Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamahusay na mga resulta, inirerekomenda namin na gumamit ka ng mas bagong bersyon ng iyong browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang styling o JavaScript.
Ang mga nanoscale graphite films (NGFs) ay mga mahuhusay na nanomaterial na maaaring gawin ng catalytic chemical vapor deposition, ngunit nananatili ang mga tanong tungkol sa kadalian ng paglipat ng mga ito at kung paano nakakaapekto ang surface morphology sa kanilang paggamit sa mga susunod na henerasyong device. Dito naiulat namin ang paglaki ng NGF sa magkabilang panig ng isang polycrystalline nickel foil (lugar na 55 cm2, kapal ng halos 100 nm) at ang polymer-free transfer nito (harap at likod, lugar hanggang 6 cm2). Dahil sa morpolohiya ng catalyst foil, ang dalawang carbon film ay naiiba sa kanilang mga pisikal na katangian at iba pang mga katangian (tulad ng pagkamagaspang sa ibabaw). Ipinakita namin na ang mga NGF na may mas magaspang na likod ay angkop para sa pagtuklas ng NO2, habang ang mga mas makinis at mas conductive na NGF sa harap na bahagi (2000 S/cm, sheet resistance – 50 ohms/m2) ay maaaring maging viable conductor. channel o electrode ng solar cell (dahil nagpapadala ito ng 62% ng nakikitang liwanag). Sa pangkalahatan, ang inilarawang paglago at mga proseso ng transportasyon ay maaaring makatulong na mapagtanto ang NGF bilang isang alternatibong carbon material para sa mga teknolohikal na aplikasyon kung saan ang graphene at micron-thick graphite films ay hindi angkop.
Ang graphite ay isang malawakang ginagamit na pang-industriyang materyal. Kapansin-pansin, ang grapayt ay may mga katangian ng medyo mababa ang mass density at mataas na in-plane thermal at electrical conductivity, at napakatatag sa malupit na thermal at kemikal na kapaligiran1,2. Ang flake graphite ay isang kilalang panimulang materyal para sa graphene research3. Kapag naproseso sa manipis na mga pelikula, maaari itong magamit sa isang malawak na hanay ng mga aplikasyon, kabilang ang mga heat sink para sa mga elektronikong aparato tulad ng mga smartphone4,5,6,7, bilang aktibong materyal sa mga sensor8,9,10 at para sa proteksyon ng electromagnetic interference11. 12 at mga pelikula para sa lithography sa matinding ultraviolet13,14, nagsasagawa ng mga channel sa solar cells15,16. Para sa lahat ng mga application na ito, magiging isang makabuluhang kalamangan kung ang malalaking lugar ng mga graphite films (NGFs) na may kapal na kinokontrol sa nanoscale <100 nm ay madaling magawa at maihatid.
Ang mga graphite na pelikula ay ginawa sa pamamagitan ng iba't ibang pamamaraan. Sa isang kaso, ang pag-embed at pagpapalawak na sinusundan ng exfoliation ay ginamit upang makagawa ng graphene flakes10,11,17. Ang mga natuklap ay dapat na higit pang iproseso sa mga pelikula ng kinakailangang kapal, at madalas na tumatagal ng ilang araw upang makagawa ng mga siksik na graphite sheet. Ang isa pang diskarte ay magsimula sa graphitable solid precursors. Sa industriya, ang mga sheet ng polymer ay carbonized (sa 1000-1500 °C) at pagkatapos ay graphitized (sa 2800-3200 °C) upang bumuo ng mahusay na istruktura na layered na materyales. Kahit na ang kalidad ng mga pelikulang ito ay mataas, ang pagkonsumo ng enerhiya ay makabuluhan1,18,19 at ang pinakamababang kapal ay limitado sa ilang microns1,18,19,20.
Ang catalytic chemical vapor deposition (CVD) ay isang kilalang paraan para sa paggawa ng graphene at ultrathin graphite films (<10 nm) na may mataas na kalidad ng istruktura at makatwirang gastos21,22,23,24,25,26,27. Gayunpaman, kumpara sa paglaki ng graphene at ultrathin graphite films28, ang paglaki ng malalaking lugar at/o aplikasyon ng NGF gamit ang CVD ay hindi gaanong na-explore11,13,29,30,31,32,33.
Ang CVD-grown graphene at graphite films ay madalas na kailangang ilipat sa mga functional substrate34. Ang mga paglilipat ng manipis na pelikula na ito ay nagsasangkot ng dalawang pangunahing pamamaraan35: (1) non-etch transfer36,37 at (2) etch-based wet chemical transfer (substrate supported)14,34,38. Ang bawat pamamaraan ay may ilang mga pakinabang at disadvantages at dapat piliin depende sa nilalayong aplikasyon, tulad ng inilarawan sa ibang lugar35,39. Para sa mga graphene/graphite na pelikula na lumaki sa mga catalytic substrates, ang paglipat sa pamamagitan ng mga prosesong kemikal na basa (kung saan ang polymethyl methacrylate (PMMA) ang pinakakaraniwang ginagamit na layer ng suporta) ay nananatiling unang pagpipilian13,30,34,38,40,41,42. Ikaw et al. Nabanggit na walang polymer na ginamit para sa paglilipat ng NGF (sample size na humigit-kumulang 4 cm2)25,43, ngunit walang mga detalyeng ibinigay tungkol sa sample stability at/o paghawak sa panahon ng paglilipat; Ang mga proseso ng wet chemistry gamit ang mga polymer ay binubuo ng ilang mga hakbang, kabilang ang aplikasyon at kasunod na pag-alis ng isang sakripisyong polymer layer30,38,40,41,42. Ang prosesong ito ay may mga disadvantage: halimbawa, ang mga polymer residues ay maaaring magbago ng mga katangian ng lumaki na pelikula38. Maaaring alisin ng karagdagang pagproseso ang natitirang polimer, ngunit ang mga karagdagang hakbang na ito ay nagpapataas ng gastos at oras ng paggawa ng pelikula38,40. Sa panahon ng paglaki ng CVD, ang isang layer ng graphene ay idineposito hindi lamang sa harap na bahagi ng catalyst foil (ang gilid na nakaharap sa daloy ng singaw), kundi pati na rin sa likurang bahagi nito. Gayunpaman, ang huli ay itinuturing na isang basurang produkto at maaaring mabilis na maalis ng malambot na plasma38,41. Ang pag-recycle ng pelikulang ito ay makakatulong na mapakinabangan ang ani, kahit na ito ay mas mababa ang kalidad kaysa sa face carbon film.
Dito, iniuulat namin ang paghahanda ng wafer-scale bifacial growth ng NGF na may mataas na kalidad ng istruktura sa polycrystalline nickel foil ng CVD. Nasuri kung paano nakakaapekto ang pagkamagaspang ng harap at likod na ibabaw ng foil sa morpolohiya at istraktura ng NGF. Nagpapakita rin kami ng cost-effective at environment friendly na polymer-free na paglipat ng NGF mula sa magkabilang panig ng nickel foil papunta sa multifunctional substrates at ipinapakita kung paano angkop ang mga front at back film para sa iba't ibang aplikasyon.
Tinatalakay ng mga sumusunod na seksyon ang iba't ibang kapal ng graphite film depende sa bilang ng mga nakasalansan na layer ng graphene: (i) single layer graphene (SLG, 1 layer), (ii) few layer graphene (FLG, < 10 layers), (iii) multilayer graphene ( MLG, 10-30 layers) at (iv) NGF (~300 layers). Ang huli ay ang pinakakaraniwang kapal na ipinahayag bilang isang porsyento ng lawak (humigit-kumulang 97% na lawak bawat 100 µm2)30. Kaya lang NGF ang tawag sa buong pelikula.
Ang polycrystalline nickel foil na ginagamit para sa synthesis ng graphene at graphite films ay may iba't ibang texture bilang resulta ng kanilang paggawa at kasunod na pagproseso. Nag-ulat kami kamakailan ng isang pag-aaral upang i-optimize ang proseso ng paglago ng NGF30. Ipinakita namin na ang mga parameter ng proseso tulad ng oras ng pagsusubo at presyon ng silid sa yugto ng paglago ay gumaganap ng isang kritikal na papel sa pagkuha ng mga NGF ng pare-parehong kapal. Dito, sinisiyasat pa namin ang paglaki ng NGF sa pinakintab na harap (FS) at hindi nalinis na likod (BS) na ibabaw ng nickel foil (Fig. 1a). Tatlong uri ng mga sample na FS at BS ang napagmasdan, na nakalista sa Talahanayan 1. Sa visual na inspeksyon, ang pare-parehong paglaki ng NGF sa magkabilang panig ng nickel foil (NiAG) ay makikita sa pamamagitan ng pagbabago ng kulay ng bulk Ni substrate mula sa isang katangian na metallic silver. kulay abo hanggang matte na kulay abo (Larawan 1a); nakumpirma ang mga mikroskopikong sukat (Larawan 1b, c). Ang isang tipikal na Raman spectrum ng FS-NGF na sinusunod sa maliwanag na rehiyon at ipinahiwatig ng pula, asul at orange na mga arrow sa Figure 1b ay ipinapakita sa Figure 1c. Ang katangiang Raman na mga taluktok ng graphite G (1683 cm−1) at 2D (2696 cm−1) ay nagpapatunay sa paglaki ng mataas na mala-kristal na NGF (Larawan 1c, Talahanayan SI1). Sa buong pelikula, isang pamamayani ng Raman spectra na may intensity ratio (I2D/IG) ~0.3 ang naobserbahan, habang ang Raman spectra na may I2D/IG = 0.8 ay bihirang naobserbahan. Ang kawalan ng mga may sira na peak (D = 1350 cm-1) sa buong pelikula ay nagpapahiwatig ng mataas na kalidad ng paglago ng NGF. Ang mga katulad na resulta ng Raman ay nakuha sa sample ng BS-NGF (Figure SI1 a at b, Table SI1).
Paghahambing ng NiAG FS- at BS-NGF: (a) Larawan ng isang tipikal na sample ng NGF (NiAG) na nagpapakita ng paglaki ng NGF sa wafer scale (55 cm2) at ang nagresultang mga sample ng BS- at FS-Ni foil, (b) FS-NGF Mga imahe/ Ni na nakuha sa pamamagitan ng isang optical mikroskopyo, (c) karaniwang Raman spectra na naitala sa iba't ibang posisyon sa panel b, (d, f) mga imahe ng SEM sa iba't ibang mga pag-magnify sa FS-NGF/Ni, (e, g) mga imahe ng SEM sa iba't ibang mga pag-magnify Itinatakda ang BS -NGF/Ni. Ang asul na arrow ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng FLG, ang orange na arrow ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng MLG (malapit sa rehiyon ng FLG), ang pulang arrow ay nagpapahiwatig ng rehiyon ng NGF, at ang magenta na arrow ay nagpapahiwatig ng fold.
Dahil ang paglago ay nakasalalay sa kapal ng paunang substrate, laki ng kristal, oryentasyon, at mga hangganan ng butil, ang pagkamit ng makatwirang kontrol ng kapal ng NGF sa malalaking lugar ay nananatiling isang hamon20,34,44. Ang pag-aaral na ito ay gumamit ng nilalaman na dati naming nai-publish30. Ang prosesong ito ay gumagawa ng maliwanag na rehiyon na 0.1 hanggang 3% bawat 100 µm230. Sa mga sumusunod na seksyon, ipinapakita namin ang mga resulta para sa parehong uri ng mga rehiyon. Ang mataas na pag-magnify na mga imahe ng SEM ay nagpapakita ng pagkakaroon ng ilang maliwanag na contrast na lugar sa magkabilang panig (Larawan 1f,g), na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga rehiyon ng FLG at MLG30,45. Ito ay kinumpirma rin ng Raman scattering (Fig. 1c) at mga resulta ng TEM (tinalakay sa ibang pagkakataon sa seksyong "FS-NGF: istraktura at mga katangian"). Ang mga rehiyon ng FLG at MLG na naobserbahan sa mga sample ng FS- at BS-NGF/Ni (harap at likod na NGF na lumaki sa Ni) ay maaaring tumubo sa malalaking butil ng Ni(111) na nabuo sa panahon ng pre-annealing22,30,45. Ang pagtiklop ay sinusunod sa magkabilang panig (Larawan 1b, minarkahan ng mga lilang arrow). Ang mga fold na ito ay madalas na matatagpuan sa CVD-grown graphene at graphite films dahil sa malaking pagkakaiba sa koepisyent ng thermal expansion sa pagitan ng graphite at nickel substrate30,38.
Kinumpirma ng imahe ng AFM na ang sample ng FS-NGF ay mas flat kaysa sa sample ng BS-NGF (Figure SI1) (Figure SI2). Ang root mean square (RMS) roughness values ng FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) at BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) ay 82 at 200 nm, ayon sa pagkakabanggit (sinusukat sa isang lugar na 20 × 20 μm2). Ang mas mataas na pagkamagaspang ay mauunawaan batay sa pagsusuri sa ibabaw ng nickel (NiAR) foil sa natanggap na estado (Figure SI3). Ang mga imahe ng SEM ng FS at BS-NiAR ay ipinapakita sa Mga Figure SI3a-d, na nagpapakita ng iba't ibang mga morpolohiya sa ibabaw: ang pinakintab na FS-Ni foil ay may nano- at micron-sized na spherical particle, habang ang unpolished BS-Ni foil ay nagpapakita ng isang production ladder. bilang mga particle na may mataas na lakas. at pagtanggi. Ang mababa at mataas na resolution ng mga imahe ng annealed nickel foil (NiA) ay ipinapakita sa Figure SI3e–h. Sa mga figure na ito, maaari nating obserbahan ang pagkakaroon ng ilang micron-sized na nickel particle sa magkabilang panig ng nickel foil (Fig. SI3e–h). Ang malalaking butil ay maaaring may Ni(111) na oryentasyon sa ibabaw, gaya ng naunang iniulat30,46. Mayroong makabuluhang pagkakaiba sa nickel foil morphology sa pagitan ng FS-NiA at BS-NiA. Ang mas mataas na pagkamagaspang ng BS-NGF/Ni ay dahil sa hindi pulidong ibabaw ng BS-NiAR, ang ibabaw nito ay nananatiling makabuluhang magaspang kahit na matapos ang pagsusubo (Figure SI3). Ang ganitong uri ng characterization sa ibabaw bago ang proseso ng paglago ay nagbibigay-daan sa pagkamagaspang ng graphene at graphite films na makontrol. Dapat pansinin na ang orihinal na substrate ay sumailalim sa ilang muling pag-aayos ng butil sa panahon ng paglaki ng graphene, na bahagyang nabawasan ang laki ng butil at medyo nadagdagan ang pagkamagaspang ng ibabaw ng substrate kumpara sa annealed foil at catalyst film22.
Ang pagpino sa kagaspangan ng ibabaw ng substrate, oras ng pagsusubo (laki ng butil)30,47 at kontrol sa paglabas43 ay makakatulong na mabawasan ang pagkakapareho ng kapal ng rehiyonal na NGF sa µm2 at/o kahit nm2 na sukat (ibig sabihin, mga pagkakaiba-iba ng kapal ng ilang nanometer). Upang makontrol ang pagkamagaspang ng ibabaw ng substrate, ang mga pamamaraan tulad ng electrolytic polishing ng nagreresultang nickel foil ay maaaring isaalang-alang48. Ang pretreated na nickel foil ay maaaring i-annealed sa mas mababang temperatura (< 900 °C) 46 at oras (< 5 min) upang maiwasan ang pagbuo ng malalaking Ni(111) na butil (na kapaki-pakinabang para sa paglaki ng FLG).
Ang SLG at FLG graphene ay hindi makayanan ang pag-igting sa ibabaw ng mga acid at tubig, na nangangailangan ng mga mechanical support layer sa panahon ng mga proseso ng wet chemical transfer22,34,38. Sa kaibahan sa wet chemical transfer ng polymer-supported single-layer graphene38, nalaman namin na ang magkabilang panig ng as-grown NGF ay maaaring ilipat nang walang polymer support, tulad ng ipinapakita sa Figure 2a (tingnan ang Figure SI4a para sa higit pang mga detalye). Ang paglipat ng NGF sa isang ibinigay na substrate ay nagsisimula sa basang pag-ukit ng pinagbabatayan na Ni30.49 na pelikula. Ang lumaki na mga sample ng NGF/Ni/NGF ay inilagay sa magdamag sa 15 mL ng 70% HNO3 na diluted na may 600 mL ng deionized (DI) na tubig. Matapos ang Ni foil ay ganap na matunaw, ang FS-NGF ay nananatiling patag at lumulutang sa ibabaw ng likido, tulad ng NGF/Ni/NGF sample, habang ang BS-NGF ay inilubog sa tubig (Larawan 2a,b). Ang nakahiwalay na NGF ay pagkatapos ay inilipat mula sa isang beaker na naglalaman ng sariwang deionized na tubig patungo sa isa pang beaker at ang nakahiwalay na NGF ay hugasan nang lubusan, na inuulit ng apat hanggang anim na beses sa pamamagitan ng malukong glass dish. Sa wakas, ang FS-NGF at BS-NGF ay inilagay sa nais na substrate (Larawan 2c).
Proseso ng paglipat ng basang kemikal na walang polymer para sa NGF na lumago sa nickel foil: (a) Process flow diagram (tingnan ang Figure SI4 para sa higit pang mga detalye), (b) Digital na larawan ng pinaghiwalay na NGF pagkatapos ng Ni etching (2 sample), (c) Halimbawa FS – at paglipat ng BS-NGF sa SiO2/Si substrate, (d) paglipat ng FS-NGF sa opaque polymer substrate, (e) BS-NGF mula sa parehong sample bilang panel d (nahati sa dalawang bahagi), inilipat sa gold plated C na papel at Nafion (flexible transparent substrate, mga gilid na minarkahan ng mga pulang sulok).
Tandaan na ang paglipat ng SLG na isinagawa gamit ang mga pamamaraan ng wet chemical transfer ay nangangailangan ng kabuuang oras ng pagproseso na 20–24 na oras 38 . Gamit ang pamamaraan ng paglilipat na walang polimer na ipinakita dito (Larawan SI4a), ang pangkalahatang oras ng pagproseso ng paglilipat ng NGF ay makabuluhang nabawasan (humigit-kumulang 15 oras). Ang proseso ay binubuo ng: (Hakbang 1) Maghanda ng etching solution at ilagay ang sample dito (~10 minuto), pagkatapos ay maghintay ng magdamag para sa Ni etching (~7200 minuto), (Hakbang 2) Banlawan ng deionized na tubig (Hakbang - 3) . mag-imbak sa deionized na tubig o ilipat sa target na substrate (20 min). Ang tubig na nakulong sa pagitan ng NGF at ng bulk matrix ay inalis sa pamamagitan ng pagkilos ng capillary (gamit ang blotting paper)38, pagkatapos ay ang natitirang mga patak ng tubig ay aalisin sa pamamagitan ng natural na pagpapatuyo (humigit-kumulang 30 min), at sa wakas ang sample ay tuyo sa loob ng 10 min. min sa isang vacuum oven (10–1 mbar) sa 50–90 °C (60 min) 38.
Ang graphite ay kilala na makatiis sa pagkakaroon ng tubig at hangin sa medyo mataas na temperatura (≥ 200 °C)50,51,52. Sinubukan namin ang mga sample gamit ang Raman spectroscopy, SEM, at XRD pagkatapos iimbak sa deionized na tubig sa temperatura ng silid at sa mga selyadong bote kahit saan mula sa ilang araw hanggang isang taon (Figure SI4). Walang kapansin-pansing pagkasira. Ipinapakita ng Figure 2c ang free-standing na FS-NGF at BS-NGF sa deionized na tubig. Nakuha namin ang mga ito sa isang SiO2 (300 nm) / Si substrate, tulad ng ipinapakita sa simula ng Figure 2c. Bilang karagdagan, tulad ng ipinapakita sa Figure 2d, e, ang tuluy-tuloy na NGF ay maaaring ilipat sa iba't ibang mga substrate tulad ng polymers (Thermabright polyamide mula sa Nexolve at Nafion) at gintong pinahiran na carbon paper. Ang lumulutang na FS-NGF ay madaling inilagay sa target na substrate (Larawan 2c, d). Gayunpaman, ang mga sample ng BS-NGF na mas malaki kaysa sa 3 cm2 ay mahirap hawakan kapag ganap na inilubog sa tubig. Karaniwan, kapag nagsimula silang gumulong sa tubig, dahil sa walang ingat na paghawak, minsan ay nasira sila sa dalawa o tatlong bahagi (Larawan 2e). Sa pangkalahatan, nakamit namin ang walang polymer na paglipat ng PS- at BS-NGF (patuloy na tuluy-tuloy na paglipat nang walang paglago ng NGF/Ni/NGF sa 6 cm2) para sa mga sample hanggang sa 6 at 3 cm2 sa lugar, ayon sa pagkakabanggit. Anumang natitirang malaki o maliit na piraso ay maaaring (madaling makita sa etching solution o deionized na tubig) sa gustong substrate (~1 mm2, Figure SI4b, tingnan ang sample na inilipat sa tansong grid tulad ng sa “FS-NGF: Structure and Properties (tinalakay) sa ilalim ng “Structure and Properties”) o tindahan para magamit sa hinaharap (Figure SI4). Batay sa pamantayang ito, tinatantya namin na ang NGF ay maaaring mabawi sa mga ani na hanggang 98-99% (pagkatapos ng paglago para sa paglipat).
Ang mga sample ng paglipat na walang polimer ay nasuri nang detalyado. Ang mga katangiang morphological sa ibabaw na nakuha sa FS- at BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) gamit ang optical microscopy (OM) at SEM images (Fig. SI5 at Fig. 3) ay nagpakita na ang mga sample na ito ay inilipat nang walang microscopy. Nakikitang pinsala sa istruktura gaya ng mga bitak, butas, o mga lugar na nabuksan. Ang mga fold sa lumalaking NGF (Larawan 3b, d, na minarkahan ng mga lilang arrow) ay nanatiling buo pagkatapos ng paglipat. Ang parehong mga FS- at BS-NGF ay binubuo ng mga rehiyon ng FLG (maliwanag na mga rehiyon na ipinahiwatig ng mga asul na arrow sa Figure 3). Nakakagulat, sa kaibahan sa ilang mga nasirang rehiyon na karaniwang sinusunod sa panahon ng paglilipat ng polimer ng mga ultrathin graphite na pelikula, maraming micron-sized na FLG at MLG na mga rehiyon na kumokonekta sa NGF (minarkahan ng mga asul na arrow sa Figure 3d) ay inilipat nang walang mga bitak o break (Larawan 3d) . 3). . Ang mekanikal na integridad ay karagdagang nakumpirma gamit ang TEM at SEM na mga imahe ng NGF na inilipat sa lace-carbon copper grids, gaya ng tinalakay sa ibang pagkakataon ("FS-NGF: Structure and Properties"). Ang inilipat na BS-NGF/SiO2/Si ay mas magaspang kaysa sa FS-NGF/SiO2/Si na may mga halagang rms na 140 nm at 17 nm, ayon sa pagkakabanggit, tulad ng ipinapakita sa Figure SI6a at b (20 × 20 μm2). Ang halaga ng RMS ng NGF na inilipat sa SiO2/Si substrate (RMS <2 nm) ay makabuluhang mas mababa (mga 3 beses) kaysa sa NGF na lumaki sa Ni (Figure SI2), na nagpapahiwatig na ang karagdagang pagkamagaspang ay maaaring tumutugma sa ibabaw ng Ni. Bilang karagdagan, ang mga imahe ng AFM na isinagawa sa mga gilid ng mga sample ng FS- at BS-NGF/SiO2/Si ay nagpakita ng mga kapal ng NGF na 100 at 80 nm, ayon sa pagkakabanggit (Fig. SI7). Ang mas maliit na kapal ng BS-NGF ay maaaring resulta ng hindi direktang pagkakalantad sa ibabaw sa precursor gas.
Inilipat ang NGF (NiAG) nang walang polimer sa SiO2 / Si wafer (tingnan ang Larawan 2c): (a, b) SEM na mga imahe ng inilipat na FS-NGF: mababa at mataas na pag-magnify (naaayon sa orange square sa panel). Mga karaniwang lugar) – a). ( c, d ) Mga imahe ng SEM ng inilipat na BS-NGF: mababa at mataas na magnification (naaayon sa karaniwang lugar na ipinakita ng orange square sa panel c). (e, f) AFM na mga larawan ng mga inilipat na FS- at BS-NGF. Kinakatawan ng asul na arrow ang rehiyon ng FLG - maliwanag na contrast, cyan arrow - itim na MLG contrast, pulang arrow - ang itim na contrast ay kumakatawan sa rehiyon ng NGF, ang magenta arrow ay kumakatawan sa fold.
Ang kemikal na komposisyon ng lumaki at inilipat na mga FS- at BS-NGF ay sinuri ng X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 4). Ang isang mahinang rurok ay naobserbahan sa sinusukat na spectra (Larawan 4a, b), na tumutugma sa Ni substrate (850 eV) ng lumaki na FS- at BS-NGFs (NiAG). Walang mga taluktok sa sinusukat na spectra ng inilipat na FS- at BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 4c; hindi ipinapakita ang mga katulad na resulta para sa BS-NGF/SiO2/Si), na nagpapahiwatig na walang natitirang Ni contamination pagkatapos ng paglipat . Ipinapakita ng mga figure 4d–f ang high-resolution na spectra ng C 1 s, O 1 s at Si 2p na antas ng enerhiya ng FS-NGF/SiO2/Si. Ang nagbubuklod na enerhiya ng C 1 s ng graphite ay 284.4 eV53.54. Ang linear na hugis ng mga graphite peak ay karaniwang itinuturing na asymmetrical, tulad ng ipinapakita sa Figure 4d54. Ang high-resolution na core-level na C 1 s spectrum (Fig. 4d) ay nakumpirma rin ang purong paglipat (ibig sabihin, walang polymer residues), na naaayon sa mga nakaraang pag-aaral38. Ang mga linewidth ng C 1 s spectra ng freshly grown sample (NiAG) at pagkatapos ng paglipat ay 0.55 at 0.62 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga halagang ito ay mas mataas kaysa sa SLG (0.49 eV para sa SLG sa isang SiO2 substrate)38. Gayunpaman, ang mga halagang ito ay mas maliit kaysa sa naunang iniulat na mga linewidth para sa mataas na oryentasyong pyrolytic graphene sample (~0.75 eV)53,54,55, na nagpapahiwatig ng kawalan ng mga may sira na carbon site sa kasalukuyang materyal. Ang C 1 s at O 1 s ground level spectra ay kulang din sa balikat, na inaalis ang pangangailangan para sa high-resolution na peak deconvolution54. Mayroong π → π* satellite peak sa paligid ng 291.1 eV, na kadalasang nakikita sa mga sample ng graphite. Ang 103 eV at 532.5 eV signal sa Si 2p at O 1 s core level spectra (tingnan ang Fig. 4e, f) ay iniuugnay sa SiO2 56 substrate, ayon sa pagkakabanggit. Ang XPS ay isang diskarteng sensitibo sa ibabaw, kaya ang mga signal na naaayon sa Ni at SiO2 na nakita bago at pagkatapos ng paglipat ng NGF, ayon sa pagkakabanggit, ay ipinapalagay na nagmula sa rehiyon ng FLG. Ang mga katulad na resulta ay naobserbahan para sa inilipat na mga sample ng BS-NGF (hindi ipinakita).
Mga resulta ng NiAG XPS: (ac) Survey spectra ng iba't ibang elemental na atomic na komposisyon ng lumaki na FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni at inilipat ang FS-NGF/SiO2/Si, ayon sa pagkakabanggit. (d–f) High-resolution spectra ng mga core level C 1 s, O 1s at Si 2p ng FS-NGF/SiO2/Si sample.
Ang pangkalahatang kalidad ng inilipat na mga kristal ng NGF ay nasuri gamit ang X-ray diffraction (XRD). Ang mga tipikal na pattern ng XRD (Fig. SI8) ng inilipat na FS- at BS-NGF/SiO2/Si ay nagpapakita ng pagkakaroon ng mga diffraction peak (0 0 0 2) at (0 0 0 4) sa 26.6° at 54.7°, katulad ng graphite. . Kinukumpirma nito ang mataas na kristal na kalidad ng NGF at tumutugma sa isang interlayer na distansya ng d = 0.335 nm, na pinananatili pagkatapos ng hakbang sa paglipat. Ang intensity ng diffraction peak (0 0 0 2) ay humigit-kumulang 30 beses kaysa sa diffraction peak (0 0 0 4), na nagpapahiwatig na ang NGF crystal plane ay mahusay na nakahanay sa sample na ibabaw.
Ayon sa mga resulta ng SEM, Raman spectroscopy, XPS at XRD, ang kalidad ng BS-NGF/Ni ay natagpuang pareho sa FS-NGF/Ni, kahit na ang rms roughness nito ay bahagyang mas mataas (Figures SI2, SI5) at SI7).
Ang mga SLG na may polymer support layer na hanggang 200 nm ang kapal ay maaaring lumutang sa tubig. Ang setup na ito ay karaniwang ginagamit sa polymer-assisted wet chemical transfer process22,38. Ang graphene at graphite ay hydrophobic (basang anggulo 80–90°) 57 . Ang mga potensyal na ibabaw ng enerhiya ng parehong graphene at FLG ay naiulat na medyo flat, na may mababang potensyal na enerhiya (~ 1 kJ / mol) para sa lateral na paggalaw ng tubig sa ibabaw58. Gayunpaman, ang kinakalkula na mga enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng tubig na may graphene at tatlong layer ng graphene ay humigit-kumulang − 13 at − 15 kJ / mol, 58 ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig na ang pakikipag-ugnayan ng tubig sa NGF (mga 300 layer) ay mas mababa kumpara sa graphene. Ito ay maaaring isa sa mga dahilan kung bakit ang freestanding NGF ay nananatiling patag sa ibabaw ng tubig, habang ang freestanding graphene (na lumulutang sa tubig) ay kumukulot at nasisira. Kapag ang NGF ay ganap na nahuhulog sa tubig (ang mga resulta ay pareho para sa magaspang at patag na NGF), ang mga gilid nito ay yumuko (Figure SI4). Sa kaso ng kumpletong paglulubog, inaasahan na ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng NGF-tubig ay halos doble (kumpara sa lumulutang na NGF) at ang mga gilid ng NGF fold upang mapanatili ang isang mataas na anggulo ng contact (hydrophobicity). Naniniwala kami na maaaring bumuo ng mga estratehiya upang maiwasan ang pagkulot ng mga gilid ng mga naka-embed na NGF. Ang isang diskarte ay ang paggamit ng mga halo-halong solvent upang baguhin ang reaksyon ng basa ng graphite film59.
Ang paglipat ng SLG sa iba't ibang uri ng mga substrate sa pamamagitan ng mga proseso ng wet chemical transfer ay naiulat na dati. Karaniwang tinatanggap na ang mahinang puwersa ng van der Waals ay umiiral sa pagitan ng mga graphene/graphite na pelikula at mga substrate (maging ito ay matibay na substrate tulad ng SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 at lacy carbon films30, 34 o flexible substrate tulad ng polyimide 37). Dito ipinapalagay namin na ang mga pakikipag-ugnayan ng parehong uri ay nangingibabaw. Hindi namin napansin ang anumang pinsala o pagbabalat ng NGF para sa alinman sa mga substrate na ipinakita dito sa panahon ng mekanikal na paghawak (sa panahon ng characterization sa ilalim ng vacuum at / o mga kondisyon ng atmospera o sa panahon ng imbakan) (hal., Figure 2, SI7 at SI9). Bilang karagdagan, hindi namin napansin ang isang SiC peak sa XPS C 1 s spectrum ng core level ng NGF/SiO2/Si sample (Fig. 4). Ang mga resultang ito ay nagpapahiwatig na walang kemikal na bono sa pagitan ng NGF at ang target na substrate.
Sa nakaraang seksyon, "Paglipat ng FS- at BS-NGF na walang polimer," ipinakita namin na ang NGF ay maaaring lumaki at lumipat sa magkabilang panig ng nickel foil. Ang mga FS-NGF at BS-NGF na ito ay hindi magkapareho sa mga tuntunin ng pagkamagaspang sa ibabaw, na nag-udyok sa amin na galugarin ang mga pinaka-angkop na aplikasyon para sa bawat uri.
Isinasaalang-alang ang transparency at mas makinis na ibabaw ng FS-NGF, pinag-aralan namin ang lokal na istraktura, optical at electrical properties nito nang mas detalyado. Ang istraktura at istraktura ng FS-NGF na walang polymer transfer ay nailalarawan sa pamamagitan ng transmission electron microscopy (TEM) imaging at napiling area electron diffraction (SAED) pattern analysis. Ang kaukulang mga resulta ay ipinapakita sa Figure 5. Ang mababang magnification planar TEM imaging ay nagsiwalat ng pagkakaroon ng NGF at FLG na mga rehiyon na may iba't ibang mga katangian ng contrast ng elektron, ibig sabihin, mas madidilim at mas maliwanag na mga lugar, ayon sa pagkakabanggit (Larawan 5a). Ang pangkalahatang pelikula ay nagpapakita ng mahusay na mekanikal na integridad at katatagan sa pagitan ng iba't ibang mga rehiyon ng NGF at FLG, na may magandang overlap at walang pinsala o pagkapunit, na kinumpirma din ng SEM (Larawan 3) at mataas na pag-aaral ng TEM (Larawan 5c-e). Sa partikular, sa Fig. Ipinapakita ng Figure 5d ang istraktura ng tulay sa pinakamalaking bahagi nito (ang posisyon na minarkahan ng itim na tuldok na arrow sa Figure 5d), na nailalarawan sa pamamagitan ng isang tatsulok na hugis at binubuo ng isang graphene layer na may lapad na humigit-kumulang 51 . Ang komposisyon na may interplanar spacing na 0.33 ± 0.01 nm ay higit na nabawasan sa ilang mga layer ng graphene sa pinakamaliit na rehiyon (dulo ng solid black arrow sa Figure 5 d).
Planar TEM na imahe ng isang polymer-free na sample ng NiAG sa isang carbon lacy copper grid: (a, b) Low magnification TEM images kabilang ang NGF at FLG regions, (ce) High magnification images ng iba't ibang rehiyon sa panel-a at panel-b ay may markang mga arrow ng parehong kulay. Ang mga berdeng arrow sa mga panel a at c ay nagpapahiwatig ng mga pabilog na lugar ng pinsala sa panahon ng pagkakahanay ng beam. (f-i) Sa mga panel a hanggang c, ang mga pattern ng SAED sa iba't ibang mga rehiyon ay ipinahiwatig ng asul, cyan, orange, at pulang bilog, ayon sa pagkakabanggit.
Ang istraktura ng ribbon sa Figure 5c ay nagpapakita (minarkahan ng pulang arrow) ang patayong oryentasyon ng mga graphite lattice plane, na maaaring dahil sa pagbuo ng mga nanofolds sa kahabaan ng pelikula (inset sa Figure 5c) dahil sa labis na uncompensated shear stress30,61,62 . Sa ilalim ng high-resolution na TEM, ang mga nanofolds 30 na ito ay nagpapakita ng ibang crystallographic na oryentasyon kaysa sa ibang bahagi ng rehiyon ng NGF; ang mga basal na eroplano ng graphite lattice ay halos patayo, sa halip na pahalang tulad ng natitirang bahagi ng pelikula (inset sa Figure 5c). Katulad nito, ang rehiyon ng FLG ay paminsan-minsan ay nagpapakita ng mga linear at makitid na fold na tulad ng banda (minarkahan ng mga asul na arrow), na lumilitaw sa mababa at katamtamang pag-magnify sa Mga Figure 5b, 5e, ayon sa pagkakabanggit. Kinukumpirma ng inset sa Figure 5e ang pagkakaroon ng dalawa- at tatlong-layer na mga layer ng graphene sa sektor ng FLG (interplanar distance 0.33 ± 0.01 nm), na naaayon sa aming mga nakaraang resulta30. Bilang karagdagan, ang mga naitalang SEM na imahe ng polymer-free NGF na inilipat sa mga tansong grid na may lacy carbon films (pagkatapos magsagawa ng top-view na mga sukat ng TEM) ay ipinapakita sa Figure SI9. Ang well suspended FLG region (minarkahan ng asul na arrow) at ang sirang rehiyon sa Figure SI9f. Ang asul na arrow (sa gilid ng inilipat na NGF) ay sadyang ipinakita upang ipakita na ang rehiyon ng FLG ay maaaring labanan ang proseso ng paglilipat nang walang polimer. Sa buod, kinumpirma ng mga larawang ito na ang bahagyang nasuspinde na NGF (kabilang ang rehiyon ng FLG) ay nagpapanatili ng mekanikal na integridad kahit na pagkatapos ng mahigpit na paghawak at pagkakalantad sa mataas na vacuum sa panahon ng mga pagsukat ng TEM at SEM (Figure SI9).
Dahil sa mahusay na flatness ng NGF (tingnan ang Figure 5a), hindi mahirap i-orient ang mga flakes kasama ang [0001] domain axis upang pag-aralan ang istraktura ng SAED. Depende sa lokal na kapal ng pelikula at lokasyon nito, maraming mga rehiyon ng interes (12 puntos) ang nakilala para sa pag-aaral ng electron diffraction. Sa Mga Figure 5a–c, apat sa mga tipikal na rehiyong ito ang ipinapakita at minarkahan ng mga may kulay na bilog (asul, cyan, orange, at pulang naka-code). Mga Figure 2 at 3 para sa SAED mode. Ang mga figure 5f at g ay nakuha mula sa rehiyon ng FLG na ipinapakita sa Mga Figure 5 at 5. Tulad ng ipinapakita sa Mga Figure 5b at c, ayon sa pagkakabanggit. Mayroon silang hexagonal na istraktura na katulad ng twisted graphene63. Sa partikular, ang Figure 5f ay nagpapakita ng tatlong superimposed na mga pattern na may parehong oryentasyon ng [0001] zone axis, na pinaikot ng 10° at 20°, bilang ebidensya ng angular mismatch ng tatlong pares ng (10-10) na mga reflection. Katulad nito, ang Figure 5g ay nagpapakita ng dalawang superimposed hexagonal pattern na pinaikot ng 20°. Dalawa o tatlong grupo ng mga hexagonal pattern sa rehiyon ng FLG ay maaaring lumabas mula sa tatlong in-plane o out-of-plane graphene layer 33 na pinaikot na may kaugnayan sa isa't isa. Sa kaibahan, ang mga pattern ng electron diffraction sa Figure 5h,i (naaayon sa rehiyon ng NGF na ipinapakita sa Figure 5a) ay nagpapakita ng isang solong [0001] pattern na may pangkalahatang mas mataas na point diffraction intensity, na tumutugma sa mas malaking kapal ng materyal. Ang mga modelong ito ng SAED ay tumutugma sa isang mas makapal na graphitic na istraktura at intermediate na oryentasyon kaysa sa FLG, gaya ng hinuha mula sa index 64. Ang pagkilala sa mga mala-kristal na katangian ng NGF ay nagsiwalat ng magkakasamang buhay ng dalawa o tatlong superimposed na graphite (o graphene) na mga kristal. Ang partikular na kapansin-pansin sa rehiyon ng FLG ay ang mga crystallite ay may tiyak na antas ng in-plane o out-of-plane misorientation. Ang mga particle/layer ng graphite na may mga anggulo ng pag-ikot sa eroplano na 17°, 22° at 25° ay dati nang naiulat para sa NGF na lumaki sa mga pelikulang Ni 64. Ang mga halaga ng anggulo ng pag-ikot na sinusunod sa pag-aaral na ito ay pare-pareho sa naunang naobserbahang mga anggulo ng pag-ikot (±1°) para sa baluktot na BLG63 graphene.
Ang mga de-koryenteng katangian ng NGF / SiO2 / Si ay sinusukat sa 300 K sa isang lugar na 10 × 3 mm2. Ang mga halaga ng electron carrier concentration, mobility at conductivity ay 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 at 2000 S-cm-1, ayon sa pagkakabanggit. Ang mobility at conductivity values ng ating NGF ay katulad ng natural na graphite2 at mas mataas kaysa sa available na komersyal na highly oriented pyrolytic graphite (nagawa sa 3000 °C)29. Ang naobserbahang mga halaga ng konsentrasyon ng electron carrier ay dalawang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa mga kamakailang iniulat (7.25 × 10 cm-3) para sa micron-thick graphite film na inihanda gamit ang mataas na temperatura (3200 °C) polyimide sheet 20 .
Nagsagawa rin kami ng UV-visible transmittance measurements sa FS-NGF na inilipat sa quartz substrates (Larawan 6). Ang resultang spectrum ay nagpapakita ng halos pare-parehong transmittance ng 62% sa hanay na 350-800 nm, na nagpapahiwatig na ang NGF ay translucent sa nakikitang liwanag. Sa katunayan, ang pangalang "KAUST" ay makikita sa digital photograph ng sample sa Figure 6b. Bagaman ang istraktura ng nanocrystalline ng NGF ay naiiba mula sa SLG, ang bilang ng mga layer ay maaaring halos tinantya gamit ang panuntunan ng 2.3% na pagkawala ng paghahatid sa bawat karagdagang layer65. Ayon sa relasyong ito, ang bilang ng mga layer ng graphene na may 38% na pagkawala ng transmission ay 21. Ang pinalaki na NGF ay pangunahing binubuo ng 300 na mga layer ng graphene, ibig sabihin, mga 100 nm ang kapal (Fig. 1, SI5 at SI7). Samakatuwid, ipinapalagay namin na ang naobserbahang optical transparency ay tumutugma sa mga rehiyon ng FLG at MLG, dahil ang mga ito ay ipinamamahagi sa buong pelikula (Fig. 1, 3, 5 at 6c). Bilang karagdagan sa data ng istruktura sa itaas, ang kondaktibiti at transparency ay nagpapatunay din sa mataas na kalidad ng kristal ng inilipat na NGF.
(a) UV-visible transmittance measurement, (b) tipikal na NGF transfer sa quartz gamit ang isang sample na kinatawan. (c) Schematic ng NGF (dark box) na may pantay na ipinamamahagi na mga rehiyon ng FLG at MLG na minarkahan bilang kulay abong random na mga hugis sa buong sample (tingnan ang Larawan 1) (tinatayang 0.1–3% na lugar bawat 100 μm2). Ang mga random na hugis at ang kanilang mga sukat sa diagram ay para sa mga layuning panglarawan lamang at hindi tumutugma sa aktwal na mga lugar.
Ang translucent NGF na pinalaki ng CVD ay dati nang inilipat sa mga hubad na ibabaw ng silikon at ginamit sa mga solar cell15,16. Ang resultang power conversion efficiency (PCE) ay 1.5%. Ang mga NGF na ito ay gumaganap ng maramihang mga function tulad ng mga aktibong compound layer, charge transport pathways, at transparent electrodes15,16. Gayunpaman, ang graphite film ay hindi pare-pareho. Ang karagdagang pag-optimize ay kinakailangan sa pamamagitan ng maingat na pagkontrol sa sheet resistance at optical transmittance ng graphite electrode, dahil ang dalawang katangiang ito ay may mahalagang papel sa pagtukoy ng PCE value ng solar cell15,16. Karaniwan, ang mga graphene film ay 97.7% transparent sa nakikitang liwanag, ngunit may sheet resistance na 200–3000 ohms/sq.16. Ang surface resistance ng graphene films ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga layer (multiple transfer of graphene layers) at doping na may HNO3 (~30 Ohm/sq.)66. Gayunpaman, ang prosesong ito ay tumatagal ng mahabang panahon at ang iba't ibang mga layer ng paglilipat ay hindi palaging nagpapanatili ng magandang contact. Ang aming front side NGF ay may mga katangian tulad ng conductivity 2000 S/cm, film sheet resistance 50 ohm/sq. at 62% na transparency, na ginagawa itong mabisang alternatibo para sa mga conductive channel o counter electrodes sa solar cells15,16.
Bagama't ang istraktura at kimika sa ibabaw ng BS-NGF ay katulad ng FS-NGF, iba ang pagkamagaspang nito ("Growth of FS- and BS-NGF"). Dati, gumamit kami ng ultra-thin film graphite22 bilang gas sensor. Samakatuwid, sinubukan namin ang pagiging posible ng paggamit ng BS-NGF para sa mga gawain sa sensing ng gas (Larawan SI10). Una, ang mga mm2-sized na bahagi ng BS-NGF ay inilipat sa interdigitating electrode sensor chip (Figure SI10a-c). Nauna nang naiulat ang mga detalye ng paggawa ng chip; ang aktibong sensitibong lugar nito ay 9 mm267. Sa mga imahe ng SEM (Figure SI10b at c), ang pinagbabatayan na gintong elektrod ay malinaw na nakikita sa pamamagitan ng NGF. Muli, makikita na ang unipormeng saklaw ng chip ay nakamit para sa lahat ng mga sample. Ang mga sukat ng sensor ng gas ng iba't ibang mga gas ay naitala (Fig. SI10d) (Fig. SI11) at ang mga resultang rate ng pagtugon ay ipinapakita sa Fig. SI10g. Malamang sa iba pang mga nakakasagabal na gas kabilang ang SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) at NH3 (200 ppm ). Ang isang posibleng dahilan ay NO2. electrophilic na katangian ng gas22,68. Kapag na-adsorbed sa ibabaw ng graphene, binabawasan nito ang kasalukuyang pagsipsip ng mga electron ng system. Ang paghahambing ng data ng oras ng pagtugon ng sensor ng BS-NGF sa mga naunang nai-publish na sensor ay ipinakita sa Talahanayan SI2. Ang mekanismo para sa muling pag-activate ng mga sensor ng NGF gamit ang UV plasma, O3 plasma o thermal (50–150°C) na paggamot ng mga nakalantad na sample ay nagpapatuloy, perpektong sinusundan ng pagpapatupad ng mga naka-embed na system69.
Sa panahon ng proseso ng CVD, ang paglaki ng graphene ay nangyayari sa magkabilang panig ng catalyst substrate41. Gayunpaman, ang BS-graphene ay karaniwang ine-eject sa panahon ng proseso ng paglilipat41. Sa pag-aaral na ito, ipinapakita namin na ang mataas na kalidad na paglago ng NGF at paglilipat ng NGF na walang polymer ay maaaring makamit sa magkabilang panig ng suporta ng katalista. Ang BS-NGF ay mas payat (~80 nm) kaysa sa FS-NGF (~100 nm), at ang pagkakaibang ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang BS-Ni ay hindi direktang nakalantad sa precursor na daloy ng gas. Natagpuan din namin na ang pagkamagaspang ng substrate ng NiAR ay nakakaimpluwensya sa pagkamagaspang ng NGF. Ang mga resultang ito ay nagpapahiwatig na ang lumaki na planar FS-NGF ay maaaring gamitin bilang isang precursor material para sa graphene (sa pamamagitan ng exfoliation method70) o bilang isang conductive channel sa solar cells15,16. Sa kabaligtaran, ang BS-NGF ay gagamitin para sa pagtuklas ng gas (Fig. SI9) at posibleng para sa mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya71,72 kung saan ang pagkamagaspang sa ibabaw nito ay magiging kapaki-pakinabang.
Isinasaalang-alang ang nasa itaas, kapaki-pakinabang na pagsamahin ang kasalukuyang gawain sa mga naunang nai-publish na mga graphite na pelikula na pinalago ng CVD at gamit ang nickel foil. Tulad ng makikita sa Talahanayan 2, ang mas mataas na presyon na ginamit namin ay pinaikli ang oras ng reaksyon (yugto ng paglaki) kahit na sa medyo mababang temperatura (sa hanay na 850–1300 °C). Nakamit din namin ang mas malaking paglago kaysa karaniwan, na nagpapahiwatig ng potensyal para sa pagpapalawak. Mayroong iba pang mga kadahilanan na dapat isaalang-alang, ang ilan ay isinama namin sa talahanayan.
Ang double-sided na mataas na kalidad na NGF ay pinalaki sa nickel foil ng catalytic CVD. Sa pamamagitan ng pag-aalis ng mga tradisyunal na polymer substrates (tulad ng mga ginamit sa CVD graphene), nakakamit namin ang malinis at walang depektong basa na paglipat ng NGF (lumago sa likod at harap na mga gilid ng nickel foil) sa iba't ibang mga substrate na kritikal sa proseso. Kapansin-pansin, kasama sa NGF ang mga rehiyon ng FLG at MLG (karaniwang 0.1% hanggang 3% bawat 100 µm2) na mahusay na pinagsama sa istruktura sa mas makapal na pelikula. Ipinapakita ng Planar TEM na ang mga rehiyong ito ay binubuo ng mga stack ng dalawa hanggang tatlong graphite/graphene particle (mga kristal o layer, ayon sa pagkakabanggit), ang ilan sa mga ito ay may rotational mismatch na 10–20°. Ang mga rehiyon ng FLG at MLG ay responsable para sa transparency ng FS-NGF sa nakikitang liwanag. Tulad ng para sa mga rear sheet, maaari silang dalhin parallel sa front sheet at, tulad ng ipinapakita, ay maaaring magkaroon ng isang functional na layunin (halimbawa, para sa pagtuklas ng gas). Ang mga pag-aaral na ito ay lubhang kapaki-pakinabang para sa pagbabawas ng basura at mga gastos sa industriyal na sukat ng mga proseso ng CVD.
Sa pangkalahatan, ang average na kapal ng CVD NGF ay nasa pagitan ng (mababa at multi-layer) graphene at pang-industriya (micrometer) graphite sheet. Ang hanay ng kanilang mga kawili-wiling katangian, kasama ang simpleng paraan na binuo namin para sa kanilang produksyon at transportasyon, ay ginagawang partikular na angkop ang mga pelikulang ito para sa mga application na nangangailangan ng functional na pagtugon ng graphite, nang walang gastos sa enerhiya-intensive na pang-industriyang proseso ng produksyon na kasalukuyang ginagamit.
Isang 25-μm-thick nickel foil (99.5% purity, Goodfellow) ang na-install sa isang commercial CVD reactor (Aixtron 4-inch BMPro). Ang sistema ay nilinis ng argon at inilikas sa isang base pressure na 10-3 mbar. Pagkatapos ay inilagay ang nickel foil. sa Ar/H2 (Pagkatapos ng pre-annealing ng Ni foil sa loob ng 5 min, ang foil ay nalantad sa presyon na 500 mbar sa 900 °C. Ang NGF ay idineposito sa daloy ng CH4/H2 (100 cm3 bawat isa) sa loob ng 5 min. Ang sample ay pinalamig sa temperatura sa ibaba 700 °C gamit ang Ar flow (4000 cm3) sa 40 °C/min Ang mga detalye sa pag-optimize ng proseso ng paglago ng NGF ay inilarawan sa ibang lugar.
Ang ibabaw na morpolohiya ng sample ay na-visualize ng SEM gamit ang isang Zeiss Merlin microscope (1 kV, 50 pA). Ang sample na pagkamagaspang sa ibabaw at kapal ng NGF ay sinusukat gamit ang AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Ang mga sukat ng TEM at SAED ay isinagawa gamit ang isang FEI Titan 80–300 Cubed microscope na nilagyan ng mataas na brightness field emission gun (300 kV), isang FEI Wien type monochromator at isang CEOS lens spherical aberration corrector para makuha ang mga huling resulta. spatial na resolusyon 0.09 nm. Ang mga sample ng NGF ay inilipat sa carbon lacy coated copper grids para sa flat TEM imaging at SAED structure analysis. Kaya, karamihan sa mga sample na floc ay nasuspinde sa mga pores ng sumusuporta sa lamad. Ang mga inilipat na sample ng NGF ay nasuri ng XRD. Ang mga pattern ng X-ray diffraction ay nakuha gamit ang isang powder diffractometer (Brucker, D2 phase shifter na may Cu Kα source, 1.5418 Å at LYNXEYE detector) gamit ang Cu radiation source na may beam spot diameter na 3 mm.
Maraming mga sukat ng Raman point ang naitala gamit ang isang pinagsamang confocal microscope (Alpha 300 RA, WITeC). Ang isang 532 nm laser na may mababang lakas ng paggulo (25%) ay ginamit upang maiwasan ang mga epekto na na-induce ng thermal. Ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ay isinagawa sa isang Kratos Axis Ultra spectrometer sa isang sample na lugar na 300 × 700 μm2 gamit ang monochromatic Al Kα radiation (hν = 1486.6 eV) sa lakas na 150 W. Resolution spectra ay nakuha sa transmission energies na 160 eV at 20 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga sample ng NGF na inilipat sa SiO2 ay pinutol (3 × 10 mm2 bawat isa) gamit ang isang PLS6MW (1.06 μm) ytterbium fiber laser sa 30 W. Ang mga contact ng tansong wire (50 μm ang kapal) ay ginawa gamit ang silver paste sa ilalim ng optical microscope. Ang mga eksperimento sa elektrikal na transportasyon at Hall effect ay isinagawa sa mga sample na ito sa 300 K at isang pagkakaiba-iba ng magnetic field na ± 9 Tesla sa isang sistema ng pagsukat ng pisikal na katangian (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Ang ipinadalang UV-vis spectra ay naitala gamit ang isang Lambda 950 UV-vis spectrophotometer sa hanay ng 350-800 nm NGF na inilipat sa mga quartz substrates at quartz reference sample.
Ang chemical resistance sensor (interdigitated electrode chip) ay naka-wire sa isang custom na naka-print na circuit board 73 at ang paglaban ay na-extract nang panandalian. Ang naka-print na circuit board kung saan matatagpuan ang device ay konektado sa mga contact terminal at inilagay sa loob ng gas sensing chamber 74. Ang mga pagsukat ng resistensya ay kinuha sa boltahe na 1 V na may tuluy-tuloy na pag-scan mula sa purga hanggang sa pagkakalantad ng gas at pagkatapos ay muling nag-purga. Ang silid ay una nang nilinis sa pamamagitan ng paglilinis ng nitrogen sa 200 cm3 para sa 1 oras upang matiyak ang pag-alis ng lahat ng iba pang mga analyte na naroroon sa silid, kabilang ang kahalumigmigan. Ang mga indibidwal na analyte ay dahan-dahang inilabas sa silid sa parehong rate ng daloy na 200 cm3 sa pamamagitan ng pagsasara ng silindro ng N2.
Ang isang binagong bersyon ng artikulong ito ay nai-publish at maaaring ma-access sa pamamagitan ng link sa tuktok ng artikulo.
Inagaki, M. at Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Na-edit ang pangalawang edisyon. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook ng Carbon, Graphite, Diamond at Fullerenes: Properties, Processing at Applications. Ang unang edisyon ay na-edit. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Malaking lugar na multilayer graphene/graphite films bilang transparent thin conductive electrodes. aplikasyon. pisika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Mga thermal na katangian ng graphene at nanostructured carbon na materyales. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW at Cahill DG Thermal conductivity ng mga graphite film na lumago sa Ni (111) sa pamamagitan ng mababang temperatura na chemical vapor deposition. pang-abay. Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Patuloy na paglaki ng mga graphene films sa pamamagitan ng chemical vapor deposition. aplikasyon. pisika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Oras ng post: Aug-23-2024