Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS. Alang sa labing maayo nga mga resulta, among girekomendar nga mogamit ka og mas bag-ong bersyon sa imong browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Sa kasamtangan, aron masiguro ang padayon nga suporta, among gipakita ang site nga wala’y istilo o JavaScript.
Ang mga nanoscale graphite films (NGFs) maoy lig-on nga mga nanomaterial nga mahimo pinaagi sa catalytic chemical vapor deposition, apan ang mga pangutana nagpabilin mahitungod sa ilang kasayon sa pagbalhin ug sa unsang paagi ang surface morphology makaapekto sa ilang paggamit sa sunod nga henerasyon nga mga himan. Dinhi among gitaho ang pagtubo sa NGF sa duha ka kilid sa usa ka polycrystalline nickel foil (lugar nga 55 cm2, gibag-on mga 100 nm) ug ang polymer-free nga pagbalhin niini (atubangan ug likod, lugar hangtod sa 6 cm2). Tungod sa morpolohiya sa catalyst foil, ang duha ka carbon films magkalahi sa ilang pisikal nga mga kabtangan ug uban pang mga kinaiya (sama sa pagkagapos sa nawong). Gipakita namo nga ang NGFs nga adunay mas rougher backside haum kaayo sa NO2 detection, samtang ang smoother ug mas conductive NGFs sa front side (2000 S/cm, sheet resistance - 50 ohms/m2) mahimong viable conductors. channel o electrode sa solar cell (tungod kay kini nagpadala sa 62% sa makita nga kahayag). Sa kinatibuk-an, ang gihulagway nga pagtubo ug mga proseso sa transportasyon mahimong makatabang sa pagkaamgo sa NGF isip usa ka alternatibo nga carbon material para sa teknolohiya nga mga aplikasyon diin ang graphene ug micron-thick graphite films dili angay.
Ang graphite kay kaylap nga gigamit sa industriyal nga materyal. Ilabi na, ang graphite adunay mga kabtangan nga medyo ubos nga densidad sa masa ug taas nga in-plane nga thermal ug electrical conductivity, ug lig-on kaayo sa mapintas nga thermal ug kemikal nga palibot1,2. Ang flake graphite usa ka ilado nga panugod nga materyal para sa panukiduki sa graphene3. Kung giproseso ngadto sa nipis nga mga pelikula, kini mahimong gamiton sa usa ka halapad nga mga aplikasyon, lakip na ang mga heat sink para sa mga electronic device sama sa smartphones4,5,6,7, isip aktibong materyal sa sensors8,9,10 ug alang sa electromagnetic interference protection11. 12 ug mga pelikula alang sa lithography sa grabeng ultraviolet13,14, nagpahigayon sa mga channel sa solar cells15,16. Alang sa tanan niini nga mga aplikasyon, kini usa ka hinungdanon nga bentaha kung ang daghang mga lugar sa mga graphite films (NGFs) nga adunay gibag-on nga kontrolado sa nanoscale <100 nm mahimong dali nga mahimo ug madala.
Ang mga graphite nga pelikula gihimo sa lainlaing mga pamaagi. Sa usa ka kaso, ang pag-embed ug pagpalapad nga gisundan sa exfoliation gigamit aron makahimo og graphene flakes10,11,17. Ang mga tipik kinahanglan nga dugang nga proseso ngadto sa mga pelikula sa gikinahanglan nga gibag-on, ug kini sa kasagaran nagkinahanglan og pipila ka mga adlaw sa paghimo sa dasok nga graphite sheets. Ang laing paagi mao ang pagsugod sa graphitable solid precursors. Sa industriya, ang mga palid sa polymers kay carbonized (sa 1000-1500 °C) ug dayon graphitized (sa 2800-3200 °C) aron maporma nga maayo ang pagkahan-ay nga layered nga mga materyales. Bisan kung ang kalidad sa kini nga mga pelikula taas, ang konsumo sa enerhiya hinungdanon1,18,19 ug ang minimum nga gibag-on limitado sa pipila ka microns1,18,19,20.
Ang catalytic chemical vapor deposition (CVD) usa ka ilado nga pamaagi sa paghimo og graphene ug ultrathin graphite films (<10 nm) nga adunay taas nga kalidad sa istruktura ug makatarunganon nga gasto21,22,23,24,25,26,27. Bisan pa, kung itandi sa pagtubo sa graphene ug ultrathin graphite films28, ang dako nga lugar nga pagtubo ug / o paggamit sa NGF gamit ang CVD labi pa nga gamay nga gisusi11,13,29,30,31,32,33.
Ang CVD-grown graphene ug graphite films kasagarang kinahanglan nga ibalhin ngadto sa functional substrates34. Kining nipis nga mga pagbalhin sa pelikula naglakip sa duha ka nag-unang pamaagi35: (1) non-etch transfer36,37 ug (2) etch-based wet chemical transfer (substrate gisuportahan)14,34,38. Ang matag pamaagi adunay pipila ka mga bentaha ug mga disbentaha ug kinahanglan nga pilion depende sa gituyo nga aplikasyon, ingon sa gihulagway sa ubang mga dapit35,39. Alang sa graphene/graphite nga mga pelikula nga gipatubo sa catalytic substrates, ang pagbalhin pinaagi sa basa nga kemikal nga mga proseso (nga ang polymethyl methacrylate (PMMA) mao ang kasagarang gigamit nga support layer) nagpabilin nga unang gipili13,30,34,38,40,41,42. Ikaw et al. Gihisgotan nga walay polymer nga gigamit alang sa NGF nga pagbalhin (sample nga gidak-on nga gibana-bana nga 4 cm2) 25,43, apan walay mga detalye nga gihatag mahitungod sa sample stability ug / o pagdumala sa panahon sa pagbalhin; Ang mga proseso sa basa nga kemistriya gamit ang mga polimer naglangkob sa pipila ka mga lakang, lakip ang paggamit ug sunod nga pagtangtang sa usa ka sakripisyo nga polymer layer30,38,40,41,42. Kini nga proseso adunay mga disbentaha: pananglitan, ang polymer residues mahimong makausab sa mga kabtangan sa gipatubo nga pelikula38. Ang dugang nga pagproseso makatangtang sa nahabilin nga polimer, apan kini nga dugang nga mga lakang nagdugang sa gasto ug oras sa paghimo sa pelikula38,40. Atol sa pagtubo sa CVD, usa ka layer sa graphene ang gibutang dili lamang sa atubangan nga bahin sa catalyst foil (ang kilid nga nag-atubang sa alisngaw), apan usab sa likod nga bahin niini. Bisan pa, ang ulahi giisip nga usa ka basura nga produkto ug dali nga makuha sa humok nga plasma38,41. Ang pag-recycle niini nga pelikula makatabang sa pagpadako sa abot, bisan kung kini mas ubos nga kalidad kaysa nawong nga carbon film.
Dinhi, among gitaho ang pag-andam sa wafer-scale bifacial nga pagtubo sa NGF nga adunay taas nga kalidad sa istruktura sa polycrystalline nickel foil pinaagi sa CVD. Gisusi kung giunsa ang kabangis sa atubangan ug likod nga nawong sa foil makaapekto sa morpolohiya ug istruktura sa NGF. Gipakita usab namo ang cost-effective ug environmentally friendly nga polymer-free nga pagbalhin sa NGF gikan sa duha ka kilid sa nickel foil ngadto sa multifunctional substrates ug gipakita kung giunsa ang atubangan ug likod nga mga pelikula angay alang sa nagkalain-laing mga aplikasyon.
Ang mosunod nga mga seksyon naghisgot sa lain-laing graphite film gibag-on depende sa gidaghanon sa stacked graphene layers: (i) single layer graphene (SLG, 1 layer), (ii) pipila ka layer graphene (FLG, <10 layers), (iii) multilayer graphene ( MLG, 10-30 layers) ug (iv) NGF (~300 layers). Ang naulahi mao ang kasagarang gibag-on nga gipahayag isip porsyento sa luna (gibana-bana nga 97% nga luna kada 100 µm2)30. Mao nga ang tibuuk nga pelikula gitawag nga NGF.
Ang polycrystalline nickel foil nga gigamit alang sa synthesis sa graphene ug graphite nga mga pelikula adunay lain-laing mga texture isip resulta sa ilang paghimo ug sunod nga pagproseso. Bag-ohay lang nga gitaho namon ang usa ka pagtuon aron ma-optimize ang proseso sa pagtubo sa NGF30. Gipakita namon nga ang mga parameter sa proseso sama sa oras sa pag-annea ug presyur sa chamber sa panahon sa pagtubo nga yugto adunay hinungdanon nga papel sa pagkuha sa mga NGF nga parehas nga gibag-on. Dinhi, among dugang nga gisusi ang pagtubo sa NGF sa gipasinaw nga atubangan (FS) ug wala gipasinaw nga likod (BS) nga mga ibabaw sa nickel foil (Fig. 1a). Tulo ka matang sa mga sample nga FS ug BS ang gisusi, nga gilista sa Table 1. Sa visual inspection, ang uniporme nga pagtubo sa NGF sa duha ka kilid sa nickel foil (NiAG) makita pinaagi sa pagbag-o sa kolor sa bulk Ni substrate gikan sa usa ka kinaiya nga metallic silver. gray ngadto sa matte gray nga kolor (Fig. 1a); gipamatud-an ang mikroskopikong pagsukod (Fig. 1b, c). Usa ka tipikal nga Raman spectrum sa FS-NGF nga nakita sa masanag nga rehiyon ug gipakita sa pula, asul ug orange nga mga pana sa Figure 1b gipakita sa Figure 1c. Ang kinaiya Raman peaks sa graphite G (1683 cm−1) ug 2D (2696 cm−1) nagpamatuod sa pagtubo sa kaayo kristal NGF (Fig. 1c, Table SI1). Sa tibuuk nga pelikula, usa ka predominance sa Raman spectra nga adunay intensity ratio (I2D / IG) ~ 0.3 ang naobserbahan, samtang ang Raman spectra nga adunay I2D / IG = 0.8 talagsa ra naobserbahan. Ang pagkawala sa mga depekto nga mga taluktok (D = 1350 cm-1) sa tibuok nga pelikula nagpakita sa taas nga kalidad sa pagtubo sa NGF. Ang susamang mga resulta sa Raman nakuha sa sample sa BS-NGF (Figure SI1 a ug b, Table SI1).
Pagtandi sa NiAG FS- ug BS-NGF: (a) Litrato sa tipikal nga NGF (NiAG) nga sample nga nagpakita sa pagtubo sa NGF sa wafer scale (55 cm2) ug ang resulta nga BS- ug FS-Ni foil sample, (b) FS-NGF Mga hulagway/ Ni nga nakuha pinaagi sa usa ka optical microscope, (c) tipikal nga Raman spectra nga natala sa lain-laing mga posisyon sa panel b, (d, f) SEM nga mga hulagway sa lain-laing mga magnification sa FS-NGF/Ni, (e, g) SEM nga mga hulagway sa lain-laing mga magnifications Nagtakda sa BS -NGF/Ni. Ang asul nga arrow nagpaila sa rehiyon sa FLG, ang orange nga arrow nagpaila sa rehiyon sa MLG (duol sa rehiyon sa FLG), ang pula nga arrow nagpaila sa rehiyon sa NGF, ug ang magenta nga arrow nagpaila sa fold.
Tungod kay ang pagtubo nagdepende sa gibag-on sa inisyal nga substrate, kristal nga gidak-on, orientasyon, ug mga utlanan sa lugas, ang pagkab-ot sa makatarunganon nga pagkontrol sa NGF nga gibag-on sa dagkong mga lugar nagpabilin nga usa ka hagit20,34,44. Gigamit sa kini nga pagtuon ang sulud nga among gipatik kaniadto30. Kini nga proseso nagpatunghag hayag nga rehiyon nga 0.1 hangtod 3% kada 100 µm230. Sa mosunod nga mga seksyon, among gipresentar ang mga resulta alang sa duha ka matang sa mga rehiyon. Ang taas nga pagpadako sa mga imahe sa SEM nagpakita sa presensya sa daghang mga mahayag nga kalainan nga mga lugar sa duha ka kilid (Fig. 1f, g), nga nagpakita sa presensya sa FLG ug MLG nga mga rehiyon30,45. Gikumpirma usab kini sa pagsabwag sa Raman (Fig. 1c) ug mga resulta sa TEM (gihisgot sa ulahi sa seksyon nga "FS-NGF: istruktura ug mga kabtangan"). Ang mga rehiyon sa FLG ug MLG nga naobserbahan sa mga sample sa FS- ug BS-NGF/Ni (atubangan ug likod nga NGF nga gipatubo sa Ni) mahimong mitubo sa dagkong Ni (111) nga mga lugas nga naporma sa panahon sa pre-annealing22,30,45. Ang pagpilo nakita sa duha ka kilid (Fig. 1b, gimarkahan og purpura nga mga pana). Kini nga mga pilo kasagarang makita sa CVD-grown graphene ug graphite films tungod sa dako nga kalainan sa coefficient sa thermal expansion tali sa graphite ug sa nickel substrate30,38.
Gikumpirma sa imahe sa AFM nga ang sample sa FS-NGF mas patag kaysa sa sample sa BS-NGF (Figure SI1) (Figure SI2). Ang root mean square (RMS) roughness values sa FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) ug BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) maoy 82 ug 200 nm, matag usa (gisukod sa lugar nga 20 × 20 μm2). Ang mas taas nga roughness mahimong masabtan base sa pag-analisar sa ibabaw sa nickel (NiAR) foil sa ingon nga nadawat nga estado (Figure SI3). Ang mga imahe sa SEM sa FS ug BS-NiAR gipakita sa Mga Figure SI3a-d, nga nagpakita sa lainlaing mga morphologies sa nawong: ang gipasinaw nga FS-Ni foil adunay nano- ug micron-sized nga spherical nga mga partikulo, samtang ang wala gipasinaw nga BS-Ni foil nagpakita sa usa ka hagdan sa produksiyon. ingon nga mga partikulo nga adunay taas nga kusog. ug pagkunhod. Ang ubos ug taas nga resolusyon nga mga hulagway sa annealed nickel foil (NiA) gipakita sa Figure SI3e-h. Niini nga mga numero, atong maobserbahan ang presensya sa daghang micron-sized nickel particles sa duha ka kilid sa nickel foil (Fig. SI3e–h). Ang dagkong mga lugas mahimong adunay Ni(111) nga oryentasyon sa ibabaw, sama sa gitaho kaniadto30,46. Adunay mahinungdanong mga kalainan sa nickel foil morphology tali sa FS-NiA ug BS-NiA. Ang mas taas nga roughness sa BS-NGF / Ni tungod sa unpolished nga nawong sa BS-NiAR, ang nawong niini nagpabilin nga grabe nga bagis bisan human sa annealing (Figure SI3). Kini nga matang sa pag-ila sa nawong sa wala pa ang proseso sa pagtubo nagtugot sa kabangis sa graphene ug graphite nga mga pelikula nga makontrol. Kinahanglan nga matikdan nga ang orihinal nga substrate miagi sa pipila ka pag-organisar sa mga lugas sa panahon sa pagtubo sa graphene, nga gamay nga mikunhod ang gidak-on sa lugas ug medyo nagdugang sa pagkabaga sa ibabaw sa substrate kon itandi sa annealed foil ug catalyst film22.
Ang pag-ayo sa pagkabaga sa ibabaw sa substrate, oras sa pag-anil (gidak-on sa lugas)30,47 ug pagkontrol sa pagpagawas43 makatabang sa pagpakunhod sa pagkaparehas sa gibag-on sa rehiyon sa NGF sa µm2 ug/o bisan sa nm2 nga sukod (ie, mga pagbag-o sa gibag-on sa pipila ka nanometer). Aron makontrol ang kabangis sa nawong sa substrate, ang mga pamaagi sama sa electrolytic polishing sa resulta nga nickel foil mahimong makonsiderar48. Ang pretreated nga nickel foil mahimo dayon nga ma-annealed sa mas ubos nga temperatura (< 900 °C) 46 ug oras (< 5 min) aron malikayan ang pagporma sa dagkong Ni(111) nga mga lugas (nga mapuslanon alang sa pagtubo sa FLG).
Ang SLG ug FLG graphene dili makasugakod sa tensiyon sa nawong sa mga asido ug tubig, nga nanginahanglan ug mekanikal nga suporta nga mga lut-od sa panahon sa mga proseso sa pagbalhin sa basa nga kemikal22,34,38. Sukwahi sa wet chemical transfer sa polymer-supported single-layer graphene38, among nakaplagan nga ang duha ka kilid sa as-grown NGF mahimong ibalhin nga walay polymer support, sama sa gipakita sa Figure 2a (tan-awa ang Figure SI4a para sa dugang mga detalye). Ang pagbalhin sa NGF ngadto sa usa ka substrate nagsugod sa basa nga pag-ukit sa nagpahiping Ni30.49 nga pelikula. Ang gipatubo nga NGF / Ni / NGF nga mga sample gibutang sa tibuok gabii sa 15 mL sa 70% HNO3 nga lasaw sa 600 mL nga deionized (DI) nga tubig. Human nga ang Ni foil hingpit nga matunaw, ang FS-NGF nagpabilin nga patag ug naglutaw sa ibabaw sa likido, sama sa NGF / Ni / NGF nga sample, samtang ang BS-NGF gituslob sa tubig (Fig. 2a, b). Ang nahilit nga NGF dayon gibalhin gikan sa usa ka beaker nga adunay sulud nga presko nga deionized nga tubig ngadto sa lain nga beaker ug ang nahilit nga NGF gihugasan pag-ayo, gisubli upat hangtod unom ka beses pinaagi sa concave glass dish. Sa katapusan, ang FS-NGF ug BS-NGF gibutang sa gusto nga substrate (Fig. 2c).
Wala'y polymer nga proseso sa pagbalhin sa basa nga kemikal alang sa NGF nga gipatubo sa nickel foil: (a) Process flow diagram (tan-awa ang Figure SI4 para sa dugang nga mga detalye), (b) Digital nga litrato sa gibulag nga NGF human sa Ni etching (2 ka sample), (c) Pananglitan FS – ug BS-NGF pagbalhin ngadto sa SiO2/Si substrate, (d) FS-NGF pagbalhin ngadto sa opaque polymer substrate, (e) BS-NGF gikan sa sama nga sample sa panel d (gibahin ngadto sa duha ka bahin), gibalhin ngadto sa bulawan plated C nga papel ug Nafion (flexible transparent substrate, mga ngilit gimarkahan og pula nga mga kanto).
Timan-i nga ang pagbalhin sa SLG nga gihimo gamit ang mga pamaagi sa pagbalhin sa basa nga kemikal nanginahanglan ug kinatibuk-ang oras sa pagproseso nga 20–24 ka oras 38 . Uban sa polymer-free transfer technique nga gipakita dinhi (Figure SI4a), ang kinatibuk-ang oras sa pagproseso sa NGF transfer maminusan (gibana-bana nga 15 ka oras). Ang proseso naglangkob sa: (Lakang 1) Pag-andam ug etching nga solusyon ug ibutang ang sample niini (~ 10 minutos), unya paghulat sa tibuok gabii alang sa Ni etching (~ 7200 minutos), (Lakang 2) Rinse sa deionized nga tubig (Lakang - 3) . ibutang sa deionized nga tubig o ibalhin ngadto sa target nga substrate (20 min). Ang tubig nga natanggong tali sa NGF ug ang bulk matrix gikuha pinaagi sa capillary action (gamit ang blotting paper)38, unya ang nahabilin nga mga tinulo sa tubig gikuha pinaagi sa natural nga pagpauga (gibana-bana nga 30 min), ug sa katapusan ang sample gipauga sa 10 min. min sa vacuum oven (10–1 mbar) sa 50–90 °C (60 min) 38.
Ang graphite nailhan nga makasugakod sa presensya sa tubig ug hangin sa medyo taas nga temperatura (≥ 200 °C)50,51,52. Gisulayan namo ang mga sampol gamit ang Raman spectroscopy, SEM, ug XRD human sa pagtipig sa deionized nga tubig sa temperatura sa lawak ug sa mga selyado nga botelya bisan asa gikan sa pipila ka adlaw ngadto sa usa ka tuig (Figure SI4). Walay mamatikdan nga pagkadaot. Ang Figure 2c nagpakita sa free-standing FS-NGF ug BS-NGF sa deionized nga tubig. Gikuha namo sila sa usa ka SiO2 (300 nm) / Si substrate, ingon sa gipakita sa sinugdanan sa Figure 2c. Dugang pa, sama sa gipakita sa Figure 2d,e, ang padayon nga NGF mahimong ibalhin sa lainlaing mga substrate sama sa polymers (Thermabright polyamide gikan sa Nexolve ug Nafion) ug carbon-coated nga bulawan nga papel. Ang naglutaw nga FS-NGF dali nga gibutang sa target nga substrate (Fig. 2c, d). Bisan pa, ang mga sampol sa BS-NGF nga mas dako pa sa 3 cm2 lisud dumalahon kung hingpit nga naunlod sa tubig. Kasagaran, sa diha nga sila magsugod sa pagligid sa tubig, tungod sa walay pagtagad nga pagdumala sila usahay mabuak ngadto sa duha o tulo ka bahin (Fig. 2e). Sa kinatibuk-an, nakahimo kami sa pagkab-ot sa polymer-free nga pagbalhin sa PS- ug BS-NGF (padayon nga seamless nga pagbalhin nga walay NGF / Ni / NGF nga pagtubo sa 6 cm2) alang sa mga sample hangtod sa 6 ug 3 cm2 sa lugar, matag usa. Ang bisan unsang nahabilin nga dagko o gagmay nga mga piraso mahimong (dali nga makita sa etching solution o deionized nga tubig) sa gusto nga substrate (~ 1 mm2, Figure SI4b, tan-awa ang sample nga gibalhin sa copper grid sama sa "FS-NGF: Structure and Properties (gihisgotan) ubos sa “Structure and Properties”) o tindahan para magamit sa umaabot (Figure SI4). Base sa kini nga sukdanan, among gibanabana nga ang NGF mahimong makuha sa abot nga hangtod sa 98-99% (pagkahuman sa pagtubo alang sa pagbalhin).
Ang pagbalhin sa mga sample nga walay polymer gisusi sa detalye. Ang nawong sa morphological nga mga kinaiya nga nakuha sa FS- ug BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 2c) gamit ang optical microscopy (OM) ug SEM nga mga hulagway (Fig. SI5 ug Fig. 3) nagpakita nga kini nga mga sample gibalhin nga walay microscopy. Makita nga kadaot sa istruktura sama sa mga liki, mga lungag, o mga lugar nga wala’y linukot. Ang mga pilo sa nagtubo nga NGF (Fig. 3b, d, gimarkahan sa purpura nga mga pana) nagpabilin nga wala'y labot human sa pagbalhin. Parehong FS- ug BS-NGFs gilangkuban sa mga rehiyon sa FLG (mahayag nga mga rehiyon nga gipakita sa asul nga mga pana sa Figure 3). Katingad-an, sukwahi sa pipila nga nadaot nga mga rehiyon nga kasagarang naobserbahan sa panahon sa pagbalhin sa polimer sa mga ultrathin graphite nga mga pelikula, daghang mga micron-sized nga FLG ug MLG nga mga rehiyon nga nagkonektar sa NGF (gimarkahan sa asul nga mga pana sa Figure 3d) gibalhin nga wala’y mga liki o pagkaguba (Figure 3d) . 3). . Ang mekanikal nga integridad dugang nga gipamatud-an gamit ang TEM ug SEM nga mga hulagway sa NGF nga gibalhin ngadto sa lace-carbon copper grids, ingon sa gihisgutan sa ulahi ("FS-NGF: Structure and Properties"). Ang gibalhin nga BS-NGF/SiO2/Si mas grabe kay sa FS-NGF/SiO2/Si nga adunay rms values nga 140 nm ug 17 nm, matag usa, sama sa gipakita sa Figure SI6a ug b (20 × 20 μm2). Ang kantidad sa RMS sa NGF nga gibalhin sa SiO2 / Si substrate (RMS <2 nm) labi ka ubos (mga 3 ka beses) kaysa sa NGF nga gipatubo sa Ni (Figure SI2), nga nagpaila nga ang dugang nga kabangis mahimong katumbas sa nawong sa Ni. Dugang pa, ang mga hulagway sa AFM nga gihimo sa mga ngilit sa FS- ug BS-NGF / SiO2 / Si nga mga sample nagpakita sa NGF nga gibag-on sa 100 ug 80 nm, matag usa (Fig. SI7). Ang mas gamay nga gibag-on sa BS-NGF mahimong resulta sa nawong nga dili direkta nga na-expose sa precursor gas.
Gibalhin nga NGF (NiAG) nga walay polymer sa SiO2 / Si wafer (tan-awa ang Figure 2c): (a, b) SEM nga mga hulagway sa gibalhin nga FS-NGF: ubos ug taas nga pagpadako (katugbang sa orange square sa panel). Kasagaran nga mga lugar) - a). (c, d) SEM nga mga hulagway sa gibalhin nga BS-NGF: ubos ug taas nga pagpadako (katugbang sa tipikal nga lugar nga gipakita sa orange square sa panel c). (e, f) AFM nga mga hulagway sa gibalhin nga FS- ug BS-NGFs. Ang asul nga arrow nagrepresentar sa rehiyon sa FLG - hayag nga kalainan, cyan arrow - itom nga kalainan sa MLG, pula nga arrow - itom nga kalainan nagrepresentar sa rehiyon sa NGF, ang magenta nga arrow nagrepresentar sa fold.
Ang kemikal nga komposisyon sa gipatubo ug gibalhin nga FS- ug BS-NGFs gisusi sa X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 4). Ang usa ka huyang nga peak nakita sa gisukod nga spectra (Fig. 4a, b), nga katumbas sa Ni substrate (850 eV) sa gipatubo nga FS- ug BS-NGFs (NiAG). Wala'y mga taluktok sa gisukod nga spectra sa gibalhin nga FS- ug BS-NGF / SiO2 / Si (Fig. 4c; ang susama nga mga resulta alang sa BS-NGF / SiO2 / Si wala gipakita), nga nagpakita nga walay nahabilin nga kontaminasyon sa Ni human sa pagbalhin . Ang mga numero 4d-f nagpakita sa taas nga resolusyon nga spectra sa C 1 s, O 1 s ug Si 2p nga lebel sa enerhiya sa FS-NGF / SiO2 / Si. Ang nagbugkos nga kusog sa C 1 s sa graphite mao ang 284.4 eV53.54. Ang linear nga porma sa graphite peak kasagarang giisip nga asymmetrical, sama sa gipakita sa Figure 4d54. Ang taas nga resolusyon nga core-level nga C 1 s spectrum (Fig. 4d) nagpamatuod usab sa puro nga pagbalhin (ie, walay polymer residues), nga nahiuyon sa nangaging mga pagtuon38. Ang linewidths sa C 1 s spectra sa bag-ong mitubo nga sample (NiAG) ug human sa pagbalhin mao ang 0.55 ug 0.62 eV, matag usa. Kini nga mga kantidad mas taas kaysa sa SLG (0.49 eV para sa SLG sa usa ka SiO2 substrate)38. Bisan pa, kini nga mga kantidad mas gamay kaysa sa nauna nga gitaho nga mga linewidth alang sa labi ka oriented nga pyrolytic graphene nga mga sample (~ 0.75 eV) 53,54,55, nga nagpaila sa pagkawala sa mga depekto nga carbon site sa karon nga materyal. Ang C 1 s ug O 1 s ground level spectra kulang usab sa mga abaga, nga nagwagtang sa panginahanglan alang sa taas nga resolusyon nga peak deconvolution54. Adunay π → π* satellite peak sa palibot sa 291.1 eV, nga sagad makita sa mga sample sa graphite. Ang 103 eV ug 532.5 eV signal sa Si 2p ug O 1 s core level spectra (tan-awa ang Fig. 4e, f) gipasangil sa SiO2 56 substrate, matag usa. Ang XPS usa ka teknik nga sensitibo sa nawong, busa ang mga signal nga katumbas sa Ni ug SiO2 nga nakit-an sa wala pa ug pagkahuman sa pagbalhin sa NGF, matag usa, gituohan nga gikan sa rehiyon sa FLG. Ang susamang mga resulta naobserbahan alang sa gibalhin nga mga sample sa BS-NGF (wala gipakita).
NiAG XPS resulta: (ac) Survey spectra sa lain-laing mga elemento atomic komposisyon sa mitubo FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni ug gibalhin FS-NGF/SiO2/Si, sa tinagsa. (d-f) High-resolution spectra sa core nga lebel C 1 s, O 1s ug Si 2p sa FS-NGF/SiO2/Si sample.
Ang kinatibuk-ang kalidad sa gibalhin nga NGF nga mga kristal gisusi gamit ang X-ray diffraction (XRD). Ang tipikal nga XRD patterns (Fig. SI8) sa gibalhin nga FS- ug BS-NGF/SiO2/Si nagpakita sa presensya sa diffraction peaks (0 0 0 2) ug (0 0 0 4) sa 26.6 ° ug 54.7 °, susama sa graphite. . Kini nagpamatuod sa taas nga kristal nga kalidad sa NGF ug katumbas sa usa ka interlayer nga distansya sa d = 0.335 nm, nga gipadayon human sa lakang sa pagbalhin. Ang intensity sa diffraction peak (0 0 0 2) mao ang gibana-bana nga 30 ka pilo sa diffraction peak (0 0 0 4), nga nagpakita nga ang NGF kristal nga ayroplano maayo aligned uban sa sample nawong.
Sumala sa mga resulta sa SEM, Raman spectroscopy, XPS ug XRD, ang kalidad sa BS-NGF/Ni nakit-an nga parehas sa FS-NGF/Ni, bisan tuod ang rms roughness niini mas taas og gamay (Figures SI2, SI5) ug SI7).
Ang mga SLG nga adunay polymer support layers hangtod sa 200 nm ang gibag-on mahimong molutaw sa tubig. Kini nga setup kasagarang gigamit sa polymer-assisted wet chemical transfer nga mga proseso22,38. Ang graphene ug graphite kay hydrophobic (basa nga anggulo 80–90°) 57 . Ang potensyal nga mga ibabaw sa enerhiya sa graphene ug FLG gikataho nga medyo patag, nga adunay ubos nga potensyal nga enerhiya (~1 kJ/mol) alang sa lateral nga paglihok sa tubig sa ibabaw58. Bisan pa, ang kalkulado nga mga kusog sa interaksyon sa tubig nga adunay graphene ug tulo ka mga layer sa graphene gibana-bana nga - 13 ug - 15 kJ / mol, 58 matag usa, nga nagpakita nga ang interaksyon sa tubig sa NGF (mga 300 nga layer) mas ubos kung itandi sa graphene. Mahimong usa kini sa mga rason nganong ang freestanding NGF nagpabiling patag sa ibabaw sa tubig, samtang ang freestanding graphene (nga naglutaw sa tubig) nagkulot ug naguba. Sa diha nga ang NGF hingpit nga naunlod sa tubig (ang mga resulta parehas alang sa bagis ug patag nga NGF), ang mga kilid niini moliko (Figure SI4). Sa kaso sa bug-os nga pagpaunlod, gilauman nga ang NGF-tubig interaksiyon enerhiya hapit doble (itandi sa naglutaw NGF) ug nga ang mga ngilit sa NGF pilo sa pagpadayon sa usa ka taas nga contact anggulo (hydrophobicity). Kami nagtuo nga ang mga estratehiya mahimong maugmad aron malikayan ang pagkulot sa mga ngilit sa mga naka-embed nga NGF. Ang usa ka paagi mao ang paggamit sa sinagol nga mga solvent aron modulate ang wetting reaction sa graphite film59.
Ang pagbalhin sa SLG ngadto sa lain-laing mga matang sa substrates pinaagi sa basa nga kemikal nga mga proseso sa pagbalhin kaniadto gitaho. Gidawat sa kadaghanan nga ang huyang nga mga pwersa sa van der Waals anaa sa taliwala sa mga graphene/graphite nga mga pelikula ug mga substrate (bisan kini nga gahi nga mga substrate sama sa SiO2 / Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillars22 ug lacy carbon films30, 34 o flexible substrates. sama sa polyimide 37). Dinhi atong gihunahuna nga ang mga interaksyon sa parehas nga tipo ang nangibabaw. Wala kami nakamatikod sa bisan unsang kadaot o pagpanit sa NGF alang sa bisan unsang mga substrate nga gipresentar dinhi sa panahon sa mekanikal nga pagdumala (sa panahon sa pag-ila ubos sa vacuum ug / o mga kondisyon sa atmospera o sa panahon sa pagtipig) (pananglitan, Figure 2, SI7 ug SI9). Dugang pa, wala namo makita ang usa ka SiC peak sa XPS C 1 s spectrum sa core level sa NGF / SiO2 / Si sample (Fig. 4). Kini nga mga resulta nagpakita nga walay kemikal nga bugkos tali sa NGF ug sa target nga substrate.
Sa miaging seksyon, "Polymer-free nga pagbalhin sa FS- ug BS-NGF," among gipakita nga ang NGF mahimong motubo ug mobalhin sa duha ka kilid sa nickel foil. Kini nga mga FS-NGFs ug BS-NGFs dili managsama sa mga termino sa kabangis sa nawong, nga nag-aghat kanamo sa pagsusi sa labing angay nga mga aplikasyon alang sa matag tipo.
Gikonsiderar ang transparency ug hapsay nga nawong sa FS-NGF, among gitun-an ang lokal nga istruktura, optical ug elektrikal nga mga kabtangan sa mas detalyado. Ang istruktura ug istruktura sa FS-NGF nga walay polymer transfer gihulagway pinaagi sa transmission electron microscopy (TEM) imaging ug pinili nga area electron diffraction (SAED) pattern analysis. Ang katugbang nga mga resulta gipakita sa Figure 5. Ang low magnification planar TEM imaging nagpadayag sa presensya sa NGF ug FLG nga mga rehiyon nga adunay lain-laing mga electron contrast nga mga kinaiya, ie mas ngitngit ug mas hayag nga mga lugar, matag usa (Fig. 5a). Ang pelikula sa kinatibuk-an nagpakita sa maayo nga mekanikal nga integridad ug kalig-on tali sa lain-laing mga rehiyon sa NGF ug FLG, nga adunay maayo nga pagsapaw ug walay kadaot o pagkagisi, nga gipamatud-an usab sa SEM (Figure 3) ug taas nga pagpadako sa TEM nga mga pagtuon (Figure 5c-e). Sa partikular, sa Fig. Ang Figure 5d nagpakita sa istruktura sa tulay sa kinadak-ang bahin niini (ang posisyon nga gimarkahan sa itom nga tuldok nga arrow sa Figure 5d), nga gihulagway sa usa ka triangular nga porma ug naglangkob sa usa ka graphene layer nga adunay gilapdon nga mga 51. Ang komposisyon nga adunay interplanar nga gilay-on nga 0.33 ± 0.01 nm dugang nga pagkunhod sa daghang mga layer sa graphene sa labing pig-ot nga rehiyon (katapusan sa solid nga itom nga arrow sa Figure 5 d).
Planar TEM nga hulagway sa usa ka polymer-free NiAG sample sa carbon lacy copper grid: (a, b) Low magnification TEM images lakip na ang NGF ug FLG regions, (ce) High magnification images sa lain-laing mga rehiyon sa panel-a ug panel-b gimarkahan nga mga pana sa parehas nga kolor. Ang berde nga mga pana sa mga panel a ug c nagpaila sa mga lingin nga lugar sa kadaot sa panahon sa pag-align sa beam. (f-i) Sa mga panel a hangtod c, ang mga pattern sa SAED sa lainlaing mga rehiyon gipakita sa asul, cyan, orange, ug pula nga mga lingin, matag usa.
Ang istruktura sa ribbon sa Figure 5c nagpakita (gimarkahan sa pula nga arrow) ang bertikal nga orientasyon sa mga graphite lattice nga mga eroplano, nga mahimo’g tungod sa pagporma sa mga nanofolds ubay sa pelikula (inset sa Figure 5c) tungod sa sobra nga wala’y bayad nga shear stress30,61,62 . Ubos sa high-resolution nga TEM, kini nga mga nanofolds 30 nagpakita sa usa ka lahi nga crystallographic orientation kay sa ubang bahin sa NGF nga rehiyon; ang basal nga mga eroplano sa graphite lattice gipunting nga halos patindog, kay sa pinahigda sama sa nahabilin nga pelikula (inset sa Figure 5c). Sa susama, ang rehiyon sa FLG usahay nagpakita sa linear ug pig-ot nga band-like folds (gimarkahan sa asul nga mga arrow), nga makita sa ubos ug medium nga pagpadako sa Figures 5b, 5e, matag usa. Ang inset sa Figure 5e nagpamatuod sa presensya sa duha-ug tulo-ka-layer nga graphene layers sa FLG sector (interplanar distance 0.33 ± 0.01 nm), nga uyon sa among naunang mga resulta30. Dugang pa, ang natala nga SEM nga mga imahe sa polymer-free NGF nga gibalhin ngadto sa copper grids nga adunay lacy carbon films (human sa paghimo sa top-view nga TEM measurements) gipakita sa Figure SI9. Ang maayo nga gisuspinde nga rehiyon sa FLG (gimarkahan og asul nga arrow) ug ang nabuak nga rehiyon sa Figure SI9f. Ang asul nga pana (sa ngilit sa gibalhin nga NGF) gituyo nga gipresentar aron ipakita nga ang rehiyon sa FLG makasukol sa proseso sa pagbalhin nga wala’y polimer. Sa katingbanan, kini nga mga imahe nagpamatuod nga ang partially gisuspinde nga NGF (lakip ang rehiyon sa FLG) nagmintinar sa mekanikal nga integridad bisan human sa higpit nga pagdumala ug pagkaladlad sa taas nga vacuum sa panahon sa pagsukod sa TEM ug SEM (Figure SI9).
Tungod sa maayo kaayo nga flatness sa NGF (tan-awa ang Figure 5a), dili lisud ang pag-orient sa mga flakes ubay sa [0001] domain axis aron ma-analisar ang istruktura sa SAED. Depende sa lokal nga gibag-on sa pelikula ug sa lokasyon niini, daghang mga rehiyon sa interes (12 puntos) ang giila alang sa mga pagtuon sa electron diffraction. Sa Mga Figure 5a–c, upat niining kasagarang mga rehiyon ang gipakita ug gimarkahan og mga kolor nga mga lingin (asul, cyan, orange, ug pula nga coded). Mga numero 2 ug 3 para sa SAED mode. Ang mga numero 5f ug g nakuha gikan sa rehiyon sa FLG nga gipakita sa Mga Figure 5 ug 5. Ingon sa gipakita sa Mga Figure 5b ug c, matag usa. Adunay sila usa ka hexagonal nga istruktura nga susama sa twisted graphene63. Sa partikular, ang Figure 5f nagpakita sa tulo ka mga superimposed nga mga pattern nga adunay parehas nga oryentasyon sa [0001] zone axis, gipatuyok sa 10 ° ug 20 °, ingon nga gipakita sa angular mismatch sa tulo ka parisan sa (10-10) nga mga pagpamalandong. Sa susama, ang Figure 5g nagpakita sa duha ka superimposed hexagonal patterns nga gituyok sa 20°. Duha o tulo ka grupo sa hexagonal nga mga pattern sa rehiyon sa FLG mahimong mutungha gikan sa tulo ka in-plane o out-of-plane graphene layers 33 nga gituyok relate sa usag usa. Sa kasukwahi, ang electron diffraction patterns sa Figure 5h,i (katumbas sa NGF nga rehiyon nga gipakita sa Figure 5a) nagpakita sa usa ka [0001] pattern nga adunay kinatibuk-ang mas taas nga point diffraction intensity, nga katumbas sa mas dako nga gibag-on sa materyal. Kini nga mga modelo sa SAED katumbas sa usa ka mas baga nga graphitic nga istruktura ug intermediate nga oryentasyon kaysa FLG, ingon nga nahibal-an gikan sa index 64. Ang kinaiya sa mga kristal nga kabtangan sa NGF nagpadayag sa coexistence sa duha o tulo ka superimposed graphite (o graphene) crystallites. Ang labi nga mamatikdan sa rehiyon sa FLG mao nga ang mga kristal adunay usa ka piho nga lebel sa in-plane o out-of-plane misorientation. Ang mga partikulo sa graphite / mga sapaw nga adunay mga anggulo sa rotation sa eroplano nga 17 °, 22 ° ug 25 ° kaniadto gitaho alang sa NGF nga gipatubo sa Ni 64 nga mga pelikula. Ang mga kantidad sa anggulo sa rotation nga naobserbahan sa kini nga pagtuon nahiuyon sa naobserbahan kaniadto nga mga anggulo sa rotation (± 1 °) alang sa twisted BLG63 graphene.
Ang mga elektrikal nga kabtangan sa NGF / SiO2 / Si gisukod sa 300 K sa usa ka lugar nga 10 × 3 mm2. Ang mga kantidad sa konsentrasyon sa electron carrier, paglihok ug conductivity mao ang 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 ug 2000 S-cm-1, matag usa. Ang mobility ug conductivity values sa atong NGF susama sa natural graphite2 ug mas taas kay sa commercially available nga highly oriented pyrolytic graphite (produced sa 3000 °C)29. Ang naobserbahan nga electron carrier concentration values duha ka order sa magnitude nga mas taas kay sa bag-o lang gitaho (7.25 × 10 cm-3) alang sa micron-thick graphite films nga giandam gamit ang high-temperature (3200 °C) polyimide sheets 20 .
Gihimo usab namo ang UV-visible transmittance measurements sa FS-NGF nga gibalhin ngadto sa quartz substrates (Figure 6). Ang resulta nga spectrum nagpakita sa usa ka halos kanunay nga transmittance sa 62% sa range 350-800 nm, nagpakita nga ang NGF translucent sa makita nga kahayag. Sa tinuud, ang ngalan nga "KAUST" makita sa digital nga litrato sa sample sa Figure 6b. Bisan kung ang nanocrystalline nga istruktura sa NGF lahi sa SLG, ang gidaghanon sa mga layer mahimong mabanabana gamit ang lagda nga 2.3% nga pagkawala sa transmission matag dugang nga layer65. Sumala niini nga relasyon, ang gidaghanon sa mga graphene layer nga adunay 38% transmission loss mao ang 21. Ang gipatubo nga NGF kasagaran naglangkob sa 300 graphene layers, ie mga 100 nm ang gibag-on (Fig. 1, SI5 ug SI7). Busa, atong gihunahuna nga ang nakita nga optical transparency katumbas sa FLG ug MLG nga mga rehiyon, tungod kay kini gipang-apod-apod sa tibuok pelikula (Fig. 1, 3, 5 ug 6c). Gawas pa sa mga datos sa istruktura sa ibabaw, ang conductivity ug transparency usab nagpamatuod sa taas nga kristal nga kalidad sa gibalhin nga NGF.
(a) UV-visible transmittance measurement, (b) tipikal nga NGF nga pagbalhin sa quartz gamit ang usa ka representante nga sample. (c) Schematic sa NGF (dark box) nga adunay parehas nga gipang-apod-apod nga FLG ug MLG nga mga rehiyon nga gimarkahan isip gray nga random nga mga porma sa tibuok sample (tan-awa ang Figure 1) (gibana-bana nga 0.1-3% nga lugar kada 100 μm2). Ang random nga mga porma ug ang ilang mga gidak-on sa diagram kay para sa mga katuyoan sa paghulagway lamang ug dili katumbas sa aktuwal nga mga lugar.
Ang translucent NGF nga gipatubo sa CVD kaniadto gibalhin ngadto sa hubo nga silicon surfaces ug gigamit sa solar cells15,16. Ang resulta nga power conversion efficiency (PCE) kay 1.5%. Kini nga mga NGF naghimo sa daghang mga gimbuhaton sama sa aktibo nga mga layer sa compound, mga agianan sa transportasyon sa bayad, ug mga transparent nga electrodes15,16. Bisan pa, ang graphite film dili parehas. Ang dugang nga pag-optimize gikinahanglan pinaagi sa mabinantayon nga pagkontrol sa sheet resistance ug optical transmittance sa graphite electrode, tungod kay kining duha ka mga kabtangan adunay importante nga papel sa pagtino sa bili sa PCE sa solar cell15,16. Kasagaran, ang graphene nga mga pelikula kay 97.7% nga transparent sa makita nga kahayag, apan adunay sheet resistance nga 200–3000 ohms/sq.16. Ang resistensya sa nawong sa mga graphene film mahimong mapakunhod pinaagi sa pagdugang sa gidaghanon sa mga layer (multiple transfer of graphene layers) ug doping nga adunay HNO3 (~ 30 Ohm/sq.)66. Bisan pa, kini nga proseso nagkinahanglag taas nga panahon ug ang lainlaing mga layer sa pagbalhin dili kanunay nga maayo nga kontak. Ang among front side NGF adunay mga kabtangan sama sa conductivity 2000 S/cm, film sheet resistance 50 ohm/sq. ug 62% transparency, nga naghimo niini nga usa ka praktikal nga alternatibo alang sa conductive channels o counter electrodes sa solar cells15,16.
Bisan kung ang istruktura ug kemistriya sa nawong sa BS-NGF parehas sa FS-NGF, lahi ang kabangis niini ("Pagtubo sa FS- ug BS-NGF"). Kaniadto, gigamit namon ang ultra-thin film graphite22 ingon usa ka sensor sa gas. Busa, among gisulayan ang posibilidad sa paggamit sa BS-NGF alang sa gas sensing nga mga buluhaton (Figure SI10). Una, ang mm2-kadako nga mga bahin sa BS-NGF gibalhin ngadto sa interdigitating electrode sensor chip (Figure SI10a-c). Ang mga detalye sa paggama sa chip gikataho kaniadto; ang aktibo nga sensitibo nga lugar mao ang 9 mm267. Sa mga imahe sa SEM (Figure SI10b ug c), ang nagpahiping bulawan nga electrode klaro nga makita pinaagi sa NGF. Pag-usab, makita nga ang uniporme nga pagsakup sa chip nakab-ot alang sa tanan nga mga sample. Ang mga sukod sa sensor sa gas sa lainlaing mga gas natala (Fig. SI10d) (Fig. SI11) ug ang resulta nga mga rate sa pagtubag gipakita sa Fig. SI10g. Lagmit sa ubang mga makabalda nga gas lakip ang SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) ug NH3 (200 ppm). Usa ka posibleng hinungdan mao ang NO2. electrophilic nga kinaiya sa gas22,68. Sa diha nga adsorbed sa ibabaw sa graphene, kini pagkunhod sa kasamtangan nga pagsuyup sa mga electron sa sistema. Ang pagtandi sa datos sa oras sa pagtubag sa sensor sa BS-NGF nga adunay mga gipatik nga sensor kaniadto gipresentar sa Talaan SI2. Ang mekanismo alang sa pagpaaktibo pag-usab sa NGF sensors gamit ang UV plasma, O3 plasma o thermal (50-150°C) nga pagtambal sa nabutyag nga mga sample nagpadayon, maayo nga gisundan sa pagpatuman sa embedded systems69.
Atol sa proseso sa CVD, ang pagtubo sa graphene mahitabo sa duha ka kilid sa catalyst substrate41. Bisan pa, ang BS-graphene kasagarang ipagawas sa panahon sa proseso sa pagbalhin41. Sa kini nga pagtuon, gipakita namon nga ang taas nga kalidad nga pagtubo sa NGF ug ang pagbalhin sa NGF nga wala’y polimer mahimong makab-ot sa duha ka kilid sa suporta sa katalista. Ang BS-NGF mas manipis (~ 80 nm) kay sa FS-NGF (~ 100 nm), ug kini nga kalainan gipatin-aw sa kamatuoran nga ang BS-Ni dili direkta nga gibutyag sa nag-una nga pag-agos sa gas. Nakaplagan usab namo nga ang kabangis sa substrate sa NiAR nag-impluwensya sa kabangis sa NGF. Kini nga mga resulta nagpakita nga ang gipatubo nga planar FS-NGF mahimong gamiton isip usa ka materyal nga pasiuna alang sa graphene (pinaagi sa exfoliation method70) o isip usa ka conductive channel sa solar cells15,16. Sa kasukwahi, ang BS-NGF gamiton alang sa gas detection (Fig. SI9) ug posible alang sa energy storage systems71,72 diin ang iyang pagkagapas sa ibabaw mahimong mapuslanon.
Sa pagkonsiderar sa ibabaw, mapuslanon ang pagkombinar sa kasamtangan nga trabaho sa mga naunang gipatik nga graphite nga mga pelikula nga gipatubo sa CVD ug gamit ang nickel foil. Sama sa makita sa Table 2, ang mas taas nga pressure nga among gigamit nagpamubo sa oras sa reaksyon (growth stage) bisan sa medyo ubos nga temperatura (sa range nga 850–1300 °C). Nakab-ot usab namo ang mas dako nga pag-uswag kay sa naandan, nga nagpakita sa potensyal sa pagpalapad. Adunay ubang mga hinungdan nga tagdon, ang pipila niini among gilakip sa lamesa.
Ang doble nga bahin nga taas nga kalidad nga NGF gipatubo sa nickel foil pinaagi sa catalytic CVD. Pinaagi sa pagwagtang sa tradisyonal nga polymer substrates (sama sa gigamit sa CVD graphene), atong makab-ot ang limpyo ug walay depekto nga basa nga pagbalhin sa NGF (gitubo sa likod ug atubangan nga mga kilid sa nickel foil) ngadto sa lain-laing mga proseso nga kritikal nga mga substrate. Ilabi na, ang NGF naglakip sa FLG ug MLG nga mga rehiyon (kasagaran 0.1% ngadto sa 3% kada 100 µm2) nga maayo nga pagka-integrate ngadto sa mas baga nga pelikula. Gipakita sa Planar TEM nga kini nga mga rehiyon gilangkoban sa mga stack sa duha ngadto sa tulo ka graphite/graphene nga mga partikulo (mga kristal o mga layer, matag usa), ang uban niini adunay rotational mismatch nga 10-20°. Ang mga rehiyon sa FLG ug MLG maoy responsable sa transparency sa FS-NGF ngadto sa makita nga kahayag. Sama sa alang sa likod nga mga palid, kini mahimo nga dad-on parallel sa atubangan sheets ug, ingon sa gipakita, mahimong adunay usa ka functional nga katuyoan (pananglitan, alang sa gas detection). Kini nga mga pagtuon mapuslanon kaayo alang sa pagkunhod sa mga basura ug mga gasto sa mga proseso sa CVD nga scale sa industriya.
Sa kinatibuk-an, ang kasagaran nga gibag-on sa CVD NGF anaa sa taliwala sa (ubos ug multi-layer) graphene ug industriyal (micrometer) graphite sheets. Ang lainlain sa ilang makapaikag nga mga kabtangan, inubanan sa yano nga pamaagi nga among gihimo alang sa ilang produksiyon ug transportasyon, naghimo sa kini nga mga pelikula nga labi ka angay alang sa mga aplikasyon nga nanginahanglan sa pag-andar nga tubag sa graphite, nga wala’y gasto sa mga proseso sa produksiyon sa industriya nga kusog sa enerhiya nga gigamit karon.
Usa ka 25-μm-baga nga nickel foil (99.5% nga kaputli, Goodfellow) gi-install sa usa ka komersyal nga CVD reactor (Aixtron 4-pulgada BMPro). Ang sistema gipurga sa argon ug gibakwit sa base pressure nga 10-3 mbar. Dayon gibutang ang nickel foil. sa Ar / H2 (Human sa pre-annealing sa Ni foil alang sa 5 min, ang foil nabutyag sa usa ka pressure sa 500 mbar sa 900 ° C. NGF gibutang sa usa ka dagan sa CH4 / H2 (100 cm3 matag usa) alang sa 5 min. Ang sample gipabugnaw sa temperatura ubos sa 700 °C gamit ang Ar flow (4000 cm3) sa 40 °C/min Ang mga detalye sa pag-optimize sa proseso sa pagtubo sa NGF gihulagway sa ubang dapit30.
Ang ibabaw nga morphology sa sample makita sa SEM gamit ang Zeiss Merlin microscope (1 kV, 50 pA). Ang sample surface roughness ug NGF gibag-on gisukod gamit ang AFM (Dimension Icon SPM, Bruker). Ang TEM ug SAED nga mga pagsukod gihimo gamit ang FEI Titan 80-300 Cubed microscope nga adunay taas nga kahayag sa field emission gun (300 kV), usa ka FEI Wien type monochromator ug usa ka CEOS lens spherical aberration corrector aron makuha ang katapusang mga resulta. spatial nga resolusyon 0.09 nm. Ang mga sample sa NGF gibalhin sa carbon lacy coated copper grids para sa flat TEM imaging ug SAED structure analysis. Sa ingon, kadaghanan sa mga sample nga floc gisuspinde sa mga pores sa pagsuporta sa lamad. Ang gibalhin nga mga sample sa NGF gisusi sa XRD. Ang X-ray diffraction patterns nakuha gamit ang powder diffractometer (Brucker, D2 phase shifter nga adunay Cu Kα source, 1.5418 Å ug LYNXEYE detector) gamit ang Cu radiation source nga adunay beam spot diameter nga 3 mm.
Daghang Raman point measurements ang natala gamit ang integrating confocal microscope (Alpha 300 RA, WITeC). Ang usa ka 532 nm laser nga adunay ubos nga gahum sa pagpukaw (25%) gigamit aron malikayan ang mga epekto sa thermally. Ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) gihimo sa usa ka Kratos Axis Ultra spectrometer sa usa ka sample area nga 300 × 700 μm2 gamit ang monochromatic Al Kα radiation (hν = 1486.6 eV) sa gahum nga 150 W. Resolution spectra nakuha sa transmission kusog sa 160 eV ug 20 eV, sa tinagsa. Ang mga sample sa NGF nga gibalhin ngadto sa SiO2 giputol sa mga piraso (3 × 10 mm2 matag usa) gamit ang PLS6MW (1.06 μm) ytterbium fiber laser sa 30 W. Ang mga kontak sa copper wire (50 μm ang gibag-on) gihimo gamit ang silver paste ubos sa optical microscope. Ang mga eksperimento sa elektrikal nga transportasyon ug epekto sa Hall gihimo sa kini nga mga sample sa 300 K ug usa ka pagbag-o sa magnetic field sa ± 9 Tesla sa usa ka sistema sa pagsukod sa pisikal nga mga kabtangan (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA). Ang gipasa nga UV-vis spectra girekord gamit ang Lambda 950 UV-vis spectrophotometer sa 350-800 nm NGF range nga gibalhin ngadto sa quartz substrates ug quartz reference samples.
Ang chemical resistance sensor (interdigitated electrode chip) kay wired sa custom printed circuit board 73 ug ang resistensya gikuha dayon. Ang giimprinta nga circuit board diin nahimutang ang aparato konektado sa mga terminal sa kontak ug gibutang sa sulod sa gas sensing chamber 74. Ang mga pagsukod sa resistensya gikuha sa usa ka boltahe nga 1 V nga adunay padayon nga pag-scan gikan sa paglimpyo hangtod sa pagkaladlad sa gas ug dayon paglimpyo pag-usab. Ang lawak una nga gilimpyohan pinaagi sa pagpurga sa nitroheno sa 200 cm3 sulod sa 1 ka oras aron maseguro nga matangtang ang tanang ubang analyte nga anaa sa lawak, lakip ang kaumog. Ang tagsa-tagsa nga mga analyte dayon hinayhinay nga gibuhian ngadto sa lawak sa samang dagan sa 200 cm3 pinaagi sa pagsira sa N2 cylinder.
Ang usa ka giusab nga bersyon niini nga artikulo gimantala ug mahimong ma-access pinaagi sa link sa ibabaw sa artikulo.
Inagaki, M. ug Kang, F. Carbon Materials Science and Engineering: Fundamentals. Gi-edit ang ikaduhang edisyon. 2014. 542.
Pearson, HO Handbook sa Carbon, Graphite, Diamond ug Fullerenes: Properties, Pagproseso ug Aplikasyon. Ang unang edisyon gi-edit na. 1994, New Jersey.
Tsai, W. ug uban pa. Dagkong lugar nga multilayer graphene/graphite nga mga pelikula isip transparent thin conductive electrodes. aplikasyon. pisika. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Thermal nga mga kabtangan sa graphene ug nanostructured carbon nga mga materyales. Si Nat. Si Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW ug Cahill DG Thermal conductivity sa graphite films nga gipatubo sa Ni (111) pinaagi sa ubos nga temperatura nga kemikal nga alisngaw nga deposition. adverbio. Si Matt. Interface 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Padayon nga pagtubo sa graphene films pinaagi sa kemikal nga alisngaw deposition. aplikasyon. pisika. Wright. 98(13), 133106(2011).
Oras sa pag-post: Aug-23-2024