Ташаккур ба шумо барои боздид аз Nature.com. Версияи браузере, ки шумо истифода мебаред, дастгирии маҳдуди CSS дорад. Барои натиҷаҳои беҳтарин, мо тавсия медиҳем, ки версияи навтари браузери худро истифода баред (ё Ҳолати мутобиқатро дар Internet Explorer ғайрифаъол кунед). Дар ҳамин ҳол, барои таъмини дастгирии доимӣ, мо сайтро бе услуб ё JavaScript намоиш медиҳем.
Плёнкаҳои графитӣ (NGFs) наноматериалҳои мустаҳкам мебошанд, ки онҳоро тавассути гузоштани буғи химиявии каталитикӣ истеҳсол кардан мумкин аст, аммо саволҳо дар бораи осонии интиқоли онҳо ва чӣ гуна морфологияи рӯизаминӣ ба истифодаи онҳо дар дастгоҳҳои насли оянда таъсир мерасонад, боқӣ мемонад. Дар ин ҷо мо дар бораи афзоиши NGF дар ҳар ду тарафи фолгаи никелли поликристаллӣ (масоҳаташ 55 см2, ғафсӣ тақрибан 100 нм) ва интиқоли бе полимерии он (пеш ва пас, майдони то 6 см2) гузориш медиҳем. Аз сабаби морфологияи фолгаи катализатор, ду плёнкаи карбон бо хосиятҳои физикии худ ва дигар хусусиятҳо (масалан, ноҳамвории сатҳ) фарқ мекунанд. Мо нишон медиҳем, ки NGF-ҳои қафои ноҳамвортар барои муайян кардани NO2 мувофиқанд, дар ҳоле ки NGF-ҳои ҳамвортар ва гузаронанда дар паҳлӯи пеш (2000 С/см, муқовимати варақ – 50 Ом/м2) метавонанд ноқилҳои қобили ҳаёт бошанд. канал ё электроди батареяи офтобӣ (зеро он 62% нури намоёнро интиқол медиҳад). Дар маҷмӯъ, равандҳои афзоиш ва интиқоли тавсифшуда метавонанд барои амалӣ кардани NGF ҳамчун маводи алтернативии карбон барои барномаҳои технологӣ, ки филмҳои графин ва графитҳои ғафси микрон мувофиқ нестанд, кӯмак кунанд.
Графит маводи саноатӣ ба таври васеъ истифода мешавад. Қобили зикр аст, ки графит дорои хосиятҳои зичии массаи нисбатан кам ва гузарониши гармидиҳӣ ва электрикии дар ҳамворӣ баланд буда, дар муҳити сахти гармӣ ва кимиёвӣ хеле устувор аст1,2. Графити флейк маводи ибтидоӣ барои таҳқиқоти графен мебошад3. Ҳангоми коркард ба плёнкаҳои борик, он метавонад дар доираи васеи барномаҳо, аз ҷумла гармкунакҳо барои дастгоҳҳои электронӣ ба монанди смартфонҳо4,5,6,7, ҳамчун маводи фаъол дар сенсорҳо8,9,10 ва барои муҳофизати дахолати электромагнитӣ11 истифода шавад. 12 ва филмҳо барои литография дар ултрабунафш шадид13,14, каналҳо дар ҳуҷайраҳои офтобӣ15,16. Барои ҳамаи ин барномаҳо, он як бартарии назаррас хоҳад буд, агар минтақаҳои калони плёнкаҳои графитӣ (NGFs) бо ғафсӣ дар наномикёси <100 нм идорашаванда ба осонӣ истеҳсол ва интиқол дода шаванд.
Плёнкаҳои графитӣ бо усулҳои гуногун истеҳсол карда мешаванд. Дар як ҳолат, барои ба даст овардани донаҳои графен 10,11,17 ҷойгиркунӣ ва васеъкунӣ ва пас аз эксфолиатсия истифода мешуд. Зарфҳо бояд минбаъд ба плёнкаҳои ғафсии лозима коркард карда шаванд ва барои тавлиди варақаҳои зиччи графитӣ аксар вақт чанд рӯз лозим мешавад. Равиши дигар ин оғоз кардан бо прекурсорҳои сахти графикӣ мебошад. Дар саноат варақаҳои полимерҳо карбонизатсия карда мешаванд (дар 1000–1500 °C) ва сипас графитизатсия (дар 2800–3200 °C) барои ба вуҷуд овардани маводи қабати хуби сохторӣ. Гарчанде ки сифати ин филмҳо баланд аст, сарфи энергия назаррас аст1,18,19 ва ғафсии ҳадди аққал бо чанд микрон1,18,19,20 маҳдуд аст.
Ҷойгиркунии буғи кимиёвии каталитикӣ (CVD) як усули маъруфи истеҳсоли графен ва филмҳои графитҳои ултратункӣ (<10 нм) бо сифати баланди сохторӣ ва арзиши оқилона мебошад21,22,23,24,25,26,27. Бо вуҷуди ин, дар муқоиса бо афзоиши графен ва филмҳои графитҳои ултратуни28, афзоиши майдони васеъ ва/ё татбиқи NGF бо истифода аз CVD ҳатто камтар омӯхта шудааст11,13,29,30,31,32,33.
Плёнкаҳои графен ва графитҳои бо CVD парваришшуда аксар вақт бояд ба субстратҳои функсионалӣ интиқол дода шаванд34. Ин интиқоли филми тунук ду усули асосиро дар бар мегирад35: (1) интиқоли ғайриоддӣ36,37 ва (2) интиқоли кимиёвии тар дар асоси эшт (субстрат дастгирӣ мешавад)14,34,38. Ҳар як усул баъзе афзалиятҳо ва нуқсонҳо дорад ва бояд вобаста ба татбиқи пешбинишуда, тавре ки дар ҷои дигар тавсиф шудааст, интихоб карда шаванд35,39. Барои филмҳои графен/графитӣ, ки дар субстратҳои каталитикӣ парвариш карда мешаванд, интиқол тавассути равандҳои кимиёвии тар (аз онҳо полиметилметакрилат (PMMA) қабати пуштибонии маъмултарин аст) интихоби аввал боқӣ мемонад13,30,34,38,40,41,42. Шумо ва дигарон. Зикр гардид, ки барои интиқоли NGF ягон полимер истифода нашудааст (андозаи намуна тақрибан 4 см2)25,43, аммо дар бораи устувории намуна ва/ё коркард ҳангоми интиқол ҳеҷ тафсилот дода нашудааст; Равандҳои химияи тар бо истифода аз полимерҳо аз якчанд марҳила иборатанд, аз ҷумла татбиқ ва бартараф кардани минбаъдаи қабати полимерии қурбонӣ30,38,40,41,42. Ин раванд камбудиҳо дорад: масалан, пасмондаҳои полимерӣ метавонанд хосиятҳои плёнкаи парваришшударо тағйир диҳанд38. Коркарди иловагӣ метавонад полимери боқимондаро хориҷ кунад, аммо ин қадамҳои иловагӣ хароҷот ва вақти истеҳсоли филмро зиёд мекунанд38,40. Ҳангоми афзоиши CVD, қабати графен на танҳо дар тарафи пеши фолгаи катализатор (тарафе, ки ба ҷараёни буғ рӯбарӯ аст), балки дар қафои он низ ҷойгир карда мешавад. Аммо, охирин маҳсулоти партов ҳисобида мешавад ва онро бо плазмаи мулоим зуд хориҷ кардан мумкин аст38,41. Истифодаи такрории ин филм метавонад ба ҳадди аксар расонидани ҳосил мусоидат кунад, ҳатто агар он нисбат ба плёнкаи карбон пасттар бошад.
Дар ин ҷо, мо дар бораи тайёр кардани вафли миқёси дуфасиалии NGF бо сифати баланди сохторӣ дар фолгаи никелҳои поликристалии CVD гузориш медиҳем. Баҳо дода шуд, ки ноҳамвории сатҳи пеш ва қафои фолга ба морфология ва сохтори NGF чӣ гуна таъсир мерасонад. Мо инчунин интиқоли камхарҷ ва аз ҷиҳати экологӣ тозаи полимерии NGF-ро аз ҳар ду тарафи фолгаи никел ба субстратҳои бисёрфунксионалӣ нишон медиҳем ва нишон медиҳем, ки чӣ гуна филмҳои пеш ва қафо барои барномаҳои гуногун мувофиқанд.
Дар бахшҳои зерин ғафсии гуногуни филми графитӣ вобаста ба шумораи қабатҳои графен ҷамъшуда муҳокима карда мешаванд: (i) графени якқабати (SLG, 1 қабат), (ii) чанд қабати графен (FLG, < 10 қабат), (iii) графен бисёрқабати ( MLG, 10-30 қабат) ва (iv) NGF (~300 қабат). Охирин ғафсӣ маъмултарин аст, ки бо фоизи масоҳат (тақрибан 97% майдон ба 100 мкм2)30 ифода ёфтааст. Аз ин рӯ, тамоми филм танҳо NGF номида мешавад.
Фолгаҳои никелҳои поликристалӣ, ки барои синтези филмҳои графен ва графит истифода мешаванд, дар натиҷаи истеҳсол ва коркарди минбаъдаи онҳо сохторҳои гуногун доранд. Мо ба наздикӣ дар бораи тадқиқот оид ба оптимизатсияи раванди афзоиши NGF30 хабар додем. Мо нишон медиҳем, ки параметрҳои раванд ба монанди вақти тозакунӣ ва фишори камера дар марҳилаи афзоиш дар ба даст овардани NGF-ҳои ғафсии якхела нақши муҳим доранд. Дар ин ҷо, мо минбаъд афзоиши NGF-ро дар сатҳи сайқалёфта (FS) ва қафои (BS) рӯйи фолгаи никелӣ таҳқиқ кардем (расми 1а). Се намуди намунаҳои FS ва BS санҷида шуданд, ки дар ҷадвали 1 оварда шудаанд. Ҳангоми санҷиши визуалӣ афзоиши якхелаи NGF дар ҳар ду тарафи фолгаи никелӣ (NiAG) бо тағирёбии ранги субстрати асосии Ni аз нуқраи металлии хос мушоҳида мешавад. хокистарӣ то ранги хокистарии мат (расми 1а); ченакхои микроскопй тасдик гардиданд (расми 1б, в). Спектри маъмулии Рамани FS-NGF, ки дар минтақаи равшан мушоҳида шудааст ва бо тирҳои сурх, кабуд ва норанҷӣ дар расми 1b нишон дода шудааст, дар расми 1c нишон дода шудааст. Қуллаҳои хоси Рамани графити G (1683 см−1) ва 2D (2696 см−1) афзоиши NGF-и хеле кристаллӣ (расми 1в, Ҷадвали SI1) тасдиқ мекунанд. Дар тамоми филм бартарияти спектрҳои Раман бо таносуби шиддатнокӣ (I2D/IG) ~ 0,3 мушоҳида карда шуд, дар ҳоле ки спектрҳои Раман бо I2D/IG = 0,8 хеле кам мушоҳида карда шуданд. Дар тамоми плёнка мавчуд набудани куллахои нуксонхо (D = 1350 см-1) аз сифати баланди нашъунамои NGF гувохй медихад. Натиҷаҳои шабеҳи Раман дар намунаи BS-NGF гирифта шуданд (Тасвири SI1 a ва b, Ҷадвали SI1).
Муқоисаи NiAG FS- ва BS-NGF: (a) Акси намунаи маъмулии NGF (NiAG), ки афзоиши NGF-ро дар миқёси вафли (55 см2) нишон медиҳад ва намунаҳои фолгаи BS- ва FS-Ni, (б) FS-NGF Тасвирҳо/ Ni, ки тавассути микроскопи оптикӣ ба даст оварда шудаанд, (в) спектрҳои хоси Раман, ки дар мавқеъҳои гуногун дар панели б сабт шудаанд, (d, f) тасвирҳои SEM бо васеъшавии гуногун дар FS-NGF/Ni, (д, g) тасвирҳои SEM дар андозаҳои гуногун Танзимоти BS -NGF/Ni. Тираи кабуд минтақаи FLG-ро нишон медиҳад, тирчаи норанҷӣ минтақаи MLG (наздикии минтақаи FLG), тирчаи сурх минтақаи NGF ва тирчаи гулобӣ қабатро нишон медиҳад.
Азбаски афзоиш аз ғафсии субстрати ибтидоӣ, андозаи кристалл, ориентация ва сарҳадҳои донагӣ вобаста аст, ноил шудан ба назорати оқилонаи ғафсии NGF дар минтақаҳои калон мушкил боқӣ мемонад20,34,44. Дар ин тадқиқот мундариҷае, ки мо қаблан нашр карда будем30 истифода бурд. Ин раванд як минтақаи равшани 0,1 то 3% барои 100 μm230 тавлид мекунад. Дар бахшҳои минбаъда мо натиҷаҳоро барои ҳарду намуди минтақаҳо пешниҳод мекунем. Тасвирҳои баландсифати SEM мавҷудияти якчанд минтақаҳои контрасти дурахшонро дар ҳар ду тараф нишон медиҳанд (расми 1f,g), ки мавҷудияти минтақаҳои FLG ва MLG30,45ро нишон медиҳанд. Инро инчунин парокандакунии Раман (расми 1в) ва натиҷаҳои TEM тасдиқ карданд (дар қисмати "FS-NGF: сохтор ва хосиятҳо" муҳокима карда мешаванд). Минтақаҳои FLG ва MLG, ки дар намунаҳои FS- ва BS-NGF/Ni мушоҳида шудаанд (NGF-и пеш ва қафо, ки дар Ni парвариш карда шудаанд) метавонанд дар донаҳои калони Ni(111), ки дар вақти пеш аз тозакунӣ ба вуҷуд омадаанд22,30,45. Дар ду тараф печиш мушохида карда шуд (расми 1б, ки бо тирчахои бунафш нишон дода шудааст). Ин пӯшишҳо аксар вақт дар плёнкаҳои графен ва графити бо CVD парваришёфта пайдо мешаванд, зеро фарқияти калон дар коэффисиенти васеъшавии гармӣ байни графит ва субстрати никел30,38.
Тасвири AFM тасдиқ кард, ки намунаи FS-NGF нисбат ба намунаи BS-NGF ҳамвортар аст (Расми SI1) (Расми SI2). Қиматҳои ноҳамвории квадратии решаи (RMS) FS-NGF/Ni (расми SI2c) ва BS-NGF/Ni (расми SI2d) мутаносибан 82 ва 200 нм мебошанд (дар майдони 20 × чен карда шудаанд). 20 мкм2). Ноҳамвории баландтарро дар асоси таҳлили сатҳи фолгаи никел (NiAR) дар ҳолати қабулшуда фаҳмидан мумкин аст (Расми SI3). Тасвирҳои SEM-и FS ва BS-NiAR дар расмҳои SI3a–d нишон дода шудаанд, ки морфологияҳои гуногуни рӯизаминиро нишон медиҳанд: фолгаи сайқалёфтаи FS-Ni дорои зарраҳои сферии нано ва микрон мебошад, дар ҳоле ки фолгаи BS-Ni нардбони истеҳсолиро намоиш медиҳад. ҳамчун зарраҳои дорои қувваи баланд. ва таназзул. Тасвирҳои паст ва баландсифати фолгаи никелҳои тозашуда (NiA) дар расми SI3e–h нишон дода шудаанд. Дар ин ракамхо дар ду тарафи фольгаи никел мавчуд будани якчанд заррачахои никелии андозааш микронро мушохида кардан мумкин аст (расми SI3e–h). Донаҳои калон метавонанд самти сатҳи Ni (111) дошта бошанд, тавре ки қаблан хабар дода шуда буд30,46. Дар морфологияи фолгаи никел байни FS-NiA ва BS-NiA фарқиятҳои назаррас мавҷуданд. Ноҳамвории баландтари BS-NGF/Ni ба сатҳи нопокшудаи BS-NiAR вобаста аст, ки сатҳи он ҳатто пас аз гармкунӣ ба таври назаррас ноҳамвор боқӣ мемонад (Расми SI3). Ин намуди тавсифи сатҳи пеш аз раванди афзоиш имкон медиҳад, ки ноҳамвории филмҳои графен ва графит назорат карда шаванд. Бояд қайд кард, ки субстрати аслӣ ҳангоми афзоиши графен каме аз нав ташкил кардани ғалладона гузаштааст, ки дар муқоиса бо фолгаи тозашуда ва филми катализаторӣ андозаи донаро каме коҳиш дод ва ноҳамвори сатҳи субстратро то андозае зиёд кард22.
Танзими дақиқи ноҳамвории сатҳи субстрат, вақти коркард (андозаи дона)30,47 ва назорати озодкунӣ43 барои кам кардани якрангии ғафсии минтақавии NGF то миқёси микрон ва/ё ҳатто nm2 (яъне, тағирёбии ғафсӣ аз чанд нанометр) кӯмак мекунад. Барои назорат кардани ноҳамвории сатҳи субстрат метавон усулҳоро ба монанди сайқал додани электролитии фолгаи никелӣ баррасӣ кард48. Пас аз он, фолгаи никелии қаблан коркардшударо дар ҳарорати пасттар (<900 °C) 46 ва вақт (<5 дақиқа) тоза кардан мумкин аст, то аз ташаккули донаҳои калони Ni(111) пешгирӣ карда шавад (ки барои афзоиши FLG муфид аст).
Графини SLG ва FLG ба шиддати сатҳи кислотаҳо ва об тоб оварда наметавонад, ки ҳангоми равандҳои интиқоли кимиёвии тар қабатҳои механикиро талаб мекунад22,34,38. Баръакси интиқоли тар кимиёвии графен якқабати полимерӣ38, мо дарёфтем, ки ҳарду тарафи NGF-и ба воя расидаро бидуни дастгирии полимерӣ интиқол додан мумкин аст, тавре ки дар расми 2а нишон дода шудааст (барои тафсилоти бештар ба расми SI4a нигаред). Интиқоли NGF ба субстрати додашуда бо пошидани тар аз филми аслии Ni30.49 оғоз меёбад. Намунаҳои парваришшудаи NGF/Ni/NGF дар як шабонарӯз дар 15 мл 70% HNO3, ки бо 600 мл оби деионизатсияшуда (DI) маҳлул карда шудаанд, ҷойгир карда шуданд. Пас аз он ки фолгаи Ni пурра об мешавад, FS-NGF ҳамвор мемонад ва дар рӯи моеъ шино мекунад, мисли намунаи NGF/Ni/NGF, дар ҳоле ки BS-NGF дар об таъмид мешавад (расми 2а,б). Сипас NGF ҷудошуда аз як стакани дорои оби тозаи деионизатсияшуда ба стакани дигар интиқол дода шуд ва NGF ҷудошуда бодиққат шуста шуд ва аз чор то шаш маротиба тавассути табақ шишагини конкас такрор карда шуд. Ниҳоят, FS-NGF ва BS-NGF дар субстрати дилхоҳ ҷойгир карда шуданд (расми 2c).
Раванди интиқоли кимиёвии тар аз полимер барои NGF, ки дар фолгаи никел парвариш карда мешавад: (a) Диаграммаи ҷараёни раванд (барои тафсилоти бештар ба расми SI4 нигаред), (б) Акси рақамии NGF-и ҷудошуда пас аз рахи Ni (2 намуна), (в) Намунаи FS - ва интиқоли BS-NGF ба субстрати SiO2/Si, (г) интиқоли FS-NGF ба субстрати полимерии ношаффоф, (д) BS-NGF аз ҳамон намунае, ки панели d (ба ду қисм тақсим шудааст), ба коғази тиллоӣ бо C интиқол дода мешавад ва Нафион (субстрати шаффоф чандир, кунҷҳои бо кунҷҳои сурх ишорашуда).
Дар хотир доред, ки интиқоли SLG бо истифода аз усулҳои интиқоли кимиёвии тар анҷом додашуда вақти умумии коркарди 20-24 соатро талаб мекунад 38. Бо усули интиқоли бидуни полимер, ки дар ин ҷо нишон дода шудааст (Расми SI4a), вақти умумии коркарди интиқоли NGF ба таври назаррас коҳиш ёфтааст (тақрибан 15 соат). Раванд аз инҳо иборат аст: (Қадами 1) Маҳлули қаҳваранг омода кунед ва намунаро дар он ҷойгир кунед (~10 дақиқа), пас як шабонарӯз барои Ni etching интизор шавед (~7200 дақиқа), (Қадами 2) Бо оби деионизатсияшуда бишӯед (Қадами - 3) . дар оби деионизатсияшуда нигоҳ доред ё ба субстрати мақсаднок интиқол диҳед (20 дақиқа). Обе, ки дар байни NGF ва матритсаи масса мондааст, бо амали капиллярӣ хориҷ карда мешавад (бо истифода аз коғази шустагарӣ)38, сипас қатраҳои боқимонда бо хушккунии табиӣ (тақрибан 30 дақиқа) хориҷ карда мешаванд ва дар ниҳоят намуна барои 10 дақиқа хушк карда мешавад. дақиқа дар танӯр вакуумӣ (10-1 мбар) дар 50-90 °C (60 дақиқа) 38.
Маълум аст, ки графит ба мавҷудияти об ва ҳаво дар ҳарорати хеле баланд (≥ 200 °C) тобовар аст50,51,52. Мо намунаҳоро бо истифода аз спектроскопияи Раман, SEM ва XRD пас аз нигоҳдорӣ дар оби деионизатсияшуда дар ҳарорати хонагӣ ва дар шишаҳои мӯҳрдор барои ҳама ҷо аз чанд рӯз то як сол озмудаем (Расми SI4). Ҳеҷ гуна таназзули назаррас вуҷуд надорад. Тасвири 2c FS-NGF ва BS-NGF-ро дар оби деионизатсияшуда нишон медиҳад. Мо онҳоро дар як субстрати SiO2 (300 нм)/Sи гирифтем, тавре ки дар аввали расми 2c нишон дода шудааст. Илова бар ин, тавре ки дар расми 2d,e нишон дода шудааст, NGF-и доимиро метавон ба субстратҳои гуногун, аз қабили полимерҳо (полиамиди Термабрайт аз Nexolve ва Nafion) ва коғази карбон бо тилло пӯшидашуда интиқол дод. FS-NGF-и шинокунанда ба осонӣ дар зеризаминии мақсаднок ҷойгир карда шуд (расми 2c, г). Бо вуҷуди ин, намунаҳои BS-NGF калонтар аз 3 см2 ҳангоми пурра дар об ғарқ кардан душвор буданд. Одатан, вақте ки онҳо дар об меғеланд, аз сабаби муносибати беэҳтиётона онҳо баъзан ба ду ё се қисм тақсим мешаванд (расми 2e). Дар маҷмӯъ, мо тавонистем интиқоли бе полимери PS- ва BS-NGF (интиқоли бефосила бидуни афзоиши NGF/Ni/NGF дар 6 см2) барои намунаҳои то 6 ва 3 см2 дар масоҳат мутаносибан ба даст орем. Ҳама пораҳои калон ё хурди боқимонда (ба осонӣ дар маҳлул ё оби деионизатсияшуда дида мешаванд) дар субстрати дилхоҳ (~1 мм2, расми SI4b, нигаред ба намунае, ки ба шабакаи мис интиқол дода шудааст, дар "FS-NGF: Сохтор ва хосиятҳо (баррасӣ) дар зери "Сохтор ва Хусусиятҳо") ё барои истифодаи оянда захира кунед (Расми SI4). Дар асоси ин меъёр, мо тахмин мезанем, ки NGF метавонад дар ҳосили то 98-99% (пас аз афзоиш барои интиқол) барқарор карда шавад.
Намунаҳои интиқол бидуни полимер муфассал таҳлил карда шуданд. Хусусиятҳои морфологии рӯизаминӣ, ки дар FS- ва BS-NGF/SiO2/Si (расми 2в) бо истифода аз микроскопияи оптикӣ (ОМ) ва тасвирҳои SEM (расми SI5 ва расми 3) гирифта шудаанд, нишон доданд, ки ин намунаҳо бидуни микроскопӣ интиқол дода шудаанд. Зарари намоёни сохторӣ, аз қабили тарқишҳо, сӯрохҳо ё минтақаҳои кандашуда. Қатҳои NGF-и афзоянда (расми 3b, d, ки бо тирҳои арғувон нишон дода шудаанд) пас аз интиқол бетағйир монданд. Ҳарду FS- ва BS-NGF аз минтақаҳои FLG иборатанд (минтақаҳои дурахшон бо тирҳои кабуд дар расми 3 нишон дода шудаанд). Тааҷҷубовар аст, ки дар муқоиса бо чанд минтақаҳои осебдида, ки маъмулан ҳангоми интиқоли полимерии филмҳои графитҳои ултра тунук мушоҳида карда мешаванд, якчанд минтақаҳои андозаи микронҳои FLG ва MLG, ки ба NGF пайваст мешаванд (бо тирҳои кабуд дар расми 3d нишон дода шудаанд) бе тарқишҳо ё танаффус интиқол дода шуданд (Расми 3d) . 3). . Якчандии механикӣ минбаъд бо истифода аз тасвирҳои TEM ва SEM-и NGF, ки ба шабакаҳои миси тӯрӣ-карбон интиқол дода шудаанд, тасдиқ карда шуд, ки баъдтар муҳокима карда мешавад ("FS-NGF: Сохтор ва Хусусиятҳо"). BS-NGF/SiO2/Si интиқолшуда нисбат ба FS-NGF/SiO2/Si ноҳамвортар аст бо арзишҳои rms мутаносибан 140 нм ва 17 нм, тавре ки дар расми SI6a ва b (20 × 20 мкм2) нишон дода шудааст. Қимати RMS-и NGF, ки ба субстрати SiO2/Si интиқол дода шудааст (RMS <2 нм) нисбат ба NGF дар Ni (Расми SI2) ба таври назаррас камтар (тақрибан 3 маротиба) аст, ки нишон медиҳад, ки ноҳамвории иловагӣ метавонад ба сатҳи Ni мувофиқат кунад. Илова бар ин, тасвирҳои AFM, ки дар кунҷҳои намунаҳои FS- ва BS-NGF/SiO2/Sи иҷро шудаанд, ғафсии NGF-ро мутаносибан 100 ва 80 нм нишон доданд (расми SI7). Ғафсии камтари BS-NGF метавонад натиҷаи он бошад, ки сатҳи бевосита ба гази пешгузашта дучор нашаванд.
Интиқоли NGF (NiAG) бе полимер дар вафли SiO2/Si (нигаред ба расми 2c): (a,b) Тасвирҳои SEM-и интиқоли FS-NGF: васеъшавии паст ва баланд (мувофиқ ба квадрати норанҷии панел). Минтақаҳои маъмулӣ) – а). (в, г) Тасвирҳои SEM-и интиқолшудаи BS-NGF: васеъшавии паст ва баланд (ба майдони маъмулӣ, ки аз ҷониби квадрати норанҷӣ дар панели в нишон дода шудааст) мувофиқ аст. (д, е) Тасвирҳои AFM аз FS- ва BS-NGF-ҳои интиқолшуда. Тирчаи кабуд минтақаи FLG - контрасти дурахшон, тирчаи кабуд - контрасти сиёҳи MLG, тирчаи сурх - контрасти сиёҳ минтақаи NGF, тирчаи арғувонӣ қабатро нишон медиҳад.
Таркиби химиявии парваришшуда ва интиқолёфтаи FS- ва BS-NGFs тавассути спектроскопияи рентгении фотоэлектрони (XPS) таҳлил карда шуд (расми 4). Дар спектрҳои ченшуда қуллаи заиф мушоҳида карда шуд (расми 4а, б), ки ба субстрати Ni (850 эВ) аз FS- ва BS-NGFs (NiAG) парваришшуда мувофиқ аст. Дар спектрҳои ченшудаи FS- ва BS-NGF/SiO2/Si интиқолшуда қуллаҳо вуҷуд надоранд (расми 4c; натиҷаҳои шабеҳ барои BS-NGF/SiO2/Si нишон дода нашудаанд), ки нишон медиҳад, ки пас аз интиқол ифлосшавии боқимондаи Ni вуҷуд надорад. . Дар расмҳои 4d–f спектрҳои баландсифати сатҳи энергетикии C 1 s, O 1 s ва Si 2p FS-NGF/SiO2/Si нишон дода шудаанд. Энергияи пайвастшавии С 1 с графит 284,4 эВ53,54 аст. Шакли хаттии қуллаҳои графитӣ одатан асимметрӣ ҳисобида мешавад, тавре ки дар расми 4d54 нишон дода шудааст. Спектри сатҳи баландсифати аслии C 1s (расми 4d) инчунин интиқоли холисро тасдиқ кард (яъне, боқимондаҳои полимерӣ нест), ки бо таҳқиқоти қаблӣ мувофиқат мекунад38. Бари хатҳои спектрҳои C 1 s-и намунаи нав парваришёфта (NiAG) ва пас аз интиқол мутаносибан 0,55 ва 0,62 эВ мебошанд. Ин арзишҳо нисбат ба SLG баландтаранд (0,49 эВ барои SLG дар субстрати SiO2)38. Аммо, ин арзишҳо нисбат ба паҳнои хатҳои қаблан гузоришшуда барои намунаҳои графенҳои пиролитикии баланд нигаронидашуда (~ 0,75 эВ) 53,54,55 хурдтаранд, ки аз мавҷуд набудани маконҳои ноқиси карбон дар маводи ҷорӣ шаҳодат медиҳанд. Спектрҳои сатҳи заминии C 1s ва O1s низ китф надоранд, ки зарурати деконволютсияи қуллаи баландсифатро аз байн мебарад54. Қуллаи моҳвораии π → π* тақрибан 291,1 эВ мавҷуд аст, ки аксар вақт дар намунаҳои графит мушоҳида мешавад. Сигналҳои 103 эВ ва 532,5 эВ дар спектрҳои сатҳи аслии Si 2p ва O 1s (ниг. Расми 4e, f) мутаносибан ба субстрати SiO2 56 мансубанд. XPS як усули ҳассос ба сатҳи рӯизаминӣ аст, аз ин рӯ сигналҳои мувофиқ ба Ni ва SiO2, ки мутаносибан пеш аз интиқоли NGF ва пас аз интиқоли NGF муайян шудаанд, аз минтақаи FLG сарчашма мегиранд. Натиҷаҳои шабеҳ барои намунаҳои интиқолшудаи BS-NGF мушоҳида карда шуданд (нишон дода нашудааст).
Натиҷаҳои NiAG XPS: (ac) Спектрҳои тадқиқоти таркибҳои гуногуни атомии элементарии FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ва интиқоли FS-NGF/SiO2/Si мутаносибан. (d–f) Спектрҳои баландсифати сатҳҳои аслӣ C 1s, O 1s ва Si 2p намунаи FS-NGF/SiO2/Si.
Сифати умумии кристаллҳои интиқолшудаи NGF бо истифода аз дифраксияи рентгенӣ (XRD) арзёбӣ карда шуд. Намунаҳои маъмулии XRD (расми SI8) аз интиқоли FS- ва BS-NGF/SiO2/Si мавҷудияти қуллаҳои дифраксиониро (0 0 0 2) ва (0 0 0 4) дар 26,6° ва 54,7°, монанд ба графит нишон медиҳанд. . Ин сифати баланди кристаллии NGF-ро тасдиқ мекунад ва ба масофаи байни қабати d = 0,335 нм, ки пас аз марҳилаи интиқол нигоҳ дошта мешавад, мувофиқат мекунад. Шиддати қуллаи дифраксия (0 0 0 2) аз қуллаи дифраксия (0 0 0 4) тақрибан 30 маротиба зиёд аст, ки ин нишон медиҳад, ки ҳамвории кристаллии NGF бо сатҳи намуна хуб мувофиқат мекунад.
Мувофиқи натиҷаҳои SEM, спектроскопияи Раман, XPS ва XRD, сифати BS-NGF/Ni бо сифати FS-NGF/Ni якхела буд, гарчанде ноҳамвории он каме баландтар буд (Расмҳои SI2, SI5) ва SI7).
SLG-ҳо бо қабатҳои пуштибонии полимерӣ то 200 нм ғафсӣ метавонанд дар рӯи об шино кунанд. Ин насб одатан дар равандҳои интиқоли кимиёвии тар тавассути полимер истифода мешавад22,38. Графен ва графит гидрофобӣ (кунҷи тар 80–90°) 57 . Сатҳи эҳтимолии энергетикии ҳам графен ва ҳам FLG хеле ҳамвор буда, энергияи потенсиалии кам (~1 кҶ/мол) барои ҳаракати паҳлӯии об дар сатҳ дорад58. Бо вуҷуди ин, энергияи ҳисобшудаи мутақобилаи об бо графен ва се қабати графен мутаносибан тақрибан − 13 ва − 15 кҶ/мол58 аст,58 ин нишон медиҳад, ки таъсири мутақобилаи об бо NGF (тақрибан 300 қабат) дар муқоиса бо графен камтар аст. Ин метавонад яке аз сабабҳои он бошад, ки NGF-и мустақил дар сатҳи об ҳамвор мемонад, дар ҳоле ки графени мустақил (ки дар об шино мекунад) печида ва шикаста мешавад. Вақте ки NGF пурра дар об ғарқ мешавад (натиҷаҳо барои NGF ноҳамвор ва ҳамвор якхелаанд), кунҷҳои он хам мешаванд (Расми SI4). Дар ҳолати ғарқшавии пурра, интизор меравад, ки энергияи мутақобилаи NGF-об тақрибан ду баробар афзоиш ёбад (нисбат ба NGF шинокунанда) ва кунҷҳои NGF барои нигоҳ доштани кунҷи баланди тамос (гидрофобӣ) печида шаванд. Мо боварӣ дорем, ки стратегияҳоеро таҳия кардан мумкин аст, то канорагирӣ аз кунҷҳои NGF-ҳои дарунсохташуда пешгирӣ карда шавад. Яке аз равишҳо ин истифодаи ҳалкунандаҳои омехта барои модул кардани реаксияи тар кардани филми графитӣ мебошад59.
Интиқоли SLG ба намудҳои гуногуни субстратҳо тавассути равандҳои интиқоли кимиёвии тар қаблан гузориш дода шуда буд. Ба таври умум эътироф шудааст, ки қувваҳои заиф ван дер Ваалс дар байни плёнкаҳои графен/графитӣ ва субстратҳо мавҷуданд (хоҳ он субстратҳои сахт ба монанди SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 ва филмҳои карбонӣ30, 34 ё субстратҳои чандир). ба монанди полиимид 37). Дар ин ҷо мо фарз мекунем, ки мутақобилаи як навъ бартарӣ дорад. Мо ягон осеб ё пӯхтани NGF-ро барои ягон субстрат дар ин ҷо ҳангоми коркарди механикӣ (ҳангоми тавсиф дар шароити вакуум ва/ё атмосфера ё ҳангоми нигоҳдорӣ) мушоҳида накардем (масалан, Расми 2, SI7 ва SI9). Илова бар ин, мо қуллаи SiC-ро дар спектри XPS C 1 s сатҳи аслии намунаи NGF/SiO2/Si мушоҳида накардем (расми 4). Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки байни NGF ва субстрати мақсаднок ягон робитаи кимиёвӣ вуҷуд надорад.
Дар фасли қаблӣ, "Интиқоли бе полимери FS- ва BS-NGF", мо нишон додем, ки NGF метавонад дар ҳар ду тарафи фолгаи никел афзоиш ёбад ва интиқол дода шавад. Ин FS-NGFs ва BS-NGFs аз ҷиҳати ноҳамвории сатҳи якхела нестанд, ки моро водор кард, ки барномаҳои мувофиқтаринро барои ҳар як намуд омӯзем.
Шаффофият ва сатҳи ҳамвортари FS-NGF-ро ба назар гирифта, мо сохтори маҳаллӣ, хосиятҳои оптикӣ ва электрикии онро муфассалтар омӯхтем. Сохтор ва сохтори FS-NGF бидуни интиқоли полимерӣ бо тасвири микроскопияи электронии интиқол (TEM) ва таҳлили намунаи дифраксияи электронии минтақа (SAED) тавсиф карда шуданд. Натиҷаҳои мувофиқ дар расми 5 нишон дода шудаанд. Тамошобинии TEM-и планарии калоншавии паст мавҷудияти минтақаҳои NGF ва FLG-ро бо хусусиятҳои контрасти электронии гуногун, яъне мутаносибан минтақаҳои ториктар ва равшантар нишон дод (расми 5а). Дар маҷмӯъ филм якпорчагии хуби механикӣ ва устувории байни минтақаҳои гуногуни NGF ва FLG, бо такрори хуб ва ҳеҷ осебе ё кандашавӣ нишон медиҳад, ки онро инчунин аз ҷониби SEM (Расми 3) ва таҳқиқоти баланди TEM тасдиқ кардааст (Расми 5c-e). Аз ҷумла, дар расми 5d сохтори пулро дар қисми калонтарини он нишон медиҳад (мақоме, ки бо тирчаи сиёҳи нуқтадор дар расми 5d нишон дода шудааст), ки бо шакли секунҷа тавсиф мешавад ва аз қабати графен бо паҳнои тақрибан 51 иборат аст. Таркиб бо фосилаи байниҳамвории 0,33 ± 0,01 нм минбаъд ба якчанд қабатҳои графен дар минтақаи тангтарин кам карда мешавад (охири тирчаи сахти сиёҳ дар расми 5 г).
Тасвири ҳамвораи TEM намунаи NiAG аз полимерӣ дар шабакаи миси карбонӣ: (a, b) Тасвирҳои TEM-и камдаромад, аз ҷумла минтақаҳои NGF ва FLG, (ce) Тасвирҳои баландсифати минтақаҳои гуногун дар панел-a ва панел-b тирҳои якранг нишон дода шудаанд. Тирчаҳои сабз дар панелҳои a ва c нишон медиҳанд, ки ҳангоми ҳамворкунии чӯб минтақаҳои даврашакли зарарро нишон медиҳанд. (f–i) Дар панелҳои a то c, намунаҳои SAED дар минтақаҳои гуногун мутаносибан бо доираҳои кабуд, кабуд, норанҷӣ ва сурх нишон дода шудаанд.
Сохтори лента дар расми 5c самти амудии ҳавопаймоҳои торҳои графитро нишон медиҳад, ки он метавонад аз сабаби ташаккули нанополдаҳо дар қад-қади филм (дар расми 5c ҷойгир карда шудааст) аз фишори зиёдатии ҷуброннашаванда бошад30,61,62 . Дар доираи TEM-и баландсифат, ин наноfolds 30 нисбат ба боқимондаи минтақаи NGF самти дигари кристаллографиро нишон медиҳанд; хамворхои базавии торхои графитй ба таври уфукй, на ба монанди тамоми плёнка (дар расми 5в чой дода шудааст) кариб амудй нигаронида шудаанд. Ба ҳамин монанд, дар минтақаи FLG гоҳ-гоҳ қабатҳои хатӣ ва танг ба банд монандро нишон медиҳанд (бо тирҳои кабуд ишора шудаанд), ки мутаносибан дар тасвирҳои 5b, 5e дар калонкунии паст ва миёна пайдо мешаванд. Воридшуда дар расми 5e мавҷудияти қабатҳои ду ва сеқабати графенро дар бахши FLG (масофаи байниҳамворӣ 0,33 ± 0,01 нм) тасдиқ мекунад, ки бо натиҷаҳои қаблии мо мувофиқат мекунад30. Илова бар ин, тасвирҳои сабтшудаи SEM-и NGF-и аз полимерӣ ба шабакаҳои мисӣ бо плёнкаҳои карбонӣ интиқол додашуда (пас аз иҷрои ченакҳои TEM дар боло) дар расми SI9 нишон дода шудаанд. Минтақаи хуб овезоншудаи FLG (бо тирчаи кабуд ишора шудааст) ва минтақаи шикаста дар расми SI9f. Тирчаи кабуд (дар канори NGF интиқолшуда) қасдан пешниҳод карда мешавад, то нишон диҳад, ки минтақаи FLG метавонад ба раванди интиқол бидуни полимер муқобилат кунад. Хулоса, ин тасвирҳо тасдиқ мекунанд, ки қисман боздошташудаи NGF (аз ҷумла минтақаи FLG) якпорчагии механикиро ҳатто пас аз коркарди сахт ва дучоршавӣ ба вакууми баланд ҳангоми андозагирии TEM ва SEM нигоҳ медорад (Расми SI9).
Аз сабаби ҳамвории аълои NGF (ниг. Расми 5а), барои таҳлили сохтори SAED ориентатсия кардани пораҳо дар баробари меҳвари домени [0001] душвор нест. Вобаста ба ғафсии маҳаллии плёнка ва ҷойгиршавии он, барои омӯзиши дифраксияи электронӣ якчанд минтақаҳои таваҷҷӯҳ (12 балл) муайян карда шуданд. Дар расмҳои 5a–c, чор ин минтақаҳои маъмулӣ бо доираҳои ранга (кабуд, кабуд, норанҷӣ ва сурх рамзӣ) нишон дода шудаанд. Рақамҳои 2 ва 3 барои ҳолати SAED. Рақамҳои 5f ва g аз минтақаи FLG, ки дар расмҳои 5 ва 5 нишон дода шудаанд, гирифта шудаанд. Тавре ки дар расмҳои 5b ва c нишон дода шудаанд. Онҳо сохтори шашкунҷа доранд, ки ба графени каҷшуда монанданд63. Аз љумла, дар расми 5f се намунаи якхела бо самти якхелаи мењвари [0001] минтаќа, ки ба 10° ва 20° гардиш карда шудаанд, нишон дода шудааст, ки бо номувофиќати кунљии се љуфти инъикоси (10-10) гувоњї медињад. Ба ҳамин монанд, дар расми 5g ду намунаи шашкунҷаи болоии 20° гардишшударо нишон медиҳад. Ду ё се гурӯҳи намунаҳои шашкунҷа дар минтақаи FLG метавонанд аз се қабати графини дар ҳамворӣ ё берун аз ҳамворӣ 33 нисбат ба ҳамдигар гардиш карда шаванд. Баръакси ин, намунаҳои дифраксияи электронҳо дар расми 5h,i (мувофиқ ба минтақаи NGF дар расми 5а нишон дода шудаанд) як шакли ягона [0001]-ро бо шиддатнокии умумии баландтари дифраксияи нуқта, ки ба ғафсии бештари мавод мувофиқанд, нишон медиҳанд. Ин моделҳои SAED нисбат ба FLG сохтори ғафси графикӣ ва ориентацияи фосилавӣ мувофиқат мекунанд, ки аз шохиси 64 бармеояд. Хусусиятҳои хосиятҳои кристаллии NGF ҳамзистии ду ё се кристаллитҳои графитӣ (ё графен)-ро ошкор карданд. Он чизе, ки дар минтақаи FLG махсусан ҷолиб аст, он аст, ки кристаллитҳо дараҷаи муайяни ориентация дар дохили ҳавопаймо ё берун аз ҳавопаймо доранд. Заррачаҳо/қабатҳои графитӣ бо кунҷҳои гардиши дохили ҳамворӣ 17°, 22° ва 25° қаблан барои NGF дар филмҳои Ni 64 парвариш карда шуда буданд. Қиматҳои кунҷи гардиши дар ин таҳқиқот мушоҳидашуда бо кунҷҳои гардиши қаблан мушоҳидашуда (±1 °) барои графени каҷшудаи BLG63 мувофиқанд.
Хусусиятҳои электрикии NGF / SiO2 / Si дар 300 К дар майдони 10 × 3 мм2 чен карда шуданд. Қиматҳои консентратсияи интиқолдиҳандаи электронҳо, ҳаракатнокӣ ва ноқилӣ мутаносибан 1,6 × 1020 см-3, 220 см2 V-1 C-1 ва 2000 S-см-1 мебошанд. Қиматҳои ҳаракатнокӣ ва гузаронандагии NGF-и мо ба графити табиӣ шабоҳат доранд2 ва нисбат ба графити баланд нигаронидашудаи пиролитикии дар тиҷорат дастрас (дар 3000 °C истеҳсол карда мешаванд)29 баландтаранд. Қиматҳои консентратсияи интиқолдиҳандаи электронии мушоҳидашуда ду дараҷаи бузургтар аз онҳое мебошанд, ки ба наздикӣ гузориш дода шудаанд (7,25 × 10 см-3) барои плёнкаҳои графити ғафси микрон, ки бо истифода аз варақаҳои полиимидиҳои ҳарорати баланд (3200 ° C) омода карда шудаанд 20 .
Мо инчунин андозагирии гузариши ултрабунафшро дар FS-NGF, ки ба субстратҳои кварц интиқол дода шудаанд, анҷом додем (Расми 6). Спектри натиҷавӣ интиқоли тақрибан доимии 62% -ро дар диапазони 350-800 нм нишон медиҳад, ки NGF ба нури намоён шаффоф аст. Дарвоқеъ, номи "KAUST"-ро дар акси рақамии намуна дар расми 6б дидан мумкин аст. Гарчанде ки сохтори нанокристаллии NGF аз сохтори SLG фарқ мекунад, шумораи қабатҳоро бо истифода аз қоидаи талафоти интиқоли 2,3% барои як қабати иловагӣ тахминан ҳисоб кардан мумкин аст65. Тибқи ин муносибат шумораи қабатҳои графен бо талафоти интиқоли 38% 21 аст. NGF парваришшуда асосан аз 300 қабати графен иборат аст, яъне тақрибан 100 нм ғафсӣ (расми 1, SI5 ва SI7). Аз ин рӯ, мо тахмин мезанем, ки шаффофияти оптикии мушоҳидашуда ба минтақаҳои FLG ва MLG мувофиқат мекунад, зеро онҳо дар тамоми филм паҳн шудаанд (расмҳои 1, 3, 5 ва 6c). Илова ба маълумоти сохтории дар боло зикршуда, гузаронанда ва шаффофият инчунин сифати баланди кристаллии NGF-и интиқолшударо тасдиқ мекунанд.
(а) Андозаи гузариши ултрабунафш, (б) интиқоли маъмулии NGF дар кварц бо истифода аз намунаи намояндагӣ. (в) Схемати NGF (қуттии торик) бо минтақаҳои баробар тақсимшудаи FLG ва MLG дар тамоми намуна ҳамчун шаклҳои тасодуфии хокистарӣ қайд карда шудаанд (ниг. Расми 1) (тақрибан 0,1-3% майдон барои 100 мкм2). Шаклҳои тасодуфӣ ва андозаи онҳо дар диаграмма танҳо барои мақсадҳои тасвирӣ мебошанд ва ба минтақаҳои воқеӣ мувофиқ нестанд.
NGF-и шаффоф, ки аз ҷониби CVD парвариш карда шудааст, қаблан ба сатҳи кремнийи луч интиқол дода шуда, дар ҳуҷайраҳои офтобӣ истифода мешуд15,16. Самаранокии табдили барқ (PCE) 1,5% -ро ташкил медиҳад. Ин NGFҳо вазифаҳои гуногунро иҷро мекунанд, аз қабили қабатҳои пайвастаи фаъол, роҳҳои интиқоли заряд ва электродҳои шаффоф15,16. Аммо плёнкаи графит якхела нест. Бодиққат назорат кардани муқовимати варақ ва интиқоли оптикии электроди графит оптимизатсияи минбаъда зарур аст, зеро ин ду хосият дар муайян кардани арзиши PCE ҳуҷайраи офтобӣ нақши муҳим доранд15,16. Одатан, филмҳои графен ба нури намоён 97,7% шаффофанд, аммо муқовимати варақи 200–3000 Ом/кв.16 доранд. Муқовимати сатҳи филмҳои графенро тавассути зиёд кардани шумораи қабатҳо (интиқоли чандкаратаи қабатҳои графен) ва допинг бо HNO3 (~30 Ом/кв.)66 кам кардан мумкин аст. Аммо, ин раванд муддати тӯлонӣ мегирад ва қабатҳои гуногуни интиқол на ҳамеша алоқаи хубро нигоҳ медоранд. Ҷониби пеши мо NGF дорои хосиятҳоест, ба монанди ноқилӣ 2000 С / см, муқовимати варақи филм 50 Ом / кв. ва 62% шаффофият, ки онро як алтернативаи қобили қабул барои каналҳои интиқолдиҳанда ё электродҳои муқобил дар ҳуҷайраҳои офтобӣ месозад15,16.
Гарчанде ки сохтор ва химияи рӯизаминии BS-NGF ба FS-NGF шабоҳат доранд, ноҳамвории он гуногун аст ("Рушди FS- ва BS-NGF"). Пештар, мо graphite22-ро ҳамчун сенсори газ истифода мебурдем. Аз ин рӯ, мо имконпазирии истифодаи BS-NGF-ро барои вазифаҳои ҳассосии газ санҷидем (Расми SI10). Аввалан, қисмҳои андозаи мм2-и BS-NGF ба чипи сенсори электроди байниҳамдигарӣ интиқол дода шуданд (Расми SI10a-c). Тафсилоти истеҳсоли чип қаблан гузориш дода шуда буд; майдони фаъоли ҳассоси он 9 мм267 аст. Дар тасвирҳои SEM (Тасвири SI10b ва c), электроди тиллои зеризаминӣ тавассути NGF ба таври равшан намоён аст. Боз ҳам дидан мумкин аст, ки фарогирии ягонаи чип барои ҳама намунаҳо ба даст оварда шудааст. Андозагирии сенсори гази газҳои гуногун ба қайд гирифта шуд (расми SI10d) (расми SI11) ва суръати посухҳои натиҷавӣ дар расм нишон дода шудаанд. СИ10г. Эҳтимол бо дигар газҳои дахолаткунанда, аз ҷумла SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ва NH3 (200 ppm). Яке аз сабабҳои эҳтимолӣ NO2 мебошад. табиати электрофилии газ22,68. Вақте ки дар рӯи графен адсорбсия мешавад, он азхудкунии ҷории электронҳоро аз ҷониби система коҳиш медиҳад. Муқоисаи маълумоти вақти вокуниши сенсори BS-NGF бо сенсорҳои қаблан нашршуда дар Ҷадвали SI2 оварда шудааст. Механизми дубора фаъол кардани сенсорҳои NGF бо истифода аз плазмаи ултрабунафш, плазмаи O3 ё коркарди термикӣ (50–150°C) бо намунаҳои фошшуда идома дорад ва ба таври идеалӣ татбиқи системаҳои воридшуда69 идома дорад.
Дар ҷараёни CVD афзоиши графен дар ҳар ду тарафи субстрати катализатор ба амал меояд41. Аммо, BS-графен одатан дар ҷараёни интиқол хориҷ карда мешавад41. Дар ин таҳқиқот, мо нишон медиҳем, ки афзоиши босифати NGF ва интиқоли NGF-ро аз полимерҳо дар ҳарду ҷониби дастгирии катализатор ба даст овардан мумкин аст. BS-NGF нисбат ба FS-NGF (~100 нм) бориктар аст (~80 нм) ва ин фарқият бо он шарҳ дода мешавад, ки BS-Ni мустақиман ба ҷараёни гази пешгузашта дучор намешавад. Мо инчунин дарёфтем, ки ноҳамвории субстрати NiAR ба ноҳамвории NGF таъсир мерасонад. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки FS-NGF-и планарии парваришшуда метавонад ҳамчун маводи пешгузаштаи графен (бо усули эксфолиатсия70) ё ҳамчун канали гузаронанда дар ҳуҷайраҳои офтобӣ истифода шавад15,16. Баръакси ин, BS-NGF барои муайян кардани газ (расми SI9) ва эҳтимолан барои системаҳои нигоҳдории энергия71,72 истифода мешавад, ки ноҳамвории сатҳи он муфид хоҳад буд.
Бо назардошти гуфтаҳои боло, якҷоя кардани кори ҷорӣ бо плёнкаҳои графити қаблан нашршуда, ки аз ҷониби CVD парвариш карда шудаанд ва бо истифода аз фолгаи никелӣ муфид аст. Тавре ки дар ҷадвали 2 дида мешавад, фишорҳои баландтари мо вақти реаксияро (марҳилаи афзоиш) ҳатто дар ҳарорати нисбатан паст (дар ҳудуди 850–1300 °C) кӯтоҳ карданд. Мо инчунин ба афзоиши бештар аз маъмул ноил гардидем, ки ин аз потенсиали васеъшавӣ шаҳодат медиҳад. Дигар омилҳое ҳастанд, ки бояд ба назар гирифта шаванд, ки баъзеи онҳоро мо дар ҷадвал дохил кардем.
NGF-и дутарафаи баландсифат дар фолгаи никелӣ тавассути CVD каталитикӣ парвариш карда шуд. Бо аз байн бурдани субстратҳои анъанавии полимерӣ (ба монанди онҳое, ки дар графенҳои CVD истифода мешаванд), мо интиқоли тарии тоза ва бенуксони NGF (дар паҳлӯҳои қафо ва пеши фолгаи никел парвариш карда мешаванд) ба субстратҳои гуногуни равандҳои муҳим ба даст меорем. Қобили зикр аст, ки NGF минтақаҳои FLG ва MLG-ро дар бар мегирад (одатан аз 0,1% то 3% барои 100 мкм2), ки аз ҷиҳати сохторӣ ба плёнкаи ғафс хуб муттаҳид шудаанд. TEM Planar нишон медиҳад, ки ин минтақаҳо аз стекҳои аз ду то се зарраҳои графит/графен (кристаллҳо ё қабатҳо) иборатанд, ки баъзеи онҳо номутобиқатии гардиши 10–20° доранд. Минтақаҳои FLG ва MLG барои шаффофияти FS-NGF ба нури намоён масъуланд. Дар мавриди варақаҳои пасӣ, онҳо метавонанд ба варақҳои пеши параллел интиқол дода шаванд ва, тавре ки нишон дода шудааст, метавонанд ҳадафи функсионалӣ дошта бошанд (масалан, барои муайян кардани газ). Ин тадқиқотҳо барои кам кардани партовҳо ва хароҷот дар равандҳои CVD-и миқёси саноатӣ хеле муфиданд.
Умуман, ғафсии миёнаи CVD NGF дар байни варақаҳои графитӣ (паст ва бисёрқабат) ва саноатӣ (микрометрӣ) ҷойгир аст. Маҷмӯи хосиятҳои ҷолиби онҳо, ки бо усули оддии истеҳсол ва интиқоли онҳо таҳия кардаем, ин плёнкаҳоро махсусан барои барномаҳое, ки аксуламали функсионалии графитро талаб мекунанд, бидуни хароҷоти равандҳои истеҳсолии энергияталаби саноатӣ, ки ҳоло истифода мешаванд, мувофиқ мекунад.
Дар реактори тиҷоратии CVD (Aixtron 4-дюймаи BMPro) фолгаи никелии ғафсии 25 мкм (99,5% тозагӣ, Goodfellow) насб карда шуд. Система бо аргон тоза карда, ба фишори асосии 10-3 мбар эвакуатсия карда шуд. Баъд фольгаи никелй гузошта шуд. дар Ar/H2 (Пас аз пеш аз аннеалинги фолгаи Ni барои 5 дақиқа, фолга ба фишори 500 мбар дар 900 °C дучор шуд. NGF дар ҷараёни CH4/H2 (ҳар кадомаш 100 см3) барои 5 дақиқа гузошта шуд. Сипас намуна то ҳарорати поёнтар аз 700 °C бо истифода аз ҷараёни Ar (4000 см3) дар 40 °C/дақ сард карда шуд. Тафсилот дар бораи оптимизатсияи раванди афзоиши NGF дар ҷои дигар тавсиф шудааст30.
Морфологияи сатҳи намуна тавассути SEM бо истифода аз микроскопи Zeiss Merlin (1 кВ, 50 pA) визуалӣ карда шуд. Ноҳамвории рӯи намуна ва ғафсии NGF бо истифода аз AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) чен карда шуданд. Андозагирии TEM ва SAED бо истифода аз микроскопи FEI Titan 80-300 Cubed, ки бо таппончаи партовҳои майдони равшании баланд муҷаҳҳаз шудааст (300 кВ), монохроматори навъи FEI Wien ва корректори аббератсияи сферии линзаи CEOS барои ба даст овардани натиҷаҳои ниҳоӣ гузаронида шуд. ҳалли фазоӣ 0,09 нм. Намунаҳои NGF барои тасвири ҳамвор TEM ва таҳлили сохтори SAED ба шабакаҳои миси пӯшонидашудаи карбон интиқол дода шуданд. Ҳамин тариқ, аксари флокаҳои намуна дар сӯрохиҳои мембранаи дастгирӣ овезон мешаванд. Намунаҳои интиқолшудаи NGF тавассути XRD таҳлил карда шуданд. Намунаҳои дифраксияи рентгенӣ бо истифода аз дифрактометри хока (Брукер, ивазкунандаи марҳилаи D2 бо манбаи Cu Kα, 1,5418 Å ва детектори LYNXEYE) бо истифода аз манбаи радиатсияи Cu бо диаметри нуқта 3 мм гирифта шуданд.
Якчанд андозагирии нуқтаи Раман бо истифода аз микроскопи ҳамгирошудаи конфокалӣ (Alpha 300 RA, WITeC) сабт карда шуданд. Лазери 532 нм бо қудрати пасти барангезиш (25%) барои пешгирӣ кардани таъсири гармидиҳӣ истифода шуд. Спектроскопияи рентгении фотоэлектрони (XPS) дар спектрометри Kratos Axis Ultra дар майдони намунаи 300 × 700 мкм2 бо истифода аз радиатсияи монохроматии Al Ka (hν = 1486,6 эВ) бо қудрати 150 Вт анҷом дода шуд. Спектрҳои ҳалкунанда дар энергияи интиқоли 160 эВ ва 20 эВ. Намунаҳои NGF, ки ба SiO2 интиқол дода шудаанд, бо истифода аз лазери нахи PLS6MW (1,06 мкм) итербий дар 30 Вт ба қисмҳо бурида шуданд (ҳар кадоме 3 × 10 мм2). Контактҳои сими мис (ғафсӣ 50 мкм) бо истифода аз хамираи нуқра дар зери микроскопи оптикӣ сохта шуданд. Таҷрибаҳои интиқоли барқ ва эффекти Ҳолл дар ин намунаҳо дар 300 К ва тағирёбии майдони магнитии ± 9 Tesla дар системаи андозагирии хосиятҳои физикӣ (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ИМА) гузаронида шуданд. Спектрҳои интиқоли ултрабунафш бо истифода аз спектрофотометри Lambda 950 UV-vis дар диапазони NGF 350-800 нм, ки ба субстратҳои кварц ва намунаҳои истинодҳои кварц интиқол дода шудаанд, сабт карда шуданд.
Сенсори муқовимати кимиёвӣ (чипи электроди байниҳамдигарӣ) ба тахтаи микросхемаҳои чопии 73 пайваст карда шуд ва муқовимат муваққатан истихроҷ карда шуд. Платаи схемаи чопшуда, ки дар он дастгоҳ ҷойгир аст, ба терминалҳои тамос пайваст карда шуда, дар дохили камераи ҳассосии газ ҷойгир карда шудааст 74. Андозагирии муқовимат дар шиддати 1 В бо сканкунии доимӣ аз тозакунӣ то таъсири газ ва сипас дубора тоза карда шуд. Камера дар аввал тавассути тоза кардани нитроген дар 200 см3 барои 1 соат тоза карда шуд, то ки ҳама дигар таҳлилҳои дар камера мавҷудбуда, аз ҷумла намӣ, хориҷ карда шаванд. Пас аз он, таҳлилҳои алоҳида бо маҳкам кардани силиндраи N2 оҳиста-оҳиста ба камера бо ҳамон суръати ҷараёни 200 см3 бароварда шуданд.
Варианти ислоҳшудаи ин мақола нашр шудааст ва онро метавон тавассути истиноди болои мақола дастрас кард.
Инагаки, М. ва Канг, Ф. Карбон Илм ва муҳандисии мавод: Асосҳо. Нашри дуюм таҳрир шудааст. 2014, 542.
Пирсон, Дастури HO оид ба карбон, графит, алмос ва фуллерен: хосиятҳо, коркард ва барномаҳо. Нашри аввал таҳрир карда шуд. 1994, Ню Ҷерсӣ.
Цай, В. Плёнкаҳои бисёрқабати графен/графитӣ ҳамчун электродҳои шаффофи тунуки ноқилӣ. ариза. физика. Райт. 95 (12), 123115 (2009).
Баландин А.А. Хусусиятҳои гармидиҳии графен ва маводи карбонии наноструктурӣ. Нат. Мат. 10 (8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ва Cahill DG Кобилияти гармии плёнкаҳои графитӣ дар Ni (111) тавассути пошидани буғи кимиёвии ҳарорати паст ба вуҷуд омадаанд. сифат. Мат. Интерфейси 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Афзоиши пайвастаи филмҳои графенӣ тавассути пошидани буғи химиявӣ. ариза. физика. Райт. 98 (13), 133106 (2011).
Вақти интишор: 23 август-2024