Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo asil sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake versi browser sing luwih anyar (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer). Ing sawetoro wektu, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nampilake situs kasebut tanpa gaya utawa JavaScript.
Film grafit skala nano (NGFs) minangka bahan nano sing kuat sing bisa diprodhuksi dening deposisi uap kimia katalitik, nanging isih ana pitakonan babagan gampang transfer lan kepiye morfologi permukaan mengaruhi panggunaan ing piranti generasi sabanjure. Kene kita laporan wutah saka NGF ing loro-lorone saka foil nikel polycrystalline (wilayah 55 cm2, kekandelan bab 100 nm) lan transfer polimer-free (ngarep lan mburi, area nganti 6 cm2). Amarga morfologi foil katalis, loro film karbon beda-beda ing sifat fisik lan karakteristik liyane (kayata kekasaran permukaan). Kita nduduhake yen NGF kanthi bagian mburi sing luwih kasar cocok kanggo deteksi NO2, dene NGF sing luwih alus lan luwih konduktif ing sisih ngarep (2000 S / cm, resistance lembar - 50 ohm / m2) bisa dadi konduktor sing sregep. saluran utawa elektroda sel surya (amarga ngirimake 62% cahya sing katon). Sakabèhé, proses pertumbuhan lan transportasi sing diterangake bisa mbantu ngerteni NGF minangka bahan karbon alternatif kanggo aplikasi teknologi ing ngendi film grafit graphene lan micron-kandel ora cocok.
Grafit minangka bahan industri sing akeh digunakake. Utamane, grafit nduweni sifat kepadatan massa sing relatif kurang lan konduktivitas termal lan listrik ing pesawat sing dhuwur, lan stabil banget ing lingkungan termal lan kimia sing atos1,2. Flake grafit minangka bahan wiwitan sing kondhang kanggo riset graphene3. Nalika diproses dadi film tipis, bisa digunakake ing macem-macem aplikasi, kalebu sink panas kanggo piranti elektronik kayata smartphone4,5,6,7, minangka bahan aktif ing sensor8,9,10 lan kanggo proteksi gangguan elektromagnetik11. 12 lan film kanggo litografi ing ultraviolet ekstrem13,14, nganakake saluran ing sel surya15,16. Kanggo kabeh aplikasi kasebut, bakal dadi kauntungan sing signifikan yen wilayah gedhe film grafit (NGFs) kanthi ketebalan sing dikontrol ing skala nano <100 nm bisa gampang diprodhuksi lan diangkut.
Film grafit diprodhuksi kanthi macem-macem cara. Ing siji kasus, embedding lan expansion ngiring dening exfoliation digunakake kanggo gawé graphene flakes10,11,17. Flakes kudu luwih diproses dadi film kanthi kekandelan sing dibutuhake, lan asring mbutuhake sawetara dina kanggo ngasilake lembaran grafit sing padhet. Pendekatan liyane yaiku miwiti karo prekursor padat sing bisa digambar. Ing industri, lembaran polimer dikarbonisasi (ing 1000–1500 °C) lan banjur digrafitisasi (ing 2800–3200 °C) kanggo mbentuk bahan berlapis sing terstruktur kanthi apik. Sanajan kualitas film kasebut dhuwur, konsumsi energi signifikan1,18,19 lan ketebalan minimal diwatesi sawetara mikron1,18,19,20.
Deposisi uap kimia katalitik (CVD) minangka cara sing misuwur kanggo ngasilake film graphene lan ultrathin grafit (<10 nm) kanthi kualitas struktur sing dhuwur lan biaya sing cukup 21,22,23,24,25,26,27. Nanging, dibandhingake karo wutah saka graphene lan film grafit ultrathin28, wutah wilayah gedhe lan / utawa aplikasi NGF nggunakake CVD malah kurang nelik11,13,29,30,31,32,33.
Film graphene lan grafit sing ditanam CVD asring kudu ditransfer menyang substrat fungsional34. Transfer film tipis iki kalebu rong cara utama35: (1) transfer non-etch36,37 lan (2) transfer kimia udan adhedhasar etch (substrat didhukung)14,34,38. Saben cara nduweni kaluwihan lan kekurangan lan kudu dipilih gumantung saka aplikasi sing dituju, kaya sing diterangake ing papan liya35,39. Kanggo film graphene / grafit sing ditanam ing substrat katalitik, transfer liwat proses kimia udan (kang polimetil metakrilat (PMMA) minangka lapisan pendukung sing paling umum digunakake) tetep dadi pilihan pisanan13,30,34,38,40,41,42. Sampeyan et al. Disebutake yen ora ana polimer sing digunakake kanggo transfer NGF (ukuran sampel kira-kira 4 cm2)25,43, nanging ora ana rincian sing diwenehake babagan stabilitas sampel lan / utawa penanganan nalika transfer; Proses kimia basah nggunakake polimer kalebu sawetara langkah, kalebu aplikasi lan mbusak lapisan polimer kurban30,38,40,41,42. Proses iki nduweni kekurangan: contone, residu polimer bisa ngganti sifat film sing ditanam38. Pangolahan tambahan bisa mbusak sisa polimer, nanging langkah tambahan iki nambah biaya lan wektu produksi film38,40. Sajrone wutah CVD, lapisan graphene disimpen ora mung ing sisih ngarep katalis foil (sisih madhep aliran uap), nanging uga ing sisih mburi. Nanging, sing terakhir dianggep minangka produk sampah lan bisa cepet dibusak dening plasma alus38,41. Daur ulang film iki bisa mbantu maksimalake asil, sanajan kualitase luwih murah tinimbang film karbon pasuryan.
Ing kene, kita nglaporake persiapan pertumbuhan bifacial skala wafer NGF kanthi kualitas struktural dhuwur ing foil nikel polikristalin dening CVD. Iki ditaksir kepiye kekasaran permukaan ngarep lan mburi foil mengaruhi morfologi lan struktur NGF. Kita uga nduduhake transfer NGF bebas polimer kanthi biaya-efektif lan ramah lingkungan saka loro-lorone foil nikel menyang substrat multifungsi lan nuduhake carane film ngarep lan mburi cocok kanggo macem-macem aplikasi.
Bagean ing ngisor iki mbahas ketebalan film grafit sing beda-beda gumantung saka jumlah lapisan graphene sing ditumpuk: (i) graphene lapisan tunggal (SLG, 1 lapisan), (ii) sawetara lapisan graphene (FLG, <10 lapisan), (iii) graphene multilayer ( MLG, 10-30 lapisan) lan (iv) NGF (~ 300 lapisan). Sing terakhir minangka kekandelan paling umum sing dituduhake minangka persentase area (kira-kira 97% area saben 100 µm2)30. Mulane kabeh film kasebut mung diarani NGF.
Foil nikel polikristalin sing digunakake kanggo sintesis film graphene lan grafit nduweni tekstur sing beda-beda minangka asil saka manufaktur lan pangolahan sabanjure. Kita bubar nglaporake panaliten kanggo ngoptimalake proses pertumbuhan NGF30. Kita nuduhake yen paramèter proses kayata wektu anil lan tekanan kamar sajrone tahap pertumbuhan nduweni peran kritis kanggo entuk NGF kanthi ketebalan seragam. Kene, kita luwih nyelidiki wutah saka NGF ing ngarep polesan (FS) lan unpolished bali (BS) lumahing nikel foil (Fig. 1a). Telung jinis sampel FS lan BS diteliti, kadhaptar ing Tabel 1. Sawise inspeksi visual, wutah seragam NGF ing loro-lorone saka foil nikel (NiAG) bisa dideleng kanthi owah-owahan werna saka substrat Ni akeh saka perak metalik karakteristik. werna abu-abu nganti werna abu-abu matte (Gambar 1a); pangukuran mikroskopis dikonfirmasi (Fig. 1b, c). Spektrum Raman khas FS-NGF diamati ing wilayah padhang lan dituduhake dening panah abang, biru lan oranye ing Figure 1b ditampilake ing Figure 1c. Pucuk Raman karakteristik saka grafit G (1683 cm−1) lan 2D (2696 cm−1) konfirmasi wutah saka NGF banget kristal (Fig. 1c, Tabel SI1). Saindhenging film, dominasi spektrum Raman kanthi rasio intensitas (I2D/IG) ~0.3 diamati, dene spektrum Raman kanthi I2D/IG = 0.8 jarang diamati. Ora ana pucuk sing rusak (D = 1350 cm-1) ing kabeh film nuduhake kualitas dhuwur saka wutah NGF. Asil Raman sing padha dipikolehi ing sampel BS-NGF (Gambar SI1 a lan b, Tabel SI1).
Perbandingan NiAG FS- lan BS-NGF: (a) Foto sampel NGF (NiAG) khas sing nuduhake wutah NGF ing skala wafer (55 cm2) lan sampel foil BS- lan FS-Ni sing diasilake, (b) FS-NGF Gambar/ Ni dipikolehi mikroskop optik, (c) spektrum Raman khas sing direkam ing posisi sing beda ing panel b, (d, f) Gambar SEM ing perbesaran beda ing FS-NGF/Ni, (e, g) Gambar SEM ing perbesaran sing beda. Sets BS -NGF/Ni. Panah biru nuduhake wilayah FLG, panah oranye nuduhake wilayah MLG (cedhak wilayah FLG), panah abang nuduhake wilayah NGF, lan panah magenta nuduhake lipatan.
Wiwit wutah gumantung ing kekandelan saka substrat awal, ukuran kristal, orientasi, lan wates gandum, nampa kontrol cukup saka NGF kekandelan liwat wilayah gedhe tetep tantangan20,34,44. Panaliten iki nggunakake konten sing sadurunge diterbitake30. Proses iki ngasilake wilayah padhang 0,1 nganti 3% saben 100 µm230. Ing bagean ing ngisor iki, kita nampilake asil kanggo rong jinis wilayah kasebut. Gambar SEM perbesaran dhuwur nuduhake anané sawetara wilayah kontras padhang ing loro-lorone (Fig. 1f, g), nuduhake anané wilayah FLG lan MLG30,45. Iki uga dikonfirmasi dening panyebaran Raman (Fig. 1c) lan asil TEM (dibahas mengko ing bagean "FS-NGF: struktur lan sifat"). Wilayah FLG lan MLG sing diamati ing sampel FS- lan BS-NGF / Ni (NGF ngarep lan mburi sing ditanam ing Ni) bisa uga tuwuh ing biji-bijian Ni (111) gedhe sing dibentuk sajrone pre-annealing22,30,45. Lempitan diamati ing loro-lorone (Fig. 1b, ditandhani karo panah ungu). Lipatan iki asring ditemokake ing film graphene lan grafit sing ditanam CVD amarga bedane gedhe ing koefisien ekspansi termal antarane grafit lan substrat nikel30,38.
Gambar AFM dikonfirmasi manawa sampel FS-NGF luwih rata tinimbang sampel BS-NGF (Gambar SI1) (Gambar SI2). Nilai kekasaran rata-rata akar (RMS) saka FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) lan BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) yaiku 82 lan 200 nm (diukur ing area 20 × 20 μm2). Kekasaran sing luwih dhuwur bisa dimangerteni adhedhasar analisis permukaan saka foil nikel (NiAR) ing negara sing ditampa (Figure SI3). Gambar SEM saka FS lan BS-NiAR ditampilake ing Tokoh SI3a-d, nuduhake morfologi lumahing beda: foil FS-Ni polesan wis nano- lan micron-ukuran partikel bunder, nalika unpolished BS-Ni foil mameraken andha produksi. minangka partikel kanthi kekuatan dhuwur. lan nolak. Gambar resolusi rendah lan dhuwur saka foil nikel anil (NiA) ditampilake ing Figure SI3e-h. Ing tokoh kasebut, kita bisa mirsani anané sawetara partikel nikel ukuran micron ing loro-lorone saka foil nikel (Fig. SI3e–h). Biji-bijian gedhe bisa uga duwe orientasi permukaan Ni (111), kaya sing dilaporake sadurunge 30,46. Ana beda sing signifikan ing morfologi foil nikel antarane FS-NiA lan BS-NiA. Kekasaran sing luwih dhuwur saka BS-NGF / Ni amarga lumahing BS-NiAR sing ora dipoles, permukaane tetep atos sanajan sawise anil (Gambar SI3). Karakterisasi permukaan jinis iki sadurunge proses pertumbuhan ngidini kekasaran film graphene lan grafit bisa dikontrol. Sampeyan kudu nyatet sing landasan asli ngalami sawetara reorganisasi gandum sak wutah graphene, kang rada sudo ukuran gandum lan Luwih nambah roughness lumahing saka landasan dibandhingake foil anil lan film katalis22.
Nyetel kekasaran permukaan substrat, wektu anil (ukuran butir)30,47 lan kontrol rilis43 bakal mbantu nyuda keseragaman ketebalan NGF regional menyang skala µm2 lan/utawa malah nm2 (yaiku, variasi ketebalan sawetara nanometer). Kanggo ngontrol kekasaran permukaan substrat, cara kayata polishing elektrolitik saka foil nikel sing diasilake bisa dianggep48. Foil nikel pretreated banjur bisa anil ing suhu sing luwih murah (< 900 °C) 46 lan wektu (< 5 menit) kanggo nyegah pembentukan biji-bijian Ni (111) sing gedhe (sing migunani kanggo pertumbuhan FLG).
SLG lan FLG graphene ora bisa nahan tegangan permukaan asam lan banyu, mbutuhake lapisan dhukungan mekanik sajrone proses transfer kimia udan22,34,38. Ing kontras kanggo transfer kimia udan saka polymer-didhukung siji-lapisan graphene38, kita ketemu sing loro-lorone saka NGF minangka-thukul bisa ditransfer tanpa support polimer, minangka ditampilake ing Figure 2a (ndeleng Gambar SI4a kanggo rincian liyane). Transfer NGF menyang substrat diwenehi diwiwiti kanthi etsa udan saka film Ni30.49 sing ndasari. Sampel NGF / Ni / NGF sing wis ditanam dilebokake sewengi ing 15 mL HNO3 70% sing diencerke karo 600 ml banyu deionisasi (DI). Sawise Ni foil rampung dipun bibaraken, FS-NGF tetep warata lan floats ing lumahing Cairan, kaya sampel NGF / Ni / NGF, nalika BS-NGF kacemplungaken ing banyu (Fig. 2a, b). NGF sing diisolasi banjur ditransfer saka siji beaker sing isine banyu deionisasi seger menyang beaker liyane lan NGF sing diisolasi dicuci sak tenane, mbaleni kaping papat nganti enem liwat piring kaca cekung. Pungkasan, FS-NGF lan BS-NGF diselehake ing substrat sing dikarepake (Fig. 2c).
Proses transfer kimia basah bebas polimer kanggo NGF sing ditanam ing foil nikel: (a) Diagram alur proses (pirsani Gambar SI4 kanggo rincian liyane), (b) Foto digital NGF sing kapisah sawise etsa Ni (2 sampel), (c) Conto FS - lan transfer BS-NGF menyang substrat SiO2 / Si, (d) Transfer FS-NGF menyang substrat polimer opaque, (e) BS-NGF saka sampel sing padha karo panel d (dipérang dadi rong bagéan), ditransfer menyang kertas C sing dilapisi emas lan Nafion (substrat transparan fleksibel, pinggiran ditandhani karo sudhut abang).
Elinga yen transfer SLG sing ditindakake nggunakake metode transfer kimia udan mbutuhake wektu pangolahan total 20-24 jam 38 . Kanthi teknik transfer bebas polimer sing dituduhake ing kene (Gambar SI4a), wektu pangolahan transfer NGF sakabèhé suda (udakara 15 jam). Proses kasebut kalebu: (Langkah 1) Siapke solusi etsa lan lebokake sampel ing (~ 10 menit), banjur ngenteni sewengi kanggo etsa Ni (~ 7200 menit), (Langkah 2) Bilas nganggo banyu deionisasi (Langkah - 3) . simpen ing banyu deionisasi utawa transfer menyang substrat target (20 menit). Banyu sing kepepet ing antarane NGF lan matriks akeh dibuwang kanthi aksi kapiler (nggunakake kertas blotting)38, banjur tetesan banyu sing isih ana dibuang kanthi pangatusan alami (kira-kira 30 menit), lan pungkasane sampel dikeringake nganti 10 menit. min ing oven vakum (10–1 mbar) kanthi suhu 50–90 °C (60 menit) 38.
Grafit dikenal tahan anané banyu lan hawa ing suhu sing cukup dhuwur (≥ 200 °C)50,51,52. Kita nguji conto nggunakake spektroskopi Raman, SEM, lan XRD sawise disimpen ing banyu deionisasi ing suhu kamar lan ing botol sing disegel ing ngendi wae saka sawetara dina nganti setahun (Gambar SI4). Ora ana degradasi sing katon. Figure 2c nuduhake free-ngadeg FS-NGF lan BS-NGF ing banyu deionized. We dijupuk ing SiO2 (300 nm) / Si substrate, minangka ditampilake ing awal Figure 2c. Kajaba iku, kaya sing dituduhake ing Gambar 2d,e, NGF sing terus-terusan bisa ditransfer menyang macem-macem substrat kayata polimer (poliamida Thermabright saka Nexolve lan Nafion) lan kertas karbon sing dilapisi emas. FS-NGF ngambang gampang diselehake ing substrat target (Gambar 2c, d). Nanging, conto BS-NGF sing luwih gedhe tinimbang 3 cm2 angel ditangani nalika dicemplungake ing banyu. Biasane, nalika padha wiwit muter ing banyu, amarga ceroboh nangani kadhangkala pecah dadi loro utawa telung bagean (Fig. 2e). Sakabèhé, kita bisa entuk transfer tanpa polimer saka PS- lan BS-NGF (transfer lancar terus tanpa NGF / Ni / NGF wutah ing 6 cm2) kanggo conto nganti 6 lan 3 cm2 ing wilayah, mungguh. Sembarang potongan gedhe utawa cilik sing isih bisa (gampang katon ing larutan etsa utawa banyu deionisasi) ing substrat sing dikarepake (~ 1 mm2, Gambar SI4b, deleng sampel sing ditransfer menyang kothak tembaga kaya ing "FS-NGF: Struktur lan Properti (dibahas) ing "Struktur lan Properties") utawa nyimpen kanggo nggunakake mangsa (Figure SI4). Adhedhasar kritéria iki, kita ngira yen NGF bisa dibalekake kanthi ngasilake nganti 98-99% (sawise wutah kanggo transfer).
Sampel transfer tanpa polimer dianalisis kanthi rinci. Karakteristik morfologi permukaan sing dipikolehi ing FS- lan BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 2c) nggunakake mikroskop optik (OM) lan gambar SEM (Fig. SI5 lan Fig. 3) nuduhake yen sampel kasebut ditransfer tanpa mikroskop. Katon karusakan struktural kayata retak, bolongan, utawa unrolled area. Lipatan ing NGF sing akeh (Gbr. 3b, d, ditandhani karo panah ungu) tetep utuh sawise transfer. Loro-lorone FS- lan BS-NGFs dumadi saka wilayah FLG (wilayah padhang dituduhake dening panah biru ing Figure 3). Kaget, beda karo sawetara wilayah rusak sing biasane diamati sajrone transfer polimer film grafit ultrathin, sawetara wilayah FLG lan MLG ukuran mikron sing nyambung menyang NGF (ditandani panah biru ing Gambar 3d) ditransfer tanpa retak utawa rusak (Gambar 3d) . 3). . Integritas mekanik luwih dikonfirmasi nggunakake gambar TEM lan SEM saka NGF sing ditransfer menyang jaringan tembaga renda-karbon, kaya sing dirembug mengko ("FS-NGF: Struktur lan Properti"). BS-NGF/SiO2/Si sing ditransfer luwih kasar tinimbang FS-NGF/SiO2/Si kanthi nilai rms 140 nm lan 17 nm, kaya sing dituduhake ing Gambar SI6a lan b (20 × 20 μm2). Nilai RMS NGF sing ditransfer menyang substrat SiO2 / Si (RMS <2 nm) luwih murah (kira-kira kaping 3) tinimbang NGF sing ditanam ing Ni (Gambar SI2), nuduhake yen kekasaran tambahan bisa cocog karo permukaan Ni. Kajaba iku, gambar AFM ditindakake ing pinggir sampel FS- lan BS-NGF / SiO2 / Si nuduhake ketebalan NGF 100 lan 80 nm (Fig. SI7). Kekandelan BS-NGF sing luwih cilik bisa uga amarga permukaan sing ora langsung kena gas prekursor.
Ditransfer NGF (NiAG) tanpa polimer ing SiO2 / Si wafer (pirsani Figure 2c): (a, b) gambar SEM saka ditransfer FS-NGF: magnification kurang lan dhuwur (cocog karo kothak oranye ing panel). Area khas) - a). (c, d) Gambar SEM saka BS-NGF sing ditransfer: perbesaran rendah lan dhuwur (cocog karo area khas sing dituduhake dening kothak oranye ing panel c). (e, f) gambar AFM saka ditransfer FS- lan BS-NGFs. Panah biru nggambarake wilayah FLG - kontras padhang, panah cyan - kontras MLG ireng, panah abang - kontras ireng nggambarake wilayah NGF, panah magenta nggambarake lipatan.
Komposisi kimia saka FS- lan BS-NGF sing ditanam lan ditransfer dianalisis kanthi spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Fig. 4). Puncak lemah diamati ing spektrum sing diukur (Fig. 4a, b), sing cocog karo substrat Ni (850 eV) saka FS- lan BS-NGFs (NiAG). Ora ana puncak ing spektrum sing diukur saka transfer FS- lan BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 4c; asil sing padha kanggo BS-NGF / SiO2 / Si ora ditampilake), nuduhake yen ora ana sisa kontaminasi Ni sawise transfer . Tokoh 4d-f nuduhake spektrum resolusi dhuwur saka tingkat energi C 1 s, O 1 s lan Si 2p saka FS-NGF / SiO2 / Si. Energi ikatan C 1 s grafit yaiku 284,4 eV53,54. Wangun linier puncak grafit umume dianggep asimetris, kaya sing dituduhake ing Gambar 4d54. Spektrum C 1 s tingkat inti resolusi dhuwur (Gambar 4d) uga dikonfirmasi transfer murni (yaiku, ora ana residu polimer), sing konsisten karo studi sadurunge38. Linewidths saka spektrum C 1 s saka sampel anyar thukul (NiAG) lan sawise transfer 0,55 lan 0,62 eV, mungguh. Nilai kasebut luwih dhuwur tinimbang SLG (0.49 eV kanggo SLG ing substrat SiO2)38. Nanging, nilai kasebut luwih cilik tinimbang garis lebar sing dilaporake sadurunge kanggo conto graphene pirolitik sing berorientasi banget (~0.75 eV)53,54,55, nuduhake ora ana situs karbon sing rusak ing materi saiki. Spektrum tingkat lemah C 1 s lan O 1 s uga ora duwe pundhak, ngilangi kabutuhan dekonvolusi puncak resolusi dhuwur54. Ana puncak satelit π → π* watara 291,1 eV, sing asring diamati ing conto grafit. Sinyal 103 eV lan 532.5 eV ing spektrum tingkat inti Si 2p lan O 1 s (pirsani Fig. 4e, f) digandhengake karo substrat SiO2 56. XPS minangka teknik sensitif permukaan, saéngga sinyal sing cocog karo Ni lan SiO2 sing dideteksi sadurunge lan sawise transfer NGF, dianggep asale saka wilayah FLG. Asil sing padha diamati kanggo conto BS-NGF sing ditransfer (ora ditampilake).
Hasil NiAG XPS: (ac) Spektrum survey saka komposisi atom unsur beda thukul FS-NGF / Ni, BS-NGF / Ni lan ditransfer FS-NGF / SiO2 / Si, mungguh. (d-f) Spektrum resolusi dhuwur saka tingkat inti C 1 s, O 1s lan Si 2p saka sampel FS-NGF / SiO2 / Si.
Kualitas sakabèhé saka kristal NGF sing ditransfer ditaksir nggunakake difraksi sinar-X (XRD). Pola XRD khas (Fig. SI8) saka FS- lan BS-NGF / SiO2 / Si sing ditransfer nuduhake anané puncak difraksi (0 0 0 2) lan (0 0 0 4) ing 26,6 ° lan 54,7 °, padha karo grafit. . Iki negesake kualitas kristal NGF sing dhuwur lan cocog karo jarak interlayer d = 0,335 nm, sing dijaga sawise langkah transfer. Intensitas puncak difraksi (0 0 0 2) kira-kira 30 kaping saka puncak difraksi (0 0 0 4), nuduhake yen bidang kristal NGF wis sejajar karo permukaan sampel.
Miturut asil SEM, spektroskopi Raman, XPS lan XRD, kualitas BS-NGF / Ni ditemokake padha karo FS-NGF / Ni, sanajan kekasaran rms rada luwih dhuwur (Gambar SI2, SI5). lan SI7).
SLG kanthi lapisan dhukungan polimer nganti ketebalan 200 nm bisa ngambang ing banyu. Persiyapan iki umume digunakake ing proses transfer kimia udan sing dibantu polimer22,38. Graphene lan grafit iku hidrofobik (sudut udan 80–90°) 57 . Permukaan energi potensial saka graphene lan FLG wis kacarita cukup rata, kanthi energi potensial kurang (~1 kJ/mol) kanggo gerakan lateral banyu ing permukaan58. Nanging, energi interaksi banyu sing diitung karo graphene lan telung lapisan graphene kira-kira -13 lan -15 kJ / mol, 58, nuduhake yen interaksi banyu karo NGF (udakara 300 lapisan) luwih murah tinimbang graphene. Iki bisa uga salah siji saka alesan ngapa NGF freestanding tetep warata ing lumahing banyu, nalika freestanding graphene (kang ngambang ing banyu) curls munggah lan rusak mudhun. Nalika NGF wis rampung nyemplungaken ing banyu (asil padha kanggo atos lan flat NGF), sawijining sudhut mlengkung (Figure SI4). Ing kasus kecemplung lengkap, samesthine energi interaksi NGF-banyu meh tikel kaping pindho (dibandhingake karo NGF ngambang) lan pinggiran lipatan NGF kanggo njaga sudut kontak sing dhuwur (hydrophobicity). Kita pitados bilih strategi bisa dikembangaké kanggo ngindhari curling saka sudhut NGFs ditempelake. Salah sawijining pendekatan yaiku nggunakake pelarut campuran kanggo ngowahi reaksi wetting film grafit59.
Transfer SLG menyang macem-macem jinis substrat liwat proses transfer kimia udan wis dilaporake sadurunge. Umumé ditampa manawa gaya van der Waals sing lemah ana ing antarane film graphene / grafit lan substrat (dadi substrat kaku kayata SiO2 / Si38,41,46,60, SiC38, Au42, pilar Si22 lan film karbon lacy30, 34 utawa substrat fleksibel. kayata polimida 37). Ing kene kita nganggep yen interaksi saka jinis sing padha predominate. Kita ora mirsani karusakan utawa peeling NGF kanggo samubarang substrat presented kene sak penanganan mechanical (sajrone karakterisasi ing vakum lan / utawa kahanan atmosfer utawa sak panyimpenan) (contone, Figure 2, SI7 lan SI9). Kajaba iku, kita ora mirsani puncak SiC ing XPS C 1 s spektrum tingkat inti saka sampel NGF / SiO2 / Si (Fig. 4). Asil kasebut nuduhake yen ora ana ikatan kimia antarane NGF lan substrat target.
Ing bagean sadurunge, "Transfer polimer-free saka FS- lan BS-NGF,"Kita tontonan sing NGF bisa tuwuh lan transfer ing loro-lorone saka foil nikel. Iki FS-NGFs lan BS-NGFs ora podho rupo ing syarat-syarat roughness lumahing, kang dijaluk kita njelajah aplikasi paling cocok kanggo saben jinis.
Ngelingi transparansi lan permukaan sing luwih alus saka FS-NGF, kita sinau struktur lokal, sifat optik lan listrik kanthi luwih rinci. Struktur lan struktur FS-NGF tanpa transfer polimer ditondoi kanthi pencitraan mikroskop elektron transmisi (TEM) lan analisis pola difraksi elektron area sing dipilih (SAED). Asil cocog ditampilake ing Figure 5. Low magnification planar TEM imaging dicethakaké anané NGF lan FLG wilayah karo ciri kontras elektron beda, IE wilayah rodo peteng lan padhang, mungguh (Fig. 5a). Film sakabèhé nuduhaké integritas lan stabilitas mekanik sing apik ing antarane wilayah NGF lan FLG sing beda-beda, kanthi tumpang tindih sing apik lan ora ana karusakan utawa nyuwek, sing uga dikonfirmasi dening SEM (Gambar 3) lan studi TEM perbesaran dhuwur (Gambar 5c-e). Utamane, ing Figure 5d nuduhake struktur jembatan ing bagean paling gedhe (posisi ditandhani dening panah burik ireng ing Figure 5d), kang ditondoi dening wangun segi telu lan kasusun saka lapisan graphene karo jembaré watara 51 . Komposisi kanthi jarak antarplanar 0,33 ± 0,01 nm luwih dikurangi dadi sawetara lapisan graphene ing wilayah sing paling sempit (pungkasan panah ireng padhet ing Gambar 5 d).
Gambar TEM planar saka sampel NiAG tanpa polimer ing kothak tembaga lacy karbon: (a, b) Gambar TEM perbesaran rendah kalebu wilayah NGF lan FLG, (ce) Gambar pembesaran dhuwur saka macem-macem wilayah ing panel-a lan panel-b yaiku ditandhani panah saka werna padha. Panah ijo ing panel a lan c nuduhake area bunder sing rusak nalika keselarasan balok. (f-i) Ing panel a nganti c, pola SAED ing macem-macem wilayah dituduhake kanthi bunder biru, cyan, oranye, lan abang.
Struktur pita ing Gambar 5c nuduhake (ditandhani panah abang) orientasi vertikal saka bidang kisi grafit, sing bisa uga amarga pembentukan nanofolds ing sadawane film (inset ing Gambar 5c) amarga keluwihan tegangan geser sing ora dikompensasi30,61,62 . Ing TEM resolusi dhuwur, nanofolds 30 iki nampilake orientasi kristalografi sing beda tinimbang wilayah NGF liyane; bidang basal kisi grafit oriented meh vertikal, tinimbang horisontal kaya film liyane (inset ing Figure 5c). Kajaba iku, wilayah FLG sok-sok nampilake lipatan kaya pita linear lan sempit (ditandhani panah biru), sing katon ing perbesaran rendah lan medium ing Gambar 5b, 5e. Inset ing Figure 5e negesake anané lapisan graphene loro lan telung lapisan ing sektor FLG (jarak antarplanar 0.33 ± 0.01 nm), sing cocog karo asil sadurunge30. Kajaba iku, gambar SEM sing direkam saka NGF bebas polimer sing ditransfer menyang kothak tembaga kanthi film karbon lacy (sawise nindakake pangukuran TEM ndhuwur-view) ditampilake ing Gambar SI9. Wilayah FLG sing digantung kanthi apik (ditandani panah biru) lan wilayah sing rusak ing Gambar SI9f. Panah biru (ing pojok NGF sing ditransfer) sengaja ditampilake kanggo nduduhake yen wilayah FLG bisa nolak proses transfer tanpa polimer. Ringkesan, gambar kasebut ngonfirmasi manawa NGF sing digantung sebagian (kalebu wilayah FLG) njaga integritas mekanis sanajan sawise penanganan sing ketat lan paparan vakum dhuwur sajrone pangukuran TEM lan SEM (Gambar SI9).
Amarga flatness banget NGF (pirsani Figure 5a), ora angel Orient flakes ing sadawane sumbu domain [0001] kanggo nganalisa struktur SAED. Gumantung ing kekandelan lokal film lan lokasi, sawetara wilayah kapentingan (12 TCTerms) diidentifikasi kanggo studi difraksi elektron. Ing Gambar 5a-c, papat wilayah khas kasebut ditampilake lan ditandhani karo bunderan warna (biru, cyan, oranye, lan abang). Gambar 2 lan 3 kanggo mode SAED. Tokoh 5f lan g dipikolehi saka wilayah FLG sing ditampilake ing Gambar 5 lan 5. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5b lan c. Dheweke duwe struktur heksagonal sing padha karo graphene63 bengkong. Ing tartamtu, Figure 5f nuduhake telung pola superimposed karo orientasi padha [0001] zona sumbu, diputer dening 10 ° lan 20 °, minangka bukti dening mismatch sudut saka telung pasangan saka (10-10) bayangan. Kajaba iku, Figure 5g nuduhake rong pola heksagonal superimposed sing diputer kanthi 20 °. Loro utawa telung klompok pola heksagonal ing wilayah FLG bisa muncul saka telung lapisan graphene ing bidang utawa metu saka bidang 33 sing diputer relatif marang saben liyane. Ing kontras, pola difraksi elektron ing Figure 5h,i (cocog karo wilayah NGF ditampilake ing Figure 5a) nuduhake pola [0001] siji kanthi intensitas difraksi titik sing luwih dhuwur sakabèhé, cocog karo kekandelan materi sing luwih gedhe. Model-model SAED iki cocog karo struktur grafit sing luwih kenthel lan orientasi penengah tinimbang FLG, kaya sing disimpulake saka indeks 64. Karakterisasi sifat kristal NGF ngungkapake koeksistensi loro utawa telung kristal grafit (utawa graphene) sing ditumpangake. Sing penting banget ing wilayah FLG yaiku kristal duwe tingkat misorientasi ing pesawat utawa metu saka pesawat. Partikel / lapisan grafit kanthi sudut rotasi ing bidang 17 °, 22 ° lan 25 ° sadurunge wis dilaporake kanggo NGF sing ditanam ing film Ni 64. Nilai sudut rotasi sing diamati ing panliten iki cocog karo sudut rotasi sing diamati sadurunge (± 1°) kanggo graphene BLG63 bengkong.
Sifat listrik NGF / SiO2 / Si diukur ing 300 K ing area 10 × 3 mm2. Nilai konsentrasi, mobilitas lan konduktivitas pembawa elektron yaiku 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 lan 2000 S-cm-1, masing-masing. Nilai mobilitas lan konduktivitas NGF kita padha karo grafit alam2 lan luwih dhuwur tinimbang grafit pirolitik berorientasi komersial sing kasedhiya (diprodhuksi ing 3000 °C)29. Nilai konsentrasi pembawa elektron sing diamati yaiku rong urutan magnitudo sing luwih dhuwur tinimbang sing dilapurake (7,25 × 10 cm-3) kanggo film grafit tebal mikron sing disiapake nggunakake lembaran polimida suhu dhuwur (3200 °C) 20 .
Kita uga nindakake pangukuran transmitansi sing katon UV ing FS-NGF sing ditransfer menyang substrat kuarsa (Gambar 6). Spektrum sing diasilake nuduhake transmisi meh konstan 62% ing kisaran 350-800 nm, nuduhake yen NGF tembus kanggo cahya sing katon. Nyatane, jeneng "KAUST" bisa dideleng ing foto digital saka sampel ing Gambar 6b. Sanajan struktur nanocrystalline NGF beda karo SLG, jumlah lapisan bisa kira-kira kanthi nggunakake aturan 2,3% mundhut transmisi saben lapisan tambahan65. Miturut hubungan iki, jumlah lapisan graphene kanthi mundhut transmisi 38% yaiku 21. NGF sing ditanam utamane dumadi saka 300 lapisan graphene, yaiku kira-kira 100 nm nglukis (Gambar 1, SI5 lan SI7). Mulane, kita nganggep transparan optik sing diamati cocog karo wilayah FLG lan MLG, amarga disebarake ing saindhenging film (Fig. 1, 3, 5 lan 6c). Saliyane data struktural ing ndhuwur, konduktivitas lan transparansi uga ngonfirmasi kualitas kristal sing dhuwur saka NGF sing ditransfer.
(a) Pangukuran transmitansi sing katon UV, (b) transfer NGF khas ing kuarsa nggunakake sampel sing perwakilan. (c) Skema NGF (kothak peteng) kanthi wilayah FLG lan MLG sing disebarake merata ditandhani minangka wangun acak abu-abu ing saindhenging sampel (pirsani Gambar 1) (kira-kira 0.1-3% area saben 100 μm2). Wangun acak lan ukuran ing diagram mung kanggo ilustrasi lan ora cocog karo wilayah nyata.
NGF Translucent sing ditanam dening CVD sadurunge wis ditransfer menyang permukaan silikon gundhul lan digunakake ing sel surya15,16. Efisiensi konversi daya (PCE) sing diasilake yaiku 1,5%. NGF iki nindakake pirang-pirang fungsi kayata lapisan senyawa aktif, jalur transportasi muatan, lan elektroda transparan15,16. Nanging, film grafit ora seragam. Optimasi luwih perlu kanthi ngontrol resistensi lembaran lan transmisi optik elektroda grafit kanthi ati-ati, amarga loro sifat kasebut nduweni peran penting kanggo nemtokake nilai PCE sel surya15,16. Biasane, film graphene 97,7% transparan kanggo cahya sing katon, nanging nduweni resistensi lembaran 200–3000 ohm/sq.16. Rintangan lumahing film graphene bisa dikurangi kanthi nambah jumlah lapisan (transfer pirang-pirang lapisan graphene) lan doping karo HNO3 (~ 30 Ohm/sq.)66. Nanging, proses iki mbutuhake wektu sing suwe lan lapisan transfer sing beda ora tansah njaga kontak sing apik. NGF sisih ngarep kita nduweni sifat kayata konduktivitas 2000 S/cm, tahan lembaran film 50 ohm/sq. lan 62% transparan, dadi alternatif sregep kanggo saluran konduktif utawa counter elektrods ing solar cells15,16.
Senajan struktur lan kimia lumahing BS-NGF padha FS-NGF, roughness beda ("Wutah saka FS- lan BS-NGF"). Sadurunge, kita nggunakake film ultra-tipis graphite22 minangka sensor gas. Mulane, kita nguji kelayakan nggunakake BS-NGF kanggo tugas sensing gas (Gambar SI10). Pisanan, bagean BS-NGF ukuran mm2 ditransfer menyang chip sensor elektroda interdigitating (Gambar SI10a-c). Rincian manufaktur chip kasebut sadurunge dilaporake; area sensitif aktif iku 9 mm267. Ing gambar SEM (Gambar SI10b lan c), elektroda emas ndasari katon cetha liwat NGF. Maneh, bisa dideleng manawa jangkoan chip seragam wis diraih kanggo kabeh conto. Pangukuran sensor gas saka macem-macem gas direkam (Fig. SI10d) (Fig. SI11) lan tingkat respon asil ditampilake ing Fig. SI10g. Bisa uga karo gas interfering liyane kalebu SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) lan NH3 (200 ppm). Salah sawijining sabab bisa yaiku NO2. sifat elektrofilik saka gas22,68. Nalika adsorbed ing lumahing graphene, iku nyuda panyerepan elektron saiki dening sistem. Perbandingan data wektu nanggepi sensor BS-NGF karo sensor sing diterbitake sadurunge ditampilake ing Tabel SI2. Mekanisme kanggo ngaktifake maneh sensor NGF kanthi nggunakake plasma UV, plasma O3 utawa perawatan termal (50-150 ° C) saka conto sing katon ditindakake, saenipun diterusake kanthi implementasi sistem sing dipasang69.
Sajrone proses CVD, wutah graphene dumadi ing loro-lorone substrat katalis41. Nanging, BS-graphene biasane dibuwang sajrone proses transfer41. Ing panliten iki, kita nduduhake yen wutah NGF sing berkualitas tinggi lan transfer NGF bebas polimer bisa digayuh ing loro-lorone dhukungan katalis. BS-NGF luwih tipis (~ 80 nm) saka FS-NGF (~ 100 nm), lan prabédan iki diterangake dening kasunyatan sing BS-Ni ora langsung kapapar aliran gas prekursor. Kita uga nemokake manawa kekasaran substrat NiAR mengaruhi kekasaran NGF. Asil kasebut nuduhake yen planar FS-NGF sing ditanam bisa digunakake minangka bahan prekursor kanggo graphene (kanthi metode exfoliation70) utawa minangka saluran konduktif ing sel surya15,16. Ing kontras, BS-NGF bakal digunakake kanggo deteksi gas (Fig. SI9) lan bisa kanggo sistem panyimpenan energi71,72 ngendi roughness lumahing sawijining bakal migunani.
Ngelingi ing ndhuwur, migunani kanggo gabungke karya saiki karo film grafit sing wis diterbitake sadurunge ditanam dening CVD lan nggunakake foil nikel. Kaya sing bisa dideleng ing Tabel 2, tekanan sing luwih dhuwur sing digunakake kanggo nyepetake wektu reaksi (tahap pertumbuhan) sanajan ing suhu sing relatif kurang (ing kisaran 850-1300 °C). Kita uga ngrambah wutah luwih saka biasanipun, nuduhake potensial kanggo expansion. Ana faktor liyane sing kudu ditimbang, sawetara sing kalebu ing tabel kasebut.
NGF kualitas dhuwur kaping pindho ditanam ing foil nikel kanthi CVD katalitik. Kanthi ngilangi substrat polimer tradisional (kayata sing digunakake ing graphene CVD), kita entuk transfer udan NGF sing resik lan tanpa cacat (tuwuh ing sisih mburi lan ngarep foil nikel) menyang macem-macem substrat proses kritis. Utamane, NGF kalebu wilayah FLG lan MLG (biasane 0,1% nganti 3% saben 100 µm2) sing kanthi struktur terintegrasi kanthi apik ing film sing luwih kandel. Planar TEM nuduhake yen wilayah kasebut dumadi saka tumpukan loro nganti telung partikel grafit / graphene (masing-masing kristal utawa lapisan), sawetara sing ora cocog karo rotasi 10-20 °. Wilayah FLG lan MLG tanggung jawab kanggo transparansi FS-NGF menyang cahya sing katon. Minangka kanggo sheets mburi, padha bisa digawa podo karo sheets ngarep lan, minangka ditampilake, bisa duwe tujuan fungsi (contone, kanggo deteksi gas). Panaliten kasebut migunani banget kanggo nyuda sampah lan biaya ing proses CVD skala industri.
Umumé, kekandelan rata-rata CVD NGF dumunung ing antarane (low- lan multi-layer) graphene lan industri (mikrometer) lembaran grafit. Kisaran sifat sing menarik, digabungake karo cara sing gampang sing wis dikembangake kanggo produksi lan transportasi, nggawe film kasebut cocog kanggo aplikasi sing mbutuhake respon fungsional grafit, tanpa biaya proses produksi industri intensif energi sing saiki digunakake.
Foil nikel setebal 25 μm (kemurnian 99,5%, Goodfellow) dipasang ing reaktor CVD komersial (Aixtron 4-inch BMPro). Sistem kasebut diresiki nganggo argon lan dievakuasi menyang tekanan dhasar 10-3 mbar. Banjur foil nikel diselehake. ing Ar / H2 (Sawise pre-annealing foil Ni kanggo 5 min, foil kapapar tekanan 500 mbar ing 900 ° C. NGF setor ing aliran CH4 / H2 (100 cm3 saben) kanggo 5 min. Sampel banjur digawe adhem nganti suhu ngisor 700 °C nggunakake aliran Ar (4000 cm3) ing 40 °C / min.
Morfologi permukaan sampel divisualisasikan dengan SEM menggunakan mikroskop Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Kekasaran permukaan sampel lan kekandelan NGF diukur nggunakake AFM (Dimensi Ikon SPM, Bruker). Pangukuran TEM lan SAED ditindakake nggunakake mikroskop kubus FEI Titan 80-300 sing dilengkapi bedhil emisi medan padhang dhuwur (300 kV), monochromator tipe FEI Wien lan korektor aberasi bola lensa CEOS kanggo entuk asil pungkasan. résolusi spasial 0,09 nm. Sampel NGF ditransfer menyang kothak tembaga sing dilapisi karbon kanggo pencitraan TEM datar lan analisis struktur SAED. Mangkono, sebagian besar flocs sampel digantung ing pori-pori membran pendukung. Sampel NGF sing ditransfer dianalisis dening XRD. Pola difraksi sinar-X dipikolehi nggunakake difraktometer bubuk (Brucker, D2 phase shifter kanthi sumber Cu Kα, 1,5418 Å lan detektor LYNXEYE) nggunakake sumber radiasi Cu kanthi diameter titik sinar 3 mm.
Sawetara pangukuran titik Raman dicathet nggunakake mikroskop confocal integrasi (Alpha 300 RA, WITeC). Laser 532 nm kanthi daya eksitasi kurang (25%) digunakake kanggo ngindhari efek termal. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) ditindakake ing spektrometer Kratos Axis Ultra ing area sampel 300 × 700 μm2 nggunakake radiasi Al Kα monokromatik (hν = 1486.6 eV) kanthi daya 150 W. Spektrum resolusi dipikolehi ing energi transmisi 160 eV lan 20 eV, mungguh. Sampel NGF sing ditransfer menyang SiO2 dipotong dadi potongan (masing-masing 3 × 10 mm2) nggunakake laser serat ytterbium PLS6MW (1.06 μm) ing 30 W. Kontak kabel tembaga (50 μm tebal) digawe nggunakake tempel perak ing mikroskop optik. Eksperimen transportasi listrik lan efek Hall ditindakake ing conto kasebut ing 300 K lan variasi medan magnet ± 9 Tesla ing sistem pangukuran sifat fisik (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Spektrum UV-vis sing ditularake direkam nggunakake spektrofotometer UV-vis Lambda 950 ing kisaran NGF 350-800 nm sing ditransfer menyang substrat kuarsa lan conto referensi kuarsa.
Sensor resistensi kimia (chip elektroda interdigitated) disambungake menyang papan sirkuit cetak khusus 73 lan resistensi kasebut diekstrak kanthi transiently. Papan sirkuit cetak ing endi piranti kasebut disambungake menyang terminal kontak lan diselehake ing njero ruangan sensor gas 74. Pangukuran resistensi ditindakake kanthi voltase 1 V kanthi pindaian terus-terusan saka purge nganti eksposur gas banjur purge maneh. Kamar kasebut wiwitane diresiki kanthi ngresiki nitrogen ing 200 cm3 suwene 1 jam kanggo mesthekake mbusak kabeh analit liyane sing ana ing kamar, kalebu kelembapan. Analit individu banjur diluncurake alon-alon menyang kamar kanthi tingkat aliran sing padha 200 cm3 kanthi nutup silinder N2.
Versi revisi artikel iki wis diterbitake lan bisa diakses liwat link ing ndhuwur artikel.
Inagaki, M. and Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Edisi kapindho diowahi. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes: Properties, Processing and Applications. Edisi pisanan wis diowahi. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Film graphene/grafit multilayer area gedhe minangka elektroda konduktif tipis transparan. aplikasi. fisika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Sifat termal saka graphene lan bahan karbon berstruktur nano. Nat. Mat. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW lan Cahill DG Konduktivitas termal film grafit sing ditanam ing Ni (111) kanthi deposisi uap kimia suhu rendah. adverbia. Mat. Antarmuka 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Wutah terus-terusan film graphene kanthi deposisi uap kimia. aplikasi. fisika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Wektu kirim: Aug-23-2024