Mèsi paske w vizite Nature.com. Vèsyon navigatè w ap itilize a gen sipò CSS limite. Pou pi bon rezilta, nou rekòmande pou w itilize yon vèsyon pi nouvo nan navigatè w la (oswa enfim mòd konpatibilite nan Internet Explorer). Antretan, pou asire sipò kontinyèl, nou ap montre sit la san style oswa JavaScript.
Fim nanokal grafit (NGFs) se nanomateryèl solid ki ka pwodwi pa depo katalitik vapè chimik, men kesyon yo rete sou fasilite transfè yo ak ki jan mòfoloji sifas afekte itilizasyon yo nan aparèy pwochen jenerasyon yo. Isit la nou rapòte kwasans lan nan NGF sou tou de bò nan yon papye nikèl polikristalin (zòn 55 cm2, epesè sou 100 nm) ak transfè polymère li yo (devan ak dèyè, zòn jiska 6 cm2). Akòz mòfoloji FOIL katalis la, de fim kabòn yo diferan nan pwopriyete fizik yo ak lòt karakteristik (tankou brutality sifas). Nou demontre ke NGF ki gen yon dèyè ki pi graj yo byen adapte pou deteksyon NO2, pandan y ap NGF pi dous ak plis kondiktif sou bò devan (2000 S / cm, rezistans fèy - 50 ohm / m2) ka kondiktè solid. chanèl oswa elektwòd selil solè a (piske li transmèt 62% limyè vizib). An jeneral, pwosesis kwasans ak transpò ki dekri yo ka ede reyalize NGF kòm yon materyèl kabòn altènatif pou aplikasyon teknolojik kote grafèn ak fim grafit micron-epè yo pa apwopriye.
Graphite se yon materyèl endistriyèl lajman itilize. Miyò, grafit gen pwopriyete relativman ba dansite mas ak segondè nan avyon konduktiviti tèmik ak elektrik, epi li trè estab nan anviwònman piman bouk tèmik ak chimik1,2. Flake graphite se yon byen koni materyèl kòmanse pou rechèch graphene3. Lè trete nan fim mens, li ka itilize nan yon pakèt aplikasyon, ki gen ladan koule chalè pou aparèy elektwonik tankou smartphones4,5,6,7, kòm yon materyèl aktif nan detèktè8,9,10 ak pou pwoteksyon entèferans elektwomayetik11. 12 ak fim pou litografi nan ekstrèm iltravyolèt13,14, fè chanèl nan selil solè15,16. Pou tout aplikasyon sa yo, li ta yon avantaj enpòtan si gwo zòn nan fim grafit (NGFs) ak epesè kontwole nan nanoskal la <100 nm ta ka fasil pwodwi ak transpòte.
Fim grafit yo pwodui pa plizyè metòd. Nan yon ka, entegre ak ekspansyon ki te swiv pa èksfolyasyon yo te itilize yo pwodwi flak grafèn10,11,17. Flak yo dwe plis trete nan fim nan epesè ki nesesè yo, epi li souvan pran plizyè jou yo pwodwi fèy grafit dans. Yon lòt apwòch se kòmanse ak précurseurs solid grafit. Nan endistri, fèy polymères yo kabonize (nan 1000-1500 °C) ak Lè sa a, grafitize (nan 2800-3200 °C) yo fòme byen estriktire materyèl kouch. Malgre ke bon jan kalite a nan fim sa yo se wo, konsomasyon nan enèji se significant1,18,19 ak epesè minimòm-nan limite a sa sèlman kèk microns1,18,19,20.
Catalytic chimik depo vapè (CVD) se yon metòd byen li te ye pou pwodwi grafèn ak ultramens fim grafit (<10 nm) ak bon jan kalite estriktirèl segondè ak pri rezonab21,22,23,24,25,26,27. Sepandan, konpare ak kwasans grafèn ak fim grafit ultramens28, kwasans gwo zòn ak / oswa aplikasyon NGF lè l sèvi avèk CVD se menm mwens eksplore11,13,29,30,31,32,33.
Fim grafèn ak grafit ki devlope CVD yo souvan bezwen transfere sou substrats fonksyonèl34. Transfè fim mens sa yo enplike de metòd prensipal35: (1) transfè ki pa etch36,37 ak (2) transfè chimik mouye ki baze sou etch (substra sipòte)14,34,38. Chak metòd gen kèk avantaj ak dezavantaj epi yo dwe chwazi selon aplikasyon an gen entansyon, jan sa dekri yon lòt kote35,39. Pou fim grafèn / grafit grandi sou substrats katalitik, transfere atravè pwosesis chimik mouye (ki polymethyl metakrilat (PMMA) se kouch sipò ki pi souvan itilize) rete premye chwa13,30,34,38,40,41,42. Ou et al. Li te mansyone ke pa gen okenn polymère te itilize pou transfè NGF (gwosè echantiyon apeprè 4 cm2) 25,43, men pa gen okenn detay yo te bay konsènan estabilite echantiyon ak / oswa manyen pandan transfè; Pwosesis chimi mouye lè l sèvi avèk polymère konpoze de plizyè etap, ki gen ladan aplikasyon an ak retire ki vin apre nan yon kouch polymère sakrifis30,38,40,41,42. Pwosesis sa a gen dezavantaj: pou egzanp, résidus polymère ka chanje pwopriyete yo nan fim nan grandi38. Pwosesis adisyonèl ka retire polymère rezidyèl, men etap adisyonèl sa yo ogmante pri a ak tan nan pwodiksyon fim38,40. Pandan kwasans CVD, yon kouch grafèn depoze pa sèlman sou bò devan FOIL katalis la (bò ki fè fas a koule vapè a), men tou sou bò dèyè li. Sepandan, lèt la konsidere kòm yon pwodwi dechè epi yo ka byen vit retire pa plasma mou38,41. Resiklaj fim sa a ka ede maksimize sede, menm si li pi ba pase fim kabòn figi.
Isit la, nou rapòte preparasyon an nan wafer-echèl kwasans bifacial nan NGF ak bon jan kalite segondè estriktirèl sou papye nikèl polikristalin pa CVD. Li te evalye ki jan brutality nan sifas la devan ak dèyè nan FOIL la afekte mòfoloji a ak estrikti nan NGF. Nou demontre tou pri-efikas ak zanmitay anviwònman an transfè polymère-gratis nan NGF soti nan tou de bò nan papye nikèl sou substra multifonksyonèl epi montre ki jan fim yo devan ak dèyè yo apwopriye pou aplikasyon pou divès kalite.
Seksyon sa yo diskite sou diferan epesè fim grafit depann sou kantite kouch grafèn anpile: (i) grafèn yon sèl kouch (SLG, 1 kouch), (ii) grafèn kouch kèk (FLG, <10 kouch), (iii) grafèn plizyè kouch ( MLG, 10-30 kouch) ak (iv) NGF (~300 kouch). Lèt la se epesè ki pi komen ki eksprime kòm yon pousantaj nan zòn (apeprè 97% zòn pou chak 100 µm2)30. Se poutèt sa tout fim nan tou senpleman rele NGF.
Foil nikèl polikristalin yo itilize pou sentèz grafèn ak fim grafit gen diferan teksti kòm yon rezilta nan fabrike yo ak pwosesis ki vin apre yo. Nou fèk rapòte yon etid pou optimize pwosesis kwasans NGF30. Nou montre ke paramèt pwosesis tankou tan recuit ak presyon chanm pandan etap kwasans lan jwe yon wòl enpòtan nan jwenn NGF nan epesè inifòm. Isit la, nou plis envestige kwasans lan nan NGF sou sifas poli devan (FS) ak tounen unpolished (BS) nan papye nikèl (Fig. 1a). Twa kalite echantiyon FS ak BS yo te egzamine, ki nan lis nan Tablo 1. Sou enspeksyon vizyèl, kwasans inifòm nan NGF sou tou de bò nan FOIL nikèl la (NiAG) ka wè pa chanjman an koulè nan substra Ni esansyèl la soti nan yon ajan metalik karakteristik. gri nan yon koulè gri ma (figi 1a); mezi mikwoskopik yo te konfime (figi 1b, c). Yon spectre Raman tipik nan FS-NGF yo obsève nan rejyon an klere epi ki endike pa flèch wouj, ble ak zoranj nan Figi 1b montre nan Figi 1c. Karakteristik pik Raman nan grafit G (1683 cm-1) ak 2D (2696 cm-1) konfime kwasans lan nan NGF trè cristalline (Fig. 1c, Tablo SI1). Pandan tout fim nan, yo te obsève yon dominasyon nan espèk Raman ak rapò entansite (I2D / IG) ~ 0.3, pandan y ap espèk Raman ak I2D / IG = 0.8 raman obsève. Absans nan pik ki defektye (D = 1350 cm-1) nan fim nan tout antye endike bon jan kalite a segondè nan kwasans NGF. Menm jan rezilta Raman yo te jwenn sou echantiyon BS-NGF (Figi SI1 a ak b, Tablo SI1).
Konparezon NiAG FS- ak BS-NGF: (a) Foto yon echantiyon tipik NGF (NiAG) ki montre kwasans NGF nan echèl wafer (55 cm2) ak echantiyon papye BS- ak FS-Ni ki kapab lakòz yo, (b) FS-NGF Imaj / Ni jwenn pa yon mikwoskòp optik, (c) espèk Raman tipik anrejistre nan diferan pozisyon nan panèl b, (d, f) imaj SEM nan diferan agrandisman sou FS-NGF/Ni, (e, g) imaj SEM nan diferan agrandisman Ansanm BS -NGF/Ni. Flèch ble a endike rejyon FLG, flèch zoranj la endike rejyon MLG (tou pre rejyon FLG), flèch wouj la endike rejyon NGF, ak flèch magenta a pliye.
Depi kwasans depann sou epesè substrate inisyal la, gwosè kristal, oryantasyon, ak fwontyè grenn jaden, reyalize kontwòl rezonab nan epesè NGF sou gwo zòn rete yon defi20,34,44. Etid sa a te itilize kontni nou te pibliye deja30. Pwosesis sa a pwodui yon rejyon klere nan 0.1 a 3% pou chak 100 µm230. Nan seksyon sa yo, nou prezante rezilta pou tou de kalite rejyon yo. Imaj SEM gwo agrandisman montre prezans plizyè zòn kontras klere sou tou de bò (Fig. 1f, g), ki endike prezans FLG ak MLG rejyon30,45. Sa a te konfime tou pa gaye Raman (Fig. 1c) ak rezilta TEM (diskite pita nan seksyon "FS-NGF: estrikti ak pwopriyete"). Rejyon FLG ak MLG yo obsève sou echantiyon FS- ak BS-NGF/Ni (devan ak dèyè NGF grandi sou Ni) ka grandi sou gwo Ni (111) grenn ki te fòme pandan pre-annealing22,30,45. Pliye yo te obsève sou tou de bò (Fig. 1b, make ak flèch koulè wouj violèt). Plis sa yo souvan jwenn nan fim grafèn ak grafit CVD-grandi akòz gwo diferans nan koyefisyan ekspansyon tèmik ant grafit la ak substra nikèl la30,38.
Imaj AFM la konfime ke echantiyon FS-NGF la te pi plat pase echantiyon BS-NGF (Figi SI1) (Figi SI2). Valè brutality rasin mwayen kare (RMS) FS-NGF/Ni (figi SI2c) ak BS-NGF/Ni (figi SI2d) se 82 ak 200 nm, respektivman (mezire sou yon zòn 20 × 20 μm2). Ka pi wo brutality la dwe konprann ki baze sou analiz sifas la nan nikèl la (NiAR) FOIL nan eta a kòm-resevwa (Figi SI3). Imaj SEM nan FS ak BS-NiAR yo montre nan Figi SI3a–d, ki demontre diferan mòfoloji sifas: poli FS-Ni FOIL gen nano- ak mikron-gwosè patikil esferik, pandan y ap unpolished BS-Ni FOIL montre yon nechèl pwodiksyon. kòm patikil ki gen gwo fòs. ak bès. Imaj rezolisyon ba ak segondè nan papye nikèl rkwit (NiA) yo montre nan Figi SI3e–h. Nan figi sa yo, nou ka obsève prezans plizyè patikil nikèl ki menm gwosè ak mikro sou tou de bò papye nikèl la (figi SI3e–h). Grenn gwo ka gen yon oryantasyon sifas Ni (111), jan yo te rapòte deja30,46. Gen diferans enpòtan nan mòfoloji papye nikèl ant FS-NiA ak BS-NiA. Pi wo brutality nan BS-NGF/Ni se akòz sifas la unpolished nan BS-NiAR, sifas la ki rete siyifikativman ki graj menm apre rkwir (Figi SI3). Sa a ki kalite karakterizasyon sifas anvan pwosesis kwasans lan pèmèt brutality nan grafèn ak fim grafit yo dwe kontwole. Li ta dwe remake ke substra orijinal la te sibi kèk reòganizasyon grenn jaden pandan kwasans grafèn, ki yon ti kras diminye gwosè a grenn ak yon ti jan ogmante brutality sifas la nan substra a konpare ak fim nan rkwit ak katalis fim22.
Afine akor sifas substra a brutality, tan annealing (gwosè grenn) 30,47 ak kontwòl lage43 pral ede diminye inifòmite epesè rejyonal NGF nan echèl la µm2 ak / oswa menm nm2 (sa vle di, varyasyon epesè nan kèk nanomèt). Pou kontwole brutality sifas substra a, yo ka konsidere metòd tankou polisaj elektwolitik nan papye nikèl ki kapab lakòz yo48. Lè sa a, papye nikèl pretreated la ka rkwit nan yon tanperati ki pi ba (< 900 °C) 46 ak tan (< 5 min) pou fè pou evite fòmasyon nan gwo Ni (111) grenn (ki se benefisye pou kwasans FLG).
SLG ak FLG grafèn pa kapab kenbe tèt ak tansyon sifas asid ak dlo, ki mande kouch sipò mekanik pandan pwosesis transfè chimik mouye22,34,38. Kontrèman ak transfè chimik mouye nan polymère-sipòte yon sèl-kouch graphene38, nou te jwenn ke tou de bò nan NGF la kòm grandi yo ka transfere san sipò polymère, jan yo montre nan Figi 2a (gade Figi SI4a pou plis detay). Transfè NGF nan yon substra bay kòmanse ak grave mouye nan fim Ni30.49 ki kache. Echantiyon NGF/Ni/NGF ki grandi yo te mete lannwit lan nan 15 mL 70% HNO3 dilye ak 600 mL dlo deyonize (DI). Apre FOIL Ni a konplètman fonn, FS-NGF rete plat ak flote sou sifas likid la, jis tankou echantiyon NGF / Ni / NGF, pandan y ap BS-NGF benyen nan dlo (Fig. 2a, b). Lè sa a, NGF izole a te transfere soti nan yon sèl beaker ki gen dlo fre deyonize nan yon lòt gode ak NGF izole a te lave byen, repete kat a sis fwa nan plat la vè konkav. Finalman, FS-NGF ak BS-NGF yo te mete sou substra a vle (Fig. 2c).
Pwosesis transfè chimik mouye san polymère pou NGF ki grandi sou papye nikèl: (a) Dyagram koule pwosesis (gade Figi SI4 pou plis detay), (b) Foto dijital NGF separe apre Ni grave (2 echantiyon), (c) Egzanp FS - ak BS-NGF transfè nan SiO2 / Si substra, (d) FS-NGF transfè nan substra polymère opak, (e) BS-NGF soti nan echantiyon an menm jan ak panèl d (divize an de pati), transfere nan lò plake C papye ak Nafion (substra fleksib transparan, bor make ak kwen wouj).
Remake byen ke transfè SLG ki fèt ak metòd transfè chimik mouye mande pou yon tan total pwosesis 20–24 èdtan 38 . Avèk teknik transfè san polymère demontre isit la (Figi SI4a), tan an jeneral pwosesis transfè NGF redwi siyifikativman (apeprè 15 èdtan). Pwosesis la konsiste de: (Etap 1) Prepare yon solisyon grave epi mete echantiyon an ladan l (~10 minit), apresa tann lannwit lan pou Ni grave (~7200 minit), (Etap 2) Rense l avèk dlo deyonize (Etap - 3) . estoke nan dlo deyonize oswa transfere nan substra sib (20 min). Dlo kwense ant NGF a ak matris esansyèl la retire pa aksyon kapilè (lè l sèvi avèk papye blotting)38, Lè sa a, ti gout dlo ki rete yo retire pa siye natirèl (apeprè 30 min), epi finalman echantiyon an seche pou 10 min. min nan yon fou vakyòm (10-1 mbar) nan 50-90 °C (60 min) 38.
Graphite se li te ye pou kenbe tèt ak prezans nan dlo ak lè nan tanperati jistis wo (≥ 200 °C)50,51,52. Nou teste echantiyon yo lè l sèvi avèk Raman spèktroskopi, SEM, ak XRD apre yo fin estoke nan dlo deyonize nan tanperati chanm ak nan boutèy ki fèmen pou nenpòt kote soti nan kèk jou a yon ane (Figi SI4). Pa gen okenn degradasyon aparan. Figi 2c montre FS-NGF endepandan ak BS-NGF nan dlo deyonize. Nou te kaptire yo sou yon SiO2 (300 nm) / Si substra, jan yo montre nan kòmansman Figi 2c. Anplis de sa, jan yo montre nan Figi 2d, e, NGF kontinyèl ka transfere nan divès kalite substrats tankou polymère (Thermabright polyamid soti nan Nexolve ak Nafion) ak papye kabòn lò-kouvwi. FS-NGF k ap flote a te fasil mete sou substra sib la (figi 2c, d). Sepandan, echantiyon BS-NGF ki pi gwo pase 3 cm2 te difisil pou okipe lè yo te plonje nèt nan dlo. Anjeneral, lè yo kòmanse woule nan dlo, akòz manyen neglijans yo pafwa kraze an de oswa twa pati (Fig. 2e). An jeneral, nou te kapab reyalize transfè polymère-gratis nan PS- ak BS-NGF (kontinyèl transfè san pwoblèm san kwasans NGF/Ni/NGF nan 6 cm2) pou echantiyon jiska 6 ak 3 cm2 nan zòn, respektivman. Nenpòt ki rès gwo oswa ti moso ka (fasil wè nan solisyon an grave oswa dlo deyonize) sou substra a vle (~1 mm2, Figi SI4b, gade echantiyon transfere nan griy kwiv tankou nan "FS-NGF: Estrikti ak Pwopriyete (diskite) anba "Estrikti ak Pwopriyete") oswa magazen pou itilize nan lavni (Figi SI4). Dapre kritè sa a, nou estime ke NGF ka refè nan pwodiksyon ki rive jiska 98-99% (apre kwasans pou transfè).
Yo te analize echantiyon transfè san polymère an detay. Karakteristik mòfolojik sifas yo jwenn sou FS- ak BS-NGF/SiO2/Si (figi 2c) lè l sèvi avèk mikwoskospi optik (OM) ak imaj SEM (figi SI5 ak fig. 3) te montre ke echantiyon sa yo te transfere san mikwoskòp. Domaj estriktirèl vizib tankou fant, twou, oswa zòn dewoule. Pli yo sou NGF k ap grandi a (figi 3b, d, make pa flèch koulè wouj violèt) rete entak apre transfere. Tou de FS- ak BS-NGF yo konpoze de rejyon FLG (rejyon klere endike pa flèch ble nan Figi 3). Etonan, nan kontrèman ak kèk rejyon ki domaje yo anjeneral obsève pandan transfè polymère nan fim grafit ultramins, plizyè rejyon FLG ak MLG ki gwosè mikro ki konekte ak NGF a (ki make pa flèch ble nan Figi 3d) yo te transfere san fant oswa kraze (Figi 3d) . 3). . Entegrite mekanik te konfime plis lè l sèvi avèk imaj TEM ak SEM nan NGF transfere sou griy kwiv dantèl-kabòn, jan yo diskite pita ("FS-NGF: Estrikti ak Pwopriyete"). BS-NGF/SiO2/Si transfere a pi gra pase FS-NGF/SiO2/Si ak valè rms nan 140 nm ak 17 nm, respektivman, jan yo montre nan Figi SI6a ak b (20 × 20 μm2). Valè RMS NGF transfere sou substra SiO2/Si (RMS < 2 nm) siyifikativman pi ba (apeprè 3 fwa) pase NGF ki grandi sou Ni (Figi SI2), sa ki endike ke brutality adisyonèl la ka koresponn ak sifas Ni a. Anplis de sa, imaj AFM fèt sou bor yo nan echantiyon FS- ak BS-NGF / SiO2 / Si te montre epesè NGF nan 100 ak 80 nm, respektivman (figi SI7). Epesè ki pi piti nan BS-NGF ka yon rezilta nan sifas la pa dirèkteman ekspoze a gaz la précurseur.
Transfere NGF (NiAG) san polymère sou SiO2 / Si wafer (gade Figi 2c): (a, b) SEM imaj nan transfere FS-NGF: ba ak gwo agrandisman (ki koresponn ak kare zoranj la nan panèl la). Zòn tipik) – a). (c, d) Imaj SEM nan transfere BS-NGF: ba ak gwo agrandisman (korespondan ak zòn tipik yo montre nan kare zoranj la nan panèl c). (e, f) imaj AFM nan FS- ak BS-NGF transfere yo. Flèch ble reprezante rejyon FLG - kontras klere, flèch cyan - kontras MLG nwa, flèch wouj - kontras nwa reprezante rejyon NGF, flèch magenta reprezante pliye a.
Konpozisyon chimik grandi ak transfere FS- ak BS-NGF yo te analize pa X-ray photoelectron spèktroskopi (XPS) (Fig. 4). Yo te obsève yon pik fèb nan spectre yo mezire (figi 4a, b), ki koresponn ak substra a Ni (850 eV) nan grandi FS- ak BS-NGFs (NiAG). Pa gen okenn pik nan spectre yo mezire nan transfere FS- ak BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 4c; rezilta menm jan an pou BS-NGF / SiO2 / Si yo pa montre), ki endike ke pa gen okenn kontaminasyon rezidyèl Ni apre transfere. . Figi 4d–f montre spectre segondè rezolisyon C 1 s, O 1 s ak Si 2p nivo enèji FS-NGF/SiO2/Si. Enèji obligatwa C 1 s grafit se 284.4 eV53.54. Fòm lineyè pik grafit jeneralman konsidere kòm asimetri, jan yo montre nan Figi 4d54. Gwo rezolisyon nwayo-nivo C 1 s spectre (Fig. 4d) konfime tou transfè pi (sa vle di, pa gen okenn rezidi polymère), ki se ki konsistan avèk etid anvan yo38. Lajè liy yo nan spectre C 1 s nan echantiyon ki fèk grandi (NiAG) ak apre transfè yo se 0.55 ak 0.62 eV, respektivman. Valè sa yo pi wo pase sa yo ki nan SLG (0.49 eV pou SLG sou yon substra SiO2)38. Sepandan, valè sa yo pi piti pase lajè liy yo te rapòte deja pou echantiyon grafèn pirolitik trè oryante (~ 0.75 eV) 53,54,55, ki endike absans sit kabòn ki defektye nan materyèl aktyèl la. C 1 s ak O 1 s spectre nivo tè yo tou manke zepòl, elimine nesesite pou gwo rezolisyon dekonvolusyon pik54. Gen yon pik satelit π → π* alantou 291.1 eV, ki souvan obsève nan echantiyon grafit. Siyal 103 eV ak 532.5 eV nan spectre nivo nwayo Si 2p ak O 1 s (gade Fig. 4e, f) yo atribiye nan substra SiO2 56 la, respektivman. XPS se yon teknik sifas sansib, kidonk siyal ki koresponn ak Ni ak SiO2 detekte anvan ak apre transfè NGF, respektivman, yo sipoze soti nan rejyon FLG. Rezilta menm jan an te obsève pou echantiyon BS-NGF transfere (pa montre).
NiAG XPS rezilta: (ac) Sondaj spectre nan konpozisyon atomik elemantè diferan nan grandi FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ak transfere FS-NGF/SiO2/Si, respektivman. (d–f) Spectre gwo rezolisyon nan nivo nwayo C 1 s, O 1s ak Si 2p echantiyon FS-NGF/SiO2/Si.
Bon jan kalite a an jeneral nan kristal NGF transfere yo te evalye lè l sèvi avèk difraksyon X-ray (XRD). Modèl XRD tipik (Fig. SI8) nan transfere FS- ak BS-NGF/SiO2/Si montre prezans nan pik diffraction (0 0 0 2) ak (0 0 0 4) nan 26.6 ° ak 54.7 °, menm jan ak grafit. . Sa a konfime bon jan kalite segondè cristalline nan NGF ak koresponn ak yon distans interlayer nan d = 0.335 nm, ki se konsève apre etap la transfè. Entansite pik la diffraction (0 0 0 2) se apeprè 30 fwa pik la diffraction (0 0 0 4), ki endike ke avyon an kristal NGF byen aliyen ak sifas echantiyon an.
Dapre rezilta yo nan SEM, Raman spèktroskopi, XPS ak XRD, yo te jwenn bon jan kalite a nan BS-NGF/Ni yo menm ak sa yo ki nan FS-NGF/Ni, byenke brutality rms li yo te yon ti kras pi wo (Figi SI2, SI5) ak SI7).
SLG ak kouch sipò polymère jiska 200 nm epè ka flote sou dlo. Se konfigirasyon sa a souvan itilize nan pwosesis transfè chimik mouye ki ede polymère22,38. Grafèn ak grafit idrofob (ang mouye 80–90°) 57 . Sifas enèji potansyèl tou de grafèn ak FLG yo te rapòte yo byen plat, ak enèji potansyèl ki ba (~1 kJ / mol) pou mouvman lateral dlo nan sifas la58. Sepandan, enèji entèraksyon yo kalkile nan dlo ak grafèn ak twa kouch grafèn yo apeprè - 13 ak - 15 kJ / mol, 58 respektivman, ki endike ke entèraksyon an nan dlo ak NGF (apeprè 300 kouch) pi ba konpare ak grafèn. Sa a ka youn nan rezon ki fè NGF endepandan rete plat sou sifas dlo a, pandan y ap grafèn endepandan (ki flote nan dlo) boukle ak kraze. Lè NGF konplètman benyen nan dlo (rezilta yo se menm pou NGF ki graj ak plat), bor li yo pliye (Figi SI4). Nan ka a nan imèsyon konplè, li espere ke enèji nan entèraksyon NGF-dlo prèske double (konpare ak k ap flote NGF) e ke bor yo nan NGF a pliye kenbe yon ang kontak segondè (idrofobisite). Nou kwè ke estrateji yo ka devlope pou fè pou evite boukle bor yo nan NGF entegre. Yon apwòch se sèvi ak solvang melanje pou modile reyaksyon mouye fim grafit la59.
Transfè SLG nan divès kalite substrats atravè pwosesis transfè chimik mouye yo te deja rapòte. Li jeneralman aksepte ke fòs van der Waals fèb egziste ant fim grafèn / grafit ak substrats (se pou li substrats rijid tankou SiO2 / Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si poto22 ak fim kabòn dantèl30, 34 oswa substrats fleksib. tankou poliimid 37). Isit la nou sipoze ke entèraksyon nan menm kalite a domine. Nou pa t obsève okenn domaj oswa dekale nan NGF pou nenpòt nan substra yo prezante isit la pandan manyen mekanik (pandan karakterizasyon anba vakyòm ak / oswa kondisyon atmosferik oswa pandan depo) (egzanp, Figi 2, SI7 ak SI9). Anplis de sa, nou pa t 'obsève yon pik SiC nan spectre XPS C 1 s nan nivo debaz echantiyon NGF / SiO2 / Si (figi 4). Rezilta sa yo endike ke pa gen okenn lyen chimik ant NGF ak substra sib la.
Nan seksyon anvan an, "Transfè polymère-gratis nan FS- ak BS-NGF," nou te demontre ke NGF ka grandi ak transfere sou tou de bò nan papye nikèl. FS-NGF sa yo ak BS-NGF yo pa idantik an tèm de brutality sifas, ki te pouse nou eksplore aplikasyon ki pi apwopriye pou chak kalite.
Lè nou konsidere transparans ak sifas douser nan FS-NGF, nou etidye estrikti lokal li yo, pwopriyete optik ak elektrik an plis detay. Estrikti a ak estrikti nan FS-NGF san transfè polymère yo te karakterize pa transmisyon mikwoskospi elektwonik (TEM) D 'ak chwazi zòn difraksyon elèktron (SAED) analiz modèl. Rezilta yo korespondan yo montre nan Figi 5. Ba agrandisman planar TEM D revele prezans nan rejyon NGF ak FLG ak diferan karakteristik kontras elektwon, sa vle di zòn ki pi fonse ak pi klere, respektivman (Fig. 5a). Fim nan an jeneral montre bon entegrite mekanik ak estabilite ant diferan rejyon yo nan NGF ak FLG, ak bon sipèpoze epi pa gen okenn domaj oswa chire, ki te konfime tou pa SEM (Figi 3) ak etid TEM gwo agrandisman (Figi 5c-e). An patikilye, nan Figi Figi 5d montre estrikti pon an nan pi gwo pati li yo (pozisyon ki make pa flèch nwa pwentiye nan Figi 5d), ki karakterize pa yon fòm triyangilè ak konsiste de yon kouch grafèn ak yon lajè apeprè 51 . Konpozisyon an ak yon espas entèrplanèr nan 0.33 ± 0.01 nm plis redwi a plizyè kouch grafèn nan rejyon ki pi etwat (fen nan flèch la solid nwa nan Figi 5 d).
Imaj planar TEM nan yon echantiyon NiAG san polymère sou yon griy kwiv lacy kabòn: (a, b) Imaj TEM agrandisman ki ba ki gen ladan rejyon NGF ak FLG, (ce) Imaj gwo agrandisman nan divès rejyon nan panèl-a ak panèl-b yo. make flèch ki gen menm koulè. Flèch vèt nan panno a ak c endike zòn sikilè domaj pandan aliyman gwo bout bwa. (f–i) Nan panno a a c, modèl SAED nan diferan rejyon yo endike pa ti sèk ble, cyan, zoranj ak wouj, respektivman.
Estrikti riban nan Figi 5c montre (ki make ak yon flèch wouj) oryantasyon vètikal plan lasi grafit yo, ki ka akòz fòmasyon nanofolds sou fim nan (ansè nan Figi 5c) akòz depase estrès taye san konpansasyon30,61,62. . Anba gwo rezolisyon TEM, nanofolds 30 sa yo montre yon oryantasyon kristalografik diferan pase rès rejyon NGF la; plan debaz yo nan lasi grafit yo oryante prèske vètikal, olye ke orizontal tankou rès la nan fim nan (insert nan Figi 5c). Menm jan an tou, rejyon FLG detanzantan montre pliye lineyè ak etwat ki sanble ak bann (ki make pa flèch ble), ki parèt nan agrandisman ba ak mwayen nan Figi 5b, 5e, respektivman. Ankadreman nan Figi 5e konfime prezans kouch grafèn de ak twa kouch nan sektè FLG (distans entèplanè 0.33 ± 0.01 nm), ki an bon akò ak rezilta anvan nou yo30. Anplis de sa, imaj SEM anrejistre nan NGF ki pa polymère transfere sou griy kòb kwiv mete ak fim kabòn dantèl (apre yo fin fè mezi TEM anlè) yo montre nan Figi SI9. Rejyon FLG ki byen sispann (ki make ak flèch ble) ak rejyon ki kase a nan Figi SI9f. Flèch ble a (nan kwen NGF transfere a) espre prezante pou demontre ke rejyon FLG ka reziste pwosesis transfè a san polymère. An rezime, imaj sa yo konfime ke pasyèlman sispann NGF (ki gen ladan rejyon FLG) kenbe entegrite mekanik menm apre manyen solid ak ekspoze a vakyòm segondè pandan mezi TEM ak SEM (Figi SI9).
Akòz platite ekselan nan NGF (gade Figi 5a), li pa difisil pou oryante flak yo sou aks domèn [0001] pou analize estrikti SAED. Tou depan de epesè lokal la nan fim nan ak kote li yo, yo te idantifye plizyè rejyon nan enterè (12 pwen) pou etid difraksyon elèktron. Nan Figi 5a–c, kat nan rejyon tipik sa yo montre epi make ak ti sèk ki gen koulè pal (ble, cyan, zoranj, ak wouj kode). Figi 2 ak 3 pou mòd SAED. Figi 5f ak g yo te jwenn nan rejyon FLG yo montre nan Figi 5 ak 5. Jan yo montre nan Figi 5b ak c, respektivman. Yo gen yon estrikti egzagonal ki sanble ak grafèn trese63. An patikilye, Figi 5f montre twa modèl supèrpoz ak menm oryantasyon aks zòn [0001] la, vire pa 10° ak 20°, jan sa pwouve pa dezakò angilè twa pè (10-10) refleksyon yo. Menm jan an tou, Figi 5g montre de sipèpoze modèl egzagonal vire toutotou pa 20 °. De oswa twa gwoup modèl egzagonal nan rejyon FLG ka leve soti nan twa kouch grafèn nan plan oswa andeyò plan 33 vire youn ak lòt. Kontrèman, modèl difraksyon elèktron yo nan Figi 5h,i (ki koresponn ak rejyon NGF yo montre nan Figi 5a) montre yon sèl modèl [0001] ak yon entansite difraksyon jeneral ki pi wo, ki koresponn ak pi gwo epesè materyèl. Modèl SAED sa yo koresponn ak yon estrikti grafitik pi epè ak oryantasyon entèmedyè pase FLG, jan yo dedui nan endèks 64 la. Karakterizasyon pwopriyete yo kristalin nan NGF revele viv ansanm nan de oswa twa sipèpoze grafit (oswa grafèn) kristalit. Ki sa ki patikilyèman remakab nan rejyon FLG la se ke kristalit yo gen yon sèten degre nan move oryantasyon nan avyon oswa andeyò avyon. Patikil / kouch grafit ki gen ang wotasyon nan avyon an 17 °, 22 ° ak 25 ° te deja rapòte pou NGF grandi sou fim Ni 64. Valè ang wotasyon yo obsève nan etid sa a ki konsistan avèk ang wotasyon yo te deja obsève (± 1°) pou grafèn BLG63 trese.
Pwopriyete elektrik NGF/SiO2/Si yo te mezire nan 300 K sou yon zòn 10 × 3 mm2. Valè konsantrasyon transpòtè elèktron, mobilite ak konduktivite se 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ak 2000 S-cm-1, respektivman. Valè mobilite ak konduktiviti NGF nou an sanble ak grafit natirèl2 epi pi wo pase grafit pirolitik ki trè oryante ki disponib nan komès (ki pwodui nan 3000 °C)29. Valè konsantrasyon transpòtè elèktron yo obsève yo se de lòd nan grandè ki pi wo pase sa yo rapòte dènyèman (7.25 × 10 cm-3) pou fim grafit mikron-epè ki prepare lè l sèvi avèk fèy poliimid ki wo tanperati (3200 °C) 20 .
Nou menm tou nou te fè mezi UV-vizib transmisyon sou FS-NGF transfere nan substrats kwatz (Figi 6). Spectre ki kapab lakòz yo montre yon transmisyon prèske konstan nan 62% nan seri 350-800 nm, ki endike ke NGF se translusid nan limyè vizib. An reyalite, non "KAUST" ka wè nan foto dijital echantiyon an nan Figi 6b. Malgre ke estrikti nanokristalin nan NGF diferan de sa ki nan SLG, kantite kouch yo ka apeprè estime lè l sèvi avèk règ 2.3% pèt transmisyon pou chak kouch adisyonèl65. Dapre relasyon sa a, kantite kouch grafèn ak pèt transmisyon 38% se 21. NGF grandi sitou konsiste de 300 kouch grafèn, sa vle di apeprè 100 nm epè (figi 1, SI5 ak SI7). Se poutèt sa, nou sipoze ke transparans optik obsève a koresponn ak rejyon FLG ak MLG, paske yo distribiye nan tout fim nan (figi 1, 3, 5 ak 6c). Anplis done estriktirèl ki anwo yo, konduktivite ak transparans konfime tou bon jan kalite segondè cristalline nan NGF transfere a.
(a) UV-vizib transmisyon mezi, (b) tipik transfè NGF sou kwatz lè l sèvi avèk yon echantiyon reprezantan. (c) Chema NGF (bwat nwa) ak rejyon FLG ak MLG distribye egalman make kòm fòm gri o aza nan tout echantiyon an (gade Figi 1) (apeprè 0.1-3% zòn pou chak 100 μm2). Fòm yo o aza ak gwosè yo nan dyagram nan se pou rezon ilistrasyon sèlman epi yo pa koresponn ak zòn aktyèl yo.
Translusid NGF grandi pa CVD te deja transfere nan sifas Silisyòm fè epi yo te itilize nan selil solè15,16. Efikasite konvèsyon pouvwa ki kapab lakòz (PCE) se 1.5%. NGF sa yo fè plizyè fonksyon tankou kouch konpoze aktif, chemen transpò chaj, ak elektwòd transparan15,16. Sepandan, fim nan grafit pa inifòm. Plis optimize nesesè pa ak anpil atansyon kontwole rezistans nan fèy ak transmisyon optik nan elektwòd grafit la, depi de pwopriyete sa yo jwe yon wòl enpòtan nan detèmine valè PCE nan selil solè a 15,16. Tipikman, fim grafèn yo se 97.7% transparan nan limyè vizib, men yo gen yon rezistans fèy nan 200-3000 ohms / sq.16. Rezistans sifas fim grafèn yo ka redwi lè w ogmante kantite kouch (transfè plizyè kouch grafèn) ak dopaj ak HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Sepandan, pwosesis sa a pran yon bon bout tan ak kouch transfè diferan pa toujou kenbe bon kontak. NGF bò devan nou an gen pwopriyete tankou konduktivite 2000 S / cm, rezistans fèy fim 50 ohm / sq. ak 62% transparans, ki fè li yon altènatif solid pou chanèl kondiktif oswa kontwa elektwòd nan selil solè15,16.
Malgre ke estrikti ak chimi sifas BS-NGF yo sanble ak FS-NGF, brutality li diferan ("Kwasans FS- ak BS-NGF"). Précédemment, nou te itilize ultra-mens fim graphite22 kòm yon Capteur gaz. Se poutèt sa, nou teste posibilite pou itilize BS-NGF pou travay detèksyon gaz (Figi SI10). Premyèman, pòsyon mm2-gwosè nan BS-NGF yo te transfere sou chip detèktè elektwòd interdigitating la (Figi SI10a-c). Detay fabrikasyon chip la te deja rapòte; zòn sansib aktif li se 9 mm267. Nan imaj SEM yo (Figi SI10b ak c), elektwòd lò ki kache a vizib klèman atravè NGF la. Yon fwa ankò, li ka wè ke pwoteksyon inifòm chip te reyalize pou tout echantiyon. Yo te anrejistre mezi Capteur gaz nan divès gaz (Fig. SI10d) (Fig. SI11) ak pousantaj repons ki kapab lakòz yo montre nan Fig. SI10g. Gen anpil chans ak lòt gaz entèfere ki gen ladan SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ak NH3 (200 ppm). Youn nan kòz posib se NO2. nati elektwofil gaz la22,68. Lè adsorbed sou sifas la nan grafèn, li diminye absòpsyon aktyèl la nan elektwon pa sistèm nan. Yon konparezon done tan repons nan Capteur BS-NGF a ak detèktè ki te deja pibliye yo prezante nan Tablo SI2. Mekanis pou reaktive detèktè NGF lè l sèvi avèk plasma UV, plasma O3 oswa tretman tèmik (50-150 ° C) nan echantiyon ekspoze yo ap kontinye, depreferans swiv pa aplikasyon an nan sistèm entegre69.
Pandan pwosesis CVD la, kwasans grafèn fèt sou tou de bò substrate katalis la41. Sepandan, BS-grafèn anjeneral ekspilse pandan pwosesis transfè a41. Nan etid sa a, nou demontre ke kwasans NGF-wo kalite ak transfè NGF san polymère ka reyalize sou tou de bò sipò katalis la. BS-NGF se pi mens (~ 80 nm) pase FS-NGF (~ 100 nm), epi diferans sa a eksplike pa lefèt ke BS-Ni pa dirèkteman ekspoze a koule gaz la précurseur. Nou te jwenn tou ke brutality nan substra NiAR enfliyanse brutality nan NGF la. Rezilta sa yo endike ke FS-NGF planar grandi yo ka itilize kòm yon materyèl précurseur pou grafèn (pa metòd èksfolyasyon70) oswa kòm yon kanal konduktif nan selil solè15,16. Kontrèman, BS-NGF yo pral itilize pou deteksyon gaz (figi SI9) epi pètèt pou sistèm depo enèji71,72 kote brutality sifas li yo pral itil.
Lè ou konsidere pi wo a, li itil pou konbine travay aktyèl la ak fim grafit deja pibliye pa CVD ak lè l sèvi avèk papye nikèl. Jan nou ka wè nan Tablo 2, presyon ki pi wo nou itilize yo diminye tan reyaksyon an (etap kwasans) menm nan tanperati relativman ba (nan ranje 850-1300 °C). Nou te reyalize tou pi gwo kwasans pase nòmal, sa ki endike potansyèl pou ekspansyon. Gen lòt faktè yo konsidere, kèk nan yo ki nou te enkli nan tablo a.
Double-sided-wo kalite NGF te grandi sou papye nikèl pa CVD katalitik. Lè nou elimine substrats polymère tradisyonèl yo (tankou sa yo itilize nan grafèn CVD), nou reyalize transfè mouye pwòp epi san defo nan NGF (ki grandi sou do ak devan FOIL nikèl) nan yon varyete substrats ki enpòtan pou pwosesis. Miyò, NGF gen ladan rejyon FLG ak MLG (tipikman 0.1% a 3% pou chak 100 µm2) ki estriktirèl byen entegre nan fim nan pi epè. Planar TEM montre ke rejyon sa yo konpoze de pil de a twa patikil grafit/grafèn (kristal oswa kouch, respektivman), kèk nan yo ki gen yon dezekilib wotasyon nan 10-20 °. Rejyon FLG ak MLG yo responsab pou transparans FS-NGF nan limyè vizib. Kòm pou fèy papye dèyè yo, yo ka pote paralèl ak fèy papye yo devan epi, jan yo montre, yo ka gen yon objektif fonksyonèl (pou egzanp, pou deteksyon gaz). Etid sa yo trè itil pou diminye fatra ak depans nan pwosesis CVD echèl endistriyèl.
An jeneral, epesè an mwayèn nan CVD NGF manti ant (ba- ak milti-kouch) grafèn ak endistriyèl (mikwomèt) fèy grafit. Ranje a nan pwopriyete enteresan yo, konbine avèk metòd la senp nou te devlope pou pwodiksyon yo ak transpò, fè fim sa yo patikilyèman apwopriye pou aplikasyon ki mande repons fonksyonèl nan grafit, san yo pa depans lan nan enèji-entansif pwosesis pwodiksyon endistriyèl yo itilize kounye a.
Yon papye nikèl 25-μm-epè (99.5% pite, Goodfellow) te enstale nan yon réacteurs CVD komèsyal (Aixtron 4-pous BMPro). Sistèm nan te purge ak agon epi evakye nan yon presyon baz de 10-3 mbar. Lè sa a, yo te mete papye nikèl. nan Ar/H2 (Apre pre-annealing FOIL Ni a pou 5 min, FOIL la te ekspoze a yon presyon nan 500 mbar nan 900 °C. NGF te depoze nan yon koule nan CH4/H2 (100 cm3 chak) pou 5 min. Lè sa a, echantiyon an te refwadi nan tanperati ki anba a 700 °C lè l sèvi avèk Ar koule (4000 cm3) nan 40 °C / min Detay sou optimize nan pwosesis kwasans NGF yo dekri yon lòt kote.
Mòfoloji sifas echantiyon an te vizyalize pa SEM lè l sèvi avèk yon mikwoskòp Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Yo te mezire brutality sifas echantiyon an ak epesè NGF lè l sèvi avèk AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Mezi TEM ak SAED yo te fèt lè l sèvi avèk yon mikwoskòp FEI Titan 80-300 Cubed ekipe ak yon zam emisyon jaden klète segondè (300 kV), yon monochromator kalite FEI Wien ak yon korektè aberasyon lantiy esferik CEOS pou jwenn rezilta final yo. rezolisyon espasyal 0.09 nm. Echantiyon NGF yo te transfere nan griy kwiv kouvwi lacy kabòn pou D TEM plat ak analiz estrikti SAED. Se konsa, pi fò nan echantiyon flok yo sispann nan porositë yo nan manbràn sipò a. Echantiyon NGF transfere yo te analize pa XRD. Modèl difraksyon radyografi yo te jwenn lè l sèvi avèk yon difraktomèt poud (Brucker, D2 faz shifter ak sous Cu Kα, 1.5418 Å ak detektè LYNXEYE) lè l sèvi avèk yon sous radyasyon Cu ak yon dyamèt tach gwo bout bwa nan 3 mm.
Plizyè mezi pwen Raman yo te anrejistre lè l sèvi avèk yon mikwoskòp konfokal entegre (Alpha 300 RA, WITeC). Yo te itilize yon lazè 532 nm ak pouvwa eksitasyon ki ba (25%) pou fè pou evite efè tèmik pwovoke. Spectroskopi fotoelectron X-ray (XPS) te fèt sou yon espektromèt Kratos Axis Ultra sou yon zòn echantiyon 300 × 700 μm2 lè l sèvi avèk radyasyon monokwomatik Al Kα (hν = 1486.6 eV) nan yon pouvwa 150 W. Yo te jwenn espèk rezolisyon nan enèji transmisyon nan 160 eV ak 20 eV, respektivman. Echantiyon NGF transfere sou SiO2 yo te koupe an moso (3 × 10 mm2 chak) lè l sèvi avèk yon PLS6MW (1.06 μm) lazè fib itterbyòm nan 30 W. Kontak fil kwiv (50 μm epè) yo te fabrike lè l sèvi avèk keratin ajan anba yon mikwoskòp optik. Transpò elektrik ak eksperyans efè Hall yo te pote sou echantiyon sa yo nan 300 K ak yon varyasyon chan mayetik nan ± 9 Tesla nan yon sistèm mezi pwopriyete fizik (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Transmèt UV-vis spectre yo te anrejistre lè l sèvi avèk yon Lambda 950 UV-vis spectrophotometer nan seri a 350-800 nm NGF transfere nan substrats kwatz ak echantiyon referans kwatz.
Capteur rezistans chimik la (chip elektwòd interdigitated) te branche nan yon tablo sikwi enprime koutim 73 ak rezistans a te ekstrè tanporèman. Se tablo a sikwi enprime sou ki aparèy la sitiye konekte ak tèminal yo kontak epi yo mete andedan chanm lan deteksyon gaz 74. Yo te pran mezi rezistans nan yon vòltaj 1 V ak yon eskanè kontinyèl soti nan purge nan ekspoze gaz ak Lè sa a, purge ankò. Yo te netwaye chanm nan okòmansman pa pirje ak nitwojèn nan 200 cm3 pou 1 èdtan asire retire tout lòt analit ki prezan nan chanm lan, ki gen ladan imidite. Lè sa a, analit endividyèl yo te tou dousman lage nan chanm lan nan menm pousantaj koule nan 200 cm3 lè yo fèmen silenn N2 la.
Yon vèsyon revize atik sa a te pibliye epi yo ka jwenn aksè nan lyen ki anlè atik la.
Inagaki, M. ak Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Dezyèm edisyon edite. 2014. 542.
Pearson, HO Manyèl Kabòn, Graphite, Diamond ak Fullerenes: Pwopriyete, Pwosesis ak Aplikasyon. Premye edisyon an te edite. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Gwo zòn multikouch grafèn/grafit fim kòm transparan mens elektwòd kondiktif. aplikasyon. fizik. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Pwopriyete tèmik nan grafèn ak materyèl kabòn nanostructured. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ak Cahill DG konduktiviti tèmik nan fim grafit grandi sou Ni (111) pa depo vapè chimik ba-tanperati. advèb. Matt. Entèfas 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. kwasans kontinyèl nan fim grafèn pa depo chimik vapè. aplikasyon. fizik. Wright. 98(13), 133106(2011).
Tan pòs: Out-23-2024