Diolch am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn o'r porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y canlyniadau gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio fersiwn mwy diweddar o'ch porwr (neu analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn arddangos y wefan heb steilio na JavaScript.
Mae ffilmiau graffit nanoraddfa (NGFs) yn nano-ddeunyddiau cadarn y gellir eu cynhyrchu trwy ddyddodiad anwedd cemegol catalytig, ond erys cwestiynau ynghylch pa mor hawdd ydynt i'w trosglwyddo a sut mae morffoleg arwyneb yn effeithio ar eu defnydd mewn dyfeisiau cenhedlaeth nesaf. Yma rydym yn adrodd am dwf NGF ar ddwy ochr ffoil nicel polycrystalline (ardal 55 cm2, trwch tua 100 nm) a'i drosglwyddiad di-bolymer (blaen a chefn, arwynebedd hyd at 6 cm2). Oherwydd morffoleg y ffoil catalydd, mae'r ddwy ffilm garbon yn wahanol yn eu priodweddau ffisegol a nodweddion eraill (fel garwedd arwyneb). Rydym yn dangos bod NGFs ag ochr gefn mwy garw yn addas iawn ar gyfer canfod NO2, tra gall NGFs llyfnach a mwy dargludol ar yr ochr flaen (2000 S/cm, ymwrthedd dalen - 50 ohms/m2) fod yn ddargludyddion hyfyw. sianel neu electrod y gell solar (gan ei fod yn trosglwyddo 62% o olau gweladwy). Yn gyffredinol, efallai y bydd y prosesau twf a thrafnidiaeth a ddisgrifir yn helpu i wireddu NGF fel deunydd carbon amgen ar gyfer cymwysiadau technolegol lle nad yw ffilmiau graphene a graffit trwchus micron yn addas.
Mae graffit yn ddeunydd diwydiannol a ddefnyddir yn eang. Yn nodedig, mae gan graffit nodweddion dwysedd màs cymharol isel a dargludedd thermol a thrydanol uchel mewn awyren, ac mae'n sefydlog iawn mewn amgylcheddau thermol a chemegol llym1,2. Mae graffit ffloch yn ddeunydd cychwyn adnabyddus ar gyfer ymchwil graphene3. Pan gaiff ei brosesu'n ffilmiau tenau, gellir ei ddefnyddio mewn ystod eang o gymwysiadau, gan gynnwys sinciau gwres ar gyfer dyfeisiau electronig megis ffonau smart4,5,6,7, fel deunydd gweithredol mewn synwyryddion8,9,10 ac ar gyfer amddiffyn ymyrraeth electromagnetig11. 12 a ffilmiau ar gyfer lithograffeg mewn uwchfioled eithafol13,14, sianeli dargludo mewn celloedd solar15,16. Ar gyfer pob un o'r ceisiadau hyn, byddai'n fantais sylweddol pe bai ardaloedd mawr o ffilmiau graffit (NGFs) gyda thrwch wedi'u rheoli yn y nanoscale <100 nm yn gallu cael eu cynhyrchu a'u cludo'n hawdd.
Cynhyrchir ffilmiau graffit trwy wahanol ddulliau. Mewn un achos, defnyddiwyd mewnosod ac ehangu ac yna diblisgo i gynhyrchu naddion graphene10,11,17. Rhaid prosesu'r naddion ymhellach yn ffilmiau o'r trwch gofynnol, ac yn aml mae'n cymryd sawl diwrnod i gynhyrchu taflenni graffit trwchus. Dull arall yw dechrau gyda rhagsylweddion solet graffadwy. Mewn diwydiant, mae dalennau o bolymerau'n cael eu carboneiddio (ar 1000-1500 °C) ac yna'n cael eu graffiteiddio (ar 2800-3200 °C) i ffurfio deunyddiau haenog â strwythur da. Er bod ansawdd y ffilmiau hyn yn uchel, mae'r defnydd o ynni yn sylweddol1,18,19 ac mae'r trwch lleiaf wedi'i gyfyngu i ychydig o ficronau1,18,19,20.
Mae dyddodiad anwedd cemegol catalytig (CVD) yn ddull adnabyddus ar gyfer cynhyrchu ffilmiau graffit a ultrathin graffit (<10 nm) gydag ansawdd strwythurol uchel a chost resymol21,22,23,24,25,26,27. Fodd bynnag, o gymharu â thwf ffilmiau graphene a graffit ultrathin28, mae twf ardal fawr a/neu gymhwyso NGF gan ddefnyddio CVD yn cael ei archwilio hyd yn oed yn llai11,13,29,30,31,32,33.
Yn aml mae angen trosglwyddo ffilmiau graphene a graffit a dyfwyd â CVD i swbstradau swyddogaethol34. Mae'r trosglwyddiadau ffilm tenau hyn yn cynnwys dau brif ddull35: (1) trosglwyddiad nad yw'n ysgythru36,37 a (2) trosglwyddiad cemegol gwlyb yn seiliedig ar ysgythru (a gefnogir gan swbstrad)14,34,38. Mae gan bob dull rai manteision ac anfanteision a rhaid eu dewis yn dibynnu ar y cais arfaethedig, fel y disgrifir mewn man arall35,39. Ar gyfer ffilmiau graphene/graffit a dyfir ar swbstradau catalytig, trosglwyddo trwy brosesau cemegol gwlyb (y mae polymethyl methacrylate (PMMA) yw'r haen gynhaliol a ddefnyddir amlaf) yn parhau i fod y dewis cyntaf13,30,34,38,40,41,42. Rydych chi et al. Soniwyd na ddefnyddiwyd unrhyw bolymer ar gyfer trosglwyddo NGF (maint sampl tua 4 cm2)25,43, ond ni ddarparwyd unrhyw fanylion ynghylch sefydlogrwydd sampl a/neu drin yn ystod y trosglwyddo; Mae prosesau cemeg gwlyb sy'n defnyddio polymerau yn cynnwys sawl cam, gan gynnwys cymhwyso a thynnu haen polymer aberthol30,38,40,41,42 wedi hynny. Mae anfanteision i'r broses hon: er enghraifft, gall gweddillion polymerau newid priodweddau'r ffilm a dyfwyd38. Gall prosesu ychwanegol gael gwared ar bolymer gweddilliol, ond mae'r camau ychwanegol hyn yn cynyddu cost ac amser cynhyrchu ffilm38,40. Yn ystod twf CVD, mae haen o graphene yn cael ei adneuo nid yn unig ar ochr flaen y ffoil catalydd (yr ochr sy'n wynebu'r llif stêm), ond hefyd ar ei ochr gefn. Fodd bynnag, ystyrir bod yr olaf yn gynnyrch gwastraff a gellir ei dynnu'n gyflym â phlasma meddal38,41. Gall ailgylchu'r ffilm hon helpu i sicrhau'r cynnyrch gorau posibl, hyd yn oed os yw o ansawdd is na ffilm garbon wyneb.
Yma, rydym yn adrodd ar baratoi twf deuwynebol ar raddfa waffer o NGF gydag ansawdd strwythurol uchel ar ffoil nicel polycrystalline gan CVD. Aseswyd sut mae garwedd wyneb blaen a chefn y ffoil yn effeithio ar forffoleg a strwythur NGF. Rydym hefyd yn dangos trosglwyddiad di-bolymer cost-effeithiol ac ecogyfeillgar o NGF o ddwy ochr ffoil nicel i swbstradau amlswyddogaethol ac yn dangos sut mae'r ffilmiau blaen a chefn yn addas ar gyfer amrywiol gymwysiadau.
Mae'r adrannau canlynol yn trafod gwahanol drwch ffilm graffit yn dibynnu ar nifer yr haenau graphene wedi'u pentyrru: (i) graphene haen sengl (SLG, 1 haen), (ii) ychydig o haen graphene (FLG, < 10 haen), (iii) graphene amlhaenog ( MLG, 10-30 haen) a (iv) NGF (~300 haen). Yr olaf yw'r trwch mwyaf cyffredin a fynegir fel canran o arwynebedd (tua 97% o arwynebedd fesul 100 µm2)30. Dyna pam y gelwir y ffilm gyfan yn syml yn NGF.
Mae gan ffoil nicel polycrystalline a ddefnyddir ar gyfer synthesis ffilmiau graphene a graffit weadau gwahanol o ganlyniad i'w gweithgynhyrchu a'u prosesu dilynol. Yn ddiweddar, gwnaethom adrodd ar astudiaeth i wneud y gorau o broses twf NGF30. Rydym yn dangos bod paramedrau proses fel amser anelio a phwysau siambr yn ystod y cyfnod twf yn chwarae rhan hanfodol wrth gael NGFs o drwch unffurf. Yma, fe wnaethom ymchwilio ymhellach i dwf NGF ar wynebau blaen caboledig (FS) a chefn heb ei sgleinio (BS) o ffoil nicel (Ffig. 1a). Archwiliwyd tri math o samplau FS a BS, a restrir yn Nhabl 1. Ar ôl archwiliad gweledol, gellir gweld twf unffurf NGF ar ddwy ochr y ffoil nicel (NiAG) trwy newid lliw y swbstrad Ni swmp o arian metelaidd nodweddiadol llwyd i liw llwyd matte (Ffig. 1a); cadarnhawyd mesuriadau microsgopig (Ffig. 1b, c). Dangosir sbectrwm Raman nodweddiadol o FS-NGF a welwyd yn y rhanbarth llachar ac a nodir gan saethau coch, glas ac oren yn Ffigur 1b yn Ffigur 1c. Mae copaon nodweddiadol Raman o graffit G (1683 cm -1) a 2D (2696 cm -1) yn cadarnhau twf NGF crisialog iawn (Ffig. 1c, Tabl SI1). Drwy gydol y ffilm, gwelwyd goruchafiaeth o sbectra Raman gyda chymhareb dwyster (I2D/IG) ~0.3, tra anaml y gwelwyd sbectra Raman gydag I2D/IG = 0.8. Mae absenoldeb copaon diffygiol (D = 1350 cm-1) yn y ffilm gyfan yn nodi ansawdd uchel twf NGF. Cafwyd canlyniadau Raman tebyg ar y sampl BS-NGF (Ffigur SI1 a a b, Tabl SI1).
Cymhariaeth o NiAG FS- a BS-NGF: (a) Ffotograff o sampl NGF (NiAG) nodweddiadol yn dangos twf NGF ar raddfa wafferi (55 cm2) a'r samplau ffoil BS- a FS-Ni sy'n deillio o hynny, (b) FS-NGF Delweddau/ Ni a gafwyd trwy ficrosgop optegol, (c) sbectra Raman nodweddiadol wedi'i recordio mewn gwahanol leoliadau ym mhanel b, (d, f) delweddau SEM ar wahanol chwyddhadau ar FS-NGF/Ni, (e, g) delweddau SEM ar wahanol chwyddhadau Setiau BS -NGF/Ni. Mae'r saeth las yn nodi'r rhanbarth FLG, mae'r saeth oren yn nodi'r rhanbarth MLG (ger y rhanbarth FLG), mae'r saeth goch yn nodi rhanbarth NGF, ac mae'r saeth magenta yn nodi'r plyg.
Gan fod twf yn dibynnu ar drwch y swbstrad cychwynnol, maint y grisial, cyfeiriadedd, a ffiniau grawn, mae cyflawni rheolaeth resymol o drwch NGF dros ardaloedd mawr yn parhau i fod yn her20,34,44. Defnyddiodd yr astudiaeth hon gynnwys a gyhoeddwyd gennym yn flaenorol30. Mae'r broses hon yn cynhyrchu rhanbarth llachar o 0.1 i 3% fesul 100 µm230. Yn yr adrannau canlynol, rydym yn cyflwyno canlyniadau ar gyfer y ddau fath o ranbarth. Mae delweddau SEM chwyddo uchel yn dangos presenoldeb nifer o ardaloedd cyferbyniad llachar ar y ddwy ochr (Ffig. 1f, g), sy'n dangos presenoldeb rhanbarthau FLG ac MLG30,45. Cadarnhawyd hyn hefyd gan Raman gwasgariad (Ffig. 1c) a chanlyniadau TEM (trafodir yn ddiweddarach yn yr adran "FS-NGF: strwythur ac eiddo"). Efallai bod y rhanbarthau FLG a MLG a welwyd ar samplau FS- a BS-NGF/Ni (NGF blaen a chefn a dyfwyd ar Ni) wedi tyfu ar rawn mawr Ni(111) a ffurfiwyd yn ystod cyn-anelio22,30,45. Gwelwyd plygu ar y ddwy ochr (Ffig. 1b, wedi'i farcio â saethau porffor). Mae'r plygiadau hyn i'w cael yn aml mewn ffilmiau graphene a graffit a dyfwyd â CVD oherwydd y gwahaniaeth mawr yn y cyfernod ehangu thermol rhwng y graffit a'r swbstrad nicel30,38.
Cadarnhaodd delwedd AFM fod sampl FS-NGF yn fwy gwastad na'r sampl BS-NGF (Ffigur SI1) (Ffigur SI2). Gwerthoedd garwedd sgwâr cymedrig gwraidd (RMS) FS-NGF/Ni (Ffig. SI2c) a BS-NGF/Ni (Ffig. SI2d) yw 82 a 200 nm, yn y drefn honno (wedi'i fesur dros arwynebedd o 20 × 20 μm2). Gellir deall y garwedd uwch yn seiliedig ar ddadansoddiad arwyneb y ffoil nicel (NiAR) yn y cyflwr a dderbyniwyd (Ffigur SI3). Dangosir delweddau SEM o FS a BS-NiAR yn Ffigurau SI3a–d, gan ddangos morffolegau arwyneb gwahanol: mae gan ffoil FS-Ni caboledig ronynnau sfferig maint nano a micron, tra bod ffoil BS-Ni heb ei sgleinio yn arddangos ysgol gynhyrchu. fel gronynnau â chryfder uchel. a dirywiad. Dangosir delweddau cydraniad isel ac uchel o ffoil nicel wedi'i anelio (NiA) yn Ffigur SI3e–h. Yn y ffigurau hyn, gallwn arsylwi presenoldeb nifer o ronynnau nicel maint micron ar ddwy ochr y ffoil nicel (Ffig. SI3e–h). Gall grawn mawr fod â chyfeiriadedd arwyneb Ni(111), fel yr adroddwyd yn flaenorol30,46. Mae gwahaniaethau sylweddol mewn morffoleg ffoil nicel rhwng FS-NiA a BS-NiA. Mae garwedd uwch BS-NGF/Ni oherwydd arwyneb heb ei sgleinio BS-NiAR, y mae ei wyneb yn parhau i fod yn sylweddol arw hyd yn oed ar ôl anelio (Ffigur SI3). Mae'r math hwn o nodweddu wyneb cyn y broses dwf yn caniatáu i garwedd ffilmiau graphene a graffit gael eu rheoli. Dylid nodi bod y swbstrad gwreiddiol wedi cael rhywfaint o ad-drefnu grawn yn ystod twf graphene, a ostyngodd y maint grawn ychydig ac a gynyddodd garwedd wyneb y swbstrad i raddau o'i gymharu â'r ffoil annealed a'r ffilm gatalydd22.
Bydd mireinio garwedd wyneb y swbstrad, amser anelio (maint grawn) 30,47 a rheolaeth rhyddhau43 yn helpu i leihau unffurfiaeth trwch NGF rhanbarthol i'r raddfa µm2 a/neu hyd yn oed nm2 (hy, amrywiadau trwch ychydig o nanometrau). Er mwyn rheoli garwedd wyneb y swbstrad, gellir ystyried dulliau megis sgleinio electrolytig y ffoil nicel sy'n deillio o hynny48. Yna gellir anelio'r ffoil nicel sydd wedi'i drin ymlaen llaw ar dymheredd is (< 900 ° C) 46 ac amser (< 5 munud) i osgoi ffurfio grawn mawr Ni(111) (sy'n fuddiol ar gyfer twf FLG).
Ni all SLG a FLG graphene wrthsefyll tensiwn wyneb asidau a dŵr, sy'n gofyn am haenau cymorth mecanyddol yn ystod prosesau trosglwyddo cemegol gwlyb22,34,38. Mewn cyferbyniad â'r trosglwyddiad cemegol gwlyb o graphene un haen a gefnogir gan bolymer38, canfuom y gellir trosglwyddo dwy ochr y NGF fel y mae wedi'i dyfu heb gefnogaeth polymer, fel y dangosir yn Ffigur 2a (gweler Ffigur SI4a am ragor o fanylion). Mae trosglwyddo NGF i swbstrad penodol yn dechrau gydag ysgythru gwlyb y ffilm Ni30.49 waelodol. Gosodwyd y samplau NGF / Ni / NGF a dyfwyd dros nos mewn 15 ml o 70% HNO3 wedi'i wanhau â 600 ml o ddŵr wedi'i ddadïoneiddio (DI). Ar ôl i'r ffoil Ni gael ei doddi'n llwyr, mae FS-NGF yn aros yn wastad ac yn arnofio ar wyneb yr hylif, yn union fel y sampl NGF/Ni/NGF, tra bod BS-NGF yn cael ei drochi mewn dŵr (Ffig. 2a,b). Yna trosglwyddwyd y NGF ynysig o un bicer yn cynnwys dŵr ffres wedi'i ddadïoneiddio i ficer arall a golchwyd y NGF ynysig yn drylwyr, gan ailadrodd pedair i chwe gwaith trwy'r ddysgl wydr ceugrwm. Yn olaf, gosodwyd FS-NGF a BS-NGF ar y swbstrad dymunol (Ffig. 2c).
Proses drosglwyddo cemegol gwlyb di-bolymer ar gyfer NGF a dyfir ar ffoil nicel: (a) Diagram llif proses (gweler Ffigur SI4 am ragor o fanylion), (b) Ffotograff digidol o NGF wedi'i wahanu ar ôl ysgythru Ni (2 sampl), (c) Enghraifft FS – a throsglwyddiad BS-NGF i swbstrad SiO2/Si, (d) trosglwyddiad FS-NGF i swbstrad polymer afloyw, (e) BS-NGF o'r un sampl â phanel d (wedi'i rannu'n ddwy ran), wedi'i drosglwyddo i bapur C â plat aur a Nafion (swbstrad tryloyw hyblyg, ymylon wedi'u marcio â chorneli coch).
Sylwch fod trosglwyddiad SLG a gyflawnir gan ddefnyddio dulliau trosglwyddo cemegol gwlyb yn gofyn am gyfanswm amser prosesu o 20-24 awr 38 . Gyda'r dechneg trosglwyddo di-bolymer a ddangosir yma (Ffigur SI4a), mae amser prosesu trosglwyddo NGF cyffredinol yn cael ei leihau'n sylweddol (tua 15 awr). Mae'r broses yn cynnwys: (Cam 1) Paratowch doddiant ysgythru a rhowch y sampl ynddo (~10 munud), yna arhoswch dros nos am ysgythriad Ni (~7200 munud), (Cam 2) Rinsiwch â dŵr wedi'i ddadïoneiddio (Cam - 3) . storio mewn dŵr deionized neu ei drosglwyddo i'r swbstrad targed (20 munud). Mae dŵr sydd wedi'i ddal rhwng y NGF a'r matrics swmp yn cael ei dynnu trwy weithred capilari (gan ddefnyddio papur blotio)38, yna mae'r defnynnau dŵr sy'n weddill yn cael eu tynnu trwy sychu'n naturiol (tua 30 munud), ac yn olaf caiff y sampl ei sychu am 10 munud. min mewn popty gwactod (10–1 mbar) ar 50–90 °C (60 munud) 38.
Mae'n hysbys bod graffit yn gwrthsefyll presenoldeb dŵr ac aer ar dymheredd eithaf uchel (≥ 200 ° C)50,51,52. Fe wnaethon ni brofi samplau gan ddefnyddio sbectrosgopeg Raman, SEM, ac XRD ar ôl eu storio mewn dŵr wedi'i ddadïoneiddio ar dymheredd ystafell ac mewn poteli wedi'u selio am unrhyw le o ychydig ddyddiau i flwyddyn (Ffigur SI4). Nid oes unrhyw ddiraddiad amlwg. Mae Ffigur 2c yn dangos FS-NGF a BS-NGF annibynnol mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio. Fe wnaethon ni eu dal ar swbstrad SiO2 (300 nm)/Si, fel y dangosir ar ddechrau Ffigur 2c. Yn ogystal, fel y dangosir yn Ffigur 2d,e, gellir trosglwyddo NGF di-dor i amrywiol swbstradau megis polymerau (polyamid Thermabright o Nexolve a Nafion) a phapur carbon wedi'i orchuddio ag aur. Gosodwyd y FS-NGF symudol yn hawdd ar y swbstrad targed (Ffig. 2c, d). Fodd bynnag, roedd samplau BS-NGF mwy na 3 cm2 yn anodd eu trin pan gawsant eu trochi'n llwyr mewn dŵr. Fel arfer, pan fyddant yn dechrau rholio mewn dŵr, oherwydd eu trin yn ddiofal maent weithiau'n torri'n ddwy neu dair rhan (Ffig. 2e). Ar y cyfan, roeddem yn gallu cyflawni trosglwyddiad di-bolymer o PS- a BS-NGF (trosglwyddiad di-dor parhaus heb dwf NGF / Ni / NGF ar 6 cm2) ar gyfer samplau hyd at 6 a 3 cm2 mewn arwynebedd, yn y drefn honno. Gellir gweld unrhyw ddarnau mawr neu fach sy'n weddill (yn hawdd yn yr hydoddiant ysgythru neu ddŵr wedi'i ddadïoneiddio) ar y swbstrad a ddymunir (~ 1 mm2, Ffigur SI4b, gweler y sampl a drosglwyddwyd i'r grid copr fel yn “FS-NGF: Strwythur a Phriodweddau (trafodwyd) o dan “Structure and Properties”) neu storfa i'w defnyddio yn y dyfodol (Ffigur SI4). Yn seiliedig ar y maen prawf hwn, rydym yn amcangyfrif y gellir adennill NGF mewn cynnyrch o hyd at 98-99% (ar ôl twf ar gyfer trosglwyddo).
Dadansoddwyd samplau trosglwyddo heb bolymer yn fanwl. Nodweddion morffolegol arwyneb a gafwyd ar FS- a BS-NGF/SiO2/Si (Ffig. 2c) gan ddefnyddio microsgopeg optegol (OM) a delweddau SEM (Ffig. SI5 a Ffig. 3) yn dangos bod y samplau hyn yn cael eu trosglwyddo heb ficrosgopeg. Difrod strwythurol gweladwy fel craciau, tyllau, neu ardaloedd heb eu rholio. Arhosodd y plygiadau ar y NGF cynyddol (Ffig. 3b, d, wedi'u nodi gan saethau porffor) yn gyfan ar ôl trosglwyddo. Mae FS- a BS-NGFs yn cynnwys rhanbarthau FLG (rhanbarthau llachar a nodir gan saethau glas yn Ffigur 3). Yn syndod, yn wahanol i'r ychydig ranbarthau a ddifrodwyd a welwyd yn nodweddiadol yn ystod trosglwyddiad polymer o ffilmiau graffit ultrathin, trosglwyddwyd sawl rhanbarth FLG a MLG maint micron sy'n cysylltu â'r NGF (wedi'u nodi gan saethau glas yn Ffigur 3d) heb graciau neu doriadau (Ffigur 3d) . 3). . Cadarnhawyd cywirdeb mecanyddol ymhellach gan ddefnyddio delweddau TEM a SEM o NGF a drosglwyddwyd i gridiau copr les-carbon, fel y trafodir yn ddiweddarach (“FS-NGF: Strwythur ac Eiddo”). Mae'r BS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd yn fwy garw na FS-NGF/SiO2/Si gyda gwerthoedd rms o 140 nm a 17 nm, yn y drefn honno, fel y dangosir yn Ffigur SI6a a b (20 × 20 μm2). Mae gwerth RMS NGF a drosglwyddwyd i'r swbstrad SiO2/Si (RMS < 2 nm) yn sylweddol is (tua 3 gwaith) na gwerth NGF a dyfir ar Ni (Ffigur SI2), sy'n nodi y gallai'r garwedd ychwanegol gyfateb i'r wyneb Ni. Yn ogystal, dangosodd delweddau AFM a berfformiwyd ar ymylon samplau FS- a BS-NGF/SiO2/Si drwch NGF o 100 a 80 nm, yn y drefn honno (Ffig. SI7). Gall trwch llai BS-NGF fod o ganlyniad i'r ffaith nad yw'r wyneb yn agored yn uniongyrchol i'r nwy rhagflaenol.
NGF (NiAG) wedi'i drosglwyddo heb bolymer ar wafer SiO2/Si (gweler Ffigur 2c): (a,b) delweddau SEM o FS-NGF a drosglwyddwyd: chwyddhad isel ac uchel (sy'n cyfateb i'r sgwâr oren yn y panel). Ardaloedd nodweddiadol) – a). (c,d) Delweddau SEM o BS-NGF a drosglwyddwyd: chwyddhad isel ac uchel (sy'n cyfateb i'r arwynebedd nodweddiadol a ddangosir gan y sgwâr oren ym mhanel c). (e, f) Delweddau AFM o FS- a BS-NGF a drosglwyddwyd. Mae saeth las yn cynrychioli rhanbarth FLG - cyferbyniad llachar, saeth cyan - cyferbyniad MLG du, saeth goch - cyferbyniad du yn cynrychioli rhanbarth NGF, mae saeth magenta yn cynrychioli'r plyg.
Dadansoddwyd cyfansoddiad cemegol y FS- a BS-NGFs a dyfwyd ac a drosglwyddwyd gan sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (XPS) (Ffig. 4). Gwelwyd uchafbwynt gwan yn y sbectra a fesurwyd (Ffig. 4a, b), sy'n cyfateb i swbstrad Ni (850 eV) y FS- a BS-NGFs (NiAG) a dyfwyd. Nid oes brigau yn sbectra mesuredig FS- a BS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd (Ffig. 4c; ni ddangosir canlyniadau tebyg ar gyfer BS-NGF/SiO2/Si), sy'n dangos nad oes unrhyw halogiad Ni gweddilliol ar ôl trosglwyddo. . Mae ffigurau 4d–f yn dangos sbectra cydraniad uchel y lefelau egni C 1 s, O 1 s a Si 2p o FS-NGF/SiO2/Si. Egni rhwymo C 1 s o graffit yw 284.4 eV53.54. Yn gyffredinol, ystyrir bod siâp llinellol brigau graffit yn anghymesur, fel y dangosir yn Ffigur 4d54. Cadarnhaodd y sbectrwm lefel craidd C 1 s cydraniad uchel (Ffig. 4d) hefyd drosglwyddiad pur (hy dim gweddillion polymer), sy'n gyson ag astudiaethau blaenorol38. 0.55 a 0.62 eV yw'r newidiadau llinell o sbectra C 1 y sampl sydd newydd ei dyfu (NiAG) ac ar ôl ei drosglwyddo. Mae'r gwerthoedd hyn yn uwch na rhai SLG (0.49 eV ar gyfer SLG ar swbstrad SiO2)38. Fodd bynnag, mae'r gwerthoedd hyn yn llai na'r llinellnewidths a adroddwyd yn flaenorol ar gyfer samplau graphene pyrolytig iawn (~0.75 eV)53,54,55, sy'n nodi absenoldeb safleoedd carbon diffygiol yn y deunydd presennol. Mae diffyg ysgwyddau hefyd yn sbectra lefel y ddaear C 1 s ac O 1 s, sy'n dileu'r angen am ddadgynhyrfu brig cydraniad uchel54. Mae brig lloeren π → π* o gwmpas 291.1 eV, a welir yn aml mewn samplau graffit. Mae'r signalau 103 eV a 532.5 eV yn sbectra lefel craidd Si 2p ac O 1 s (gweler Ffig. 4e, f) yn cael eu priodoli i'r swbstrad SiO2 56, yn y drefn honno. Mae XPS yn dechneg sy'n sensitif i'r wyneb, felly tybir bod y signalau sy'n cyfateb i Ni a SiO2 a ganfuwyd cyn ac ar ôl trosglwyddo NGF, yn y drefn honno, yn tarddu o'r rhanbarth FLG. Gwelwyd canlyniadau tebyg ar gyfer samplau BS-NGF a drosglwyddwyd (heb eu dangos).
Canlyniadau NiAG XPS: (ac) Arolwg o sbectra o wahanol gyfansoddiadau atomig elfennol o dyfu FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni a throsglwyddwyd FS-NGF/SiO2/Si, yn y drefn honno. (ch–f) Sbectra cydraniad uchel o'r lefelau craidd C 1 s, O 1s a Si 2c yn y sampl FS-NGF/SiO2/Si.
Aseswyd ansawdd cyffredinol y crisialau NGF a drosglwyddwyd gan ddefnyddio diffreithiant pelydr-X (XRD). Mae patrymau XRD nodweddiadol (Ffig. SI8) o FS- a BS-NGF/SiO2/Si a drosglwyddwyd yn dangos presenoldeb brigau diffreithiant (0 0 0 2) a (0 0 0 4) ar 26.6° a 54.7°, yn debyg i graffit. . Mae hyn yn cadarnhau ansawdd crisialog uchel NGF ac yn cyfateb i bellter interlayer o d = 0.335 nm, a gynhelir ar ôl y cam trosglwyddo. Mae dwyster y brig diffreithiant (0 0 0 2) tua 30 gwaith yn fwy na'r brig diffreithiant (0 0 0 4), sy'n dangos bod plân grisial y NGF wedi'i alinio'n dda ag arwyneb y sampl.
Yn ôl canlyniadau SEM, sbectrosgopeg Raman, XPS ac XRD, canfuwyd bod ansawdd BS-NGF/Ni yr un fath ag ansawdd FS-NGF/Ni, er bod ei garwedd rms ychydig yn uwch (Ffigurau SI2, SI5) ac SI7).
Gall SLGs gyda haenau cefnogi polymer hyd at 200 nm o drwch arnofio ar ddŵr. Defnyddir y gosodiad hwn yn gyffredin mewn prosesau trosglwyddo cemegol gwlyb gyda chymorth polymer22,38. Mae graffen a graffit yn hydroffobig (ongl wlyb 80–90°) 57 . Adroddwyd bod arwynebau ynni potensial graphene a FLG yn eithaf gwastad, gydag egni potensial isel (~1 kJ/mol) ar gyfer symudiad ochrol dŵr ar yr wyneb58. Fodd bynnag, mae egni rhyngweithiad cyfrifedig dŵr gyda graphene a thair haen o graphene oddeutu − 13 a − 15 kJ/mol,58 yn y drefn honno, gan ddangos bod rhyngweithiad dŵr â NGF (tua 300 haen) yn is o gymharu â graphene. Efallai mai dyma un o'r rhesymau pam mae NGF annibynnol yn aros yn wastad ar wyneb dŵr, tra bod graphene annibynnol (sy'n arnofio mewn dŵr) yn cyrlio i fyny ac yn torri i lawr. Pan fydd NGF wedi'i drochi'n llwyr mewn dŵr (mae'r canlyniadau yr un peth ar gyfer NGF garw a gwastad), mae ei ymylon yn plygu (Ffigur SI4). Yn achos trochi cyflawn, disgwylir y bydd yr egni rhyngweithio NGF-dŵr bron yn dyblu (o'i gymharu â NGF arnofio) a bod ymylon y NGF yn plygu i gynnal ongl gyswllt uchel (hydrophobicity). Credwn y gellir datblygu strategaethau i osgoi cyrlio ymylon NGFs sydd wedi'u hymgorffori. Un dull yw defnyddio toddyddion cymysg i fodiwleiddio adwaith gwlychu'r ffilm graffit59.
Adroddwyd yn flaenorol ar drosglwyddo SLG i wahanol fathau o swbstradau trwy brosesau trosglwyddo cemegol gwlyb. Derbynnir yn gyffredinol bod grymoedd van der Waals gwan yn bodoli rhwng ffilmiau graphene/graffit a swbstradau (boed yn swbstradau anhyblyg fel SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, pileri Si22 a ffilmiau carbon lacy30, 34 neu swbstradau hyblyg megis polyimide 37). Yma tybiwn mai rhyngweithiadau o'r un math sydd fwyaf amlwg. Ni welsom unrhyw ddifrod na phlicio NGF ar gyfer unrhyw un o'r swbstradau a gyflwynir yma yn ystod trin mecanyddol (yn ystod nodweddu dan amodau gwactod a/neu atmosfferig neu yn ystod storio) (ee, Ffigur 2, SI7 ac SI9). Yn ogystal, ni wnaethom arsylwi ar uchafbwynt SiC yn y C XPS 1 sbectrwm s o lefel graidd y sampl NGF/SiO2/Si (Ffig. 4). Mae'r canlyniadau hyn yn dangos nad oes bond cemegol rhwng NGF a'r swbstrad targed.
Yn yr adran flaenorol, “Trosglwyddo FS- a BS-NGF heb bolymer,” fe wnaethom ddangos y gall NGF dyfu a throsglwyddo ar ddwy ochr ffoil nicel. Nid yw'r FS-NGFs a BS-NGFs hyn yn union yr un fath o ran garwedd arwyneb, a ysgogodd ni i archwilio'r cymwysiadau mwyaf addas ar gyfer pob math.
O ystyried tryloywder ac arwyneb llyfnach FS-NGF, buom yn astudio ei strwythur lleol, priodweddau optegol a thrydanol yn fwy manwl. Nodweddwyd strwythur a strwythur FS-NGF heb drosglwyddiad polymer gan ddelweddu microsgopeg electron trawsyrru (TEM) a dadansoddiad patrwm diffreithiant electronau ardal (SAED) dethol. Dangosir y canlyniadau cyfatebol yn Ffigur 5. Datgelodd delweddu TEM planar chwyddo isel bresenoldeb rhanbarthau NGF a FLG gyda gwahanol nodweddion cyferbyniad electronau, hy ardaloedd tywyllach a mwy disglair, yn y drefn honno (Ffig. 5a). Mae'r ffilm yn gyffredinol yn arddangos cywirdeb mecanyddol a sefydlogrwydd da rhwng gwahanol ranbarthau NGF a FLG, gyda gorgyffwrdd da a dim difrod na rhwygo, a gadarnhawyd hefyd gan SEM (Ffigur 3) ac astudiaethau TEM chwyddo uchel (Ffigur 5c-e). Yn benodol, yn Ffig. Mae Ffigur 5d yn dangos strwythur y bont yn ei ran fwyaf (y safle a nodir gan y saeth dotiog ddu yn Ffigur 5d), a nodweddir gan siâp trionglog ac mae'n cynnwys haen graphene â lled o tua 51 . Mae'r cyfansoddiad gyda bylchiad rhyngblanar o 0.33 ± 0.01 nm yn cael ei leihau ymhellach i sawl haen o graphene yn y rhanbarth culaf (diwedd y saeth ddu solet yn Ffigur 5 d).
Delwedd planar TEM o sampl NiAG di-bolymer ar grid copr lacy carbon: (a, b) Delweddau TEM chwyddo isel gan gynnwys rhanbarthau NGF a FLG, (ce) Delweddau chwyddo uchel o wahanol ranbarthau ym mhanel-a a phanel-b yw saethau wedi'u marcio o'r un lliw. Mae saethau gwyrdd mewn paneli a ac c yn dynodi ardaloedd crwn o ddifrod yn ystod aliniad trawst. (dd–i) Mewn paneli a i c, mae patrymau SAED mewn gwahanol ranbarthau yn cael eu dynodi gan gylchoedd glas, cyan, oren a choch, yn y drefn honno.
Mae'r strwythur rhuban yn Ffigur 5c yn dangos (wedi'i farcio â saeth goch) cyfeiriadedd fertigol y planau dellt graffit, a allai fod oherwydd ffurfio nanofolds ar hyd y ffilm (mewnosod yn Ffigur 5c) oherwydd straen cneifio gormodol heb ei ddigolledu30,61,62 . O dan TEM cydraniad uchel, mae'r nanofolds hyn 30 yn arddangos cyfeiriadedd crisialog gwahanol na gweddill rhanbarth NGF; mae planau gwaelodol y dellt graffit wedi'u gogwyddo bron yn fertigol, yn hytrach nag yn llorweddol fel gweddill y ffilm (mewnosod yn Ffigur 5c). Yn yr un modd, mae rhanbarth FLG o bryd i'w gilydd yn arddangos plygiadau llinellol a chul tebyg i fandiau (wedi'u nodi gan saethau glas), sy'n ymddangos ar chwyddhad isel a chanolig yn Ffigurau 5b, 5e, yn y drefn honno. Mae'r mewnosodiad yn Ffigur 5e yn cadarnhau presenoldeb haenau graphene dwy a thair-haen yn y sector FLG (pellter rhyngblanar 0.33 ± 0.01 nm), sy'n cytuno'n dda â'n canlyniadau blaenorol30. Yn ogystal, dangosir delweddau SEM wedi'u recordio o NGF di-bolymer a drosglwyddwyd i gridiau copr gyda ffilmiau carbon lac (ar ôl perfformio mesuriadau TEM o'r radd flaenaf) yn Ffigur SI9. Y rhanbarth FLG sydd wedi'i atal yn dda (wedi'i farcio â saeth las) a'r rhanbarth toredig yn Ffigur SI9f. Cyflwynir y saeth las (ar ymyl y NGF a drosglwyddir) yn fwriadol i ddangos y gall y rhanbarth FLG wrthsefyll y broses drosglwyddo heb bolymer. I grynhoi, mae'r delweddau hyn yn cadarnhau bod NGF sydd wedi'i atal yn rhannol (gan gynnwys y rhanbarth FLG) yn cynnal cywirdeb mecanyddol hyd yn oed ar ôl ei drin yn drylwyr ac ar ôl dod i gysylltiad â gwactod uchel yn ystod mesuriadau TEM a SEM (Ffigur SI9).
Oherwydd gwastadrwydd rhagorol NGF (gweler Ffigur 5a), nid yw'n anodd cyfeirio'r naddion ar hyd echelin y parth [0001] i ddadansoddi strwythur SAED. Yn dibynnu ar drwch lleol y ffilm a'i lleoliad, nodwyd sawl rhanbarth o ddiddordeb (12 pwynt) ar gyfer astudiaethau diffreithiant electronau. Yn Ffigurau 5a–c, mae pedwar o'r rhanbarthau nodweddiadol hyn yn cael eu dangos a'u marcio â chylchoedd lliw (glas, cyan, oren, a choch). Ffigurau 2 a 3 ar gyfer modd SAED. Cafwyd Ffigurau 5f ac g o'r rhanbarth FLG a ddangosir yn Ffigurau 5 a 5. Fel y dangosir yn Ffigurau 5b ac c, yn y drefn honno. Mae ganddynt strwythur hecsagonol tebyg i graphene dirdro63. Yn benodol, mae Ffigur 5f yn dangos tri phatrwm arosodedig gyda'r un cyfeiriadedd ag echelin y parth [0001], wedi'u cylchdroi gan 10 ° a 20 °, fel y dangosir gan ddiffyg cyfatebiaeth onglog y tri phâr o adlewyrchiadau (10-10). Yn yr un modd, mae Ffigur 5g yn dangos dau batrwm hecsagonol arosodedig wedi'u cylchdroi gan 20°. Gall dau neu dri grŵp o batrymau hecsagonol yn y rhanbarth FLG godi o dair haen graphene mewn awyren neu allan-o-awyren 33 cylchdroi o'i gymharu â'i gilydd. Mewn cyferbyniad, mae'r patrymau diffreithiant electronau yn Ffigur 5h,i (sy'n cyfateb i'r rhanbarth NGF a ddangosir yn Ffigur 5a) yn dangos un patrwm [0001] gyda dwyster diffreithiant pwynt uwch cyffredinol, sy'n cyfateb i drwch deunydd uwch. Mae'r modelau SAED hyn yn cyfateb i strwythur graffit mwy trwchus a chyfeiriadedd canolraddol na FLG, fel y'i casglwyd o'r mynegai 64. Datgelodd nodweddu priodweddau crisialog NGF fod dwy neu dri o grisialau graffit (neu graphene) wedi'u harosod yn cydfodoli. Yr hyn sy'n arbennig o nodedig yn rhanbarth FLG yw bod gan y crystallites rywfaint o gamgyfeiriad mewn awyren neu allan-o-awyren. Mae gronynnau / haenau graffit ag onglau cylchdroi mewn awyren o 17 °, 22 ° a 25 ° wedi'u hadrodd yn flaenorol ar gyfer NGF a dyfwyd ar ffilmiau Ni 64. Mae'r gwerthoedd ongl cylchdroi a welwyd yn yr astudiaeth hon yn gyson â'r onglau cylchdroi a welwyd yn flaenorol (±1 °) ar gyfer graphene dirdro BLG63.
Mesurwyd priodweddau trydanol NGF/SiO2/Si ar 300 K dros arwynebedd o 10 × 3 mm2. Gwerthoedd crynodiad cludwr electronau, symudedd a dargludedd yw 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 a 2000 S-cm-1, yn y drefn honno. Mae gwerthoedd symudedd a dargludedd ein NGF yn debyg i graffit naturiol2 ac yn uwch na graffit pyrolytig â chyfeiriadedd uchel sydd ar gael yn fasnachol (a gynhyrchir ar 3000 °C)29. Mae'r gwerthoedd crynodiad cludwyr electronau a arsylwyd yn ddau orchymyn maint uwch na'r rhai a adroddwyd yn ddiweddar (7.25 × 10 cm-3) ar gyfer ffilmiau graffit trwchus micron a baratowyd gan ddefnyddio taflenni polyimide tymheredd uchel (3200 °C) 20 .
Fe wnaethom hefyd berfformio mesuriadau trawsyrru UV-gweladwy ar FS-NGF a drosglwyddwyd i swbstradau cwarts (Ffigur 6). Mae'r sbectrwm canlyniadol yn dangos trawsyriant bron yn gyson o 62% yn yr ystod 350-800 nm, sy'n dangos bod NGF yn dryloyw i olau gweladwy. Mewn gwirionedd, mae'r enw “KAUST” i'w weld yn y ffotograff digidol o'r sampl yn Ffigur 6b. Er bod strwythur nanocrystalline NGF yn wahanol i strwythur SLG, gellir amcangyfrif nifer yr haenau yn fras gan ddefnyddio'r rheol o golled trawsyrru 2.3% fesul haen ychwanegol65. Yn ôl y berthynas hon, mae nifer yr haenau graphene â cholled trosglwyddo 38% yn 21. Mae'r NGF a dyfir yn bennaf yn cynnwys 300 o haenau graphene, hy tua 100 nm o drwch (Ffig. 1, SI5 a SI7). Felly, tybiwn fod y tryloywder optegol a welwyd yn cyfateb i'r rhanbarthau FLG a MLG, gan eu bod yn cael eu dosbarthu trwy gydol y ffilm (Ffig. 1, 3, 5 a 6c). Yn ogystal â'r data strwythurol uchod, mae dargludedd a thryloywder hefyd yn cadarnhau ansawdd crisialog uchel y NGF a drosglwyddir.
(a) mesuriad trawsyrru UV-gweladwy, (b) trosglwyddiad NGF nodweddiadol ar gwarts gan ddefnyddio sampl cynrychioliadol. (c) Sgematig NGF (blwch tywyll) gyda rhanbarthau FLG a MLG wedi'u dosbarthu'n gyfartal wedi'u marcio fel hapsiapiau llwyd drwy'r sampl gyfan (gweler Ffigur 1) (tua 0.1–3% arwynebedd fesul 100 μm2). Mae'r hapsiapiau a'u meintiau yn y diagram at ddibenion enghreifftiol yn unig ac nid ydynt yn cyfateb i arwynebeddau gwirioneddol.
Mae NGF tryloyw a dyfwyd gan CVD wedi'i drosglwyddo'n flaenorol i arwynebau silicon noeth a'i ddefnyddio mewn celloedd solar15,16. Yr effeithlonrwydd trosi pŵer canlyniadol (PCE) yw 1.5%. Mae'r NGFs hyn yn cyflawni swyddogaethau lluosog megis haenau cyfansawdd gweithredol, llwybrau cludo gwefr, ac electrodau tryloyw15,16. Fodd bynnag, nid yw'r ffilm graffit yn unffurf. Mae angen optimeiddio pellach trwy reoli ymwrthedd dalen a throsglwyddiad optegol yr electrod graffit yn ofalus, gan fod y ddau eiddo hyn yn chwarae rhan bwysig wrth bennu gwerth PCE y gell solar15,16. Yn nodweddiadol, mae ffilmiau graphene 97.7% yn dryloyw i olau gweladwy, ond mae ganddynt wrthiant dalennau o 200–3000 ohms/sq.16. Gellir lleihau ymwrthedd arwyneb ffilmiau graphene trwy gynyddu nifer yr haenau (trosglwyddiad lluosog o haenau graphene) a dopio â HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Fodd bynnag, mae'r broses hon yn cymryd amser hir ac nid yw'r haenau trosglwyddo gwahanol bob amser yn cadw cysylltiad da. Mae gan ein NGF ochr flaen briodweddau megis dargludedd 2000 S/cm, ymwrthedd taflen ffilm 50 ohm/sq. a thryloywder 62%, gan ei wneud yn ddewis arall ymarferol ar gyfer sianeli dargludol neu electrodau cownter mewn celloedd solar15,16.
Er bod strwythur a chemeg arwyneb BS-NGF yn debyg i FS-NGF, mae ei garwedd yn wahanol (“Twf FS- a BS-NGF”). Yn flaenorol, fe wnaethom ddefnyddio graffit ffilm tenau22 fel synhwyrydd nwy. Felly, gwnaethom brofi dichonoldeb defnyddio BS-NGF ar gyfer tasgau synhwyro nwy (Ffigur SI10). Yn gyntaf, trosglwyddwyd dognau maint mm2 o BS-NGF i'r sglodyn synhwyrydd electrod rhyng-ddigidol (Ffigur SI10a-c). Adroddwyd yn flaenorol ar fanylion gweithgynhyrchu'r sglodion; ei ardal sensitif gweithredol yw 9 mm267. Yn y delweddau SEM (Ffigur SI10b ac c), mae'r electrod aur gwaelodol i'w weld yn glir trwy'r NGF. Unwaith eto, gellir gweld bod cwmpas sglodion unffurf wedi'i gyflawni ar gyfer pob sampl. Cofnodwyd mesuriadau synhwyrydd nwy o nwyon amrywiol (Ffig. SI10d) (Ffig. SI11) a dangosir y cyfraddau ymateb canlyniadol yn Ffig. SI10g. Tebygol gyda nwyon ymyrrol eraill gan gynnwys SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) a NH3 (200 ppm). Un achos posibl yw NO2. natur electroffilig y nwy22,68. Pan gaiff ei arsugnu ar wyneb graphene, mae'n lleihau'r amsugno cerrynt o electronau gan y system. Cyflwynir cymhariaeth o ddata amser ymateb y synhwyrydd BS-NGF â synwyryddion a gyhoeddwyd yn flaenorol yn Nhabl SI2. Mae’r mecanwaith ar gyfer adweithio synwyryddion NGF gan ddefnyddio plasma UV, plasma O3 neu driniaeth thermol (50–150°C) o samplau sydd wedi’u hamlygu yn parhau, ac yn ddelfrydol rhoddir systemau mewnosod ar waith yn dilyn69.
Yn ystod y broses CVD, mae twf graphene yn digwydd ar ddwy ochr y swbstrad catalydd41. Fodd bynnag, mae BS-graphene fel arfer yn cael ei daflu allan yn ystod y broses drosglwyddo41. Yn yr astudiaeth hon, rydym yn dangos y gellir cyflawni twf NGF o ansawdd uchel a throsglwyddiad NGF di-bolymer ar ddwy ochr y gefnogaeth gatalydd. Mae BS-NGF yn deneuach (~ 80 nm) na FS-NGF (~ 100 nm), ac mae'r gwahaniaeth hwn yn cael ei esbonio gan y ffaith nad yw BS-Ni yn agored yn uniongyrchol i'r llif nwy rhagflaenol. Gwelsom hefyd fod garwder y swbstrad NiAR yn dylanwadu ar garwedd y NGF. Mae'r canlyniadau hyn yn dangos y gellir defnyddio'r planar FS-NGF a dyfwyd fel deunydd rhagflaenol ar gyfer graphene (trwy ddull diblisgo70) neu fel sianel ddargludol mewn celloedd solar15,16. Mewn cyferbyniad, bydd BS-NGF yn cael ei ddefnyddio ar gyfer canfod nwy (Ffig. SI9) ac o bosibl ar gyfer systemau storio ynni71,72 lle bydd ei garwedd arwyneb yn ddefnyddiol.
O ystyried yr uchod, mae'n ddefnyddiol cyfuno'r gwaith cyfredol â ffilmiau graffit a gyhoeddwyd yn flaenorol a dyfwyd gan CVD a defnyddio ffoil nicel. Fel y gwelir yn Nhabl 2, roedd y pwysau uwch a ddefnyddiwyd gennym wedi lleihau'r amser adweithio (cyfnod twf) hyd yn oed ar dymheredd cymharol isel (yn yr ystod 850–1300 °C). Llwyddwyd hefyd i sicrhau mwy o dwf nag arfer, sy'n dangos bod potensial i ehangu. Mae ffactorau eraill i’w hystyried, ac rydym wedi cynnwys rhai ohonynt yn y tabl.
Tyfwyd NGF dwyochrog o ansawdd uchel ar ffoil nicel gan CVD catalytig. Trwy ddileu swbstradau polymer traddodiadol (fel y rhai a ddefnyddir mewn CVD graphene), rydym yn cyflawni trosglwyddiad gwlyb glân a di-nam o NGF (a dyfir ar ochrau cefn a blaen ffoil nicel) i amrywiaeth o swbstradau sy'n hanfodol i'r broses. Yn nodedig, mae NGF yn cynnwys rhanbarthau FLG a MLG (fel arfer 0.1% i 3% fesul 100 µm2) sydd wedi'u hintegreiddio'n strwythurol dda i'r ffilm fwy trwchus. Mae Planar TEM yn dangos bod y rhanbarthau hyn yn cynnwys pentyrrau o ddau i dri gronyn graffit / graphene (crisialau neu haenau, yn y drefn honno), ac mae gan rai ohonynt ddiffyg cyfatebiaeth cylchdro o 10-20 °. Mae'r rhanbarthau FLG a MLG yn gyfrifol am dryloywder FS-NGF i olau gweladwy. O ran y cynfasau cefn, gellir eu cario yn gyfochrog â'r dalennau blaen ac, fel y dangosir, gallant fod â phwrpas swyddogaethol (er enghraifft, ar gyfer canfod nwy). Mae'r astudiaethau hyn yn ddefnyddiol iawn ar gyfer lleihau gwastraff a chostau mewn prosesau CVD ar raddfa ddiwydiannol.
Yn gyffredinol, mae trwch cyfartalog CVD NGF yn gorwedd rhwng taflenni graphene (isel ac aml-haen) a diwydiannol (micromedr). Mae ystod eu priodweddau diddorol, ynghyd â'r dull syml a ddatblygwyd gennym ar gyfer eu cynhyrchu a'u cludo, yn gwneud y ffilmiau hyn yn arbennig o addas ar gyfer cymwysiadau sy'n gofyn am ymateb swyddogaethol graffit, heb draul y prosesau cynhyrchu diwydiannol ynni-ddwys a ddefnyddir ar hyn o bryd.
Gosodwyd ffoil nicel 25-μm-trwchus (purdeb 99.5%, Goodfellow) mewn adweithydd CVD masnachol (BMPro Aixtron 4-modfedd). Cafodd y system ei glanhau ag argon a'i gwacáu i bwysedd sylfaenol o 10-3 mbar. Yna gosodwyd ffoil nicel. yn Ar/H2 (Ar ôl cyn-anelio'r ffoil Ni am 5 munud, roedd y ffoil yn agored i bwysau o 500 mbar ar 900 ° C. Cafodd NGF ei ddyddodi mewn llif o CH4/H2 (100 cm3 yr un) am 5 munud. Yna cafodd y sampl ei oeri i dymheredd islaw 700 ° C gan ddefnyddio llif Ar (4000 cm3) ar 40 ° C/munud Disgrifir manylion ar optimeiddio proses twf NGF mewn man arall30.
Delweddwyd morffoleg arwyneb y sampl gan SEM gan ddefnyddio microsgop Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Mesurwyd garwder arwyneb y sampl a thrwch NGF gan ddefnyddio AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Cyflawnwyd mesuriadau TEM a SAED gan ddefnyddio microsgop Ciwb FEI Titan 80-300 gyda gwn allyriadau maes disgleirdeb uchel (300 kV), monocromator math Wien FEI a chywirwr aberration sfferig lens CEOS i gael y canlyniadau terfynol. cydraniad gofodol 0.09 nm. Trosglwyddwyd samplau NGF i gridiau copr wedi'u gorchuddio â lacy carbon ar gyfer delweddu TEM gwastad a dadansoddi strwythur SAED. Felly, mae'r rhan fwyaf o'r fflociau sampl yn cael eu hatal ym mandyllau'r bilen gynhaliol. Dadansoddwyd samplau NGF a drosglwyddwyd gan XRD. Cafwyd patrymau diffreithiant pelydr-X gan ddefnyddio diffractometer powdr (Brucker, symudwr cyfnod D2 gyda ffynhonnell Cu Kα, 1.5418 Å a synhwyrydd LYNXEYE) gan ddefnyddio ffynhonnell ymbelydredd Cu gyda diamedr sbot trawst o 3 mm.
Cofnodwyd sawl mesuriad pwynt Raman gan ddefnyddio microsgop confocal integreiddio (Alpha 300 RA, WITeC). Defnyddiwyd laser 532 nm gyda phŵer cyffroi isel (25%) i osgoi effeithiau thermol. Perfformiwyd sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-X (XPS) ar sbectromedr Echel Kratos Ultra dros ardal sampl o 300 × 700 μm2 gan ddefnyddio ymbelydredd Al Kα monocromatig (hν = 1486.6 eV) ar bŵer o 150 W. Cafwyd sbectra cydraniad yn egni trawsyrru o 160 eV a 20 eV, yn y drefn honno. Cafodd samplau NGF a drosglwyddwyd i SiO2 eu torri'n ddarnau (3 × 10 mm2 yr un) gan ddefnyddio laser ffibr ytterbium PLS6MW (1.06 μm) ar 30 W. Cafodd cysylltiadau gwifren gopr (50 μm o drwch) eu gwneud gan ddefnyddio past arian o dan ficrosgop optegol. Cynhaliwyd arbrofion trafnidiaeth drydanol ac effaith Hall ar y samplau hyn yn 300 K ac amrywiad maes magnetig o ± 9 Tesla mewn system mesur priodweddau ffisegol (PPMS EverCool-II, Quantum Design, UDA). Cofnodwyd sbectra UV-vis a drosglwyddwyd gan ddefnyddio sbectrophotometer UV-vis Lambda 950 yn yr ystod NGF 350-800 nm a drosglwyddwyd i swbstradau cwarts a samplau cyfeirio cwarts.
Cafodd y synhwyrydd ymwrthedd cemegol (sglodyn electrod rhyngddigidol) ei wifro i fwrdd cylched printiedig arferol 73 a chafodd y gwrthiant ei dynnu'n fyrhoedlog. Mae'r bwrdd cylched printiedig y mae'r ddyfais wedi'i leoli arno wedi'i gysylltu â'r terfynellau cyswllt a'i osod y tu mewn i'r siambr synhwyro nwy 74. Cymerwyd mesuriadau gwrthiant ar foltedd o 1 V gyda sgan parhaus o'r purge i amlygiad nwy ac yna'n cael ei lanhau eto. I ddechrau, glanhawyd y siambr trwy ei glanhau â nitrogen ar 200 cm3 am 1 awr i sicrhau bod yr holl ddadansoddau eraill a oedd yn bresennol yn y siambr yn cael eu tynnu, gan gynnwys lleithder. Yna rhyddhawyd y dadansoddwyr unigol yn araf i'r siambr ar yr un gyfradd llif o 200 cm3 trwy gau'r silindr N2.
Mae fersiwn ddiwygiedig o'r erthygl hon wedi'i chyhoeddi a gellir ei chyrchu trwy'r ddolen ar frig yr erthygl.
Inagaki, M. a Kang, F. Gwyddoniaeth a Pheirianneg Deunyddiau Carbon: Hanfodion. Ail argraffiad wedi ei olygu. 2014. 542 .
Pearson, Llawlyfr Carbon, Graffit, Diemwnt a Ffwlerenau: Priodweddau, Prosesu a Chymwysiadau. Mae'r argraffiad cyntaf wedi'i olygu. 1994, Jersey Newydd.
Tsai, W. et al. Ffilmiau graphene/graffit amlhaenog ardal fawr fel electrodau dargludol tenau tryloyw. cais. ffiseg. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Priodweddau thermol graphene a deunyddiau carbon nanostrwythuredig. Nat. Mae Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW a Cahill DG Dargludedd thermol ffilmiau graffit a dyfwyd ar Ni (111) trwy ddyddodiad anwedd cemegol tymheredd isel. adferf. Mae Matt. Rhyngwyneb 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Twf parhaus o ffilmiau graphene trwy ddyddodiad anwedd cemegol. cais. ffiseg. Wright. 98(13), 133106(2011).
Amser post: Awst-23-2024