Tapadh leibh airson tadhal air Nature.com. Tha taic CSS cuibhrichte aig an dreach den bhrobhsair a tha thu a’ cleachdadh. Airson na builean as fheàrr, tha sinn a’ moladh gun cleachd thu dreach nas ùire den bhrobhsair agad (no cuir à comas Modh Co-chòrdalachd ann an Internet Explorer). Anns an eadar-ama, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, tha sinn a’ taisbeanadh na làraich gun stoidhle no JavaScript.
Tha filmichean grafait Nanoscale (NGFn) nan nano-stuthan làidir a dh’ fhaodar a thoirt a-mach le tasgadh ceò ceimigeach catalytach, ach tha ceistean ann fhathast mu cho furasta sa tha iad gluasad agus mar a bheir morf-eòlas uachdar buaidh air an cleachdadh ann an innealan an ath ghinealach. An seo tha sinn ag aithris air fàs NGF air gach taobh de pholl polycrystalline nicil (sgìre 55 cm2, tighead timcheall air 100 nm) agus an gluasad gun polymer (aghaidh is cùl, sgìre suas gu 6 cm2). Air sgàth morf-eòlas an fhoil catalyst, tha an dà fhilm gualain eadar-dhealaichte anns na feartan fiosaigeach aca agus feartan eile (leithid garbh an uachdar). Bidh sinn a’ sealltainn gu bheil NGFn le taobh cùil nas garbh freagarrach airson lorg NO2, agus faodaidh NGFn nas socraiche agus nas giùlain air an taobh aghaidh (2000 S / cm, strì an aghaidh duilleag - 50 ohms / m2) a bhith nan stiùirichean obrachail. sianal no dealan na cealla grèine (leis gu bheil e a’ sgaoileadh 62% de sholas faicsinneach). Gu h-iomlan, is dòcha gun cuidich na pròiseasan fàis is còmhdhail a chaidh a mhìneachadh NGF a thoirt gu buil mar stuth gualain eile airson tagraidhean teicneòlach far nach eil filmichean graphene agus micron-tiugh graphite freagarrach.
Tha graphite na stuth gnìomhachais a tha air a chleachdadh gu farsaing. Gu sònraichte, tha feartan dùmhlachd mòr ìosal aig grafait agus giùlan teirmeach is dealain àrd san itealan, agus tha e gu math seasmhach ann an àrainneachdan teirmeach is ceimigeach cruaidh1,2. Tha grafait flake na stuth tòiseachaidh ainmeil airson sgrùdadh graphene3. Nuair a thèid a phròiseasadh gu filmichean tana, faodar a chleachdadh ann an raon farsaing de thagraidhean, a’ toirt a-steach sinc teas airson innealan dealanach leithid fònaichean sgairteil4,5,6,7, mar stuth gnìomhach ann an mothachairean8,9,10 agus airson dìon bho eadar-theachd electromagnetic11. 12 agus filmichean airson lithography ann am fìor ultraviolet13,14, a’ giùlan shianalan ann an ceallan grèine15,16. Airson na tagraidhean sin uile, bhiodh e na bhuannachd mhòr nam biodh e furasta raointean mòra de fhilmichean grafait (NGFn) le tiugh a tha fo smachd nanoscale <100 nm a thoirt gu buil agus a ghiùlan gu furasta.
Tha filmichean graphite air an dèanamh le diofar dhòighean. Ann an aon chùis, chaidh neadachadh agus leudachadh agus an uairsin exfoliation a chleachdadh gus flakes graphene10,11,17 a thoirt gu buil. Feumaidh na flakes a bhith air an giullachd a-steach do fhilmichean den tighead a tha a dhìth, agus gu tric bheir e grunn làithean gus duilleagan dùmhail grafait a dhèanamh. Is e dòigh-obrach eile tòiseachadh le ro-ruitheadairean cruaidh grafaigeach. Ann an gnìomhachas, tha duilleagan de pholaimirean air an carbonachadh (aig 1000-1500 ° C) agus an uairsin air an grafadh (aig 2800-3200 ° C) gus stuthan le deagh structar a chruthachadh. Ged a tha càileachd nam filmichean sin àrd, tha an caitheamh lùtha cudromach 1,18,19 agus tha an tighead as ìsle air a chuingealachadh ri beagan mhicronan1,18,19,20.
Tha tasgadh vapor ceimigeach catalytach (CVD) na dhòigh ainmeil airson a bhith a’ dèanamh filmichean graphene agus ultrathin graphite (<10 nm) le càileachd structarail àrd agus cosgais reusanta21,22,23,24,25,26,27. Ach, an taca ri fàs filmichean graphene agus ultrathin graphite28, tha fàs sgìreil agus / no cleachdadh NGF a’ cleachdadh CVD eadhon nas lugha de sgrùdadh11,13,29,30,31,32,33.
Gu tric feumar filmichean graphene agus grafait a tha fàs le CVD a ghluasad gu fo-stratan gnìomh34. Tha na gluasadan film tana seo a’ toirt a-steach dà phrìomh dhòigh35: (1) gluasad neo-etch36,37 agus (2) gluasad ceimigeach fliuch stèidhichte air etch (taic le substrate)14,34,38. Tha buannachdan agus eas-bhuannachdan aig gach dòigh agus feumar a thaghadh a rèir an tagraidh a tha san amharc, mar a chaidh a mhìneachadh ann an àiteachan eile35,39. Airson filmichean graphene / grafait air fàs air fo-stratan catalytic, tha gluasad tro phròiseasan ceimigeach fliuch (às a bheil polymethyl methacrylate (PMMA) mar an ìre taic as cumanta) fhathast mar a’ chiad roghainn13,30,34,38,40,41,42. Tha thu et al. Chaidh iomradh a thoirt nach deach polymer sam bith a chleachdadh airson gluasad NGF (meud sampall timcheall air 4 cm2) 25,43, ach cha deach mion-fhiosrachadh a thoirt seachad a thaobh seasmhachd sampall agus / no làimhseachadh rè gluasad; Tha grunn cheumannan ann am pròiseasan ceimigeachd fliuch a’ cleachdadh polymers, a’ gabhail a-steach cur an sàs agus toirt air falbh còmhdach polymer ìobairteach30,38,40,41,42. Tha eas-bhuannachdan aig a’ phròiseas seo: mar eisimpleir, faodaidh fuigheall polymer feartan an fhilm fhàs38 atharrachadh. Faodaidh giollachd a bharrachd polymer a tha air fhàgail a thoirt air falbh, ach tha na ceumannan a bharrachd sin ag àrdachadh cosgais agus ùine cinneasachadh film38,40. Rè fàs CVD, tha còmhdach de graphene air a thasgadh chan ann a-mhàin air taobh aghaidh an fhoil catalyst (an taobh mu choinneamh an t-sruth smùid), ach cuideachd air a dhruim. Ach, tha an dàrna fear air a mheas mar thoradh sgudail agus faodar a thoirt air falbh gu sgiobalta le plasma bog38,41. Faodaidh ath-chuairteachadh am film seo cuideachadh gus an toradh a mheudachadh, eadhon ged a tha e de chàileachd nas ìsle na film aghaidh gualain.
An seo, tha sinn ag aithris air ullachadh fàs bifacial sgèile wafer de NGF le càileachd structarail àrd air foil nicil polycrystalline le CVD. Chaidh a mheasadh mar a tha cho garbh sa tha uachdar aghaidh is cùil an fhoil a’ toirt buaidh air morf-eòlas agus structar NGF. Bidh sinn cuideachd a’ taisbeanadh gluasad NGF gun polymer a tha cosg-èifeachdach agus càirdeil don àrainneachd bho gach taobh de foil nicil gu fo-stratan ioma-ghnìomhach agus a’ sealltainn mar a tha na filmichean aghaidh is cùil freagarrach airson diofar thagraidhean.
Bidh na h-earrannan a leanas a’ beachdachadh air diofar thiugh film grafait a rèir an àireamh de shreathan graphene air an càrnadh: (i) graphene aon-fhilleadh (SLG, còmhdach 1), (ii) beagan graphene còmhdach (FLG, < 10 sreathan), (iii) graphene multilayer ( MLG, 10-30 sreathan) agus (iv) NGF (~ 300 sreathan). Is e an tè mu dheireadh an tighead as cumanta air a chuir an cèill mar àireamh sa cheud de sgìre (timcheall air 97% de sgìre gach 100 µm2)30. Sin as coireach gur e dìreach NGF a chanar ris an fhilm gu lèir.
Tha inneach eadar-dhealaichte aig foilichean nicil polycrystalline a thathas a’ cleachdadh airson synthesis fhilmichean graphene agus grafait mar thoradh air an dèanamh agus an giullachd às deidh sin. Thug sinn cunntas o chionn ghoirid air sgrùdadh gus pròiseas fàis NGF30 a bharrachadh. Bidh sinn a’ sealltainn gu bheil pàirt deatamach aig paramadairean pròiseas leithid ùine annealing agus cuideam seòmar aig ìre fàis ann a bhith a’ faighinn NGFn de thiugh èideadh. An seo, rinn sinn tuilleadh sgrùdaidh air fàs NGF air aghaidh snasta (FS) agus uachdar cùil neo-phollaichte (BS) de pholl nicil (Fig. 1a). Chaidh trì seòrsaichean de shamhlaichean FS agus BS a sgrùdadh, air an liostadh ann an Clàr 1. Às deidh sgrùdadh lèirsinneach, chithear fàs èideadh NGF air gach taobh den fhoil nicil (NiAG) le atharrachadh dath an substrate Ni mòr bho airgead meatailteach àbhaisteach. liath gu dath liath matte (Fig. 1a); chaidh tomhasan microscopach a dhearbhadh (Fig. 1b, c). Tha speactram àbhaisteach Raman de FS-NGF a chaidh fhaicinn anns an roinn shoilleir agus air a chomharrachadh le saighdean dearg, gorm is orains ann am Figear 1b ri fhaicinn ann am Figear 1c. Tha na stùcan àbhaisteach Raman de ghrafait G (1683 cm−1) agus 2D (2696 cm-1) a’ dearbhadh fàs NGF fìor chriostalach (Fig. 1c, Clàr SI1). Air feadh an fhilm, chaidh mòr-chuid de speactram Raman le co-mheas dian (I2D / IG) ~ 0.3 fhaicinn, agus is ann ainneamh a chaidh speactram Raman le I2D / IG = 0.8 fhaicinn. Tha dìth stùcan easbhaidheach (D = 1350 cm-1) anns an fhilm gu lèir a’ nochdadh càileachd àrd fàs NGF. Chaidh toraidhean coltach ri Raman fhaighinn air sampall BS-NGF (Figear SI1 a agus b, Clàr SI1).
Coimeas eadar NiAG FS- agus BS-NGF: (a) Dealbh de shampall àbhaisteach NGF (NiAG) a’ sealltainn fàs NGF aig sgèile wafer (55 cm2) agus na sampallan foil BS- agus FS-Ni a thàinig às, (b) FS-NGF Ìomhaighean / Ni air fhaighinn le miocroscop optigeach, (c) speactram àbhaisteach Raman air a chlàradh aig diofar shuidheachaidhean ann am pannal b, (d, f) ìomhaighean SEM aig diofar mheudan air FS-NGF / Ni, (e, g) ìomhaighean SEM aig diofar mheudan A’ suidheachadh BS -NGF/Ni. Tha an t-saighead ghorm a’ comharrachadh sgìre FLG, tha an t-saighead orains a’ comharrachadh sgìre MLG (faisg air sgìre FLG), tha an t-saighead dhearg a’ comharrachadh sgìre NGF, agus tha an t-saighead magenta a’ comharrachadh a’ fhillte.
Leis gu bheil fàs an urra ri tiugh an t-substrate tùsail, meud criostal, treòrachadh, agus crìochan gràin, tha e fhathast na dhùbhlan smachd reusanta air tiugh NGF thairis air raointean mòra20,34,44. Chleachd an sgrùdadh seo susbaint a dh’ fhoillsich sinn roimhe30. Bidh am pròiseas seo a’ toirt a-mach sgìre shoilleir de 0.1 gu 3% gach 100 µm230. Anns na h-earrannan a leanas, bidh sinn a’ taisbeanadh thoraidhean airson an dà sheòrsa sgìre. Tha ìomhaighean SEM àrd-mheudachaidh a’ sealltainn gu bheil grunn raointean eadar-dhealaichte soilleir air gach taobh (Fig. 1f, g), a’ sealltainn gu bheil roinnean FLG agus MLG ann 30,45. Chaidh seo a dhearbhadh cuideachd le Raman scattering (Fig. 1c) agus toraidhean TEM (air a dheasbad nas fhaide air adhart san earrann “FS-NGF: structar agus feartan”). Is dòcha gu bheil na roinnean FLG agus MLG a chaidh fhaicinn air sampallan FS- agus BS-NGF / Ni (aghaidh agus cùl NGF air fhàs air Ni) air fàs air gràinean mòra Ni (111) a chaidh a chruthachadh aig àm ro-annealing22,30,45. Chaidh pasgadh a choimhead air gach taobh (Fig. 1b, air a chomharrachadh le saigheadan purpaidh). Bidh na pasgain sin gu tric air an lorg ann am filmichean graphene agus grafait a tha fàs le CVD mar thoradh air an eadar-dhealachadh mòr ann an co-èifeachd leudachadh teirmeach eadar a’ ghrafait agus an substrate nicil30,38.
Dhearbh ìomhaigh AFM gu robh an sampall FS-NGF nas còmhnairde na an sampall BS-NGF (Figear SI1) (Figear SI2). Is e na luachan garbh cuibheasach ceàrnagach bunaiteach (RMS) FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) agus BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) 82 agus 200 nm, fa leth (air a thomhas thairis air farsaingeachd de 20 × 20 μm2). Faodar an garbhachd nas àirde a thuigsinn stèidhichte air mion-sgrùdadh uachdar an fhoil nicil (NiAR) anns an stàit mar a fhuaireadh (Figear SI3). Tha ìomhaighean SEM de FS agus BS-NiAR air an sealltainn ann am Figearan SI3a–d, a’ nochdadh diofar morphologies uachdar: tha gràinean spherical meud nano- agus micron aig foil snasta FS-Ni, fhad ‘s a tha foil BS-Ni neo-leasaichte a’ taisbeanadh àradh cinneasachaidh. mar ghràineanan le neart àrd. agus crìonadh. Tha ìomhaighean le rùn ìosal agus àrd de foil nicil annealed (NiA) air an sealltainn ann am Figear SI3e–h. Anns na figearan seo, chì sinn làthaireachd grunn ghràinean nicil de mheud micron air gach taobh den fhoil nicil (Fig. SI3e–h). Is dòcha gu bheil taobh uachdar Ni(111) aig gràinean mòra, mar a chaidh aithris roimhe30,46. Tha eadar-dhealachaidhean mòra ann am morf-eòlas foil nicil eadar FS-NiA agus BS-NiA. Tha an garbhachd nas àirde de BS-NGF / Ni mar thoradh air uachdar neo-pholltach BS-NiAR, agus tha an uachdar fhathast gu math garbh eadhon às deidh dha a bhith annealing (Figear SI3). Tha an seòrsa seo de chomharrachadh uachdar ron phròiseas fàis a’ ceadachadh smachd a chumail air cho garbh sa tha filmichean graphene agus grafait. Bu chòir a thoirt fa-near gun deach beagan ath-eagrachadh gràin a dhèanamh air an t-substrate tùsail aig àm fàs graphene, a lughdaich meud gràin beagan agus a mheudaich garbh uachdar an t-substrate an taca ris an fhoil annealed agus film catalyst22.
Cuidichidh gleusadh garbh uachdar an t-substrate, ùine annealing (meud gràin) 30,47 agus smachd fuasglaidh43 le bhith a ’lughdachadh èideadh tighead NGF roinneil gu sgèile µm2 agus / no eadhon nm2 (ie, atharrachaidhean tiugh de ghrunn nanometers). Gus smachd a chumail air garbh uachdar an t-substrate, faodar beachdachadh air dòighean leithid snasadh electrolytic den fhoil nicil a thig às48. Faodar am foil nicil pretreated an uairsin a chuir a-steach aig teòthachd nas ìsle (< 900 ° C) 46 agus ùine (< 5 min) gus cruthachadh gràinean mòra Ni (111) a sheachnadh (a tha buannachdail airson fàs FLG).
Chan urrainn dha SLG agus FLG graphene seasamh an aghaidh teannachadh uachdar searbhagan is uisge, a dh’ fheumas sreathan taic meacanaigeach rè pròiseasan gluasad ceimigeach fliuch22,34,38. An coimeas ri gluasad ceimigeach fliuch de graphene aon-fhilleadh le taic polymer38, lorg sinn gum faodar gach taobh den NGF a tha air fhàs a ghluasad às aonais taic polymer, mar a chithear ann am Figear 2a (faic Figear SI4a airson tuilleadh fiosrachaidh). Bidh gluasad NGF gu substrate sònraichte a’ tòiseachadh le rùsgadh fliuch den fhilm Ni30.49 fon talamh. Chaidh na sampallan fàs NGF / Ni / NGF a chuir thar oidhche ann an 15 mL de 70% HNO3 air a lagachadh le 600 mL de uisge deionized (DI). Às deidh am foil Ni a bhith air a sgaoileadh gu tur, bidh FS-NGF fhathast rèidh agus a’ seòladh air uachdar an leaghaidh, dìreach mar an sampall NGF/Ni/NGF, fhad ‘s a tha BS-NGF air a bhogadh ann an uisge (Fig. 2a,b). Chaidh an NGF iomallach an uairsin a ghluasad bho aon bhìocair anns an robh uisge ùr deionized gu bìog eile agus chaidh an NGF iomallach a nighe gu mionaideach, ag ath-aithris ceithir gu sia tursan tron mhias glainne cuasach. Mu dheireadh, chaidh FS-NGF agus BS-NGF a chuir air an t-substrate a bhathas ag iarraidh (Fig. 2c).
Pròiseas gluasad ceimigeach fliuch gun phoileir airson NGF air fhàs air foil nicil: (a) Diagram sruthadh pròiseas (faic Figear SI4 airson tuilleadh fiosrachaidh), (b) Dealbh didseatach de NGF dealaichte às deidh sgrìobadh Ni (2 shampall), (c) Eisimpleir FS - agus gluasad BS-NGF gu substrate SiO2 / Si, (d) gluasad FS-NGF gu substrate polymer neo-shoilleir, (e) BS-NGF bhon aon sampall ri pannal d (air a roinn ann an dà phàirt), air a ghluasad gu pàipear C le òr-plated agus Nafion (substrate sùbailte follaiseach, oirean air an comharrachadh le oiseanan dearga).
Thoir fa-near gu bheil gluasad SLG air a dhèanamh a’ cleachdadh dòighean gluasad ceimigeach fliuch a’ feumachdainn ùine giollachd iomlan de 20-24 uairean 38 . Leis an dòigh gluasaid gun polymer air a nochdadh an seo (Figear SI4a), tha an ùine giollachd gluasaid NGF iomlan air a lughdachadh gu mòr (timcheall air 15 uairean). Tha am pròiseas air a dhèanamh suas de: (Ceum 1) Ullaich fuasgladh sgudail agus cuir an sampall ann (~ 10 mionaidean), an uairsin feitheamh thar oidhche airson sgrìobadh Ni (~ 7200 mionaid), (Ceum 2) Sruth le uisge deionized (Ceum - 3) . stòradh ann an uisge deionized no gluasad gu substrate targaid (20 min). Tha uisge glaiste eadar an NGF agus am mòr-mhaitris air a thoirt air falbh le gnìomh capillary (a’ cleachdadh pàipear sèididh)38, an uairsin thèid na boinneagan uisge a tha air fhàgail a thoirt air falbh le tiormachadh nàdarra (timcheall air 30 min), agus mu dheireadh tha an sampall air a thiormachadh airson 10 mionaidean. min ann an àmhainn falamh (10-1 mbar) aig 50-90 ° C (60 min) 38.
Tha fios gu bheil graphite a’ seasamh ri làthaireachd uisge is adhair aig teòthachd meadhanach àrd (≥ 200 ° C) 50,51,52. Rinn sinn deuchainn air sampallan a’ cleachdadh Raman spectroscopy, SEM, agus XRD às deidh an stòradh ann an uisge deionized aig teòthachd an t-seòmair agus ann am botail ròin airson àite sam bith bho beagan làithean gu aon bhliadhna (Figear SI4). Chan eil crìonadh follaiseach ann. Tha Figear 2c a’ sealltainn FS-NGF agus BS-NGF a sheasas leotha fhèin ann an uisge deionized. Ghlac sinn iad air substrate SiO2 (300 nm) / Si, mar a chithear aig toiseach Figear 2c. A bharrachd air an sin, mar a chithear ann am Figear 2d, e, faodar NGF leantainneach a ghluasad gu diofar fho-stratan leithid polymers (polyamide Thermabright bho Nexolve agus Nafion) agus pàipear gualain le còmhdach òir. Bha an FS-NGF air bhog gu furasta air a chuir air an t-substrate targaid (Fig. 2c, d). Ach, bha e duilich sampaill BS-NGF nas motha na 3 cm2 a làimhseachadh nuair a chaidh am bogadh gu tur ann an uisge. Mar as trice, nuair a thòisicheas iad a 'roiligeadh ann an uisge, air sgàth làimhseachadh mì-chùramach bidh iad uaireannan a' briseadh ann an dà no trì pàirtean (Fig. 2e). Gu h-iomlan, bha e comasach dhuinn gluasad gun polymer de PS- agus BS-NGF (gluasad leantainneach fuaigheil às aonais fàs NGF / Ni / NGF aig 6 cm2) airson sampallan suas gu 6 agus 3 cm2 ann an sgìre, fa leth. Faodar pìosan mòra no beaga sam bith a tha air fhàgail (fhaicinn gu furasta anns an fhuasgladh sgudail no uisge deionized) air an t-substrate a tha thu ag iarraidh (~ 1 mm2, Figear SI4b, faic sampall air a ghluasad gu cliath copair mar ann an “FS-NGF: Structar agus Feartan (air a dheasbad) fo “Structure and Properties”) no stòr airson a chleachdadh san àm ri teachd (Figear SI4). Stèidhichte air an t-slat-tomhais seo, tha sinn a’ meas gum faodar NGF fhaighinn air ais ann an toradh suas ri 98-99% (às deidh fàs airson gluasad).
Chaidh mion-sgrùdadh mionaideach a dhèanamh air sampallan gluasaid às aonais polymer. Sheall feartan moirfeòlais uachdar a fhuaireadh air FS- agus BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) a’ cleachdadh microscopy optigeach (OM) agus ìomhaighean SEM (Fig. SI5 agus Fig. 3) gun deach na sampallan sin a ghluasad gun mhiocroscopaidh. Milleadh structarail faicsinneach leithid sgàinidhean, tuill, no raointean gun roiligeadh. Dh'fhuirich na pìosan air an NGF a bha a' fàs (Fig. 3b, d, air an comharrachadh le saighdean purpaidh) slàn an dèidh gluasad. Tha an dà chuid FS- agus BS-NGF air an dèanamh suas de roinnean FLG (roinnean soilleir air an comharrachadh le saigheadan gorm ann am Figear 3). Gu h-iongantach, an taca ris na beagan roinnean millte a chithear mar as trice aig àm gluasad polymer de fhilmichean grafait ultrathin, chaidh grunn roinnean FLG agus MLG de mheud micron a bha a ’ceangal ris an NGF (air an comharrachadh le saigheadan gorm ann am Figear 3d) a ghluasad gun sgàinidhean no briseadh (Figear 3d) . 3). . Chaidh ionracas meacanaigeach a dhearbhadh tuilleadh le bhith a’ cleachdadh ìomhaighean TEM agus SEM de NGF air an gluasad gu cliathan copair lace-carbon, mar a chaidh a dheasbad nas fhaide air adhart (“FS-NGF: Structure and Properties”). Tha am BS-NGF / SiO2 / Si a chaidh a ghluasad nas garbh na FS-NGF / SiO2 / Si le luachan rms de 140 nm agus 17 nm, fa leth, mar a chithear ann am Figear SI6a agus b (20 × 20 μm2). Tha luach RMS NGF air a ghluasad gu substrate SiO2 / Si (RMS <2 nm) gu math nas ìsle (timcheall air 3 tursan) na luach NGF air fhàs air Ni (Figear SI2), a’ nochdadh gum faodadh an garbhachd a bharrachd a bhith a rèir uachdar Ni. A bharrachd air an sin, sheall ìomhaighean AFM a chaidh a dhèanamh air oirean sampaill FS- agus BS-NGF/SiO2/Si tiughad NGF de 100 agus 80 nm, fa leth (Fig. SI7). Is dòcha gu bheil an tighead nas lugha de BS-NGF mar thoradh air nach eil an uachdar fosgailte gu dìreach don gas ro-ruithear.
NGF air a ghluasad (NiAG) gun polymer air wafer SiO2 / Si (faic Figear 2c): (a, b) Ìomhaighean SEM de FS-NGF a chaidh a ghluasad: àrdachadh ìosal agus àrd (a rèir a’ cheàrnag orains sa phannal). Raointean àbhaisteach) - a). (c, d) Ìomhaighean SEM de BS-NGF a chaidh a ghluasad: àrdachadh ìosal agus àrd (a rèir an àite àbhaisteach a chithear leis a’ cheàrnag orains ann am pannal c). (e, f) Ìomhaighean AFM de FS- agus BS-NGFn air an gluasad. Tha saighead ghorm a’ riochdachadh roinn FLG - iomsgaradh soilleir, saighead cyan - iomsgaradh MLG dubh, saighead dhearg - iomsgaradh dubh a’ riochdachadh roinn NGF, tha saighead magenta a’ riochdachadh a’ fhillte.
Chaidh co-dhèanamh ceimigeach nan FS- agus BS-NGF a chaidh fhàs agus a ghluasad a sgrùdadh le speactroscopaidh photoelectron X-ray (XPS) (Fig. 4). Chaidh stùc lag fhaicinn anns an speactram tomhaiste (Fig. 4a, b), a rèir substrate Ni (850 eV) de na FS- agus BS-NGFs (NiAG). Chan eil stùcan sam bith anns an speactram tomhaiste de FS- agus BS-NGF/SiO2/Si a chaidh a ghluasad (Fig. 4c; chan eil toraidhean co-chosmhail airson BS-NGF/SiO2/Si air an sealltainn), a’ nochdadh nach eil truailleadh Ni air fhàgail às deidh gluasad. . Tha figearan 4d–f a’ sealltainn speactra àrd-rèiteachaidh nan ìrean lùtha C 1 s, O 1 s agus Si 2p de FS-NGF/SiO2/Si. Is e an lùth ceangail aig C 1 s de ghrafait 284.4 eV53.54. Thathas den bheachd gu bheil cumadh sreathach mullaichean grafait mar as trice neo-chunbhalach, mar a chithear ann am Figear 4d54. Dhearbh an speactram bun-ìre C 1 s àrd-rèiteachaidh (Fig. 4d) cuideachd gluasad fìor (ie, gun fuigheall polymer), a tha co-chòrdail ri sgrùdaidhean roimhe38. Is e 0.55 agus 0.62 eV na h-atharrachaidhean loidhne de speactram C 1s den sampall ùr-fhàs (NiAG) agus às deidh gluasad. Tha na luachan sin nas àirde na an fheadhainn aig SLG (0.49 eV airson SLG air substrate SiO2)38. Ach, tha na luachan sin nas lugha na na loidhnichean loidhne a chaidh aithris roimhe airson sampallan graphene pyrolytic làn-treòraichte (~ 0.75 eV) 53,54,55, a’ nochdadh nach eil làraich gualain easbhaidheach anns an stuth gnàthach. Tha dìth guailnean ann an speactram ìre talmhainn C 1 s agus O 1 s cuideachd, a’ cur às don fheum air dì-cho-rèiteachadh stùc àrd-rèiteachaidh54. Tha stùc saideal π → π* timcheall air 291.1 eV, a chithear gu tric ann an sampallan grafait. Tha na comharran 103 eV agus 532.5 eV ann an speactra ìre cridhe Si 2p agus O 1 (faic Fig. 4e, f) air an cur às leth substrate SiO2 56, fa leth. Tha XPS na dhòigh mothachail air uachdar, agus mar sin thathas a’ gabhail ris gu bheil na comharran co-cheangailte ri Ni agus SiO2 a chaidh a lorg ro agus às deidh gluasad NGF, fa leth, a ’tighinn bho roinn FLG. Chaidh toraidhean co-chosmhail fhaicinn airson sampallan BS-NGF a chaidh a ghluasad (gun sealltainn).
Toraidhean NiAG XPS: (ac) Dèan sgrùdadh air speactra de dhiofar chruthan atamach eileamaideach de fhàs FS-NGF / Ni, BS-NGF / Ni agus FS-NGF / SiO2 / Si air a ghluasad, fa leth. (d–f) Spectra àrd-rèiteachaidh de na prìomh ìrean C 1 s, O 1s agus Si 2p den sampall FS-NGF/SiO2/Si.
Chaidh càileachd iomlan nan criostalan NGF a chaidh a ghluasad a mheasadh le bhith a’ cleachdadh X-ray diffraction (XRD). Tha pàtrain àbhaisteach XRD (Fig. SI8) de FS- agus BS-NGF/SiO2/Si air an gluasad a’ sealltainn làthaireachd stùcan sgaoilidh (0 0 0 2) agus (0 0 0 4) aig 26.6 ° agus 54.7 °, coltach ri grafait. . Tha seo a’ dearbhadh càileachd àrd criostalach NGF agus a’ freagairt ri astar interlayer de d = 0.335 nm, a tha air a chumail suas às deidh a’ cheum gluasaid. Tha dian an stùc sgaraidh (0 0 0 2) timcheall air 30 uair nas àirde na an stùc sgaraidh (0 0 0 4), a’ nochdadh gu bheil am plèana criostail NGF air a cho-thaobhadh gu math ri uachdar an t-sampall.
A rèir toraidhean SEM, Raman spectroscopy, XPS agus XRD, chaidh càileachd BS-NGF/Ni a lorg mar an ceudna ri càileachd FS-NGF/Ni, ged a bha a gharbhachd rms beagan na b’ àirde (Figearan SI2, SI5) agus SI7).
Faodaidh SLGn le sreathan taic polymer suas gu 200 nm de thighead seòladh air uisge. Tha an suidheachadh seo air a chleachdadh gu cumanta ann am pròiseasan gluasad ceimigeach fliuch le taic polymer22,38. Tha graphene agus grafait hydrophobic (ceàrn fliuch 80–90 °) 57 . Thathas ag aithris gu bheil na h-uachdaran lùtha a dh’ fhaodadh a bhith aig graphene agus FLG gu math rèidh, le lùth comas ìosal (~ 1 kJ / mol) airson gluasad taobhach uisge aig an uachdar58. Ach, tha an lùth eadar-obrachaidh àireamhaichte uisge le graphene agus trì sreathan de graphene timcheall air − 13 agus − 15 kJ / mol, 58 fa leth, a’ nochdadh gu bheil eadar-obrachadh uisge le NGF (timcheall air 300 sreathan) nas ìsle an taca ri graphene. Is dòcha gur e seo aon de na h-adhbharan gu bheil NGF leis fhèin fhathast còmhnard air uachdar uisge, fhad ‘s a bhios graphene leis fhèin (a bhios a’ seòladh ann an uisge) a ’dol suas agus a’ briseadh sìos. Nuair a tha NGF air a bhogadh gu tur ann an uisge (tha na toraidhean mar an ceudna airson NGF garbh agus còmhnard), tha na h-oirean aige a 'lùbadh (Figear SI4). Ann an cùis làn bhogadh, thathar an dùil gu bheil lùth eadar-obrachaidh uisge NGF cha mhòr air a dhùblachadh (an taca ri NGF air bhog) agus gum bi oirean an NGF a’ pasgadh gus ceàrn conaltraidh àrd (hydrophobicity) a chumail suas. Tha sinn den bheachd gun gabh ro-innleachdan a leasachadh gus crolaidh a sheachnadh air oirean NGFn freumhaichte. Is e aon dòigh-obrach a bhith a’ cleachdadh solventan measgaichte gus freagairt fliuchadh an fhilm ghrafait atharrachadh59.
Chaidh aithris roimhe seo mu ghluasad SLG gu diofar sheòrsan fo-stratan tro phròiseasan gluasad ceimigeach fliuch. Thathas a’ gabhail ris sa chumantas gu bheil feachdan lag van der Waals ann eadar filmichean graphene / graphite agus substrates (ge bith an e fo-stratan teann leithid SiO2 / Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 agus filmean carbon lacy30, 34 no fo-stratan sùbailte. leithid polyimide 37). An seo tha sinn a’ gabhail ris gu bheil eadar-obrachaidhean den aon sheòrsa sa mhòr-chuid. Cha do chunnaic sinn milleadh no feannadh NGF airson gin de na fo-stratan a tha air an taisbeanadh an seo rè làimhseachadh meacanaigeach (aig àm comharrachadh fo chumhachan falamh agus / no àile no aig àm stòraidh) (me, Figear 2, SI7 agus SI9). A bharrachd air an sin, cha do choimhead sinn stùc SiC ann an speactram XPS C 1 s de phrìomh ìre sampall NGF / SiO2 / Si (Fig. 4). Tha na toraidhean sin a’ nochdadh nach eil ceangal ceimigeach eadar NGF agus an t-substrate targaid.
Anns an earrann roimhe seo, “Gluasad gun polymer de FS- agus BS-NGF,” sheall sinn gum faod NGF fàs agus gluasad air gach taobh de foil nicil. Chan eil na FS-NGFn agus BS-NGFn sin co-ionann a thaobh garbh uachdar, a thug oirnn sgrùdadh a dhèanamh air na tagraidhean as freagarraiche airson gach seòrsa.
A’ beachdachadh air follaiseachd agus uachdar nas socair FS-NGF, rinn sinn sgrùdadh nas mionaidiche air an structar ionadail, na feartan optigeach is dealain aige. Bha structar agus structar FS-NGF às aonais gluasad polymer air a chomharrachadh le ìomhaighean microscopaidh dealanach tar-chuir (TEM) agus mion-sgrùdadh pàtrain sgaraidh dealanach sgìreil (SAED). Tha na toraidhean co-fhreagarrach air an sealltainn ann am Figear 5. Sheall dealbhan meudachaidh planar TEM gu robh roinnean NGF agus FLG ann le feartan eadar-dhealaichte eadar-dhealaichte, ie raointean nas dorcha agus nas gile, fa leth (Fig. 5a). Tha am film gu h-iomlan a’ nochdadh ionracas meacanaigeach math agus seasmhachd eadar na diofar roinnean de NGF agus FLG, le tar-tharraing math agus gun mhilleadh no deòir, a chaidh a dhearbhadh cuideachd le SEM (Figear 3) agus sgrùdaidhean TEM meudachaidh àrd (Figear 5c-e). Gu sònraichte, ann am Figear. Tha an sgrìobhadh le farsaingeachd eadar-phlanar de 0.33 ± 0.01 nm air a lughdachadh tuilleadh gu grunn shreathan de graphene anns an roinn as cumhainge (deireadh an t-saighead dhubh chruaidh ann am Figear 5 d).
Ìomhaigh planar TEM de shampall NiAG gun polymer air cliath copair lacy carbon: (a, b) Ìomhaighean meudachaidh ìosal TEM a’ toirt a-steach roinnean NGF agus FLG, (ce) Tha ìomhaighean meudachaidh àrd de dhiofar roinnean ann am pannal-a agus pannal-b saighdean comharraichte den aon dath. Tha saighdean uaine ann am pannalan a agus c a’ comharrachadh raointean cruinn de mhilleadh nuair a thathar a’ co-thaobhadh beam. (f–i) Ann am pannalan a gu c, tha pàtrain SAED ann an diofar roinnean air an comharrachadh le cearcallan gorm, cyan, orains agus dearg, fa leth.
Tha an structar rioban ann am Figear 5c a’ sealltainn (air a chomharrachadh le saighead dhearg) taobh dìreach nam plèanaichean leusair grafait, a dh’ fhaodadh a bhith mar thoradh air cruthachadh nanofolds air feadh an fhilm (cuir a-steach ann am Figear 5c) mar thoradh air cus cuideam rùsgaidh gun dhìoladh30,61,62 . Fo TEM àrd-rèiteachaidh, tha na nanofolds 30 sin a’ nochdadh taobh criostalach eadar-dhealaichte na an còrr de roinn NGF; tha na plèanaichean basal den chliathaich grafait air an stiùireadh cha mhòr gu dìreach, seach gu còmhnard mar a' chòrr den fhilm (suidhichte ann am Figear 5c). Mar an ceudna, bidh roinn FLG bho àm gu àm a’ taisbeanadh filleadh sreathach is cumhang coltach ri còmhlan (air a chomharrachadh le saigheadan gorma), a tha a’ nochdadh aig àrdachadh ìosal is meadhanach ann am Figearan 5b, 5e, fa leth. Tha an inset ann am Figear 5e a’ dearbhadh gu bheil sreathan graphene dà- agus trì-fhilleadh ann an roinn FLG (astar eadar-phlanar 0.33 ± 0.01 nm), a tha ag aontachadh gu math leis na toraidhean a rinn sinn roimhe30. A bharrachd air an sin, tha ìomhaighean clàraichte SEM de NGF gun polymer air an gluasad gu grids copair le filmichean gualain lacy (às deidh dhaibh tomhas TEM àrd-shealladh a dhèanamh) air an sealltainn ann am Figear SI9. An roinn FLG air a dheagh chrochadh (air a chomharrachadh le saighead gorm) agus an roinn briste ann am Figear SI9f. Tha an t-saighead ghorm (aig oir an NGF a chaidh a ghluasad) air a thaisbeanadh a dh’aona ghnothach gus sealltainn gum faod an roinn FLG seasamh an aghaidh a’ phròiseas gluasaid às aonais polymer. Ann an geàrr-chunntas, tha na h-ìomhaighean sin a’ dearbhadh gu bheil NGF a tha air a chasg gu ìre (a’ toirt a-steach roinn FLG) a’ cumail suas ionracas meacanaigeach eadhon às deidh làimhseachadh teann agus nochdadh gu falamh àrd rè tomhasan TEM agus SEM (Figear SI9).
Air sgàth cho rèidh ‘s a tha NGF (faic Figear 5a), chan eil e duilich na flakes a stiùireadh air an axis fearainn [0001] gus structar SAED a sgrùdadh. A rèir tiugh ionadail an fhilm agus far a bheil e, chaidh grunn roinnean inntinneach (puingean 12) a chomharrachadh airson sgrùdaidhean sgaraidh dealanach. Ann am Figearan 5a–c, tha ceithir de na roinnean àbhaisteach sin air an sealltainn agus air an comharrachadh le cearcallan dathte (gorm, cyan, orains, agus còd dearg). Figearan 2 agus 3 airson modh SAED. Fhuaras figearan 5f agus g bhon roinn FLG a chithear ann am Figearan 5 agus 5. Mar a chithear ann am Figearan 5b agus c, fa leth. Tha structar sia-thaobhach aca coltach ri graphene63 toinnte. Gu sònraichte, tha Figear 5f a’ sealltainn trì pàtrain os-cionn leis an aon stiùireadh air an axis sòn [0001], air an cuairteachadh le 10 ° agus 20 °, mar a chithear le mì-chothromachadh ceàrnach nan trì paidhrichean de mheòrachadh (10-10). San aon dòigh, tha Figear 5g a’ sealltainn dà phàtran sia-thaobhach air an cuairteachadh le 20 °. Faodaidh dhà no trì buidhnean de phàtranan sia-thaobhach ann an roinn FLG èirigh bho thrì sreathan graphene a-staigh no a-mach às an itealan 33 air an cuairteachadh an coimeas ri chèile. An coimeas ri sin, tha na pàtrain eadar-dhealachaidh dealanach ann am Figear 5h, i (a rèir roinn NGF a chithear ann am Figear 5a) a’ sealltainn aon phàtran [0001] le dian eadar-dhealachaidh puing nas àirde san fharsaingeachd, a’ freagairt ri tiugh stuth nas motha. Tha na modailean SAED seo a 'freagairt ri structar grafait nas doimhne agus stiùireadh eadar-mheadhanach na FLG, mar a chaidh a dhearbhadh bhon chlàr-amais 64. Sheall caractar feartan criostalach NGF co-sheasmhachd dhà no trì criostalan grafait (no graphene) le mullach. Is e an rud a tha gu sònraichte sònraichte ann an roinn FLG gu bheil ìre sònraichte de mhì-thuigse a-staigh no taobh a-muigh plèana aig na criostalan. Chaidh mìrean grafait / sreathan le ceàrnan cuairteachaidh a-staigh de 17 °, 22 ° agus 25 ° aithris roimhe seo airson NGF fhàs air filmichean Ni 64. Tha na luachan ceàrn cuairteachaidh a chaidh fhaicinn san sgrùdadh seo co-chòrdail ri ceàrnan cuairteachaidh a chaidh fhaicinn roimhe (± 1 °) airson graphene BLG63 toinnte.
Chaidh feartan dealain NGF / SiO2 / Si a thomhas aig 300 K thairis air farsaingeachd de 10 × 3 mm2. Is e luachan dùmhlachd neach-giùlain dealanach, gluasad agus giùlan 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 agus 2000 S-cm-1, fa leth. Tha luachan gluasaid agus giùlain an NGF againn coltach ri graphite2 nàdarra agus nas àirde na grafait pyrolytic làn-treòraichte a tha ri fhaighinn gu malairteach (air a thoirt a-mach aig 3000 ° C)29. Tha na luachan dùmhlachd giùlan dealanach a chaidh an sgrùdadh dà òrdugh meud nas àirde na an fheadhainn a chaidh aithris o chionn ghoirid (7.25 × 10 cm-3) airson filmichean grafait tiugh micron air an ullachadh le bhith a’ cleachdadh siotaichean polyimide àrd-teodhachd (3200 ° C) 20 .
Rinn sinn cuideachd tomhasan tar-chuir a bha follaiseach le UV air FS-NGF air a ghluasad gu substrates quartz (Figear 6). Tha an speactram a thig às a’ sealltainn tar-chuir cha mhòr seasmhach de 62% anns an raon 350–800 nm, a’ nochdadh gu bheil NGF tar-shoilleir gu solas faicsinneach. Gu dearbh, tha an t-ainm “KAUST” ri fhaicinn anns an dealbh didseatach den sampall ann am Figear 6b. Ged a tha structar nanocrystalline NGF eadar-dhealaichte bho structar SLG, faodar an àireamh de shreathan a thomhas gu ìre mhòr a’ cleachdadh an riaghailt de chall tar-chuir 2.3% gach còmhdach a bharrachd65. A rèir an dàimh seo, is e 21 an àireamh de shreathan graphene le call tar-chuir 38%. Mar sin, tha sinn a’ gabhail ris gu bheil an soilleireachd optigeach a chaidh fhaicinn a rèir roinnean FLG agus MLG, leis gu bheil iad air an sgaoileadh air feadh an fhilm (Figs 1, 3, 5 agus 6c). A bharrachd air an dàta structarail gu h-àrd, tha seoltachd agus follaiseachd cuideachd a’ dearbhadh càileachd àrd criostalach an NGF a chaidh a ghluasad.
(a) Tomhas tar-chuir faicsinneach UV, (b) gluasad àbhaisteach NGF air èiteag a’ cleachdadh sampall riochdachail. (c) Sgeama de NGF (bogsa dorcha) le roinnean FLG agus MLG air an sgaoileadh gu cothromach air an comharrachadh mar chumaidhean air thuaiream liath air feadh an t-sampall (faic Figear 1) (timcheall air 0.1–3% sgìre gach 100 μm2). Tha na cumaidhean air thuaiream agus am meudan san diagram airson adhbharan mìneachaidh a-mhàin agus chan eil iad a’ freagairt ri raointean fìor.
Chaidh NGF tar-shoilleir fhàs le CVD a ghluasad roimhe seo gu uachdar lom silicon agus a chleachdadh ann an ceallan grèine15,16. Is e an èifeachdas tionndaidh cumhachd (PCE) mar thoradh air 1.5%. Bidh na NGFn sin a’ coileanadh iomadh gnìomh leithid sreathan todhar gnìomhach, slighean còmhdhail cosgais, agus dealanan follaiseach15,16. Ach, chan eil am film grafait co-ionnan. Tha feum air tuilleadh optimization le bhith a’ cumail smachd gu faiceallach air strì an aghaidh duilleag agus tar-chuir optigeach an electrod grafait, leis gu bheil àite cudromach aig an dà thogalach seo ann a bhith a’ dearbhadh luach PCE na cealla grèine15,16. Mar as trice, tha filmichean graphene 97.7% follaiseach gu solas faicsinneach, ach tha an aghaidh duilleag de 200–3000 ohms/sq.16. Faodar an aghaidh uachdar fhilmichean graphene a lughdachadh le bhith ag àrdachadh an àireamh de shreathan (iomadh gluasad de shreathan graphene) agus a’ dèanamh dopadh le HNO3 (~ 30 Ohm/sq.)66. Ach, bheir am pròiseas seo ùine mhòr agus chan eil na diofar shreathan gluasaid an-còmhnaidh a’ cumail deagh cheangal. Tha feartan aig an taobh aghaidh NGF againn leithid seoltachd 2000 S / cm, strì an aghaidh duilleag film 50 ohm / sq. agus follaiseachd 62%, ga dhèanamh na roghainn obrachaidh eile airson seanalan giùlain no electrodes ann an ceallan grèine15,16.
Ged a tha structar agus ceimigeachd uachdar BS-NGF coltach ri FS-NGF, tha a garbh eadar-dhealaichte (“Fàs FS- agus BS-NGF”). Roimhe sin, chleachd sinn graphite film ultra-tana22 mar sensor gas. Mar sin, rinn sinn deuchainn air comasachd BS-NGF a chleachdadh airson gnìomhan mothachaidh gas (Figear SI10). An toiseach, chaidh cuibhreannan de mheud mm2 de BS-NGF a ghluasad chun chip sensor electrode eadar-dhidseatach (Figear SI10a-c). Chaidh aithris a dhèanamh air mion-fhiosrachadh saothrachaidh a’ chip roimhe; is e an raon gnìomhach mothachail aige 9 mm267. Anns na h-ìomhaighean SEM (Figear SI10b agus c), tha an dealan òir bunaiteach ri fhaicinn gu soilleir tron NGF. A-rithist, chithear gun deach còmhdach èideadh chip a choileanadh airson a h-uile sampall. Chaidh tomhasan mothachaidh gas de dhiofar ghasaichean a chlàradh (Fig. SI10d) (Fig. SI11) agus tha na h-ìrean freagairt mar thoradh air sin air an sealltainn ann am Figs. SI10g. Coltach ri gasaichean eadar-theachd eile a’ toirt a-steach SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) agus NH3 (200 ppm). Is e aon adhbhar a dh’ fhaodadh a bhith ann NO2. nàdar electrophilic a’ ghas22,68. Nuair a thèid a shanasachadh air uachdar graphene, bidh e a ’lughdachadh gabhail a-steach dealanan leis an t-siostam an-dràsta. Tha coimeas eadar dàta ùine freagairt an sensor BS-NGF le mothachairean a chaidh fhoillseachadh roimhe air a thaisbeanadh ann an Clàr SI2. Tha an t-inneal airson mothachairean NGF ath-ghnìomhachadh a’ cleachdadh plasma UV, plasma O3 no làimhseachadh teirmeach (50-150 ° C) de shamhlaichean fosgailte a’ dol air adhart, air a leantainn le buileachadh siostaman freumhaichte69.
Tron phròiseas CVD, bidh fàs graphene a’ tachairt air gach taobh den fho-strat catalyst41. Ach, mar as trice bidh BS-graphene air a chuir a-mach tron phròiseas gluasaid41. Anns an sgrùdadh seo, tha sinn a’ sealltainn gum faodar fàs NGF àrd-inbhe agus gluasad NGF gun polymer a choileanadh air gach taobh den taic catalyst. Tha BS-NGF nas taine (~ 80 nm) na FS-NGF (~ 100 nm), agus tha an eadar-dhealachadh seo air a mhìneachadh leis nach eil BS-Ni fosgailte gu dìreach don t-sruth gas ro-ruithear. Lorg sinn cuideachd gu bheil cho garbh sa tha an substrate NiAR a’ toirt buaidh air cho garbh sa tha an NGF. Tha na toraidhean sin a’ nochdadh gum faodar am planar fàs FS-NGF a chleachdadh mar stuth ro-làimh airson graphene (le modh exfoliation70) no mar sheanal giùlain ann an ceallan grèine15,16. An coimeas ri sin, thèid BS-NGF a chleachdadh airson lorg gas (Fig. SI9) agus 's dòcha airson siostaman stòraidh lùth71,72 far am bi garbhachd an uachdair feumail.
A 'beachdachadh air na tha gu h-àrd, tha e feumail an obair làithreach a chur còmhla ri filmichean grafait a chaidh fhoillseachadh roimhe le CVD agus a' cleachdadh foil nicil. Mar a chithear ann an Clàr 2, ghiorraich na cuideaman nas àirde a chleachd sinn an ùine freagairt (ìre fàis) eadhon aig teòthachd an ìre mhath ìosal (anns an raon 850–1300 ° C). Choilean sinn cuideachd barrachd fàis na b’ àbhaist, a’ nochdadh comas airson leudachadh. Tha nithean eile ri beachdachadh, cuid dhiubh a tha sinn air a ghabhail a-steach sa chlàr.
Chaidh NGF de chàileachd àrd le dà thaobh fhàs air foil nicil le CVD catalytach. Le bhith a’ cur às do fho-stratan polymer traidiseanta (leithid an fheadhainn a thathas a’ cleachdadh ann an CVD graphene), bidh sinn a’ coileanadh gluasad fliuch glan agus gun lochd de NGF (air fhàs air taobhan cùil is aghaidh foil nicil) gu grunn fo-stratan a tha deatamach do phròiseas. Gu sònraichte, tha NGF a’ toirt a-steach roinnean FLG agus MLG (mar as trice 0.1% gu 3% gach 100 µm2) a tha air an deagh fhilleadh a-steach don fhilm nas tiugh. Tha Planar TEM a ’sealltainn gu bheil na roinnean sin air an dèanamh suas de chruachan de dhà no trì gràinean grafait / graphene (criostalan no sreathan, fa leth), cuid dhiubh le mì-chothromachadh rothlach de 10 - 20 °. Tha na roinnean FLG agus MLG an urra ri follaiseachd FS-NGF gu solas faicsinneach. A thaobh nan duilleagan cùil, faodar an giùlan co-shìnte ris na duilleagan aghaidh agus, mar a chithear, faodaidh adhbhar gnìomh a bhith aca (mar eisimpleir, airson lorg gas). Tha na sgrùdaidhean sin glè fheumail airson sgudal agus cosgaisean ann am pròiseasan CVD aig ìre gnìomhachais a lughdachadh.
San fharsaingeachd, tha tiugh cuibheasach CVD NGF na laighe eadar duilleagan grafait graphene (ìosal agus ioma-fhilleadh) agus gnìomhachasach (micrometer). Tha an raon de na feartan inntinneach aca, còmhla ris an dòigh shìmplidh a tha sinn air a leasachadh airson an cinneasachadh agus an còmhdhail, a’ dèanamh na filmichean sin gu sònraichte freagarrach airson tagraidhean a dh ’fheumas freagairt gnìomh grafait, gun chosgais air na pròiseasan toraidh gnìomhachais lùth-dian a thathas a’ cleachdadh an-dràsta.
Chaidh foil nicil 25-μm-tiugh (99.5% purity, Goodfellow) a chuir a-steach ann an reactair CVD malairteach (Aixtron 4-òirleach BMPro). Chaidh an siostam a ghlanadh le argon agus a ghluasad gu cuideam bunaiteach de 10-3 mbar. An uairsin chaidh foil nicil a chuir. ann an Ar / H2 (Às deidh dha foil Ni a ro-innse airson 5 min, bha am foil fosgailte do chuideam de 500 mbar aig 900 ° C. Chaidh NGF a thasgadh ann an sruth CH4 / H2 (100 cm3 gach ceann) airson 5 min. Chaidh an sampall an uairsin fhuarachadh gu teòthachd fo 700 ° C a’ cleachdadh sruth Ar (4000 cm3) aig 40 ° C / min air a mhìneachadh ann an àite eile30.
Chaidh morf-eòlas uachdar an t-sampall fhaicinn le SEM a’ cleachdadh miocroscop Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Chaidh garbhachd uachdar an t-sampall agus tiugh NGF a thomhas a’ cleachdadh AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Chaidh tomhasan TEM agus SAED a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh miocroscop FEI Titan 80–300 Cubed le uidheamachd le gunna sgaoilidh raon soilleireachd àrd (300 kV), monochromator seòrsa FEI Wien agus ceartaiche aberration spherical lionsa CEOS gus na toraidhean deireannach fhaighinn. rùn spàsail 0.09 nm. Chaidh sampallan NGF a ghluasad gu cliathan copair còmhdaichte le carbon lacy airson ìomhaighean còmhnard TEM agus mion-sgrùdadh structar SAED. Mar sin, tha a’ mhòr-chuid de na flocs sampall crochte ann am pores an membran taiceil. Chaidh sampallan NGF a chaidh a ghluasad a sgrùdadh le XRD. Chaidh pàtrain sgaraidh X-ray fhaighinn le bhith a’ cleachdadh diffractometer pùdar (Brucker, gluasad ìre D2 le stòr Cu Kα, lorgaire 1.5418 Å agus LYNXEYE) a’ cleachdadh stòr rèididheachd Cu le trast-thomhas spot beam de 3 mm.
Chaidh grunn thomhasan puing Raman a chlàradh a’ cleachdadh miocroscop confocal aonaichte (Alpha 300 RA, WITeC). Chaidh leusair 532 nm le cumhachd ìosal ìosal (25%) a chleachdadh gus buaidhean teirmeach a sheachnadh. Chaidh X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) a dhèanamh air spectrometer Kratos Axis Ultra thairis air raon sampall de 300 × 700 μm2 a 'cleachdadh rèididheachd monochromatic Al Kα (hν = 1486.6 eV) aig cumhachd 150 W. Fhuaireadh speactra fuasgladh aig lùth tar-chuir de 160 eV agus 20 eV, fa leth. Chaidh sampallan NGF a chaidh a ghluasad gu SiO2 a ghearradh ann am pìosan (3 × 10 mm2 gach ceann) a’ cleachdadh leusair snàithleach ytterbium PLS6MW (1.06 μm) aig 30 W. Chaidh fiosan uèir copar (50 μm tiugh) a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh pasgan airgid fo mhiocroscop optigeach. Chaidh còmhdhail dealain agus deuchainnean buaidh Hall a dhèanamh air na sampallan sin aig 300 K agus atharrachadh raon magnetach de ± 9 Tesla ann an siostam tomhais feartan corporra (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Chaidh speactra UV-vis a chaidh a ghluasad a chlàradh a’ cleachdadh speactrphotometer Lambda 950 UV-vis anns an raon 350–800 nm NGF air a ghluasad gu substrates quartz agus sampallan iomraidh quartz.
Chaidh an sensor strì ceimigeach (sliseag electrode eadar-dhidseatach) a shreapadh gu bòrd cuairteachaidh clò-bhuailte àbhaisteach 73 agus chaidh an aghaidh a thoirt a-mach gu neo-ghluasadach. Tha am bòrd cuairteachaidh clò-bhuailte air a bheil an inneal suidhichte ceangailte ris na h-ionadan conaltraidh agus air a chuir a-steach don t-seòmar mothachaidh gas 74. Chaidh tomhas an aghaidh a thoirt aig bholtadh 1 V le sgrùdadh leantainneach bhon purge gu nochd gas agus an uairsin glanaidh a-rithist. Chaidh an seòmar a ghlanadh an toiseach le bhith a’ glanadh le nitrigin aig 200 cm3 airson 1 uair gus dèanamh cinnteach gun tèid a h-uile mion-sgrùdadh eile a tha san t-seòmar a thoirt air falbh, a’ toirt a-steach taiseachd. Chaidh na mion-sgrùdaidhean fa leth an uairsin a leigeil ma sgaoil gu slaodach a-steach don t-seòmar aig an aon ìre sruthadh de 200 cm3 le bhith a’ dùnadh an siolandair N2.
Chaidh dreach ath-sgrùdaichte den artaigil seo fhoillseachadh agus gheibhear thuige tron cheangal aig mullach an artaigil.
Inagaki, M. agus Kang, F. Carbon Stuthan Saidheans agus Innleadaireachd: Bunaiteach. An dàrna deasachadh air a dheasachadh. 2014. 542.
Pearson, Leabhar-làimhe gualain, Graphite, Daoimean agus Fullerenes: Feartan, Giullachd agus Cleachdaidhean. Tha a’ chiad deasachadh air a dheasachadh. 1994, Jersey Nuadh.
Tsai, W. et al. Fiolmaichean graphene / grafait ioma-fhilleadh sgìreil mar electrodan giùlain tana follaiseach. tagradh. fiosaig. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Feartan teirmeach stuthan graphene agus carbon nanostructured. Nat. Mata. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW agus Cahill DG Giùlan teirmeach de fhilmichean grafait air fhàs air Ni (111) le bhith a’ tasgadh bhalbhaichean ceimigeach aig teòthachd ìosal. adverb. Mata. Eadar-aghaidh 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Fàs leantainneach de fhilmichean graphene le bhith a 'toirt seachad ceimigean ceimigeach. tagradh. fiosaig. Wright. 98(13), 133106(2011).
Ùine puist: Lùnastal-23-2024