O ṣeun fun lilo si Nature.com. Ẹya ẹrọ aṣawakiri ti o nlo ni atilẹyin CSS lopin. Fun awọn abajade to dara julọ, a ṣeduro pe ki o lo ẹya tuntun ti aṣawakiri rẹ (tabi mu Ipo Ibamu ṣiṣẹ ni Internet Explorer). Lakoko, lati rii daju atilẹyin ti nlọ lọwọ, a n ṣafihan aaye naa laisi aṣa tabi JavaScript.
Awọn fiimu graphite Nanoscale (NGFs) jẹ awọn ohun elo nanomaterials ti o lagbara ti o le ṣejade nipasẹ isọdi ikemi kemikalitiki, ṣugbọn awọn ibeere wa nipa irọrun gbigbe wọn ati bii mofoloji dada ṣe ni ipa lori lilo wọn ni awọn ẹrọ iran atẹle. Nibi ti a jabo idagba ti NGF ni ẹgbẹ mejeeji ti a polycrystalline nickel bankanje (agbegbe 55 cm2, sisanra nipa 100 nm) ati awọn oniwe-polima-free gbigbe (iwaju ati sẹhin, agbegbe to 6 cm2). Nitori awọn mofoloji ti awọn ayase bankanje, awọn meji erogba fiimu yato ni won ti ara-ini ati awọn miiran abuda (gẹgẹ bi awọn dada roughness). A ṣe afihan pe awọn NGF pẹlu ẹhin rougher ti o dara fun wiwa NO2, lakoko ti o rọrun ati diẹ sii awọn NGF ti o ni ilọsiwaju ni ẹgbẹ iwaju (2000 S / cm, resistance dì - 50 ohms / m2) le jẹ awọn olutọpa ti o le yanju. ikanni tabi elekiturodu ti oorun sẹẹli (niwon o ndari 62% ti ina han). Lapapọ, idagbasoke ti a ṣalaye ati awọn ilana gbigbe le ṣe iranlọwọ lati mọ NGF gẹgẹbi ohun elo erogba omiiran fun awọn ohun elo imọ-ẹrọ nibiti awọn fiimu graphite ati micron-nipọn ko dara.
Lẹẹdi jẹ ohun elo ile-iṣẹ ti a lo lọpọlọpọ. Ni pataki, lẹẹdi ni awọn ohun-ini ti iwuwo iwuwo kekere ti o ga ati igbona ọkọ ofurufu giga ati ina eletiriki, ati pe o jẹ iduroṣinṣin pupọ ni igbona lile ati awọn agbegbe kemikali1,2. Lẹẹdi Flake jẹ ohun elo ibẹrẹ ti a mọ daradara fun iwadii graphene3. Nigbati a ba ṣe ilana sinu awọn fiimu tinrin, o le ṣee lo ni ọpọlọpọ awọn ohun elo, pẹlu awọn ifọwọ ooru fun awọn ẹrọ itanna bii awọn fonutologbolori4,5,6,7, bi ohun elo ti nṣiṣe lọwọ ni sensosi8,9,10 ati fun aabo kikọlu itanna11. 12 ati awọn fiimu fun lithography ni iwọn ultraviolet13,14, ṣiṣe awọn ikanni ni awọn sẹẹli oorun15,16. Fun gbogbo awọn ohun elo wọnyi, yoo jẹ anfani pataki ti awọn agbegbe nla ti awọn fiimu graphite (NGFs) pẹlu awọn sisanra ti a ṣakoso ni nanoscale <100 nm le ni irọrun iṣelọpọ ati gbigbe.
Awọn fiimu graphite jẹ iṣelọpọ nipasẹ awọn ọna oriṣiriṣi. Ni ọran kan, ifibọ ati imugboroja ti o tẹle pẹlu exfoliation ni a lo lati ṣe awọn flakes graphene10,11,17. Awọn flakes gbọdọ wa ni ilọsiwaju siwaju sii sinu awọn fiimu ti sisanra ti a beere, ati pe o gba ọpọlọpọ awọn ọjọ nigbagbogbo lati ṣe awọn iwe graphite ipon. Ọna miiran ni lati bẹrẹ pẹlu awọn iṣaju ti o ni iyaworan. Ni ile-iṣẹ, awọn iwe ti awọn polima ti wa ni carbonized (ni 1000-1500 °C) ati lẹhinna graphitized (ni 2800-3200 °C) lati ṣe awọn ohun elo siwa ti o dara daradara. Botilẹjẹpe didara awọn fiimu wọnyi ga, agbara agbara jẹ pataki1,18,19 ati sisanra ti o kere ju ni opin si awọn microns1,18,19,20 diẹ.
Iṣeduro ikemi ti kemikali Catalytic (CVD) jẹ ọna ti a mọ daradara fun iṣelọpọ graphene ati awọn fiimu graphite ultrathin (<10 nm) pẹlu didara igbekalẹ giga ati idiyele idiyele21,22,23,24,25,26,27. Sibẹsibẹ, ni akawe pẹlu idagba ti graphene ati ultrathin graphite films28, idagbasoke agbegbe nla ati/tabi ohun elo NGF nipa lilo CVD paapaa kere si iwadii11,13,29,30,31,32,33.
graphene ti CVD ti dagba ati awọn fiimu graphite nigbagbogbo nilo lati gbe lọ si awọn sobusitireti iṣẹ34. Awọn gbigbe fiimu tinrin wọnyi pẹlu awọn ọna akọkọ meji35: (1) gbigbe ti kii ṣe etch36,37 ati (2) gbigbe kemikali tutu ti o da lori (sobusitireti atilẹyin) 14,34,38. Ọna kọọkan ni diẹ ninu awọn anfani ati awọn alailanfani ati pe o gbọdọ yan da lori ohun elo ti a pinnu, bi a ti ṣalaye ni ibomiiran35,39. Fun awọn fiimu graphene / graphite ti o dagba lori awọn sobusitireti katalitiki, gbigbe nipasẹ awọn ilana kemikali tutu (ti eyiti polymethyl methacrylate (PMMA) jẹ Layer atilẹyin ti o wọpọ julọ) jẹ yiyan akọkọ13,30,34,38,40,41,42. Iwọ et al. A mẹnuba pe ko si polima ti a lo fun gbigbe NGF (iwọn apẹẹrẹ to 4 cm2) 25,43, ṣugbọn ko si alaye ti a pese nipa iduroṣinṣin ayẹwo ati / tabi mimu lakoko gbigbe; Awọn ilana kemistri tutu nipa lilo awọn polima ni awọn igbesẹ pupọ, pẹlu ohun elo ati yiyọkuro ti o tẹle ti Layer polymer irubo30,38,40,41,42. Ilana yii ni awọn alailanfani: fun apẹẹrẹ, awọn iṣẹku polymer le yi awọn ohun-ini ti fiimu ti o dagba sii38 pada. Sise afikun le yọ polima ti o ku, ṣugbọn awọn igbesẹ afikun wọnyi pọ si iye owo ati akoko iṣelọpọ fiimu38,40. Lakoko idagbasoke CVD, ipele ti graphene ti wa ni ipamọ kii ṣe ni ẹgbẹ iwaju ti bankanje ayase (ẹgbẹ ti nkọju si ṣiṣan nya), ṣugbọn tun ni ẹgbẹ ẹhin rẹ. Sibẹsibẹ, igbehin ni a ka si ọja egbin ati pe o le yọkuro ni kiakia nipasẹ pilasima asọ38,41. Atunlo fiimu yii le ṣe iranlọwọ lati mu ikore pọ si, paapaa ti o ba jẹ didara kekere ju fiimu erogba oju.
Nibi, a ṣe ijabọ igbaradi ti idagbasoke bifacial ti iwọn wafer ti NGF pẹlu didara igbekalẹ giga lori bankanje nickel polycrystalline nipasẹ CVD. A ṣe ayẹwo bawo ni aibikita ti iwaju ati dada ẹhin ti bankanje ṣe ni ipa lori mofoloji ati igbekalẹ ti NGF. A tun ṣe afihan iye owo-doko ati gbigbe-ọfẹ polima-ọfẹ ayika ti NGF lati ẹgbẹ mejeeji ti bankanje nickel sori awọn sobusitireti multifunctional ati ṣafihan bi awọn fiimu iwaju ati ẹhin ṣe dara fun awọn ohun elo lọpọlọpọ.
Awọn apakan wọnyi n jiroro lori awọn sisanra fiimu graphite ti o yatọ ti o da lori nọmba ti awọn fẹlẹfẹlẹ graphene tolera: (i) graphene Layer ẹyọkan (SLG, Layer 1), (ii) graphene Layer diẹ (FLG, <10 Layers), (iii) graphene multilayer ( MLG, awọn ipele 10-30) ati (iv) NGF (~ awọn ipele 300). Igbẹhin jẹ sisanra ti o wọpọ julọ ti a fihan bi ipin ogorun agbegbe (isunmọ 97% agbegbe fun 100 µm2)30. Ti o ni idi ti gbogbo fiimu ti wa ni nìkan ti a npe ni NGF.
Awọn foils nickel Polycrystalline ti a lo fun iṣelọpọ ti graphene ati awọn fiimu graphite ni awọn awoara oriṣiriṣi bi abajade iṣelọpọ wọn ati sisẹ atẹle. Laipẹ a ṣe ijabọ iwadii kan lati mu ilana idagbasoke ti NGF30 dara si. A fihan pe awọn paramita ilana gẹgẹbi akoko imukuro ati titẹ iyẹwu lakoko ipele idagbasoke ṣe ipa pataki ni gbigba awọn NGF ti sisanra aṣọ. Nibi, a ṣe iwadi siwaju sii idagba ti NGF ni iwaju didan (FS) ati awọn oju-iwe ti a ko ni ẹhin (BS) ti bankanje nickel (Fig. 1a). Awọn oriṣi mẹta ti awọn ayẹwo FS ati BS ni a ṣe ayẹwo, ti a ṣe akojọ si ni Tabili 1. Lori ayewo wiwo, idagbasoke iṣọkan ti NGF ni ẹgbẹ mejeeji ti bankanje nickel (NiAG) ni a le rii nipasẹ iyipada awọ ti sobusitireti Ni olopobobo lati fadaka ti fadaka grẹy to a matte grẹy awọ (Fig. 1a); airi wiwọn won timo (Fig. 1b, c). A aṣoju Raman julọ.Oniranran ti FS-NGF woye ni imọlẹ ekun ati itọkasi nipa pupa, bulu ati osan ọfà ni Figure 1b ti han ni Figure 1c. Iwa ti Raman ti o ga julọ ti graphite G (1683 cm-1) ati 2D (2696 cm-1) jẹrisi idagba ti NGF crystalline ti o ga julọ (Fig. 1c, Table SI1). Ni gbogbo fiimu naa, iṣaju ti Raman spectra pẹlu ipin kikankikan (I2D/IG) ~ 0.3 ni a ṣe akiyesi, lakoko ti Raman spectra pẹlu I2D/IG = 0.8 ni a ṣọwọn ṣakiyesi. Aisi awọn oke ti o ni abawọn (D = 1350 cm-1) ni gbogbo fiimu tọkasi didara giga ti idagbasoke NGF. Awọn abajade Raman ti o jọra ni a gba lori apẹẹrẹ BS-NGF (Figure SI1 a ati b, Table SI1).
Afiwera ti NiAG FS- ati BS-NGF: (a) Fọto ti aṣoju NGF (NiAG) apẹẹrẹ ti o nfihan idagbasoke NGF ni iwọn wafer (55 cm2) ati abajade BS- ati FS-Ni awọn apẹẹrẹ bankanje, (b) FS-NGF Awọn aworan/Ni ti a gba nipasẹ maikirosikopu opiti, (c) aṣoju Raman spectra ti o gbasilẹ ni awọn ipo oriṣiriṣi ni nronu b, (d, f) Awọn aworan SEM ni awọn iwọn oriṣiriṣi lori FS-NGF/Ni, (e, g) Awọn aworan SEM ni awọn iwọn oriṣiriṣi oriṣiriṣi. Ṣeto BS -NGF/Ni. Ọfa buluu tọkasi agbegbe FLG, itọka osan tọkasi agbegbe MLG (nitosi agbegbe FLG), itọka pupa tọkasi agbegbe NGF, ati itọka magenta tọka agbo naa.
Niwọn igba ti idagba da lori sisanra ti sobusitireti akọkọ, iwọn gara, iṣalaye, ati awọn aala ọkà, iyọrisi iṣakoso ironu ti sisanra NGF lori awọn agbegbe nla jẹ ipenija20,34,44. Iwadi yii lo akoonu ti a gbejade tẹlẹ30. Ilana yii ṣe agbejade agbegbe didan ti 0.1 si 3% fun 100 µm230. Ni awọn apakan atẹle, a ṣafihan awọn abajade fun awọn iru agbegbe mejeeji. Awọn aworan SEM ti o ga julọ fihan ifarahan ti ọpọlọpọ awọn agbegbe itansan imọlẹ ni ẹgbẹ mejeeji (Fig. 1f, g), ti o nfihan niwaju FLG ati awọn agbegbe MLG30,45. Eyi tun jẹrisi nipasẹ pipinka Raman (Fig. 1c) ati awọn abajade TEM (sọrọ nigbamii ni apakan “FS-NGF: eto ati awọn ohun-ini”). Awọn agbegbe FLG ati MLG ṣe akiyesi lori awọn ayẹwo FS- ati BS-NGF/Ni (iwaju ati ẹhin NGF ti o dagba lori Ni) le ti dagba lori awọn irugbin Ni (111) nla ti a ṣẹda lakoko iṣaaju-annealing22,30,45. A ṣe akiyesi kika ni ẹgbẹ mejeeji (Fig. 1b, ti a samisi pẹlu awọn ọfa eleyi ti). Awọn agbo wọnyi nigbagbogbo ni a rii ni graphene ti CVD ti o dagba ati awọn fiimu graphite nitori iyatọ nla ninu iyeida ti imugboroja gbona laarin graphite ati sobusitireti nickel30,38.
Aworan AFM jẹrisi pe apẹẹrẹ FS-NGF jẹ fifẹ ju apẹẹrẹ BS-NGF (Figure SI1) (Figure SI2). Gbongbo tumọ onigun mẹrin (RMS) awọn iye roughness ti FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) ati BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) jẹ 82 ati 200 nm, ni atele (ti wọn lori agbegbe ti 20 × 20 μm2). Awọn ti o ga roughness le ti wa ni gbọye da lori dada igbekale ti nickel (NiAR) bankanje ni bi-gba ipinle (olusin SI3). Awọn aworan SEM ti FS ati BS-NiAR ni a fihan ni Awọn nọmba SI3a-d, ti n ṣe afihan oriṣiriṣi awọn ẹda oju-aye: bankanje FS-Ni didan ni awọn patikulu iyipo nano- ati micron, lakoko ti bankanje BS-Ni ti ko ni didan ṣe afihan akaba iṣelọpọ kan. bi awọn patikulu pẹlu ga agbara. ati kọ silẹ. Awọn aworan kekere ati ipinnu giga ti bankanje nickel annealed (NiA) jẹ afihan ni Nọmba SI3e–h. Ninu awọn nọmba wọnyi, a le ṣe akiyesi wiwa ọpọlọpọ awọn patikulu nickel ti o ni iwọn micron ni ẹgbẹ mejeeji ti bankanje nickel (Fig. SI3e-h). Awọn irugbin nla le ni iṣalaye oju ilẹ Ni (111), bi a ti royin tẹlẹ30,46. Awọn iyatọ nla wa ninu imọ-jinlẹ nickel foil laarin FS-NiA ati BS-NiA. Iyara ti o ga julọ ti BS-NGF/Ni jẹ nitori oju ti a ko ni didan ti BS-NiAR, oju ti o wa ni pataki paapaa lẹhin annealing (Figure SI3). Iru iru ifasilẹ oju-aye yii ṣaaju ilana idagbasoke ti ngbanilaaye aibikita ti graphene ati awọn fiimu graphite lati ṣakoso. O yẹ ki o ṣe akiyesi pe sobusitireti atilẹba ti lọ diẹ ninu isọdọtun ọkà lakoko idagbasoke graphene, eyiti o dinku iwọn ọkà diẹ diẹ ati ni itumo pọ si roughness dada ti sobusitireti akawe si bankanje annealed ati ayase film22.
Ṣiṣatunṣe aiyẹwu dada sobusitireti daradara, akoko didan (iwọn ọkà)30,47 ati iṣakoso itusilẹ43 yoo ṣe iranlọwọ lati dinku iṣọkan sisanra agbegbe NGF si iwọn µm2 ati/tabi paapaa iwọn nm2 (ie, awọn iyatọ sisanra ti awọn nanometers diẹ). Lati ṣakoso aibikita dada ti sobusitireti, awọn ọna bii didan elekitiroti ti bankanje nickel ti o yọrisi ni a le gbero48. Fọọmu nickel ti a ti sọ tẹlẹ ni a le fi sii ni iwọn otutu kekere (<900 °C) 46 ati akoko (< 5 min) lati yago fun dida awọn irugbin Ni (111) nla (eyiti o jẹ anfani fun idagbasoke FLG).
SLG ati FLG graphene ko lagbara lati koju ẹdọfu dada ti awọn acids ati omi, nilo awọn ipele atilẹyin ẹrọ lakoko awọn ilana gbigbe kemikali tutu22,34,38. Ni idakeji si gbigbe kemikali tutu ti polymer-atilẹyin nikan-Layer graphene38, a rii pe awọn ẹgbẹ mejeeji ti NGF ti o dagba ni a le gbe laisi atilẹyin polima, bi a ṣe han ni Nọmba 2a (wo Nọmba SI4a fun awọn alaye diẹ sii). Gbigbe NGF si sobusitireti ti a fun bẹrẹ pẹlu etching tutu ti fiimu Ni30.49 ti o wa labẹ. Awọn ayẹwo NGF/Ni/NGF ti o dagba ni a gbe ni alẹ ni 15 milimita ti 70% HNO3 ti a fomi po pẹlu 600 milimita ti omi deionized (DI). Lẹhin ti bankanje Ni ti wa ni tituka patapata, FS-NGF maa wa alapin ati ki o leefofo loju omi loju omi, gẹgẹ bi apẹẹrẹ NGF/Ni/NGF, lakoko ti BS-NGF ti wa ni immersed ninu omi (Fig. 2a,b). NGF ti o ya sọtọ lẹhinna ni a gbe lati inu beaker kan ti o ni omi tuntun ti a ti sọ diionized si beaker miiran ati pe NGF ti o ya sọtọ ti fọ daradara, tun ṣe ni igba mẹrin si mẹfa nipasẹ satelaiti gilasi concave. Nikẹhin, FS-NGF ati BS-NGF ni a gbe sori sobusitireti ti o fẹ (Fig. 2c).
Ilana gbigbe kemikali tutu ti ko ni polima fun NGF ti o dagba lori bankanje nickel: (a) Aworan sisan ilana (wo Nọmba SI4 fun awọn alaye diẹ sii), (b) Aworan oni nọmba ti NGF ti o yapa lẹhin Ni etching (awọn ayẹwo 2), (c) Apeere FS - ati BS-NGF gbigbe si SiO2 / Si sobusitireti, (d) Gbigbe FS-NGF si sobusitireti polima opaque, (e) BS-NGF lati apẹẹrẹ kanna bi nronu d (ti pin si awọn ẹya meji), gbe lọ si iwe-awọ goolu C. ati Nafion (irọra sihin sobusitireti, egbegbe ti samisi pẹlu pupa igun).
Ṣe akiyesi pe gbigbe SLG ti a ṣe nipa lilo awọn ọna gbigbe kemikali tutu nilo akoko ṣiṣe lapapọ ti 20-24 wakati 38. Pẹlu ilana gbigbe-ọfẹ polima ti a fihan nibi (Figure SI4a), gbogbo akoko gbigbe gbigbe NGF ti dinku ni pataki (to awọn wakati 15). Ilana naa ni: (Igbese 1) Mura ojutu etching kan ki o si gbe ayẹwo sinu rẹ (~ iṣẹju 10), lẹhinna duro ni alẹ fun Ni etching (~ 7200 iṣẹju), (Igbese 2) Fi omi ṣan pẹlu omi ti a ti sọ diionized (Igbese - 3) . fipamọ sinu omi ti a ti sọ diionized tabi gbigbe si sobusitireti ibi-afẹde (iṣẹju 20). Omi idẹkùn laarin NGF ati matrix olopobobo ni a yọkuro nipasẹ iṣe capillary (lilo iwe fifọ) 38, lẹhinna awọn isun omi ti o ku ni a yọkuro nipasẹ gbigbẹ adayeba (isunmọ awọn iṣẹju 30), ati nikẹhin ayẹwo naa ti gbẹ fun iṣẹju 10. min ninu adiro igbale (10-1 mbar) ni 50–90 °C (60 min) 38.
Graphite ni a mọ lati koju wiwa omi ati afẹfẹ ni awọn iwọn otutu ti o ga julọ (≥ 200 °C) 50,51,52. A ṣe idanwo awọn ayẹwo nipa lilo Raman spectroscopy, SEM, ati XRD lẹhin ibi ipamọ ni omi ti a ti sọ diionized ni iwọn otutu yara ati ni awọn igo ti a fi silẹ fun ibikibi lati awọn ọjọ diẹ si ọdun kan (Figure SI4). Ko si ibajẹ akiyesi. Nọmba 2c ṣe afihan FS-NGF ọfẹ ati BS-NGF ni omi ti a ti sọ diionized. A gba wọn lori SiO2 (300 nm) / Si sobusitireti, bi a ṣe han ni ibẹrẹ ti Figure 2c. Ni afikun, bi o ṣe han ni Nọmba 2d,e, NGF lemọlemọ le ṣee gbe si ọpọlọpọ awọn sobusitireti gẹgẹbi awọn polima (Thermabright polyamide lati Nexolve ati Nafion) ati iwe erogba ti a bo goolu. Lilefoofo FS-NGF ni irọrun gbe sori sobusitireti ibi-afẹde (Fig. 2c, d). Sibẹsibẹ, awọn ayẹwo BS-NGF ti o tobi ju 3 cm2 ni o ṣoro lati mu nigba ti a baptisi patapata ninu omi. Nigbagbogbo, nigbati wọn bẹrẹ lati yiyi ninu omi, nitori mimu aibikita wọn ma fọ si awọn ẹya meji tabi mẹta (Fig. 2e). Iwoye, a ni anfani lati ṣaṣeyọri gbigbe-ọfẹ polima ti PS- ati BS-NGF (gbigbe ailopin ti o tẹsiwaju laisi idagbasoke NGF / Ni / NGF ni 6 cm2) fun awọn apẹẹrẹ to 6 ati 3 cm2 ni agbegbe, lẹsẹsẹ. Eyikeyi awọn ege nla tabi kekere ti o ku le jẹ (ni irọrun rii ni ojutu etching tabi omi ti a ti sọ diionized) lori sobusitireti ti o fẹ (~ 1 mm2, Nọmba SI4b, wo apẹẹrẹ ti o gbe lọ si akoj bàbà bi ninu “FS-NGF: Igbekale ati Awọn ohun-ini (sisọ) labẹ "Eto ati Properties") tabi itaja fun ojo iwaju lilo (olusin SI4). Da lori ami-ẹri yii, a ṣe iṣiro pe NGF le gba pada ni awọn eso ti o to 98-99% (lẹhin idagbasoke fun gbigbe).
Awọn ayẹwo gbigbe laisi polima ni a ṣe atupale ni awọn alaye. Dada mofoloji abuda gba lori FS- ati BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 2c) lilo opitika microscopy (OM) ati SEM images (Fig. SI5 ati Fig. 3) fihan wipe awọn wọnyi awọn ayẹwo ti a ti gbe lai airi. Bibajẹ igbekale ti o han gẹgẹbi awọn dojuijako, ihò, tabi awọn agbegbe ti a ko yipo. Awọn agbo lori NGF ti o dagba (Fig. 3b, d, ti a samisi nipasẹ awọn ọfa eleyi ti) wa ni idaduro lẹhin gbigbe. Mejeeji FS- ati BS-NGF ni o ni awọn agbegbe FLG (awọn agbegbe didan tọka nipasẹ awọn ọfa buluu ni Nọmba 3). Iyalenu, ni idakeji si awọn agbegbe diẹ ti o bajẹ ni igbagbogbo ṣe akiyesi lakoko gbigbe polima ti awọn fiimu graphite ultrathin, ọpọlọpọ awọn agbegbe FLG micron ati MLG ti o sopọ si NGF (ti o samisi nipasẹ awọn ọfa buluu ni Nọmba 3d) ni a gbe laisi awọn dojuijako tabi awọn fifọ (Nọmba 3d) . 3). . Iduroṣinṣin ti ẹrọ ni a fi idi mulẹ siwaju nipa lilo awọn aworan TEM ati SEM ti NGF ti o gbe sori awọn grids lace-erogba Ejò, bi a ti jiroro nigbamii (“FS-NGF: Igbekale ati Awọn ohun-ini”). BS-NGF/SiO2/Si ti o ti gbe jẹ rougher ju FS-NGF/SiO2/Si pẹlu awọn iye rms ti 140 nm ati 17 nm, lẹsẹsẹ, bi a ṣe han ni Nọmba SI6a ati b (20 × 20 μm2). Iye RMS ti NGF ti a gbe sori sobusitireti SiO2/Si (RMS <2 nm) dinku ni pataki (nipa awọn akoko 3) ju ti NGF ti o dagba lori Ni (Figure SI2), ti o nfihan pe aibikita afikun le ṣe deede si dada Ni. Ni afikun, awọn aworan AFM ti a ṣe lori awọn egbegbe ti FS- ati BS-NGF / SiO2 / Si awọn ayẹwo fihan awọn sisanra NGF ti 100 ati 80 nm, lẹsẹsẹ (Fig. SI7). Awọn sisanra ti o kere ju ti BS-NGF le jẹ abajade ti dada ti ko farahan taara si gaasi iṣaaju.
Gbigbe NGF (NiAG) laisi polima lori SiO2 / Si wafer (wo Nọmba 2c): (a, b) Awọn aworan SEM ti gbigbe FS-NGF: iwọn kekere ati giga (ni ibamu si square osan ni nronu). Aṣoju agbegbe) – a). (c, d) Awọn aworan SEM ti gbigbe BS-NGF: iwọn kekere ati giga (ni ibamu si agbegbe aṣoju ti o han nipasẹ igun osan ni nronu c). (e, f) AFM awọn aworan ti o ti gbe FS- ati BS-NGFs. Ọfà bulu duro fun agbegbe FLG - itansan didan, itọka cyan - itansan MLG dudu, itọka pupa - itansan dudu duro fun agbegbe NGF, itọka magenta duro fun agbo.
Awọn akojọpọ kemikali ti awọn FS- ati BS-NGF ti o dagba ati gbigbe ni a ṣe ayẹwo nipasẹ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 4). A ṣe akiyesi tente ailera ti ko lagbara ni iwọn wiwọn (Fig. 4a, b), ti o baamu si sobusitireti Ni (850 eV) ti FS- ati BS-NGFs (NiAG) ti o dagba. Ko si awọn oke giga ni iwọn wiwọn ti gbigbe FS- ati BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 4c; awọn abajade ti o jọra fun BS-NGF / SiO2 / Si ko han), ti o fihan pe ko si ibajẹ Ni aloku lẹhin gbigbe. . Awọn nọmba 4d-f ṣe afihan awọn iwoye ti o ga julọ ti C 1 s, O 1 s ati Si 2p awọn ipele agbara ti FS-NGF / SiO2 / Si. Agbara abuda ti C 1 s ti lẹẹdi jẹ 284.4 eV53.54. Apẹrẹ laini ti awọn oke graphite ni gbogbogbo ni a ka si asymmetrical, bi o ṣe han ni Nọmba 4d54. Awọn ipele mojuto-giga-giga C 1 sspectrum (Fig. 4d) tun jẹrisi gbigbe mimọ (ie, ko si awọn iṣẹku polymer), eyiti o ni ibamu pẹlu awọn ẹkọ iṣaaju38. Awọn ila ila ti C 1 s spekitira ti ayẹwo tuntun ti o dagba (NiAG) ati lẹhin gbigbe jẹ 0.55 ati 0.62 eV, lẹsẹsẹ. Awọn iye wọnyi ga ju ti SLG (0.49 eV fun SLG lori sobusitireti SiO2)38. Bibẹẹkọ, awọn iye wọnyi kere ju awọn ila laini ti a royin tẹlẹ fun awọn ayẹwo graphene pyrolytic ti o ga julọ (~ 0.75 eV) 53,54,55, n tọka si isansa ti awọn aaye erogba abawọn ninu ohun elo lọwọlọwọ. Awọn ipele ipele ilẹ C 1 s ati O 1 tun ko awọn ejika, imukuro iwulo fun deconvolution tente oke-giga54. Oke satẹlaiti π → π* wa ni ayika 291.1 eV, eyiti o jẹ akiyesi nigbagbogbo ni awọn apẹẹrẹ lẹẹdi. Awọn ifihan agbara 103 eV ati 532.5 eV ni Si 2p ati O 1 s core level spectra (wo Fig. 4e, f) ti wa ni idamọ si sobusitireti SiO2 56, lẹsẹsẹ. XPS jẹ ilana ti o ni ifarabalẹ, nitorinaa awọn ifihan agbara ti o baamu Ni ati SiO2 ti a rii ṣaaju ati lẹhin gbigbe NGF, lẹsẹsẹ, ni a ro pe o wa lati agbegbe FLG. Awọn abajade kanna ni a ṣe akiyesi fun gbigbe awọn ayẹwo BS-NGF (ko han).
Awọn abajade NiAG XPS: (ac) Awọn iwoye iwadi ti o yatọ si awọn akojọpọ atomiki ipilẹ ti FS-NGF/Ni ti o dagba, BS-NGF/Ni ati gbigbe FS-NGF/SiO2/Si, lẹsẹsẹ. (d-f) Awọn iwoye ti o ga julọ ti awọn ipele mojuto C 1 s, O 1s ati Si 2p ti apẹẹrẹ FS-NGF/SiO2/Si.
Didara gbogbogbo ti awọn kirisita NGF ti o ti gbe ni a ṣe ayẹwo ni lilo X-ray diffraction (XRD). Awọn ilana XRD Aṣoju (Fig. SI8) ti gbigbe FS- ati BS-NGF / SiO2 / Si ṣe afihan wiwa ti awọn oke giga diffraction (0 0 0 2) ati (0 0 0 4) ni 26.6 ° ati 54.7 °, iru si graphite. . Eyi jẹrisi didara kristali giga ti NGF ati ni ibamu si ijinna interlayer ti d = 0.335 nm, eyiti o jẹ itọju lẹhin igbesẹ gbigbe. Awọn kikankikan ti awọn diffraction tente oke (0 0 0 2) jẹ isunmọ 30 igba ti awọn diffraction tente oke (0 0 0 4), o nfihan pe NGF gara ofurufu ti wa ni daradara deedee pẹlu awọn ayẹwo dada.
Gẹgẹbi awọn abajade ti SEM, Raman spectroscopy, XPS ati XRD, didara BS-NGF/Ni ni a rii pe o jẹ kanna bi ti FS-NGF/Ni, botilẹjẹpe roughness rms rẹ ga diẹ sii (Awọn eeya SI2, SI5) ati SI7).
Awọn SLG pẹlu awọn fẹlẹfẹlẹ atilẹyin polima to 200 nm nipọn le leefofo lori omi. Iṣeto yii jẹ lilo ni igbagbogbo ni iranlọwọ polima-iranlọwọ awọn ilana gbigbe kemikali tutu22,38. Graphene ati lẹẹdi jẹ hydrophobic (igun tutu 80-90 °) 57 . Awọn aaye agbara ti o pọju ti graphene mejeeji ati FLG ni a ti royin pe o jẹ alapin, pẹlu agbara agbara kekere (~ 1 kJ/mol) fun iṣipopada ita ti omi ni dada58. Sibẹsibẹ, awọn agbara ibaraenisepo ti a ṣe iṣiro ti omi pẹlu graphene ati awọn ipele mẹta ti graphene jẹ isunmọ - 13 ati - 15 kJ / mol, 58 ni atele, ti o nfihan pe ibaraenisepo ti omi pẹlu NGF (nipa awọn ipele 300) jẹ kekere ni akawe si graphene. Eyi le jẹ ọkan ninu awọn idi idi ti NGF ominira duro duro lori oju omi, lakoko ti graphene ti o wa laaye (eyiti o leefofo ninu omi) n gbe soke o si fọ. Nigba ti NGF ti wa ni immersed patapata ninu omi (awọn esi jẹ kanna fun NGF ti o ni inira ati alapin), awọn egbegbe rẹ tẹ (Figure SI4). Ninu ọran ti immersion pipe, o nireti pe agbara ibaraenisepo NGF-omi ti fẹrẹ di ilọpo meji (ti a ṣe afiwe si NGF lilefoofo) ati pe awọn egbegbe ti agbo NGF lati ṣetọju igun olubasọrọ giga (hydrophobicity). A gbagbọ pe awọn ọgbọn le ni idagbasoke lati yago fun lilọ ti awọn egbegbe ti awọn NGF ti a fi sii. Ọna kan ni lati lo awọn olomi ti o dapọ lati ṣe iyipada iṣesi tutu ti fiimu graphite59.
Gbigbe SLG si ọpọlọpọ awọn iru awọn sobusitireti nipasẹ awọn ilana gbigbe kemikali tutu ti jẹ ijabọ tẹlẹ. O gba ni gbogbogbo pe awọn agbara van der Waals alailagbara wa laarin awọn fiimu graphene/graphite ati awọn sobusitireti (jẹ awọn sobusitireti lile bii SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 ati awọn fiimu carbon lacy30, 34 tabi awọn sobusitireti rọ bii polyimide 37). Nibi a ro pe awọn ibaraenisepo ti iru kanna lo bori. A ko ṣe akiyesi eyikeyi ibajẹ tabi peeling ti NGF fun eyikeyi awọn sobusitireti ti a gbekalẹ nibi lakoko mimu iṣelọpọ (lakoko isọdisi labẹ igbale ati / tabi awọn ipo oju-aye tabi lakoko ibi ipamọ) (fun apẹẹrẹ, Aworan 2, SI7 ati SI9). Ni afikun, a ko ṣe akiyesi SiC tente oke ni XPS C 1 s spectrum ti ipele mojuto ti NGF/SiO2/Si sample (Fig. 4). Awọn abajade wọnyi tọka pe ko si asopọ kemikali laarin NGF ati sobusitireti ibi-afẹde.
Ni apakan ti tẹlẹ, "Gbigbee-free-Polymer ti FS- ati BS-NGF," a ṣe afihan pe NGF le dagba ati gbigbe ni ẹgbẹ mejeeji ti bankanje nickel. Awọn FS-NGF wọnyi ati BS-NGFs kii ṣe aami kanna ni awọn ọna ti oju-ara ti o wa ni oju, eyiti o jẹ ki a ṣawari awọn ohun elo ti o dara julọ fun iru kọọkan.
Ṣiyesi iṣipaya ati oju didan ti FS-NGF, a ṣe iwadi eto agbegbe rẹ, awọn ohun-ini opitika ati itanna ni awọn alaye diẹ sii. Ẹya ati igbekalẹ ti FS-NGF laisi gbigbe polima ni a ṣe afihan nipasẹ aworan elekitironi gbigbe microscopy (TEM) ati itupalẹ ilana elekitironi agbegbe ti a yan (SAED). Awọn abajade ti o baamu ni a fihan ni Nọmba 5. Aworan titobi kekere ti TEM fi han wiwa awọn agbegbe NGF ati FLG pẹlu awọn abuda itansan elekitironi oriṣiriṣi, ie dudu ati awọn agbegbe ti o tan imọlẹ, lẹsẹsẹ (Fig. 5a). Iwoye fiimu naa n ṣe afihan iṣedede ẹrọ ti o dara ati iduroṣinṣin laarin awọn oriṣiriṣi awọn agbegbe ti NGF ati FLG, pẹlu iṣeduro ti o dara ati pe ko si ibajẹ tabi yiya, eyiti o tun jẹ idaniloju nipasẹ SEM (Nọmba 3) ati awọn ẹkọ TEM ti o ga julọ (Figure 5c-e). Ni pato, ni olusin 5d ṣe afihan ọna ọna Afara ni apakan ti o tobi julọ (ipo ti a samisi nipasẹ itọka ti o ni aami dudu ni Nọmba 5d), eyiti o jẹ ifihan nipasẹ apẹrẹ onigun mẹta ati ti o ni ipele graphene pẹlu iwọn ti iwọn 51. Akopọ pẹlu aaye interplanar ti 0.33 ± 0.01 nm ti dinku siwaju si awọn ipele pupọ ti graphene ni agbegbe ti o dín julọ (ipari itọka dudu to lagbara ni Nọmba 5 d).
Aworan TEM Planar ti apẹẹrẹ NiAG ti ko ni polima lori akoj erogba lacy erogba: (a, b) Awọn aworan TEM ti o ga julọ pẹlu NGF ati awọn agbegbe FLG, (ce) Awọn aworan fifin giga ti ọpọlọpọ awọn agbegbe ni nronu-a ati nronu-b jẹ awọn ọfa ti a samisi ti awọ kanna. Awọn itọka alawọ ewe ni awọn panẹli a ati c tọkasi awọn agbegbe ipin ti ibajẹ lakoko titete tan ina. (f–i) Ninu awọn panẹli a si c, awọn ilana SAED ni awọn agbegbe oriṣiriṣi jẹ itọkasi nipasẹ buluu, cyan, osan, ati awọn iyika pupa, lẹsẹsẹ.
Ẹya tẹẹrẹ ni Nọmba 5c fihan (ti o samisi pẹlu itọka pupa) iṣalaye inaro ti awọn ọkọ ofurufu graphite, eyiti o le jẹ nitori dida awọn nanofolds lẹgbẹẹ fiimu naa (fi sii ni Nọmba 5c) nitori aapọn irẹrun ti ko ni isanpada30,61,62 . Labẹ TEM ti o ga-giga, awọn nanofolds 30 wọnyi ṣe afihan iṣalaye crystallographic ti o yatọ ju iyokù agbegbe NGF; awọn ọkọ ofurufu basali ti graphite latissi ti wa ni Oorun fere ni inaro, kuku ju petele bi iyoku fiimu (inset ni Figure 5c). Bakanna, ẹkun FLG lẹẹkọọkan ṣe afihan laini ati awọn agbo-ẹgbẹ dín (ti a samisi nipasẹ awọn ọfa buluu), eyiti o han ni iwọn kekere ati alabọde ni Awọn nọmba 5b, 5e, lẹsẹsẹ. Awọn inset ni Figure 5e jẹrisi niwaju meji- ati mẹta-Layer graphene Layer ninu awọn FLG eka (interplanar ijinna 0.33 ± 0.01 nm), eyi ti o jẹ ni o dara adehun pẹlu wa ti tẹlẹ esi30. Ni afikun, awọn aworan SEM ti o gbasilẹ ti NGF ti ko ni polima ti o gbe sori awọn grids Ejò pẹlu awọn fiimu erogba lacy (lẹhin ṣiṣe awọn wiwọn TEM wiwo oke) jẹ afihan ni Nọmba SI9. Agbegbe FLG ti daduro daradara (ti o samisi pẹlu itọka buluu) ati agbegbe ti o fọ ni Nọmba SI9f. Ọfà buluu (ni eti ti NGF ti o ti gbe) ti wa ni imomose gbekalẹ lati ṣe afihan pe agbegbe FLG le koju ilana gbigbe laisi polima. Ni akojọpọ, awọn aworan wọnyi jẹrisi pe NGF ti daduro ni apakan (pẹlu agbegbe FLG) n ṣetọju iduroṣinṣin ẹrọ paapaa lẹhin mimu lile ati ifihan si igbale giga lakoko awọn wiwọn TEM ati SEM (Figure SI9).
Nitori iyẹfun ti o dara julọ ti NGF (wo Nọmba 5a), ko nira lati ṣe itọsọna awọn flakes lẹgbẹẹ aaye agbegbe [0001] lati ṣe itupalẹ eto SAED. Ti o da lori sisanra agbegbe ti fiimu naa ati ipo rẹ, ọpọlọpọ awọn agbegbe ti iwulo (awọn aaye 12) ni a ṣe idanimọ fun awọn ijinlẹ diffraction elekitironi. Ni Awọn nọmba 5a–c, mẹrin ti awọn agbegbe aṣoju jẹ afihan ati samisi pẹlu awọn iyika awọ (buluu, cyan, osan, ati koodu pupa). Awọn nọmba 2 ati 3 fun ipo SAED. Awọn nọmba 5f ati g ni a gba lati agbegbe FLG ti o han ni Awọn nọmba 5 ati 5. Bi o ṣe han ni Awọn nọmba 5b ati c, lẹsẹsẹ. Wọn ni eto onigun mẹrin ti o jọra si graphene63 alayidi. Ni pato, olusin 5f ṣe afihan awọn ilana ti o ga julọ mẹta pẹlu iṣalaye kanna ti aaye agbegbe [0001], yiyipo nipasẹ 10° ati 20°, bi a ti jẹri nipasẹ aiṣedeede angula ti awọn orisii mẹta ti awọn ifojusọna (10-10). Bakanna, olusin 5g ṣe afihan awọn ilana onigun mẹrin ti o bori meji ti o yiyi nipasẹ 20°. Awọn ẹgbẹ meji tabi mẹta ti awọn ilana hexagonal ni agbegbe FLG le dide lati inu ọkọ ofurufu mẹta tabi ita-jade ti awọn fẹlẹfẹlẹ graphene 33 yiyi ni ibatan si ara wọn. Ni idakeji, awọn ilana itọka elekitironi ni Nọmba 5h,i (ni ibamu si agbegbe NGF ti o han ni Nọmba 5a) ṣe afihan apẹrẹ [0001] kan pẹlu kikankikan aaye ti o ga julọ, ti o baamu si sisanra ohun elo ti o tobi julọ. Awọn awoṣe SAED wọnyi ni ibamu si ọna kika ti o nipọn ati iṣalaye agbedemeji ju FLG, bi a ti sọ lati atọka 64. Iwa ti awọn ohun-ini kirisita ti NGF ṣe afihan ibagbepo meji tabi mẹta awọn kirisita graphite (tabi graphene) superimposed. Ohun ti o ṣe akiyesi ni pataki ni agbegbe FLG ni pe awọn kirisita ni iwọn kan ti inu-ofurufu tabi ita-ọkọ-ofurufu misorientation. Awọn patikulu graphite / awọn ipele pẹlu awọn igun-apakan yiyi ti 17°, 22° ati 25° ni a ti royin tẹlẹ fun NGF ti o dagba lori awọn fiimu Ni 64. Awọn iye igun iyipo ti a ṣe akiyesi ninu iwadi yii wa ni ibamu pẹlu awọn igun iyipo ti a ti ṣakiyesi tẹlẹ (± 1°) fun graphene BLG63 yiyi.
Awọn ohun-ini itanna ti NGF/SiO2/Si ni iwọn ni 300 K lori agbegbe ti 10 × 3 mm2. Awọn iye ti ifọkansi ti ngbe elekitironi, iṣipopada ati iṣiṣẹ jẹ 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ati 2000 S-cm-1, ni atele. Arinkiri ati awọn iye iṣe adaṣe ti NGF wa jẹ iru si graphite2 adayeba ati giga ju ti iṣowo ti o wa ni iṣalaye graphite pyrolytic giga (ti a ṣejade ni 3000 °C) 29. Awọn iye ifọkansi ti ngbe elekitironi ti a ṣe akiyesi jẹ awọn aṣẹ titobi meji ti o ga ju awọn ti a royin laipẹ (7.25 × 10 cm-3) fun awọn fiimu graphite micron-nipọn ti a pese sile ni lilo iwọn otutu giga (3200 °C) awọn iwe polyimide 20.
A tun ṣe awọn wiwọn atagba UV-han lori FS-NGF ti o gbe lọ si awọn sobusitireti quartz (Eya 6). Iyatọ ti abajade fihan ifasilẹ igbagbogbo ti 62% ni iwọn 350-800 nm, nfihan pe NGF jẹ translucent si ina ti o han. Ni otitọ, orukọ "KAUST" ni a le rii ni aworan oni-nọmba ti apẹẹrẹ ni Nọmba 6b. Botilẹjẹpe eto nanocrystalline ti NGF yatọ si ti SLG, nọmba awọn fẹlẹfẹlẹ le jẹ iṣiro ni aijọju nipa lilo ofin ti pipadanu gbigbe 2.3% fun afikun Layer65. Gẹgẹbi ibatan yii, nọmba awọn ipele graphene pẹlu pipadanu gbigbe 38% jẹ 21. NGF ti o dagba ni akọkọ ni awọn ipele graphene 300, ie nipa 100 nm nipọn (Fig. 1, SI5 ati SI7). Nitorinaa, a ro pe akoyawo opiti ti a ṣe akiyesi ni ibamu si awọn agbegbe FLG ati MLG, niwọn igba ti wọn pin kaakiri fiimu naa (Figs. 1, 3, 5 ati 6c). Ni afikun si data igbekale ti o wa loke, adaṣe ati akoyawo tun jẹrisi didara kristali giga ti NGF gbigbe.
(a) Wiwọn gbigbe UV-han, (b) gbigbe NGF aṣoju lori kuotisi lilo apẹẹrẹ aṣoju. (c) Sikematiki ti NGF (apoti dudu) pẹlu FLG ati awọn agbegbe MLG ti a pin ni deede ti a samisi bi awọn apẹrẹ grẹy jakejado apẹẹrẹ (wo Nọmba 1) (isunmọ 0.1-3% agbegbe fun 100 μm2). Awọn apẹrẹ laileto ati awọn iwọn wọn ninu aworan atọka wa fun awọn idi alapejuwe nikan ati pe ko ṣe deede si awọn agbegbe gangan.
Translucent NGF ti o dagba nipasẹ CVD ti ni iṣaaju ti gbe lọ si awọn ohun alumọni ohun alumọni ati lilo ninu awọn sẹẹli oorun15,16. Abajade agbara iyipada ṣiṣe (PCE) jẹ 1.5%. Awọn NGF wọnyi ṣe awọn iṣẹ lọpọlọpọ gẹgẹbi awọn ipele agbo-ara ti nṣiṣe lọwọ, awọn ipa ọna gbigbe idiyele, ati awọn amọna eletiriki15,16. Sibẹsibẹ, fiimu graphite ko jẹ aṣọ. Siwaju iṣapeye jẹ pataki nipa fara Iṣakoso awọn dì resistance ati opitika transmittance ti awọn lẹẹdi elekiturodu, niwon wọnyi meji-ini mu ohun pataki ipa ni ti npinnu awọn PCE iye ti awọn oorun cell15,16. Ni deede, awọn fiimu graphene jẹ 97.7% sihin si ina ti o han, ṣugbọn ni resistance dì ti 200-3000 ohms/sq.16. Idena dada ti awọn fiimu graphene le dinku nipasẹ jijẹ nọmba awọn ipele (gbigbe pupọ ti awọn ipele graphene) ati doping pẹlu HNO3 (~ 30 Ohm / sq.) 66. Sibẹsibẹ, ilana yii gba akoko pipẹ ati awọn ipele gbigbe ti o yatọ ko nigbagbogbo ṣetọju olubasọrọ to dara. Ẹgbẹ iwaju wa NGF ni awọn ohun-ini bii adaṣe 2000 S / cm, resistance dì fiimu 50 ohm / sq. ati 62% akoyawo, ṣiṣe awọn ti o kan le yanju yiyan fun conductive awọn ikanni tabi counter amọna ni oorun cell15,16.
Biotilejepe awọn be ati dada kemistri ti BS-NGF iru si FS-NGF, awọn oniwe-roughness ti o yatọ si ("Growth of FS- ati BS-NGF"). Ni iṣaaju, a lo graphite22 fiimu ultra-tinrin bi sensọ gaasi. Nitorinaa, a ṣe idanwo iṣeeṣe ti lilo BS-NGF fun awọn iṣẹ ṣiṣe oye gaasi (Figure SI10). Ni akọkọ, awọn ipin mm2-iwọn ti BS-NGF ni a gbe sori chirún sensọ elekiturodu interdigitating (Figure SI10a-c). Awọn alaye iṣelọpọ ti ërún ni a ti sọ tẹlẹ; agbegbe ifura ti nṣiṣe lọwọ jẹ 9 mm267. Ninu awọn aworan SEM (Figure SI10b ati c), elekiturodu goolu ti o wa labẹ han gbangba nipasẹ NGF. Lẹẹkansi, o le rii pe agbegbe chirún aṣọ ti waye fun gbogbo awọn ayẹwo. Awọn wiwọn sensọ gaasi ti awọn oriṣiriṣi awọn gaasi ni a gbasilẹ (Fig. SI10d) (Fig. SI11) ati awọn oṣuwọn esi esi ti han ni Ọpọtọ. SI10g. O ṣee ṣe pẹlu awọn gaasi idalọwọduro miiran pẹlu SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ati NH3 (200 ppm). Idi kan ti o ṣeeṣe jẹ NO2. electrophilic iseda ti gaasi22,68. Nigba ti adsorbed lori dada ti graphene, o din lọwọlọwọ gbigba ti awọn elekitironi nipasẹ awọn eto. Ifiwera ti data akoko idahun ti sensọ BS-NGF pẹlu awọn sensọ ti a tẹjade tẹlẹ ni a gbekalẹ ni Table SI2. Ilana fun atunṣe awọn sensọ NGF nipa lilo pilasima UV, pilasima O3 tabi thermal (50-150 ° C) ti awọn ayẹwo ti a fi han ti nlọ lọwọ, ni pipe tẹle nipasẹ imuse ti awọn ọna ṣiṣe ifibọ69.
Lakoko ilana CVD, idagba graphene waye ni ẹgbẹ mejeeji ti ayase substrate41. Sibẹsibẹ, BS-graphene maa n jade lakoko ilana gbigbe41. Ninu iwadi yii, a ṣe afihan pe idagbasoke NGF ti o ga julọ ati gbigbe NGF ti ko ni polima le ṣee ṣe ni ẹgbẹ mejeeji ti atilẹyin ayase. BS-NGF jẹ tinrin (~ 80 nm) ju FS-NGF (~ 100 nm), ati iyatọ yii jẹ alaye nipasẹ otitọ pe BS-Ni ko ni ifarahan taara si ṣiṣan gaasi iṣaaju. A tun rii pe aibikita ti sobusitireti NiAR ni ipa lori aibikita ti NGF. Awọn abajade wọnyi tọka pe FS-NGF planar ti o dagba le ṣee lo bi ohun elo iṣaju fun graphene (nipasẹ exfoliation method70) tabi bi ikanni conductive ni awọn sẹẹli oorun15,16. Ni idakeji, BS-NGF yoo ṣee lo fun wiwa gaasi (Fig. SI9) ati pe o ṣee ṣe fun awọn ọna ṣiṣe ipamọ agbara71,72 nibiti aibikita oju rẹ yoo wulo.
Ṣiyesi eyi ti o wa loke, o wulo lati darapo iṣẹ lọwọlọwọ pẹlu awọn fiimu graphite ti a tẹjade tẹlẹ ti o dagba nipasẹ CVD ati lilo bankanje nickel. Gẹgẹbi a ti le rii ni Tabili 2, awọn igara ti o ga julọ ti a lo dinku akoko ifarabalẹ (ipele idagbasoke) paapaa ni iwọn otutu kekere (ni iwọn 850-1300 °C). A tun ṣaṣeyọri idagbasoke nla ju igbagbogbo lọ, n tọka agbara fun imugboroja. Awọn ifosiwewe miiran wa lati ronu, diẹ ninu eyiti a ti wa ninu tabili.
NGF ti o ni agbara ti o ni apa meji ti dagba lori bankanje nickel nipasẹ CVD catalytic. Nipa imukuro awọn sobusitireti polymer ibile (gẹgẹbi awọn ti a lo ninu CVD graphene), a ṣaṣeyọri mimọ ati gbigbe gbigbe tutu ti ko ni abawọn ti NGF (ti o dagba ni ẹhin ati awọn ẹgbẹ iwaju ti bankanje nickel) si ọpọlọpọ awọn sobusitireti-pataki ilana. Ni pataki, NGF pẹlu FLG ati awọn agbegbe MLG (ni deede 0.1% si 3% fun 100 µm2) ti o ni igbekalẹ daradara sinu fiimu ti o nipon. Planar TEM fihan pe awọn agbegbe wọnyi ni awọn akopọ ti meji si mẹta graphite/awọn patikulu graphene (awọn kirisita tabi awọn fẹlẹfẹlẹ, ni atele), diẹ ninu eyiti o ni aiṣedeede iyipo ti 10–20°. Awọn agbegbe FLG ati MLG jẹ iduro fun akoyawo ti FS-NGF si ina ti o han. Bi fun awọn iwe ẹhin, wọn le gbe ni afiwe si awọn iwe iwaju ati, bi a ṣe han, le ni idi iṣẹ kan (fun apẹẹrẹ, fun wiwa gaasi). Awọn ijinlẹ wọnyi wulo pupọ fun idinku egbin ati awọn idiyele ni iwọn awọn ilana CVD ile-iṣẹ.
Ni gbogbogbo, apapọ sisanra ti CVD NGF wa laarin (kekere- ati olona-Layer) graphene ati ile-iṣẹ (micrometer) awọn iwe lẹẹdi. Iwọn ti awọn ohun-ini iwunilori wọn, ni idapo pẹlu ọna ti o rọrun ti a ti dagbasoke fun iṣelọpọ ati gbigbe wọn, jẹ ki awọn fiimu wọnyi dara ni pataki fun awọn ohun elo ti o nilo idahun iṣẹ ti graphite, laisi idiyele ti awọn ilana iṣelọpọ ile-iṣẹ to lekoko ti o lo lọwọlọwọ.
Faili nickel ti o nipọn 25-μm (99.5% mimọ, Goodfellow) ti fi sori ẹrọ ni riakito CVD ti iṣowo (Aixtron 4-inch BMPro). Eto naa ti sọ di mimọ pẹlu argon ati ki o jade lọ si titẹ ipilẹ ti 10-3 mbar. Lẹhinna a gbe bankanje nickel. ni Ar / H2 (Lẹhin ti o ti ṣaju-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni)ti-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni-ni ayaaju waxaa ti a ti fi oju-igi ti 500 mbar ni 900 °C. NGF ti wa ni ipamọ ni ṣiṣan ti CH4 / H2 (100 cm3 kọọkan) fun 5 min. Ayẹwo naa ti tutu si iwọn otutu ti o wa ni isalẹ 700 °C nipa lilo ṣiṣan Ar (4000 cm3) ni 40 ° C / min Awọn alaye lori iṣapeye ti ilana idagbasoke NGF ni a ṣe apejuwe ni ibomiiran30.
Ẹda ara ti oju ti ayẹwo ni a fi oju han nipasẹ SEM nipa lilo airi microscope Zeiss Merlin (1 kV, 50 pA). Iwọn oju oju ayẹwo ati sisanra NGF ni a ṣe iwọn lilo AFM (Iwọn Icon SPM, Bruker). Awọn wiwọn TEM ati SAED ni a ṣe ni lilo microscope FEI Titan 80-300 Cubed ti o ni ipese pẹlu ibon itujade aaye imọlẹ giga (300 kV), iru monochromator FEI Wien kan ati oluṣatunṣe aberration lẹnsi CEOS lati gba awọn abajade ikẹhin. aaye ojutu 0,09 nm. Awọn ayẹwo NGF ni a gbe lọ si erogba lacy ti a bo bàbà grids fun aworan TEM alapin ati igbekale eto SAED. Nitorinaa, pupọ julọ awọn flocs ayẹwo ni a daduro ni awọn pores ti awọ ara ti o ni atilẹyin. Awọn ayẹwo NGF ti o ti gbe ni a ṣe atupale nipasẹ XRD. Awọn ilana ifasilẹ X-ray ni a gba ni lilo diffractometer lulú (Brucker, D2 alakoso alakoso pẹlu orisun Cu Kα, 1.5418 Å ati LYNXEYE aṣawari) nipa lilo orisun itanna Cu kan pẹlu aaye ibiti o ti tan ina ti 3 mm.
Ọpọlọpọ awọn wiwọn aaye Raman ni a gbasilẹ ni lilo aawọpọ microscope confocal (Alpha 300 RA, WITEC). Laser 532 nm pẹlu agbara itusilẹ kekere (25%) ni a lo lati yago fun awọn ipa ti o fa igbona. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ni a ṣe lori Kratos Axis Ultra spectrometer lori agbegbe ayẹwo ti 300 × 700 μm2 ni lilo monochromatic Al Kα Ìtọjú (hν = 1486.6 eV) ni agbara ti 150 W. Awọn iwoye ipinnu ni a gba ni awọn agbara gbigbe ti 160 eV ati 20 eV, lẹsẹsẹ. Awọn ayẹwo NGF ti a gbe lọ si SiO2 ni a ge si awọn ege (3 × 10 mm2 kọọkan) nipa lilo PLS6MW (1.06 μm) ytterbium fiber laser ni 30 W. Awọn olubasọrọ okun waya Ejò (50 μm nipọn) ti a ṣe pẹlu lilo fadaka lẹẹmọ labẹ ohun opitika microscope. Gbigbe itanna ati awọn adanwo ipa Hall ni a ṣe lori awọn ayẹwo wọnyi ni 300 K ati iyatọ aaye oofa ti ± 9 Tesla ni eto wiwọn awọn ohun-ini ti ara (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). UV-vis spectra ti a firanṣẹ ni a gbasilẹ ni lilo Lambda 950 UV-vis spectrophotometer ni iwọn 350-800 nm NGF ti o gbe lọ si awọn sobusitireti quartz ati awọn ayẹwo itọkasi quartz.
Sensọ resistance kemikali (erún elekiturodu interdigitated) ni a firanṣẹ si igbimọ Circuit ti a tẹjade aṣa 73 ati pe a fa atako jade ni igba diẹ. Awọn tejede Circuit ọkọ lori eyi ti awọn ẹrọ ti wa ni be ti wa ni ti sopọ si olubasọrọ TTY ati ki o gbe inu awọn gaasi oye iyẹwu 74. Resistance wiwọn won ya ni a foliteji ti 1 V pẹlu kan lemọlemọfún ọlọjẹ lati purge to gaasi ifihan ati ki o si wẹ lẹẹkansi. Iyẹwu naa ni akọkọ ti sọ di mimọ nipasẹ sisọ pẹlu nitrogen ni 200 cm3 fun wakati 1 lati rii daju yiyọ gbogbo awọn atunnkanka miiran ti o wa ninu iyẹwu, pẹlu ọrinrin. Awọn atunnkanwo kọọkan ni a tu silẹ laiyara sinu iyẹwu ni iwọn sisan kanna ti 200 cm3 nipa pipade silinda N2.
Atunwo ẹya ti nkan yii ti ṣe atẹjade ati pe o le wọle nipasẹ ọna asopọ ni oke nkan naa.
Inagaki, M. ati Kang, F. Erogba Awọn ohun elo Imọ ati Imọ-ẹrọ: Awọn ipilẹ. Atunse keji. Ọdun 2014. 542.
Pearson, HO amudani ti Erogba, Graphite, Diamond ati Fullerenes: Awọn ohun-ini, Ṣiṣe ati Awọn ohun elo. Atilẹjade akọkọ ti jẹ atunṣe. Ọdun 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Ti o tobi agbegbe multilayer graphene / lẹẹdi fiimu bi sihin tinrin conductive amọna. ohun elo. fisiksi. Wright. 95 (12), 123115 (2009).
Awọn ohun-ini gbona Balandin AA ti graphene ati awọn ohun elo erogba nanostructured. Nat. Matt. 10 (8), 569-581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ati Cahill DG Thermal conductivity ti awọn fiimu graphite ti o dagba lori Ni (111) nipasẹ iṣipopada aruku kemikali otutu kekere. ọrọ-ọrọ. Matt. Ni wiwo 3, 16 (2016).
Hesjedal . ohun elo. fisiksi. Wright. 98 (13), 133106 (2011).
Akoko ifiweranṣẹ: Oṣu Kẹjọ-23-2024