رشد یک فیلم گرافیتی نیمه شفاف روی نیکل و انتقال دو طرفه آن بدون پلیمر

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم. نسخه مرورگری که استفاده می کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین نتایج، توصیه می کنیم از نسخه جدیدتر مرورگر خود استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل یا جاوا اسکریپت نمایش می دهیم.
فیلم‌های گرافیتی در مقیاس نانو (NGFs) نانومواد قوی‌ای هستند که می‌توانند با رسوب بخار شیمیایی کاتالیزوری تولید شوند، اما سوالاتی در مورد سهولت انتقال و چگونگی تأثیر مورفولوژی سطح بر استفاده از آن‌ها در دستگاه‌های نسل بعدی باقی می‌ماند. در اینجا رشد NGF در دو طرف یک فویل نیکل پلی کریستالی (مساحت 55 سانتی متر مربع، ضخامت حدود 100 نانومتر) و انتقال بدون پلیمر آن (جلو و پشت، مساحت تا 6 سانتی متر مربع) را گزارش می کنیم. با توجه به مورفولوژی فویل کاتالیزور، دو لایه کربنی در خواص فیزیکی و سایر خصوصیات (مانند زبری سطح) متفاوت هستند. ما نشان می‌دهیم که NGF‌های با پشتی خشن‌تر برای تشخیص NO2 مناسب هستند، در حالی که NGF‌های صاف‌تر و رساناتر در سمت جلو (2000 S/cm، مقاومت ورق - 50 اهم بر متر مربع) می‌توانند رساناهای قابل دوام باشند. کانال یا الکترود سلول خورشیدی (از آنجایی که 62٪ نور مرئی را منتقل می کند). به طور کلی، فرآیندهای رشد و حمل و نقل شرح داده شده ممکن است به درک NGF به عنوان یک ماده کربن جایگزین برای کاربردهای فناوری که در آن فیلم‌های گرافین و گرافیت با ضخامت میکرون مناسب نیستند، کمک کند.
گرافیت یک ماده صنعتی پرکاربرد است. قابل ذکر است که گرافیت دارای خواص چگالی جرمی نسبتا کم و رسانایی حرارتی و الکتریکی درون صفحه است و در محیط‌های گرمایی و شیمیایی خشن بسیار پایدار است. گرافیت پولکی یک ماده اولیه شناخته شده برای تحقیقات گرافن است. هنگامی که به لایه‌های نازک تبدیل می‌شود، می‌توان آن را در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله سینک‌های حرارتی برای دستگاه‌های الکترونیکی مانند گوشی‌های هوشمند ۴،۵،۶،۷، به عنوان یک ماده فعال در سنسورهای ۸،۹،۱۰ و برای حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی استفاده کرد. 12 و فیلم برای لیتوگرافی در فرابنفش شدید 13،14، کانال های رسانا در سلول های خورشیدی 15،16. برای همه این کاربردها، اگر مناطق وسیعی از لایه‌های گرافیتی (NGFs) با ضخامت‌های کنترل‌شده در مقیاس نانو کمتر از 100 نانومتر به راحتی تولید و منتقل شوند، مزیت قابل توجهی خواهد بود.
فیلم های گرافیتی با روش های مختلفی تولید می شوند. در یک مورد، تعبیه و انبساط و به دنبال آن لایه برداری برای تولید تکه های گرافن 10،11،17 استفاده شد. تکه ها باید بیشتر به لایه هایی با ضخامت مورد نیاز تبدیل شوند و اغلب چندین روز طول می کشد تا صفحات گرافیتی متراکم تولید شوند. رویکرد دیگر این است که با پیش سازهای جامد گرافیتی شروع کنید. در صنعت، ورق های پلیمری کربنیزه می شوند (در دمای 1000-1500 درجه سانتیگراد) و سپس گرافیتیزه می شوند (در دمای 2800-3200 درجه سانتیگراد) تا مواد لایه ای با ساختار مناسب را تشکیل دهند. اگرچه کیفیت این فیلم ها بالا است، اما مصرف انرژی قابل توجه 1،18،19 و حداقل ضخامت آن به چند میکرون1،18،19،20 محدود می شود.
رسوب بخار شیمیایی کاتالیزوری (CVD) یک روش شناخته شده برای تولید گرافن و لایه های گرافیت فوق نازک (<10 نانومتر) با کیفیت ساختاری بالا و هزینه مناسب 21،22،23،24،25،26،27 است. با این حال، در مقایسه با رشد گرافن و لایه‌های گرافیت فوق نازک28، رشد سطح وسیع و/یا کاربرد NGF با استفاده از CVD حتی کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.
فیلم‌های گرافن و گرافیت رشد یافته در CVD اغلب باید روی بسترهای کاربردی منتقل شوند. این انتقال لایه نازک شامل دو روش اصلی است: (1) انتقال بدون اچ 36،37 و (2) انتقال شیمیایی مرطوب مبتنی بر اچ (پشتیبانی از بستر) 14،34،38. هر روش دارای برخی مزایا و معایب است و باید بسته به کاربرد مورد نظر انتخاب شود، همانطور که در جاهای دیگر توضیح داده شده است 35،39. برای لایه‌های گرافن/گرافیت که بر روی بسترهای کاتالیزوری رشد می‌کنند، انتقال از طریق فرآیندهای شیمیایی مرطوب (که پلی‌متیل متاکریلات (PMMA) متداول‌ترین لایه پشتیبانی است) اولین انتخاب باقی می‌ماند13،30،34،38،40،41،42. شما و همکاران ذکر شد که هیچ پلیمری برای انتقال NGF (اندازه نمونه تقریباً 4 سانتی‌متر مربع) 25،43 استفاده نشده است، اما هیچ جزئیاتی در مورد پایداری نمونه و/یا جابجایی در حین انتقال ارائه نشده است. فرآیندهای شیمی مرطوب با استفاده از پلیمرها شامل چندین مرحله است، از جمله اعمال و حذف بعدی یک لایه پلیمری قربانی30،38،40،41،42. این فرآیند دارای معایبی است: به عنوان مثال، باقی مانده های پلیمری می توانند خواص فیلم رشد یافته را تغییر دهند. پردازش اضافی می تواند پلیمر باقیمانده را حذف کند، اما این مراحل اضافی هزینه و زمان تولید فیلم را افزایش می دهد. در طول رشد CVD، یک لایه گرافن نه تنها در سمت جلوی فویل کاتالیزور (سمت رو به جریان بخار)، بلکه در سمت پشت آن نیز رسوب می‌کند. با این حال، دومی یک محصول زائد در نظر گرفته می شود و می تواند به سرعت توسط پلاسمای نرم حذف شود. بازیافت این فیلم می‌تواند به حداکثر بازده کمک کند، حتی اگر کیفیت پایین‌تری نسبت به فیلم کربنی داشته باشد.
در اینجا، ما تهیه رشد دو صورت NGF در مقیاس ویفر را با کیفیت ساختاری بالا بر روی فویل نیکل پلی کریستالی توسط CVD گزارش می‌کنیم. بررسی شد که چگونه زبری سطح جلویی و پشتی فویل بر مورفولوژی و ساختار NGF تأثیر می‌گذارد. ما همچنین انتقال NGF بدون پلیمر مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست را از هر دو طرف فویل نیکل روی بسترهای چند منظوره نشان می دهیم و نشان می دهیم که چگونه لایه های جلویی و پشتی برای کاربردهای مختلف مناسب هستند.
بخش‌های زیر ضخامت‌های مختلف لایه‌های گرافیت را بسته به تعداد لایه‌های گرافن روی هم بحث می‌کنند: (1) گرافن تک لایه (SLG، 1 لایه)، (ب) گرافن چند لایه (FLG، < 10 لایه)، (iii) گرافن چند لایه ( MLG، 10-30 لایه) و (iv) NGF (~ 300 لایه). ضخامت دومی رایج ترین ضخامت است که به صورت درصدی از سطح بیان می شود (تقریباً 97٪ سطح در 100 میکرومتر مربع)30. به همین دلیل است که کل فیلم به سادگی NGF نامیده می شود.
فویل‌های نیکل پلی کریستالی که برای سنتز لایه‌های گرافن و گرافیت استفاده می‌شوند، در نتیجه ساخت و پردازش بعدی، بافت‌های متفاوتی دارند. ما اخیرا مطالعه ای را برای بهینه سازی روند رشد NGF30 گزارش کرده ایم. ما نشان می‌دهیم که پارامترهای فرآیند مانند زمان بازپخت و فشار محفظه در طول مرحله رشد نقش مهمی در به دست آوردن NGF با ضخامت یکنواخت دارند. در اینجا، ما رشد NGF را در سطوح جلوی صیقلی (FS) و پشتی صیقل‌نشده (BS) فویل نیکل بررسی کردیم (شکل 1a). سه نوع از نمونه‌های FS و BS مورد بررسی قرار گرفتند که در جدول 1 فهرست شده‌اند. پس از بازرسی بصری، رشد یکنواخت NGF در هر دو طرف ورق نیکل (NiAG) را می‌توان با تغییر رنگ لایه عمده Ni از یک نقره فلزی مشخص مشاهده کرد. خاکستری به رنگ خاکستری مات (شکل 1a)؛ اندازه گیری های میکروسکوپی تایید شد (شکل 1b، c). یک طیف رامان معمولی از FS-NGF که در ناحیه روشن مشاهده شده و با فلش های قرمز، آبی و نارنجی در شکل 1b نشان داده شده است در شکل 1c نشان داده شده است. قله های مشخصه رامان گرافیت G (1683 سانتی متر-1) و 2D (2696 سانتی متر-1) رشد NGF بسیار کریستالی را تایید می کنند (شکل 1c، جدول SI1). در طول فیلم، غلبه طیف های رامان با نسبت شدت (I2D/IG) ~ 0.3 مشاهده شد، در حالی که طیف های رامان با I2D/IG = 0.8 به ندرت مشاهده شد. عدم وجود پیک های معیوب (D = 1350 cm-1) در کل فیلم نشان دهنده کیفیت بالای رشد NGF است. نتایج مشابهی رامان روی نمونه BS-NGF به دست آمد (شکل SI1 a و b، جدول SI1).
مقایسه NiAG FS- و BS-NGF: (الف) عکس یک نمونه معمولی NGF (NiAG) که رشد NGF را در مقیاس ویفر (55 سانتی متر مربع) و نمونه های فویل BS- و FS-Ni نشان می دهد، (ب) FS-NGF تصاویر/ نیکل به‌دست‌آمده با میکروسکوپ نوری، (ج) طیف‌های رامان معمولی ثبت‌شده در موقعیت‌های مختلف در پانل b، (d، f) تصاویر SEM در بزرگ‌نمایی‌های مختلف در FS-NGF/Ni، (e، g) تصاویر SEM در بزرگ‌نمایی‌های مختلف BS -NGF/Ni را تنظیم می کند. فلش آبی ناحیه FLG، فلش نارنجی ناحیه MLG (نزدیک ناحیه FLG)، فلش قرمز ناحیه NGF و فلش سرخابی چین خوردگی را نشان می دهد.
از آنجایی که رشد به ضخامت بستر اولیه، اندازه کریستال، جهت گیری و مرزهای دانه بستگی دارد، دستیابی به کنترل معقول ضخامت NGF در مناطق بزرگ یک چالش باقی مانده است20،34،44. این مطالعه از محتوایی استفاده کرد که قبلا منتشر کرده بودیم30. این فرآیند یک ناحیه روشن بین 0.1 تا 3 درصد در 100 میکرومتر 230 تولید می کند. در بخش‌های بعدی، نتایجی را برای هر دو نوع منطقه ارائه می‌کنیم. تصاویر SEM با بزرگنمایی بالا وجود چندین ناحیه کنتراست روشن را در هر دو طرف نشان می دهند (شکل 1f,g)، که نشان دهنده وجود مناطق FLG و MLG30،45 است. این همچنین توسط پراکندگی رامان (شکل 1c) و نتایج TEM (که بعداً در بخش "FS-NGF: ساختار و خواص" بحث شد) تأیید شد. نواحی FLG و MLG مشاهده شده بر روی نمونه های FS- و BS-NGF/Ni (NGF جلو و عقب رشد شده روی Ni) ممکن است روی دانه های بزرگ Ni(111) که در طول قبل از بازپخت تشکیل شده اند رشد کرده باشند22،30،45. تا شدن در هر دو طرف مشاهده شد (شکل 1b، مشخص شده با فلش های بنفش). این چین‌ها اغلب در فیلم‌های گرافن و گرافیت رشد یافته در CVD به دلیل تفاوت زیاد در ضریب انبساط حرارتی بین گرافیت و زیرلایه نیکل یافت می‌شوند.
تصویر AFM تأیید کرد که نمونه FS-NGF صاف تر از نمونه BS-NGF (شکل SI1) است (شکل SI2). مقادیر زبری ریشه میانگین مربع (RMS) FS-NGF/Ni (شکل SI2c) و BS-NGF/Ni (شکل SI2d) به ترتیب 82 و 200 نانومتر است (اندازه‌گیری شده در سطح 20×20). 20 میکرومتر مربع). زبری بالاتر را می توان بر اساس تجزیه و تحلیل سطح فویل نیکل (NiAR) در حالت دریافتی درک کرد (شکل SI3). تصاویر SEM از FS و BS-NiAR در شکل‌های SI3a-d نشان داده شده‌اند که مورفولوژی‌های مختلف سطح را نشان می‌دهند: فویل FS-Ni صیقلی دارای ذرات کروی در ابعاد نانو و میکرون است، در حالی که فویل BS-Ni صیقل‌نشده نردبان تولید را نشان می‌دهد. به عنوان ذرات با استحکام بالا. و زوال تصاویر با وضوح پایین و بالا از فویل نیکل آنیل شده (NiA) در شکل SI3e–h نشان داده شده است. در این شکل‌ها، می‌توان حضور چند ذره نیکل به اندازه میکرون را در دو طرف فویل نیکل مشاهده کرد (شکل SI3e–h). دانه های بزرگ ممکن است جهت سطح Ni(111) داشته باشند، همانطور که قبلاً گزارش شده است30،46. تفاوت های قابل توجهی در مورفولوژی فویل نیکل بین FS-NiA و BS-NiA وجود دارد. زبری بیشتر BS-NGF/Ni به دلیل سطح صیقلی نشده BS-NiAR است که سطح آن حتی پس از بازپخت به طور قابل توجهی زبر باقی می ماند (شکل SI3). این نوع مشخصه سطح قبل از فرآیند رشد اجازه می دهد تا زبری لایه های گرافن و گرافیت کنترل شود. لازم به ذکر است که زیرلایه اصلی در طول رشد گرافن تحت مقداری سازماندهی مجدد دانه قرار گرفت که اندازه دانه را اندکی کاهش داد و تا حدودی زبری سطح بستر را در مقایسه با فویل آنیل شده و فیلم کاتالیزور افزایش داد.
تنظیم دقیق زبری سطح بستر، زمان بازپخت (اندازه دانه) 30،47 و کنترل رهاسازی 43 به کاهش یکنواختی ضخامت NGF منطقه ای تا مقیاس میکرومتر مربع و/یا حتی نانومتر (یعنی تغییرات ضخامت چند نانومتری) کمک می کند. برای کنترل زبری سطح زیرلایه می توان روش هایی مانند پرداخت الکترولیتی فویل نیکل حاصل را در نظر گرفت48. سپس فویل نیکل از قبل تیمار شده را می‌توان در دمای پایین‌تر (<900 درجه سانتی‌گراد) 46 و زمان (< 5 دقیقه) بازپخت تا از تشکیل دانه‌های بزرگ Ni (111) (که برای رشد FLG مفید است) جلوگیری شود.
گرافن SLG و FLG قادر به مقاومت در برابر کشش سطحی اسیدها و آب نیست و به لایه‌های پشتیبانی مکانیکی در طول فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب نیاز دارد. برخلاف انتقال شیمیایی مرطوب گرافن تک لایه با پشتیبانی از پلیمر38، ما دریافتیم که هر دو طرف NGF رشد یافته را می توان بدون پشتیبانی پلیمری منتقل کرد، همانطور که در شکل 2a نشان داده شده است (برای جزئیات بیشتر به شکل SI4a مراجعه کنید). انتقال NGF به یک بستر مشخص با اچینگ مرطوب لایه زیرین Ni30.49 آغاز می شود. نمونه های رشد یافته NGF/Ni/NGF یک شبه در 15 میلی لیتر HNO3 70 درصد رقیق شده با 600 میلی لیتر آب دیونیزه (DI) قرار داده شدند. پس از حل شدن کامل فویل Ni، FS-NGF صاف می ماند و روی سطح مایع شناور می شود، درست مانند نمونه NGF/Ni/NGF، در حالی که BS-NGF در آب غوطه ور می شود (شکل 2a,b). سپس NGF جدا شده از یک لیوان حاوی آب دیونیزه شده تازه به یک لیوان دیگر منتقل شد و NGF جدا شده به طور کامل شسته شد و چهار تا شش بار از طریق ظرف شیشه ای مقعر تکرار شد. در نهایت، FS-NGF و BS-NGF بر روی بستر مورد نظر قرار گرفتند (شکل 2c).
فرآیند انتقال شیمیایی مرطوب بدون پلیمر برای NGF رشد یافته روی فویل نیکل: (الف) نمودار جریان فرآیند (برای جزئیات بیشتر به شکل SI4 مراجعه کنید)، (ب) عکس دیجیتالی از NGF جدا شده پس از حکاکی نیکل (2 نمونه)، (ج) مثال FS - و انتقال BS-NGF به بستر SiO2/Si، (د) انتقال FS-NGF به بستر پلیمری مات، (ه) BS-NGF از همان نمونه پانل d (تقسیم شده به دو قسمت)، به کاغذ C با روکش طلا منتقل شده است. و Nafion (زیر لایه شفاف انعطاف پذیر، لبه های مشخص شده با گوشه های قرمز).
توجه داشته باشید که انتقال SLG با استفاده از روش‌های انتقال شیمیایی مرطوب به زمان کل پردازش 20 تا 24 ساعت نیاز دارد. با روش انتقال بدون پلیمر که در اینجا نشان داده شده است (شکل SI4a)، زمان کلی پردازش انتقال NGF به طور قابل توجهی کاهش می یابد (تقریباً 15 ساعت). این فرآیند شامل موارد زیر است: (مرحله 1) محلول اچ را آماده کنید و نمونه را در آن قرار دهید (10 دقیقه)، سپس یک شب برای اچینگ نیکل صبر کنید (7200 دقیقه)، (مرحله 2) با آب دیونیزه بشویید (مرحله 3) . ذخیره در آب دیونیزه شده یا انتقال به بستر مورد نظر (20 دقیقه). آب محبوس شده بین NGF و ماتریکس حجیم با عمل مویرگی (با استفاده از کاغذ بلات)38 خارج می شود، سپس قطرات آب باقیمانده با خشک کردن طبیعی (تقریباً 30 دقیقه) حذف می شوند و در نهایت نمونه به مدت 10 دقیقه خشک می شود. دقیقه در اجاق خلاء (10-1 میلی بار) در دمای 50-90 درجه سانتیگراد (60 دقیقه) 38.
گرافیت در برابر حضور آب و هوا در دماهای نسبتاً بالا (≥ 200 درجه سانتیگراد) 50،51،52 مقاوم است. ما نمونه ها را با استفاده از طیف سنجی رامان، SEM و XRD پس از نگهداری در آب دیونیزه شده در دمای اتاق و در بطری های مهر و موم شده برای چند روز تا یک سال آزمایش کردیم (شکل SI4). هیچ تخریب قابل توجهی وجود ندارد. شکل 2c FS-NGF و BS-NGF آزاد را در آب دیونیزه نشان می دهد. همانطور که در ابتدای شکل 2c نشان داده شده است، آنها را روی یک بستر SiO2 (300 نانومتر)/Si گرفتیم. علاوه بر این، همانطور که در شکل 2d,e نشان داده شده است، NGF پیوسته می تواند به بسترهای مختلفی مانند پلیمرها (پلی آمید Thermabright از Nexolve و Nafion) و کاغذ کربنی با روکش طلا منتقل شود. FS-NGF شناور به راحتی روی بستر هدف قرار گرفت (شکل 2c، d). با این حال، نمونه‌های BS-NGF بزرگ‌تر از 3 سانتی‌متر مربع هنگام غوطه‌ور شدن کامل در آب دشوار بود. معمولاً وقتی شروع به غلتیدن در آب می کنند، به دلیل برخورد بی دقتی گاهی اوقات به دو یا سه قسمت می شکنند (شکل 2e). به طور کلی، ما توانستیم به انتقال بدون پلیمر PS- و BS-NGF (انتقال بدون درز مداوم بدون رشد NGF/Ni/NGF در 6 سانتی‌متر مربع) برای نمونه‌هایی با مساحت 6 و 3 سانتی‌متر مربع دست یابیم. هر قطعه بزرگ یا کوچک باقی مانده را می توان (به راحتی در محلول اچینگ یا آب دیونیزه مشاهده کرد) بر روی بستر مورد نظر (~1 میلی متر مربع، شکل SI4b، نمونه انتقال یافته به شبکه مسی را در "FS-NGF: ساختار و ویژگی ها (بحث شده) ببینید. در بخش «ساختار و ویژگی‌ها») یا برای استفاده در آینده ذخیره کنید (شکل SI4). بر اساس این معیار، ما تخمین می زنیم که NGF را می توان در بازده تا 98-99٪ (پس از رشد برای انتقال) بازیافت کرد.
نمونه های انتقالی بدون پلیمر با جزئیات آنالیز شدند. مشخصات مورفولوژیکی سطح به دست آمده بر روی FS- و BS-NGF/SiO2/Si (شکل 2c) با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM) و تصاویر SEM (شکل SI5 و شکل 3) نشان داد که این نمونه ها بدون میکروسکوپ منتقل شدند. آسیب‌های ساختاری قابل مشاهده مانند ترک‌ها، سوراخ‌ها یا نواحی رول نشده. چین های روی NGF در حال رشد (شکل 3b، d، مشخص شده با فلش های بنفش) پس از انتقال دست نخورده باقی ماندند. هر دو FS- و BS-NGF از مناطق FLG تشکیل شده اند (مناطق روشن که با فلش های آبی در شکل 3 نشان داده شده اند). با کمال تعجب، برخلاف معدود نواحی آسیب دیده که معمولاً در طول انتقال پلیمری لایه‌های گرافیتی فوق نازک مشاهده می‌شوند، چندین ناحیه FLG و MLG در ابعاد میکرون متصل به NGF (که با فلش‌های آبی در شکل 3d مشخص شده‌اند) بدون ترک یا شکست منتقل شدند (شکل 3d). . 3). . یکپارچگی مکانیکی با استفاده از تصاویر TEM و SEM از NGF که به شبکه‌های مسی توری-کربن منتقل شده‌اند، تأیید شد، همانطور که بعداً مورد بحث قرار گرفت ("FS-NGF: ساختار و خواص"). BS-NGF/SiO2/Si منتقل شده خشن تر از FS-NGF/SiO2/Si با مقادیر rms به ترتیب 140 نانومتر و 17 نانومتر است، همانطور که در شکل SI6a و b نشان داده شده است (20 × 20 میکرومتر مربع). مقدار RMS NGF منتقل شده روی بستر SiO2/Si (RMS < 2 نانومتر) به طور قابل توجهی کمتر (حدود 3 برابر) از NGF رشد یافته روی Ni است (شکل SI2)، که نشان می دهد زبری اضافی ممکن است با سطح Ni مطابقت داشته باشد. علاوه بر این، تصاویر AFM انجام شده بر روی لبه‌های نمونه‌های FS- و BS-NGF/SiO2/Si ضخامت‌های NGF را به ترتیب 100 و 80 نانومتر نشان دادند (شکل SI7). ضخامت کمتر BS-NGF ممکن است در نتیجه عدم قرار گرفتن مستقیم سطح در معرض گاز پیش ساز باشد.
NGF منتقل شده (NiAG) بدون پلیمر روی ویفر SiO2/Si (شکل 2c را ببینید): (الف، ب) تصاویر SEM از FS-NGF منتقل شده: بزرگنمایی کم و زیاد (مرتبط با مربع نارنجی در پانل). مناطق معمولی) - الف). (ج، د) تصاویر SEM از BS-NGF منتقل شده: بزرگنمایی کم و زیاد (مرتبط با منطقه معمولی نشان داده شده توسط مربع نارنجی در پانل c). (ه، و) تصاویر AFM از FS- و BS-NGF های منتقل شده. فلش آبی نشان دهنده منطقه FLG - کنتراست روشن، فلش فیروزه ای - کنتراست سیاه و سفید MLG، فلش قرمز - کنتراست سیاه نشان دهنده منطقه NGF، فلش سرخابی نشان دهنده چین است.
ترکیب شیمیایی FS- و BS-NGF رشد یافته و انتقال یافته با طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) تجزیه و تحلیل شد (شکل 4). اوج ضعیفی در طیف های اندازه گیری شده مشاهده شد (شکل 4a، b)، که مربوط به بستر Ni (850 eV) FS- و BS-NGFs رشد یافته (NiAG) است. هیچ قله‌ای در طیف اندازه‌گیری‌شده FS- و BS-NGF/SiO2/Si منتقل‌شده وجود ندارد (شکل 4c؛ نتایج مشابهی برای BS-NGF/SiO2/Si نشان داده نشده است)، که نشان می‌دهد پس از انتقال، آلودگی نیکل باقی‌مانده وجود ندارد. . شکل‌های 4d-f طیف‌های با وضوح بالا سطوح انرژی C1s، O1s و Si2p FS-NGF/SiO2/Si را نشان می‌دهند. انرژی اتصال C 1 s گرافیت 284.4 eV53.54 است. شکل خطی قله های گرافیت به طور کلی نامتقارن در نظر گرفته می شود، همانطور که در شکل 4d54 نشان داده شده است. طیف C1s در سطح هسته با وضوح بالا (شکل 4d) همچنین انتقال خالص (یعنی بدون باقیمانده پلیمری) را تأیید کرد که با مطالعات قبلی مطابقت دارد38. پهنای خط طیف C1s نمونه تازه رشد کرده (NiAG) و پس از انتقال به ترتیب 0.55 و 0.62 eV است. این مقادیر بالاتر از مقادیر SLG هستند (0.49 eV برای SLG روی یک بستر SiO2)38. با این حال، این مقادیر کمتر از عرض خط گزارش شده قبلی برای نمونه‌های گرافن پیرولیتیک بسیار جهت‌دار (~0.75 eV) 53،54،55 است، که نشان‌دهنده عدم وجود مکان‌های کربن معیوب در ماده فعلی است. طیف‌های سطح زمین C 1 s و O 1 s نیز فاقد شانه هستند و نیاز به دکانولوشن پیک با وضوح بالا را از بین می‌برد. اوج ماهواره π → π* در حدود 291.1 eV وجود دارد که اغلب در نمونه های گرافیت مشاهده می شود. سیگنال های 103 eV و 532.5 eV در طیف های سطح هسته Si 2p و O 1 s (نگاه کنید به شکل 4e، f) به ترتیب به بستر SiO2 56 نسبت داده می شوند. XPS یک تکنیک حساس به سطح است، بنابراین سیگنال‌های مربوط به Ni و SiO2 که به ترتیب قبل و بعد از انتقال NGF شناسایی می‌شوند، از ناحیه FLG نشات می‌گیرند. نتایج مشابهی برای نمونه های BS-NGF منتقل شده مشاهده شد (نشان داده نشده).
نتایج NiAG XPS: (ac) طیف های بررسی ترکیبات اتمی عنصری مختلف FS-NGF/Ni، BS-NGF/Ni و FS-NGF/SiO2/Si رشد یافته به ترتیب. (d-f) طیف‌های با وضوح بالا سطوح هسته C1s، O1s و Si2p نمونه FS-NGF/SiO2/Si.
کیفیت کلی بلورهای NGF منتقل شده با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD) ارزیابی شد. الگوهای XRD معمولی (شکل SI8) FS- و BS-NGF/SiO2/Si منتقل شده، حضور پیک های پراش (0 0 2) و (0 0 4) را در 26.6 درجه و 54.7 درجه، مشابه گرافیت نشان می دهد. . این کیفیت کریستالی بالای NGF را تایید می کند و مربوط به فاصله بین لایه ای d = 0.335 نانومتر است که پس از مرحله انتقال حفظ می شود. شدت پیک پراش (0 0 0 2) تقریباً 30 برابر اوج پراش (0 0 0 4) است، که نشان می دهد صفحه کریستالی NGF به خوبی با سطح نمونه تراز است.
با توجه به نتایج SEM، طیف‌سنجی رامان، XPS و XRD، کیفیت BS-NGF/Ni برابر با FS-NGF/Ni بود، اگرچه زبری rms آن کمی بیشتر بود (شکل‌های SI2، SI5). و SI7).
SLG ها با لایه های پشتیبان پلیمری تا ضخامت 200 نانومتر می توانند روی آب شناور شوند. این تنظیم معمولاً در فرآیندهای انتقال مواد شیمیایی مرطوب به کمک پلیمر استفاده می‌شود22،38. گرافن و گرافیت آبگریز هستند (زاویه مرطوب 80-90 درجه) 57. سطوح انرژی پتانسیل هر دو گرافن و FLG کاملاً مسطح گزارش شده است، با انرژی پتانسیل پایین (~1 کیلوژول بر مول) برای حرکت جانبی آب در سطح. با این حال، انرژی های برهمکنش محاسبه شده آب با گرافن و سه لایه گرافن به ترتیب تقریباً 13- و 15- کیلوژول بر مول، 58 است، که نشان می دهد برهمکنش آب با NGF (حدود 300 لایه) در مقایسه با گرافن کمتر است. این ممکن است یکی از دلایلی باشد که NGF مستقل روی سطح آب صاف می ماند، در حالی که گرافن ایستاده (که در آب شناور است) پیچ خورده و تجزیه می شود. هنگامی که NGF به طور کامل در آب غوطه ور می شود (نتایج برای NGF خشن و مسطح یکسان است)، لبه های آن خم می شوند (شکل SI4). در مورد غوطه ور شدن کامل، انتظار می رود که انرژی برهمکنش NGF-آب تقریبا دو برابر شود (در مقایسه با NGF شناور) و لبه های NGF برای حفظ زاویه تماس بالا (آب گریز) تا شوند. ما معتقدیم که می توان استراتژی هایی را برای جلوگیری از پیچش لبه های NGF های تعبیه شده توسعه داد. یک رویکرد استفاده از حلال های مخلوط برای تعدیل واکنش خیس شدن لایه گرافیتی است.
انتقال SLG به انواع مختلف بسترها از طریق فرآیندهای انتقال شیمیایی مرطوب قبلا گزارش شده است. به طور کلی پذیرفته شده است که نیروهای ضعیف واندروالس بین لایه‌های گرافن/گرافیت و زیرلایه‌ها (اعم از بسترهای سفت و سخت مانند SiO2/Si38،41،46،60، SiC38، Au42، ستون‌های Si22 و لایه‌های کربن توری30، 34 یا بسترهای انعطاف‌پذیر وجود دارد. مانند پلی آمید 37). در اینجا ما فرض می کنیم که تعاملات از همان نوع غالب است. ما هیچ آسیب یا پوسته شدن NGF را برای هیچ یک از بسترهای ارائه شده در اینجا در حین جابجایی مکانیکی (در طول مشخص‌سازی در شرایط خلاء و/یا جو یا در طول ذخیره‌سازی) مشاهده نکردیم (به عنوان مثال، شکل 2، SI7 و SI9). علاوه بر این، ما پیک SiC را در طیف XPS C 1 سطح هسته نمونه NGF/SiO2/Si مشاهده نکردیم (شکل 4). این نتایج نشان می دهد که هیچ پیوند شیمیایی بین NGF و بستر هدف وجود ندارد.
در بخش قبلی، «انتقال بدون پلیمر FS- و BS-NGF»، نشان دادیم که NGF می‌تواند در هر دو طرف فویل نیکل رشد کرده و منتقل شود. این FS-NGF و BS-NGF از نظر زبری سطح یکسان نیستند، که ما را بر آن داشت تا مناسب ترین کاربردها را برای هر نوع بررسی کنیم.
با توجه به شفافیت و سطح صاف‌تر FS-NGF، ساختار محلی، خواص نوری و الکتریکی آن را با جزئیات بیشتری بررسی کردیم. ساختار و ساختار FS-NGF بدون انتقال پلیمر با تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و تجزیه و تحلیل الگوی پراش الکترونی ناحیه انتخاب شده (SAED) مشخص شد. نتایج مربوطه در شکل 5 نشان داده شده است. تصویربرداری TEM مسطح با بزرگنمایی کم، حضور نواحی NGF و FLG را با ویژگی‌های کنتراست الکترونی متفاوت، یعنی مناطق تیره‌تر و روشن‌تر، نشان داد (شکل 5a). به طور کلی فیلم یکپارچگی مکانیکی و پایداری خوبی را بین مناطق مختلف NGF و FLG نشان می‌دهد، با همپوشانی خوب و بدون آسیب یا پارگی، که توسط SEM (شکل 3) و مطالعات TEM با بزرگنمایی بالا (شکل 5c-e) تأیید شد. به طور خاص، در شکل 5d ساختار پل را در بزرگترین قسمت آن نشان می دهد (موقعیت مشخص شده با فلش خالدار سیاه در شکل 5d)، که با شکل مثلثی مشخص می شود و از یک لایه گرافن با عرض حدود 51 تشکیل شده است. ترکیب با فاصله بین 0.01 ± 0.33 نانومتر به چندین لایه گرافن در باریک ترین ناحیه کاهش می یابد (انتهای فلش سیاه و سفید جامد در شکل 5 d).
تصویر TEM مسطح از یک نمونه NiAG بدون پلیمر بر روی یک شبکه مسی توری کربنی: (الف، ب) تصاویر TEM با بزرگنمایی کم شامل مناطق NGF و FLG، (ce) تصاویر با بزرگنمایی بالا از مناطق مختلف در پانل-a و پانل-b هستند. فلش های همرنگ مشخص شده فلش های سبز رنگ در پانل های a و c نشان دهنده نواحی دایره ای آسیب دیده در طول تراز پرتو است. (f–i) در پانل های a تا c، الگوهای SAED در مناطق مختلف به ترتیب با دایره های آبی، فیروزه ای، نارنجی و قرمز نشان داده می شوند.
ساختار روبان در شکل 5c جهت عمودی صفحات شبکه گرافیتی را نشان می دهد (که با فلش قرمز مشخص شده است) که ممکن است به دلیل تشکیل نانو چین ها در امتداد لایه (درج در شکل 5c) به دلیل تنش برشی جبران نشده اضافی30،61،62 باشد. . تحت TEM با وضوح بالا، این نانو چین‌های 30 جهت‌گیری کریستالوگرافی متفاوتی را نسبت به بقیه منطقه NGF نشان می‌دهند. صفحات پایه شبکه گرافیتی به جای افقی مانند بقیه فیلم (در شکل 5c) تقریباً به صورت عمودی جهت گیری می کنند. به طور مشابه، ناحیه FLG گهگاه چین‌های نواری مانند خطی و باریکی را نشان می‌دهد (که با فلش‌های آبی مشخص شده‌اند)، که به ترتیب در شکل‌های 5b، 5e با بزرگنمایی کم و متوسط ​​ظاهر می‌شوند. ورودی در شکل 5e وجود لایه‌های گرافن دو و سه لایه را در بخش FLG تأیید می‌کند (فاصله بین‌سطحی 0.01 ± 0.33 نانومتر)، که با نتایج قبلی ما مطابقت دارد. علاوه بر این، تصاویر ضبط شده SEM از NGF بدون پلیمر که به شبکه‌های مسی با لایه‌های کربن توری منتقل شده‌اند (پس از انجام اندازه‌گیری‌های TEM با نمای بالا) در شکل SI9 نشان داده شده‌اند. ناحیه FLG معلق به خوبی (که با فلش آبی مشخص شده است) و ناحیه شکسته در شکل SI9f. فلش آبی (در لبه NGF منتقل شده) عمدا ارائه شده است تا نشان دهد که منطقه FLG می تواند در برابر فرآیند انتقال بدون پلیمر مقاومت کند. به طور خلاصه، این تصاویر تأیید می کنند که NGF نیمه معلق (از جمله ناحیه FLG) یکپارچگی مکانیکی را حتی پس از دست زدن به سختی و قرار گرفتن در معرض خلاء بالا در طول اندازه گیری های TEM و SEM حفظ می کند (شکل SI9).
به دلیل مسطح بودن عالی NGF (نگاه کنید به شکل 5a)، جهت دادن تکه ها در امتداد محور دامنه [0001] برای تجزیه و تحلیل ساختار SAED دشوار نیست. بسته به ضخامت محلی فیلم و محل آن، چندین ناحیه مورد نظر (12 نقطه) برای مطالعات پراش الکترونی شناسایی شد. در شکل های 5a-c، چهار مورد از این مناطق معمولی نشان داده شده و با دایره های رنگی (آبی، فیروزه ای، نارنجی و قرمز کدگذاری شده) مشخص شده اند. شکل 2 و 3 برای حالت SAED. شکل های 5f و g از ناحیه FLG نشان داده شده در شکل های 5 و 5 به دست آمدند. همانطور که در شکل های 5b و c نشان داده شده است. آنها ساختاری شش ضلعی شبیه به گرافن پیچ خورده دارند63. به طور خاص، شکل 5f سه الگوی روی هم قرار گرفته را با جهت یکسان محور ناحیه [0001] نشان می‌دهد که با 10 درجه و 20 درجه چرخش یافته‌اند، همانطور که با عدم تطابق زاویه‌ای سه جفت بازتاب (10-10) مشهود است. به طور مشابه، شکل 5g دو الگوی شش ضلعی روی هم قرار گرفته را نشان می دهد که 20 درجه چرخیده اند. دو یا سه گروه از الگوهای شش ضلعی در ناحیه FLG می توانند از سه لایه گرافن درون صفحه یا خارج از صفحه 33 که نسبت به یکدیگر چرخیده اند، ایجاد شوند. در مقابل، الگوهای پراش الکترون در شکل 5h,i (مربوط به ناحیه NGF نشان داده شده در شکل 5a) یک الگوی [0001] منفرد را با شدت پراش نقطه کلی بالاتر نشان می‌دهد که مربوط به ضخامت ماده بیشتر است. این مدل‌های SAED با ساختار گرافیتی ضخیم‌تر و جهت‌گیری میانی‌تر از FLG مطابقت دارند، همانطور که از شاخص 64 استنباط می‌شود. ویژگی‌های کریستالی NGF همزیستی دو یا سه کریستال گرافیت (یا گرافن) را نشان داد. آنچه در منطقه FLG به ویژه قابل توجه است این است که کریستال ها دارای درجه مشخصی از جهت گیری نادرست درون صفحه یا خارج از صفحه هستند. ذرات/لایه‌های گرافیت با زوایای چرخش در صفحه 17 درجه، 22 درجه و 25 درجه قبلاً برای NGF رشد یافته روی فیلم‌های Ni 64 گزارش شده‌اند. مقادیر زاویه چرخش مشاهده شده در این مطالعه با زوایای چرخش مشاهده شده قبلی (±1 درجه) برای گرافن پیچ خورده BLG63 مطابقت دارد.
خواص الکتریکی NGF/SiO2/Si در 300 K در مساحت 10×3 mm2 اندازه‌گیری شد. مقادیر غلظت حامل الکترون، تحرک و رسانایی به ترتیب 1.6 × 1020 cm-3، 220 cm2 V-1 C-1 و 2000 S-cm-1 است. مقادیر تحرک و رسانایی NGF ما مشابه گرافیت طبیعی 2 و بالاتر از گرافیت پیرولیتیک بسیار جهت‌دار تجاری (تولید شده در 3000 درجه سانتیگراد)29 است. مقادیر غلظت حامل الکترون مشاهده شده دو مرتبه بزرگتر از آنچه اخیراً گزارش شده است (7.25 × 10 cm-3) برای فیلم های گرافیتی با ضخامت میکرون تهیه شده با استفاده از ورقه های پلی آمید با دمای بالا (3200 درجه سانتی گراد) 20 است.
ما همچنین اندازه‌گیری‌های انتقال قابل مشاهده UV را بر روی FS-NGF منتقل شده به بسترهای کوارتز انجام دادیم (شکل 6). طیف به دست آمده یک گذر تقریباً ثابت 62٪ را در محدوده 350-800 نانومتر نشان می دهد، که نشان می دهد NGF نسبت به نور مرئی نیمه شفاف است. در واقع، نام "KAUST" را می توان در عکس دیجیتالی نمونه در شکل 6b مشاهده کرد. اگرچه ساختار نانو کریستالی NGF با ساختار SLG متفاوت است، تعداد لایه ها را می توان تقریباً با استفاده از قانون 2.3 درصد تلفات انتقال در هر لایه اضافی تخمین زد. بر اساس این رابطه، تعداد لایه‌های گرافن با 38 درصد تلفات انتقال 21 است. NGF رشد یافته عمدتاً از 300 لایه گرافن، یعنی حدود 100 نانومتر ضخامت تشکیل شده است (شکل 1، SI5 و SI7). بنابراین، ما فرض می کنیم که شفافیت نوری مشاهده شده با مناطق FLG و MLG مطابقت دارد، زیرا آنها در سراسر فیلم توزیع شده اند (شکل های 1، 3، 5 و 6c). علاوه بر داده های ساختاری فوق، رسانایی و شفافیت نیز کیفیت کریستالی بالای NGF منتقل شده را تایید می کند.
(الف) اندازه‌گیری گذردهی مرئی UV، (ب) انتقال معمولی NGF روی کوارتز با استفاده از یک نمونه معرف. (ج) شماتیک NGF (جعبه تاریک) با نواحی FLG و MLG با توزیع یکنواخت که به صورت اشکال تصادفی خاکستری در سراسر نمونه مشخص شده اند (شکل 1 را ببینید) (تقریباً 0.1-3٪ مساحت در 100 میکرومتر مربع). اشکال تصادفی و اندازه آنها در نمودار فقط برای اهداف تصویری است و با مناطق واقعی مطابقت ندارد.
NGF شفاف رشد یافته توسط CVD قبلاً به سطوح سیلیکونی خالی منتقل شده و در سلول های خورشیدی استفاده شده است. راندمان تبدیل توان حاصل (PCE) 1.5٪ است. این NGF ها عملکردهای متعددی مانند لایه های ترکیب فعال، مسیرهای انتقال بار و الکترودهای شفاف را انجام می دهند. با این حال، لایه گرافیتی یکنواخت نیست. بهینه سازی بیشتر با کنترل دقیق مقاومت ورق و انتقال نوری الکترود گرافیتی ضروری است، زیرا این دو ویژگی نقش مهمی در تعیین مقدار PCE سلول خورشیدی ایفا می کنند. به طور معمول، لایه های گرافن 97.7٪ شفاف در برابر نور مرئی هستند، اما دارای مقاومت ورقه ای 200-3000 اهم بر مربع 16 هستند. مقاومت سطحی لایه‌های گرافن را می‌توان با افزایش تعداد لایه‌ها (انتقال چند لایه گرافن) و دوپینگ با HNO3 (~30 اهم بر مربع) 66 کاهش داد. با این حال، این فرآیند زمان زیادی می برد و لایه های مختلف انتقال همیشه تماس خوبی را حفظ نمی کنند. NGF سمت جلوی ما دارای ویژگی هایی مانند رسانایی 2000 S/cm، مقاومت ورق فیلم 50 اهم بر مربع است. و شفافیت 62 درصد، آن را به یک جایگزین مناسب برای کانال های رسانا یا الکترودهای ضد در سلول های خورشیدی تبدیل می کند.
اگرچه ساختار و شیمی سطح BS-NGF مشابه FS-NGF است، زبری آن متفاوت است ("رشد FS- و BS-NGF"). قبلا از فیلم گرافیت 22 فوق نازک به عنوان سنسور گاز استفاده می کردیم. بنابراین، امکان استفاده از BS-NGF را برای وظایف سنجش گاز آزمایش کردیم (شکل SI10). ابتدا، بخش هایی به اندازه mm2 از BS-NGF به تراشه حسگر الکترود بین رقمی منتقل شدند (شکل SI10a-c). جزئیات ساخت تراشه قبلا گزارش شده بود. ناحیه حساس فعال آن 9mm267 است. در تصاویر SEM (شکل SI10b و c)، الکترود طلای زیرین به وضوح از طریق NGF قابل مشاهده است. باز هم مشاهده می شود که پوشش تراشه یکنواخت برای همه نمونه ها به دست آمد. اندازه‌گیری‌های حسگر گاز گازهای مختلف ثبت شد (شکل SI10d) (شکل SI11) و نرخ‌های پاسخ حاصل در شکل‌ها نشان داده شده است. SI10 گرم احتمالاً با سایر گازهای مزاحم از جمله SO2 (200 ppm)، H2 (2%)، CH4 (200 ppm)، CO2 (2%)، H2S (200 ppm) و NH3 (200 ppm). یکی از دلایل احتمالی NO2 است. ماهیت الکتروفیل گاز22،68. هنگامی که گرافن روی سطح جذب می شود، جذب جریان الکترون توسط سیستم را کاهش می دهد. مقایسه داده های زمان پاسخ سنسور BS-NGF با سنسورهای منتشر شده قبلی در جدول SI2 ارائه شده است. مکانیسم فعال‌سازی مجدد حسگرهای NGF با استفاده از پلاسمای UV، پلاسمای O3 یا عملیات حرارتی (50 تا 150 درجه سانتی‌گراد) نمونه‌های در معرض، ادامه دارد و در حالت ایده‌آل با اجرای سیستم‌های تعبیه‌شده دنبال می‌شود.
در طول فرآیند CVD، رشد گرافن در هر دو طرف بستر کاتالیزور رخ می‌دهد. با این حال، BS-گرافن معمولاً در طول فرآیند انتقال خارج می شود. در این مطالعه، ما نشان می‌دهیم که رشد NGF با کیفیت بالا و انتقال NGF بدون پلیمر را می‌توان در هر دو طرف پشتیبانی کاتالیزور به دست آورد. BS-NGF نازکتر (~80nm) از FS-NGF (~100nm) است و این تفاوت با این واقعیت توضیح داده می شود که BS-Ni مستقیماً در معرض جریان گاز پیش ساز قرار نمی گیرد. ما همچنین دریافتیم که زبری بستر NiAR بر زبری NGF تأثیر می گذارد. این نتایج نشان می دهد که FS-NGF مسطح رشد یافته می تواند به عنوان ماده پیش ساز برای گرافن (با روش لایه برداری70) یا به عنوان یک کانال رسانا در سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد15،16. در مقابل، BS-NGF برای تشخیص گاز (شکل SI9) و احتمالاً برای سیستم های ذخیره انرژی 71،72 استفاده خواهد شد که زبری سطح آن مفید خواهد بود.
با توجه به موارد فوق، ترکیب کار فعلی با فیلم‌های گرافیتی منتشر شده قبلی که توسط CVD و با استفاده از فویل نیکل رشد کرده‌اند، مفید است. همانطور که در جدول 2 مشاهده می شود، فشارهای بالاتری که ما استفاده کردیم زمان واکنش (مرحله رشد) را حتی در دماهای نسبتاً پایین (در محدوده 850 تا 1300 درجه سانتی گراد) کوتاه کرد. ما همچنین به رشد بیشتری نسبت به حد معمول دست یافتیم که نشان دهنده پتانسیل توسعه است. فاکتورهای دیگری نیز باید در نظر گرفته شود که برخی از آنها را در جدول آورده ایم.
NGF دو طرفه با کیفیت بالا روی فویل نیکل توسط CVD کاتالیزوری رشد داده شد. با حذف بسترهای پلیمری سنتی (مانند موارد استفاده شده در گرافن CVD)، ما به انتقال مرطوب تمیز و بدون عیب NGF (که در پشت و جلوی فویل نیکل رشد می‌کند) به انواع زیرلایه‌های حیاتی فرآیند دست می‌یابیم. قابل توجه، NGF شامل مناطق FLG و MLG (معمولاً 0.1٪ تا 3٪ در 100 میکرومتر مربع) است که از نظر ساختاری به خوبی در فیلم ضخیم تر ادغام می شوند. TEM مسطح نشان می دهد که این نواحی از دو تا سه ذره گرافیت/گرافن (به ترتیب بلورها یا لایه ها) تشکیل شده اند که برخی از آنها دارای عدم تطابق چرخشی 10-20 درجه هستند. مناطق FLG و MLG مسئول شفافیت FS-NGF به نور مرئی هستند. در مورد ورق های عقب، می توان آنها را به موازات ورق های جلو حمل کرد و همانطور که نشان داده شده است، می تواند یک هدف کاربردی (به عنوان مثال، برای تشخیص گاز) داشته باشد. این مطالعات برای کاهش ضایعات و هزینه ها در فرآیندهای CVD در مقیاس صنعتی بسیار مفید است.
به طور کلی، میانگین ضخامت CVD NGF بین صفحات گرافین (کم و چند لایه) و گرافیت صنعتی (میکرو متر) قرار دارد. طیف وسیعی از خواص جالب آنها، همراه با روش ساده ای که ما برای تولید و حمل و نقل آنها ایجاد کرده ایم، این فیلم ها را به ویژه برای کاربردهایی که نیاز به واکنش عملکردی گرافیت دارند، بدون هزینه فرآیندهای تولید صنعتی پر انرژی که در حال حاضر استفاده می شود، مناسب می کند.
یک فویل نیکل با ضخامت 25 میکرومتر (با خلوص 99.5٪، Goodfellow) در یک راکتور CVD تجاری (Aixtron 4-inch BMPro) نصب شد. سیستم با آرگون پاکسازی شد و تا فشار پایه 10-3 mbar تخلیه شد. سپس فویل نیکل قرار داده شد. در Ar/H2 (پس از آنیل کردن فویل نیکل به مدت 5 دقیقه، فویل در معرض فشار 500 mbar در دمای 900 درجه سانتیگراد قرار گرفت. NGF در جریان CH4/H2 (هر کدام 100 سانتی متر مکعب) به مدت 5 دقیقه قرار گرفت. سپس نمونه با استفاده از جریان Ar (4000 سانتی متر مکعب) در دمای 40 درجه سانتی گراد در دمای زیر 700 درجه سانتی گراد خنک شد.
مورفولوژی سطح نمونه توسط SEM با استفاده از میکروسکوپ زایس مرلین (1 کیلوولت، 50 pA) مشاهده شد. زبری سطح نمونه و ضخامت NGF با استفاده از AFM (Dimension Icon SPM، Bruker) اندازه گیری شد. اندازه‌گیری‌های TEM و SAED با استفاده از یک میکروسکوپ مکعبی 80-300 FEI Titan مجهز به تفنگ انتشار میدان روشنایی بالا (300 کیلوولت)، یک تک رنگ‌کننده نوع FEI Wien و یک اصلاح‌کننده انحراف کروی لنز CEOS برای به دست آوردن نتایج نهایی انجام شد. وضوح فضایی 0.09 نانومتر نمونه‌های NGF به شبکه‌های مسی با پوشش توری کربنی برای تصویربرداری TEM تخت و تحلیل ساختار SAED منتقل شدند. بنابراین، بیشتر لخته های نمونه در منافذ غشای نگهدارنده معلق هستند. نمونه های NGF منتقل شده توسط XRD آنالیز شدند. الگوهای پراش اشعه ایکس با استفاده از پراش سنج پودر (بروکر، شیفتر فاز D2 با منبع Cu Ka، 1.5418 Å و آشکارساز LYNXEYE) با استفاده از منبع تابش مس با قطر نقطه پرتو 3 میلی متر به دست آمد.
چندین اندازه گیری نقطه رامان با استفاده از میکروسکوپ کانفوکال یکپارچه (Alpha 300 RA، WITeC) ثبت شد. یک لیزر 532 نانومتری با قدرت تحریک کم (25٪) برای جلوگیری از اثرات ناشی از حرارت استفاده شد. طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) بر روی یک طیف‌سنج کریتوس آکسیس اولترا در سطح نمونه 300 × 700 میکرومتر مربع با استفاده از تابش AlKα تک رنگ (hν = 1486.6 eV) با توان 150 W انجام شد. طیف‌های تفکیک پذیری در انرژی های انتقال به ترتیب 160 و 20 ولت. نمونه‌های NGF منتقل‌شده به SiO2 با استفاده از لیزر فیبر ایتربیوم PLS6MW (1.06 میکرومتر) در 30 وات به قطعات (هر کدام 3×10 میلی‌متر مربع) بریده شدند. تماس‌های سیم مسی (ضخامت 50 میکرومتر) با استفاده از خمیر نقره در زیر میکروسکوپ نوری ساخته شدند. آزمایش‌های انتقال الکتریکی و اثر هال روی این نمونه‌ها در دمای 300 کلوین و تغییرات میدان مغناطیسی 9± تسلا در یک سیستم اندازه‌گیری خواص فیزیکی (PPMS EverCool-II، طراحی کوانتومی، ایالات متحده آمریکا) انجام شد. طیف های UV-vis منتقل شده با استفاده از یک اسپکتروفتومتر UV-vis لامبدا 950 در محدوده NGF 350-800 نانومتر که به زیرلایه های کوارتز و نمونه های مرجع کوارتز منتقل شده اند، ثبت شد.
سنسور مقاومت شیمیایی (تراشه الکترود بین رقمی) به یک برد مدار چاپی سفارشی 73 متصل شد و مقاومت به طور موقت استخراج شد. برد مدار چاپی که دستگاه روی آن قرار دارد به پایانه های تماس متصل شده و در داخل محفظه سنجش گاز 74 قرار می گیرد. اندازه گیری های مقاومت در ولتاژ 1 ولت با اسکن مداوم از پاکسازی تا قرار گرفتن در معرض گاز و سپس مجدداً پاکسازی انجام شد. محفظه در ابتدا با پاکسازی با نیتروژن در 200 سانتی متر مکعب به مدت 1 ساعت برای اطمینان از حذف سایر آنالیت های موجود در محفظه، از جمله رطوبت، تمیز شد. سپس تک تک آنالیت ها با بستن سیلندر N2 به آرامی با همان سرعت جریان 200 سانتی متر مکعب به داخل محفظه رها شدند.
نسخه اصلاح شده این مقاله منتشر شده است و از طریق لینک بالای مقاله قابل دسترسی است.
Inagaki، M. و Kang، F. کربن مواد علم و مهندسی مهندسی: مبانی. ویرایش دوم ویرایش شد. 2014. 542.
پیرسون، HO هندبوک کربن، گرافیت، الماس و فولرن ها: خواص، پردازش و کاربردها. ویرایش اول ویرایش شد. 1994، نیوجرسی.
تسای، دبلیو و همکاران لایه های چند لایه گرافن/گرافیت با مساحت بزرگ به عنوان الکترودهای رسانای نازک شفاف. کاربرد. فیزیک رایت 95(12)، 123115(2009).
Balandin AA خواص حرارتی گرافن و مواد کربن نانوساختار. نات. مت. 10 (8)، 569-581 (2011).
Cheng KY، Brown PW و Cahill DG رسانایی حرارتی لایه‌های گرافیتی که روی Ni (111) با رسوب شیمیایی بخار در دمای پایین رشد کرده‌اند. قید مت. رابط 3، 16 (2016).
Hesjedal, T. رشد مستمر لایه‌های گرافن با رسوب شیمیایی بخار. کاربرد. فیزیک رایت 98(13)، 133106(2011).