Ni मा एक पारदर्शी ग्रेफाइट फिल्म बढ्दै र यसको दुई-तर्फी बहुलक-मुक्त स्थानान्तरण

Nature.com भ्रमण गर्नुभएकोमा धन्यवाद। तपाईंले प्रयोग गरिरहनुभएको ब्राउजरको संस्करणमा सीमित CSS समर्थन छ। उत्कृष्ट नतिजाहरूको लागि, हामी तपाईंलाई आफ्नो ब्राउजरको नयाँ संस्करण प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड असक्षम गर्नुहोस्)। यस बीचमा, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, हामी स्टाइल वा JavaScript बिना साइट प्रदर्शन गर्दैछौं।
नानोस्केल ग्रेफाइट फिल्महरू (एनजीएफहरू) उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प निक्षेप द्वारा उत्पादन गर्न सकिने बलियो न्यानोमटेरियलहरू हुन्, तर तिनीहरूको स्थानान्तरणको सहजता र कसरी सतह आकारविज्ञानले अर्को पुस्ताका यन्त्रहरूमा तिनीहरूको प्रयोगलाई असर गर्छ भन्ने प्रश्नहरू बाँकी छन्। यहाँ हामी पोलीक्रिस्टलाइन निकल पन्नी (क्षेत्र 55 सेमी2, मोटाई लगभग 100 एनएम) र यसको पोलिमर-रहित स्थानान्तरण (अगाडि र पछाडि, 6 सेमी 2 सम्मको क्षेत्र) को दुबै छेउमा NGF को वृद्धि रिपोर्ट गर्छौं। उत्प्रेरक पन्नीको आकारविज्ञानको कारणले गर्दा, दुई कार्बन फिल्महरू तिनीहरूको भौतिक गुणहरू र अन्य विशेषताहरूमा भिन्न हुन्छन् (जस्तै सतहको नरमपन)। हामी देखाउँछौं कि रउर ब्याकसाइड भएका एनजीएफहरू NO2 पत्ता लगाउनका लागि राम्रोसँग उपयुक्त छन्, जबकि अगाडिको छेउमा चिल्लो र बढी प्रवाहकीय NGF हरू (2000 S/cm, पाना प्रतिरोध - 50 ohms/m2) व्यवहार्य कन्डक्टरहरू हुन सक्छन्। सौर्य सेलको च्यानल वा इलेक्ट्रोड (यसले दृश्य प्रकाशको 62% प्रसारण गर्दछ)। समग्रमा, वर्णित वृद्धि र यातायात प्रक्रियाहरूले NGF लाई प्राविधिक अनुप्रयोगहरूको लागि वैकल्पिक कार्बन सामग्रीको रूपमा महसुस गर्न मद्दत गर्न सक्छ जहाँ ग्राफिन र माइक्रोन-बाक्लो ग्रेफाइट फिल्महरू उपयुक्त छैनन्।
ग्रेफाइट एक व्यापक रूपमा प्रयोग हुने औद्योगिक सामग्री हो। उल्लेखनीय रूपमा, ग्रेफाइटमा अपेक्षाकृत कम जनघनत्व र उच्च इन-प्लेन थर्मल र बिजुली चालकताको गुणहरू छन्, र कठोर थर्मल र रासायनिक वातावरणमा धेरै स्थिर छ 1,2। फ्लेक ग्रेफाइट ग्राफिन अनुसन्धानको लागि एक प्रसिद्ध सुरु सामग्री हो। पातलो फिल्महरूमा प्रशोधन गर्दा, यो स्मार्टफोनहरू 4,5,6,7 जस्ता इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूका लागि ताप सिङ्कहरू सहित, सेन्सरहरू8,9,10 मा सक्रिय सामग्रीको रूपमा र इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक हस्तक्षेप सुरक्षा ११ लगायतका अनुप्रयोगहरूको विस्तृत दायरामा प्रयोग गर्न सकिन्छ। 12 र चरम पराबैंगनीमा लिथोग्राफीका लागि फिल्महरू 13,14, सौर्य कक्षहरूमा च्यानलहरू सञ्चालन गर्दै15,16। यी सबै अनुप्रयोगहरूको लागि, यो महत्त्वपूर्ण फाइदा हुनेछ यदि नानोस्केल <100 एनएममा नियन्त्रित मोटाईका साथ ग्रेफाइट फिल्महरू (NGFs) को ठूलो क्षेत्रहरू सजिलै उत्पादन र ढुवानी गर्न सकिन्छ।
ग्रेफाइट फिल्महरू विभिन्न विधिहरूद्वारा उत्पादन गरिन्छ। एउटा केसमा, इम्बेडिङ र एक्सफोलिएसन पछि विस्तार गरी ग्राफिन फ्लेक्स १०,११,१७ उत्पादन गर्न प्रयोग गरियो। फ्लेक्सहरूलाई आवश्यक मोटाईको फिल्महरूमा थप प्रशोधन गर्नुपर्छ, र यसले प्रायः घना ग्रेफाइट पानाहरू उत्पादन गर्न धेरै दिनहरू लिन्छ। अर्को दृष्टिकोण ग्राफिटेबल ठोस पूर्ववर्तीहरूसँग सुरु गर्नु हो। उद्योगमा, पोलिमरका पानाहरूलाई कार्बनाइज (1000-1500 °C मा) र त्यसपछि राम्रो-संरचित स्तरित सामग्रीहरू बनाउनको लागि (2800-3200 °C मा) ग्राफिटाइज गरिएको छ। यद्यपि यी चलचित्रहरूको गुणस्तर उच्च छ, ऊर्जा खपत महत्त्वपूर्ण छ 1,18,19 र न्यूनतम मोटाई केही माइक्रोन 1,18,19,20 मा सीमित छ।
उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD) उच्च संरचनात्मक गुणस्तर र उचित लागत २१,२२,२३,२४,२५,२६,२७ भएको ग्राफिन र अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्महरू (<10 एनएम) उत्पादन गर्नको लागि एक प्रसिद्ध विधि हो। यद्यपि, ग्राफिन र अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्महरूको वृद्धिको तुलनामा, ठूलो-क्षेत्रको वृद्धि र/वा CVD प्रयोग गरेर NGF को प्रयोग पनि कम अन्वेषण गरिएको छ 11,13,29,30,31,32,33।
CVD-उत्पन्न ग्रेफिन र ग्रेफाइट फिल्महरू प्रायः कार्यात्मक सब्सट्रेटहरूमा स्थानान्तरण गर्न आवश्यक छ। यी पातलो फिल्म स्थानान्तरणहरूमा दुई मुख्य विधिहरू समावेश छन्35: (1) गैर-एच स्थानान्तरण 36,37 र (2) ईच-आधारित भिजेको रासायनिक स्थानान्तरण (सब्सट्रेट समर्थित) 14,34,38। प्रत्येक विधिमा केही फाइदा र बेफाइदाहरू छन् र अन्यत्र वर्णन गरिए अनुसार, इच्छित अनुप्रयोगको आधारमा चयन गरिनुपर्छ। उत्प्रेरक सब्सट्रेटहरूमा हुर्किएका ग्राफिन/ग्रेफाइट फिल्महरूका लागि, भिजेको रासायनिक प्रक्रियाहरू मार्फत स्थानान्तरण (जसमध्ये पोलिमिथाइल मेथाक्रिलेट (PMMA) सबैभन्दा बढी प्रयोग हुने सपोर्ट लेयर हो) पहिलो छनोट १३,३०,३४,३८,४०,४१,४२ रहन्छ। तपाईं र अन्य। यो उल्लेख गरिएको थियो कि NGF स्थानान्तरणको लागि कुनै पोलिमर प्रयोग गरिएको थिएन (नमूना आकार लगभग 4 cm2) 25,43, तर नमूना स्थिरता र/वा स्थानान्तरणको समयमा ह्यान्डलिंगको बारेमा कुनै विवरण प्रदान गरिएको थिएन; पोलिमरहरू प्रयोग गरेर गीला रसायन प्रक्रियाहरू धेरै चरणहरू समावेश गर्दछ, जसमा आवेदन र बलिदान बहुलक तह 30,38,40,41,42 को पछि हटाउने सहित। यस प्रक्रियामा बेफाइदाहरू छन्: उदाहरणका लागि, बहुलक अवशेषहरूले बढेको फिल्मको गुणहरू परिवर्तन गर्न सक्छ। अतिरिक्त प्रशोधनले अवशिष्ट बहुलक हटाउन सक्छ, तर यी अतिरिक्त चरणहरूले फिल्म निर्माणको लागत र समय बढाउँछ 38,40। CVD बृद्धिको क्रममा, ग्राफिनको तह उत्प्रेरक पन्नीको अगाडिको भागमा मात्र नभई यसको पछाडिको भागमा पनि जम्मा हुन्छ। यद्यपि, पछिल्लोलाई फोहोर उत्पादन मानिन्छ र नरम प्लाज्मा ३८,४१ द्वारा चाँडै हटाउन सकिन्छ। फेस कार्बन फिल्म भन्दा कम गुणस्तरको भए तापनि यस फिल्मलाई पुन: प्रयोग गर्नाले अधिकतम उत्पादनमा मद्दत गर्न सक्छ।
यहाँ, हामी CVD द्वारा पोलीक्रिस्टलाइन निकल पन्नीमा उच्च संरचनात्मक गुणस्तरको साथ NGF को वेफर-स्केल बाइफेसियल वृद्धिको तयारी रिपोर्ट गर्छौं। पन्नीको अगाडि र पछाडिको सतहको नरमपनले एनजीएफको आकारविज्ञान र संरचनालाई कसरी असर गर्छ भनेर मूल्याङ्कन गरिएको थियो। हामी निकेल पन्नीको दुबै छेउबाट बहु-कार्यात्मक सब्सट्रेटहरूमा NGF को लागत-प्रभावी र वातावरणमैत्री पोलिमर-रहित स्थानान्तरण पनि प्रदर्शन गर्छौं र अगाडि र पछाडि फिल्महरू विभिन्न अनुप्रयोगहरूको लागि कसरी उपयुक्त छन् भनेर देखाउँछौं।
निम्न खण्डहरूले स्ट्याक गरिएको ग्राफिन तहहरूको संख्यामा निर्भर गर्दै विभिन्न ग्रेफाइट फिल्म मोटाईहरू छलफल गर्दछ: (i) एकल तह graphene (SLG, 1 तह), (ii) केही तह graphene (FLG, <10 तह), (iii) बहु-तह graphene ( MLG, 10-30 तह) र (iv) NGF (~300 तह)। पछिल्लो क्षेत्रको प्रतिशतको रूपमा व्यक्त गरिएको सबैभन्दा सामान्य मोटाई हो (लगभग 97% क्षेत्र प्रति 100 µm2) 30। त्यसैले पूरै फिल्मलाई एनजीएफ भनिन्छ।
ग्रेफिन र ग्रेफाइट फिल्महरूको संश्लेषणको लागि प्रयोग गरिने पोलीक्रिस्टलाइन निकल फोइलहरू तिनीहरूको निर्माण र त्यसपछिको प्रशोधनको परिणामको रूपमा फरक बनावट हुन्छन्। हामीले भर्खरै NGF30 को वृद्धि प्रक्रियालाई अनुकूलन गर्न अध्ययन रिपोर्ट गरेका छौं। हामी देखाउँछौं कि प्रक्रिया प्यारामिटरहरू जस्तै एनेलिङ समय र चेम्बर दबाब वृद्धि चरणमा एक समान मोटाईको NGFs प्राप्त गर्नमा महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ। यहाँ, हामीले निकेल पन्नी (चित्र 1a) को पॉलिश फ्रन्ट (FS) र अनपॉलिश ब्याक (BS) सतहहरूमा NGF को वृद्धिको थप अनुसन्धान गर्यौं। FS र BS को तीन प्रकारका नमूनाहरू जाँच गरियो, तालिका 1 मा सूचीबद्ध। दृश्य निरीक्षणमा, निकेल पन्नी (NiAG) को दुवै छेउमा NGF को समान वृद्धि एक विशेषता धातु चाँदीबाट बल्क Ni सब्सट्रेटको रंग परिवर्तन द्वारा देख्न सकिन्छ। खैरो देखि म्याट खैरो रङ (चित्र 1a); माइक्रोस्कोपिक मापन पुष्टि भयो (चित्र 1b, c)। FS-NGF को एक विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रम उज्यालो क्षेत्रमा अवलोकन गरिएको छ र चित्र 1b मा रातो, नीलो र सुन्तला तीरहरू द्वारा संकेत गरिएको छ चित्र 1c मा देखाइएको छ। ग्रेफाइट G (1683 cm−1) र 2D (2696 cm−1) को विशेषता रमन शिखरहरूले अत्यधिक क्रिस्टलीय NGF (चित्र 1c, तालिका SI1) को वृद्धि पुष्टि गर्दछ। फिल्म भरि, तीव्रता अनुपात (I2D/IG) ~ 0.3 सँग रमन स्पेक्ट्राको प्रबलता देखियो, जबकि I2D/IG = 0.8 सँग रमन स्पेक्ट्रा विरलै देखियो। सम्पूर्ण फिल्ममा दोषपूर्ण शिखरहरू (D = 1350 cm-1) को अनुपस्थितिले NGF वृद्धिको उच्च गुणस्तरलाई सङ्केत गर्छ। समान रमन परिणामहरू BS-NGF नमूनामा प्राप्त गरियो (चित्र SI1 a र b, तालिका SI1)।
NiAG FS- र BS-NGF को तुलना: (a) एक विशिष्ट NGF (NiAG) नमूनाको फोटोग्राफ जसले वेफर स्केल (55 cm2) मा NGF बृद्धि देखाउँदै र परिणामस्वरूप BS- र FS-Ni पन्नी नमूनाहरू, (b) FS-NGF अप्टिकल माइक्रोस्कोपद्वारा प्राप्त गरिएका छविहरू/नि, (c) प्यानल b मा विभिन्न स्थानहरूमा रेकर्ड गरिएको विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रा, (d, f) FS-NGF/Ni मा विभिन्न म्याग्निफिकेसनहरूमा SEM छविहरू, (e, g) SEM छविहरू विभिन्न म्याग्निफिकेसनहरूमा BS -NGF/Ni सेट गर्दछ। निलो तीरले FLG क्षेत्र, सुन्तला तीरले MLG क्षेत्र (FLG क्षेत्रको नजिक), रातो तीरले NGF क्षेत्रलाई सङ्केत गर्छ, र म्याजेन्टा तीरले तहलाई सङ्केत गर्छ।
बृद्धि प्रारम्भिक सब्सट्रेटको मोटाई, क्रिस्टल साइज, अभिमुखीकरण, र अन्न सीमानाहरूमा निर्भर हुने भएकोले, ठूला क्षेत्रहरूमा NGF मोटाईको उचित नियन्त्रण प्राप्त गर्न चुनौती रहन्छ। यस अध्ययनले हामीले पहिले प्रकाशित 30 सामग्री प्रयोग गर्‍यौं। यस प्रक्रियाले 0.1 देखि 3% प्रति 100 µm230 को उज्यालो क्षेत्र उत्पादन गर्दछ। निम्न खण्डहरूमा, हामी दुवै प्रकारका क्षेत्रहरूको लागि परिणामहरू प्रस्तुत गर्दछौं। उच्च म्याग्निफिकेसन SEM छविहरूले दुबै छेउमा धेरै उज्यालो कन्ट्रास्ट क्षेत्रहरूको उपस्थिति देखाउँदछ (चित्र 1f,g), FLG र MLG क्षेत्रहरू 30,45 को उपस्थिति संकेत गर्दछ। यो रमन स्क्याटरिङ (चित्र 1c) र TEM नतिजाहरू ("FS-NGF: संरचना र गुणहरू" खण्डमा पछि छलफल गरिएको) द्वारा पनि पुष्टि भयो। FS- र BS-NGF/Ni नमूनाहरूमा अवलोकन गरिएको FLG र MLG क्षेत्रहरू (Ni मा उब्जाइएको अगाडि र पछाडि NGF) 22,30,45 पूर्व-एनिलिङको समयमा बनेको ठूला Ni (111) दानाहरूमा बढेको हुन सक्छ। फोल्डिङ दुवै छेउमा अवलोकन गरिएको थियो (चित्र 1b, बैजनी तीरहरूले चिन्ह लगाइएको)। ग्रेफाइट र निकल सब्सट्रेट 30,38 बीचको थर्मल विस्तारको गुणांकमा ठूलो भिन्नताको कारण यी तहहरू प्राय: CVD-उत्पादन गरिएको ग्राफिन र ग्रेफाइट फिल्महरूमा पाइन्छ।
AFM छविले पुष्टि गर्‍यो कि FS-NGF नमूना BS-NGF नमूना (चित्र SI1) (चित्र SI2) भन्दा चापला थियो। FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) र BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) को मूल मीन वर्ग (RMS) रफनेस मानहरू क्रमशः 82 र 200 nm छन् (20 × को क्षेत्रफलमा मापन गरिन्छ। 20 μm2)। प्राप्त अवस्था (चित्र SI3) मा निकेल (NiAR) पन्नीको सतह विश्लेषणको आधारमा उच्च रूफपन बुझ्न सकिन्छ। FS र BS-NiAR का SEM तस्बिरहरू SI3a–d मा देखाइएको छ, विभिन्न सतह आकारहरू प्रदर्शन गर्दै: पालिश गरिएको FS-Ni पन्नीमा न्यानो- र माइक्रोन आकारको गोलाकार कणहरू छन्, जबकि अनपॉलिश गरिएको BS-Ni पन्नीले उत्पादन सीढी प्रदर्शन गर्दछ। उच्च शक्ति संग कण को ​​रूप मा। र अस्वीकार। एनेलेड निकल पन्नी (NiA) को कम र उच्च रिजोल्युसन छविहरू चित्र SI3e–h मा देखाइएको छ। यी आंकडाहरूमा, हामी निकल पन्नीको दुबै छेउमा धेरै माइक्रोन आकारको निकल कणहरूको उपस्थिति देख्न सक्छौं (चित्र। SI3e–h)। ठूला दानाहरूमा Ni(111) सतह अभिविन्यास हुन सक्छ, जस्तै पहिले रिपोर्ट गरिएको 30,46। त्यहाँ FS-NiA र BS-NiA बीच निकल पन्नी आकार विज्ञान मा महत्वपूर्ण भिन्नताहरू छन्। BS-NGF/Ni को उच्च रफनेस BS-NiAR को अनपॉलिश गरिएको सतहको कारण हो, जसको सतह एनिलिङ पछि पनि उल्लेखनीय रूपमा नराम्रो रहन्छ (चित्र SI3)। विकास प्रक्रिया अघि यस प्रकारको सतह विशेषताले ग्राफिन र ग्रेफाइट फिल्महरूको नरमपन नियन्त्रण गर्न अनुमति दिन्छ। यो ध्यान दिनुपर्छ कि मूल सब्सट्रेटले ग्राफिन बृद्धिको क्रममा केही अनाज पुनर्गठन गर्‍यो, जसले अनाजको आकारलाई थोरै घटायो र एनेल गरिएको पन्नी र उत्प्रेरक फिलिम२२ को तुलनामा सब्सट्रेटको सतहको नरमपनलाई केही हदसम्म बढायो।
सब्सट्रेट सतहको नरमपन, एनिलिङ टाइम (ग्रेन साइज) ३०,४७ र रिलिज कन्ट्रोल ४३ लाई फाइन-ट्युनिङले क्षेत्रीय NGF मोटाई एकरूपतालाई µm2 र/वा nm2 मापन (अर्थात्, केही न्यानोमिटरको मोटाई भिन्नता) मा कम गर्न मद्दत गर्नेछ। सब्सट्रेटको सतहको नरमपन नियन्त्रण गर्न, नतिजा निकल पन्नीको इलेक्ट्रोलाइटिक पॉलिशिंग जस्ता विधिहरू मान्न सकिन्छ। ठूला नि (१११) दानाहरू (जो FLG वृद्धिको लागि लाभदायक छ) को गठनबाट बच्नको लागि प्रिटिटेड निकल पन्नीलाई कम तापक्रम (<900 °C) 46 र समय (<5 मिनेट) मा एनेल गर्न सकिन्छ।
SLG र FLG graphene एसिड र पानी को सतह तनाव सामना गर्न असक्षम छ, भिजेको रासायनिक स्थानान्तरण प्रक्रियाहरु 22,34,38 मा मेकानिकल समर्थन तह आवश्यक छ। पोलिमर-समर्थित एकल-तह graphene38 को भिजेको रासायनिक स्थानान्तरणको विपरित, हामीले फेला पार्यौं कि NGF को दुवै पक्षहरू पोलिमर समर्थन बिना स्थानान्तरण गर्न सकिन्छ, चित्र 2a मा देखाइएको छ (थप विवरणहरूको लागि चित्र SI4a हेर्नुहोस्)। दिइएको सब्सट्रेटमा NGF को स्थानान्तरण अन्तर्निहित Ni30.49 फिल्मको भिजेको नक्काशीबाट सुरु हुन्छ। बढेको NGF/Ni/NGF नमूनाहरू 70% HNO3 को 15 mL 600 mL deionized (DI) पानीमा पातलो गरी रातभरमा राखिएको थियो। Ni पन्नी पूर्णतया विघटन भएपछि, FS-NGF समतल रहन्छ र तरलको सतहमा NGF/Ni/NGF नमूना जस्तै तैरन्छ, जबकि BS-NGF पानीमा डुबेको हुन्छ (चित्र 2a,b)। पृथक NGF त्यसपछि ताजा विआयनीकृत पानी भएको एक बीकरबाट अर्को बीकरमा स्थानान्तरण गरियो र पृथक NGF राम्ररी धोइयो, अवतल गिलास डिश मार्फत चार देखि छ पटक दोहोर्याइएको थियो। अन्तमा, FS-NGF र BS-NGF इच्छित सब्सट्रेटमा राखियो (चित्र 2c)।
निकेल पन्नीमा बढेको NGF को लागि पोलिमर-रहित भिजेको रासायनिक स्थानान्तरण प्रक्रिया: (a) प्रक्रिया प्रवाह रेखाचित्र (थप विवरणहरूको लागि चित्र SI4 हेर्नुहोस्), (b) Ni etching पछि अलग गरिएको NGF को डिजिटल फोटो (2 नमूनाहरू), (c) उदाहरण FS - र BS-NGF SiO2/Si सब्सट्रेटमा स्थानान्तरण, (d) FS-NGF अपारदर्शी पोलिमर सब्सट्रेटमा स्थानान्तरण, (e) BS-NGF प्यानल d (दुई भागमा विभाजित) को समान नमूनाबाट, सुनको प्लेट गरिएको C पेपरमा हस्तान्तरण गरियो। र Nafion (लचिलो पारदर्शी सब्सट्रेट, रातो कुनाले चिन्ह लगाइएको किनाराहरू)।
ध्यान दिनुहोस् कि भिजेको रासायनिक स्थानान्तरण विधिहरू प्रयोग गरेर प्रदर्शन गरिएको SLG स्थानान्तरणलाई 20-24 घण्टा 38 को कुल प्रशोधन समय चाहिन्छ। यहाँ (चित्र SI4a) प्रदर्शन गरिएको पोलिमर-मुक्त स्थानान्तरण प्रविधिको साथ, समग्र NGF स्थानान्तरण प्रशोधन समय उल्लेखनीय रूपमा कम भएको छ (लगभग 15 घण्टा)। प्रक्रिया निम्न समावेश गर्दछ: (चरण 1) एक नक्काशी समाधान तयार गर्नुहोस् र यसमा नमूना राख्नुहोस् (~ 10 मिनेट), त्यसपछि रातभर नि एचिंग (~ 7200 मिनेट) को लागी पर्खनुहोस्, (चरण 2) डियोनाइज्ड पानीले कुल्ला गर्नुहोस् (चरण - 3) । विआयनीकृत पानीमा भण्डार गर्नुहोस् वा लक्षित सब्सट्रेटमा स्थानान्तरण गर्नुहोस् (२० मिनेट)। NGF र बल्क म्याट्रिक्सको बीचमा फसेको पानी केशिका कार्य (ब्लटिंग पेपर प्रयोग गरेर) 38 द्वारा हटाइन्छ, त्यसपछि बाँकी पानीका थोपाहरू प्राकृतिक सुकाइ (लगभग 30 मिनेट) द्वारा हटाइन्छ, र अन्तमा नमूना 10 मिनेटको लागि सुकाइन्छ। भ्याकुम ओभनमा मिनेट (१०–१ एमबार) ५०–९० डिग्री सेल्सियस (६० मिनेट) ३८ मा।
ग्रेफाइट पर्याप्त उच्च तापक्रम (≥ 200 °C) 50,51,52 मा पानी र हावाको उपस्थिति सामना गर्न जानिन्छ। हामीले रामन स्पेक्ट्रोस्कोपी, SEM, र XRD प्रयोग गरी नमूनाहरू कोठाको तापक्रममा डिआयोनाइज्ड पानीमा भण्डारण गरेपछि र केही दिनदेखि एक वर्षसम्म (चित्र SI4) सिल गरिएको बोतलहरूमा परीक्षण गर्‍यौं। त्यहाँ कुनै उल्लेखनीय गिरावट छैन। चित्र 2c ले विआयनीकृत पानीमा फ्रि-स्ट्यान्डिङ FS-NGF र BS-NGF देखाउँछ। हामीले तिनीहरूलाई SiO2 (300 nm)/Si सब्सट्रेटमा कैद गर्यौं, जस्तै चित्र 2c को सुरुमा देखाइएको छ। थप रूपमा, चित्र 2d,e मा देखाइए अनुसार, निरन्तर NGF विभिन्न सब्सट्रेटहरूमा स्थानान्तरण गर्न सकिन्छ जस्तै पोलिमरहरू (Nexolve र Nafion बाट Thermabright polyamide) र सुनको लेपित कार्बन पेपर। फ्लोटिंग FS-NGF सजिलै लक्ष्य सब्सट्रेट मा राखिएको थियो (चित्र 2c, d)। यद्यपि, 3 सेमी 2 भन्दा ठूला BS-NGF नमूनाहरू पानीमा पूर्ण रूपमा डुबाउँदा ह्यान्डल गर्न गाह्रो थियो। सामान्यतया, जब तिनीहरू पानीमा घुम्न थाल्छन्, लापरवाह ह्यान्डलिङको कारण तिनीहरू कहिलेकाहीं दुई वा तीन भागमा विभाजित हुन्छन् (चित्र 2e)। समग्रमा, हामीले PS- र BS-NGF (6 cm2 मा NGF/Ni/NGF बृद्धि बिना निरन्तर सिमलेस ट्रान्सफर) को पोलिमर-रहित स्थानान्तरण प्राप्त गर्न सक्षम थियौं, क्रमशः 6 र 3 cm2 सम्मको क्षेत्रमा नमूनाहरूका लागि। कुनै पनि बाँकी ठूला वा साना टुक्राहरू इच्छित सब्सट्रेटमा (~१ मिमी २, चित्र SI4b, "FS-NGF: संरचना र गुणहरू (चर्चा गरिएको) को रूपमा तामाको ग्रिडमा हस्तान्तरण गरिएको नमूना हेर्नुहोस्" (नक्की समाधान वा डियोनाइज्ड पानीमा सजिलै देख्न सकिन्छ) गर्न सकिन्छ। "संरचना र गुणहरू" अन्तर्गत) वा भविष्यको प्रयोगको लागि भण्डार गर्नुहोस् (चित्र SI4)। यस मापदण्डको आधारमा, हामी अनुमान गर्छौं कि NGF 98-99% (स्थानान्तरणको लागि वृद्धि पछि) सम्मको उपजमा पुन: प्राप्त गर्न सकिन्छ।
पोलिमर बिना स्थानान्तरण नमूनाहरू विस्तृत रूपमा विश्लेषण गरियो। FS- र BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) मा अप्टिकल माइक्रोस्कोपी (OM) र SEM छविहरू (Fig. SI5 र Fig. 3) प्रयोग गरेर प्राप्त सतह मोर्फोलॉजिकल विशेषताहरूले देखायो कि यी नमूनाहरू माइक्रोस्कोपी बिना स्थानान्तरण गरिएको थियो। दृश्यात्मक संरचनात्मक क्षति जस्तै दरार, प्वाल, वा अनरोल क्षेत्रहरू। बढ्दो NGF (चित्र 3b, d, बैजनी तीरले चिन्ह लगाइएको) मा फोल्डहरू स्थानान्तरण पछि अक्षुण्ण रह्यो। FS- र BS-NGF दुवै FLG क्षेत्रहरू (चित्र 3 मा निलो तीरहरू द्वारा संकेत गरिएको उज्यालो क्षेत्रहरू) मिलेर बनेका छन्। अचम्मको कुरा, अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्महरूको पोलिमर स्थानान्तरणको क्रममा सामान्य रूपमा अवलोकन गरिएका केही क्षतिग्रस्त क्षेत्रहरूको विपरित, एनजीएफ (चित्र 3d मा नीलो तीरहरू द्वारा चिन्हित) जडान गर्ने धेरै माइक्रोन आकारको FLG र MLG क्षेत्रहरू क्र्याक वा ब्रेकहरू बिना स्थानान्तरण गरियो (चित्र 3d)। । ३) । लेस-कार्बन कपर ग्रिडहरूमा स्थानान्तरण गरिएको NGF को TEM र SEM छविहरू प्रयोग गरेर मेकानिकल अखण्डता थप पुष्टि भयो, जसरी पछि छलफल गरियो ("FS-NGF: संरचना र गुणहरू")। स्थानान्तरण गरिएको BS-NGF/SiO2/Si क्रमशः 140 nm र 17 nm को rms मानहरू FS-NGF/SiO2/Si भन्दा नराम्रो छ, चित्र SI6a र b (20 × 20 μm2) मा देखाइए अनुसार। SiO2/Si सब्सट्रेट (RMS <2 nm) मा हस्तान्तरण गरिएको NGF को RMS मान Ni (चित्र SI2) मा उब्जाइएको NGF को तुलनामा धेरै कम (लगभग 3 गुणा) छ, यसले थप नरमपन Ni सतहसँग मिल्दोजुल्दो हुनसक्छ भनी सङ्केत गर्छ। थप रूपमा, FS- र BS-NGF/SiO2/Si नमूनाहरूको किनारमा प्रदर्शन गरिएका AFM छविहरूले क्रमशः 100 र 80 nm को NGF मोटाई देखायो (चित्र SI7)। BS-NGF को सानो मोटाई सतह प्रत्यक्ष रूपमा पूर्ववर्ती ग्यासको सम्पर्कमा नआएको कारण हुन सक्छ।
SiO2/Si वेफरमा पोलिमर बिना स्थानान्तरण गरिएको NGF (NiAG) (चित्र 2c हेर्नुहोस्): (a,b) स्थानान्तरण गरिएको FS-NGF को SEM छविहरू: कम र उच्च म्याग्निफिकेसन (प्यानलमा सुन्तला वर्गसँग सम्बन्धित)। विशिष्ट क्षेत्रहरू) - क)। (c,d) स्थानान्तरण गरिएको BS-NGF का SEM छविहरू: कम र उच्च म्याग्निफिकेसन (प्यानल c मा सुन्तला वर्गले देखाइएको विशिष्ट क्षेत्रसँग मिल्दोजुल्दो)। (e, f) स्थानान्तरण गरिएका FS- र BS-NGF को AFM छविहरू। निलो तीरले FLG क्षेत्रलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ - उज्यालो कन्ट्रास्ट, सियान एरो - कालो MLG कन्ट्रास्ट, रातो एरो - कालो कन्ट्रास्टले NGF क्षेत्र प्रतिनिधित्व गर्दछ, म्याजेन्टा एरोले तहलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ।
बढेको र स्थानान्तरण गरिएको FS- र BS-NGFs को रासायनिक संरचना एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रोन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) (चित्र 4) द्वारा विश्लेषण गरिएको थियो। बढेको FS- र BS-NGFs (NiAG) को Ni सब्सट्रेट (850 eV) सँग सम्बन्धित मापन गरिएको स्पेक्ट्रा (चित्र 4a, b) मा कमजोर शिखर देखियो। स्थानान्तरण गरिएको FS- र BS-NGF/SiO2/Si (चित्र 4c; BS-NGF/SiO2/Si को लागि समान परिणामहरू देखाइएको छैन) को मापन गरिएको स्पेक्ट्रामा कुनै शिखरहरू छैनन्, हस्तान्तरण पछि कुनै अवशिष्ट Ni प्रदूषण छैन भनेर संकेत गर्दछ। । आंकडा 4d–f ले FS-NGF/SiO2/Si को C 1 s, O 1 s र Si 2p ऊर्जा स्तरहरूको उच्च-रिजोल्युसन स्पेक्ट्रा देखाउँछ। ग्रेफाइटको C 1s को बाध्यकारी ऊर्जा 284.4 eV53.54 हो। ग्रेफाइट चुचुराहरूको रैखिक आकार सामान्यतया असममित मानिन्छ, चित्र 4d54 मा देखाइएको छ। उच्च-रिजोल्युसन कोर-स्तर C 1 s स्पेक्ट्रम (चित्र 4d) ले पनि शुद्ध स्थानान्तरण पुष्टि गर्‍यो (अर्थात्, कुनै पोलिमर अवशेषहरू छैनन्), जुन अघिल्लो अध्ययनहरूसँग अनुरूप छ। भर्खरै बढेको नमूना (NiAG) र स्थानान्तरण पछिको C 1 s स्पेक्ट्राको लाइनविड्थ क्रमशः 0.55 र 0.62 eV छन्। यी मानहरू SLG (SiO2 सब्सट्रेटमा SLG को लागि 0.49 eV) भन्दा उच्च छन्। यद्यपि, यी मानहरू उच्च उन्मुख पाइरोलाइटिक ग्राफिन नमूनाहरू (~ 0.75 eV) 53,54,55 को लागि पहिले रिपोर्ट गरिएको लाइनविड्थ भन्दा सानो छन्, वर्तमान सामग्रीमा दोषपूर्ण कार्बन साइटहरूको अनुपस्थितिलाई संकेत गर्दछ। C 1 s र O 1 s ग्राउन्ड लेभल स्पेक्ट्रामा पनि काँधहरूको अभाव छ, उच्च-रिजोल्युसन शिखर deconvolution54 को आवश्यकतालाई हटाउँदै। त्यहाँ π → π* उपग्रह शिखर 291.1 eV वरपर छ, जुन प्रायः ग्रेफाइट नमूनाहरूमा अवलोकन गरिन्छ। Si 2p र O 1 s कोर स्तर स्पेक्ट्रामा 103 eV र 532.5 eV संकेतहरू (चित्र 4e, f हेर्नुहोस्) क्रमशः SiO2 56 सब्सट्रेटमा श्रेय दिइन्छ। XPS एक सतह-संवेदनशील प्रविधि हो, त्यसैले क्रमशः NGF स्थानान्तरण अघि र पछि पत्ता लगाइएको Ni र SiO2 सँग सम्बन्धित संकेतहरू FLG क्षेत्रबाट उत्पन्न भएको मानिन्छ। स्थानान्तरण गरिएको BS-NGF नमूनाहरूको लागि समान परिणामहरू अवलोकन गरियो (देखाइएको छैन)।
NiAG XPS नतिजाहरू: (ac) क्रमशः बढेको FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni र स्थानान्तरण गरिएको FS-NGF/SiO2/Si को विभिन्न मौलिक परमाणु रचनाहरूको सर्वेक्षण स्पेक्ट्रा। (d–f) FS-NGF/SiO2/Si नमूनाको कोर स्तर C 1 s, O 1s र Si 2p को उच्च-रिजोल्युसन स्पेक्ट्रा।
स्थानान्तरण गरिएको NGF क्रिस्टलहरूको समग्र गुणस्तर एक्स-रे विवर्तन (XRD) प्रयोग गरेर मूल्याङ्कन गरिएको थियो। स्थानान्तरण गरिएको FS- र BS-NGF/SiO2/Si को विशिष्ट XRD ढाँचाहरू (चित्र SI8) ले ग्रेफाइट जस्तै 26.6° र 54.7° मा विवर्तन शिखरहरू (0 0 0 2) र (0 0 0 4) को उपस्थिति देखाउँछन्। । यसले NGF को उच्च क्रिस्टलीय गुणस्तरको पुष्टि गर्दछ र d = 0.335 nm को अन्तरलेयर दूरीसँग मेल खान्छ, जुन स्थानान्तरण चरण पछि राखिएको छ। विवर्तन शिखर (0 0 0 2) को तीव्रता विवर्तन शिखर (0 0 0 4) को लगभग 30 गुणा हो, NGF क्रिस्टल विमान नमूना सतह संग राम्रो संग पङ्क्तिबद्ध छ भनेर संकेत गर्दछ।
SEM, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, XPS र XRD को नतिजा अनुसार, BS-NGF/Ni को गुणस्तर FS-NGF/Ni को जस्तै पाइयो, यद्यपि यसको rms रफनेस अलि बढी थियो (चित्र SI2, SI5) र SI7)।
200 एनएम बाक्लो सम्म पोलिमर सपोर्ट लेयर भएका SLG हरू पानीमा तैरिन सक्छन्। यो सेटअप सामान्यतया बहुलक-सहायता भिजेको रासायनिक स्थानान्तरण प्रक्रियाहरूमा प्रयोग गरिन्छ 22,38। ग्राफिन र ग्रेफाइट हाइड्रोफोबिक हुन् (भिजेको कोण 80-90°) 57। दुबै ग्राफिन र FLG को सम्भावित ऊर्जा सतहहरू सतहमा पानीको पार्श्व आन्दोलनको लागि कम सम्भावित ऊर्जा (~ 1 kJ/mol) संग एकदम समतल भएको रिपोर्ट गरिएको छ। यद्यपि, ग्रेफिनसँग पानीको अन्तरक्रियात्मक ऊर्जा र ग्राफिनका तीन तहहरू क्रमशः लगभग −13 र −15 kJ/mol,58 छन्, यसले NGF (लगभग 300 तहहरू) सँग पानीको अन्तरक्रिया ग्राफिनको तुलनामा कम रहेको संकेत गर्छ। फ्रीस्ट्यान्डिङ NGF पानीको सतहमा समतल रहनुको एउटा कारण यो हुन सक्छ, जबकि फ्रीस्ट्यान्डिङ ग्राफिन (जुन पानीमा तैरिन्छ) घुम्छ र टुट्छ। जब NGF पूर्णतया पानीमा डुबेको हुन्छ (नतिजाहरू नराम्रो र समतल NGF को लागि समान हुन्छन्), यसको किनाराहरू झुक्छन् (चित्र SI4)। पूर्ण विसर्जनको अवस्थामा, यो अपेक्षा गरिएको छ कि NGF-पानी अन्तरक्रिया ऊर्जा लगभग दोब्बर हुन्छ (तैरिरहेको NGF को तुलनामा) र NGF को किनाराहरु उच्च सम्पर्क कोण (हाइड्रोफोबिसिटी) कायम राख्न को लागी। हामी विश्वास गर्छौं कि एम्बेडेड NGFs को किनाराहरू कर्लिंगबाट बच्न रणनीतिहरू विकास गर्न सकिन्छ। एउटा दृष्टिकोण ग्रेफाइट फिल्म ५९ को भिजाउने प्रतिक्रिया परिमार्जन गर्न मिश्रित सॉल्भेन्टहरू प्रयोग गर्नु हो।
भिजेको रासायनिक स्थानान्तरण प्रक्रियाहरू मार्फत विभिन्न प्रकारका सब्सट्रेटहरूमा SLG को स्थानान्तरण पहिले रिपोर्ट गरिएको छ। यो सामान्यतया स्वीकार गरिएको छ कि कमजोर भ्यान डेर वाल्स बलहरू ग्राफिन/ग्रेफाइट फिल्महरू र सब्सट्रेटहरू बीच अवस्थित छन् (यो कठोर सब्सट्रेटहरू जस्तै SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillar22 र lacy कार्बन फिल्महरू 30, 34 वा लचिलो सब्सट्रेटहरू हुन्। जस्तै polyimide 37)। यहाँ हामी मान्दछौं कि समान प्रकारको अन्तरक्रिया प्रबल हुन्छ। हामीले मेकानिकल ह्यान्डलिङ (भ्याकुम र/वा वायुमण्डलीय अवस्थाहरूमा वा भण्डारणको समयमा) (जस्तै, चित्र 2, SI7 र SI9) को समयमा यहाँ प्रस्तुत गरिएका कुनै पनि सब्सट्रेटहरूका लागि NGF को कुनै क्षति वा पिलिङ अवलोकन गरेका छैनौं। थप रूपमा, हामीले NGF/SiO2/Si नमूना (चित्र 4) को कोर स्तरको XPS C 1 s स्पेक्ट्रममा SiC शिखर अवलोकन गरेका छैनौं। यी परिणामहरूले NGF र लक्षित सब्सट्रेट बीच कुनै रासायनिक बन्धन छैन भनेर संकेत गर्दछ।
अघिल्लो खण्डमा, "FS- र BS-NGF को पोलिमर-मुक्त स्थानान्तरण," हामीले प्रदर्शन गर्यौं कि NGF निकल पन्नीको दुबै छेउमा बढ्न र स्थानान्तरण गर्न सक्छ। यी FS-NGFs र BS-NGF हरू सतह खुर्दाको सन्दर्भमा समान छैनन्, जसले हामीलाई प्रत्येक प्रकारको लागि सबैभन्दा उपयुक्त अनुप्रयोगहरू अन्वेषण गर्न प्रेरित गर्‍यो।
FS-NGF को पारदर्शिता र चिल्लो सतहलाई ध्यानमा राख्दै, हामीले यसको स्थानीय संरचना, अप्टिकल र विद्युतीय गुणहरू थप विस्तारमा अध्ययन गर्यौं। बहुलक स्थानान्तरण बिना FS-NGF को संरचना र संरचना प्रसारण इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (TEM) इमेजिङ र चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रोन विवर्तन (SAED) ढाँचा विश्लेषण द्वारा विशेषता थियो। सम्बन्धित नतिजाहरू चित्र 5 मा देखाइएको छ। कम म्याग्निफिकेसन प्लानर TEM इमेजिङले विभिन्न इलेक्ट्रोन कन्ट्रास्ट विशेषताहरू, जस्तै गाढा र उज्यालो क्षेत्रहरू, क्रमशः (चित्र 5a) भएका NGF र FLG क्षेत्रहरूको उपस्थिति प्रकट गर्‍यो। फिल्मले समग्रमा राम्रो ओभरल्याप र कुनै क्षति वा च्यातेको साथ NGF र FLG को विभिन्न क्षेत्रहरू बीच राम्रो मेकानिकल अखण्डता र स्थिरता प्रदर्शन गर्दछ, जुन SEM (चित्र 3) र उच्च म्याग्निफिकेसन TEM अध्ययनहरू (चित्र 5c-e) द्वारा पनि पुष्टि गरिएको थियो। विशेष गरी, चित्रमा। चित्र 5d ले यसको सबैभन्दा ठूलो भागमा पुलको संरचना देखाउँछ (चित्र 5d मा कालो डट गरिएको तीरले चिन्ह लगाइएको स्थिति), जुन त्रिकोणात्मक आकारद्वारा चित्रण गरिएको छ र लगभग 51 को चौडाइ भएको ग्राफिन तह समावेश छ। ०.३३ ± ०.०१ एनएमको अन्तर्प्लानर स्पेसिङ भएको संरचनालाई साँघुरो क्षेत्र (चित्र ५ d मा ठोस कालो तीरको अन्त्य) मा ग्राफिनका धेरै तहहरूमा थप घटाइन्छ।
कार्बन लेसी कपर ग्रिडमा पोलिमर-रहित NiAG नमूनाको प्लानर TEM छवि: (a, b) NGF र FLG क्षेत्रहरू सहित कम म्याग्निफिकेसन TEM छविहरू, (ce) प्यानल-ए र प्यानल-b मा विभिन्न क्षेत्रहरूको उच्च म्याग्निफिकेसन छविहरू हुन्। एउटै रङको चिन्हित तीरहरू। प्यानल ए र सी मा हरियो तीर बीम पङ्क्तिबद्धता को समयमा क्षति को गोलाकार क्षेत्रहरु को संकेत गर्दछ। (f–i) प्यानल a देखि c मा, विभिन्न क्षेत्रहरूमा SAED ढाँचाहरू क्रमशः नीलो, सियान, सुन्तला र रातो सर्कलहरूद्वारा संकेत गरिएका छन्।
चित्र 5c मा रिबन संरचनाले ग्रेफाइट जाली प्लेनहरूको ठाडो अभिमुखीकरण (रातो तीरले चिन्ह लगाइएको) देखाउँछ, जुन फिल्मको छेउमा न्यानोफोल्डहरूको गठनको कारणले हुन सक्छ (चित्र 5c मा इनसेट) अतिरिक्त क्षतिपूर्ति नभएको कतरनी तनाव 30,61,62 । उच्च-रिजोल्युसन TEM अन्तर्गत, यी न्यानोफोल्ड्स 30 ले NGF क्षेत्रको बाँकी भन्दा फरक क्रिस्टलोग्राफिक अभिमुखीकरण प्रदर्शन गर्दछ; ग्रेफाइट जालीको बेसल प्लेनहरू फिल्मको बाँकी भाग जस्तै तेर्सो रूपमा भन्दा लगभग ठाडो रूपमा उन्मुख हुन्छन् (चित्र 5c मा इनसेट)। त्यस्तै गरी, FLG क्षेत्रले कहिलेकाहीं रैखिक र साँघुरो ब्यान्ड-जस्तो फोल्डहरू (नीलो तीरहरूद्वारा चिन्हित) प्रदर्शन गर्दछ, जुन क्रमशः 5b, 5e मा कम र मध्यम म्याग्निफिकेसनमा देखा पर्दछ। चित्र 5e मा इनसेटले FLG क्षेत्र (interplanar दूरी 0.33 ± 0.01 nm) मा दुई- र तीन-तह graphene तहहरूको उपस्थिति पुष्टि गर्दछ, जुन हाम्रो अघिल्लो परिणामहरू 30 सँग राम्रो सम्झौतामा छ। थप रूपमा, लेसी कार्बन फिलिमहरू (शीर्ष-दृश्य TEM मापनहरू प्रदर्शन गरेपछि) तामा ग्रिडहरूमा हस्तान्तरण गरिएको पोलिमर-मुक्त NGF को रेकर्ड गरिएको SEM छविहरू चित्र SI9 मा देखाइएको छ। राम्रोसँग निलम्बित FLG क्षेत्र (नीलो तीरले चिन्ह लगाइएको) र चित्र SI9f मा टुटेको क्षेत्र। निलो तीर (स्थानान्तरण गरिएको NGF को किनारमा) जानाजानी प्रस्तुत गरिएको हो कि FLG क्षेत्रले पोलिमर बिना स्थानान्तरण प्रक्रियालाई प्रतिरोध गर्न सक्छ। संक्षेपमा, यी छविहरूले पुष्टि गर्दछ कि आंशिक रूपमा निलम्बित NGF (FLG क्षेत्र सहित) ले कठोर ह्यान्डलिङ र TEM र SEM मापन (चित्र SI9) को समयमा उच्च वैक्यूमको जोखिम पछि पनि मेकानिकल अखण्डता कायम राख्छ।
NGF को उत्कृष्ट समतलताको कारण (चित्र 5a हेर्नुहोस्), SAED संरचनाको विश्लेषण गर्न [0001] डोमेन अक्षको साथ फ्लेक्सहरू अभिमुख गर्न गाह्रो छैन। फिल्मको स्थानीय मोटाई र यसको स्थानमा निर्भर गर्दै, इलेक्ट्रोन विवर्तन अध्ययनका लागि रुचिका धेरै क्षेत्रहरू (12 अंकहरू) पहिचान गरिएको थियो। चित्र 5a–c मा, यी चार विशिष्ट क्षेत्रहरूलाई रंगीन सर्कलहरू (नीलो, सियान, सुन्तला र रातो कोडेड) देखाइएको र चिन्ह लगाइएको छ। SAED मोडका लागि चित्र २ र ३। आंकडा 5f र g FLG क्षेत्र बाट प्राप्त गरीएको थियो जुन 5 र 5 मा देखाइएको छ। क्रमशः 5b र c मा देखाइएको छ। तिनीहरूसँग ट्विस्टेड graphene63 जस्तै हेक्सागोनल संरचना छ। विशेष गरी, चित्र 5f ले [0001] क्षेत्र अक्षको समान अभिमुखीकरणका साथ तीन सुपरइम्पोज्ड ढाँचाहरू देखाउँदछ, 10° र 20° द्वारा घुमाइएको, (10-10) प्रतिबिम्बहरूको तीन जोडीको कोणीय बेमेलले प्रमाणित गरेको रूपमा। त्यस्तै गरी, चित्र 5g ले 20° द्वारा घुमाइएको दुई सुपरइम्पोज्ड हेक्सागोनल ढाँचाहरू देखाउँछ। FLG क्षेत्रमा हेक्सागोनल ढाँचाका दुई वा तीन समूहहरू तीन इन-प्लेन वा प्लेन बाहिरको ग्राफिन तहहरू 33 एकअर्काको सापेक्ष घुमाइएकोबाट उत्पन्न हुन सक्छ। यसको विपरित, चित्र 5h,i मा इलेक्ट्रोन विवर्तन ढाँचा (चित्र 5a मा देखाइएको NGF क्षेत्रसँग सम्बन्धित) ले एकल [0001] ढाँचालाई समग्र उच्च बिन्दु विवर्तन तीव्रताको साथ देखाउँदछ, ठूलो सामग्री मोटाईसँग सम्बन्धित। यी SAED मोडेलहरू FLG भन्दा गाढा ग्राफिटिक संरचना र मध्यवर्ती अभिविन्याससँग मेल खान्छ, जस्तै अनुक्रमणिका 64 बाट अनुमान गरिएको। NGF को क्रिस्टलीय गुणहरूको विशेषताले दुई वा तीन सुपरइम्पोज्ड ग्रेफाइट (वा ग्राफिन) क्रिस्टलको सहअस्तित्व प्रकट गर्‍यो। FLG क्षेत्रमा विशेष गरी उल्लेखनीय कुरा के हो भने क्रिस्टलाइटहरूमा विमानमा वा विमान बाहिरको गलत दिशाको निश्चित डिग्री हुन्छ। 17°, 22° र 25° को इन-प्लेन रोटेशन कोण भएका ग्रेफाइट कण/तहहरू पहिले नै Ni 64 चलचित्रहरूमा बढेको NGF को लागि रिपोर्ट गरिएको छ। यस अध्ययनमा अवलोकन गरिएका रोटेशन कोण मानहरू ट्विस्टेड BLG63 ग्राफिनका लागि पहिले देखिएका रोटेशन कोणहरू (±1°) सँग मिल्दोजुल्दो छन्।
NGF/SiO2/Si को विद्युतीय गुणहरू 10×3 mm2 को क्षेत्रफलमा 300 K मा मापन गरियो। इलेक्ट्रोन वाहक एकाग्रता, गतिशीलता र चालकता को मान क्रमशः 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 र 2000 S-cm-1 छन्। हाम्रो NGF को गतिशीलता र चालकता मानहरू प्राकृतिक ग्रेफाइट 2 जस्तै छन् र व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध उच्च उन्मुख पाइरोलाइटिक ग्रेफाइट (3000 °C मा उत्पादन गरिएको) 29 भन्दा उच्च छ। अवलोकन गरिएको इलेक्ट्रोन वाहक एकाग्रता मानहरू उच्च-तापमान (3200 °C) पोलिमाइड पानाहरू प्रयोग गरी तयार पारिएको माइक्रोन-बाक्लो ग्रेफाइट फिल्महरूको लागि हालै रिपोर्ट गरिएको (7.25 × 10 सेमी-3) भन्दा परिमाणको दुई अर्डरहरू छन्।
हामीले क्वार्ट्ज सब्सट्रेटहरूमा स्थानान्तरण गरिएको FS-NGF मा UV-दृश्य प्रसारण मापन पनि प्रदर्शन गर्‍यौं (चित्र 6)। परिणामस्वरूप स्पेक्ट्रमले 350-800 nm दायरामा 62% को लगभग स्थिर प्रसारण देखाउँछ, NGF देखिने प्रकाशमा पारदर्शी छ भनेर संकेत गर्दछ। वास्तवमा, "KAUST" नाम चित्र 6b मा नमूनाको डिजिटल फोटोमा देख्न सकिन्छ। यद्यपि NGF को nanocrystalline ढाँचा SLG भन्दा फरक छ, तहहरूको संख्या प्रति अतिरिक्त तहमा 2.3% प्रसारण क्षतिको नियम प्रयोग गरेर अनुमान गर्न सकिन्छ। यस सम्बन्धका अनुसार, ३८% प्रसारण घाटा भएका ग्राफिन तहहरूको संख्या २१ छ। बढेको एनजीएफमा मुख्यतया ३०० ग्रेफिन तहहरू हुन्छन्, अर्थात् करिब १०० एनएम बाक्लो (चित्र १, एसआई५ र एसआई७)। त्यसकारण, हामी मान्दछौं कि अवलोकन गरिएको अप्टिकल पारदर्शिता FLG र MLG क्षेत्रहरूसँग मिल्दोजुल्दो छ, किनकि तिनीहरू सम्पूर्ण फिल्ममा वितरित छन् (चित्र 1, 3, 5 र 6c)। माथिको संरचनात्मक डेटाको अतिरिक्त, चालकता र पारदर्शिताले पनि स्थानान्तरण गरिएको NGF को उच्च क्रिस्टलीय गुणस्तर पुष्टि गर्दछ।
(a) UV-दृश्य प्रसारण मापन, (b) प्रतिनिधि नमूना प्रयोग गरेर क्वार्ट्जमा विशिष्ट NGF स्थानान्तरण। (c) NGF (गाढा बाकस) को योजनाबद्ध रूपमा समान रूपमा वितरित FLG र MLG क्षेत्रहरूमा ग्रे अनियमित आकारहरूको रूपमा चिन्ह लगाइएको नमूना भरि (चित्र 1 हेर्नुहोस्) (लगभग 0.1–3% क्षेत्र प्रति 100 μm2)। रेखाचित्रमा अनियमित आकारहरू र तिनीहरूका आकारहरू चित्रण उद्देश्यका लागि मात्र हुन् र वास्तविक क्षेत्रहरूसँग मेल खाँदैन।
CVD द्वारा विकसित पारदर्शी NGF पहिले सिलिकन सतहहरूमा स्थानान्तरण गरिएको छ र सौर्य कक्षहरूमा प्रयोग गरिएको छ 15,16। नतिजा पावर रूपान्तरण दक्षता (PCE) 1.5% छ। यी एनजीएफहरूले सक्रिय कम्पाउन्ड तहहरू, चार्ज यातायात मार्गहरू, र पारदर्शी इलेक्ट्रोडहरू 15,16 जस्ता धेरै कार्यहरू प्रदर्शन गर्छन्। यद्यपि, ग्रेफाइट फिल्म एकरूप छैन। ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडको पाना प्रतिरोध र अप्टिकल ट्रान्समिटन्सलाई सावधानीपूर्वक नियन्त्रण गरेर थप अनुकूलन आवश्यक छ, किनकि यी दुई गुणहरूले सौर सेलको PCE मान निर्धारण गर्न महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छन्। सामान्यतया, ग्राफिन फिल्महरू देखिने प्रकाशमा 97.7% पारदर्शी हुन्छन्, तर 200-3000 ohms/sq.16 को पाना प्रतिरोध हुन्छ। ग्रेफिन फिल्महरूको सतह प्रतिरोध तहहरूको संख्या बढाएर (ग्रेफिन तहहरूको बहु स्थानान्तरण) र HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 सँग डोपिङ गरेर घटाउन सकिन्छ। यद्यपि, यो प्रक्रियाले लामो समय लिन्छ र विभिन्न स्थानान्तरण तहहरूले सधैं राम्रो सम्पर्क कायम गर्दैन। हाम्रो अगाडि पक्ष NGF मा चालकता 2000 S/cm, फिल्म पाना प्रतिरोध 50 ohm/sq जस्ता गुणहरू छन्। र 62% पारदर्शिता, यसलाई प्रवाहकीय च्यानलहरू वा सौर कक्षहरूमा काउन्टर इलेक्ट्रोडहरूको लागि व्यवहार्य विकल्प बनाउँदै15,16।
यद्यपि BS-NGF को संरचना र सतह रसायन FS-NGF सँग मिल्दोजुल्दो छ, यसको नरमपन फरक छ ("FS- र BS-NGF को वृद्धि")। पहिले, हामीले ग्यास सेन्सरको रूपमा अल्ट्रा-थिन फिल्म ग्रेफाइट२२ प्रयोग गर्यौं। त्यसकारण, हामीले ग्यास सेन्सिङ कार्यहरू (चित्र SI10) को लागि BS-NGF प्रयोग गर्ने सम्भाव्यता परीक्षण गर्यौं। पहिले, BS-NGF को mm2-आकारका भागहरू इन्टरडिजिटेटिंग इलेक्ट्रोड सेन्सर चिप (चित्र SI10a-c) मा स्थानान्तरण गरियो। चिपको निर्माण विवरण पहिले रिपोर्ट गरिएको थियो; यसको सक्रिय संवेदनशील क्षेत्र 9 mm267 छ। SEM छविहरूमा (चित्र SI10b र c), अन्तर्निहित सुन इलेक्ट्रोड स्पष्ट रूपमा NGF मार्फत देखिन्छ। फेरि, यो देख्न सकिन्छ कि समान चिप कभरेज सबै नमूनाहरूको लागि प्राप्त भएको थियो। विभिन्न ग्यासहरूको ग्यास सेन्सर मापन रेकर्ड गरियो (चित्र। SI10d) (चित्र। SI11) र परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया दरहरू चित्रमा देखाइएको छ। SI10g। सम्भवतः SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) र NH3 (200 ppm) सहित अन्य हस्तक्षेपकारी ग्यासहरूसँग। एउटा सम्भावित कारण NO2 हो। ग्यासको इलेक्ट्रोफिलिक प्रकृति 22,68। जब ग्राफिनको सतहमा सोखिन्छ, यसले प्रणालीद्वारा इलेक्ट्रोनहरूको वर्तमान अवशोषण कम गर्दछ। अघिल्लो प्रकाशित सेन्सरहरूसँग BS-NGF सेन्सरको प्रतिक्रिया समय डेटाको तुलना तालिका SI2 मा प्रस्तुत गरिएको छ। UV प्लाज्मा, O3 प्लाज्मा वा थर्मल (50-150°C) को प्रयोग गरेर NGF सेन्सरहरू पुन: सक्रिय गर्ने संयन्त्र खुला नमूनाहरूको उपचार चलिरहेको छ, आदर्श रूपमा इम्बेडेड प्रणालीहरू69 को कार्यान्वयनद्वारा पछ्याइएको छ।
CVD प्रक्रियाको बखत, उत्प्रेरक सब्सट्रेट 41 को दुबै छेउमा ग्राफिन वृद्धि हुन्छ। यद्यपि, BS-graphene सामान्यतया स्थानान्तरण प्रक्रियाको समयमा बाहिर निकालिन्छ41। यस अध्ययनमा, हामी उत्प्रेरक समर्थनको दुवै पक्षमा उच्च-गुणस्तरको NGF वृद्धि र बहुलक-रहित NGF स्थानान्तरण हासिल गर्न सकिन्छ भनेर देखाउँछौं। BS-NGF FS-NGF (~ 100 nm) भन्दा पातलो (~ 80 nm) छ, र यो भिन्नता BS-Ni प्रत्यक्ष रूपमा पूर्ववर्ती ग्यास प्रवाहमा पर्दैन भन्ने तथ्यद्वारा व्याख्या गरिएको छ। हामीले यो पनि फेला पार्‍यौं कि NiAR सब्सट्रेटको नरमपनले NGF को नरमपनलाई असर गर्छ। यी नतिजाहरूले संकेत गर्दछ कि बढेको प्लानर FS-NGF लाई ग्राफिनको लागि अग्रसर सामग्रीको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ (एक्सफोलिएशन विधि 70 द्वारा) वा सौर्य कक्षहरूमा प्रवाहकीय च्यानलको रूपमा 15,16। यसको विपरित, BS-NGF लाई ग्यास पत्ता लगाउनका लागि प्रयोग गरिनेछ (चित्र SI9) र सम्भवतः ऊर्जा भण्डारण प्रणाली 71,72 को लागि जहाँ यसको सतह खुर्दा उपयोगी हुनेछ।
माथिको विचार गर्दै, यो CVD द्वारा बढेको र निकल पन्नी प्रयोग गरेर पहिले प्रकाशित ग्रेफाइट फिल्महरूसँग हालको काम संयोजन गर्न उपयोगी छ। तालिका 2 मा देख्न सकिन्छ, हामीले प्रयोग गरेको उच्च दबाबले अपेक्षाकृत कम तापक्रम (850-1300 °C को दायरामा) मा पनि प्रतिक्रिया समय (वृद्धि चरण) छोटो बनायो। हामीले विस्तारको सम्भाव्यतालाई सङ्केत गर्दै सामान्यभन्दा बढी वृद्धि पनि हासिल गर्यौं। त्यहाँ विचार गर्न अन्य कारकहरू छन्, जसमध्ये केही हामीले तालिकामा समावेश गरेका छौं।
दोहोरो-पक्षीय उच्च-गुणस्तर NGF उत्प्रेरक CVD द्वारा निकल पन्नी मा हुर्किएको थियो। परम्परागत पोलिमर सब्सट्रेटहरू (जस्तै CVD ग्राफिनमा प्रयोग गरिने) हटाएर, हामीले NGF (निकेल फोइलको पछाडि र अगाडिको छेउमा बढेको) को विभिन्न प्रक्रिया-महत्वपूर्ण सब्सट्रेटहरूमा सफा र दोष-रहित भिज स्थानान्तरण प्राप्त गर्छौं। उल्लेखनीय रूपमा, NGF मा FLG र MLG क्षेत्रहरू (सामान्यतया 0.1% देखि 3% प्रति 100 µm2) समावेश छन् जुन संरचनात्मक रूपमा बाक्लो फिल्ममा एकीकृत छन्। Planar TEM ले देखाउँछ कि यी क्षेत्रहरू दुई देखि तीन ग्रेफाइट/ग्राफीन कणहरू (क्रमशः क्रिस्टल वा तहहरू) को स्ट्याकहरू मिलेर बनेका छन्, जसमध्ये केहीमा 10-20° को घुमाउरो बेमेल छ। FLG र MLG क्षेत्रहरू देखिने प्रकाशमा FS-NGF को पारदर्शिताका लागि जिम्मेवार छन्। पछाडिको पानाहरूको लागि, तिनीहरू अगाडि पानाहरूसँग समानान्तर बोक्न सकिन्छ र, देखाइए अनुसार, कार्यात्मक उद्देश्य हुन सक्छ (उदाहरणका लागि, ग्याँस पत्ता लगाउनको लागि)। यी अध्ययनहरू औद्योगिक स्तरको CVD प्रक्रियाहरूमा अपशिष्ट र लागत कम गर्न धेरै उपयोगी छन्।
सामान्यतया, CVD NGF को औसत मोटाई (कम र बहु-तह) ग्रेफिन र औद्योगिक (माइक्रोमिटर) ग्रेफाइट पानाहरू बीच हुन्छ। तिनीहरूको चाखलाग्दो गुणहरूको दायरा, हामीले तिनीहरूको उत्पादन र यातायातको लागि विकास गरेको सरल विधिको साथमा, यी चलचित्रहरूलाई हाल प्रयोग गरिने ऊर्जा-गहन औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियाहरूको खर्च बिना ग्रेफाइटको कार्यात्मक प्रतिक्रिया चाहिने अनुप्रयोगहरूको लागि विशेष रूपमा उपयुक्त बनाउँछ।
एक 25-μm-बाक्लो निकल पन्नी (99.5% शुद्धता, Goodfellow) एक व्यावसायिक CVD रिएक्टर (Aixtron 4-inch BMPro) मा स्थापित गरिएको थियो। प्रणाली आर्गनको साथ शुद्ध गरियो र 10-3 mbar को आधार दबावमा खाली गरियो। त्यसपछि निकल पन्नी राखिएको थियो। Ar/H2 मा (5 मिनेटको लागि Ni पन्नीलाई पूर्व-एनिल गरिसकेपछि, पन्नीलाई 900 °C मा 500 mbar को दबाबमा उजागर गरियो। NGF 5 मिनेटको लागि CH4/H2 (प्रत्येक 100 सेमी3) को प्रवाहमा जम्मा गरियो। त्यसपछि नमूनालाई ४० डिग्री सेल्सियस/मिनेटमा एर फ्लो (४००० सेमी ३) को प्रयोग गरी ७०० डिग्री सेल्सियसभन्दा कम तापमानमा कूल गरिएको थियो।
नमूनाको सतह आकारविज्ञान SEM द्वारा Zeiss Merlin माइक्रोस्कोप (1 kV, 50 PA) को प्रयोग गरेर कल्पना गरिएको थियो। नमूना सतह खुरदरा र NGF मोटाई AFM (आयाम आइकन SPM, Bruker) प्रयोग गरेर मापन गरिएको थियो। TEM र SAED मापन अन्तिम परिणामहरू प्राप्त गर्न उच्च चमक क्षेत्र उत्सर्जन बन्दूक (300 kV), एक FEI Wien प्रकार मोनोक्रोमेटर र एक CEOS लेन्स गोलाकार विकृति सुधारकले सुसज्जित FEI Titan 80-300 Cubed माइक्रोस्कोप प्रयोग गरी गरिएको थियो। स्थानिय रिजोलुसन ०.०९ एनएम। NGF नमूनाहरू फ्ल्याट TEM इमेजिङ र SAED संरचना विश्लेषणको लागि कार्बन लेसी लेपित तामा ग्रिडहरूमा स्थानान्तरण गरियो। यसरी, अधिकांश नमूना फ्लोक्सहरू समर्थन झिल्लीको छिद्रहरूमा निलम्बित हुन्छन्। स्थानान्तरण गरिएको NGF नमूनाहरू XRD द्वारा विश्लेषण गरिएको थियो। एक्स-रे विवर्तन ढाँचाहरू पाउडर डिफ्राक्टोमिटर (Brucker, Cu Kα स्रोत, 1.5418 Å र LYNXEYE डिटेक्टरको साथ D2 फेज सिफ्टर) 3 मिमीको बीम स्पट व्यासको साथ Cu विकिरण स्रोत प्रयोग गरेर प्राप्त गरियो।
धेरै रामन बिन्दु मापन एक एकीकृत कन्फोकल माइक्रोस्कोप (अल्फा 300 RA, WITeC) प्रयोग गरेर रेकर्ड गरियो। कम उत्तेजना शक्ति (25%) संग 532 nm लेजर थर्मल प्रेरित प्रभावबाट बच्न प्रयोग गरिएको थियो। एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रोन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) Kratos Axis Ultra spectrometer मा 300 × 700 μm2 को नमूना क्षेत्र मा मोनोक्रोमेटिक Al Kα विकिरण (hν = 1486.6 eV) को प्रयोग गरेर 150 W को शक्ति मा प्रदर्शन गरिएको थियो। रिजोलुसन स्पेक्ट्रा मा प्राप्त गरियो। क्रमशः 160 eV र 20 eV को प्रसारण ऊर्जा। SiO2 मा हस्तान्तरण गरिएका NGF नमूनाहरूलाई 30 W मा PLS6MW (1.06 μm) ytterbium फाइबर लेजर प्रयोग गरेर टुक्राहरूमा काटियो (3 × 10 mm2 प्रत्येक)। तामाको तार सम्पर्कहरू (50 μm बाक्लो) अप्टिकल माइक्रोस्कोप अन्तर्गत चाँदीको पेस्ट प्रयोग गरेर बनाइएको थियो। विद्युतीय यातायात र हल प्रभाव प्रयोगहरू यी नमूनाहरूमा 300 K मा र चुम्बकीय क्षेत्र भिन्नता ± 9 टेस्ला भौतिक गुण मापन प्रणाली (PPMS EverCool-II, क्वान्टम डिजाइन, USA) मा गरिएको थियो। ट्रान्समिटेड यूभी–भिस स्पेक्ट्रा क्वार्ट्ज सब्सट्रेट र क्वार्ट्ज सन्दर्भ नमूनाहरूमा हस्तान्तरण गरिएको 350–800 एनएम एनजीएफ दायरामा Lambda 950 UV-vis स्पेक्ट्रोफोटोमिटर प्रयोग गरेर रेकर्ड गरियो।
रासायनिक प्रतिरोध सेन्सर (इन्टरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड चिप) लाई कस्टम मुद्रित सर्किट बोर्ड 73 मा तार गरिएको थियो र प्रतिरोध क्षणिक रूपमा निकालिएको थियो। प्रिन्ट गरिएको सर्किट बोर्ड जसमा यन्त्र अवस्थित छ सम्पर्क टर्मिनलहरूसँग जोडिएको छ र ग्यास सेन्सिङ चेम्बर 74 भित्र राखिएको छ। प्रतिरोधी मापनहरू 1 V को भोल्टेजमा पर्जबाट ग्यास एक्सपोजरसम्म निरन्तर स्क्यान गरी लिइयो र त्यसपछि फेरि सफा गर्नुहोस्। चेम्बरलाई सुरुमा 200 सेमी 3 मा 1 घण्टाको लागि नाइट्रोजनको साथ सफा गरेर चेम्बरमा उपस्थित अन्य सबै विश्लेषकहरू हटाउन सुनिश्चित गर्न, नमी सहित सफा गरिएको थियो। व्यक्तिगत विश्लेषकहरू त्यसपछि बिस्तारै N2 सिलिन्डर बन्द गरेर 200 सेमी 3 को समान प्रवाह दरमा च्याम्बरमा जारी गरियो।
यस लेखको संशोधित संस्करण प्रकाशित गरिएको छ र लेखको शीर्षमा रहेको लिङ्क मार्फत पहुँच गर्न सकिन्छ।
Inagaki, M. र Kang, F. कार्बन सामग्री विज्ञान र इन्जिनियरिङ्: आधारभूत। दोस्रो संस्करण सम्पादन गरिएको छ। 2014. 542।
पियर्सन, कार्बन, ग्रेफाइट, डायमंड र फुलरेन्सको एचओ ह्यान्डबुक: गुणहरू, प्रशोधन र अनुप्रयोगहरू। पहिलो संस्करण सम्पादन गरिएको छ। 1994, न्यू जर्सी।
Tsai, W. et al। पारदर्शी पातलो प्रवाहकीय इलेक्ट्रोडको रूपमा ठूलो क्षेत्र बहु-स्तर ग्राफिन/ग्रेफाइट फिल्महरू। आवेदन। भौतिक विज्ञान। राइट। ९५(१२), १२३११५(२००९)।
Balandin AA graphene र nanostructured कार्बन सामग्री को थर्मल गुण। नाट। म्याट १०(८), ५६९–५८१ (२०११)।
Cheng KY, Brown PW र Cahill DG ग्रेफाइट फिल्महरूको थर्मल चालकता Ni (111) मा कम-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेप द्वारा बढेको छ। क्रियाविशेषण। म्याट इन्टरफेस 3, 16 (2016)।
हेस्जेडल, टी. रासायनिक वाष्प निक्षेप द्वारा ग्राफिन फिल्महरूको निरन्तर वृद्धि। आवेदन। भौतिक विज्ञान। राइट। ९८(१३), १३३१०६(२०११)।