Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi sonuçları elde etmek için tarayıcınızın daha yeni bir sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu arada desteğin sürekliliğini sağlamak için siteyi stil veya JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
Nano ölçekli grafit filmler (NGF'ler), katalitik kimyasal buhar biriktirme yoluyla üretilebilen sağlam nanomalzemelerdir, ancak bunların transfer kolaylığı ve yüzey morfolojisinin yeni nesil cihazlarda kullanımlarını nasıl etkilediğiyle ilgili sorular devam etmektedir. Burada, polikristalin nikel folyonun her iki tarafında NGF'nin büyümesini (alan 55 cm2, kalınlık yaklaşık 100 nm) ve bunun polimersiz transferini (ön ve arka, alan 6 cm2'ye kadar) rapor ediyoruz. Katalizör folyosunun morfolojisi nedeniyle, iki karbon filmi fiziksel özellikleri ve diğer özellikleri (yüzey pürüzlülüğü gibi) bakımından farklılık gösterir. Arka tarafı daha pürüzlü olan NGF'lerin NO2 tespiti için çok uygun olduğunu, ön taraftaki daha pürüzsüz ve daha iletken NGF'lerin (2000 S/cm, tabaka direnci – 50 ohm/m2) geçerli iletkenler olabileceğini gösterdik. güneş pilinin kanalı veya elektrodu (görünür ışığın %62'sini ilettiği için). Genel olarak açıklanan büyüme ve taşıma süreçleri, grafen ve mikron kalınlığında grafit filmlerin uygun olmadığı teknolojik uygulamalar için NGF'nin alternatif bir karbon malzemesi olarak gerçekleştirilmesine yardımcı olabilir.
Grafit yaygın olarak kullanılan endüstriyel bir malzemedir. Özellikle, grafit nispeten düşük kütle yoğunluğu ve yüksek düzlem içi termal ve elektriksel iletkenlik özelliklerine sahiptir ve zorlu termal ve kimyasal ortamlarda çok kararlıdır1,2. Pul grafit, grafen araştırmaları için iyi bilinen bir başlangıç malzemesidir3. İnce filmler halinde işlendiğinde, akıllı telefonlar4,5,6,7 gibi elektronik cihazlar için ısı emiciler, sensörlerde aktif malzeme olarak8,9,10 ve elektromanyetik girişim koruması11 dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. 12 ve aşırı ultraviyole13,14'te litografi için filmler, güneş pillerinde iletken kanallar15,16. Tüm bu uygulamalar için, kalınlığı <100 nm'de kontrol edilen kalınlığa sahip grafit filmlerin (NGF'ler) geniş alanlarının kolaylıkla üretilip taşınabilmesi önemli bir avantaj olacaktır.
Grafit filmler çeşitli yöntemlerle üretilir. Bir durumda, grafen pulları10,11,17 üretmek için gömme ve genişletme ve ardından pul pul dökülme kullanıldı. Pulların gerekli kalınlıkta filmler halinde işlenmesi gerekiyor ve yoğun grafit tabakalarının üretilmesi genellikle birkaç gün sürüyor. Başka bir yaklaşım ise grafite dönüştürülebilir katı öncülerle başlamaktır. Endüstride, polimer tabakaları karbonlaştırılır (1000–1500 °C'de) ve daha sonra iyi yapılandırılmış katmanlı malzemeler oluşturmak için grafitleştirilir (2800–3200 °C'de). Bu filmlerin kalitesi yüksek olmasına rağmen enerji tüketimi önemlidir1,18,19 ve minimum kalınlık birkaç mikron1,18,19,20 ile sınırlıdır.
Katalitik kimyasal buhar biriktirme (CVD), yüksek yapısal kalite ve uygun maliyetle grafen ve ultra ince grafit filmler (<10 nm) üretmek için iyi bilinen bir yöntemdir21,22,23,24,25,26,27. Bununla birlikte, grafen ve ultra ince grafit filmlerin28 büyümesiyle karşılaştırıldığında, CVD kullanılarak geniş alanlı büyüme ve/veya NGF uygulaması daha da az araştırılmaktadır11,13,29,30,31,32,33.
CVD'de yetiştirilen grafen ve grafit filmlerin sıklıkla fonksiyonel alt tabakalara aktarılması gerekir34. Bu ince film transferleri iki ana yöntemi içerir35: (1) dağlamasız transfer36,37 ve (2) dağlama bazlı ıslak kimyasal transfer (substrat destekli)14,34,38. Her yöntemin bazı avantajları ve dezavantajları vardır ve başka bir yerde35,39 açıklandığı gibi amaçlanan uygulamaya bağlı olarak seçilmelidir. Katalitik substratlar üzerinde büyütülen grafen/grafit filmler için, ıslak kimyasal işlemler (bunlardan polimetil metakrilat (PMMA) en yaygın kullanılan destek katmanıdır) yoluyla transfer ilk tercih olmaya devam etmektedir13,30,34,38,40,41,42. Sen ve diğerleri. NGF transferi için hiçbir polimerin kullanılmadığı belirtildi (numune boyutu yaklaşık 4 cm2)25,43, ancak numune stabilitesi ve/veya transfer sırasındaki işlemlere ilişkin hiçbir ayrıntı verilmedi; Polimerlerin kullanıldığı ıslak kimya işlemleri, kurban polimer katmanının uygulanması ve ardından çıkarılması dahil olmak üzere çeşitli adımlardan oluşur30,38,40,41,42. Bu işlemin dezavantajları vardır: örneğin polimer kalıntıları büyütülmüş filmin38 özelliklerini değiştirebilir. Ek işlemler artık polimeri ortadan kaldırabilir ancak bu ek adımlar film üretiminin maliyetini ve süresini artırır38,40. CVD büyümesi sırasında, katalizör folyonun yalnızca ön tarafında (buhar akışına bakan taraf) değil, aynı zamanda arka tarafında da bir grafen tabakası biriktirilir. Ancak ikincisi atık ürün olarak kabul edilir ve yumuşak plazma38,41 ile hızla uzaklaştırılabilir. Bu filmin geri dönüştürülmesi, yüzey karbon filminden daha düşük kalitede olsa bile verimi en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olabilir.
Burada, CVD ile polikristalin nikel folyo üzerinde yüksek yapısal kaliteye sahip NGF'nin gofret ölçekli iki yüzeyli büyümesinin hazırlanışını rapor ediyoruz. Folyonun ön ve arka yüzeyinin pürüzlülüğünün NGF'nin morfolojisini ve yapısını nasıl etkilediği değerlendirildi. Ayrıca NGF'nin nikel folyonun her iki tarafından çok işlevli alt tabakalara uygun maliyetli ve çevre dostu polimer içermeyen transferini gösteriyoruz ve ön ve arka filmlerin çeşitli uygulamalar için nasıl uygun olduğunu gösteriyoruz.
Aşağıdaki bölümlerde istiflenmiş grafen katmanlarının sayısına bağlı olarak farklı grafit film kalınlıkları tartışılmaktadır: (i) tek katmanlı grafen (SLG, 1 katman), (ii) az katmanlı grafen (FLG, < 10 katman), (iii) çok katmanlı grafen ( MLG, 10-30 katman) ve (iv) NGF (~300 katman). İkincisi, alan yüzdesi olarak ifade edilen en yaygın kalınlıktır (100 µm2 başına yaklaşık %97 alan)30. Bu yüzden filmin tamamına kısaca NGF deniyor.
Grafen ve grafit filmlerin sentezi için kullanılan polikristalin nikel folyolar, üretimleri ve sonraki işlemleri sonucunda farklı dokulara sahiptir. Yakın zamanda NGF30'un büyüme sürecini optimize etmek için bir çalışma bildirdik. Büyüme aşamasında tavlama süresi ve oda basıncı gibi işlem parametrelerinin, düzgün kalınlıkta NGF'lerin elde edilmesinde kritik bir rol oynadığını gösterdik. Burada, nikel folyonun cilalı ön (FS) ve cilasız arka (BS) yüzeylerinde NGF'nin büyümesini daha da araştırdık (Şekil 1a). Tablo 1'de listelenen üç tip FS ve BS numunesi incelenmiştir. Görsel inceleme üzerine, nikel folyonun (NiAG) her iki tarafında NGF'nin düzgün büyümesi, toplu Ni substratının karakteristik metalik gümüşten renk değişimi ile görülebilir. griden mat griye kadar bir renk (Şekil 1a); mikroskobik ölçümler doğrulandı (Şekil 1b, c). Parlak bölgede gözlemlenen ve Şekil 1b'de kırmızı, mavi ve turuncu oklarla gösterilen tipik bir FS-NGF Raman spektrumu, Şekil 1c'de gösterilmektedir. Grafit G'nin (1683 cm−1) ve 2D'nin (2696 cm−1) karakteristik Raman zirveleri, yüksek kristalli NGF'nin büyümesini doğrular (Şekil 1c, Tablo SI1). Film boyunca yoğunluk oranı (I2D/IG) ~0,3 olan Raman spektrumlarının baskınlığı gözlemlenirken, I2D/IG = 0,8 olan Raman spektrumları nadiren gözlemlendi. Filmin tamamında kusurlu piklerin (D = 1350 cm-1) bulunmaması, NGF büyümesinin yüksek kalitesini gösterir. BS-NGF numunesinde de benzer Raman sonuçları elde edildi (Şekil SI1 a ve b, Tablo SI1).
NiAG FS- ve BS-NGF'nin karşılaştırılması: (a) Plaka ölçeğinde (55 cm2) NGF büyümesini ve elde edilen BS- ve FS-Ni folyo örneklerini gösteren tipik bir NGF (NiAG) numunesinin fotoğrafı, (b) FS-NGF Optik mikroskopla elde edilen görüntüler/Ni, (c) panel b'de farklı konumlarda kaydedilen tipik Raman spektrumları, (d, f) FS-NGF/Ni üzerinde farklı büyütmelerde SEM görüntüleri, (e, g) farklı büyütmelerde SEM görüntüleri BS -NGF/Ni'yi ayarlar. Mavi ok FLG bölgesini, turuncu ok MLG bölgesini (FLG bölgesinin yakınında), kırmızı ok NGF bölgesini ve macenta ok kıvrımı gösterir.
Büyüme, başlangıçtaki alt tabakanın kalınlığına, kristal boyutuna, oryantasyona ve tane sınırlarına bağlı olduğundan, geniş alanlar üzerinde NGF kalınlığının makul kontrolünü sağlamak hala bir zorluktur20,34,44. Bu çalışmada daha önce yayınladığımız içerik kullanılmıştır30. Bu işlem, 100 µm230 başına %0,1 ila %3 oranında parlak bir bölge üretir. Aşağıdaki bölümlerde her iki bölge türü için sonuçları sunuyoruz. Yüksek büyütmeli SEM görüntüleri, her iki tarafta da birkaç parlak kontrast alanının varlığını gösterir (Şekil 1f,g), bu da FLG ve MLG bölgelerinin30,45 varlığını gösterir. Bu aynı zamanda Raman saçılması (Şekil 1c) ve TEM sonuçlarıyla da doğrulandı (daha sonra "FS-NGF: yapı ve özellikler" bölümünde tartışıldı). FS- ve BS-NGF/Ni örneklerinde (Ni üzerinde büyütülmüş ön ve arka NGF) gözlemlenen FLG ve MLG bölgeleri, ön tavlama22,30,45sırasında oluşan büyük Ni(111) taneleri üzerinde büyümüş olabilir. Her iki tarafta da katlanma gözlendi (Şekil 1b, mor oklarla işaretlenmiştir). Bu kıvrımlar, grafit ile nikel substrat30,38 arasındaki termal genleşme katsayısındaki büyük fark nedeniyle CVD ile büyütülmüş grafen ve grafit filmlerde sıklıkla bulunur.
AFM görüntüsü, FS-NGF örneğinin BS-NGF örneğinden daha düz olduğunu doğruladı (Şekil SI1) (Şekil SI2). FS-NGF/Ni (Şekil SI2c) ve BS-NGF/Ni'nin (Şekil SI2d) kök ortalama kare (RMS) pürüzlülük değerleri sırasıyla 82 ve 200 nm'dir (20 × bir alan üzerinden ölçülmüştür) 20 μm2). Daha yüksek pürüzlülük, nikel (NiAR) folyonun alındığı durumdaki yüzey analizine dayanarak anlaşılabilir (Şekil SI3). FS ve BS-NiAR'ın SEM görüntüleri, farklı yüzey morfolojilerini gösteren Şekil SI3a-d'de gösterilmektedir: cilalı FS-Ni folyo nano ve mikron boyutunda küresel parçacıklara sahipken cilasız BS-Ni folyo bir üretim merdiveni sergiler. yüksek mukavemetli parçacıklar olarak. ve düşüş. Tavlanmış nikel folyonun (NiA) düşük ve yüksek çözünürlüklü görüntüleri Şekil SI3e-h'de gösterilmektedir. Bu şekillerde, nikel folyonun her iki tarafında birkaç mikron boyutunda nikel parçacıklarının varlığını gözlemleyebiliyoruz (Şekil SI3e–h). Büyük taneler daha önce bildirildiği gibi30,46 Ni(111) yüzey yönelimine sahip olabilir. FS-NiA ve BS-NiA arasında nikel folyo morfolojisinde önemli farklılıklar vardır. BS-NGF/Ni'nin daha yüksek pürüzlülüğü, tavlamadan sonra bile yüzeyi önemli ölçüde pürüzlü kalan BS-NiAR'ın cilalanmamış yüzeyinden kaynaklanmaktadır (Şekil SI3). Büyüme sürecinden önce bu tür yüzey karakterizasyonu, grafen ve grafit filmlerin pürüzlülüğünün kontrol edilmesine olanak tanır. Orijinal alt tabakanın, grafen büyümesi sırasında bir miktar tane yeniden düzenlenmesi geçirdiğine dikkat edilmelidir; bu, tavlanmış folyo ve katalizör film22 ile karşılaştırıldığında, tane boyutunu biraz azalttı ve alt tabakanın yüzey pürüzlülüğünü bir miktar arttırdı.
Substrat yüzey pürüzlülüğünün, tavlama süresinin (tane boyutu)30,47 ve salınım kontrolünün43 ince ayarlanması, bölgesel NGF kalınlık tekdüzeliğinin µm2 ve/veya hatta nm2 ölçeğine (yani, birkaç nanometrelik kalınlık değişimleri) azaltılmasına yardımcı olacaktır. Alt tabakanın yüzey pürüzlülüğünü kontrol etmek için, elde edilen nikel folyonun elektrolitik cilalanması gibi yöntemler düşünülebilir48. Ön işleme tabi tutulmuş nikel folyo daha sonra daha düşük bir sıcaklıkta (< 900 °C) 46 ve sürede (< 5 dakika) büyük Ni(111) taneciklerinin oluşumunu önlemek için (FLG büyümesi için faydalıdır) tavlanabilir.
SLG ve FLG grafeni, asitlerin ve suyun yüzey gerilimine dayanamaz, ıslak kimyasal transfer işlemleri sırasında mekanik destek katmanları gerektirir22,34,38. Polimer destekli tek katmanlı grafenin38 ıslak kimyasal transferinin aksine, büyütülmüş NGF'nin her iki tarafının da Şekil 2a'da gösterildiği gibi polimer desteği olmadan transfer edilebileceğini bulduk (daha fazla ayrıntı için bkz. Şekil SI4a). NGF'nin belirli bir alt tabakaya transferi, alttaki Ni30.49 filmin ıslak aşındırılmasıyla başlar. Büyütülmüş NGF/Ni/NGF numuneleri gece boyunca 600 mL deiyonize (DI) su ile seyreltilmiş 15 mL %70 HNO3 içerisine yerleştirildi. Ni folyo tamamen çözüldükten sonra, FS-NGF düz kalır ve tıpkı NGF/Ni/NGF numunesi gibi sıvının yüzeyinde yüzer, BS-NGF ise suya batırılır (Şekil 2a,b). İzole edilmiş NGF daha sonra taze deiyonize su içeren bir kaptan başka bir kaba aktarıldı ve izole edilmiş NGF, içbükey cam tabak boyunca dört ila altı kez tekrarlanarak iyice yıkandı. Son olarak, FS-NGF ve BS-NGF istenen alt tabakaya yerleştirildi (Şekil 2c).
Nikel folyo üzerinde büyütülmüş NGF için polimer içermeyen ıslak kimyasal transfer işlemi: (a) Proses akış şeması (daha fazla ayrıntı için bkz. Şekil SI4), (b) Ni dağlamadan sonra ayrılmış NGF'nin dijital fotoğrafı (2 numune), (c) Örnek FS – ve SiO2/Si substratına BS-NGF aktarımı, (d) opak polimer substratına FS-NGF aktarımı, (e) panel d ile aynı numuneden BS-NGF (iki parçaya bölünmüş), altın kaplı C kağıdına aktarılmış ve Nafion (esnek şeffaf alt tabaka, kenarları kırmızı köşelerle işaretlenmiştir).
Islak kimyasal transfer yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen SLG transferinin toplam 20-24 saatlik38 işlem süresi gerektirdiğini unutmayın. Burada gösterilen polimersiz transfer tekniğiyle (Şekil SI4a), genel NGF transfer işlem süresi önemli ölçüde azalır (yaklaşık 15 saat). İşlem aşağıdakilerden oluşur: (Adım 1) Bir aşındırma solüsyonu hazırlayın ve numuneyi içine yerleştirin (~10 dakika), ardından Ni aşındırma için gece boyunca bekleyin (~7200 dakika), (Adım 2) Deiyonize suyla durulayın (Adım – 3) . deiyonize suda saklayın veya hedef substrata aktarın (20 dakika). NGF ile toplu matris arasında sıkışıp kalan su, kılcal hareketle (kurutma kağıdı kullanılarak)38 uzaklaştırılır, daha sonra kalan su damlacıkları doğal kurutmayla çıkarılır (yaklaşık 30 dakika) ve son olarak numune 10 dakika kurutulur. 50–90 °C'de vakumlu bir fırında (10–1 mbar) dk. (60 dk) 38.
Grafitin oldukça yüksek sıcaklıklarda (≥ 200 °C) su ve havanın varlığına dayanabildiği bilinmektedir50,51,52. Örnekleri oda sıcaklığında deiyonize suda ve kapalı şişelerde birkaç günden bir yıla kadar saklandıktan sonra Raman spektroskopisi, SEM ve XRD kullanarak test ettik (Şekil SI4). Gözle görülür bir bozulma yok. Şekil 2c, deiyonize sudaki serbest duran FS-NGF ve BS-NGF'yi göstermektedir. Bunları Şekil 2c'nin başında gösterildiği gibi bir SiO2 (300 nm)/Si substratında yakaladık. Ek olarak Şekil 2d,e'de gösterildiği gibi sürekli NGF, polimerler (Nexolve ve Nafion'dan Thermabright poliamid) ve altın kaplı karbon kağıdı gibi çeşitli substratlara aktarılabilir. Yüzen FS-NGF, hedef alt tabakaya kolayca yerleştirildi (Şekil 2c, d). Ancak 3 cm2'den büyük BS-NGF numunelerinin tamamen suya daldırıldığında işlenmesi zordu. Genellikle suda yuvarlanmaya başladıklarında dikkatsiz kullanım nedeniyle bazen iki veya üç parçaya ayrılırlar (Şekil 2e). Genel olarak, sırasıyla 6 ve 3 cm2'ye kadar alana sahip numuneler için PS- ve BS-NGF'nin polimersiz transferini (6 cm2'de NGF/Ni/NGF büyümesi olmadan sürekli kesintisiz transfer) başarabildik. Geriye kalan büyük veya küçük parçalar (aşındırma çözeltisinde veya deiyonize suda kolayca görülebilir) istenilen alt katman üzerinde (~1 mm2, Şekil SI4b, bkz. “FS-NGF: Yapı ve Özellikler (tartışıldı)” bölümündeki gibi bakır ızgaraya aktarılan numune) “Yapı ve Özellikler”) altında saklayın veya ileride kullanmak üzere saklayın (Şekil SI4). Bu kritere dayanarak, NGF'nin %98-99'a varan getirilerle (transfer için büyümeden sonra) geri kazanılabileceğini tahmin ediyoruz.
Polimer içermeyen transfer numuneleri detaylı bir şekilde analiz edildi. Optik mikroskopi (OM) ve SEM görüntüleri (Şekil SI5 ve Şekil 3) kullanılarak FS- ve BS-NGF/SiO2/Si (Şekil 2c) üzerinde elde edilen yüzey morfolojik özellikleri, bu numunelerin mikroskopi olmadan aktarıldığını gösterdi. Çatlaklar, delikler veya yuvarlanmamış alanlar gibi görünür yapısal hasarlar. Büyüyen NGF üzerindeki kıvrımlar (Şekil 3b, d, mor oklarla işaretlenmiştir) transferden sonra bozulmadan kalmıştır. Hem FS- hem de BS-NGF'ler FLG bölgelerinden oluşur (Şekil 3'te mavi oklarla gösterilen parlak bölgeler). Şaşırtıcı bir şekilde, ultra ince grafit filmlerin polimer transferi sırasında tipik olarak gözlemlenen birkaç hasarlı bölgenin aksine, NGF'ye bağlanan birkaç mikron boyutlu FLG ve MLG bölgesi (Şekil 3d'de mavi oklarla işaretlenmiştir) çatlak veya kırılma olmadan aktarılmıştır (Şekil 3d). . 3). . Mekanik bütünlük, daha sonra tartışılacağı gibi ("FS-NGF: Yapı ve Özellikler") dantel-karbon bakır ızgaralara aktarılan NGF'nin TEM ve SEM görüntüleri kullanılarak daha da doğrulandı. Aktarılan BS-NGF/SiO2/Si, Şekil SI6a ve b'de (20 × 20 μm2) gösterildiği gibi sırasıyla 140 nm ve 17 nm rms değerleriyle FS-NGF/SiO2/Si'den daha pürüzlüdür. SiO2/Si substratına aktarılan NGF'nin RMS değeri (RMS < 2 nm), Ni üzerinde büyütülen NGF'ninkinden önemli ölçüde daha düşüktür (yaklaşık 3 kat), bu da ek pürüzlülüğün Ni yüzeyine karşılık gelebileceğini gösterir. Ek olarak, FS- ve BS-NGF/SiO2/Si örneklerinin kenarlarında gerçekleştirilen AFM görüntüleri, sırasıyla 100 ve 80 nm'lik NGF kalınlıkları gösterdi (Şekil SI7). BS-NGF'nin daha küçük kalınlığı, yüzeyin doğrudan öncü gaza maruz kalmamasının bir sonucu olabilir.
SiO2/Si levha üzerinde polimer olmadan aktarılan NGF (NiAG) (bkz. Şekil 2c): (a,b) Aktarılan FS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (paneldeki turuncu kareye karşılık gelir). Tipik alanlar) – a). (c,d) Aktarılan BS-NGF'nin SEM görüntüleri: düşük ve yüksek büyütme (c panelindeki turuncu kareyle gösterilen tipik alana karşılık gelir). (e, f) aktarılan FS- ve BS-NGF'lerin AFM görüntüleri. Mavi ok FLG bölgesini temsil eder – parlak kontrast, camgöbeği ok – siyah MLG kontrastı, kırmızı ok – siyah kontrast NGF bölgesini, macenta ok ise kıvrımı temsil eder.
Büyütülen ve aktarılan FS- ve BS-NGF'lerin kimyasal bileşimi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) (Şekil 4) ile analiz edildi. Büyütülmüş FS- ve BS-NGF'lerin (NiAG) Ni substratına (850 eV) karşılık gelen ölçülen spektrumlarda (Şekil 4a, b) zayıf bir tepe gözlendi. Aktarılan FS- ve BS-NGF/SiO2/Si'nin ölçülen spektrumlarında herhangi bir tepe noktası yoktur (Şekil 4c; BS-NGF/SiO2/Si için benzer sonuçlar gösterilmemiştir), bu da aktarımdan sonra artık Ni kirliliğinin olmadığını gösterir. . Şekil 4d–f, FS-NGF/SiO2/Si'nin C 1 s, O 1 s ve Si 2p enerji seviyelerinin yüksek çözünürlüklü spektrumlarını gösterir. C1s grafitin bağlanma enerjisi 284,4 eV53,54'tür. Grafit tepe noktalarının doğrusal şeklinin, Şekil 4d54'te gösterildiği gibi genellikle asimetrik olduğu kabul edilir. Yüksek çözünürlüklü çekirdek seviyesi C1 spektrumu (Şekil 4d) ayrıca önceki çalışmalarla tutarlı olan saf aktarımı (yani polimer kalıntısı olmadığını) doğruladı38. Taze yetiştirilen numunenin (NiAG) ve transferden sonraki C1 spektrumlarının çizgi genişlikleri sırasıyla 0,55 ve 0,62 eV'dir. Bu değerler SLG'nin değerlerinden daha yüksektir (SiO2 substratı üzerindeki SLG için 0,49 eV)38. Bununla birlikte, bu değerler, yüksek düzeyde yönlendirilmiş pirolitik grafen numuneleri (~0,75 eV)53,54,55 için daha önce bildirilen çizgi genişliklerinden daha küçüktür; bu, mevcut malzemede kusurlu karbon bölgelerinin bulunmadığını gösterir. C1'ler ve O1'lerin yer seviyesi spektrumları da omuzlardan yoksundur, bu da yüksek çözünürlüklü tepe ters evrişim ihtiyacını ortadan kaldırır54. Grafit örneklerinde sıklıkla gözlenen, 291,1 eV civarında bir π → π* uydu zirvesi vardır. Si 2p ve O1s çekirdek seviyesi spektrumlarındaki 103 eV ve 532,5 eV sinyalleri (bkz. Şekil 4e, f), sırasıyla Si02 56 substratına atfedilir. XPS yüzeye duyarlı bir tekniktir, bu nedenle sırasıyla NGF transferinden önce ve sonra tespit edilen Ni ve SiO2'ye karşılık gelen sinyallerin FLG bölgesinden kaynaklandığı varsayılır. Aktarılan BS-NGF örnekleri için de benzer sonuçlar gözlendi (gösterilmemiştir).
NiAG XPS sonuçları: (ac) Sırasıyla büyütülmüş FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ve aktarılan FS-NGF/SiO2/Si'nin farklı elementel atom bileşimlerinin araştırma spektrumları. (d – f) FS-NGF/SiO2/Si numunesinin C 1 s, O 1s ve Si 2p çekirdek seviyelerinin yüksek çözünürlüklü spektrumları.
Aktarılan NGF kristallerinin genel kalitesi, X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak değerlendirildi. Aktarılan FS- ve BS-NGF/SiO2/Si'nin tipik XRD desenleri (Şekil SI8), grafite benzer şekilde 26,6° ve 54,7°'de kırınım tepe noktalarının (0 0 0 2) ve (0 0 0 4) varlığını gösterir. . Bu, NGF'nin yüksek kristal kalitesini doğrular ve transfer adımından sonra korunan d = 0,335 nm'lik bir ara katman mesafesine karşılık gelir. Kırınım zirvesinin yoğunluğu (0 0 0 2), kırınım zirvesinin (0 0 0 4) yaklaşık 30 katıdır; bu, NGF kristal düzleminin numune yüzeyi ile iyi hizalandığını gösterir.
SEM, Raman spektroskopisi, XPS ve XRD sonuçlarına göre BS-NGF/Ni'nin kalitesinin FS-NGF/Ni ile aynı olduğu ancak rms pürüzlülüğünün biraz daha yüksek olduğu görüldü (Şekil SI2, SI5) ve SI7).
200 nm kalınlığa kadar polimer destek katmanlarına sahip SLG'ler su üzerinde yüzebilir. Bu kurulum genellikle polimer destekli ıslak kimyasal transfer işlemlerinde kullanılır22,38. Grafen ve grafit hidrofobiktir (ıslak açı 80–90°) 57. Hem grafenin hem de FLG'nin potansiyel enerji yüzeylerinin oldukça düz olduğu ve suyun yüzeydeki yanal hareketi için düşük potansiyel enerjiye (~1 kJ/mol) sahip olduğu rapor edilmiştir58. Bununla birlikte, suyun grafen ve üç katman grafen ile hesaplanan etkileşim enerjileri sırasıyla yaklaşık -13 ve -15 kJ/mol,58 olup, bu da suyun NGF (yaklaşık 300 katman) ile etkileşiminin grafene kıyasla daha düşük olduğunu gösterir. Bağımsız NGF'nin su yüzeyinde düz kalmasının, bağımsız grafenin (suda yüzen) kıvrılıp parçalanmasının nedenlerinden biri bu olabilir. NGF tamamen suya daldırıldığında (pürüzlü ve düz NGF için sonuçlar aynıdır) kenarları bükülür (Şekil SI4). Tamamen daldırma durumunda, NGF-su etkileşim enerjisinin neredeyse iki katına çıkması (yüzen NGF ile karşılaştırıldığında) ve NGF'nin kenarlarının yüksek bir temas açısını (hidrofobiklik) korumak için katlanması beklenir. Gömülü NGF'lerin kenarlarının kıvrılmasını önlemek için stratejiler geliştirilebileceğine inanıyoruz. Bir yaklaşım, grafit filmin59 ıslatma reaksiyonunu modüle etmek için karışık çözücüler kullanmaktır.
SLG'nin ıslak kimyasal transfer işlemleri yoluyla çeşitli substrat türlerine transferi daha önce rapor edilmişti. Grafen/grafit filmler ve substratlar (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si sütunları22 ve dantelli karbon filmler30, 34 gibi sert substratlar30, 34 veya esnek substratlar) arasında zayıf van der Waals kuvvetlerinin mevcut olduğu genel olarak kabul edilir. örneğin poliimid 37). Burada aynı türden etkileşimlerin baskın olduğunu varsayıyoruz. Mekanik kullanım sırasında (vakum ve/veya atmosferik koşullar altında karakterizasyon sırasında veya depolama sırasında) burada sunulan substratların hiçbirinde NGF'de herhangi bir hasar veya soyulma gözlemlemedik (örneğin, Şekil 2, SI7 ve SI9). Ek olarak, NGF/SiO2/Si örneğinin çekirdek seviyesinin XPS C1 s spektrumunda bir SiC zirvesi gözlemlemedik (Şekil 4). Bu sonuçlar NGF ile hedef substrat arasında hiçbir kimyasal bağ olmadığını göstermektedir.
Önceki "FS- ve BS-NGF'nin polimersiz transferi" bölümünde, NGF'nin nikel folyonun her iki tarafında da büyüyebildiğini ve aktarabildiğini göstermiştik. Bu FS-NGF'ler ve BS-NGF'ler yüzey pürüzlülüğü açısından aynı değildir, bu da bizi her tür için en uygun uygulamaları araştırmaya yöneltmiştir.
FS-NGF'nin şeffaf ve pürüzsüz yüzeyi göz önüne alındığında yerel yapısını, optik ve elektriksel özelliklerini daha detaylı inceledik. Polimer transferi olmayan FS-NGF'nin yapısı ve yapısı, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüleme ve seçilmiş alan elektron kırınımı (SAED) model analizi ile karakterize edildi. Karşılık gelen sonuçlar Şekil 5'te gösterilmektedir. Düşük büyütmeli düzlemsel TEM görüntüleme, farklı elektron kontrast özelliklerine sahip NGF ve FLG bölgelerinin, yani sırasıyla daha koyu ve daha parlak alanların varlığını ortaya çıkardı (Şekil 5a). Film genel olarak NGF ve FLG'nin farklı bölgeleri arasında iyi bir örtüşme ve hasar veya yırtılma olmaksızın iyi mekanik bütünlük ve stabilite sergiler; bu da SEM (Şekil 3) ve yüksek büyütmeli TEM çalışmaları (Şekil 5c-e) tarafından da doğrulanmıştır. Özellikle, Şekil 5d'de, üçgen bir şekil ile karakterize edilen ve yaklaşık 51 um genişliğinde bir grafen katmanından oluşan köprü yapısını en büyük kısmından (Şekil 5d'de siyah noktalı okla işaretlenmiş konum) gösterilmektedir. Düzlemler arası aralığı 0,33 ± 0,01 nm olan bileşim, en dar bölgede (Şekil 5d'deki düz siyah okun sonu) birkaç grafen katmanına daha da indirgenir.
Karbon dantelli bakır ızgara üzerinde polimer içermeyen bir NiAG numunesinin düzlemsel TEM görüntüsü: (a, b) NGF ve FLG bölgelerini içeren düşük büyütmeli TEM görüntüleri, (ce) Panel-a ve panel-b'deki çeşitli bölgelerin yüksek büyütmeli görüntüleri aynı renkteki işaretli oklar. A ve c panellerindeki yeşil oklar, ışın hizalaması sırasında dairesel hasar alanlarını gösterir. (f – i) A'dan c'ye kadar olan panellerde, farklı bölgelerdeki SAED desenleri sırasıyla mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı dairelerle gösterilir.
Şekil 5c'deki şerit yapısı, (kırmızı okla işaretlenmiş) grafit kafes düzlemlerinin dikey yönelimini gösterir; bu, aşırı telafi edilmemiş kayma gerilimi30,61,62 nedeniyle film boyunca nanokatların oluşmasından kaynaklanabilir (Şekil 5c'de ek)30,61,62 . Yüksek çözünürlüklü TEM altında bu nanokatlar (30), NGF bölgesinin geri kalanından farklı bir kristalografik yönelim sergiler; Grafit kafesin taban düzlemleri, filmin geri kalanı gibi yatay olmak yerine neredeyse dikey olarak yönlendirilmiştir (Şekil 5c'de ek). Benzer şekilde, FLG bölgesi zaman zaman sırasıyla Şekil 5b, 5e'de düşük ve orta büyütmede görünen doğrusal ve dar bant benzeri kıvrımlar (mavi oklarla işaretlenmiştir) sergiler. Şekil 5e'deki ek, FLG sektöründe (düzlemler arası mesafe 0,33 ± 0,01 nm) iki ve üç katmanlı grafen katmanlarının varlığını doğrulamaktadır; bu, önceki sonuçlarımızla iyi bir uyum içindedir30. Ek olarak, dantelli karbon filmlerle bakır ızgaralara aktarılan polimer içermeyen NGF'nin kayıtlı SEM görüntüleri (üstten görünüm TEM ölçümleri gerçekleştirildikten sonra) Şekil SI9'da gösterilmektedir. Şekil SI9f'de iyi asılı FLG bölgesi (mavi okla işaretlenmiştir) ve kırık bölge. Mavi ok (aktarılan NGF'nin kenarında), FLG bölgesinin polimer olmadan transfer işlemine direnebileceğini göstermek için kasıtlı olarak sunulmuştur. Özetle, bu görüntüler, kısmen askıda kalan NGF'nin (FLG bölgesi dahil), TEM ve SEM ölçümleri sırasında sıkı kullanım ve yüksek vakuma maruz kaldıktan sonra bile mekanik bütünlüğü koruduğunu doğrulamaktadır (Şekil SI9).
NGF'nin mükemmel düzlüğü nedeniyle (bkz. Şekil 5a), SAED yapısını analiz etmek için pulları alan ekseni boyunca yönlendirmek zor değildir. Filmin yerel kalınlığına ve konumuna bağlı olarak elektron kırınım çalışmaları için çeşitli ilgi alanları (12 nokta) belirlendi. Şekil 5a-c'de bu tipik bölgelerden dördü gösterilmekte ve renkli dairelerle (mavi, camgöbeği, turuncu ve kırmızı kodlu) işaretlenmektedir. SAED modu için Şekil 2 ve 3. Şekil 5f ve g, Şekil 5 ve 5'te gösterilen FLG bölgesinden elde edilmiştir. Sırasıyla Şekil 5b ve c'de gösterildiği gibi. Bükülmüş grafene benzer altıgen bir yapıya sahiptirler63. Özellikle Şekil 5f, üç çift (10-10) yansımanın açısal uyumsuzluğuyla kanıtlandığı gibi, [0001] bölge ekseniyle aynı oryantasyona sahip, 10° ve 20° döndürülmüş üç üst üste bindirilmiş modeli göstermektedir. Benzer şekilde Şekil 5g, 20° döndürülmüş iki üst üste altıgen deseni göstermektedir. FLG bölgesindeki iki veya üç grup altıgen desen, birbirine göre döndürülmüş üç düzlem içi veya düzlem dışı grafen katmanından (33) ortaya çıkabilir. Buna karşılık, Şekil 5h,i'deki elektron kırınım desenleri (Şekil 5a'da gösterilen NGF bölgesine karşılık gelir), daha fazla malzeme kalınlığına karşılık gelen, genel olarak daha yüksek nokta kırınım yoğunluğuna sahip tek bir [0001] deseni gösterir. Bu SAED modelleri, indeks 64'ten anlaşıldığı gibi, FLG'den daha kalın bir grafit yapıya ve ara yönelime karşılık gelir. NGF'nin kristalin özelliklerinin karakterizasyonu, iki veya üç üst üste bindirilmiş grafit (veya grafen) kristalitinin bir arada varlığını ortaya çıkardı. FLG bölgesinde özellikle dikkate değer olan şey, kristalitlerin belirli bir derecede düzlem içi veya düzlem dışı yanlış yönelime sahip olmasıdır. Ni 64 filmleri üzerinde büyütülen NGF için 17°, 22° ve 25° düzlem içi dönme açılarına sahip grafit parçacıkları/katmanları daha önce rapor edilmişti. Bu çalışmada gözlemlenen dönme açısı değerleri, bükülmüş BLG63 grafen için daha önce gözlemlenen dönme açıları (±1°) ile tutarlıdır.
NGF/SiO2/Si'nin elektriksel özellikleri 300 K'de 10x3 mm2'lik bir alan üzerinde ölçülmüştür. Elektron taşıyıcı konsantrasyonu, hareketlilik ve iletkenlik değerleri sırasıyla 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ve 2000 S-cm-1'dir. NGF'mizin hareketlilik ve iletkenlik değerleri doğal grafite benzer2 ve ticari olarak temin edilebilen yüksek düzeyde yönlendirilmiş pirolitik grafitten (3000 °C'de üretilmiştir)29 daha yüksektir. Gözlemlenen elektron taşıyıcı konsantrasyon değerleri, yüksek sıcaklıkta (3200 °C) poliimid levhalar 20 kullanılarak hazırlanan mikron kalınlığında grafit filmler için yakın zamanda rapor edilen değerlerden (7,25 x 10 cm-3) iki kat daha yüksektir.
Ayrıca kuvars yüzeylere aktarılan FS-NGF üzerinde UV-görünür geçirgenlik ölçümleri de gerçekleştirdik (Şekil 6). Ortaya çıkan spektrum, 350-800 nm aralığında neredeyse sabit %62'lik bir geçirgenlik gösterir; bu da NGF'nin görünür ışığa karşı yarı saydam olduğunu gösterir. Aslında Şekil 6b’deki numunenin dijital fotoğrafında “KAUST” ismi görülebilmektedir. NGF'nin nanokristal yapısı SLG'ninkinden farklı olsa da katman sayısı, ilave katman başına %2,3 iletim kaybı kuralı kullanılarak kabaca tahmin edilebilir65. Bu ilişkiye göre %38 iletim kaybına sahip grafen katmanlarının sayısı 21'dir. Büyütülmüş NGF esas olarak 300 grafen katmanından, yani yaklaşık 100 nm kalınlığından oluşur (Şekil 1, SI5 ve SI7). Bu nedenle, film boyunca dağılmış oldukları için gözlemlenen optik şeffaflığın FLG ve MLG bölgelerine karşılık geldiğini varsayıyoruz (Şekil 1, 3, 5 ve 6c). Yukarıdaki yapısal verilere ek olarak iletkenlik ve şeffaflık da aktarılan NGF'nin yüksek kristal kalitesini doğrulamaktadır.
(a) UV-görünür geçirgenlik ölçümü, (b) temsili bir numune kullanılarak kuvars üzerinde tipik NGF aktarımı. (c) Numune boyunca gri rastgele şekiller olarak işaretlenmiş eşit şekilde dağıtılmış FLG ve MLG bölgelerine sahip NGF'nin (karanlık kutu) şeması (bkz. Şekil 1) (100 μm2 başına yaklaşık %0,1-3 alan). Diyagramdaki rastgele şekiller ve boyutları yalnızca açıklama amaçlıdır ve gerçek alanlara karşılık gelmez.
CVD tarafından büyütülen yarı saydam NGF daha önce çıplak silikon yüzeylere aktarılmış ve güneş pillerinde kullanılmıştır15,16. Ortaya çıkan güç dönüşüm verimliliği (PCE) %1,5'tir. Bu NGF'ler, aktif bileşik katmanları, yük taşıma yolları ve şeffaf elektrotlar15,16 gibi birçok işlevi yerine getirir. Ancak grafit film tekdüze değildir. Bu iki özellik güneş pilinin PCE değerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynadığından, grafit elektrotun tabaka direncini ve optik geçirgenliğini dikkatli bir şekilde kontrol ederek daha fazla optimizasyon gereklidir. Tipik olarak grafen filmler görünür ışığa karşı %97,7 şeffaftır ancak 200–3000 ohm/16 metrekarelik bir tabaka direncine sahiptir. Grafen filmlerin yüzey direnci, katman sayısını artırarak (grafen katmanlarının çoklu transferi) ve HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 ile katkılama yapılarak azaltılabilir. Ancak bu süreç uzun zaman alır ve farklı transfer katmanları her zaman iyi teması sağlayamaz. Ön taraftaki NGF'miz iletkenlik 2000 S/cm, film tabakası direnci 50 ohm/sq gibi özelliklere sahiptir. ve %62 şeffaflık, onu güneş pillerindeki iletken kanallar veya karşı elektrotlar için uygun bir alternatif haline getiriyor15,16.
BS-NGF'nin yapısı ve yüzey kimyası FS-NGF'ye benzese de pürüzlülüğü farklıdır (“FS- ve BS-NGF'nin Büyümesi”). Daha önce gaz sensörü olarak ultra ince film grafit22 kullanıyorduk. Bu nedenle gaz algılama görevleri için BS-NGF kullanmanın fizibilitesini test ettik (Şekil SI10). İlk olarak, BS-NGF'nin mm2 boyutlu kısımları, birbirine geçen elektrot sensör çipine aktarıldı (Şekil SI10a-c). Çipin üretim detayları daha önce bildirilmişti; aktif hassas alanı 9 mm267'dir. SEM görüntülerinde (Şekil SI10b ve c), alttaki altın elektrot NGF'den açıkça görülebilmektedir. Yine tüm numuneler için tekdüze talaş kapsamının sağlandığı görülmektedir. Çeşitli gazların gaz sensörü ölçümleri kaydedildi (Şek. SI10d) (Şek. SI11) ve elde edilen yanıt oranları, Şek. SI10g. Muhtemelen SO2 (200 ppm), H2 (%2), CH4 (200 ppm), CO2 (%2), H2S (200 ppm) ve NH3 (200 ppm) dahil olmak üzere diğer girişim yapan gazlarla. Olası bir neden NO2'dir. gazın elektrofilik doğası22,68. Grafenin yüzeyine adsorbe edildiğinde sistem tarafından elektronların mevcut emilimi azalır. BS-NGF sensörünün tepki süresi verilerinin daha önce yayınlanmış sensörlerle karşılaştırılması Tablo SI2'de sunulmaktadır. UV plazma, O3 plazma veya maruz kalan numunelerin termal (50-150°C) tedavisini kullanarak NGF sensörlerini yeniden etkinleştirme mekanizması devam etmektedir ve bunu ideal olarak gömülü sistemlerin uygulanması takip etmektedir69.
CVD işlemi sırasında, katalizör substratının her iki tarafında da grafen büyümesi meydana gelir41. Ancak BS-grafen genellikle aktarım işlemi41sırasında çıkarılır. Bu çalışmada, katalizör desteğinin her iki tarafında da yüksek kaliteli NGF büyümesinin ve polimer içermeyen NGF transferinin sağlanabileceğini gösterdik. BS-NGF, FS-NGF'den (~100 nm) daha incedir (~80 nm) ve bu fark, BS-Ni'nin doğrudan öncül gaz akışına maruz kalmamasıyla açıklanmaktadır. Ayrıca NiAR substratının pürüzlülüğünün NGF'nin pürüzlülüğünü etkilediğini de bulduk. Bu sonuçlar, büyütülmüş düzlemsel FS-NGF'nin, grafen için bir öncü malzeme olarak (eksfoliasyon yöntemi70 ile) veya güneş pillerinde iletken bir kanal olarak kullanılabileceğini göstermektedir15,16. Buna karşılık BS-NGF, gaz tespiti için (Şekil SI9) ve muhtemelen yüzey pürüzlülüğünün faydalı olacağı enerji depolama sistemleri71,72 için kullanılacaktır.
Yukarıdakiler göz önüne alındığında, mevcut çalışmayı CVD ile nikel folyo kullanılarak büyütülmüş daha önce yayınlanmış grafit filmlerle birleştirmek yararlı olacaktır. Tablo 2'de görüldüğü gibi, kullandığımız yüksek basınçlar, nispeten düşük sıcaklıklarda (850–1300 °C aralığında) bile reaksiyon süresini (büyüme aşaması) kısalttı. Ayrıca normalden daha yüksek bir büyüme elde ettik, bu da genişleme potansiyeline işaret ediyor. Dikkate alınması gereken başka faktörler de var; bunlardan bazılarını tabloya dahil ettik.
Çift taraflı yüksek kaliteli NGF, katalitik CVD ile nikel folyo üzerinde büyütüldü. Geleneksel polimer substratları (CVD grafeninde kullanılanlar gibi) ortadan kaldırarak, NGF'nin (nikel folyonun arka ve ön taraflarında yetişen) çeşitli proses açısından kritik substratlara temiz ve hatasız ıslak transferini sağlıyoruz. Özellikle NGF, daha kalın filme yapısal olarak iyi entegre olan FLG ve MLG bölgelerini (tipik olarak 100 µm2 başına %0,1 ila %3) içerir. Düzlemsel TEM, bu bölgelerin, bazılarının 10-20°'lik bir dönme uyumsuzluğuna sahip olan iki ila üç grafit/grafen parçacığından (sırasıyla kristaller veya katmanlar) oluşan yığınlardan oluştuğunu gösterir. FLG ve MLG bölgeleri, FS-NGF'nin görünür ışığa karşı şeffaflığından sorumludur. Arka levhalar ise ön levhalara paralel olarak taşınabilir ve gösterildiği gibi işlevsel bir amaca sahip olabilir (örneğin gaz tespiti için). Bu çalışmalar endüstriyel ölçekli CVD süreçlerinde israfın ve maliyetlerin azaltılması açısından oldukça faydalıdır.
Genel olarak, CVD NGF'nin ortalama kalınlığı (düşük ve çok katmanlı) grafen ve endüstriyel (mikrometre) grafit tabakaları arasında yer alır. İlginç özelliklerinin çeşitliliği, üretimi ve nakliyesi için geliştirdiğimiz basit yöntemle birleştiğinde, bu filmleri, halihazırda kullanılan enerji yoğun endüstriyel üretim süreçlerinin masrafı olmadan, grafitin işlevsel tepkisini gerektiren uygulamalar için özellikle uygun hale getiriyor.
Ticari bir CVD reaktörüne (Aixtron 4 inç BMPro) 25 mikron kalınlığında bir nikel folyo (%99,5 saflık, Goodfellow) yerleştirildi. Sistem argonla temizlendi ve 10-3 mbar'lık bir taban basınca kadar boşaltıldı. Daha sonra nikel folyo yerleştirildi. Ar/H2 içinde (Ni folyonun 5 dakika boyunca önceden tavlanmasından sonra, folyo 900 °C'de 500 mbar basınca maruz bırakıldı. NGF, 5 dakika boyunca CH4/H2 (her biri 100 cm3) akışında biriktirildi. Numune daha sonra 40 °C/dakikada Ar akışı (4000 cm3) kullanılarak 700 °C'nin altındaki sıcaklığa soğutuldu. NGF büyüme sürecinin optimizasyonuna ilişkin ayrıntılar başka bir yerde açıklanmaktadır30.
Numunenin yüzey morfolojisi, Zeiss Merlin mikroskobu (1 kV, 50 pA) kullanılarak SEM ile görselleştirildi. Numunenin yüzey pürüzlülüğü ve NGF kalınlığı AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) kullanılarak ölçülmüştür. TEM ve SAED ölçümleri, nihai sonuçları elde etmek için yüksek parlaklıklı alan emisyon tabancası (300 kV), bir FEI Wien tipi monokromatör ve bir CEOS lens küresel sapma düzeltici ile donatılmış bir FEI Titan 80–300 Küp mikroskobu kullanılarak gerçekleştirildi. uzaysal çözünürlük 0,09 nm. NGF örnekleri, düz TEM görüntüleme ve SAED yapı analizi için karbon dantel kaplı bakır ızgaralara aktarıldı. Bu nedenle numune floklarının çoğu, destekleyici membranın gözeneklerinde asılı kalır. Aktarılan NGF numuneleri XRD ile analiz edildi. X-ışını kırınım desenleri, 3 mm ışın nokta çapına sahip bir Cu radyasyon kaynağı kullanan bir toz kırınım ölçer (Brucker, Cu Ka kaynağı ile D2 faz kaydırıcı, 1.5418 Å ve LYNXEYE dedektörü) kullanılarak elde edildi.
Entegre bir eş odaklı mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) kullanılarak çeşitli Raman noktası ölçümleri kaydedildi. Termal olarak indüklenen etkileri önlemek için düşük uyarma gücüne (%25) sahip 532 nm'lik bir lazer kullanıldı. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), 150 W gücünde monokromatik Al Ka radyasyonu (hν = 1486,6 eV) kullanılarak 300 x 700 μm2'lik bir numune alanı üzerinde bir Kratos Axis Ultra spektrometresi üzerinde gerçekleştirildi. Çözünürlük spektrumları, iletim enerjileri sırasıyla 160 eV ve 20 eV'dir. Si02'ye aktarılan NGF örnekleri, 30 W'ta bir PLS6MW (1.06 μm) iterbiyum fiber lazer kullanılarak parçalar halinde kesildi (her biri 3 x 10 mm2). Bakır tel kontakları (50 μm kalınlığında), optik mikroskop altında gümüş macun kullanılarak üretildi. Bu numuneler üzerinde 300 K'de ve ± 9 Tesla'lık bir manyetik alan değişiminde, fiziksel özellikler ölçüm sisteminde (PPMS EverCool-II, Quantum Design, ABD) elektriksel taşıma ve Hall etkisi deneyleri gerçekleştirildi. İletilen UV-vis spektrumları, kuvars substratlara ve kuvars referans örneklerine aktarılan 350-800 nm NGF aralığında bir Lambda 950 UV-vis spektrofotometresi kullanılarak kaydedildi.
Kimyasal direnç sensörü (birbirine bağlı elektrot çipi) özel bir baskılı devre kartına (73) kabloyla bağlandı ve direnç geçici olarak çıkarıldı. Cihazın yerleştirildiği baskılı devre kartı, kontak terminallerine bağlanır ve gaz algılama odasının (74) içine yerleştirilir. Temizlemeden gaza maruz kalmaya ve ardından tekrar temizlemeye kadar sürekli bir tarama ile 1 V voltajda direnç ölçümleri alındı. Oda ilk olarak nem de dahil olmak üzere oda içinde mevcut tüm diğer analitlerin uzaklaştırılmasını sağlamak için 1 saat boyunca 200 cm3'te nitrojen ile temizlenerek temizlendi. Daha sonra ayrı ayrı analitler, N2 silindiri kapatılarak aynı 200 cm3 akış hızında yavaşça odaya bırakıldı.
Bu makalenin revize edilmiş hali yayımlanmış olup, makalenin üst kısmındaki bağlantıdan ulaşılabilir.
Inagaki, M. ve Kang, F. Karbon Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: Temel Bilgiler. İkinci baskı düzenlendi. 2014. 542.
Pearson, HO Karbon, Grafit, Elmas ve Fullerenler El Kitabı: Özellikler, İşleme ve Uygulamalar. İlk baskı düzenlendi. 1994, New Jersey.
Tsai, W. ve ark. Şeffaf ince iletken elektrotlar olarak geniş alanlı çok katmanlı grafen/grafit filmler. başvuru. fizik. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Grafen ve nanoyapılı karbon malzemelerin termal özellikleri. Nat. Mat. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ve Cahill DG Düşük sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme yoluyla Ni (111) üzerinde büyütülen grafit filmlerin termal iletkenliği. zarf. Mat. Arayüz 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kimyasal buhar biriktirme yoluyla grafen filmlerin sürekli büyümesi. başvuru. fizik. Wright. 98(13), 133106(2011).
Gönderim zamanı: Ağu-23-2024