გმადლობთ Nature.com-ის მონახულებისთვის. ბრაუზერის ვერსიას, რომელსაც იყენებთ, აქვს შეზღუდული CSS მხარდაჭერა. საუკეთესო შედეგისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ თქვენი ბრაუზერის უფრო ახალი ვერსია (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). იმავდროულად, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის ან JavaScript-ის გარეშე.
ნანომასშტაბიანი გრაფიტის ფირები (NGF) არის მტკიცე ნანომასალები, რომლებიც შეიძლება წარმოიქმნას კატალიზური ქიმიური ორთქლის დეპონირებით, მაგრამ რჩება კითხვები მათი გადაცემის სიმარტივისა და ზედაპირის მორფოლოგიის ზეგავლენის შესახებ მათ გამოყენებაზე შემდეგი თაობის მოწყობილობებში. აქ ჩვენ ვახსენებთ NGF-ის ზრდას პოლიკრისტალური ნიკელის ფოლგის ორივე მხარეს (ფართობი 55 სმ2, სისქე დაახლოებით 100 ნმ) და მისი პოლიმერისგან თავისუფალი გადაცემა (წინ და უკანა, ფართობი 6 სმ2-მდე). კატალიზატორის ფოლგის მორფოლოგიიდან გამომდინარე, ნახშირბადის ორი ფილმი განსხვავდება მათი ფიზიკური თვისებებით და სხვა მახასიათებლებით (როგორიცაა ზედაპირის უხეშობა). ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ NGF-ები უფრო უხეში უკანა მხარით კარგად შეეფერება NO2-ის გამოვლენას, ხოლო უფრო გლუვი და უფრო გამტარი NGF-ები წინა მხარეს (2000 S/cm, ფურცლის წინააღმდეგობა – 50 ohms/m2) შეიძლება იყოს სიცოცხლისუნარიანი გამტარები. მზის ელემენტის არხი ან ელექტროდი (რადგან ის გადასცემს ხილული სინათლის 62%-ს). მთლიანობაში, აღწერილი ზრდისა და ტრანსპორტირების პროცესები შეიძლება დაეხმაროს NGF-ის, როგორც ალტერნატიული ნახშირბადის მასალის რეალიზებას ტექნოლოგიური აპლიკაციებისთვის, სადაც გრაფენი და მიკრონის სისქის გრაფიტის ფირები არ არის შესაფერისი.
გრაფიტი არის ფართოდ გამოყენებული სამრეწველო მასალა. აღსანიშნავია, რომ გრაფიტს აქვს შედარებით დაბალი მასის სიმკვრივის და მაღალი თერმული და ელექტრული გამტარობის თვისებები და ძალიან სტაბილურია მძიმე თერმულ და ქიმიურ გარემოში1,2. ფანტელი გრაფიტი არის ცნობილი საწყისი მასალა გრაფენის კვლევისთვის3. თხელ ფენებად დამუშავებისას, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას აპლიკაციების ფართო სპექტრში, მათ შორის სმარტფონებისთვის, როგორიცაა სმარტფონები4,5,6,7, როგორც აქტიური მასალა სენსორებში8,9,10 და ელექტრომაგნიტური ჩარევისგან დაცვისთვის11. 12 და ფილმები ლითოგრაფიისთვის ექსტრემალურ ულტრაიისფერში13,14, გამტარი არხები მზის უჯრედებში15,16. ყველა ამ აპლიკაციისთვის, მნიშვნელოვანი უპირატესობა იქნება, თუ გრაფიტის ფირის (NGFs) დიდი უბნები, რომელთა სისქე კონტროლდება ნანომასშტაბით <100 ნმ, ადვილად წარმოიქმნება და ტრანსპორტირდება.
გრაფიტის ფილმები მზადდება სხვადასხვა მეთოდით. ერთ შემთხვევაში, ჩანერგვა და გაფართოება, რასაც მოჰყვა აქერცვლა, გამოიყენეს გრაფენის ფანტელების წარმოებისთვის10,11,17. ფანტელები შემდგომში უნდა დამუშავდეს საჭირო სისქის ფილმებად და ხშირად რამდენიმე დღე სჭირდება მკვრივი გრაფიტის ფურცლების წარმოქმნას. კიდევ ერთი მიდგომაა გრაფიტირებადი მყარი წინამორბედებით დაწყება. მრეწველობაში პოლიმერების ფურცლები კარბონიზებულია (1000–1500 °C ტემპერატურაზე) და შემდეგ გრაფიტირდება (2800–3200 °C–ზე) კარგად სტრუქტურირებული ფენოვანი მასალების წარმოქმნით. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ფილმების ხარისხი მაღალია, ენერგიის მოხმარება არის მნიშვნელოვანი1,18,19 და მინიმალური სისქე შემოიფარგლება რამდენიმე მიკრონით1,18,19,20.
კატალიზური ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD) არის ცნობილი მეთოდი გრაფენისა და ულტრათხელი გრაფიტის ფირის წარმოებისთვის (<10 ნმ) მაღალი სტრუქტურული ხარისხით და გონივრული ღირებულებით21,22,23,24,25,26,27. თუმცა, გრაფენისა და ულტრათხელი გრაფიტის ფირის28 ზრდასთან შედარებით, დიდი ფართობის ზრდა და/ან NGF-ის გამოყენება CVD-ის გამოყენებით კიდევ უფრო ნაკლებად არის შესწავლილი11,13,29,30,31,32,33.
CVD-ში მოყვანილი გრაფენი და გრაფიტის ფირები ხშირად საჭიროებენ ფუნქციურ სუბსტრატებზე გადატანას34. ეს თხელი ფენის გადატანა მოიცავს ორ ძირითად მეთოდს35: (1) უხვად გადატანა36,37 და (2) სველი ქიმიკატების გადატანაზე დაფუძნებული (სუბსტრატის მხარდაჭერით)14,34,38. თითოეულ მეთოდს აქვს გარკვეული დადებითი და უარყოფითი მხარეები და უნდა შეირჩეს განზრახ აპლიკაციის მიხედვით, როგორც ეს აღწერილია სხვაგან35,39. კატალიზურ სუბსტრატებზე გაზრდილი გრაფენის/გრაფიტის ფილმებისთვის გადატანა სველი ქიმიური პროცესებით (რომელთაგან ყველაზე ხშირად გამოყენებული დამხმარე ფენაა პოლიმეთილ მეთაკრილატი (PMMA)) რჩება პირველ არჩევანზე13,30,34,38,40,41,42. თქვენ და სხვ. აღნიშნული იყო, რომ NGF გადასატანად არ იყო გამოყენებული პოლიმერი (ნიმუშის ზომა დაახლოებით 4 სმ2)25,43, მაგრამ არ იყო მოწოდებული დეტალები სინჯის სტაბილურობისა და/ან გადატანის დროს დამუშავების შესახებ; სველი ქიმიის პროცესები პოლიმერების გამოყენებით შედგება რამდენიმე ეტაპისგან, მათ შორის პოლიმერული მსხვერპლშეწირული ფენის გამოყენება და შემდგომი მოცილება30,38,40,41,42. ამ პროცესს აქვს უარყოფითი მხარეები: მაგალითად, პოლიმერის ნარჩენებს შეუძლიათ შეცვალონ მოზრდილი ფილმის თვისებები38. დამატებით დამუშავებას შეუძლია ნარჩენი პოლიმერის ამოღება, მაგრამ ეს დამატებითი ნაბიჯები ზრდის ფილმის წარმოების ღირებულებას და დროს38,40. CVD ზრდის დროს, გრაფენის ფენა დეპონირდება არა მხოლოდ კატალიზატორის ფოლგის წინა მხარეს (ორთქლის ნაკადისკენ მიმართული მხარე), არამედ მის უკანა მხარესაც. თუმცა, ეს უკანასკნელი ითვლება ნარჩენ პროდუქტად და შეიძლება სწრაფად მოიხსნას რბილი პლაზმით38,41. ამ ფირის გადამუშავება დაგეხმარებათ მაქსიმალური მოსავლიანობის გაზრდაში, თუნდაც ის უფრო დაბალი ხარისხის იყოს, ვიდრე სახის ნახშირბადის ფილმი.
აქ ჩვენ ვახსენებთ ვაფლის მასშტაბის ორმხრივი ზრდის NGF-ს მაღალი სტრუქტურული ხარისხის მომზადებას პოლიკრისტალურ ნიკელის ფოლგაზე CVD-ით. შეფასდა, თუ როგორ მოქმედებს ფოლგის წინა და უკანა ზედაპირის უხეშობა NGF-ის მორფოლოგიასა და სტრუქტურაზე. ჩვენ ასევე ვაჩვენებთ ხარჯთეფექტურ და ეკოლოგიურად სუფთა პოლიმერული NGF-ის გადატანას ნიკელის ფოლგის ორივე მხრიდან მრავალფუნქციურ სუბსტრატებზე და ვაჩვენებთ, თუ როგორ არის შესაფერისი წინა და უკანა ფირები სხვადასხვა გამოყენებისთვის.
შემდეგი სექციები განიხილავს გრაფიტის ფირის სხვადასხვა სისქეს დაწყობილი გრაფენის ფენების რაოდენობის მიხედვით: (i) ერთფენიანი გრაფენი (SLG, 1 ფენა), (ii) რამდენიმე ფენის გრაფინი (FLG, < 10 ფენა), (iii) მრავალშრიანი გრაფენი ( MLG, 10-30 ფენა) და (iv) NGF (~ 300 ფენა). ეს უკანასკნელი არის ყველაზე გავრცელებული სისქე, რომელიც გამოხატულია ფართობის პროცენტულად (დაახლოებით 97% ფართობი 100 μm2-ზე)30. ამიტომ მთელ ფილმს უბრალოდ NGF ჰქვია.
პოლიკრისტალური ნიკელის კილიტა, რომელიც გამოიყენება გრაფენისა და გრაფიტის ფირის სინთეზისთვის, აქვთ განსხვავებული ტექსტურა მათი დამზადებისა და შემდგომი დამუშავების შედეგად. ჩვენ ახლახანს მოვახსენეთ კვლევა NGF30-ის ზრდის პროცესის ოპტიმიზაციის მიზნით. ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ პროცესის პარამეტრები, როგორიცაა დუღილის დრო და კამერის წნევა ზრდის ეტაპზე, გადამწყვეტ როლს თამაშობს ერთგვაროვანი სისქის NGF-ების მიღებაში. აქ ჩვენ შემდგომ გამოვიკვლიეთ NGF-ის ზრდა ნიკელის ფოლგის გაპრიალებულ წინა (FS) და გაუპრიალებულ უკანა (BS) ზედაპირებზე (ნახ. 1a). გამოკვლეულია FS და BS ნიმუშის სამი ტიპი, რომლებიც ჩამოთვლილია ცხრილში 1. ვიზუალური დათვალიერებისას, ნიკელის ფოლგის (NiAG) ორივე მხარეს NGF-ის ერთგვაროვანი ზრდა ჩანს დამახასიათებელი მეტალის ვერცხლის საწყისი Ni სუბსტრატის ფერის ცვლილებით. ნაცრისფერი მქრქალი ნაცრისფერ ფერამდე (სურ. 1ა); მიკროსკოპული გაზომვები დადასტურდა (ნახ. 1b, c). ტიპიური რამანის FS-NGF სპექტრი, რომელიც დაფიქსირდა ნათელ რეგიონში და მითითებულია 1b-ზე წითელი, ლურჯი და ნარინჯისფერი ისრებით, ნაჩვენებია სურათზე 1c. გრაფიტის G (1683 სმ−1) და 2D (2696 სმ−1) დამახასიათებელი რამანის მწვერვალები ადასტურებენ მაღალკრისტალური NGF-ის ზრდას (ნახ. 1c, ცხრილი SI1). მთელი ფილმის განმავლობაში დაფიქსირდა რამანის სპექტრების ჭარბი ინტენსივობის თანაფარდობა (I2D/IG) ~0.3, ხოლო რამანის სპექტრები I2D/IG = 0.8 იშვიათად. დეფექტური მწვერვალების არარსებობა (D = 1350 სმ-1) მთელ ფილმში მიუთითებს NGF ზრდის მაღალ ხარისხზე. რამანის მსგავსი შედეგები იქნა მიღებული BS-NGF ნიმუშზე (სურათი SI1 a და b, ცხრილი SI1).
NiAG FS- და BS-NGF-ის შედარება: (ა) ტიპიური NGF (NiAG) ნიმუშის ფოტო, რომელიც აჩვენებს NGF ზრდას ვაფლის მასშტაბით (55 სმ2) და შედეგად მიღებული BS- და FS-Ni კილიტის ნიმუშები, (ბ) FS-NGF სურათები/Ni მიღებული ოპტიკური მიკროსკოპით, (c) ტიპიური რამანის სპექტრები ჩაწერილი სხვადასხვა პოზიციებზე b პანელზე, (d, f) SEM გამოსახულებები სხვადასხვა გადიდებით FS-NGF/Ni, (ე, გ) SEM გამოსახულებები სხვადასხვა გადიდებით კომპლექტი BS -NGF/Ni. ლურჯი ისარი მიუთითებს FLG რეგიონს, ნარინჯისფერი ისარი მიუთითებს MLG რეგიონს (FLG რეგიონის მახლობლად), წითელი ისარი მიუთითებს NGF რეგიონზე და ფუქსინისფერი ისარი მიუთითებს ნაკეცზე.
ვინაიდან ზრდა დამოკიდებულია საწყისი სუბსტრატის სისქეზე, კრისტალების ზომაზე, ორიენტაციაზე და მარცვლის საზღვრებზე, NGF სისქის გონივრული კონტროლის მიღწევა დიდ ტერიტორიებზე რჩება გამოწვევად20,34,44. ამ კვლევაში გამოყენებული იყო ჩვენ მიერ ადრე გამოქვეყნებული კონტენტი30. ეს პროცესი წარმოქმნის ნათელ რეგიონს 0.1-დან 3%-მდე 100 μm230-ზე. შემდეგ განყოფილებებში წარმოგიდგენთ შედეგებს ორივე ტიპის რეგიონისთვის. მაღალი გადიდების SEM გამოსახულებები აჩვენებს რამდენიმე ნათელი კონტრასტული უბნის არსებობას ორივე მხარეს (ნახ. 1f,g), რაც მიუთითებს FLG და MLG რეგიონების არსებობაზე30,45. ეს ასევე დადასტურდა რამანის გაფანტვით (ნახ. 1c) და TEM-ის შედეგებით (მოგვიანებით განხილულია განყოფილებაში „FS-NGF: სტრუქტურა და თვისებები“). FLG და MLG რეგიონები, რომლებიც დაფიქსირდა FS- და BS-NGF/Ni ნიმუშებზე (წინ და უკანა NGF გაზრდილი Ni-ზე) შესაძლოა იზრდებოდა მსხვილ Ni(111) მარცვლებზე, რომლებიც წარმოიქმნება წინასწარ დამუშავების დროს22,30,45. დაკეცვა დაფიქსირდა ორივე მხრიდან (ნახ. 1ბ, მონიშნულია მეწამული ისრებით). ეს ნაკეცები ხშირად გვხვდება CVD-ში მოყვანილ გრაფენსა და გრაფიტის ფილებში გრაფიტსა და ნიკელის სუბსტრატს შორის თერმული გაფართოების კოეფიციენტში დიდი სხვაობის გამო30,38.
AFM სურათმა დაადასტურა, რომ FS-NGF ნიმუში უფრო ბრტყელი იყო, ვიდრე BS-NGF ნიმუში (სურათი SI1) (სურათი SI2). FS-NGF/Ni (ნახ. SI2c) და BS-NGF/Ni (ნახ. SI2d) ფესვის საშუალო კვადრატის (RMS) უხეშობის მნიშვნელობები არის 82 და 200 ნმ, შესაბამისად (იზომება 20 × ფართობზე. 20 მკმ2). უფრო მაღალი უხეშობა შეიძლება გავიგოთ ნიკელის (NiAR) ფოლგის ზედაპირის ანალიზის საფუძველზე, როგორც მიღებულ მდგომარეობაში (სურათი SI3). FS-ისა და BS-NiAR-ის SEM გამოსახულებები ნაჩვენებია სურათებში SI3a–d, რომლებიც ასახავს სხვადასხვა ზედაპირის მორფოლოგიას: გაპრიალებულ FS-Ni კილიტას აქვს ნანო და მიკრონის ზომის სფერული ნაწილაკები, ხოლო გაუპრიალებელი BS-Ni კილიტა ასახავს წარმოების კიბეს. როგორც ნაწილაკები მაღალი სიმტკიცით. და კლება. ნიკელის ფოლგის დაბალი და მაღალი გარჩევადობის სურათები (NiA) ნაჩვენებია სურათზე SI3e–h. ამ ფიგურებში ჩვენ შეგვიძლია დავაკვირდეთ რამდენიმე მიკრონის ზომის ნიკელის ნაწილაკების არსებობას ნიკელის ფოლგის ორივე მხარეს (ნახ. SI3e–h). მსხვილ მარცვლებს შეიძლება ჰქონდეს Ni(111) ზედაპირის ორიენტაცია, როგორც ადრე იყო მოხსენებული30,46. მნიშვნელოვანი განსხვავებებია ნიკელის ფოლგის მორფოლოგიაში FS-NiA-სა და BS-NiA-ს შორის. BS-NGF/Ni-ის უფრო მაღალი უხეშობა განპირობებულია BS-NiAR-ის გაუპრიალებელი ზედაპირით, რომლის ზედაპირი მნიშვნელოვნად უხეში რჩება გახეხვის შემდეგაც (სურათი SI3). ამ ტიპის ზედაპირის დახასიათება ზრდის პროცესამდე იძლევა გრაფენისა და გრაფიტის ფირის უხეშობის კონტროლის საშუალებას. უნდა აღინიშნოს, რომ თავდაპირველ სუბსტრატს განიცადა მარცვლეულის გარკვეული რეორგანიზაცია გრაფენის ზრდის დროს, რამაც ოდნავ შეამცირა მარცვლების ზომა და გარკვეულწილად გაზარდა სუბსტრატის ზედაპირის უხეშობა ანილილ ფოლგასთან და კატალიზატორის ფილასთან შედარებით22.
სუბსტრატის ზედაპირის უხეშობის, დამუშავების დროის (მარცვლის ზომა)30,47 და გამოშვების კონტროლი43 დაზუსტება ხელს შეუწყობს რეგიონალური NGF სისქის ერთგვაროვნების შემცირებას μm2 და/ან თუნდაც nm2 შკალამდე (ანუ სისქის ვარიაციები რამდენიმე ნანომეტრით). სუბსტრატის ზედაპირის უხეშობის გასაკონტროლებლად შეიძლება ჩაითვალოს ისეთი მეთოდები, როგორიცაა მიღებული ნიკელის ფოლგის ელექტროლიტური გაპრიალება48. წინასწარ დამუშავებული ნიკელის ფოლგა შეიძლება შემდეგ დადუღდეს დაბალ ტემპერატურაზე (< 900 °C) 46 და დროში (< 5 წთ), რათა თავიდან იქნას აცილებული დიდი Ni(111) მარცვლების წარმოქმნა (რაც სასარგებლოა FLG-ს ზრდისთვის).
SLG და FLG გრაფენი ვერ უძლებს მჟავებისა და წყლის ზედაპირულ დაძაბულობას, რაც მოითხოვს მექანიკურ დამხმარე ფენებს სველი ქიმიური გადაცემის პროცესების დროს22,34,38. პოლიმერზე დაფუძნებული ერთშრიანი გრაფენის სველი ქიმიური გადაცემისგან განსხვავებით, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ზრდასრული NGF-ის ორივე მხარე შეიძლება გადაიტანოს პოლიმერული საყრდენის გარეშე, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 2a (დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ სურათი SI4a). NGF-ის გადატანა მოცემულ სუბსტრატზე იწყება ძირი Ni30.49 ფირის სველი აკრავით. გაზრდილი NGF/Ni/NGF ნიმუშები მოთავსდა ღამით 15 მლ 70% HNO3-ში, განზავებული 600 მლ დეიონიზებული (DI) წყლით. მას შემდეგ, რაც Ni ფოლგა მთლიანად დაიშლება, FS-NGF რჩება ბრტყელი და ცურავს სითხის ზედაპირზე, ისევე როგორც NGF/Ni/NGF ნიმუში, ხოლო BS-NGF ჩაეფლო წყალში (ნახ. 2a,b). შემდეგ იზოლირებული NGF გადაიტანეს ერთი ჭიქიდან, რომელიც შეიცავდა სუფთა დეიონიზებულ წყალს მეორე ჭიქაში და იზოლირებული NGF საფუძვლიანად გარეცხეს, განმეორებით ოთხიდან ექვსჯერ ჩაზნექილი მინის ჭურჭლის მეშვეობით. საბოლოოდ, FS-NGF და BS-NGF მოთავსდა სასურველ სუბსტრატზე (ნახ. 2c).
პოლიმერისგან თავისუფალი სველი ქიმიური გადაცემის პროცესი NGF-სთვის, რომელიც გაიზარდა ნიკელის ფოლგაზე: (a) პროცესის ნაკადის დიაგრამა (იხილეთ სურათი SI4 დამატებითი დეტალებისთვის), (ბ) გამოყოფილი NGF-ის ციფრული ფოტოსურათი Ni-ს აკრავის შემდეგ (2 ნიმუში), (c) მაგალითი FS – და BS-NGF გადატანა SiO2/Si სუბსტრატზე, (დ) FS-NGF გადატანა გაუმჭვირვალე პოლიმერულ სუბსტრატზე, (ე) BS-NGF იმავე ნიმუშიდან, როგორც პანელი d (დაყოფილია ორ ნაწილად), გადატანილი ოქროთი მოოქროვილი C ქაღალდზე და ნაფიონი (მოქნილი გამჭვირვალე სუბსტრატი, კიდეები აღინიშნება წითელი კუთხეებით).
გაითვალისწინეთ, რომ SLG გადატანა, რომელიც შესრულებულია სველი ქიმიური გადაცემის მეთოდების გამოყენებით, მოითხოვს დამუშავების მთლიან დროს 20–24 საათს38. აქ ნაჩვენები პოლიმერისგან თავისუფალი გადაცემის ტექნიკით (სურათი SI4a), NGF გადაცემის დამუშავების საერთო დრო მნიშვნელოვნად მცირდება (დაახლოებით 15 საათი). პროცესი შედგება: (ნაბიჯი 1) მოამზადეთ ოხრახუშის ხსნარი და მოათავსეთ ნიმუში მასში (~10 წუთი), შემდეგ დაელოდეთ ღამით Ni-ს აკრავას (~7200 წუთი), (ნაბიჯი 2) ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით (ნაბიჯი – 3) . შეინახეთ დეიონიზებულ წყალში ან გადაიტანეთ სამიზნე სუბსტრატზე (20 წთ). NGF-სა და ნაყარ მატრიქსს შორის ჩარჩენილი წყალი ამოღებულია კაპილარული მოქმედებით (ბლატიური ქაღალდის გამოყენებით)38, შემდეგ წყლის დარჩენილი წვეთები ამოღებულია ბუნებრივი გაშრობით (დაახლოებით 30 წთ) და ბოლოს ნიმუში შრება 10 წუთის განმავლობაში. წთ ვაკუუმურ ღუმელში (10–1 მბ) 50–90 °C (60 წთ) 38.
ცნობილია, რომ გრაფიტი უძლებს წყლისა და ჰაერის არსებობას საკმაოდ მაღალ ტემპერატურაზე (≥ 200 °C)50,51,52. ჩვენ შევამოწმეთ ნიმუშები რამანის სპექტროსკოპიის, SEM და XRD გამოყენებით დეიონიზებულ წყალში ოთახის ტემპერატურაზე და დალუქულ ბოთლებში შენახვის შემდეგ რამდენიმე დღიდან ერთ წლამდე (სურათი SI4). შესამჩნევი დეგრადაცია არ არის. სურათი 2c გვიჩვენებს თავისუფლად მდგარ FS-NGF და BS-NGF დეიონიზებულ წყალში. ჩვენ დავაფიქსირეთ ისინი SiO2 (300 ნმ)/Si სუბსტრატზე, როგორც ნაჩვენებია სურათი 2c-ის დასაწყისში. გარდა ამისა, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2d,e, უწყვეტი NGF შეიძლება გადავიდეს სხვადასხვა სუბსტრატებზე, როგორიცაა პოლიმერები (Thermabright polyamide from Nexolve and Nafion) და ოქროთი დაფარული ნახშირბადის ქაღალდი. მცურავი FS-NGF ადვილად მოთავსდა სამიზნე სუბსტრატზე (ნახ. 2c, d). თუმცა, BS-NGF ნიმუშები 3 სმ2-ზე დიდი იყო რთული დასამუშავებელი, როდესაც მთლიანად ჩაეფლო წყალში. ჩვეულებრივ, როდესაც ისინი იწყებენ წყალში გორვას, უყურადღებო მოპყრობის გამო ისინი ზოგჯერ ორ ან სამ ნაწილად იშლება (ნახ. 2e). საერთო ჯამში, ჩვენ შევძელით მიგვეღწია PS- და BS-NGF პოლიმერისგან თავისუფალი გადაცემის (უწყვეტი უწყვეტი გადაცემა NGF/Ni/NGF ზრდის გარეშე 6 სმ2-ზე) ნიმუშებისთვის 6 და 3 სმ2-მდე ფართობით, შესაბამისად. ნებისმიერი დარჩენილი დიდი ან პატარა ნაჭერი შეიძლება იყოს (ადვილად ჩანს ოქროვის ხსნარში ან დეიონიზებულ წყალში) სასურველ სუბსტრატზე (~1 მმ2, სურათი SI4b, იხილეთ ნიმუში გადატანილი სპილენძის ქსელში, როგორც "FS-NGF: სტრუქტურა და თვისებები (განხილულია) "სტრუქტურა და თვისებები") ან შეინახეთ მომავალი გამოყენებისთვის (სურათი SI4). ამ კრიტერიუმიდან გამომდინარე, ჩვენ ვაფასებთ, რომ NGF შეიძლება აღდგეს 98-99%-მდე მოსავლიანობით (გადაცემის ზრდის შემდეგ).
პოლიმერის გარეშე გადატანილი ნიმუშები დეტალურად გაანალიზდა. FS- და BS-NGF/SiO2/Si (ნახ. 2c) მიღებულმა ზედაპირის მორფოლოგიურმა მახასიათებლებმა ოპტიკური მიკროსკოპის (OM) და SEM გამოსახულების გამოყენებით (ნახ. SI5 და სურ. 3) აჩვენა, რომ ეს ნიმუშები გადატანილი იყო მიკროსკოპის გარეშე. ხილული სტრუქტურული დაზიანება, როგორიცაა ბზარები, ხვრელები ან გაშლილი ადგილები. მზარდი NGF-ზე ნაკეცები (ნახ. 3b, d, მონიშნულია მეწამული ისრებით) ხელუხლებელი დარჩა გადატანის შემდეგ. ორივე FS- და BS-NGF შედგება FLG რეგიონებისგან (ნათელი რეგიონები ნაჩვენებია ლურჯი ისრებით სურათზე 3). გასაკვირია, რომ იმ რამდენიმე დაზიანებული უბნისგან განსხვავებით, რომელიც ჩვეულებრივ შეინიშნება ულტრათხელი გრაფიტის ფენების პოლიმერული გადატანის დროს, მიკრონის ზომის FLG და MLG რეგიონები, რომლებიც დაკავშირებულია NGF-თან (მონიშნული ლურჯი ისრებით სურათზე 3d) გადატანილი იქნა ბზარების და რღვევების გარეშე (სურათი 3d). . 3). . მექანიკური მთლიანობა შემდგომში დადასტურდა NGF-ის TEM და SEM გამოსახულებების გამოყენებით, რომლებიც გადატანილია მაქმანები-ნახშირბადის სპილენძის ბადეებზე, როგორც მოგვიანებით განვიხილეთ („FS-NGF: სტრუქტურა და თვისებები“). გადაცემული BS-NGF/SiO2/Si უფრო უხეშია ვიდრე FS-NGF/SiO2/Si rms მნიშვნელობებით 140 ნმ და 17 ნმ, შესაბამისად, როგორც ნაჩვენებია სურათზე SI6a და b (20 × 20 μm2). SiO2/Si სუბსტრატზე გადატანილი NGF-ის RMS მნიშვნელობა (RMS < 2 ნმ) მნიშვნელოვნად დაბალია (დაახლოებით 3-ჯერ) ვიდრე Ni-ზე მოყვანილი NGF-ის (სურათი SI2), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ დამატებითი უხეშობა შეიძლება შეესაბამებოდეს Ni ზედაპირს. გარდა ამისა, AFM სურათებმა შესრულებული FS- და BS-NGF/SiO2/Si ნიმუშების კიდეებზე აჩვენა NGF სისქე 100 და 80 ნმ, შესაბამისად (ნახ. SI7). BS-NGF-ის უფრო მცირე სისქე შეიძლება იყოს იმის შედეგი, რომ ზედაპირი პირდაპირ არ ექვემდებარება წინამორბედ გაზს.
გადატანილი NGF (NiAG) პოლიმერის გარეშე SiO2/Si ვაფლზე (იხ. სურათი 2c): (a,b) გადატანილი FS-NGF-ის SEM გამოსახულებები: დაბალი და მაღალი გადიდება (შეესაბამება ფორთოხლის კვადრატს პანელზე). ტიპიური უბნები) – ა). (გ, დ) გადაცემული BS-NGF-ის SEM გამოსახულებები: დაბალი და მაღალი გადიდება (შეესაბამება ტიპიურ ფართობს, რომელიც ნაჩვენებია c პანელზე ფორთოხლის კვადრატით). (ე, ვ) გადატანილი FS- და BS-NGF-ების AFM გამოსახულებები. ცისფერი ისარი წარმოადგენს FLG რეგიონს - კაშკაშა კონტრასტს, ცისფერი ისარი - შავი MLG კონტრასტი, წითელი ისარი - შავი კონტრასტი წარმოადგენს NGF რეგიონს, მეჯენტა ისარი წარმოადგენს ნაკეცს.
გაზრდილი და გადატანილი FS- და BS-NGF-ების ქიმიური შემადგენლობა გაანალიზდა რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპიით (XPS) (ნახ. 4). სუსტი პიკი დაფიქსირდა გაზომილ სპექტრებში (ნახ. 4a, b), რომელიც შეესაბამება გაზრდილი FS- და BS-NGFs (NiAG) Ni სუბსტრატს (850 eV). გადატანილი FS- და BS-NGF/SiO2/Si გაზომილ სპექტრებში არ არის მწვერვალები (ნახ. 4c; BS-NGF/SiO2/Si მსგავსი შედეგები არ არის ნაჩვენები), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ გადატანის შემდეგ არ არის ნარჩენი Ni დაბინძურება. . ნახაზები 4d–f გვიჩვენებს FS-NGF/SiO2/Si C 1 s, O 1 s და Si 2p ენერგიის დონეების მაღალი გარჩევადობის სპექტრებს. გრაფიტის C 1 s-ის შეკავშირების ენერგია არის 284.4 eV53.54. გრაფიტის მწვერვალების ხაზოვანი ფორმა ზოგადად მიჩნეულია ასიმეტრიულად, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 4d54. მაღალი გარჩევადობის ბირთვის დონის C 1 s სპექტრმა (ნახ. 4d) ასევე დაადასტურა სუფთა ტრანსფერი (ანუ პოლიმერის ნარჩენების გარეშე), რაც შეესაბამება წინა კვლევებს38. ახლად მოყვანილი ნიმუშის (NiAG) და გადატანის შემდეგ C 1 s სპექტრების ხაზის სიგანეებია 0,55 და 0,62 ევ, შესაბამისად. ეს მნიშვნელობები უფრო მაღალია ვიდრე SLG (0.49 eV SLG-სთვის SiO2 სუბსტრატზე)38. თუმცა, ეს მნიშვნელობები უფრო მცირეა, ვიდრე ადრე მოხსენებული ხაზის სიგანე მაღალი ორიენტირებული პიროლიზური გრაფენის ნიმუშებისთვის (~0.75 eV)53,54,55, რაც მიუთითებს ნახშირბადის დეფექტური ადგილების არარსებობაზე მიმდინარე მასალაში. C 1 s და O 1 s გრუნტის დონის სპექტრებს ასევე აკლია მხრები, რაც გამორიცხავს მაღალი გარჩევადობის პიკის დეკონვოლუციის საჭიროებას54. არსებობს π → π* სატელიტური პიკი დაახლოებით 291,1 ევ, რაც ხშირად შეინიშნება გრაფიტის ნიმუშებში. 103 eV და 532.5 eV სიგნალები Si 2p და O 1 s ბირთვის დონის სპექტრებში (იხ. სურ. 4e, f) მიეკუთვნება SiO2 56 სუბსტრატს, შესაბამისად. XPS არის ზედაპირისადმი მგრძნობიარე ტექნიკა, ამიტომ სიგნალები, რომლებიც შეესაბამება Ni და SiO2-ს, გამოვლენილი NGF გადაცემის წინ და შემდეგ, შესაბამისად, ვარაუდობენ, რომ მომდინარეობს FLG რეგიონიდან. მსგავსი შედეგები დაფიქსირდა გადატანილ BS-NGF ნიმუშებზე (არ არის ნაჩვენები).
NiAG XPS შედეგები: (ა.შ.) მოყვანილი FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni და გადატანილი FS-NGF/SiO2/Si, შესაბამისად, სხვადასხვა ელემენტარული ატომური კომპოზიციების კვლევის სპექტრები. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si ნიმუშის C 1 s, O 1s და Si 2p ბირთვის დონეების მაღალი გარჩევადობის სპექტრები.
გადატანილი NGF კრისტალების საერთო ხარისხი შეფასდა რენტგენის დიფრაქციის (XRD) გამოყენებით. გადატანილი FS- და BS-NGF/SiO2/Si ტიპიური XRD შაბლონები (ნახ. SI8) აჩვენებს დიფრაქციული მწვერვალების არსებობას (0 0 0 2) და (0 0 0 4) 26.6° და 54.7° გრაფიტის მსგავსი. . ეს ადასტურებს NGF-ის მაღალ კრისტალურ ხარისხს და შეესაბამება d = 0,335 ნმ ფენების დისტანციას, რომელიც შენარჩუნებულია გადაცემის საფეხურის შემდეგ. დიფრაქციის პიკის (0 0 0 2) ინტენსივობა დაახლოებით 30-ჯერ აღემატება დიფრაქციის პიკს (0 0 0 4), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ NGF ბროლის სიბრტყე კარგად არის გასწორებული ნიმუშის ზედაპირთან.
SEM-ის, რამანის სპექტროსკოპიის, XPS და XRD-ის შედეგების მიხედვით, BS-NGF/Ni-ის ხარისხი იგივე იყო, რაც FS-NGF/Ni, თუმცა მისი rms უხეშობა ოდნავ მაღალი იყო (სურათები SI2, SI5). და SI7).
SLG-ები პოლიმერული საყრდენი ფენებით 200 ნმ-მდე სისქით შეუძლიათ წყალზე ცურვას. ეს კონფიგურაცია ჩვეულებრივ გამოიყენება პოლიმერის დახმარებით სველი ქიმიური გადაცემის პროცესებში22,38. გრაფენი და გრაფიტი ჰიდროფობიურია (სველი კუთხე 80–90°) 57 . როგორც გრაფინის, ასევე FLG-ის პოტენციური ენერგიის ზედაპირები საკმაოდ ბრტყელია, დაბალი პოტენციური ენერგიით (~1 კჯ/მოლი) ზედაპირზე წყლის გვერდითი მოძრაობისთვის58. თუმცა, წყლის გამოთვლილი ურთიერთქმედების ენერგია გრაფენთან და გრაფენის სამ ფენასთან არის დაახლოებით - 13 და − 15 კჯ/მოლი,58, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ წყლის ურთიერთქმედება NGF-თან (დაახლოებით 300 ფენა) უფრო დაბალია გრაფენთან შედარებით. ეს შეიძლება იყოს ერთ-ერთი მიზეზი იმისა, რომ NGF წყლის ზედაპირზე ბრტყლად რჩება, ხოლო თავისუფლად მდგომი გრაფენი (რომელიც წყალში ცურავს) იხვევა და იშლება. როდესაც NGF მთლიანად ჩაეფლო წყალში (შედეგები იგივეა უხეში და ბრტყელი NGF-ისთვის), მისი კიდეები იღუნება (სურათი SI4). სრული ჩაძირვის შემთხვევაში, მოსალოდნელია, რომ NGF-წყლის ურთიერთქმედების ენერგია თითქმის გაორმაგდება (მცურავი NGF-თან შედარებით) და NGF-ის კიდეები იკეცება მაღალი კონტაქტის კუთხის შესანარჩუნებლად (ჰიდროფობია). ჩვენ გვჯერა, რომ სტრატეგიების შემუშავება შესაძლებელია ჩაშენებული NGF-ების კიდეების დახვევის თავიდან ასაცილებლად. ერთი მიდგომა არის შერეული გამხსნელების გამოყენება გრაფიტის ფირის დამსველებელი რეაქციის მოდულაციისთვის59.
ადრე მოხსენებული იყო SLG-ის გადატანა სხვადასხვა ტიპის სუბსტრატებზე სველი ქიმიური გადაცემის პროცესების მეშვეობით. ზოგადად მიღებულია, რომ სუსტი ვან დერ ვაალის ძალები არსებობს გრაფენის/გრაფიტის ფენებსა და სუბსტრატებს შორის (იქნება ეს ხისტი სუბსტრატები, როგორიცაა SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si სვეტები22 და მაქმანის ნახშირბადის ფენები30, 34 თუ მოქნილი სუბსტრატები. როგორიცაა პოლიმიდი 37). აქ ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ერთი და იგივე ტიპის ურთიერთქმედებები ჭარბობს. ჩვენ არ დაგვიფიქსირებია NGF-ის დაზიანება ან აქერცვლა რომელიმე სუბსტრატისთვის, რომელიც წარმოდგენილია აქ მექანიკური დამუშავების დროს (დახასიათების დროს ვაკუუმში და/ან ატმოსფერულ პირობებში ან შენახვის დროს) (მაგ., სურათი 2, SI7 და SI9). გარდა ამისა, ჩვენ არ დავაფიქსირეთ SiC პიკი NGF/SiO2/Si ნიმუშის ბირთვის დონის XPS C 1 s სპექტრში (ნახ. 4). ეს შედეგები მიუთითებს, რომ არ არსებობს ქიმიური კავშირი NGF-სა და სამიზნე სუბსტრატს შორის.
წინა ნაწილში, „FS- და BS-NGF პოლიმერისგან თავისუფალი გადაცემა“, ჩვენ ვაჩვენეთ, რომ NGF შეიძლება გაიზარდოს და გადაიტანოს ნიკელის ფოლგის ორივე მხარეს. ეს FS-NGF და BS-NGF არ არის იდენტური ზედაპირის უხეშობის თვალსაზრისით, რამაც აიძულა შეგვესწავლა ყველაზე შესაფერისი აპლიკაციები თითოეული ტიპისთვის.
FS-NGF-ის გამჭვირვალობისა და გლუვი ზედაპირის გათვალისწინებით, უფრო დეტალურად შევისწავლეთ მისი ადგილობრივი სტრუქტურა, ოპტიკური და ელექტრული თვისებები. FS-NGF-ის სტრუქტურა და სტრუქტურა პოლიმერული გადაცემის გარეშე ხასიათდებოდა გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის (TEM) გამოსახულების და შერჩეული ფართობის ელექტრონული დიფრაქციის (SAED) ნიმუშის ანალიზით. შესაბამისი შედეგები ნაჩვენებია სურათზე 5. დაბალი გადიდების პლანური TEM გამოსახულება გამოავლინა NGF და FLG რეგიონების არსებობა სხვადასხვა ელექტრონების კონტრასტის მახასიათებლებით, ანუ მუქი და ნათელი უბნები, შესაბამისად (ნახ. 5a). ფილმი მთლიანობაში ავლენს კარგ მექანიკურ მთლიანობას და სტაბილურობას NGF და FLG-ის სხვადასხვა რეგიონებს შორის, კარგი გადახურვით და დაზიანებისა და გახეხვის გარეშე, რაც ასევე დადასტურდა SEM (სურათი 3) და მაღალი გადიდების TEM კვლევებით (სურათი 5c-e). კერძოდ, ნახაზზე 5d გვიჩვენებს ხიდის სტრუქტურას მის უდიდეს ნაწილზე (პოზიცია, რომელიც აღინიშნება შავი წერტილოვანი ისრით სურათზე 5d), რომელიც ხასიათდება სამკუთხა ფორმით და შედგება გრაფენის ფენისგან, რომლის სიგანე დაახლოებით 51 . შემადგენლობა 0,33 ± 0,01 ნმ პლანთაშორისი მანძილით შემდგომში შემცირებულია გრაფენის რამდენიმე ფენად ყველაზე ვიწრო რეგიონში (მყარი შავი ისრის ბოლო სურათზე 5 დ).
პოლიმერისგან თავისუფალი NiAG ნიმუშის პლანზური TEM გამოსახულება ნახშირბადის მაქმანებიანი სპილენძის ბადეზე: (a, b) დაბალი გადიდების TEM გამოსახულებები NGF და FLG რეგიონების ჩათვლით, (ce) სხვადასხვა რეგიონის მაღალი გადიდების სურათები პანელში-a და panel-b არის იმავე ფერის მონიშნული ისრები. მწვანე ისრები a და c პანელებზე მიუთითებს დაზიანების წრიულ უბნებზე სხივის გასწორების დროს. (f–i) a-დან c პანელებში SAED შაბლონები სხვადასხვა რეგიონში მითითებულია ლურჯი, ცისფერი, ნარინჯისფერი და წითელი წრეებით, შესაბამისად.
5c ლენტის სტრუქტურა გვიჩვენებს (მონიშნულია წითელი ისრით) გრაფიტის გისოსების სიბრტყეების ვერტიკალურ ორიენტაციას, რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს ფილმის გასწვრივ ნანონაკეცების წარმოქმნით (ჩასმული 5c სურათზე) ჭარბი არაკომპენსირებული ათვლის სტრესის გამო30,61,62 . მაღალი გარჩევადობის TEM პირობებში, ეს ნანონაკეცები 30 აჩვენებენ განსხვავებულ კრისტალოგრაფიულ ორიენტაციას, ვიდრე დანარჩენი NGF რეგიონი; გრაფიტის გისოსის ბაზალური სიბრტყეები ორიენტირებულია თითქმის ვერტიკალურად, ვიდრე ჰორიზონტალურად, როგორც დანარჩენი ფილმი (ჩასმული ნახატზე 5c). ანალოგიურად, FLG რეგიონში ზოგჯერ ვლინდება ხაზოვანი და ვიწრო ზოლის მსგავსი ნაკეცები (მონიშნული ლურჯი ისრებით), რომლებიც ნაჩვენებია დაბალი და საშუალო გადიდებით სურათებში 5b, 5e, შესაბამისად. სურათი 5e-ზე მოცემული ჩანართი ადასტურებს ორ და სამ ფენიანი გრაფენის ფენების არსებობას FLG სექტორში (პლანტაშორისი მანძილი 0,33 ± 0,01 ნმ), რაც კარგად შეესაბამება ჩვენს წინა შედეგებს30. გარდა ამისა, ჩაწერილი SEM გამოსახულებები პოლიმერისგან თავისუფალი NGF-ის გადატანილი სპილენძის ბადეებზე მაქმანის ნახშირბადის ფილებით (ზედა ხედის TEM გაზომვების შესრულების შემდეგ) ნაჩვენებია სურათზე SI9. კარგად შეჩერებული FLG რეგიონი (მონიშნული ლურჯი ისრით) და გატეხილი რეგიონი სურათზე SI9f. ლურჯი ისარი (გადატანილი NGF-ის კიდეზე) მიზანმიმართულად არის წარმოდგენილი, რათა აჩვენოს, რომ FLG რეგიონს შეუძლია წინააღმდეგობა გაუწიოს გადაცემის პროცესს პოლიმერის გარეშე. შეჯამებით, ეს სურათები ადასტურებს, რომ ნაწილობრივ შეჩერებული NGF (მათ შორის FLG რეგიონი) ინარჩუნებს მექანიკურ მთლიანობას მკაცრი დამუშავებისა და მაღალი ვაკუუმის ზემოქმედების შემდეგაც კი TEM და SEM გაზომვების დროს (სურათი SI9).
NGF-ის შესანიშნავი სიბრტყის გამო (იხ. სურათი 5a), რთული არ არის ფანტელების ორიენტირება [0001] დომენის ღერძის გასწვრივ SAED სტრუქტურის გასაანალიზებლად. ფირის ლოკალური სისქიდან და მისი მდებარეობიდან გამომდინარე, გამოვლინდა რამდენიმე საინტერესო რეგიონი (12 ქულა) ელექტრონების დიფრაქციის კვლევებისთვის. სურათებზე 5a–c, ოთხი ტიპიური რეგიონი ნაჩვენებია და მონიშნულია ფერადი წრეებით (ლურჯი, ცისფერი, ნარინჯისფერი და წითელი კოდირებული). ნახატები 2 და 3 SAED რეჟიმისთვის. ნახატები 5f და g მიღებულ იქნა FLG რეგიონიდან, რომელიც ნაჩვენებია სურათებში 5 და 5. როგორც ნაჩვენებია სურათებში 5b და c, შესაბამისად. მათ აქვთ ექვსკუთხა სტრუქტურა, გრეხილი გრაფენის მსგავსი63. კერძოდ, სურათი 5f გვიჩვენებს სამ ზედდადგმულ შაბლონს [0001] ზონის ღერძის ერთნაირი ორიენტირებით, ბრუნავს 10°-ით და 20°-ით, რასაც მოწმობს სამი წყვილი (10-10) არეკვლის კუთხური შეუსაბამობა. ანალოგიურად, ნახაზი 5g გვიჩვენებს 20°-ით შემობრუნებულ ორ ექვსკუთხა შაბლონს. FLG რეგიონში ექვსკუთხა შაბლონების ორი ან სამი ჯგუფი შეიძლება წარმოიშვას სამი სიბრტყის შიგნით ან სიბრტყის გარეთ გრაფენის ფენისგან 33, რომლებიც ბრუნავს ერთმანეთთან შედარებით. ამის საპირისპიროდ, ელექტრონების დიფრაქციის შაბლონები სურათზე 5h,i (შეესაბამება NGF რეგიონს, რომელიც ნაჩვენებია სურათზე 5a) აჩვენებს ერთ [0001] შაბლონს საერთო უფრო მაღალი წერტილის დიფრაქციის ინტენსივობით, რაც შეესაბამება მასალის უფრო დიდ სისქეს. ეს SAED მოდელები შეესაბამება უფრო სქელ გრაფიკულ სტრუქტურას და შუალედურ ორიენტაციას, ვიდრე FLG, როგორც დავასკვნათ 64 ინდექსიდან. NGF-ის კრისტალური თვისებების დახასიათებამ გამოავლინა გრაფიტის (ან გრაფენის) კრისტალიტის ორი ან სამი ზედაპირული კრისტალიტის თანაარსებობა. განსაკუთრებით საყურადღებოა FLG რეგიონში, არის ის, რომ კრისტალიტებს აქვთ გარკვეული ხარისხის სიბრტყეში ან სიბრტყის გარეთ არასწორი ორიენტაცია. გრაფიტის ნაწილაკები/ფენები სიბრტყეში ბრუნვის კუთხით 17°, 22° და 25° ადრე იყო მოხსენებული Ni 64 ფილებზე გაზრდილი NGF-ისთვის. ამ კვლევაში დაფიქსირებული ბრუნვის კუთხის მნიშვნელობები შეესაბამება ადრე დაფიქსირებულ ბრუნვის კუთხეებს (±1°) გრეხილი BLG63 გრაფენისთვის.
NGF/SiO2/Si-ის ელექტრული თვისებები გაზომილი იყო 300 K-ზე 10×3 მმ2 ფართობზე. ელექტრონის მატარებლის კონცენტრაციის, მობილურობის და გამტარობის მნიშვნელობებია 1.6 × 1020 სმ-3, 220 სმ2 V-1 C-1 და 2000 S-cm-1, შესაბამისად. ჩვენი NGF-ის მობილურობისა და გამტარობის მნიშვნელობები მსგავსია ბუნებრივი გრაფიტის2 და უფრო მაღალია ვიდრე კომერციულად ხელმისაწვდომი მაღალორიენტირებული პიროლიზური გრაფიტი (წარმოებული 3000 °C-ზე)29. დაკვირვებული ელექტრონის მატარებლის კონცენტრაციის მნიშვნელობები ორი რიგით მეტია, ვიდრე ახლახან მოხსენებული (7,25 × 10 სმ-3) მიკრონის სისქის გრაფიტის ფილმებისთვის, რომლებიც მომზადებულია მაღალი ტემპერატურის (3200 °C) პოლიმიდის ფურცლების გამოყენებით 20 .
ჩვენ ასევე შევასრულეთ ულტრაიისფერი ხილული გამტარობის გაზომვები FS-NGF-ზე, რომელიც გადატანილია კვარცის სუბსტრატებზე (სურათი 6). შედეგად მიღებული სპექტრი აჩვენებს თითქმის მუდმივ გამტარობას 62% 350-800 ნმ დიაპაზონში, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ NGF გამჭვირვალეა ხილული სინათლის მიმართ. ფაქტობრივად, სახელი „KAUST“ ჩანს ნიმუშის ციფრულ ფოტოსურათზე 6b სურათზე. მიუხედავად იმისა, რომ NGF-ის ნანოკრისტალური სტრუქტურა განსხვავდება SLG-ისგან, ფენების რაოდენობა შეიძლება დაახლოებით შეფასდეს 2.3% გადაცემის დანაკარგის წესის გამოყენებით დამატებით ფენაზე65. ამ ურთიერთობის მიხედვით, გრაფენის ფენების რაოდენობა 38% გადაცემის დანაკარგით არის 21. მოზრდილი NGF ძირითადად შედგება 300 გრაფენის ფენისგან, ანუ დაახლოებით 100 ნმ სისქისგან (ნახ. 1, SI5 და SI7). აქედან გამომდინარე, ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ დაკვირვებული ოპტიკური გამჭვირვალობა შეესაბამება FLG და MLG რეგიონებს, რადგან ისინი განაწილებულია მთელ ფილმზე (ნახ. 1, 3, 5 და 6c). ზემოაღნიშნული სტრუქტურული მონაცემების გარდა, გამტარობა და გამჭვირვალობა ასევე ადასტურებს გადატანილი NGF-ის მაღალ კრისტალურ ხარისხს.
(ა) ულტრაიისფერი სხივებით ხილული გამტარობის გაზომვა, (ბ) ტიპიური NGF გადაცემა კვარცზე წარმომადგენლობითი ნიმუშის გამოყენებით. (გ) NGF-ის სქემა (მუქი ყუთი) თანაბრად განაწილებული FLG და MLG რეგიონებით, რომლებიც მონიშნულია ნაცრისფერი შემთხვევითი ფორმებით მთელ ნიმუშში (იხ. სურათი 1) (დაახლოებით 0.1–3% ფართობი 100 μm2-ზე). დიაგრამაში შემთხვევითი ფორმები და მათი ზომები მხოლოდ საილუსტრაციო მიზნებისთვისაა და არ შეესაბამება რეალურ ზონებს.
CVD-ით გაზრდილი გამჭვირვალე NGF ადრე გადატანილი იყო შიშველი სილიკონის ზედაპირებზე და გამოიყენებოდა მზის უჯრედებში15,16. შედეგად მიღებული სიმძლავრის კონვერტაციის ეფექტურობა (PCE) არის 1.5%. ეს NGF-ები ასრულებენ მრავალ ფუნქციას, როგორიცაა აქტიური ნაერთების შრეები, მუხტის ტრანსპორტირების გზები და გამჭვირვალე ელექტროდები15,16. თუმცა, გრაფიტის ფილმი არ არის ერთგვაროვანი. შემდგომი ოპტიმიზაცია აუცილებელია ფურცლის წინააღმდეგობისა და გრაფიტის ელექტროდის ოპტიკური გამტარობის ფრთხილად კონტროლით, ვინაიდან ეს ორი თვისება მნიშვნელოვან როლს თამაშობს მზის ელემენტის PCE მნიშვნელობის განსაზღვრაში15,16. როგორც წესი, გრაფენის ფირები 97,7% გამჭვირვალეა ხილული სინათლის მიმართ, მაგრამ აქვთ ფურცლის წინააღმდეგობა 200–3000 ohms/კვ.16. გრაფენის ფირის ზედაპირის წინააღმდეგობა შეიძლება შემცირდეს ფენების რაოდენობის გაზრდით (გრაფენის ფენების მრავალჯერადი გადატანა) და HNO3-ით (~30 Ohm/კვ.) დოპინგით66. თუმცა, ამ პროცესს დიდი დრო სჭირდება და სხვადასხვა გადაცემის ფენები ყოველთვის არ ინარჩუნებენ კარგ კონტაქტს. ჩვენს წინა მხარეს NGF აქვს ისეთი თვისებები, როგორიცაა გამტარობა 2000 ს/სმ, ფირის ფურცლის წინააღმდეგობა 50 ომ/კვ. და 62% გამჭვირვალობა, რაც მას სიცოცხლისუნარიან ალტერნატივად აქცევს გამტარ არხების ან კონტრ ელექტროდებისთვის მზის ელემენტებში15,16.
მიუხედავად იმისა, რომ BS-NGF-ის სტრუქტურა და ზედაპირის ქიმიური შემადგენლობა FS-NGF-ის მსგავსია, მისი უხეშობა განსხვავებულია („FS- და BS-NGF ზრდა“). ადრე გაზის სენსორად ვიყენებდით ულტრა თხელი ფირის გრაფიტს22. ამიტომ, ჩვენ გამოვცადეთ BS-NGF-ის გამოყენების მიზანშეწონილობა გაზის სენსორული ამოცანებისთვის (სურათი SI10). პირველ რიგში, BS-NGF-ის მმ2 ზომის ნაწილები გადატანილი იქნა ელექტროდის სენსორის ჩიპზე (სურათი SI10a-c). ჩიპის წარმოების დეტალები ადრე იყო მოხსენებული; მისი აქტიური მგრძნობიარე არეა 9 მმ267. SEM სურათებში (სურათი SI10b და c), ქვემდებარე ოქროს ელექტროდი აშკარად ჩანს NGF-ის მეშვეობით. კიდევ ერთხელ, ჩანს, რომ ჩიპის ერთიანი დაფარვა მიღწეული იყო ყველა ნიმუშისთვის. დაფიქსირდა სხვადასხვა გაზების გაზის სენსორის გაზომვები (ნახ. SI10d) (ნახ. SI11) და შედეგად მიღებული რეაგირების სიჩქარე ნაჩვენებია ნახ. SI 10 გ. სავარაუდოდ სხვა აირებთან ერთად, მათ შორის SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) და NH3 (200 ppm). ერთ-ერთი შესაძლო მიზეზი არის NO2. გაზის ელექტროფილური ბუნება22,68. გრაფენის ზედაპირზე შეწოვისას ის ამცირებს სისტემის მიერ ელექტრონების მიმდინარე შთანთქმას. BS-NGF სენსორის რეაგირების დროის მონაცემების შედარება ადრე გამოქვეყნებულ სენსორებთან წარმოდგენილია ცხრილში SI2. NGF სენსორების ხელახალი გააქტიურების მექანიზმი ულტრაიისფერი პლაზმის, O3 პლაზმის ან გამოფენილი ნიმუშების თერმული (50–150°C) დამუშავების გამოყენებით მიმდინარეობს, იდეალურად მოჰყვება ჩაშენებული სისტემების დანერგვა69.
CVD პროცესის დროს გრაფენის ზრდა ხდება კატალიზატორის სუბსტრატის ორივე მხარეს41. თუმცა, BS-გრაფენი ჩვეულებრივ გამოიდევნება გადაცემის პროცესში41. ამ კვლევაში ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მაღალი ხარისხის NGF ზრდა და პოლიმერისგან თავისუფალი NGF გადაცემა შესაძლებელია კატალიზატორის საყრდენის ორივე მხარეს. BS-NGF უფრო თხელია (~ 80 ნმ), ვიდრე FS-NGF (~ 100 ნმ), და ეს განსხვავება აიხსნება იმით, რომ BS-Ni პირდაპირ არ ექვემდებარება წინამორბედი გაზის ნაკადს. ჩვენ ასევე აღმოვაჩინეთ, რომ NiAR სუბსტრატის უხეშობა გავლენას ახდენს NGF-ის უხეშობაზე. ეს შედეგები მიუთითებს, რომ ზრდასრული პლანშეტური FS-NGF შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გრაფენის წინამორბედი მასალა (აქერცლის მეთოდით70) ან როგორც გამტარ არხი მზის უჯრედებში15,16. ამის საპირისპიროდ, BS-NGF გამოყენებული იქნება გაზის აღმოჩენისთვის (ნახ. SI9) და შესაძლოა ენერგიის შესანახი სისტემებისთვის71,72, სადაც მისი ზედაპირის უხეშობა სასარგებლო იქნება.
ზემოაღნიშნულის გათვალისწინებით, სასარგებლოა მიმდინარე სამუშაოების გაერთიანება ადრე გამოქვეყნებულ გრაფიტის ფილმებთან, რომლებიც გაიზარდა CVD-ით და ნიკელის ფოლგის გამოყენებით. როგორც მე-2 ცხრილში ჩანს, ჩვენ მიერ გამოყენებული უფრო მაღალი წნევა ამცირებს რეაქციის დროს (ზრდის სტადიას) შედარებით დაბალ ტემპერატურაზეც კი (850-1300 °C დიაპაზონში). ჩვენ ასევე მივაღწიეთ უფრო დიდ ზრდას, ვიდრე ჩვეულებრივ, რაც მიუთითებს გაფართოების პოტენციალზე. გასათვალისწინებელია სხვა ფაქტორები, რომელთაგან ზოგიერთი ჩვენ შევიტანეთ ცხრილში.
ორმხრივი მაღალი ხარისხის NGF გაიზარდა ნიკელის ფოლგაზე კატალიზური CVD-ით. ტრადიციული პოლიმერული სუბსტრატების (როგორიცაა CVD გრაფენში გამოყენებული) აღმოფხვრით, ჩვენ მივაღწევთ NGF-ის (ნიკელის ფოლგის უკანა და წინა მხარეებზე გაზრდილი) სუფთა და დეფექტების სველი გადატანას სხვადასხვა პროცესისათვის კრიტიკულ სუბსტრატებზე. აღსანიშნავია, რომ NGF მოიცავს FLG და MLG რეგიონებს (ჩვეულებრივ 0.1% - 3% 100 μm2-ზე), რომლებიც სტრუქტურულად კარგად არის ინტეგრირებული სქელ ფილმში. Planar TEM აჩვენებს, რომ ეს რეგიონები შედგება ორი-სამი გრაფიტის/გრაფენის ნაწილაკებისგან (კრისტალები ან შრეები, შესაბამისად), რომელთაგან ზოგიერთს აქვს ბრუნვის შეუსაბამობა 10-20°. FLG და MLG რეგიონები პასუხისმგებელნი არიან FS-NGF-ის გამჭვირვალობაზე ხილულ შუქზე. რაც შეეხება უკანა ფურცლებს, მათი გადატანა შესაძლებელია წინა ფურცლების პარალელურად და, როგორც ნაჩვენებია, შეიძლება ჰქონდეს ფუნქციური დანიშნულება (მაგალითად, გაზის აღმოჩენისთვის). ეს კვლევები ძალიან სასარგებლოა ნარჩენებისა და ხარჯების შესამცირებლად სამრეწველო მასშტაბის CVD პროცესებში.
ზოგადად, CVD NGF-ის საშუალო სისქე მდგომარეობს (დაბალ და მრავალშრიან) გრაფენსა და სამრეწველო (მიკრომეტრულ) გრაფიტის ფურცლებს შორის. მათი საინტერესო თვისებების სპექტრი, ჩვენ მიერ შემუშავებულ მარტივ მეთოდთან ერთად მათი წარმოებისა და ტრანსპორტირებისთვის, ხდის ამ ფილმებს განსაკუთრებით შესაფერისი აპლიკაციებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ გრაფიტის ფუნქციურ რეაქციას, ამჟამად გამოყენებული ენერგო ინტენსიური სამრეწველო წარმოების პროცესების ხარჯვის გარეშე.
25 მკმ სისქის ნიკელის კილიტა (99,5% სისუფთავე, Goodfellow) დამონტაჟდა კომერციულ CVD რეაქტორში (Aixtron 4-inch BMPro). სისტემა გაიწმინდა არგონით და ევაკუირებული იყო 10-3 მბარ ბაზის წნევამდე. შემდეგ მოათავსეს ნიკელის ფოლგა. Ar/H2-ში (Ni-ის ფოლგის წინასწარ დამუშავების შემდეგ 5 წუთის განმავლობაში, ფოლგა ექვემდებარებოდა 500 მბარ წნევას 900 °C-ზე. NGF დეპონირებული იყო CH4/H2-ის ნაკადში (თითოეული 100 სმ3) 5 წუთის განმავლობაში. ნიმუში შემდეგ გაცივდა 700 °C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე Ar ნაკადის (4000 სმ3) 40 °C/წთ-ზე NGF ზრდის პროცესის ოპტიმიზაციის შესახებ დეტალები აღწერილია სხვაგან30.
ნიმუშის ზედაპირის მორფოლოგია ვიზუალიზებული იყო SEM-ით Zeiss Merlin მიკროსკოპის გამოყენებით (1 კვ, 50 pA). ნიმუშის ზედაპირის უხეშობა და NGF სისქე გაზომილი იყო AFM-ის გამოყენებით (Dimension Icon SPM, Bruker). TEM და SAED გაზომვები ჩატარდა FEI Titan 80–300 Cubed მიკროსკოპის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილი იყო მაღალი სიკაშკაშის ველის ემისიის იარაღით (300 კვ), FEI Wien ტიპის მონოქრომატით და CEOS ლინზების სფერული აბერაციის კორექტორით საბოლოო შედეგების მისაღებად. სივრცითი გარჩევადობა 0.09 ნმ. NGF ნიმუშები გადატანილი იქნა ნახშირბადის ლაქით დაფარული სპილენძის ბადეებში ბრტყელი TEM გამოსახულების და SAED სტრუქტურის ანალიზისთვის. ამრიგად, ნიმუშების უმეტესი ნაწილი შეჩერებულია დამხმარე მემბრანის ფორებში. გადატანილი NGF ნიმუშები გაანალიზდა XRD-ით. რენტგენის დიფრაქციული ნიმუშები მიღებულ იქნა ფხვნილის დიფრაქტომეტრის გამოყენებით (Brucker, D2 ფაზის გადამრთველი Cu Kα წყაროთ, 1.5418 Å და LYNXEYE დეტექტორი) Cu გამოსხივების წყაროს გამოყენებით სხივის ლაქის დიამეტრით 3 მმ.
რამანის წერტილის რამდენიმე გაზომვა ჩაიწერა ინტეგრირებული კონფოკალური მიკროსკოპის გამოყენებით (Alpha 300 RA, WITeC). 532 ნმ ლაზერი დაბალი აგზნების სიმძლავრით (25%) გამოიყენებოდა თერმულად გამოწვეული ეფექტების თავიდან ასაცილებლად. რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია (XPS) ჩატარდა Kratos Axis Ultra სპექტრომეტრზე 300 × 700 μm2 ნიმუშის ფართობზე მონოქრომატული Al Kα გამოსხივების გამოყენებით (hν = 1486,6 eV) 150 ვტ სიმძლავრით. გარჩევადობის სპექტრები მიღებულ იქნა გადამცემი ენერგია 160 ევ და 20 ევ, შესაბამისად. SiO2-ზე გადატანილი NGF ნიმუშები დაჭრეს ნაჭრებად (თითოეული 3 × 10 მმ2) PLS6MW (1.06 მკმ) იტერბიუმის ბოჭკოვანი ლაზერის გამოყენებით 30 ვტ სიმძლავრეზე. სპილენძის მავთულის კონტაქტები (50 μm სისქე) დამზადდა ვერცხლის პასტის გამოყენებით ოპტიკური მიკროსკოპის ქვეშ. ელექტრული ტრანსპორტისა და ჰოლის ეფექტის ექსპერიმენტები ჩატარდა ამ ნიმუშებზე 300 კ ტემპერატურაზე და მაგნიტური ველის ცვალებადობა ± 9 ტესლაზე ფიზიკური თვისებების საზომ სისტემაში (PPMS EverCool-II, Quantum Design, აშშ). გადაცემული UV–vis სპექტრები დაფიქსირდა Lambda 950 UV–vis სპექტროფოტომეტრის გამოყენებით 350–800 ნმ NGF დიაპაზონში, გადატანილი კვარცის სუბსტრატებზე და კვარცის საცნობარო ნიმუშებზე.
ქიმიური წინააღმდეგობის სენსორი (ინტერციფრული ელექტროდის ჩიპი) იყო მიბმული საბაჟო ბეჭდური მიკროსქემის დაფაზე 73 და წინააღმდეგობა ამოღებულია დროებით. ბეჭდური მიკროსქემის დაფა, რომელზედაც მოწყობილობა მდებარეობს, დაკავშირებულია კონტაქტურ ტერმინალებთან და მოთავსებულია გაზის სენსორულ პალატაში 74. წინააღმდეგობის გაზომვები აღებული იყო 1 ვ ძაბვაზე უწყვეტი სკანირებით გაწმენდიდან გაზის ექსპოზიციამდე და შემდეგ ხელახლა გაწმენდა. კამერა თავდაპირველად გაიწმინდა აზოტით 200 სმ3-ზე 1 საათის განმავლობაში, რათა უზრუნველყოფილიყო კამერაში არსებული ყველა სხვა ანალიზის მოცილება, მათ შორის ტენიანობა. ცალკეული ანალიზები შემდეგ ნელა გათავისუფლდნენ პალატაში იმავე დინების სიჩქარით 200 სმ3 N2 ცილინდრის დახურვით.
ამ სტატიის განახლებული ვერსია გამოქვეყნებულია და მისი წვდომა შესაძლებელია სტატიის ზედა ბმულზე.
Inagaki, M. and Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. მეორე გამოცემა რედაქტირებულია. 2014 წ. 542.
Pearson, HO ნახშირბადის, გრაფიტის, ალმასის და ფულერენების სახელმძღვანელო: თვისებები, დამუშავება და აპლიკაციები. პირველი გამოცემა რედაქტირებულია. 1994 წელი, ნიუ ჯერსი.
ცაი, ვ. და სხვ. დიდი ფართობის მრავალშრიანი გრაფენის/გრაფიტის ფირები გამჭვირვალე თხელი გამტარ ელექტროდების სახით. განაცხადი. ფიზიკა. რაიტი. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA გრაფენისა და ნანოსტრუქტურული ნახშირბადის მასალების თერმული თვისებები. ნატ. მეთიუ 10 (8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW და Cahill DG Ni (111) გაზრდილი გრაფიტის ფენების თერმული კონდუქტომეტრული ქიმიური ორთქლის დეპონირების გზით. ზმნიზედა. მეთიუ ინტერფეისი 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. გრაფენის ფილმების უწყვეტი ზრდა ქიმიური ორთქლის დეპონირების გზით. განაცხადი. ფიზიკა. რაიტი. 98(13), 133106(2011).
გამოქვეყნების დრო: აგვისტო-23-2024