Kiitos vierailustasi Nature.comissa. Käyttämäsi selainversiolla on rajoitettu CSS-tuki. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi suosittelemme, että käytät selaimesi uudempaa versiota (tai poistat Internet Explorerin yhteensopivuustilan käytöstä). Sillä välin, jotta voimme varmistaa jatkuvan tuen, näytämme sivuston ilman tyyliä tai JavaScriptiä.
Nanomittakaavan grafiittikalvot (NGF) ovat kestäviä nanomateriaaleja, joita voidaan tuottaa katalyyttisellä kemiallisella höyrypinnoituksella, mutta kysymyksiä on edelleen niiden siirtämisen helppoudesta ja siitä, kuinka pinnan morfologia vaikuttaa niiden käyttöön seuraavan sukupolven laitteissa. Tässä raportoimme NGF:n kasvun monikiteisen nikkelikalvon molemmilla puolilla (pinta-ala 55 cm2, paksuus noin 100 nm) ja sen polymeerittömän siirtymisen (edessä ja takana, pinta-ala jopa 6 cm2). Katalyyttikalvon morfologian vuoksi nämä kaksi hiilikalvoa eroavat toisistaan fysikaalisten ominaisuuksiensa ja muiden ominaisuuksiensa (kuten pinnan karheuden) suhteen. Osoitamme, että karkeamman taustapuolen NGF:t sopivat hyvin NO2-ilmaisuun, kun taas sileämmät ja johtavammat NGF:t etupuolella (2000 S/cm, levyresistanssi – 50 ohmia/m2) voivat olla toimivia johtimia. aurinkokennon kanava tai elektrodi (koska se lähettää 62 % näkyvästä valosta). Kaiken kaikkiaan kuvatut kasvu- ja kuljetusprosessit voivat auttaa toteuttamaan NGF:n vaihtoehtoisena hiilimateriaalina teknologisissa sovelluksissa, joissa grafeeni ja mikronin paksuiset grafiittikalvot eivät sovellu.
Grafiitti on laajalti käytetty teollinen materiaali. Erityisesti grafiitilla on suhteellisen alhainen massatiheys ja korkea tasossa oleva lämmön- ja sähkönjohtavuus, ja se on erittäin vakaa ankarissa lämpö- ja kemiallisissa ympäristöissä1,2. Hiutalegrafiitti on grafeenitutkimuksen tunnettu lähtöaine3. Ohutkalvoiksi prosessoituna sitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa, mukaan lukien jäähdytyslevyt elektronisille laitteille, kuten älypuhelimille4,5,6,7, aktiivisena materiaalina antureissa8,9,10 ja sähkömagneettisten häiriöiden suojauksessa11. 12 ja kalvot litografiaan äärimmäisessä ultraviolettisäteilyssä13,14, johtavat kanavat aurinkokennoissa15,16. Kaikissa näissä sovelluksissa olisi merkittävä etu, jos suuria alueita grafiittikalvoja (NGF), joiden paksuus on säädelty nanomittakaavassa <100 nm, voitaisiin helposti valmistaa ja kuljettaa.
Grafiittikalvoja valmistetaan eri menetelmillä. Yhdessä tapauksessa grafeenihiutaleiden tuottamiseen käytettiin upottamista ja laajennusta, jota seurasi kuorinta. Hiutaleet on jalostettava edelleen vaaditun paksuisiksi kalvoiksi, ja tiheiden grafiittilevyjen valmistukseen menee usein useita päiviä. Toinen lähestymistapa on aloittaa graafisilla kiinteillä esiasteilla. Teollisuudessa polymeerilevyt hiiletään (1000–1500 °C:ssa) ja sitten grafitoidaan (2800–3200 °C:ssa), jolloin muodostuu hyvin rakenteellisia kerrosmateriaaleja. Vaikka näiden kalvojen laatu on korkea, energiankulutus on merkittävä1,18,19 ja minimipaksuus on rajoitettu muutamaan mikroniin1,18,19,20.
Katalyyttinen kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) on hyvin tunnettu menetelmä grafeeni- ja ultraohuiden grafiittikalvojen (<10 nm) valmistamiseksi, joilla on korkea rakenteellinen laatu ja kohtuulliset kustannukset21,22,23,24,25,26,27. Kuitenkin verrattuna grafeenin ja ultraohuiden grafiittikalvojen28 kasvuun suuren alueen kasvattaminen ja/tai NGF:n käyttö CVD:tä käyttämällä on vielä vähemmän tutkittu11,13,29,30,31,32,33.
CVD:llä kasvatetut grafeeni- ja grafiittikalvot on usein siirrettävä toiminnallisille substraateille34. Näihin ohutkalvonsiirtoihin sisältyy kaksi päämenetelmää35: (1) etsaamaton siirto36,37 ja (2) etsauspohjainen märkäkemiallinen siirto (substraattituettu)14,34,38. Jokaisella menetelmällä on joitain etuja ja haittoja, ja ne on valittava aiotun sovelluksen mukaan, kuten muualla on kuvattu35,39. Katalyyttisillä substraateilla kasvatettujen grafeeni/grafiittikalvojen siirto märkäkemiallisten prosessien kautta (joista polymetyylimetakrylaatti (PMMA) on yleisimmin käytetty tukikerros) on edelleen ensimmäinen valinta13,30,34,38,40,41,42. Sinä et ai. Mainittiin, että NGF:n siirtoon ei käytetty polymeeriä (näytteen koko noin 4 cm2)25,43, mutta näytteen stabiilisuudesta ja/tai käsittelystä siirron aikana ei annettu yksityiskohtia; Märkäkemialliset prosessit polymeerejä käyttävät koostuvat useista vaiheista, mukaan lukien uhrautuvan polymeerikerroksen levittäminen ja myöhempi poistaminen30,38,40,41,42. Tällä menetelmällä on haittoja: esimerkiksi polymeerijäämät voivat muuttaa kasvatetun kalvon ominaisuuksia38. Lisäkäsittely voi poistaa jäännöspolymeerin, mutta nämä lisävaiheet lisäävät kalvon tuotannon kustannuksia ja aikaa38,40. CVD-kasvun aikana kerros grafeenia ei kerrostu vain katalyyttikalvon etupuolelle (höyryvirtausta päin olevalle puolelle), vaan myös sen takapuolelle. Jälkimmäistä pidetään kuitenkin jätetuotteena, ja pehmeä plasma voi poistaa sen nopeasti38,41. Tämän kalvon kierrättäminen voi auttaa maksimoimaan tuoton, vaikka se olisi laadukkaampaa kuin pintahiilikalvo.
Tässä raportoimme NGF:n kiekon mittakaavan bifacial-kasvun valmistelusta korkealla rakenteellisella laadulla monikiteisellä nikkelikalvolla CVD:llä. Arvioitiin, miten kalvon etu- ja takapinnan karheus vaikuttaa NGF:n morfologiaan ja rakenteeseen. Esittelemme myös kustannustehokasta ja ympäristöystävällistä NGF:n polymeeritöntä siirtoa nikkelifolion molemmilta puolilta monikäyttöisille alustoille ja näytämme kuinka etu- ja takakalvot sopivat erilaisiin sovelluksiin.
Seuraavissa osioissa käsitellään erilaisia grafiittikalvon paksuuksia pinottujen grafeenikerrosten lukumäärän mukaan: (i) yksikerroksinen grafeeni (SLG, 1 kerros), (ii) muutama kerros grafeeni (FLG, < 10 kerrosta), (iii) monikerroksinen grafeeni ( MLG, 10-30 kerrosta) ja (iv) NGF (~ 300 kerrosta). Jälkimmäinen on yleisin paksuus ilmaistuna prosentteina pinta-alasta (noin 97 % pinta-alasta 100 µm2:ta kohti)30. Siksi koko elokuvaa kutsutaan yksinkertaisesti NGF:ksi.
Grafeenin ja grafiittikalvojen synteesiin käytetyt monikiteiset nikkelikalvot ovat rakenteeltaan erilaisia niiden valmistuksen ja myöhemmän käsittelyn seurauksena. Raportoimme äskettäin tutkimuksesta NGF30:n kasvuprosessin optimoimiseksi. Osoitamme, että prosessiparametreilla, kuten hehkutusajalla ja kammion paineella kasvuvaiheen aikana, on kriittinen rooli tasapaksuisten NGF:ien saamiseksi. Tässä tutkimme edelleen NGF:n kasvua nikkelikalvon kiillotetuilla etu- (FS) ja kiillottamattomilla takapinnoilla (BS) (kuva 1a). Kolmen tyyppisiä näytteitä FS ja BS tutkittiin, jotka on lueteltu taulukossa 1. Silmämääräisessä tarkastelussa NGF:n tasainen kasvu nikkelikalvon (NiAG) molemmilla puolilla voidaan nähdä bulkki-Ni-substraatin värin muuttuessa tyypillisestä metallihopeasta. harmaasta mattaharmaaseen väriin (kuva 1a); mikroskooppiset mittaukset vahvistettiin (kuvio 1b, c). Tyypillinen FS-NGF:n Raman-spektri, joka havaitaan kirkkaalla alueella ja on merkitty punaisilla, sinisillä ja oransseilla nuolilla kuvassa 1b, on esitetty kuvassa 1c. Grafiitin G (1683 cm−1) ja 2D (2696 cm−1) tyypilliset Raman-huiput vahvistavat erittäin kiteisen NGF:n kasvun (kuva 1c, taulukko SI1). Koko elokuvan ajan havaittiin ylivoimaisesti Raman-spektrejä intensiteettisuhteella (I2D/IG) ~0,3, kun taas Raman-spektrejä, joiden I2D/IG = 0,8, havaittiin harvoin. Viallisten piikkien (D = 1350 cm-1) puuttuminen koko kalvosta osoittaa NGF-kasvun korkeaa laatua. Samanlaiset Raman-tulokset saatiin BS-NGF-näytteestä (kuvio SI1 a ja b, taulukko SI1).
NiAG FS- ja BS-NGF:n vertailu: (a) Valokuva tyypillisestä NGF (NiAG) -näytteestä, jossa näkyy NGF:n kasvu kiekkojen mittakaavassa (55 cm2) ja tuloksena olevista BS- ja FS-Ni-kalvonäytteistä, (b) FS-NGF Kuvat/Ni, jotka on saatu optisella mikroskoopilla, (c) tyypilliset Raman-spektrit, jotka on tallennettu eri kohtiin paneelissa b, (d, f) SEM-kuvat eri suurennoksilla FS-NGF/Ni:llä, (e, g) SEM-kuvat eri suurennoksilla Asettaa BS -NGF/Ni. Sininen nuoli osoittaa FLG-alueen, oranssi nuoli osoittaa MLG-alueen (lähellä FLG-aluetta), punainen nuoli osoittaa NGF-alueen ja magenta nuoli osoittaa taitteen.
Koska kasvu riippuu alkuperäisen substraatin paksuudesta, kiteen koosta, suunnasta ja raerajoista, NGF-paksuuden kohtuullinen hallinta suurilla alueilla on edelleen haaste20, 34, 44. Tässä tutkimuksessa käytettiin aiemmin julkaisemaamme sisältöä30. Tämä prosessi tuottaa kirkkaan alueen 0,1 - 3 % per 100 µm230. Seuraavissa osioissa esittelemme tuloksia molemmille aluetyypeille. Suuren suurennuksen SEM-kuvissa näkyy useita kirkkaita kontrastialueita molemmilla puolilla (kuvat 1f, g), mikä osoittaa FLG- ja MLG-alueiden läsnäolon30,45. Tämän vahvistivat myös Raman-sironta (kuva 1c) ja TEM-tulokset (käsitelty myöhemmin osiossa “FS-NGF: rakenne ja ominaisuudet”). FS- ja BS-NGF/Ni-näytteissä havaitut FLG- ja MLG-alueet (NGF:llä kasvatettu edessä ja takana) ovat saattaneet kasvaa esihehkutuksen aikana muodostuneissa suurissa Ni(111)-rakeissa22,30,45. Taittuminen havaittiin molemmilta puolilta (kuvio 1b, merkitty violeteilla nuolilla). Näitä taitoksia löytyy usein CVD:llä kasvatetuista grafeeni- ja grafiittikalvoista johtuen grafiitin ja nikkelisubstraatin välisen lämpölaajenemiskertoimen suuresta erosta30,38.
AFM-kuva vahvisti, että FS-NGF-näyte oli litteämpi kuin BS-NGF-näyte (kuva SI1) (kuva SI2). FS-NGF/Ni:n (kuva SI2c) ja BS-NGF/Ni:n (kuva SI2d) karheuden neliökeskiarvo (RMS) on 82 ja 200 nm (mitattu 20 × alueella). 20 μm2). Suurempi karheus voidaan ymmärtää nikkelikalvon (NiAR) pinta-analyysin perusteella vastaanotetussa tilassa (kuva SI3). SEM-kuvia FS:stä ja BS-NiAR:sta on esitetty kuvissa SI3a–d, jotka osoittavat erilaisia pintamorfologioita: kiillotetussa FS-Ni-kalvossa on nano- ja mikronin kokoisia pallomaisia hiukkasia, kun taas kiillottamattomassa BS-Ni-kalvossa on tuotantotikkaat. suuren lujuuden omaavina hiukkasina. ja lasku. Matala- ja korkearesoluutioiset kuvat hehkutetusta nikkelikalvosta (NiA) on esitetty kuvassa SI3e–h. Näissä kuvissa voidaan havaita useiden mikronikokoisten nikkelihiukkasten esiintyminen nikkelikalvon molemmilla puolilla (kuva SI3e-h). Suurilla rakeilla voi olla Ni(111)-pintaorientaatio, kuten aiemmin on raportoitu30,46. Nikkelifolion morfologiassa on merkittäviä eroja FS-NiA:n ja BS-NiA:n välillä. BS-NGF/Ni:n suurempi karheus johtuu BS-NiAR:n kiillottamattomasta pinnasta, jonka pinta pysyy merkittävästi karkeana myös hehkutuksen jälkeen (kuva SI3). Tämän tyyppinen pinnan karakterisointi ennen kasvuprosessia mahdollistaa grafeenin ja grafiittikalvojen karheuden hallinnan. On huomattava, että alkuperäisessä alustassa tapahtui jonkin verran raeuudelleenjärjestelyä grafeenin kasvun aikana, mikä pienensi hieman raekokoa ja lisäsi jonkin verran substraatin pinnan karheutta verrattuna hehkutettuun kalvoon ja katalyyttikalvoon22.
Substraatin pinnan karheuden, hehkutusajan (raekoon)30,47 ja vapautumisen säädön43 hienosäätö auttaa vähentämään alueellista NGF:n paksuuden tasaisuutta µm2 ja/tai jopa nm2 asteikolla (eli muutaman nanometrin paksuusvaihtelut). Alustan pinnan karheuden hallitsemiseksi voidaan harkita menetelmiä, kuten tuloksena olevan nikkelikalvon elektrolyyttistä kiillotusta48. Esikäsitelty nikkelikalvo voidaan sitten hehkuttaa alemmassa lämpötilassa (< 900 °C) 46 ja ajassa (< 5 min), jotta vältetään suurten Ni(111)-rakeiden muodostuminen (mikä on hyödyllistä FLG:n kasvulle).
SLG- ja FLG-grafeeni ei kestä happojen ja veden pintajännitystä, mikä vaatii mekaanisia tukikerroksia märkien kemiallisten siirtoprosessien aikana22,34,38. Toisin kuin polymeerituetun yksikerroksisen grafeenin38 märkäkemiallinen siirto, havaitsimme, että kasvaneen NGF:n molemmat puolet voidaan siirtää ilman polymeeritukea, kuten kuvassa 2a on esitetty (katso lisätietoja kuvasta SI4a). NGF:n siirto tiettyyn substraattiin alkaa alla olevan Ni30.49-kalvon märkäsyövytyksellä. Kasvatetut NGF/Ni/NGF-näytteet asetettiin yön yli 15 ml:aan 70 % HN03:a laimennettuna 600 ml:lla deionisoitua (DI) vettä. Kun Ni-kalvo on täysin liuennut, FS-NGF pysyy tasaisena ja kelluu nesteen pinnalla, aivan kuten NGF/Ni/NGF-näyte, kun taas BS-NGF upotetaan veteen (kuvat 2a, b). Eristetty NGF siirrettiin sitten yhdestä dekantterilasista, joka sisälsi tuoretta deionisoitua vettä, toiseen dekantterilasiin ja eristetty NGF pestiin perusteellisesti toistaen 4-6 kertaa koveran lasimaljan läpi. Lopuksi FS-NGF ja BS-NGF asetettiin halutulle substraatille (kuvio 2c).
Polymeeriton märkäkemiallinen siirtoprosessi nikkelifoliolla kasvatetulle NGF:lle: (a) Prosessin vuokaavio (katso lisätietoja kuvasta SI4), (b) Digitaalinen valokuva erotetusta NGF:stä Ni-etsauksen jälkeen (2 näytettä), (c) Esimerkki FS – ja BS-NGF siirto SiO2/Si-substraattiin, (d) FS-NGF siirto läpinäkymättömälle polymeerisubstraatille, (e) BS-NGF samasta näytteestä kuin paneeli d (jaettu kahteen osaan), siirretty kullatulle C-paperille ja Nafion (joustava läpinäkyvä alusta, reunat merkitty punaisilla kulmilla).
Huomaa, että märkäkemikaalisiirtomenetelmillä suoritettu SLG-siirto vaatii kokonaiskäsittelyn 20–24 tuntia 38 . Tässä esitellyllä polymeerittömällä siirtotekniikalla (kuva SI4a) NGF-siirron kokonaiskäsittelyaika lyhenee merkittävästi (noin 15 tuntia). Prosessi koostuu: (Vaihe 1) Valmista syövytysliuos ja aseta näyte siihen (n. 10 minuuttia), odota sitten yön yli Ni-etsaus (n. 7200 minuuttia), (Vaihe 2) Huuhtele deionisoidulla vedellä (Vaihe – 3) . säilytä deionisoidussa vedessä tai siirrä kohdesubstraattiin (20 min). NGF:n ja bulkkimatriisin väliin jäänyt vesi poistetaan kapillaaritoiminnalla (imupaperilla)38, sitten jäljelle jääneet vesipisarat poistetaan luonnollisella kuivauksella (n. 30 min) ja lopuksi näytettä kuivataan 10 min. min tyhjiöuunissa (10–1 mbar) 50–90 °C (60 min) 38.
Grafiitin tiedetään kestävän vettä ja ilmaa melko korkeissa lämpötiloissa (≥ 200 °C)50,51,52. Testasimme näytteitä käyttämällä Raman-spektroskopiaa, SEM:ää ja XRD:tä sen jälkeen, kun niitä oli säilytetty deionisoidussa vedessä huoneenlämpötilassa ja suljetuissa pulloissa muutamasta päivästä yhteen vuoteen (kuva SI4). Ei havaittavaa huononemista. Kuvassa 2c esitetään vapaasti seisova FS-NGF ja BS-NGF deionisoidussa vedessä. Valitsimme ne SiO2 (300 nm)/Si-substraatille, kuten kuvan 2c alussa esitetään. Lisäksi, kuten on esitetty kuviossa 2d,e, jatkuvaa NGF:ää voidaan siirtää erilaisille substraateille, kuten polymeereille (Thermabright polyamidi Nexolvelta ja Nafionilta) ja kullalla päällystetylle hiilipaperille. Kelluva FS-NGF asetettiin helposti kohdesubstraatille (kuvio 2c, d). Yli 3 cm2:n BS-NGF-näytteitä oli kuitenkin vaikea käsitellä kokonaan veteen upotettuina. Yleensä kun ne alkavat pyöriä vedessä, ne hajoavat huolimattomasta käsittelystä joskus kahteen tai kolmeen osaan (kuva 2e). Kaiken kaikkiaan pystyimme saavuttamaan polymeerittömän PS- ja BS-NGF:n siirron (jatkuva saumaton siirto ilman NGF/Ni/NGF-kasvua 6 cm2:n kohdalla) näytteille, joiden pinta-ala on enintään 6 ja 3 cm2. Kaikki jäljelle jääneet suuret tai pienet palaset voidaan (helposti nähdä etsausliuoksessa tai deionisoidussa vedessä) halutulle alustalle (~1 mm2, kuva SI4b, katso näyte siirrettynä kupariristikkoon kuten kohdassa "FS-NGF: Rakenne ja ominaisuudet (käsitelty)" kohdassa "Rakenne ja ominaisuudet" tai säilytä tulevaa käyttöä varten (kuva SI4). Tämän kriteerin perusteella arvioimme, että NGF voidaan saada talteen jopa 98-99 %:n saannolla (siirtoa varten kasvatuksen jälkeen).
Siirtonäytteet ilman polymeeriä analysoitiin yksityiskohtaisesti. Pintamorfologiset ominaisuudet, jotka saatiin FS- ja BS-NGF/SiO2/Si:llä (kuva 2c) käyttämällä optista mikroskopiaa (OM) ja SEM-kuvia (kuva SI5 ja kuva 3), osoittivat, että nämä näytteet siirrettiin ilman mikroskooppia. Näkyviä rakenteellisia vaurioita, kuten halkeamia, reikiä tai rullaamattomia alueita. Poimut kasvavassa NGF:ssä (kuvio 3b, d, merkitty purppuranpunaisilla nuolilla) säilyivät ehjinä siirron jälkeen. Sekä FS- että BS-NGF:t koostuvat FLG-alueista (kirkkaat alueet, jotka on merkitty sinisillä nuolilla kuvassa 3). Yllättäen, toisin kuin muutamat vaurioituneet alueet, joita tyypillisesti havaitaan ultraohuiden grafiittikalvojen polymeerin siirron aikana, useita mikronikokoisia FLG- ja MLG-alueita, jotka liittyvät NGF:ään (merkitty sinisillä nuolilla kuvassa 3d), siirrettiin ilman halkeamia tai murtumia (kuva 3d) . 3). . Mekaaninen eheys varmistettiin edelleen käyttämällä TEM- ja SEM-kuvia NGF:stä, joka siirrettiin pitsi-hiilikupariristikkoihin, kuten myöhemmin käsitellään ("FS-NGF: rakenne ja ominaisuudet"). Siirretty BS-NGF/SiO2/Si on karkeampi kuin FS-NGF/SiO2/Si, jonka rms-arvot ovat 140 nm ja 17 nm, kuten on esitetty kuvassa SI6a ja b (20 × 20 μm2). SiO2/Si-substraatille siirretyn NGF:n RMS-arvo (RMS < 2 nm) on merkittävästi pienempi (noin 3 kertaa) kuin Ni:llä kasvatetun NGF:n (kuvio SI2), mikä osoittaa, että lisäkarheus saattaa vastata Ni-pintaa. Lisäksi FS- ja BS-NGF/SiO2/Si-näytteiden reunoilla tehdyt AFM-kuvat osoittivat NGF-paksuudet 100 ja 80 nm, vastaavasti (kuva SI7). BS-NGF:n pienempi paksuus voi johtua siitä, että pinta ei ole suoraan alttiina esiastekaasulle.
Siirretty NGF (NiAG) ilman polymeeriä SiO2/Si-kiekolle (katso kuva 2c): (a,b) SEM-kuvat siirretystä FS-NGF:stä: pieni ja korkea suurennus (vastaa paneelin oranssia neliötä). Tyypilliset alueet) – a). (c, d) SEM-kuvat siirretystä BS-NGF:stä: pieni ja korkea suurennus (vastaa tyypillistä aluetta, joka näkyy paneelin c oranssilla neliöllä). (e, f) AFM-kuvat siirretyistä FS- ja BS-NGF:istä. Sininen nuoli edustaa FLG-aluetta – kirkas kontrasti, syaani nuoli – musta MLG-kontrasti, punainen nuoli – musta kontrasti edustaa NGF-aluetta, magenta nuoli edustaa taitetta.
Kasvattujen ja siirrettyjen FS- ja BS-NGF:ien kemiallinen koostumus analysoitiin röntgenfotoelektronispektroskopialla (XPS) (kuvio 4). Mitatuissa spektreissä havaittiin heikko piikki (kuvio 4a, b), joka vastasi kasvatettujen FS- ja BS-NGF:ien (NiAG) Ni-substraattia (850 eV). Siirretyn FS- ja BS-NGF/SiO2/Si:n mitatuissa spektreissä ei ole huippuja (kuva 4c; samanlaisia tuloksia BS-NGF/SiO2/Si:lle ei ole esitetty), mikä osoittaa, että Ni-kontaminaation jäännös ei ole siirron jälkeen . Kuvat 4d–f esittävät FS-NGF/SiO2/Si:n C 1 s, O 1 s ja Si 2p energiatasojen korkearesoluutioisia spektrejä. Grafiitin C 1 s:n sitoutumisenergia on 284,4 eV53,54. Grafiittihuippujen lineaarista muotoa pidetään yleensä epäsymmetrisenä, kuten kuvasta 4d54 näkyy. Korkearesoluutioinen ydintason C1s-spektri (kuva 4d) vahvisti myös puhtaan siirron (eli ei polymeerijäämiä), mikä on yhdenmukainen aikaisempien tutkimusten kanssa38. Juuri kasvatetun näytteen (NiAG) ja siirron jälkeen C1s-spektrin viivanleveydet ovat 0,55 ja 0,62 eV, vastaavasti. Nämä arvot ovat korkeammat kuin SLG:n (0,49 eV SLG:lle SiO2-substraatilla)38. Nämä arvot ovat kuitenkin pienempiä kuin aiemmin raportoidut viivanleveydet erittäin orientoituneille pyrolyyttisille grafeeninäytteille (~ 0,75 eV) 53, 54, 55, mikä osoittaa viallisten hiilikohtien puuttumisen nykyisessä materiaalissa. C 1 s ja O 1 s maanpinnan tason spektreistä puuttuvat myös hartiat, mikä eliminoi korkean resoluution huippudekonvoluution tarpeen54. Satelliittihuippu on π → π* noin 291,1 eV, mikä havaitaan usein grafiittinäytteissä. 103 eV ja 532,5 eV signaalit Si 2p- ja O 1 s -ydintasospektreissä (katso kuviot 4e, f) johtuvat vastaavasti Si0256-substraatista. XPS on pintaherkkä tekniikka, joten ennen ja jälkeen NGF-siirtoa havaittujen Ni- ja SiO2-signaalien oletetaan olevan peräisin FLG-alueelta. Samanlaisia tuloksia havaittiin siirretyillä BS-NGF-näytteillä (ei esitetty).
NiAG XPS:n tulokset: (ac) Tutkimusspektrit kasvatetun FS-NGF/Ni:n, BS-NGF/Ni:n ja siirretyn FS-NGF/SiO2/Si:n eri alkuaineatomikoostumuksista. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si-näytteen ydintasojen C 1 s, O 1s ja Si 2p korkearesoluutioiset spektrit.
Siirrettyjen NGF-kiteiden yleinen laatu arvioitiin käyttämällä röntgendiffraktiota (XRD). Tyypilliset XRD-kuviot (kuva SI8) siirretylle FS- ja BS-NGF/SiO2/Si:lle osoittavat diffraktiopiikkien (0 0 0 2) ja (0 0 0 4) läsnäolon kohdissa 26,6° ja 54,7°, samanlaisia kuin grafiitti. . Tämä vahvistaa NGF:n korkean kiteisen laadun ja vastaa kerrosten välistä etäisyyttä d = 0,335 nm, joka säilyy siirtovaiheen jälkeen. Diffraktiohuipun (0 0 0 2) intensiteetti on noin 30 kertaa diffraktiohuipun (0 0 0 4) intensiteetti, mikä osoittaa, että NGF-kidetaso on hyvin linjassa näytteen pinnan kanssa.
SEM:n, Raman-spektroskopian, XPS:n ja XRD:n tulosten mukaan BS-NGF/Ni:n laadun todettiin olevan sama kuin FS-NGF/Ni:n, vaikka sen rms-karheus oli hieman korkeampi (kuvat SI2, SI5) ja SI7).
SLG:t, joissa on jopa 200 nm paksut polymeeritukikerrokset, voivat kellua veden päällä. Tätä asetusta käytetään yleisesti polymeeriavusteisissa kemikaalien märkäsiirtoprosesseissa22,38. Grafeeni ja grafiitti ovat hydrofobisia (märkäkulma 80–90°) 57 . Sekä grafeenin että FLG:n potentiaalisten energiapintojen on raportoitu olevan melko tasaisia, ja niiden potentiaalienergia on alhainen (~ 1 kJ/mol) veden sivuttaisliikkeelle pinnalla58. Veden ja grafeenin ja kolmen grafeenikerroksen lasketut vuorovaikutusenergiat ovat kuitenkin noin −13 ja −15 kJ/mol,58, mikä osoittaa, että veden vuorovaikutus NGF:n kanssa (noin 300 kerrosta) on pienempi kuin grafeeni. Tämä voi olla yksi syy siihen, miksi vapaasti seisova NGF pysyy tasaisena veden pinnalla, kun taas vapaasti seisova grafeeni (joka kelluu vedessä) käpristyy ja hajoaa. Kun NGF on kokonaan upotettu veteen (tulokset ovat samat karkealle ja tasaiselle NGF:lle), sen reunat taipuvat (kuva SI4). Täydellisen upotuksen tapauksessa on odotettavissa, että NGF:n ja veden vuorovaikutusenergia lähes kaksinkertaistuu (verrattuna kelluvaan NGF:ään) ja että NGF:n reunat taittuvat säilyttääkseen korkean kosketuskulman (hydrofobisuus). Uskomme, että voidaan kehittää strategioita sulautettujen NGF:ien reunojen käpristymisen välttämiseksi. Yksi lähestymistapa on käyttää liuottimia grafiittikalvon kostutusreaktion moduloimiseen59.
SLG:n siirtämisestä erityyppisille substraateille märkäkemiallisten siirtoprosessien kautta on raportoitu aiemmin. On yleisesti hyväksyttyä, että grafeeni/grafiittikalvojen ja substraattien välillä on heikkoja van der Waalsin voimia (olipa kyse sitten jäykistä substraateista, kuten SiO2/Si38, 41,46,60, SiC38, Au42, Si-pilarit22 ja pitsiset hiilikalvot30, 34 tai joustavat alustat kuten polyimidi 37). Tässä oletetaan, että samantyyppiset vuorovaikutukset ovat vallitsevia. Emme havainneet NGF:n vaurioita tai irtoamista millään tässä esitellystä substraatista mekaanisen käsittelyn aikana (tyhjiö- ja/tai ilmakehän olosuhteissa tapahtuvan karakterisoinnin aikana tai varastoinnin aikana) (esim. kuva 2, SI7 ja SI9). Lisäksi emme havainneet SiC-piikkiä NGF/SiO2/Si-näytteen ydintason XPS C 1 s -spektrissä (kuva 4). Nämä tulokset osoittavat, että NGF:n ja kohdesubstraatin välillä ei ole kemiallista sidosta.
Edellisessä osiossa "FS- ja BS-NGF:n polymeeriton siirto" osoitimme, että NGF voi kasvaa ja siirtyä nikkelikalvon molemmille puolille. Nämä FS-NGF:t ja BS-NGF:t eivät ole identtisiä pinnan karheuden suhteen, mikä sai meidät selvittämään kullekin tyypille sopivimmat sovellukset.
Ottaen huomioon FS-NGF:n läpinäkyvyyden ja sileämmän pinnan, tutkimme sen paikallista rakennetta, optisia ja sähköisiä ominaisuuksia tarkemmin. FS-NGF:n rakenne ja rakenne ilman polymeerin siirtoa karakterisoitiin transmissioelektronimikroskoopilla (TEM) kuvantamisella ja valitun alueen elektronidiffraktio (SAED) kuvioanalyysillä. Vastaavat tulokset on esitetty kuvassa 5. Pienen suurennoksen tasomainen TEM-kuvaus paljasti NGF- ja FLG-alueiden läsnäolon, joilla oli erilaiset elektronin kontrastiominaisuudet, eli vastaavasti tummempia ja vaaleampia alueita (kuva 5a). Kalvolla on kaiken kaikkiaan hyvä mekaaninen eheys ja stabiilisuus NGF:n ja FLG:n eri alueiden välillä, hyvällä päällekkäisyydellä eikä vaurioita tai repeytymistä, minkä myös vahvistivat SEM (kuva 3) ja suuren suurennoksen TEM-tutkimukset (kuva 5c-e). Erityisesti kuviossa kuvassa 5d on esitetty siltarakenne sen suurimmassa osassa (mustalla katkoviivanuolella kuviossa 5d merkitty asema), jolle on tunnusomaista kolmion muoto ja joka koostuu grafeenikerroksesta, jonka leveys on noin 51 um. Koostumus, jonka tasojen välinen etäisyys on 0,33 ± 0,01 nm, pelkistyy edelleen useiksi grafeenikerroksiksi kapeimmalle alueelle (kuvan 5 d kiinteän mustan nuolen pää).
Tasomainen TEM-kuva polymeerittömästä NiAG-näytteestä hiilipitsisillä kupariruudukolla: (a, b) Pienikokoiset TEM-kuvat, mukaan lukien NGF- ja FLG-alueet, (ce) Korkean suurennoksen kuvat eri alueista paneelissa-a ja paneelissa-b merkityt samanväriset nuolet. Vihreät nuolet paneeleissa a ja c osoittavat pyöreitä vaurioita säteen kohdistuksen aikana. (f–i) Paneeleissa a–c SAED-kuviot eri alueilla on merkitty sinisellä, syaanilla, oranssilla ja punaisella ympyrällä.
Kuvan 5c nauharakenne näyttää (merkitty punaisella nuolella) grafiittihilatasojen pystysuuntaisen asennon, joka voi johtua nanolaskosten muodostumisesta kalvoa pitkin (umpikuvio kuvassa 5c) liiallisesta kompensoimattomasta leikkausjännityksestä johtuen30,61,62 . Korkearesoluutioisessa TEM:ssä näillä nanolaskostuksilla 30 on erilainen kristallografinen orientaatio kuin muulla NGF-alueella; grafiittihilan perustasot on suunnattu melkein pystysuoraan, eikä vaakasuoraan kuten muualla kalvossa (upotettu kuvassa 5c). Samoin FLG-alueella on toisinaan lineaarisia ja kapeita nauhamaisia taitoksia (merkitty sinisillä nuolilla), jotka näkyvät pienellä ja keskisuurella suurennuksella kuvioissa 5b, 5e, vastaavasti. Kuvan 5e upote vahvistaa kaksi- ja kolmikerroksisten grafeenikerrosten läsnäolon FLG-sektorilla (tasojen välinen etäisyys 0,33 ± 0,01 nm), mikä on hyvin sopusoinnussa aikaisempien tulostemme kanssa30. Lisäksi tallennetut SEM-kuvat polymeerivapaasta NGF:stä, joka on siirretty kupariritiloihin, joissa on pitsihiilikalvoja (ylhäältä katsottuna TEM-mittausten suorittamisen jälkeen), on esitetty kuvassa SI9. Hyvin ripustettu FLG-alue (merkitty sinisellä nuolella) ja katkennut alue kuvassa SI9f. Sininen nuoli (siirretyn NGF:n reunalla) esitetään tarkoituksella osoittamaan, että FLG-alue voi vastustaa siirtoprosessia ilman polymeeriä. Yhteenvetona voidaan todeta, että nämä kuvat vahvistavat, että osittain suspendoitu NGF (mukaan lukien FLG-alue) säilyttää mekaanisen eheyden jopa tiukan käsittelyn ja suurelle tyhjiölle altistumisen jälkeen TEM- ja SEM-mittausten aikana (kuva SI9).
NGF:n erinomaisesta tasaisuudesta johtuen (katso kuvio 5a) ei ole vaikeaa suunnata hiutaleita domeenin akselia pitkin SAED-rakenteen analysoimiseksi. Kalvon paikallisesta paksuudesta ja sen sijainnista riippuen elektronidiffraktiotutkimuksia varten tunnistettiin useita kiinnostavia alueita (12 pistettä). Kuvissa 5a–c neljä näistä tyypillisistä alueista on esitetty ja merkitty värillisillä ympyröillä (sininen, syaani, oranssi ja punainen koodattu). Kuvat 2 ja 3 SAED-moodille. Kuviot 5f ja g saatiin kuvioissa 5 ja 5 esitetyltä FLG-alueelta. Kuten on esitetty kuvioissa 5b ja c, vastaavasti. Niillä on kuusikulmainen rakenne, joka muistuttaa kierrettyä grafeenia63. Erityisesti kuvio 5f esittää kolme päällekkäistä kuviota, joilla on sama vyöhykeakselin suuntaus, kierrettynä 10° ja 20°, mistä on osoituksena kolmen (10-10) heijastusparin kulmaero. Samalla tavalla kuvio 5g esittää kaksi päällekkäistä kuusikulmion kuviota, jotka on kierretty 20°. Kaksi tai kolme ryhmää kuusikulmaisia kuvioita FLG-alueella voi syntyä kolmesta tasossa olevasta tai tason ulkopuolisesta grafeenikerroksesta 33, jotka on kierretty suhteessa toisiinsa. Sitä vastoin kuvion 5h,i elektronidiffraktiokuviot (vastaten kuviossa 5a esitettyä NGF-aluetta) esittävät yhden [0001] kuvion, jonka kokonaispistediffraktiointensiteetti on suurempi, mikä vastaa suurempaa materiaalin paksuutta. Nämä SAED-mallit vastaavat paksumpaa grafiittirakennetta ja keskitasoa kuin FLG, kuten indeksistä 64 voidaan päätellä. NGF:n kiteisten ominaisuuksien karakterisointi paljasti kahden tai kolmen päällekkäisen grafiitti- (tai grafeeni)kristalliitin rinnakkaiselon. Erityisen huomionarvoista FLG-alueella on, että kristalliiteillä on tietty tasossa tai tason ulkopuolinen suuntautumattomuus. Grafiittihiukkasia/kerroksia, joiden tasossa olevat kiertokulmat ovat 17°, 22° ja 25°, on aiemmin raportoitu Ni 64 -kalvoilla kasvatetussa NGF:ssä. Tässä tutkimuksessa havaitut kiertokulma-arvot ovat yhdenmukaisia kierretyn BLG63-grafeenin aiemmin havaittujen kiertokulmien (±1°) kanssa.
NGF/SiO2/Si:n sähköiset ominaisuudet mitattiin 300 K:ssa 10×3 mm2:n alueella. Elektronien kantajapitoisuuden, liikkuvuuden ja johtavuuden arvot ovat 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ja 2000 S-cm-1. NGF:n liikkuvuus- ja johtavuusarvot ovat samankaltaisia kuin luonnollisen grafiitin2 ja korkeammat kuin kaupallisesti saatavilla olevan erittäin orientoituneen pyrolyyttisen grafiitin (valmistettu 3000 °C:ssa)29. Havaitut elektronien kantajakonsentraatioarvot ovat kaksi suuruusluokkaa korkeammat kuin äskettäin raportoidut (7,25 × 10 cm-3) mikronin paksuisille grafiittikalvoille, jotka on valmistettu käyttämällä korkean lämpötilan (3200 °C) polyimidilevyjä 20 .
Teimme myös UV-näkyvän läpäisymittauksia FS-NGF:lle, joka on siirretty kvartsisubstraatteihin (kuva 6). Tuloksena oleva spektri näyttää lähes vakion 62 %:n läpäisykyvyn alueella 350–800 nm, mikä osoittaa, että NGF on läpikuultava näkyvälle valolle. Itse asiassa nimi ”KAUST” näkyy kuvan 6b näytteen digitaalisessa valokuvassa. Vaikka NGF:n nanokiteinen rakenne on erilainen kuin SLG:n, kerrosten lukumäärä voidaan arvioida karkeasti käyttämällä sääntöä 2,3 % lähetyshäviötä lisäkerrosta kohden65. Tämän suhteen mukaan grafeenikerroksia, joiden siirtohäviö on 38 %, on 21. Kasvatettu NGF koostuu pääosin 300 grafeenikerroksesta eli noin 100 nm paksusta (Kuva 1, SI5 ja SI7). Siksi oletamme, että havaittu optinen läpinäkyvyys vastaa FLG- ja MLG-alueita, koska ne ovat jakautuneet läpi kalvon (kuvat 1, 3, 5 ja 6c). Yllä olevien rakennetietojen lisäksi myös johtavuus ja läpinäkyvyys vahvistavat siirretyn NGF:n korkean kiteisen laadun.
(a) UV-näkyvän läpäisymittaus, (b) tyypillinen NGF-siirto kvartsilla käyttämällä edustavaa näytettä. (c) Kaavio NGF:stä (tumma laatikko), jossa tasaisesti jakautuneet FLG- ja MLG-alueet on merkitty harmaina satunnaisina muodoina läpi koko näytteen (katso kuva 1) (noin 0,1–3 % pinta-ala 100 μm2:tä kohti). Kaavion satunnaiset muodot ja niiden koot ovat vain havainnollistavia eivätkä vastaa todellisia alueita.
CVD:llä kasvatettu läpikuultava NGF on aiemmin siirretty paljaalle piipinnalle ja käytetty aurinkokennoissa15,16. Tuloksena oleva tehon muunnoshyötysuhde (PCE) on 1,5 %. Nämä NGF:t suorittavat useita toimintoja, kuten aktiivisten yhdisteiden kerroksia, varauksen kuljetusreittejä ja läpinäkyviä elektrodeja15, 16. Grafiittikalvo ei kuitenkaan ole yhtenäinen. Lisäoptimointi on tarpeen valvomalla huolellisesti grafiittielektrodin levyresistanssia ja optista läpäisykykyä, koska nämä kaksi ominaisuutta ovat tärkeässä roolissa aurinkokennon PCE-arvon määrittämisessä15,16. Tyypillisesti grafeenikalvot ovat 97,7 % läpinäkyviä näkyvälle valolle, mutta niiden levyresistanssi on 200–3000 ohmia/sq.16. Grafeenikalvojen pintakestävyyttä voidaan vähentää lisäämällä kerrosten lukumäärää (grafeenikerrosten moninkertainen siirto) ja seosttamalla HNO3:lla (~30 ohm/sq.)66. Tämä prosessi kestää kuitenkin kauan ja eri siirtokerrokset eivät aina ylläpidä hyvää kontaktia. Etupuolen NGF:llämme on ominaisuuksia, kuten johtavuus 2000 S/cm, kalvolevyresistanssi 50 ohm/sq. ja 62 % läpinäkyvyys, mikä tekee siitä käyttökelpoisen vaihtoehdon johtaville kanaville tai vastaelektrodeille aurinkokennoissa15,16.
Vaikka BS-NGF:n rakenne ja pintakemia ovat samanlaisia kuin FS-NGF, sen karheus on erilainen ("FS- ja BS-NGF:n kasvu"). Aikaisemmin käytimme kaasuanturina ultraohutkalvografiittia22. Siksi testasimme BS-NGF:n käyttökelpoisuutta kaasuntunnistustehtävissä (kuva SI10). Ensin mm2:n kokoiset osat BS-NGF:stä siirrettiin interdigitoivalle elektroditunnistimelle (kuva SI10a-c). Sirun valmistustiedot on raportoitu aiemmin; sen aktiivinen herkkä alue on 9 mm267. SEM-kuvissa (kuvat SI10b ja c) alla oleva kultaelektrodi näkyy selvästi NGF:n läpi. Jälleen voidaan nähdä, että kaikilla näytteillä saavutettiin yhtenäinen sirupeitto. Eri kaasujen kaasuantureiden mittaukset tallennettiin (kuva SI10d) (kuva SI11) ja tuloksena saadut vastenopeudet on esitetty kuvissa SI10g. Todennäköisesti muiden häiritsevien kaasujen kanssa, mukaan lukien SO2 (200 ppm), H2 (2 %), CH4 (200 ppm), CO2 (2 %), H2S (200 ppm) ja NH3 (200 ppm). Yksi mahdollinen syy on NO2. kaasun elektrofiilinen luonne22,68. Kun se adsorboituu grafeenin pintaan, se vähentää elektronien virran absorptiota järjestelmässä. BS-NGF-anturin vasteaikatietojen vertailu aiemmin julkaistuihin antureisiin on esitetty taulukossa SI2. Mekanismi NGF-antureiden uudelleenaktivoimiseksi UV-plasmalla, O3-plasmalla tai altistuneiden näytteiden lämpökäsittelyllä (50–150 °C) on meneillään, ja sitä seuraa ihanteellisesti sulautettujen järjestelmien käyttöönotto69.
CVD-prosessin aikana grafeenin kasvua tapahtuu katalyyttisubstraatin molemmilla puolilla41. BS-grafeenia kuitenkin poistuu yleensä siirtoprosessin aikana41. Tässä tutkimuksessa osoitamme, että korkealaatuinen NGF-kasvu ja polymeeritön NGF-siirto voidaan saavuttaa katalyytin kantajan molemmilla puolilla. BS-NGF on ohuempi (~80 nm) kuin FS-NGF (~100 nm), ja tämä ero selittyy sillä, että BS-Ni ei ole suoraan alttiina esiastekaasuvirtaukselle. Havaitsimme myös, että NiAR-substraatin karheus vaikuttaa NGF:n karheuteen. Nämä tulokset osoittavat, että kasvatettua tasomaista FS-NGF:ää voidaan käyttää grafeenin esiastemateriaalina (kuoritusmenetelmällä70) tai johtavana kanavana aurinkokennoissa15,16. Sitä vastoin BS-NGF:ää käytetään kaasunilmaisuun (kuva SI9) ja mahdollisesti energian varastointijärjestelmiin71,72, joissa sen pinnan karheus on hyödyllinen.
Edellä esitetyn perusteella on hyödyllistä yhdistää nykyinen työ aiemmin julkaistuihin grafiittikalvoihin, jotka on kasvatettu CVD:llä ja käyttämällä nikkelifoliota. Kuten taulukosta 2 näkyy, käyttämämme korkeammat paineet lyhensivät reaktioaikaa (kasvuvaihetta) jopa suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (850–1300 °C). Saimme myös tavanomaista suurempaa kasvua, mikä viittaa laajentumismahdollisuuksiin. On muitakin huomioitavia tekijöitä, joista olemme sisällyttäneet taulukkoon.
Kaksipuolinen korkealaatuinen NGF kasvatettiin nikkelifoliolla katalyyttisellä CVD:llä. Poistamalla perinteiset polymeerisubstraatit (kuten CVD-grafeenissa käytetyt) saavutamme puhtaan ja virheetön NGF:n märkäsiirron (nikkelifolion taka- ja etupuolella) useille prosessikriittisille alustoille. Erityisesti NGF sisältää FLG- ja MLG-alueita (tyypillisesti 0,1 % - 3 % 100 µm2:ta kohti), jotka ovat rakenteellisesti hyvin integroituneita paksumpaan kalvoon. Tasomainen TEM osoittaa, että nämä alueet koostuvat kahdesta kolmeen grafiitti/grafeenihiukkasen pinoista (kiteistä tai kerroksista, vastaavasti), joista joillakin on 10–20°:n pyörimisero. FLG- ja MLG-alueet vastaavat FS-NGF:n läpinäkyvyydestä näkyvälle valolle. Mitä tulee takalevyihin, niitä voidaan kuljettaa rinnakkain etulevyjen kanssa ja, kuten kuvassa, niillä voi olla toiminnallinen tarkoitus (esimerkiksi kaasun havaitsemiseen). Nämä tutkimukset ovat erittäin hyödyllisiä jätteen ja kustannusten vähentämisessä teollisen mittakaavan CVD-prosesseissa.
Yleensä CVD NGF:n keskimääräinen paksuus on (matala- ja monikerroksisen) grafeenin ja teollisuusgrafiittilevyjen (mikrometri) välissä. Niiden mielenkiintoisten ominaisuuksien valikoima yhdistettynä niiden tuotantoon ja kuljetukseen kehittämiimme yksinkertaisiin menetelmiin tekee näistä kalvoista erityisen sopivia sovelluksiin, jotka edellyttävät grafiitin toiminnallista vastetta ilman, että tällä hetkellä kuluu energiaintensiivisiä teollisia tuotantoprosesseja.
25 μm paksu nikkelifolio (puhtaus 99,5 %, Goodfellow) asennettiin kaupalliseen CVD-reaktoriin (Aixtron 4-tuumainen BMPro). Järjestelmä huuhdeltiin argonilla ja tyhjennettiin 10-3 mbar:n peruspaineeseen. Sitten laitettiin nikkelifolio. Ar/H2:ssa (Ni-kalvon esihehkutuksen jälkeen 5 minuutin ajan kalvo altistettiin 500 mbar:n paineelle 900 °C:ssa. NGF kerrostettiin CH4/H2-virrassa (100 cm3 kumpikin) 5 minuutin ajan. Näyte jäähdytettiin sitten alle 700 °C:n lämpötilaan käyttämällä Ar-virtausta (4000 cm3) nopeudella 40 °C/min. Yksityiskohdat NGF-kasvuprosessin optimoinnista on kuvattu muualla30.
Näytteen pinnan morfologia visualisoitiin SEM:llä käyttämällä Zeiss Merlin -mikroskooppia (1 kV, 50 pA). Näytteen pinnan karheus ja NGF-paksuus mitattiin käyttämällä AFM:ää (Dimension Icon SPM, Bruker). TEM- ja SAED-mittaukset suoritettiin FEI Titan 80–300 Cube-mikroskoopilla, joka oli varustettu korkean kirkkauden kenttäemissiopistoolilla (300 kV), FEI Wien -tyyppisellä monokromaattorilla ja CEOS-linssin pallopoikkeaman korjaajalla lopullisten tulosten saamiseksi. spatiaalinen resoluutio 0,09 nm. NGF-näytteet siirrettiin hiilipitsillä päällystettyihin kupariritiloihin litteää TEM-kuvausta ja SAED-rakenneanalyysiä varten. Siten suurin osa näytehöytälöistä on suspendoitunut tukikalvon huokosiin. Siirretyt NGF-näytteet analysoitiin XRD:llä. Röntgendiffraktiokuviot saatiin käyttämällä jauhediffraktometriä (Brucker, D2-vaiheensiirrin Cu Ka -lähteellä, 1,5418 Å ja LYNXEYE-detektori) käyttämällä Cu-säteilylähdettä, jonka säteen pisteen halkaisija oli 3 mm.
Useita Raman-pistemittauksia tallennettiin integroivalla konfokaalimikroskoopilla (Alpha 300 RA, WITeC). Lämpövaikutusten välttämiseksi käytettiin 532 nm:n laseria, jolla oli pieni viritysteho (25 %). Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS) suoritettiin Kratos Axis Ultra -spektrometrillä 300 × 700 μm2:n näytealueella käyttämällä monokromaattista Al Ka -säteilyä (hν = 1486,6 eV) teholla 150 W. Resoluutiospektrit saatiin klo. lähetysenergiat 160 eV ja 20 eV, vastaavasti. SiO2:lle siirretyt NGF-näytteet leikattiin paloiksi (kukin 3 × 10 mm2) käyttämällä PLS6MW (1,06 μm) ytterbiumkuitulaseria 30 W:lla. Kuparilankakoskettimet (50 μm paksu) valmistettiin hopeapastasta optisen mikroskoopin alla. Näillä näytteillä suoritettiin sähkökuljetus- ja Hall-ilmiökokeita 300 K:n lämpötilassa ja ± 9 Teslan magneettikentän vaihtelussa fysikaalisten ominaisuuksien mittausjärjestelmässä (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Läpäisevät UV-vis-spektrit tallennettiin Lambda 950 UV-vis -spektrofotometrillä 350-800 nm NGF-alueella siirrettynä kvartsisubstraatteihin ja kvartsivertailunäytteisiin.
Kemikaalivastuksen anturi (interdigitoitu elektrodisiru) johdotettiin mukautettuun painettuun piirilevyyn 73 ja vastus poistettiin väliaikaisesti. Painettu piirilevy, jolla laite sijaitsee, on kytketty kosketinliittimiin ja sijoitettu kaasuntunnistuskammion 74 sisään. Resistanssimittaukset suoritettiin 1 V:n jännitteellä jatkuvalla skannauksella tyhjennyksestä kaasulle altistukseen ja sitten uudelleen. Kammio puhdistettiin aluksi huuhtelemalla typellä 200 cm3:ssä 1 tunnin ajan kaikkien muiden kammiossa olevien analyyttien, mukaan lukien kosteuden, poistamisen varmistamiseksi. Yksittäiset analyytit vapautettiin sitten hitaasti kammioon samalla 200 cm3:n virtausnopeudella sulkemalla N2-sylinteri.
Tämän artikkelin tarkistettu versio on julkaistu, ja siihen pääsee artikkelin yläosassa olevan linkin kautta.
Inagaki, M. ja Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Toinen painos muokattu. 2014. 542.
Pearson, HO Käsikirja hiilestä, grafiitista, timantista ja fullereeneista: ominaisuudet, käsittely ja sovellukset. Ensimmäinen painos on muokattu. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et ai. Suuripintaiset monikerroksiset grafeeni/grafiittikalvot läpinäkyvinä ohuina johtavina elektrodeina. sovellus. fysiikka. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Grafeenin ja nanorakenteisten hiilimateriaalien lämpöominaisuudet. Nat. Matta. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ja Cahill DG Ni:llä (111) kasvatettujen grafiittikalvojen lämmönjohtavuus matalan lämpötilan kemiallisella höyrypinnoituksella. adverbi. Matta. Käyttöliittymä 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Grafeenikalvojen jatkuva kasvu kemiallisen höyrypinnoituksen avulla. sovellus. fysiikka. Wright. 98(13), 133106(2011).
Postitusaika: 23.8.2024