Nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS-ийн дэмжлэгтэй байна. Хамгийн сайн үр дүнд хүрэхийн тулд хөтчийнхөө шинэ хувилбарыг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд байнгын дэмжлэг үзүүлэхийн тулд бид сайтыг загварчлал эсвэл JavaScriptгүйгээр харуулж байна.
Нано хэмжээст графит хальс (NGFs) нь катализаторын химийн уурын хуримтлалаар гаргаж авах боломжтой бат бөх наноматериалууд боловч тэдгээрийг шилжүүлэх хялбар байдал, гадаргуугийн морфологи нь дараагийн үеийн төхөөрөмжүүдэд ашиглахад хэрхэн нөлөөлдөг талаар асуултууд хэвээр байна. Энд бид поликристал никель тугалган цаасны хоёр талд (55 см2 талбайтай, 100 нм орчим зузаантай) NGF-ийн өсөлт ба полимергүй шилжилтийг (урд болон ар тал, 6 см2 хүртэл талбай) мэдээлэв. Катализаторын тугалган цаасны морфологийн улмаас хоёр нүүрстөрөгчийн хальс нь физик шинж чанар болон бусад шинж чанараараа (гадаргуугийн барзгар байдал гэх мэт) ялгаатай байдаг. Илүү барзгар арын талтай NGF нь NO2 илрүүлэхэд тохиромжтой, харин урд талдаа гөлгөр, илүү дамжуулагч NGF (2000 S/см, хуудасны эсэргүүцэл - 50 Ом/м2) нь амьдрах чадвартай дамжуулагч байж болохыг бид харуулж байна. нарны зайны суваг эсвэл электрод (үзэгдэх гэрлийн 62% -ийг дамжуулдаг тул). Ерөнхийдөө тайлбарласан өсөлт, тээвэрлэлтийн үйл явц нь NGF-ийг графен болон микрон зузаантай бал чулууны хальс нь тохиромжгүй технологийн хэрэглээнд өөр нүүрстөрөгчийн материал болгон ашиглахад тусална.
Графит бол үйлдвэрлэлийн өргөн хэрэглэгддэг материал юм. Бал чулуу нь харьцангуй бага нягтралтай, дулаан, цахилгаан дамжуулах өндөр чадвартай, дулаан, химийн хатуу орчинд маш тогтвортой байдаг1,2. Ширхэг графит нь графений судалгааны хамгийн алдартай материал юм3. Нимгэн хальс болгон боловсруулахдаа ухаалаг гар утас4,5,6,7 зэрэг электрон төхөөрөмжүүдийн дулаан шингээгч, мэдрэгч8,9,10-ын идэвхтэй материал болон цахилгаан соронзон хөндлөнгийн хамгаалалт11 зэрэг өргөн хүрээний хэрэглээнд ашиглаж болно. 12 ба хэт ягаан туяанд литографийн хальс13,14, нарны эсүүд дэх дамжуулагч суваг15,16. Эдгээр бүх хэрэглээний хувьд нано хэмжээстээс бага 100 нм-ээс багагүй зузаантай графит хальс (NGF)-ийн том талбайг хялбархан үйлдвэрлэж, тээвэрлэх боломжтой бол ихээхэн давуу тал болно.
Графит хальсыг янз бүрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. Нэг тохиолдолд графены ширхэгийг үйлдвэрлэхэд суулгаж, өргөтгөж, дараа нь гуужуулагчийг ашигласан. Хайрсыг шаардлагатай зузаантай хальс болгон боловсруулж, өтгөн бал чулуу үйлдвэрлэхэд ихэвчлэн хэдэн өдөр шаардагддаг. Өөр нэг арга бол график дүрслэх боломжтой хатуу прекурсоруудаас эхлэх явдал юм. Аж үйлдвэрт полимер хавтанг нүүрстөрөгчжүүлж (1000-1500 ° C-т), дараа нь графитжуулж (2800-3200 ° C-д) сайн бүтэцтэй давхаргатай материал үүсгэдэг. Хэдийгээр эдгээр хальсны чанар өндөр боловч эрчим хүчний зарцуулалт ихээхэн ач холбогдолтой1,18,19, хамгийн бага зузаан нь хэдхэн микрон1,18,19,20-оор хязгаарлагддаг.
Каталитик химийн уурын хуримтлал (CVD) нь өндөр бүтцийн чанар, боломжийн өртөг бүхий графен болон хэт нимгэн графит хальс (<10 нм) үйлдвэрлэх алдартай арга юм21,22,23,24,25,26,27. Гэсэн хэдий ч графен болон хэт нимгэн графит хальсны өсөлттэй харьцуулахад28 том талбайн өсөлт ба/эсвэл NGF-ийн CVD ашиглан хэрэглээ нь бүр бага судлагдсан байна11,13,29,30,31,32,33.
CVD-ээр ургуулсан графен болон бал чулууны хальсыг ихэвчлэн функциональ субстрат руу шилжүүлэх шаардлагатай байдаг34. Эдгээр нимгэн хальс дамжуулалт нь үндсэн хоёр аргыг агуулдаг35: (1) сийлбэргүй дамжуулалт36,37 ба (2) сийлбэр дээр суурилсан нойтон химийн дамжуулалт (субстратыг дэмждэг)14,34,38. Арга тус бүр нь зарим давуу болон сул талуудтай бөгөөд өөр газар тайлбарласны дагуу зориулалтын дагуу сонгох ёстой35,39. Каталитик субстрат дээр ургасан графен/графит хальсны хувьд нойтон химийн процессоор дамжуулж (үүнээс полиметилметакрилат (PMMA) хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг тулгуур давхарга) нь эхний сонголт хэвээр байна13,30,34,38,40,41,42. Та нар. NGF шилжүүлэхэд полимер ашиглаагүй (түүний хэмжээ ойролцоогоор 4 см2) 25,43 гэж дурьдсан боловч дээжийн тогтвортой байдал ба/эсвэл дамжуулах явцад харьцах талаар дэлгэрэнгүй мэдээлэл өгөөгүй; Полимер ашиглан нойтон химийн процессууд нь тахилын полимер давхаргыг хэрэглэх, дараа нь зайлуулах зэрэг хэд хэдэн үе шатаас бүрдэнэ30,38,40,41,42. Энэ процесс нь сул талуудтай: жишээлбэл, полимер үлдэгдэл нь ургасан хальсны шинж чанарыг өөрчлөх боломжтой38. Нэмэлт боловсруулалт нь үлдэгдэл полимерийг арилгах боломжтой боловч эдгээр нэмэлт алхмууд нь кино үйлдвэрлэх зардал, цаг хугацааг нэмэгдүүлдэг38,40. ЗСӨ-ийн өсөлтийн үед графены давхарга нь катализаторын тугалган цаасны урд талд (уурын урсгал руу харсан тал) төдийгүй түүний арын хэсэгт хуримтлагддаг. Гэсэн хэдий ч сүүлийнх нь хаягдал бүтээгдэхүүн гэж тооцогддог бөгөөд зөөлөн плазмаар хурдан арилдаг38,41. Энэ хальсыг дахин боловсруулах нь нүүрэн талын нүүрстөрөгчийн хальснаас доогуур чанартай байсан ч ургацыг нэмэгдүүлэхэд тусална.
Энд бид CVD-ээр поликристал никель тугалган цаасан дээр өндөр бүтцийн чанартай NGF-ийн хоёр талт ургалтыг бэлтгэсэн тухай мэдээлж байна. Тугалган цаасны урд болон арын гадаргуугийн барзгар байдал нь NGF-ийн морфологи, бүтцэд хэрхэн нөлөөлж байгааг үнэлэв. Мөн бид никель тугалган цаасны хоёр талаас NGF-ийг эдийн засгийн хувьд хэмнэлттэй, байгаль орчинд ээлтэй полимергүйгээр олон үйлдэлт субстрат руу шилжүүлж, урд болон арын хальс нь янз бүрийн хэрэглээнд хэрхэн тохиромжтой болохыг харуулж байна.
Дараах хэсгүүдэд давхарласан графины давхаргын тооноос хамааран өөр өөр графит хальсны зузааныг авч үзэх болно: (i) нэг давхаргат графен (SLG, 1 давхарга), (ii) цөөн давхаргат графен (FLG, < 10 давхарга), (iii) олон давхаргат графен ( MLG, 10-30 давхарга) ба (iv) NGF (~300 давхарга). Сүүлийнх нь талбайн хувиар илэрхийлсэн хамгийн түгээмэл зузаан юм (100 мкм2 талбайд ойролцоогоор 97% талбай)30. Тийм ч учраас бүхэл бүтэн киног энгийнээр NGF гэж нэрлэдэг.
Графен болон бал чулууны хальсыг нийлэгжүүлэхэд ашигладаг поликристал никель тугалган цаас нь тэдгээрийг үйлдвэрлэх болон дараагийн боловсруулалтын үр дүнд өөр өөр бүтэцтэй байдаг. Бид саяхан NGF30-ийн өсөлтийн процессыг оновчтой болгох судалгааг мэдээлсэн. Нэг төрлийн зузаантай NGF-ийг олж авахад ургалтын үе шат дахь хатаах хугацаа, камерын даралт зэрэг процессын параметрүүд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг бид харуулж байна. Энд бид никель тугалган цаасны өнгөлсөн урд (FS) болон өнгөлгөөгүй арын (BS) гадаргуу дээрх NGF-ийн өсөлтийг цаашид судалсан (Зураг 1a). Гурван төрлийн FS болон BS дээжийг шалгасан бөгөөд тэдгээрийг Хүснэгт 1-д жагсаав. Харааны үзлэгээр никель тугалган цаасны (NiAG) хоёр талд NGF жигд ургаж байгаа нь шинж чанар бүхий металл мөнгөнөөс их хэмжээний Ni субстратын өнгө өөрчлөгдөж байгааг харж болно. сааралаас царцсан саарал өнгөтэй (Зураг 1а); бичил харуурын хэмжилтийг баталгаажуулсан (Зураг 1б, в). Гэрэлт бүсэд ажиглагдсан FS-NGF-ийн ердийн Раман спектрийг Зураг 1b-д улаан, цэнхэр, улбар шар өнгийн сумаар харуулсан зураг 1в-д үзүүлэв. Графит G (1683 см−1) ба 2D (2696 см−1)-ийн онцлог Раман оргилууд нь өндөр талстлаг NGF-ийн өсөлтийг баталж байна (Зураг 1c, Хүснэгт SI1). Киноны туршид эрчмийн харьцаа (I2D/IG) ~0.3-тай Раманы спектрийн давамгайлал ажиглагдсан бол I2D/IG = 0.8-тай Раманы спектр ховор ажиглагдсан. Бүх хальсанд гэмтэлтэй оргил (D = 1350 см-1) байхгүй байгаа нь NGF өсөлтийн өндөр чанарыг харуулж байна. BS-NGF дээж дээр ижил төстэй Раманы үр дүнг авсан (Зураг SI1 a ба b, Хүснэгт SI1).
NiAG FS- ба BS-NGF-ийн харьцуулалт: (a) Өргөст хэмх (55 см2) дээр NGF өсөлтийг харуулсан ердийн NGF (NiAG) дээжийн гэрэл зураг ба BS- ба FS-Ni тугалган дээж, (б) FS-NGF Оптик микроскопоор авсан зураг/ Ni, (в) b самбарт өөр өөр байрлалд бүртгэгдсэн ердийн Раманы спектр, (d, f) FS-NGF/Ni дээрх өөр өөр томруулсан SEM зураг, (e, g) өөр өөр томруулсан SEM зураг BS -NGF/Ni тохируулна. Цэнхэр сум нь FLG бүсийг, улбар шар сум нь MLG бүсийг (FLG бүсийн ойролцоо), улаан сум нь NGF бүсийг, ягаан өнгийн сум нь нугалаа заана.
Өсөлт нь анхдагч субстратын зузаан, талст хэмжээ, чиг баримжаа, үр тарианы хил хязгаараас хамаардаг тул том талбайн NGF-ийн зузааныг зохистой хянах нь бэрхшээлтэй хэвээр байна20,34,44. Энэхүү судалгаанд бидний өмнө нь нийтэлсэн агуулгыг ашигласан30. Энэ процесс нь 100 μm230 тутамд 0.1-3% гэрэлтсэн хэсгийг үүсгэдэг. Дараах хэсгүүдэд бид хоёр төрлийн бүс нутгийн үр дүнг танилцуулж байна. Өндөр томруулсан SEM зураг нь хоёр тал дээр хэд хэдэн тод тодосгогч хэсгүүд байгааг харуулж байна (Зураг 1f,g) нь FLG болон MLG бүсүүд байгааг харуулж байна30,45. Үүнийг мөн Раман сарнилт (Зураг 1в) болон TEM-ийн үр дүн ("FS-NGF: бүтэц, шинж чанар" хэсэгт дараа авч үзнэ) баталсан. FS- болон BS-NGF/Ni дээж дээр ажиглагдсан FLG болон MLG бүсүүд (Ni дээр ургасан урд болон хойд NGF) нь урьдчилан аннеяци хийх явцад үүссэн том Ni(111) ширхэгүүд дээр ургасан байж болзошгүй22,30,45. Хоёр талдаа нугалах нь ажиглагдсан (Зураг 1б, нил ягаан сумаар тэмдэглэгдсэн). Эдгээр атираа нь ихэвчлэн графит ба никель субстрат хоорондын дулааны тэлэлтийн коэффициентийн ялгаа их байдаг тул ЗСӨ-өөр ургуулсан графен болон бал чулуун хальсанд олддог30,38.
AFM зураг нь FS-NGF дээж нь BS-NGF дээжээс илүү хавтгай болохыг баталсан (Зураг SI1) (Зураг SI2). FS-NGF/Ni (Зураг. SI2c) ба BS-NGF/Ni (Зураг. SI2d) тэгш бус байдлын үндсэн квадратын (RMS) утга нь тус тус 82 ба 200 нм байна (20 × талбайд хэмжсэн) 20 мкм2). Хүлээн авсан төлөвт никель (NiAR) тугалган цаасны гадаргуугийн шинжилгээнд үндэслэн өндөр барзгар байдлыг ойлгож болно (Зураг SI3). FS ба BS-NiAR-ийн SEM зургийг SI3a-d зурагт үзүүлсэн бөгөөд гадаргуугийн янз бүрийн хэлбэрийг харуулсан: өнгөлсөн FS-Ni тугалган цаас нь нано болон микрон хэмжээтэй бөмбөрцөг хэсгүүдтэй байдаг бол өнгөлгөөгүй BS-Ni тугалган цаас нь үйлдвэрлэлийн шатыг харуулж байна. өндөр бат бэхтэй тоосонцор хэлбэрээр . ба бууралт. Чанасан никель тугалган цаасны (NiA) бага ба өндөр нарийвчлалтай зургийг SI3e-h зурагт үзүүлэв. Эдгээр зургуудаас бид никель тугалган цаасны хоёр талд хэд хэдэн микрон хэмжээтэй никель хэсгүүд байгааг ажиглаж болно (Зураг. SI3e–h). Том ширхэгүүд нь өмнө нь мэдээлснээр Ni(111) гадаргуугийн чиглэлтэй байж болно30,46. FS-NiA болон BS-NiA-ийн хооронд никель тугалган цаасны морфологийн хувьд мэдэгдэхүйц ялгаа байдаг. BS-NGF/Ni-ийн өндөр барзгар байдал нь BS-NiAR-ийн өнгөлгөөгүй гадаргуутай холбоотой бөгөөд гадаргуу нь зөөлрүүлсний дараа ч мэдэгдэхүйц барзгар хэвээр байна (Зураг SI3). Өсөлтийн процессын өмнө гадаргуугийн энэ төрлийн шинж чанар нь графен болон бал чулууны хальсны барзгар байдлыг хянах боломжийг олгодог. Анхны субстрат нь графены өсөлтийн явцад үр тарианы зарим өөрчлөлтийг хийсэн бөгөөд энэ нь хальсалсан тугалган цаас, катализаторын хальстай харьцуулахад үр тарианы хэмжээг бага зэрэг бууруулж, гадаргуугийн барзгар байдлыг тодорхой хэмжээгээр нэмэгдүүлсэн гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй22.
Субстратын гадаргуугийн барзгар байдал, нэвчих хугацаа (мөхлөгийн хэмжээ)30,47 болон суллах хяналт43-ыг нарийн тааруулах нь бүс нутгийн NGF-ийн зузааны жигд байдлыг микром2 ба/эсвэл бүр нм2 масштабтай (өөрөөр хэлбэл, хэдэн нанометрийн зузаанын өөрчлөлт) хүртэл бууруулахад тусална. Субстратын гадаргуугийн барзгар байдлыг хянахын тулд үүссэн никель тугалган цаасыг электролитээр өнгөлөх зэрэг аргуудыг авч үзэж болно48. Урьдчилан боловсруулсан никель тугалган цаасыг бага температурт (< 900 ° C) 46, цаг хугацаа (< 5 минут) үед том Ni(111) үр тариа үүсэхээс зайлсхийх боломжтой (энэ нь FLG өсөлтөд ашигтай).
SLG болон FLG графен нь хүчил ба усны гадаргуугийн хурцадмал байдлыг тэсвэрлэх чадваргүй тул нойтон химийн дамжуулалтын процесст механик тулгуур давхаргыг шаарддаг22,34,38. Полимерээр дэмжигдсэн нэг давхаргат графены нойтон химийн дамжуулалтаас ялгаатай нь 2-р зурагт үзүүлсэн шиг ургасан NGF-ийн хоёр тал нь полимер дэмжлэггүйгээр дамжих боломжтой болохыг олж мэдсэн (дэлгэрэнгүй мэдээллийг SI4a-г үзнэ үү). Өгөгдсөн субстрат руу NGF шилжүүлэх нь үндсэн Ni30.49 хальсыг нойтон сийлбэрлэхээс эхэлдэг. Өсөн нэмэгдэж буй NGF/Ni/NGF дээжийг 600 мл ионгүйжүүлсэн (DI) усаар шингэлсэн 15 мл 70% HNO3-д нэг шөнийн дотор байрлуулсан. Ni тугалган цаасыг бүрэн уусгасны дараа FS-NGF нь NGF/Ni/NGF дээжтэй адил тэгшхэн хэвээр байх ба шингэний гадаргуу дээр хөвөх ба BS-NGF нь усанд дүрнэ (Зураг 2a,b). Дараа нь тусгаарлагдсан NGF-ийг шинэ ионгүйжүүлсэн ус агуулсан нэг аяганаас нөгөө аяга руу шилжүүлж, тусгаарлагдсан NGF-ийг сайтар угааж, хонхор шилэн аягаар 4-6 удаа давтана. Эцэст нь FS-NGF болон BS-NGF-ийг хүссэн субстрат дээр байрлуулсан (Зураг 2c).
Никель тугалган цаасан дээр ургуулсан NGF-ийн полимергүй нойтон химийн шилжүүлгийн процесс: (a) Процессын урсгалын диаграмм (дэлгэрэнгүй мэдээллийг SI4-р зурагнаас үзнэ үү), (б) Ni etching дараа тусгаарлагдсан NGF-ийн дижитал гэрэл зураг (2 дээж), (в) Жишээ FS – ба BS-NGF-ийг SiO2/Si субстрат руу шилжүүлэх, (г) FS-NGF-ийг тунгалаг бус полимер субстрат руу шилжүүлэх, (д) d самбартай ижил дээжээс авсан BS-NGF (хоёр хэсэгт хуваагдсан), алтаар бүрсэн С цаас руу шилжүүлэх ба Нафион (уян тунгалаг субстрат, улаан булангаар тэмдэглэгдсэн ирмэг).
Нойтон химийн шилжүүлгийн аргуудыг ашиглан гүйцэтгэсэн SLG шилжүүлгийн хувьд нийт боловсруулалтын хугацаа 20-24 цаг 38 гэдгийг анхаарна уу. Энд үзүүлсэн полимергүй дамжуулах техникийн тусламжтайгаар (Зураг SI4a) NGF дамжуулах нийт боловсруулалтын хугацаа мэдэгдэхүйц багасдаг (ойролцоогоор 15 цаг). Процесс нь дараахь зүйлээс бүрдэнэ: (Алхам 1) Сийлбэрийн уусмал бэлтгэж, дээжийг дотор нь хийнэ (~10 минут), дараа нь Ni-etching хүртэл шөнө хүлээнэ (~7200 минут), (2-р шат) Ионгүйжүүлсэн усаар зайлна (Алхам - 3) . ионгүйжүүлсэн усанд хадгалах эсвэл зорилтот субстрат руу шилжүүлнэ (20 минут). NGF болон задгай матрицын хооронд хуримтлагдсан усыг хялгасан судасны үйлчлэлээр зайлуулдаг (цаасыг ашиглан) 38, дараа нь үлдсэн усны дуслыг байгалийн аргаар (ойролцоогоор 30 минут) зайлуулж, эцэст нь дээжийг 10 минутын турш хатаана. мин вакуум зууханд (10-1 мбар) 50-90 ° C (60 мин) 38.
Графит нь нэлээд өндөр температурт (≥ 200 ° C) ус, агаарыг тэсвэрлэдэг 50,51,52. Бид дээжийг тасалгааны температурт ионгүйжүүлсэн усанд хэдэн хоногоос нэг жил хүртэл битүүмжилсэн саванд хадгалсны дараа Раман спектроскопи, SEM болон XRD ашиглан дээжийг туршсан (Зураг SI4). Ямар ч мэдэгдэхүйц доройтол байхгүй. Зураг 2в-д ионгүйжүүлсэн усан дахь FS-NGF ба BS-NGF-ийг харуулав. Зураг 2в-ийн эхэнд үзүүлсэн шиг бид тэдгээрийг SiO2 (300 нм)/Si субстрат дээр авсан. Нэмж дурдахад, Зураг 2d,e-д үзүүлснээр тасралтгүй NGF-ийг полимер (Нексолве ба Нафионы Thermabright полиамид) болон алтаар бүрсэн нүүрстөрөгчийн цаас зэрэг янз бүрийн субстрат руу шилжүүлж болно. Хөвөгч FS-NGF-ийг зорилтот субстрат дээр хялбархан байрлуулсан (Зураг 2c, d). Гэсэн хэдий ч 3 см2-аас дээш хэмжээтэй BS-NGF дээжийг усанд бүрэн дүрэх үед ажиллахад хэцүү байсан. Ихэвчлэн тэд усанд эргэлдэж эхлэхэд хайхрамжгүй хандсанаас болж заримдаа хоёр, гурван хэсэгт хуваагддаг (Зураг 2e). Ерөнхийдөө бид 6 ба 3 см2 талбай бүхий дээжийн хувьд PS- болон BS-NGF (6 см2 талбайд NGF/Ni/NGF өсөлтгүйгээр тасралтгүй тасралтгүй дамжуулах) полимергүй дамжуулалтыг хийж чадсан. Үлдсэн том эсвэл жижиг хэсгүүдийг хүссэн субстрат дээр (~1 мм2, SI4b зураг, "FS-NGF: Бүтэц ба шинж чанар (ярилцсан)"-ийн дагуу зэс сүлжээнд шилжүүлсэн дээжийг харна уу (зэсгэлэнгийн уусмал эсвэл ионгүйжүүлсэн усанд хялбархан харж болно) "Бүтэц ба шинж чанар" хэсэгт) эсвэл ирээдүйд ашиглахаар хадгална (Зураг SI4). Энэ шалгуурт үндэслэн бид NGF-ийг 98-99% хүртэл (шилжүүлэх өсөлтийн дараа) өгөөжтэй гэж тооцож байна.
Полимергүй шилжүүлгийн дээжийг нарийвчлан шинжилсэн. FS- болон BS-NGF/SiO2/Si (Зураг 2в) дээр оптик микроскоп (OM) болон SEM дүрс (Зураг SI5 ба 3-р зураг) ашиглан олж авсан гадаргуугийн морфологийн шинж чанар нь эдгээр дээжийг микроскопгүйгээр шилжүүлсэн болохыг харуулсан. Хагарал, нүх, өнхрүүлээгүй хэсэг гэх мэт харагдахуйц бүтцийн гэмтэл. Өсөн нэмэгдэж буй NGF дээрх атираа (Зураг 3b, d, нил ягаан сумаар тэмдэглэгдсэн) шилжүүлсний дараа хэвээр үлдсэн. FS- болон BS-NGF-ууд хоёулаа FLG бүсүүдээс бүрдэнэ (Зураг 3-т цэнхэр сумаар харуулсан тод бүсүүд). Гайхалтай нь, хэт нимгэн графит хальсыг полимерээр дамжуулах явцад ихэвчлэн ажиглагддаг цөөн тооны гэмтсэн хэсгүүдээс ялгаатай нь NGF-тай холбогдсон микрон хэмжээтэй FLG болон MLG бүсүүд (Зураг 3d дээр цэнхэр сумаар тэмдэглэгдсэн) хагарал, завсарлагагүйгээр шилжсэн (Зураг 3d) . 3). . Механик бүрэн бүтэн байдлыг дараа нь авч үзсэний дагуу NGF-ийн TEM болон SEM зургийг ашиглан нэхсэн тор-нүүрстөрөгчийн зэс сүлжээнд шилжүүлэн баталгаажуулсан. Дамжуулсан BS-NGF/SiO2/Si нь FS-NGF/SiO2/Si-ээс илүү барзгар бөгөөд SI6a ба b (20 × 20 μm2) -д үзүүлсэн шиг 140 нм ба 17 нм rms утгатай байна. SiO2/Si субстрат (RMS < 2 нм) дээр шилжсэн NGF-ийн RMS утга нь Ni дээр ургасан NGF-ээс (Зураг SI2) мэдэгдэхүйц бага (3 дахин) байгаа нь нэмэлт барзгар байдал нь Ni гадаргуутай тохирч болохыг харуулж байна. Нэмж дурдахад, FS- болон BS-NGF/SiO2/Si дээжийн ирмэг дээр хийсэн AFM дүрслэлд тус тус 100 ба 80 нм NGF зузааныг харуулсан (Зураг SI7). BS-NGF-ийн бага зузаан нь гадаргуу нь урьдал хийд шууд өртөөгүйтэй холбоотой байж болох юм.
SiO2/Si хавтан дээрх полимергүй шилжүүлсэн NGF (NiAG) (Зураг 2c-г үз): (a,b) Шилжүүлсэн FS-NGF-ийн SEM зураг: бага ба өндөр өсгөлт (самбар дээрх улбар шар дөрвөлжинтэй харгалзах). Ердийн бүсүүд) – a). (c,d) Шилжүүлсэн BS-NGF-ийн SEM зураг: бага ба өндөр томруулалт (c самбар дээрх улбар шар дөрвөлжин дүрсэлсэн ердийн талбайтай тохирч байна). (e, f) Шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF-ийн AFM зураг. Цэнхэр сум нь FLG бүсийг илэрхийлнэ – тод тодосгогч, хөх өнгийн сум – хар MLG тодосгогч, улаан сум – хар тодосгогч нь NGF бүсийг, ягаан өнгийн сум нь нугалаа илэрхийлнэ.
Ургаж авсан болон шилжүүлсэн FS- болон BS-NGF-ийн химийн найрлагыг рентген фотоэлектрон спектроскопоор (XPS) шинжилэв (Зураг 4). Өсөн нэмэгдэж буй FS- болон BS-NGFs (NiAG) -ийн Ni субстрат (850 eV) -д тохирох хэмжсэн спектрүүдэд (Зураг 4a, b) сул оргил ажиглагдсан. Шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF/SiO2/Si-ийн хэмжсэн спектрийн оргил цэгүүд байхгүй байна (Зураг 4c; BS-NGF/SiO2/Si-ийн ижил төстэй үр дүнг харуулаагүй) нь шилжүүлсний дараа үлдэгдэл Ni бохирдол байхгүйг харуулж байна. . Зураг 4d–f нь FS-NGF/SiO2/Si-ийн C 1 s, O 1 s болон Si 2p энергийн түвшний өндөр нарийвчлалтай спектрийг харуулав. Бал чулууны C 1 с-ийн холбох энерги нь 284.4 eV53.54. Бал чулуун оргилуудын шугаман хэлбэрийг 4d54-р зурагт үзүүлснээр ерөнхийдөө тэгш хэмт бус гэж үздэг. Өндөр нарийвчлалтай үндсэн түвшний C 1 s спектр (Зураг 4d) нь мөн цэвэр дамжуулалтыг (өөрөөр хэлбэл, полимер үлдэгдэлгүй) баталгаажуулсан нь өмнөх судалгаатай нийцэж байна38. Шинээр ургуулсан дээж (NiAG) болон шилжүүлсний дараа C 1 s спектрийн шугамын өргөн нь 0.55 ба 0.62 эВ байна. Эдгээр утгууд нь SLG-ээс өндөр байна (SiO2 субстрат дээрх SLG-ийн хувьд 0.49 эВ)38. Гэсэн хэдий ч эдгээр утгууд нь өндөр чиг баримжаатай пиролитик графены дээжийн (~ 0.75 эВ) 53,54,55-ийн өмнө мэдээлэгдсэн шугамын өргөнөөс бага байгаа нь одоогийн материалд нүүрстөрөгчийн гэмтэлтэй талбай байхгүй байгааг харуулж байна. C 1 s ба O 1 s газрын түвшний спектрүүд мөн мөргүй тул өндөр нарийвчлалтай оргил задралын хэрэгцээг арилгадаг54. 291.1 эВ орчимд π → π* хиймэл дагуулын оргил байдаг бөгөөд энэ нь бал чулуун дээжүүдэд ихэвчлэн ажиглагддаг. Si 2p ба O 1s-ийн үндсэн түвшний спектрүүд дэх 103 эВ ба 532.5 эВ дохиог (Зураг 4e, f-г үзнэ үү) тус тус SiO2 56 субстраттай холбоотой. XPS нь гадаргууд мэдрэмтгий техник тул NGF дамжуулахаас өмнө болон дараа нь илрүүлсэн Ni болон SiO2-д харгалзах дохионууд нь FLG бүсээс гаралтай гэж үздэг. Шилжүүлсэн BS-NGF дээжийн хувьд ижил төстэй үр дүн ажиглагдсан (үзээгүй).
NiAG XPS-ийн үр дүн: (ac) ургасан FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni болон шилжүүлсэн FS-NGF/SiO2/Si-ийн янз бүрийн элементийн атомын найрлагын судалгааны спектр. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si дээжийн C 1s, O 1s, Si 2p үндсэн түвшний өндөр нарийвчлалтай спектрүүд.
Шилжүүлсэн NGF талстуудын ерөнхий чанарыг рентген туяаны дифракц (XRD) ашиглан үнэлэв. Шилжүүлсэн FS- ба BS-NGF/SiO2/Si-ийн ердийн XRD загварууд (Зураг. SI8) бал чулуутай төстэй 26.6° ба 54.7°-д дифракцийн оргил (0 0 0 2) ба (0 0 0 4) байгааг харуулж байна. . Энэ нь NGF-ийн өндөр талст чанарыг баталгаажуулж, дамжуулалтын алхамын дараа хадгалагдах d = 0.335 нм давхарга хоорондын зайтай тохирч байна. Дифракцийн оргилын эрчим (0 0 0 2) нь дифракцийн оргилоос (0 0 0 4) ойролцоогоор 30 дахин их байгаа нь NGF болор хавтгай нь дээжийн гадаргуутай сайн нийцэж байгааг харуулж байна.
SEM, Raman спектроскопи, XPS болон XRD-ийн үр дүнгээс харахад BS-NGF/Ni-ийн чанар нь FS-NGF/Ni-ийнхтэй ижил байсан ч түүний квадрат барзгар байдал арай өндөр байсан (Зураг SI2, SI5) болон SI7).
200 нм хүртэл зузаантай полимер тулгуур давхаргатай SLG нь усан дээр хөвж чаддаг. Энэ тохиргоог полимерийн тусламжтайгаар нойтон химийн шилжүүлгийн процесст ихэвчлэн ашигладаг22,38. Графен ба бал чулуу нь гидрофобик (нойтон өнцөг 80–90°) 57 . Графен болон FLG хоёрын боломжит энергийн гадаргуу нь гадаргуу дээрх усны хажуугийн хөдөлгөөнд зориулагдсан потенциал энерги багатай (~1 кЖ/моль) нэлээд хавтгай байна58. Гэсэн хэдий ч усны графен болон графены гурван давхаргын харилцан үйлчлэлийн энерги нь ойролцоогоор −13 ба −15 кЖ/моль58 байгаа нь NGF (300 орчим давхарга)-тай усны харилцан үйлчлэл нь графентай харьцуулахад бага байгааг харуулж байна. Энэ нь бие даасан NGF нь усны гадаргуу дээр тэгшхэн хэвээр байхын зэрэгцээ бие даасан графен (усан дотор хөвдөг) муруйж, задардаг нэг шалтгаан байж болох юм. NGF-ийг усанд бүрэн дүрэх үед (барзгар ба хавтгай NGF-ийн үр дүн ижил байна) ирмэгүүд нь нугалж байна (Зураг SI4). Бүрэн живсэн тохиолдолд NGF-усны харилцан үйлчлэлийн энерги бараг хоёр дахин ихэсдэг (хөвөгч NGF-тэй харьцуулахад) ба NGF-ийн ирмэг нь өндөр контактын өнцгийг (гидрофобик) хадгалахын тулд нугалах болно. Суулгасан NGF-ийн ирмэгийг муруйлтаас зайлсхийхийн тулд стратеги боловсруулж болно гэдэгт бид итгэдэг. Нэг арга нь графит хальсыг чийгшүүлэх урвалыг зохицуулахын тулд холимог уусгагчийг ашиглах явдал юм59.
Нойтон химийн дамжуулалтын процессоор SLG-ийг янз бүрийн төрлийн субстрат руу шилжүүлдэг талаар өмнө нь мэдээлж байсан. Графен/графит хальс ба субстрат (SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si багана22, нэхсэн нүүрстөрөгчийн хальс30, 34 эсвэл уян хатан субстрат гэх мэт хатуу субстрат) хооронд ван дер Ваалсын хүч сул байдаг гэдгийг ерөнхийд нь хүлээн зөвшөөрдөг. полиимид 37 гэх мэт). Энд бид ижил төрлийн харилцан үйлчлэл давамгайлж байна гэж таамаглаж байна. Механик боловсруулалтын явцад (вакуум ба/эсвэл атмосферийн нөхцөлд эсвэл хадгалах явцад) NGF-ийн ямар нэгэн гэмтэл, хальсыг бид ажиглаагүй (жишээлбэл, Зураг 2, SI7 ба SI9). Үүнээс гадна бид NGF/SiO2/Si дээжийн үндсэн түвшний XPS C 1 s спектрт SiC оргилыг ажиглаагүй (Зураг 4). Эдгээр үр дүн нь NGF болон зорилтот субстрат хооронд химийн холбоо байхгүй байгааг харуулж байна.
Өмнөх "FS- ба BS-NGF-ийн полимергүй дамжуулалт" хэсэгт бид NGF нь никель тугалган цаасны хоёр талд ургаж, шилжиж болохыг харуулсан. Эдгээр FS-NGF болон BS-NGF нь гадаргуугийн барзгар байдлын хувьд ижил биш байгаа нь биднийг төрөл тус бүрт хамгийн тохиромжтой хэрэглээг судлахад түлхэц болсон.
FS-NGF-ийн ил тод, гөлгөр гадаргууг харгалзан бид түүний орон нутгийн бүтэц, оптик болон цахилгаан шинж чанарыг илүү нарийвчлан судалсан. Полимер дамжуулалтгүй FS-NGF-ийн бүтэц, бүтцийг дамжуулах электрон микроскоп (TEM) дүрслэл болон сонгосон талбайн электрон дифракцын (SAED) загварын шинжилгээгээр тодорхойлсон. Харгалзах үр дүнг Зураг 5-д үзүүлэв. Бага томруулсан хавтгай TEM дүрслэл нь өөр өөр электрон тодосгогч шинж чанартай NGF болон FLG бүсүүд, өөрөөр хэлбэл бараан, илүү тод хэсгүүд байгааг илрүүлсэн (Зураг 5a). Кино нь NGF болон FLG-ийн өөр өөр бүсүүдийн хооронд сайн механик бүрэн бүтэн байдал, тогтвортой байдлыг харуулдаг бөгөөд сайн давхцаж, эвдрэл, урагдахгүй байгаа нь SEM (Зураг 3) болон өндөр өсгөлтийн TEM судалгаагаар батлагдсан (Зураг 5c-e). Тодруулбал, Зураг 5d-д гурвалжин хэлбэртэй, 51 орчим өргөнтэй графен давхаргаас тогтсон гүүрний бүтцийг хамгийн том хэсэгтээ (Зураг 5d дээр хар тасархай сумаар тэмдэглэсэн байрлал) үзүүлэв. Хавтгай хоорондын зай 0.33 ± 0.01 нм-ийн найрлага нь хамгийн нарийхан бүсэд графены хэд хэдэн давхарга болж буурдаг (Зураг 5 d-ийн хатуу хар сумны төгсгөл).
Нүүрстөрөгчийн нэхсэн зэсийн тор дээрх полимергүй NiAG дээжийн хавтгай TEM зураг: (a, b) NGF болон FLG бүсүүдийг багтаасан бага томруулсан TEM зураг, (ce) самбар-a болон самбар-b дахь янз бүрийн бүсүүдийн өндөр томруулсан зургууд ижил өнгөтэй сумнууд. a ба c самбар дээрх ногоон сумнууд нь цацрагийн тэгшилгээний үед дугуй хэлбэртэй гэмтлийн хэсгүүдийг заана. (f–i) a-аас c хүртэлх самбарт өөр өөр бүс нутаг дахь SAED-ийн хэв маягийг хөх, хөх, улбар шар, улаан дугуйгаар тус тус зааж өгсөн.
Зураг 5в дээрх туузны бүтэц нь (улаан сумаар тэмдэглэгдсэн) графит торны хавтгайн босоо чиглэлийг харуулсан бөгөөд энэ нь илүүдэл нөхөн олгогдоогүй зүсэлтийн стрессээс болж хальсны дагуу нано нугалаа үүссэнтэй (Зураг 5в-д оруулсан) холбоотой байж болох юм30,61,62 . Өндөр нарийвчлалтай TEM-ийн дагуу эдгээр наноfolds 30 нь NGF бүсийн бусад хэсгээс өөр талстографийн чиглэлийг харуулдаг; бал чулуун торны суурь хавтгай нь бусад хальс шиг хэвтээ биш, бараг босоо чиглэлд чиглэсэн байна (Зураг 5c-д оруулсан). Үүний нэгэн адил, FLG бүсэд үе үе шугаман болон нарийн тууз хэлбэртэй нугалаа (цэнхэр сумаар тэмдэглэгдсэн) харуулдаг бөгөөд энэ нь 5b, 5e-р зурагт тус тус бага ба дунд томруулж харагдана. Зураг 5e-ийн оруулга нь FLG секторт хоёр ба гурван давхаргат графены давхаргууд байгааг баталж байна (хавтгай хоорондын зай 0.33 ± 0.01 нм) нь бидний өмнөх үр дүнтэй нийцэж байна30. Нэмж дурдахад, нэхсэн нүүрстөрөгчийн хальс бүхий зэс сүлжээнд шилжүүлсэн полимергүй NGF-ийн бүртгэгдсэн SEM зургийг (дээд талын TEM хэмжилтийг хийсний дараа) Зураг SI9-д үзүүлэв. SI9f зураг дээрх худгийн түдгэлзүүлсэн FLG бүс (цэнхэр сумаар тэмдэглэгдсэн) ба эвдэрсэн бүс. Цэнхэр сумыг (шилжүүлсэн NGF-ийн ирмэг дээр) FLG бүс нь полимергүйгээр дамжуулах процессыг эсэргүүцэж чадна гэдгийг харуулахын тулд зориудаар үзүүлэв. Дүгнэж хэлэхэд, эдгээр зургууд нь хэсэгчлэн түдгэлзүүлсэн NGF (FLG бүсийг оруулаад) TEM болон SEM хэмжилтийн үед хатуу харьцаж, өндөр вакуумд өртсөн ч механик бүрэн бүтэн байдлыг хадгалж байгааг баталж байна (Зураг SI9).
NGF-ийн маш сайн тэгш байдлын улмаас (Зураг 5а-г үз) SAED бүтцийг шинжлэхийн тулд [0001] домэйны тэнхлэгийн дагуу ширхэгийг чиглүүлэх нь хэцүү биш юм. Киноны орон нутгийн зузаан, түүний байршлаас хамааран электрон дифракцийн судалгаанд сонирхолтой хэд хэдэн бүс нутгийг (12 оноо) тодорхойлсон. Зураг 5a–c-д эдгээр ердийн бүсүүдийн дөрвийг харуулсан бөгөөд өнгөт дугуйгаар (цэнхэр, хөхрөлт, улбар шар, улаан кодтой) тэмдэглэсэн болно. SAED горимын 2 ба 3-р зураг. Зураг 5f ба g-г Зураг 5 ба 5-д үзүүлсэн FLG бүсээс авсан. Зураг 5b ба c-д тус тус үзүүлэв. Тэдгээр нь эрчилсэн графентэй төстэй зургаан өнцөгт бүтэцтэй63. Тодруулбал, Зураг 5f-д гурван хос (10-10) тусгалын өнцгийн тохиромжгүй байдлаас нотлогдсон, [0001] бүсийн тэнхлэгийг 10° ба 20°-аар эргүүлсэн ижил чиг баримжаатай гурван давхарласан хэв маягийг үзүүлэв. Үүний нэгэн адил Зураг 5g-д 20° эргүүлсэн хоёр зургаан өнцөгт хэв маягийг харуулсан байна. FLG бүс дэх зургаан өнцөгт хэлбэрийн хоёр буюу гурван бүлэг нь бие биенээсээ эргэлдсэн хавтгай доторх эсвэл гаднах гурван графений давхаргаас 33 үүсч болно. Үүний эсрэгээр, Зураг 5h,i-ийн электрон дифракцийн загварууд (Зураг 5а-д үзүүлсэн NGF мужид харгалзах) материалын илүү зузаантай харгалзах ерөнхий цэгийн дифракцийн эрчимтэй нэг [0001] загварыг харуулж байна. Эдгээр SAED загварууд нь 64-р индексээс харахад FLG-ээс илүү зузаан график бүтэцтэй, завсрын чиг баримжаатай тохирч байна. NGF-ийн талст шинж чанарыг тодорхойлох нь хоёр буюу гурван давхарласан бал чулуу (эсвэл графен) талстууд зэрэгцэн оршиж байгааг илрүүлсэн. FLG бүсэд онцгой анхаарал татахуйц зүйл бол талстууд нь хавтгай доторх эсвэл гадна талд тодорхой хэмжээний буруу чиг баримжаатай байдаг. Ни 64 хальсан дээр ургасан NGF-ийн хувьд хавтгай доторх 17°, 22°, 25°-ийн эргэлтийн өнцөг бүхий графит бөөмс/давхраа өмнө нь мэдээлж байсан. Энэхүү судалгаанд ажиглагдсан эргэлтийн өнцгийн утгууд нь эрчилсэн BLG63 графены хувьд өмнө нь ажиглагдсан эргэлтийн өнцөгтэй (±1°) нийцэж байна.
NGF/SiO2/Si-ийн цахилгаан шинж чанарыг 10х3 мм2 талбайд 300К хэмд хэмжсэн. Электрон тээвэрлэгчийн концентраци, хөдөлгөөн ба дамжуулалтын утгууд нь 1.6 × 1020 см-3, 220 см2 V-1 C-1 ба 2000 S-см-1 байна. Манай NGF-ийн хөдөлгөөн ба цахилгаан дамжуулах чанар нь байгалийн бал чулуутай2 төстэй бөгөөд худалдаанд гарах өндөр баримжаатай пиролит графитаас (3000 ° C-т үйлдвэрлэсэн) 29-ээс өндөр байна. Ажиглагдсан электрон тээвэрлэгчийн концентрацийн утгууд нь өндөр температурт (3200 ° C) полиимид хуудас ашиглан бэлтгэсэн микрон зузаантай графит хальсны хувьд саяхан мэдээлэгдсэнээс (7.25 × 10 см-3) хоёр дахин их байна 20 .
Мөн бид кварцын субстрат руу шилжүүлсэн FS-NGF дээр хэт ягаан туяанд харагдахуйц дамжуулалтын хэмжилт хийсэн (Зураг 6). Үүссэн спектр нь 350-800 нм-ийн мужид бараг тогтмол 62% дамжуулалтыг харуулж байгаа нь NGF нь үзэгдэх гэрэлд тунгалаг болохыг харуулж байна. Үнэн хэрэгтээ "KAUST" нэрийг Зураг 6б дээрх дээжийн дижитал гэрэл зургаас харж болно. Хэдийгээр NGF-ийн нанокристалл бүтэц нь SLG-ээс ялгаатай ч давхаргын тоог нэмэлт давхаргад 2.3% дамжуулалтын алдагдал гэсэн дүрмийг ашиглан ойролцоогоор тооцоолж болно65. Энэ хамаарлаас үзэхэд 38%-ийн дамжуулалтын алдагдалтай графены давхаргын тоо 21. Өсөн нэмэгдэж буй NGF нь голчлон 300 графены давхаргаас бүрддэг, өөрөөр хэлбэл 100 нм зузаантай (Зураг 1, SI5 ба SI7). Тиймээс бид ажиглагдсан оптик ил тод байдал нь FLG болон MLG бүсүүдэд тохирч байна гэж бид үзэж байна, учир нь тэдгээр нь хальсанд тархсан байдаг (Зураг 1, 3, 5, 6c). Дээрх бүтцийн өгөгдлөөс гадна дамжуулалт ба ил тод байдал нь шилжүүлсэн NGF-ийн өндөр талст чанарыг баталгаажуулдаг.
(a) Хэт ягаан туяаны харагдахуйц дамжуулалтын хэмжилт, (б) төлөөлөх дээжийг ашиглан кварц дээрх ердийн NGF дамжуулалт. (в) Дээжийн туршид саарал санамсаргүй хэлбэрээр тэмдэглэсэн жигд тархсан FLG болон MLG бүсүүд бүхий NGF (харанхуй хайрцаг) бүдүүвч (1-р зургийг үз) (100 μm2 тутамд ойролцоогоор 0.1–3% талбай). Диаграм дээрх санамсаргүй хэлбэрүүд болон тэдгээрийн хэмжээ нь зөвхөн тайлбарлах зорилготой бөгөөд бодит талбайтай тохирохгүй байна.
ЗСӨ-өөр ургуулсан тунгалаг NGF-ийг өмнө нь нүцгэн цахиурын гадаргуу руу шилжүүлж, нарны зайд ашиглаж байсан15,16. Үр дүнд нь цахилгаан хувиргах үр ашиг (PCE) 1.5% байна. Эдгээр NGFs нь идэвхтэй нэгдлийн давхарга, цэнэгийн тээвэрлэлтийн зам, тунгалаг электрод15,16 зэрэг олон функцийг гүйцэтгэдэг. Гэсэн хэдий ч бал чулууны хальс нь жигд биш юм. Эдгээр хоёр шинж чанар нь нарны зайны PCE утгыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг тул графит электродын хуудасны эсэргүүцэл ба оптик дамжуулалтыг анхааралтай хянах замаар цаашдын оновчлол хийх шаардлагатай байна15,16. Дүрмээр бол графен хальс нь харагдах гэрэлд 97.7% тунгалаг байдаг ч 200-3000 ом/кв.16-ийн хуудасны эсэргүүцэлтэй байдаг. Графен хальсны гадаргуугийн эсэргүүцлийг давхаргын тоог нэмэгдүүлэх (графены давхаргыг олон удаа шилжүүлэх) болон HNO3 (~30 Ом/кв.) 66-аар дүүргэх замаар бууруулж болно. Гэсэн хэдий ч, энэ үйл явц удаан үргэлжилдэг бөгөөд өөр өөр дамжуулалтын давхаргууд нь үргэлж сайн харилцаатай байдаггүй. Манай урд талын NGF нь цахилгаан дамжуулах чанар 2000 С/см, хальсны эсэргүүцэл 50 ом/кв зэрэг шинж чанартай. мөн 62% ил тод байдал, энэ нь нарны зайн дамжуулагч суваг эсвэл эсрэг электродыг ашиглах боломжтой хувилбар юм15,16.
BS-NGF-ийн бүтэц, гадаргуугийн хими нь FS-NGF-тэй төстэй боловч барзгар байдал нь өөр юм ("FS- ба BS-NGF-ийн өсөлт"). Өмнө нь бид хийн мэдрэгч болгон хэт нимгэн хальсан графит22 ашигладаг байсан. Тиймээс бид BS-NGF-ийг хийн мэдрэгчтэй ажилд ашиглах боломжийг туршиж үзсэн (Зураг SI10). Эхлээд BS-NGF-ийн мм2 хэмжээтэй хэсгүүдийг хоорондын электродын мэдрэгч чип рүү шилжүүлэв (Зураг SI10a-c). Чипийн үйлдвэрлэлийн дэлгэрэнгүй мэдээллийг өмнө нь мэдээлсэн; түүний идэвхтэй мэдрэмтгий талбай нь 9 мм267. SEM зураг дээр (Зураг SI10b ба c) үндсэн алтан электрод нь NGF-ээр тодорхой харагдаж байна. Дахин хэлэхэд бүх дээжийн хувьд жигд чип хамрах хүрээг бүрдүүлсэн болохыг харж болно. Төрөл бүрийн хийн хийн мэдрэгчийн хэмжилтийг бүртгэсэн (Зураг SI10d) (Зураг SI11) ба үр дүнд нь хариу үйлдэл үзүүлэх хурдыг Зураг дээр үзүүлэв. SI10 гр. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) болон NH3 (200 ppm) зэрэг бусад хөндлөнгийн хийтэй байх магадлалтай. Нэг шалтгаан нь NO2 юм. хийн электрофил шинж чанар22,68. Графены гадаргуу дээр шингэсэн үед энэ нь системийн электронуудын одоогийн шингээлтийг бууруулдаг. BS-NGF мэдрэгчийн хариу өгөх хугацааны өгөгдлийг өмнө нь хэвлэгдсэн мэдрэгчтэй харьцуулсан харьцуулалтыг SI2 хүснэгтэд үзүүлэв. Ил гарсан дээжийг хэт ягаан туяаны плазм, O3 плазм эсвэл дулааны (50-150°C) боловсруулалтыг ашиглан NGF мэдрэгчийг дахин идэвхжүүлэх механизм үргэлжилж байгаа бөгөөд үүний дараа суулгагдсан системийг хэрэгжүүлэх69 байна.
ЗСӨ-ийн процессын үед графены өсөлт нь катализаторын субстратын хоёр талд үүсдэг41. Гэсэн хэдий ч BS-графен нь дамжуулах явцад ихэвчлэн гадагшилдаг41. Энэхүү судалгаагаар бид NGF-ийн өндөр чанарын өсөлт, полимергүй NGF дамжуулалтыг катализаторын дэмжлэгийн хоёр талд хийж болохыг харуулж байна. BS-NGF нь FS-NGF (~100 нм)-ээс нимгэн (~80 нм) бөгөөд энэ ялгаа нь BS-Ni нь урьдал хийн урсгалд шууд өртдөггүйтэй холбон тайлбарладаг. Мөн бид NiAR субстратын барзгар байдал нь NGF-ийн барзгар байдалд нөлөөлдөг болохыг олж мэдсэн. Эдгээр үр дүн нь ургасан хавтгай FS-NGF-ийг графены урьдал материал (гуужуулагч аргаар70) эсвэл нарны эсүүдэд дамжуулагч суваг болгон ашиглаж болохыг харуулж байна15,16. Үүний эсрэгээр, BS-NGF-ийг хий илрүүлэх (Зураг. SI9) болон эрчим хүчний хуримтлалын системд ашиглах болно71,72 гадаргын тэгш бус байдал нь ашигтай байх болно.
Дээр дурдсан зүйлсийг харгалзан одоогийн ажлыг CVD-ээр ургуулсан, никель тугалган цаас ашиглан өмнө нь хэвлэгдсэн графит хальстай хослуулах нь ашигтай юм. Хүснэгт 2-оос харахад бидний ашигласан өндөр даралт нь харьцангуй бага температурт (850-1300 ° C) хүртэл урвалын хугацааг (өсөлтийн үе шат) богиносгосон. Мөн бид ердийнхөөс илүү их өсөлтөд хүрсэн нь тэлэх боломжтойг харуулж байна. Бусад хүчин зүйлсийг анхаарч үзэх хэрэгтэй бөгөөд тэдгээрийн заримыг нь бид хүснэгтэд оруулсан болно.
Хоёр талт өндөр чанартай NGF-ийг никель тугалган цаасан дээр каталитик CVD ашиглан ургуулсан. Уламжлалт полимер субстратуудыг (жишээ нь CVD графенд ашигладаг) устгаснаар бид NGF-ийг (никель тугалган цаасны ар болон урд талд ургадаг) янз бүрийн процессын чухал субстрат руу цэвэр, согоггүй нойтон дамжуулалтыг бий болгодог. NGF-д бүтцийн хувьд зузаан хальсанд сайн шингэсэн FLG болон MLG бүсүүд (ихэвчлэн 100 μm2 тутамд 0.1% - 3%) багтдаг. Хавтгай TEM-ээс харахад эдгээр мужууд нь хоёроос гурван ширхэг бал чулуу/графины хэсгүүдээс (талстууд эсвэл давхаргууд) тогтдог бөгөөд тэдгээрийн зарим нь 10-20°-ийн эргэлтийн зөрүүтэй байдаг. FLG болон MLG бүсүүд нь FS-NGF-ийн харагдах гэрэлд ил тод байдлыг хариуцдаг. Арын хуудасны хувьд тэдгээрийг урд талын хуудастай зэрэгцүүлэн авч явах боломжтой бөгөөд зурагт үзүүлснээр функциональ зорилготой байж болно (жишээлбэл, хий илрүүлэх). Эдгээр судалгаанууд нь үйлдвэрлэлийн хэмжээний ЗСӨ-ийн үйл явц дахь хог хаягдал, зардлыг бууруулахад маш их хэрэгтэй байдаг.
Ерөнхийдөө CVD NGF-ийн дундаж зузаан нь (бага ба олон давхаргат) графен болон үйлдвэрлэлийн (микрометр) бал чулуун хуудасны хооронд байрладаг. Тэдгээрийн сонирхолтой шинж чанаруудыг үйлдвэрлэх, тээвэрлэхэд бидний боловсруулсан энгийн аргатай хослуулсан нь эдгээр хальсыг одоо ашиглагдаж байгаа эрчим хүч их шаарддаг үйлдвэрлэлийн процессын зардалгүйгээр бал чулууны функциональ хариу үйлдэл шаарддаг хэрэглээнд онцгой тохиромжтой болгодог.
25 мкм зузаантай никель тугалган цаасыг (99.5% цэвэршилттэй, Goodfellow) арилжааны CVD реакторт (Aixtron 4 инчийн BMPro) суурилуулсан. Системийг аргоноор цэвэрлэж, 10-3 мбар суурь даралт хүртэл нүүлгэн шилжүүлсэн. Дараа нь никель тугалган цаас тавьсан. Ar/H2-д (Ni тугалган цаасыг 5 минутын турш урьдчилан цэвэрлэсний дараа тугалган цаасыг 900 ° C-т 500 mbar даралтанд оруулав. NGF нь CH4/H2 (тус бүр 100 см3) урсгалд 5 минутын турш хадгалагдсан. Дараа нь дээжийг 700 ° C-аас доош температурт хөргөж, NGF өсөлтийн процессыг оновчтой болгох талаар дэлгэрэнгүйг өөр газар тайлбарласан болно30.
Дээжний гадаргуугийн морфологийг Zeiss Merlin микроскоп (1 кВ, 50 пА) ашиглан SEM-ээр дүрсэлсэн. Дээжийн гадаргуугийн тэгш бус байдал болон NGF зузааныг AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) ашиглан хэмжсэн. TEM болон SAED хэмжилтийг эцсийн үр дүнг гаргахын тулд өндөр гэрэлтүүлгийн талбайн ялгаруулалтын буу (300 кВ), FEI Wien төрлийн монохромататор, CEOS линзний бөмбөрцөг гажиг засах төхөөрөмжөөр тоноглогдсон FEI Titan 80-300 Cubed микроскоп ашиглан хийсэн. орон зайн нарийвчлал 0.09 нм. NGF дээжийг хавтгай TEM дүрслэл болон SAED бүтцийн шинжилгээнд зориулж нүүрстөрөгчийн тороор бүрсэн зэс сүлжээнд шилжүүлэв. Тиймээс ихэнх дээжийн флокууд нь тулгуур мембраны нүхэнд түдгэлздэг. Шилжүүлсэн NGF дээжийг XRD-ээр шинжилсэн. Рентген туяаны дифракцийн хэв маягийг нунтаг дифрактометр (Брукер, Cu Kα эх үүсвэртэй D2 фазын шилжүүлэгч, 1.5418 Å ба LYNXEYE детектор) ашиглан 3 мм-ийн цацрагийн голчтой Cu цацрагийн эх үүсвэрийг ашиглан авсан.
Хэд хэдэн Раман цэгийн хэмжилтийг нэгдсэн төвлөрсөн микроскоп (Alpha 300 RA, WITeC) ашиглан бүртгэсэн. Дулааны нөлөөллөөс зайлсхийхийн тулд бага өдөөх чадалтай (25%) 532 нм лазер ашигласан. Рентген фотоэлектрон спектроскопийг (XPS) Kratos Axis Ultra спектрометр дээр 300 × 700 μm2 дээжийн талбайд монохромат Al Ka цацраг (hν = 1486.6 eV) ашиглан 150 Вт хүчин чадалтай хийсэн. Нарийвчлалын спектрийг дараах цагт авсан. дамжуулах энерги нь 160 эВ ба 20 эВ тус тус. SiO2 руу шилжүүлсэн NGF дээжийг 30 Вт хүчин чадалтай PLS6MW (1.06 μм) итербиум шилэн лазер ашиглан хэсэг болгон (тус бүр нь 3 × 10 мм2) хуваасан. Зэс утсан контактуудыг (50 мкм зузаантай) мөнгөн зуурмаг ашиглан оптик микроскопоор хийсэн. Эдгээр дээж дээр цахилгаан тээвэрлэлт болон Холл эффектийн туршилтыг физик шинж чанарын хэмжилтийн системд (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) 300 К, соронзон орны хэлбэлзэл ± 9 Тесла дээр хийсэн. Дамжуулсан хэт ягаан туяаны спектрийг кварцын субстрат болон кварцын лавлагаа дээжинд шилжүүлсэн 350-800 нм NGF мужид Lambda 950 хэт ягаан туяаны спектрофотометр ашиглан тэмдэглэв.
Химийн эсэргүүцлийн мэдрэгч (хоорон дахь электродын чип) нь захиалгат хэвлэмэл хэлхээний самбарт 73 утастай холбогдсон ба эсэргүүцлийг түр зуур гаргаж авсан. Төхөөрөмжийг байрлуулсан хэвлэмэл хэлхээний самбар нь контактын терминалуудтай холбогдож, хийн мэдрэгч камерын дотор байрлуулсан 74. Эсэргүүцлийн хэмжилтийг 1 В хүчдэлд цэвэршүүлэхээс хийн өртөлт хүртэл тасралтгүй сканнердаж, дараа нь дахин цэвэрлэнэ. Тасалгааг эхлээд 200 см3-т 1 цагийн турш азотоор цэвэрлэж, танхимд байгаа бусад бүх шинжлэгч бодис, түүний дотор чийгийг зайлуулж цэвэрлэв. Дараа нь бие даасан анализаторуудыг N2 цилиндрийг хааж 200 см3 урсгалын хурдтайгаар камерт аажмаар оруулав.
Энэ нийтлэлийн шинэчилсэн хувилбарыг нийтэлсэн бөгөөд нийтлэлийн дээд талд байгаа холбоосоор орж үзэх боломжтой.
Инагаки, М. ба Канг, Ф. Нүүрстөрөгчийн материалын шинжлэх ухаан ба инженерчлэл: үндэс. Хоёр дахь хэвлэлийг засварласан. 2014. 542.
Пирсон, Нүүрстөрөгч, бал чулуу, алмаз ба фуллерений тухай HO гарын авлага: шинж чанар, боловсруулалт ба хэрэглээ. Эхний хэвлэлийг засварласан. 1994, Нью Жерси.
Цай, В. нар. Том талбай бүхий олон давхаргат графен/графит хальс нь тунгалаг нимгэн дамжуулагч электродууд юм. програм. физик. Райт. 95(12), 123115(2009).
Баландин АА Графен ба нано бүтэцтэй нүүрстөрөгчийн материалын дулааны шинж чанар. Нат. Мэтт. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW болон Cahill DG. Бага температурт химийн уурын хуримтлалаар Ni (111) дээр ургасан бал чулууны хальсны дулаан дамжуулалт. үйл үг. Мэтт. Интерфэйс 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Химийн уурын хуримтлалаар графен хальсны тасралтгүй өсөлт. програм. физик. Райт. 98(13), 133106(2011).
Шуудангийн цаг: 2024 оны 8-р сарын 23-ны хооронд