmış NGF-nin rəqəmsal fotoşəkili (2 nümunə), (c) Nümunə FS – və BS-NGF-nin SiO2/Si substratına ötürülməsi, (d) FS-NGF-nin qeyri-şəffaf polimer substratına ötürülməsi, (e) BS-NGF d paneli ilə eyni nümunədən (iki hissəyə bölünür), qızıl örtüklü C kağızına köçürülür və Nafion (çevik şəffaf substrat, qırmızı künclərlə işarələnmiş kənarlar).
Nəzərə alın ki, yaş kimyəvi ötürmə üsulları ilə həyata keçirilən SLG transferi 20-24 saat ümumi emal vaxtını tələb edir 38 . Burada nümayiş etdirilən polimersiz ötürmə texnikası ilə (Şəkil SI4a), ümumi NGF ötürmə emal müddəti əhəmiyyətli dərəcədə azalır (təxminən 15 saat). Proses aşağıdakılardan ibarətdir: (Addım 1) Aşınma məhlulu hazırlayın və nümunəni onun içinə qoyun (~10 dəqiqə), sonra Ni-etching üçün gecəni gözləyin (~7200 dəqiqə), (Addım 2) Deionlaşdırılmış su ilə yuyun (Addım – 3) . deionlaşdırılmış suda saxlayın və ya hədəf substrata köçürün (20 dəq). NGF və toplu matris arasında qalan su kapilyar hərəkətlə çıxarılır (təmizləmə kağızından istifadə etməklə)38, sonra qalan su damlaları təbii qurutma yolu ilə çıxarılır (təxminən 30 dəqiqə) və nəhayət, nümunə 10 dəqiqə qurudulur. dəq vakuum sobasında (10-1 mbar) 50-90 °C (60 dəq) 38.
Qrafitin kifayət qədər yüksək temperaturda (≥ 200 °C) su və havanın mövcudluğuna tab gətirdiyi məlumdur50,51,52. Nümunələri otaq temperaturunda deionlaşdırılmış suda və möhürlənmiş şüşələrdə bir neçə gündən bir ilə qədər istənilən yerdə saxladıqdan sonra Raman spektroskopiyası, SEM və XRD istifadə edərək sınaqdan keçirdik (Şəkil SI4). Heç bir nəzərə çarpan deqradasiya yoxdur. Şəkil 2c deionlaşdırılmış suda sərbəst dayanan FS-NGF və BS-NGF-ni göstərir. Biz onları Şəkil 2c-nin əvvəlində göstərildiyi kimi SiO2 (300 nm)/Si substratda tutduq. Əlavə olaraq, Şəkil 2d,e-də göstərildiyi kimi, davamlı NGF polimerlər (Nexolve və Nafion-dan Thermabright poliamid) və qızılla örtülmüş karbon kağızı kimi müxtəlif substratlara ötürülə bilər. Üzən FS-NGF asanlıqla hədəf substrata yerləşdirildi (Şəkil 2c, d). Bununla belə, 3 sm2-dən böyük BS-NGF nümunələri tamamilə suya batırıldıqda onları idarə etmək çətin idi. Adətən, onlar suda yuvarlanmağa başlayanda, ehtiyatsız davrandıqları üçün bəzən iki və ya üç hissəyə parçalanırlar (şəkil 2e). Ümumilikdə, biz müvafiq olaraq 6 və 3 sm2 sahədə nümunələr üçün PS- və BS-NGF-nin (6 sm2-də NGF/Ni/NGF artımı olmadan davamlı kəsişməsiz köçürmə) polimersiz ötürülməsinə nail ola bildik. İstənilən substratda (~1 mm2, Şəkil SI4b, "FS-NGF: Struktur və Xüsusiyyətlər (müzakirə olunur)" bölməsindəki kimi mis şəbəkəyə köçürülmüş nümunəyə baxın (bax: Şəkil SI4b, bax). "Struktur və Xüsusiyyətlər" altında) və ya gələcək istifadə üçün saxla (Şəkil SI4). Bu meyara əsasən, NGF-nin 98-99%-ə qədər (transfer üçün artımdan sonra) məhsuldarlıqla bərpa oluna biləcəyini təxmin edirik.
Polimersiz köçürmə nümunələri ətraflı təhlil edilmişdir. FS- və BS-NGF/SiO2/Si (Şəkil 2c) üzərində optik mikroskopiya (OM) və SEM təsvirlərindən (Şəkil SI5 və Şəkil 3) istifadə etməklə əldə edilmiş səth morfoloji xüsusiyyətləri bu nümunələrin mikroskopsuz köçürüldüyünü göstərdi. Çatlar, deşiklər və ya açılmamış sahələr kimi görünən struktur zədələri. Böyüməkdə olan NGF-dəki qıvrımlar (şəkil 3b, d, bənövşəyi oxlarla işarələnmiş) köçürmədən sonra toxunulmaz qaldı. Həm FS-, həm də BS-NGF-lər FLG bölgələrindən ibarətdir (Şəkil 3-də mavi oxlarla göstərilən parlaq bölgələr). Təəccüblüdür ki, ultranazik qrafit filmlərin polimer köçürülməsi zamanı adətən müşahidə edilən bir neçə zədələnmiş bölgədən fərqli olaraq, NGF-yə qoşulan bir neçə mikron ölçülü FLG və MLG bölgələri (Şəkil 3d-də mavi oxlarla işarələnmiş) çatlar və ya qırılmalar olmadan köçürüldü (Şəkil 3d) . 3). . Daha sonra müzakirə edildiyi kimi, krujeva-karbon mis torlarına köçürülmüş NGF-nin TEM və SEM şəkillərindən istifadə etməklə mexaniki bütövlük daha da təsdiq edilmişdir (“FS-NGF: Struktur və Xüsusiyyətlər”). Köçürülən BS-NGF/SiO2/Si, Şəkil SI6a və b-də göstərildiyi kimi (20 × 20 μm2) müvafiq olaraq 140 nm və 17 nm rms dəyərləri ilə FS-NGF/SiO2/Si-dən daha kobuddur. SiO2/Si substratına (RMS < 2 nm) ötürülən NGF-nin RMS dəyəri Ni-də yetişdirilən NGF-dən əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır (təxminən 3 dəfə) (Şəkil SI2), əlavə pürüzlülüyün Ni səthinə uyğun ola biləcəyini göstərir. Bundan əlavə, FS- və BS-NGF/SiO2/Si nümunələrinin kənarlarında həyata keçirilən AFM şəkilləri müvafiq olaraq 100 və 80 nm NGF qalınlığını göstərdi (Şəkil SI7). BS-NGF-nin daha kiçik qalınlığı səthin birbaşa prekursor qazına məruz qalmamasının nəticəsi ola bilər.
SiO2/Si vafli üzərində polimersiz köçürülmüş NGF (NiAG) (bax Şəkil 2c): (a,b) köçürülmüş FS-NGF-nin SEM təsvirləri: aşağı və yüksək böyütmə (paneldəki narıncı kvadrata uyğundur). Tipik sahələr) – a). (c, d) Köçürülmüş BS-NGF-nin SEM şəkilləri: aşağı və yüksək böyütmə (c panelində narıncı kvadratla göstərilən tipik sahəyə uyğundur). (e, f) Köçürülmüş FS- və BS-NGF-lərin AFM şəkilləri. Mavi ox FLG bölgəsini təmsil edir – parlaq kontrastı, mavi ox – qara MLG kontrastını, qırmızı ox – qara kontrast NGF bölgəsini, qırmızı ox isə qatı təmsil edir.
Yetişdirilmiş və köçürülmüş FS- və BS-NGF-lərin kimyəvi tərkibi rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) ilə təhlil edilmişdir (şək. 4). Yetişmiş FS- və BS-NGF-lərin (NiAG) Ni substratına (850 eV) uyğun gələn ölçülmüş spektrlərdə (Şəkil 4a, b) zəif pik müşahidə edildi. Köçürülən FS- və BS-NGF/SiO2/Si-nin ölçülmüş spektrlərində heç bir zirvə yoxdur (Şəkil 4c; BS-NGF/SiO2/Si üçün oxşar nəticələr göstərilmir), bu da köçürmədən sonra qalıq Ni çirklənməsinin olmadığını göstərir. . Şəkil 4d–f FS-NGF/SiO2/Si-nin C 1 s, O 1 s və Si 2p enerji səviyyələrinin yüksək ayırdetmə spektrlərini göstərir. Qrafitin C 1 s-nin bağlanma enerjisi 284,4 eV53,54-dir. Şəkil 4d54-də göstərildiyi kimi, qrafit zirvələrinin xətti forması ümumiyyətlə asimmetrik hesab olunur. Yüksək ayırdetmə qabiliyyətinə malik əsas səviyyəli C 1 s spektri (şəkil 4d) həmçinin əvvəlki tədqiqatlara uyğun gələn təmiz transferi (yəni, polimer qalıqlarının olmadığını) təsdiqlədi38. Təzə yetişdirilmiş nümunənin (NiAG) və köçürüldükdən sonra C 1 s spektrlərinin xətt genişlikləri müvafiq olaraq 0,55 və 0,62 eV-dir. Bu dəyərlər SLG-dən daha yüksəkdir (SiO2 substratında SLG üçün 0,49 eV)38. Bununla belə, bu dəyərlər yüksək yönümlü pirolitik qrafen nümunələri (~0.75 eV) 53,54,55 üçün əvvəllər bildirilmiş xətt genişliklərindən daha kiçikdir, bu da cari materialda qüsurlu karbon sahələrinin olmadığını göstərir. C 1 s və O 1 s yer səviyyəli spektrlərində də çiyinlər yoxdur, bu da yüksək ayırdetməli pik dekonvolution54 ehtiyacını aradan qaldırır. 291,1 eV ətrafında π → π* peyk zirvəsi var ki, bu da qrafit nümunələrində tez-tez müşahidə olunur. Si 2p və O 1 s əsas səviyyə spektrlərindəki 103 eV və 532.5 eV siqnalları (bax. Şəkil 4e, f) müvafiq olaraq SiO2 56 substratına aid edilir. XPS səthə həssas bir texnikadır, buna görə də NGF ötürülməsindən əvvəl və sonra müvafiq olaraq aşkar edilən Ni və SiO2-yə uyğun gələn siqnalların FLG bölgəsindən qaynaqlandığı güman edilir. Oxşar nəticələr köçürülmüş BS-NGF nümunələri üçün də müşahidə edilmişdir (göstərilmir).
NiAG XPS nəticələri: (ac) Yetişmiş FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni və ötürülən FS-NGF/SiO2/Si-nin müxtəlif elementar atom tərkiblərinin tədqiqat spektrləri. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si nümunəsinin C 1 s, O 1s və Si 2p əsas səviyyələrinin yüksək ayırdetmə spektrləri.
Köçürülmüş NGF kristallarının ümumi keyfiyyəti X-şüalarının difraksiyasından (XRD) istifadə edilərək qiymətləndirilmişdir. Köçürülən FS- və BS-NGF/SiO2/Si-nin tipik XRD nümunələri (Şəkil SI8) qrafit kimi 26,6° və 54,7°-də difraksiya zirvələrinin (0 0 0 2) və (0 0 0 4) mövcudluğunu göstərir. . Bu, NGF-nin yüksək kristal keyfiyyətini təsdiqləyir və transfer addımından sonra saxlanılan d = 0,335 nm təbəqələrarası məsafəyə uyğundur. Difraksiya zirvəsinin intensivliyi (0 0 0 2) difraksiya pikindən (0 0 0 4) təxminən 30 dəfə çoxdur, bu da NGF kristal müstəvisinin nümunə səthi ilə yaxşı uyğunlaşdığını göstərir.
SEM, Raman spektroskopiyası, XPS və XRD nəticələrinə görə, BS-NGF/Ni keyfiyyətinin FS-NGF/Ni ilə eyni olduğu, baxmayaraq ki, onun rms pürüzlülüyü bir qədər yüksək olduğu aşkar edilmişdir (Şəkillər SI2, SI5) və SI7).
200 nm qalınlığa qədər polimer dayaq təbəqələri olan SLG-lər suda üzə bilər. Bu quraşdırma adətən polimerin köməyi ilə nəm kimyəvi transfer proseslərində istifadə olunur22,38. Qrafen və qrafit hidrofobikdir (yaş bucaq 80–90°) 57 . Həm qrafenin, həm də FLG-nin potensial enerji səthlərinin kifayət qədər düz olduğu, suyun səthdə yanal hərəkəti üçün aşağı potensial enerjiyə (~1 kJ/mol) malik olduğu bildirilmişdir58. Bununla belə, suyun qrafen və üç qatlı qrafen ilə hesablanmış qarşılıqlı təsir enerjiləri müvafiq olaraq təxminən − 13 və − 15 kJ/mol58 təşkil edir, bu da suyun NGF (təxminən 300 qat) ilə qarşılıqlı təsirinin qrafenlə müqayisədə daha aşağı olduğunu göstərir. Bu, müstəqil NGF-nin suyun səthində düz qalmasının, müstəqil qrafenin (suda üzən) qıvrılaraq parçalanmasının səbəblərindən biri ola bilər. NGF tamamilə suya batırıldıqda (nəticələr kobud və düz NGF üçün eynidir), onun kənarları əyilir (Şəkil SI4). Tam daldırma vəziyyətində, NGF-su ilə qarşılıqlı əlaqə enerjisinin demək olar ki, iki dəfə artması (üzən NGF ilə müqayisədə) və NGF-nin kənarlarının yüksək təmas bucağını (hidrofobiklik) saxlamaq üçün qatlanması gözlənilir. Biz inanırıq ki, daxili NGF-lərin kənarlarının bükülməsinin qarşısını almaq üçün strategiyalar hazırlana bilər. Bir yanaşma qrafit plyonkasının islatma reaksiyasını modullaşdırmaq üçün qarışıq həlledicilərdən istifadə etməkdir59.
SLG-nin yaş kimyəvi ötürmə prosesləri vasitəsilə müxtəlif növ substratlara ötürülməsi əvvəllər bildirilmişdir. Ümumiyyətlə qəbul edilir ki, qrafen/qrafit plyonkaları və substratlar (istər SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunları22 və krujevalı karbon filmləri30, 34 və ya çevik substratlar kimi sərt substratlar) arasında zəif van der Waals qüvvələri mövcuddur. polimid 37 kimi). Burada eyni tipli qarşılıqlı əlaqənin üstünlük təşkil etdiyini güman edirik. Mexanik işləmə zamanı (vakuum və/yaxud atmosfer şəraitində və ya saxlama zamanı) burada təqdim olunan substratların heç birində NGF-nin hər hansı zədələnməsini və ya soyulmasını müşahidə etmədik (məsələn, Şəkil 2, SI7 və SI9). Bundan əlavə, biz NGF/SiO2/Si nümunəsinin əsas səviyyəsinin XPS C 1 s spektrində SiC pikini müşahidə etmədik (Şəkil 4). Bu nəticələr göstərir ki, NGF ilə hədəf substrat arasında heç bir kimyəvi əlaqə yoxdur.
Əvvəlki bölmədə, "FS- və BS-NGF-nin polimersiz transferi"ndə NGF-nin nikel folqasının hər iki tərəfində böyüyə və köçürə biləcəyini nümayiş etdirdik. Bu FS-NGF və BS-NGF-lər səth pürüzlülüyü baxımından eyni deyil, bu da bizi hər bir növ üçün ən uyğun tətbiqləri araşdırmağa vadar etdi.
FS-NGF-nin şəffaflığını və daha hamar səthini nəzərə alaraq, onun yerli strukturunu, optik və elektrik xüsusiyyətlərini daha ətraflı öyrəndik. Polimer transferi olmadan FS-NGF-nin strukturu və strukturu ötürücü elektron mikroskopiya (TEM) görüntüləmə və seçilmiş sahə elektron difraksiyasının (SAED) nümunə analizi ilə xarakterizə edilmişdir. Müvafiq nəticələr Şəkil 5-də göstərilmişdir. Aşağı böyüdücü planar TEM təsviri müxtəlif elektron kontrast xüsusiyyətlərinə malik NGF və FLG bölgələrinin, yəni müvafiq olaraq daha qaranlıq və daha parlaq sahələrin mövcudluğunu aşkar etdi (Şəkil 5a). Ümumilikdə film NGF və FLG-nin müxtəlif bölgələri arasında yaxşı mexaniki bütövlük və sabitlik nümayiş etdirir, yaxşı üst-üstə düşür, zədələnmə və ya yırtılma yoxdur ki, bu da SEM (Şəkil 3) və yüksək böyüdücü TEM tədqiqatları (Şəkil 5c-e) ilə təsdiqlənib. Xüsusilə, Şəkildə Şəkil 5d ən böyük hissəsində (Şəkil 5d-də qara nöqtəli ox ilə işarələnmiş mövqe) körpünün strukturunu göstərir, bu üçbucaq forması ilə xarakterizə olunur və eni təxminən 51 olan qrafen təbəqəsindən ibarətdir. Planlararası məsafə 0,33 ± 0,01 nm olan kompozisiya daha dar bölgədə bir neçə qrafen təbəqəsinə qədər azaldılır (Şəkil 5 d-də bərk qara oxun sonu).
Karbon krujevalı mis şəbəkədə polimersiz NiAG nümunəsinin planar TEM şəkli: (a, b) NGF və FLG bölgələri daxil olmaqla aşağı böyüdücü TEM şəkilləri, (ce) Panel-a və panel-b-də müxtəlif bölgələrin yüksək böyüdücü təsvirləri eyni rəngli işarələnmiş oxlar. a və c panellərindəki yaşıl oxlar şüa hizalanması zamanı dairəvi zədələnmiş sahələri göstərir. (f–i) a-c panellərində müxtəlif bölgələrdə SAED nümunələri müvafiq olaraq mavi, mavi, narıncı və qırmızı dairələrlə göstərilir.
Şəkil 5c-dəki lent strukturu (qırmızı ox ilə işarələnmiş) qrafit qəfəs müstəvilərinin şaquli oriyentasiyasını göstərir ki, bu da həddindən artıq kompensasiya olunmamış kəsmə gərginliyi səbəbindən film boyunca nanoqatlamaların əmələ gəlməsi (Şəkil 5c-də yerləşdirilmiş) ilə əlaqədar ola bilər30,61,62 . Yüksək ayırdetmə qabiliyyətinə malik TEM-də bu nanofoldlar 30 NGF bölgəsinin qalan hissəsindən fərqli kristalloqrafik oriyentasiya nümayiş etdirir; qrafit qəfəsinin bazal müstəviləri filmin qalan hissəsi kimi üfüqi deyil, demək olar ki, şaquli istiqamətdə yönəldilmişdir (Şəkil 5c-də daxil edilmişdir). Eynilə, FLG bölgəsi bəzən Şəkil 5b, 5e-də müvafiq olaraq aşağı və orta böyütmədə görünən xətti və dar zolaq kimi qıvrımları (mavi oxlarla işarələnmiş) nümayiş etdirir. Şəkil 5e-dəki əlavə FLG sektorunda iki və üç qatlı qrafen təbəqələrinin mövcudluğunu təsdiqləyir (planlararası məsafə 0,33 ± 0,01 nm), bu bizim əvvəlki nəticələrimizlə yaxşı uyğunlaşır30. Əlavə olaraq, krujevalı karbon filmləri ilə mis şəbəkələrə köçürülmüş polimersiz NGF-nin qeydə alınmış SEM təsvirləri (yuxarı görünüş TEM ölçmələrini yerinə yetirdikdən sonra) Şəkil SI9-da göstərilmişdir. Quyu asılmış FLG bölgəsi (mavi ox ilə işarələnmiş) və Şəkil SI9f-də sınıq bölgə. Mavi ox (köçürülmüş NGF-nin kənarında) FLG bölgəsinin polimer olmadan transfer prosesinə müqavimət göstərə biləcəyini nümayiş etdirmək üçün qəsdən təqdim olunur. Xülasə, bu təsvirlər qismən dayandırılmış NGF-nin (FLG bölgəsi də daxil olmaqla) TEM və SEM ölçmələri zamanı ciddi işləmə və yüksək vakuuma məruz qaldıqdan sonra belə mexaniki bütövlüyünü qoruduğunu təsdiqləyir (Şəkil SI9).
NGF-nin əla düzlüyünə görə (bax Şəkil 5a), SAED strukturunu təhlil etmək üçün lopaları [0001] domen oxu boyunca istiqamətləndirmək çətin deyil. Filmin yerli qalınlığından və yerindən asılı olaraq, elektron difraksiya tədqiqatları üçün bir neçə maraq dairəsi (12 bal) müəyyən edilmişdir. Şəkil 5a-c-də bu tipik bölgələrdən dördü göstərilib və rəngli dairələrlə (mavi, mavi, narıncı və qırmızı kodlu) işarələnib. SAED rejimi üçün Şəkil 2 və 3. Şəkil 5f və g Şəkil 5 və 5-də göstərilən FLG bölgəsindən əldə edilmişdir. Şəkil 5b və c-də göstərildiyi kimi, müvafiq olaraq. Onlar bükülmüş qrafen63 kimi altıbucaqlı quruluşa malikdirlər. Xüsusilə, Şəkil 5f üç cüt (10-10) əksin bucaq uyğunsuzluğu ilə sübut olunduğu kimi, [0001] zona oxunun eyni oriyentasiyası ilə 10° və 20° fırlanan üç üst-üstə qoyulmuş nümunəni göstərir. Eynilə, Şəkil 5g 20° fırlanan iki üst-üstə qoyulmuş altıbucaqlı nümunəni göstərir. FLG bölgəsində iki və ya üç qrup altıbucaqlı nümunələr bir-birinə nisbətən fırlanan üç müstəvidə və ya müstəvidən kənar qrafen təbəqəsindən 33 yarana bilər. Bunun əksinə olaraq, Şəkil 5h,i-dəki elektron difraksiya nümunələri (Şəkil 5a-da göstərilən NGF bölgəsinə uyğundur) daha böyük material qalınlığına uyğun gələn ümumi daha yüksək nöqtə difraksiya intensivliyi ilə vahid [0001] nümunəsini göstərir. Bu SAED modelləri 64-cü indeksdən əldə edildiyi kimi FLG ilə müqayisədə daha qalın qrafit struktura və ara oriyentasiyaya uyğundur. NGF-nin kristal xassələrinin xarakteristikası iki və ya üç üst-üstə qoyulmuş qrafit (və ya qrafen) kristalitinin birgə mövcudluğunu aşkar etdi. FLG bölgəsində xüsusilə diqqəti çəkən məqam kristalitlərin müəyyən dərəcədə müstəvidə və ya təyyarədən kənarda yanlış oriyentasiyaya malik olmasıdır. 17°, 22° və 25° müstəvidə fırlanma bucaqları olan qrafit hissəcikləri/qatları əvvəllər Ni 64 filmlərində yetişdirilən NGF üçün bildirilmişdir. Bu işdə müşahidə edilən fırlanma bucağı dəyərləri burulmuş BLG63 qrafen üçün əvvəllər müşahidə edilən fırlanma bucaqlarına (±1°) uyğundur.
NGF/SiO2/Si-nin elektrik xassələri 10×3 mm2 sahədə 300 K-də ölçüldü. Elektron daşıyıcısının konsentrasiyası, hərəkətliliyi və keçiriciliyi dəyərləri müvafiq olaraq 1,6 × 1020 sm-3, 220 sm2 V-1 C-1 və 2000 S-sm-1 təşkil edir. NGF-nin hərəkətlilik və keçiricilik dəyərləri təbii qrafitə2 oxşardır və kommersiyada mövcud olan yüksək yönümlü pirolitik qrafitdən (3000 °C-də istehsal olunur)29 daha yüksəkdir. Müşahidə olunan elektron daşıyıcı konsentrasiya dəyərləri yüksək temperaturda (3200 °C) poliimid təbəqələrdən istifadə etməklə hazırlanmış mikron qalınlığında qrafit filmlər üçün son bildirilənlərdən (7,25 × 10 sm-3) iki dəfə yüksəkdir.
Biz həmçinin kvars substratlara köçürülmüş FS-NGF üzərində UV-görünən keçiricilik ölçmələrini həyata keçirdik (Şəkil 6). Nəticədə spektr 350-800 nm diapazonunda 62% demək olar ki, sabit keçiriciliyi göstərir ki, bu da NGF-nin görünən işığa şəffaf olduğunu göstərir. Əslində, “KAUST” adını Şəkil 6b-dəki nümunənin rəqəmsal fotoşəkilində görmək olar. NGF-nin nanokristal strukturu SLG-dən fərqli olsa da, qatların sayını əlavə təbəqəyə görə 2,3% ötürmə itkisi qaydasından istifadə etməklə təxmini hesablamaq olar65. Bu əlaqəyə görə, 38% ötürülmə itkisi olan qrafen təbəqələrinin sayı 21-dir. Yetişdirilən NGF əsasən 300 qrafen təbəqəsindən, yəni təxminən 100 nm qalınlığında (şək. 1, SI5 və SI7) ibarətdir. Buna görə də, biz güman edirik ki, müşahidə olunan optik şəffaflıq FLG və MLG bölgələrinə uyğundur, çünki onlar film boyunca paylanır (şək. 1, 3, 5 və 6c). Yuxarıda göstərilən struktur məlumatlarına əlavə olaraq, keçiricilik və şəffaflıq da ötürülən NGF-nin yüksək kristal keyfiyyətini təsdiqləyir.
(a) UV-görünən keçiriciliyin ölçülməsi, (b) nümayəndəsi nümunədən istifadə edərək kvars üzərində tipik NGF ötürülməsi. (c) Nümunə boyu boz təsadüfi formalar kimi qeyd olunmuş bərabər paylanmış FLG və MLG bölgələri ilə NGF (qaranlıq qutu) sxemi (Şəkil 1-ə baxın) (100 μm2 üçün təqribən 0,1-3% sahə). Diaqramdakı təsadüfi formalar və onların ölçüləri yalnız illüstrativ məqsədlər üçündür və faktiki sahələrə uyğun gəlmir.
CVD tərəfindən yetişdirilən şəffaf NGF əvvəllər çılpaq silikon səthlərə köçürülmüş və günəş hüceyrələrində istifadə edilmişdir15,16. Nəticədə gücə çevrilmə səmərəliliyi (PCE) 1,5% təşkil edir. Bu NGF-lər aktiv birləşmə təbəqələri, yük daşıma yolları və şəffaf elektrodlar kimi bir çox funksiyaları yerinə yetirir15,16. Bununla belə, qrafit filmi vahid deyil. Qrafit elektrodunun təbəqə müqavimətinə və optik keçiriciliyinə diqqətlə nəzarət etməklə əlavə optimallaşdırma lazımdır, çünki bu iki xüsusiyyət günəş batareyasının PCE dəyərinin müəyyən edilməsində mühüm rol oynayır15,16. Tipik olaraq, qrafen filmləri görünən işığa qarşı 97,7% şəffafdır, lakin 200-3000 ohm/sq.16 təbəqə müqavimətinə malikdir. Qrafen filmlərinin səth müqavimətini təbəqələrin sayını artırmaq (qrafen təbəqələrinin çoxlu transferi) və HNO3 (~30 Ohm/kv.) ilə dopinq etməklə azaltmaq olar66. Bununla belə, bu proses çox vaxt aparır və müxtəlif transfer təbəqələri həmişə yaxşı əlaqə saxlamır. Bizim ön tərəfdəki NGF keçiricilik 2000 S/sm, film təbəqəsi müqaviməti 50 ohm/sq kimi xüsusiyyətlərə malikdir. və 62% şəffaflıq, onu günəş batareyalarında keçirici kanallar və ya əks elektrodlar üçün əlverişli alternativ edir15,16.
BS-NGF-nin quruluşu və səth kimyası FS-NGF-yə bənzəsə də, onun pürüzlülüyü fərqlidir (“FS- və BS-NGF-nin böyüməsi”). Əvvəllər biz qaz sensoru kimi ultra nazik film qrafitindən22 istifadə edirdik. Buna görə də, biz qazın tədqiqi tapşırıqları üçün BS-NGF-dən istifadənin mümkünlüyünü sınaqdan keçirdik (Şəkil SI10). Əvvəlcə BS-NGF-nin mm2 ölçülü hissələri interdigitating elektrod sensor çipinə köçürüldü (Şəkil SI10a-c). Çipin istehsal detalları daha əvvəl bildirilmişdi; onun aktiv həssas sahəsi 9 mm267-dir. SEM görüntülərində (Şəkil SI10b və c), altındakı qızıl elektrod NGF vasitəsilə aydın görünür. Yenə də bütün nümunələr üçün vahid çip əhatəsinə nail olunduğunu görmək olar. Müxtəlif qazların qaz sensoru ölçmələri qeydə alınmışdır (Şəkil SI10d) (Şəkil SI11) və nəticədə cavab dərəcələri Şek. SI10g. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) və NH3 (200 ppm) daxil olmaqla, digər müdaxilə edən qazlarla ola bilər. Mümkün səbəblərdən biri NO2-dir. qazın elektrofil təbiəti22,68. Qrafenin səthində adsorbsiya edildikdə, sistem tərəfindən elektronların cari udulmasını azaldır. BS-NGF sensorunun cavab müddəti məlumatlarının əvvəllər dərc edilmiş sensorlarla müqayisəsi Cədvəl SI2-də təqdim olunur. UV plazma, O3 plazma və ya məruz qalmış nümunələrin termal (50-150°C) müalicəsindən istifadə edərək NGF sensorlarının yenidən aktivləşdirilməsi mexanizmi davam edir, ideal olaraq quraşdırılmış sistemlərin tətbiqi69.
CVD prosesi zamanı qrafen artımı katalizator substratının hər iki tərəfində baş verir41. Bununla belə, BS-qrafen adətən ötürmə prosesi zamanı atılır41. Bu işdə biz katalizator dəstəyinin hər iki tərəfində yüksək keyfiyyətli NGF artımının və polimersiz NGF transferinin əldə oluna biləcəyini nümayiş etdiririk. BS-NGF, FS-NGF-dən (~100 nm) daha nazikdir (~80 nm) və bu fərq BS-Ni-nin prekursor qaz axınına birbaşa məruz qalmaması ilə izah olunur. NiAR substratının pürüzlülüyünün NGF-nin kobudluğuna təsir etdiyini də tapdıq. Bu nəticələr göstərir ki, böyüdülmüş planar FS-NGF qrafen üçün prekursor material kimi (eksfoliasiya üsulu ilə70) və ya günəş hüceyrələrində keçirici kanal kimi istifadə edilə bilər15,16. Bunun əksinə olaraq, BS-NGF qazın aşkarlanması üçün istifadə olunacaq (Şəkil SI9) və ola bilsin ki, enerji saxlama sistemləri71,72 onun səthi pürüzlülüyünün faydalı olacağı yerlərdə.
Yuxarıdakıları nəzərə alaraq, cari işi CVD tərəfindən yetişdirilmiş və nikel folqa istifadə edərək əvvəllər nəşr edilmiş qrafit filmləri ilə birləşdirmək faydalıdır. Cədvəl 2-dən göründüyü kimi, istifadə etdiyimiz daha yüksək təzyiqlər hətta nisbətən aşağı temperaturlarda (850-1300 °C aralığında) reaksiya müddətini (böyümə mərhələsi) qısaltdı. Biz həm də həmişəkindən daha çox artım əldə etdik, bu, genişlənmə potensialını göstərir. Nəzərə alınacaq başqa amillər də var ki, onlardan bəzilərini cədvələ daxil etdik.
İkitərəfli yüksək keyfiyyətli NGF katalitik CVD ilə nikel folqa üzərində yetişdirildi. Ənənəvi polimer substratları (məsələn, CVD qrafenində istifadə olunanlar kimi) aradan qaldırmaqla, biz NGF-nin (nikel folqanın arxa və ön tərəflərində yetişdirilən) müxtəlif proses üçün kritik substratlara təmiz və qüsursuz yaş transferinə nail oluruq. Xüsusilə, NGF tərkibinə struktur olaraq daha qalın filmə yaxşı inteqrasiya olunmuş FLG və MLG bölgələri (adətən 100 µm2 üçün 0,1% - 3%) daxildir. Planar TEM göstərir ki, bu bölgələr iki-üç qrafit/qrafen hissəciklərindən (müvafiq olaraq kristallar və ya təbəqələr) ibarət yığınlardan ibarətdir, bəzilərinin fırlanma uyğunsuzluğu 10-20°dir. FLG və MLG bölgələri FS-NGF-nin görünən işığa şəffaflığından məsuldur. Arxa təbəqələrə gəldikdə, onlar ön təbəqələrə paralel aparıla bilər və göstərildiyi kimi, funksional təyinatlı ola bilər (məsələn, qazın aşkarlanması üçün). Bu tədqiqatlar sənaye miqyasında CVD proseslərində tullantıların və xərclərin azaldılması üçün çox faydalıdır.
Ümumiyyətlə, CVD NGF-nin orta qalınlığı (aşağı və çox qatlı) qrafen və sənaye (mikrometr) qrafit təbəqələri arasındadır. Onların maraqlı xassələrinin çeşidi onların istehsalı və daşınması üçün işləyib hazırladığımız sadə üsulla birləşərək, bu filmləri hazırda istifadə olunan enerji tutumlu sənaye istehsal prosesləri hesabına qrafitin funksional reaksiyasını tələb edən tətbiqlər üçün xüsusilə uyğun edir.
Ticarət CVD reaktorunda (Aixtron 4 düymlük BMPro) 25 μm qalınlığında nikel folqa (99,5% təmizlik, Goodfellow) quraşdırılmışdır. Sistem arqonla təmizlənmiş və 10-3 mbar baza təzyiqinə qədər boşaldılmışdır. Sonra nikel folqa qoyuldu. Ar/H2-də (Ni folqasının 5 dəqiqə əvvəlcədən tavlanmasından sonra folqa 900 °C-də 500 mbar təzyiqə məruz qaldı. NGF 5 dəqiqə ərzində CH4/H2 (hər biri 100 sm3) axınında yerləşdirildi. Nümunə daha sonra 40 °C/dəq-də Ar axını (4000 sm3) istifadə edərək 700 °C-dən aşağı temperatura qədər soyudulmuşdur.
Nümunənin səthi morfologiyası Zeiss Merlin mikroskopundan (1 kV, 50 pA) istifadə edərək SEM vasitəsilə görüntülənib. Nümunə səthinin pürüzlülüyü və NGF qalınlığı AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) istifadə edərək ölçüldü. TEM və SAED ölçmələri yekun nəticələri əldə etmək üçün yüksək parlaqlıqlı sahə emissiya silahı (300 kV), FEI Wien tipli monoxromator və CEOS obyektiv sferik aberasiya korrektoru ilə təchiz edilmiş FEI Titan 80–300 Cubed mikroskopundan istifadə edərək həyata keçirilmişdir. məkan ayırdetmə qabiliyyəti 0,09 nm. NGF nümunələri düz TEM təsviri və SAED struktur analizi üçün karbon krujeva ilə örtülmüş mis şəbəkələrə köçürüldü. Beləliklə, nümunə floklarının əksəriyyəti dəstəkləyici membranın məsamələrində dayandırılır. Köçürülmüş NGF nümunələri XRD ilə təhlil edilmişdir. Rentgen şüalarının difraksiya nümunələri şüa ləkəsinin diametri 3 mm olan Cu şüalanma mənbəyindən istifadə etməklə, toz difraktometrindən (Brucker, Cu Kα mənbəyi ilə D2 faza dəyişdiricisi, 1.5418 Å və LYNXEYE detektoru) istifadə etməklə əldə edilmişdir.
İnteqrativ konfokal mikroskopdan (Alpha 300 RA, WITeC) istifadə edərək bir neçə Raman nöqtəsi ölçmələri qeydə alınıb. Termal təsirlərdən qaçınmaq üçün aşağı həyəcan gücünə (25%) malik 532 nm lazer istifadə edilmişdir. X-ray fotoelektron spektroskopiyası (XPS) Kratos Axis Ultra spektrometrində 150 ​​Vt gücdə monoxromatik Al Ka ​​radiasiyasından (hν = 1486,6 eV) istifadə edərək 300 × 700 μm2 nümunə sahəsi üzərində aparıldı. Rezolyutsiya spektrləri əldə edildi ötürmə enerjiləri müvafiq olaraq 160 eV və 20 eV. SiO2 üzərinə köçürülmüş NGF nümunələri 30 Vt gücündə PLS6MW (1.06 μm) iterbium lif lazerindən istifadə etməklə parçalara (hər biri 3 × 10 mm2) kəsilmişdir. Mis məftil kontaktları (50 μm qalınlığında) optik mikroskop altında gümüş pastadan istifadə etməklə hazırlanmışdır. Fiziki xassələri ölçmə sistemində (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ABŞ) 300 K və ± 9 Tesla maqnit sahəsi dəyişməsi ilə bu nümunələr üzərində elektrik nəqliyyatı və Hall effekti təcrübələri aparılmışdır. Köçürülən UV-vis spektrləri kvars substratlarına və kvars istinad nümunələrinə köçürülmüş 350-800 nm NGF diapazonunda Lambda 950 UV-vis spektrofotometrindən istifadə etməklə qeydə alınmışdır.
Kimyəvi müqavimət sensoru (interdigitated elektrod çipi) xüsusi çap edilmiş dövrə lövhəsinə 73 kabellə bağlandı və müqavimət müvəqqəti olaraq çıxarıldı. Cihazın yerləşdiyi çaplı dövrə lövhəsi kontakt terminallarına qoşulmuşdur və qaz sensoru kamerasının içərisinə yerləşdirilir 74. Müqavimət ölçmələri 1 V gərginlikdə təmizlənmədən qazın təsirinə qədər davamlı skanerlə aparıldı və sonra yenidən təmizləndi. Kamera əvvəlcə rütubət də daxil olmaqla kamerada mövcud olan bütün digər analitlərin çıxarılmasını təmin etmək üçün 1 saat ərzində 200 sm3 azotla təmizlənərək təmizləndi. Sonra ayrı-ayrı analitlər N2 silindrini bağlayaraq yavaş-yavaş eyni 200 sm3 axın sürətində kameraya buraxıldı.
Bu məqalənin yenidən işlənmiş versiyası dərc edilmişdir və məqalənin yuxarısındakı keçid vasitəsilə əldə edilə bilər.
Inagaki, M. və Kang, F. Carbon Material Science and Engineering: Fundamentals. İkinci nəşr redaktə edilmişdir. 2014. 542.
Pearson, HO Karbon, Qrafit, Almaz və Fullerenlər Kitabı: Xüsusiyyətlər, Emal və Tətbiqlər. Birinci nəşr redaktə olunub. 1994, Nyu Cersi.
Tsai, W. və başqaları. Şəffaf nazik keçirici elektrodlar kimi geniş sahəli çoxqatlı qrafen/qrafit filmləri. tətbiq. fizika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Qrafen və nanostrukturlu karbon materiallarının istilik xassələri. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW və Cahill DG Ni (111) üzərində aşağı temperaturda kimyəvi buxar çökdürülməsi ilə yetişdirilmiş qrafit filmlərinin istilik keçiriciliyi. zərf. Matt. İnterfeys 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kimyəvi buxar çöküntüsü ilə qrafen filmlərinin davamlı böyüməsi. tətbiq. fizika. Wright. 98(13), 133106(2011).


Göndərmə vaxtı: 23 avqust 2024-cü il