زراعة فيلم جرافيت شفاف على النيكل ونقله ثنائي الاتجاه خالي من البوليمر

شكرا لكم لزيارة Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS. للحصول على أفضل النتائج، نوصي باستخدام إصدار أحدث من متصفحك (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان الدعم المستمر، فإننا نعرض الموقع بدون تصميم أو جافا سكريبت.
تعد أفلام الجرافيت النانوية (NGFs) مواد نانوية قوية يمكن إنتاجها عن طريق ترسيب البخار الكيميائي التحفيزي، ولكن لا تزال هناك أسئلة حول سهولة نقلها وكيف يؤثر شكل السطح على استخدامها في أجهزة الجيل التالي. نورد هنا نمو NGF على جانبي رقائق النيكل متعدد البلورات (مساحة 55 سم 2، سمك حوالي 100 نانومتر) ونقله الخالي من البوليمر (أمامي وخلفي، مساحة تصل إلى 6 سم 2). نظرًا لتشكل رقاقة المحفز، يختلف الغشاءان الكربونيان في خصائصهما الفيزيائية وخصائص أخرى (مثل خشونة السطح). لقد أثبتنا أن NGFs ذات الجانب الخلفي الأكثر خشونة مناسبة تمامًا للكشف عن ثاني أكسيد النيتروجين، في حين أن NGFs الأكثر سلاسة والأكثر توصيلًا على الجانب الأمامي (2000 S / سم، مقاومة الصفائح - 50 أوم / م 2) يمكن أن تكون موصلات قابلة للحياة. قناة أو قطب الخلية الشمسية (لأنها تنقل 62% من الضوء المرئي). بشكل عام، قد تساعد عمليات النمو والنقل الموصوفة في تحقيق NGF كمادة كربونية بديلة للتطبيقات التكنولوجية حيث لا تكون أفلام الجرافين والجرافيت بسمك ميكرون مناسبة.
الجرافيت مادة صناعية تستخدم على نطاق واسع. والجدير بالذكر أن الجرافيت يتمتع بخصائص كثافة الكتلة المنخفضة نسبيًا والموصلية الحرارية والكهربائية العالية داخل الطائرة، كما أنه مستقر جدًا في البيئات الحرارية والكيميائية القاسية . يعتبر الجرافيت المتقشر مادة انطلاق معروفة لأبحاث الجرافين 3 . عند معالجتها إلى أغشية رقيقة، يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك المشتتات الحرارية للأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف الذكية، كمادة نشطة في أجهزة الاستشعار 8،9،10 ولحماية التداخل الكهرومغناطيسي . 12 وأفلام للطباعة الحجرية في الأشعة فوق البنفسجية القصوى 13،14، وإجراء القنوات في الخلايا الشمسية 15،16. بالنسبة لجميع هذه التطبيقات، سيكون من المفيد جدًا إنتاج ونقل مساحات كبيرة من أفلام الجرافيت (NGFs) بسماكات يمكن التحكم فيها بمقياس النانو أقل من 100 نانومتر.
يتم إنتاج أفلام الجرافيت بطرق مختلفة. في إحدى الحالات، تم استخدام التضمين والتوسع متبوعًا بالتقشير لإنتاج رقائق الجرافين. ويجب معالجة الرقائق أيضًا وتحويلها إلى أفلام بالسمك المطلوب، وغالبًا ما يستغرق الأمر عدة أيام لإنتاج صفائح الجرافيت الكثيفة. هناك نهج آخر يتمثل في البدء بالسلائف الصلبة القابلة للجرافيت. في الصناعة، يتم تفحيم صفائح البوليمرات (عند 1000-1500 درجة مئوية) ثم يتم تحويلها إلى الجرافيت (عند 2800-3200 درجة مئوية) لتشكيل مواد ذات طبقات جيدة التنظيم. على الرغم من أن جودة هذه الأفلام عالية، إلا أن استهلاك الطاقة كبير1،18،19 والحد الأدنى للسمك يقتصر على بضعة ميكرونات1،18،19،20.
يعد ترسيب البخار الكيميائي التحفيزي (CVD) طريقة معروفة لإنتاج أفلام الجرافين والجرافيت فائقة الدقة (<10 نانومتر) بجودة هيكلية عالية وتكلفة معقولة . ومع ذلك، بالمقارنة مع نمو أفلام الجرافين والجرافيت فائقة الدقة، فإن نمو مساحة كبيرة و/أو تطبيق NGF باستخدام CVD أقل استكشافًا.
غالبًا ما تحتاج أفلام الجرافين والجرافيت المزروعة بأمراض القلب والأوعية الدموية إلى نقلها إلى ركائز وظيفية . تتضمن عمليات نقل الأغشية الرقيقة هذه طريقتين رئيسيتين: (1) النقل غير المحفر و (2) النقل الكيميائي الرطب القائم على الحفر (الركيزة المدعومة) 14،34،38. كل طريقة لها بعض المزايا والعيوب ويجب اختيارها اعتمادا على التطبيق المقصود، كما هو موضح في مكان آخر. بالنسبة لأفلام الجرافين/الجرافيت المزروعة على ركائز تحفيزية، يظل النقل عبر العمليات الكيميائية الرطبة (التي يعد بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) طبقة الدعم الأكثر استخدامًا) هو الخيار الأول. أنت وآخرون. وذكر أنه لم يتم استخدام أي بوليمر لنقل NGF (حجم العينة حوالي 4 سم2)25،43، ولكن لم يتم تقديم أي تفاصيل بشأن استقرار العينة و/أو التعامل معها أثناء النقل؛ تتكون عمليات الكيمياء الرطبة باستخدام البوليمرات من عدة خطوات، بما في ذلك التطبيق والإزالة اللاحقة لطبقة البوليمر المضحى30،38،40،41،42. هذه العملية لها عيوب: على سبيل المثال، يمكن لبقايا البوليمر تغيير خصائص الفيلم المزروع. يمكن للمعالجة الإضافية إزالة البوليمر المتبقي، ولكن هذه الخطوات الإضافية تزيد من تكلفة ووقت إنتاج الفيلم. أثناء نمو الأمراض القلبية الوعائية، تترسب طبقة من الجرافين ليس فقط على الجانب الأمامي من رقاقة المحفز (الجانب الذي يواجه تدفق البخار)، ولكن أيضًا على جانبه الخلفي. ومع ذلك، يعتبر الأخير منتج نفايات ويمكن إزالته بسرعة بواسطة البلازما الناعمة. يمكن أن تساعد إعادة تدوير هذا الفيلم في زيادة الإنتاجية إلى أقصى حد، حتى لو كانت ذات جودة أقل من فيلم الكربون الوجهي.
هنا، نقوم بالإبلاغ عن إعداد نمو ثنائي الجانب على نطاق الرقاقة لـ NGF بجودة هيكلية عالية على رقائق النيكل متعدد البلورات بواسطة CVD. تم تقييم مدى تأثير خشونة السطح الأمامي والخلفي للرقاقة على شكل وبنية NGF. نعرض أيضًا عملية نقل NGF خالية من البوليمر وفعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة من كلا جانبي رقائق النيكل على ركائز متعددة الوظائف ونوضح كيف تكون الأفلام الأمامية والخلفية مناسبة لمختلف التطبيقات.
تناقش الأقسام التالية سمكًا مختلفًا لفيلم الجرافيت اعتمادًا على عدد طبقات الجرافين المكدسة: (1) جرافين طبقة واحدة (SLG، طبقة واحدة)، (2) جرافين قليل الطبقة (FLG، <10 طبقات)، (3) جرافين متعدد الطبقات ( MLG، 10-30 طبقات) و (رابعا) NGF (~ 300 طبقات). هذا الأخير هو السُمك الأكثر شيوعًا معبرًا عنه كنسبة مئوية من المساحة (حوالي 97% مساحة لكل 100 ميكرومتر2)30. ولهذا السبب يُطلق على الفيلم بأكمله اسم NGF.
رقائق النيكل متعددة البلورات المستخدمة في تصنيع أفلام الجرافين والجرافيت لها قوام مختلف نتيجة تصنيعها ومعالجتها اللاحقة. لقد أبلغنا مؤخرًا عن دراسة لتحسين عملية نمو NGF30. نظهر أن معلمات العملية مثل وقت التلدين وضغط الغرفة أثناء مرحلة النمو تلعب دورًا حاسمًا في الحصول على NGFs بسماكة موحدة. هنا ، قمنا بالتحقيق أيضًا في نمو NGF على الأسطح الأمامية المصقولة (FS) والأسطح الخلفية غير المصقولة (BS) من رقائق النيكل (الشكل 1 أ). تم فحص ثلاثة أنواع من العينات FS وBS، وهي مدرجة في الجدول 1. عند الفحص البصري، يمكن رؤية النمو الموحد لـ NGF على جانبي رقائق النيكل (NiAG) من خلال تغير لون الركيزة Ni السائبة من الفضة المعدنية المميزة رمادي إلى لون رمادي غير لامع (الشكل 1 أ)؛ تم تأكيد القياسات المجهرية (الشكل 1 ب، ج). يظهر في الشكل 1 ج طيف رامان النموذجي لـ FS-NGF الذي تمت ملاحظته في المنطقة المشرقة والمشار إليه بواسطة الأسهم الحمراء والزرقاء والبرتقالية في الشكل 1 ب. تؤكد قمم رامان المميزة للجرافيت G (1683 سم −1) و2D (2696 سم −1) نمو NGF عالي التبلور (الشكل 1 ج، الجدول SI1). طوال الفيلم، لوحظت غلبة أطياف رامان مع نسبة الكثافة (I2D/IG) ~0.3، في حين نادرًا ما لوحظت أطياف رامان مع I2D/IG = 0.8. يشير غياب القمم المعيبة (D = 1350 سم-1) في الفيلم بأكمله إلى الجودة العالية لنمو NGF. تم الحصول على نتائج رامان مماثلة على عينة BS-NGF (الشكل SI1 أ و ب، الجدول SI1).
مقارنة NiAG FS- وBS-NGF: (أ) صورة لعينة NGF (NiAG) نموذجية تُظهر نمو NGF على نطاق الرقاقة (55 سم2) وعينات رقائق BS- وFS-Ni الناتجة، (ب) FS-NGF الصور / Ni التي تم الحصول عليها بواسطة المجهر الضوئي، (ج) أطياف رامان النموذجية المسجلة في مواضع مختلفة في اللوحة b، (d، f) صور SEM بتكبيرات مختلفة على FS-NGF / Ni، (e، g) صور SEM بتكبيرات مختلفة مجموعات BS -NGF/ني. يشير السهم الأزرق إلى منطقة FLG، ويشير السهم البرتقالي إلى منطقة MLG (بالقرب من منطقة FLG)، ويشير السهم الأحمر إلى منطقة NGF، ويشير السهم الأرجواني إلى الطية.
نظرًا لأن النمو يعتمد على سمك الركيزة الأولية وحجم البلورة والتوجه وحدود الحبوب، فإن تحقيق تحكم معقول في سمك NGF على مساحات كبيرة يظل تحديًا. استخدمت هذه الدراسة المحتوى الذي نشرناه سابقًا . تنتج هذه العملية منطقة مشرقة من 0.1 إلى 3% لكل 100 ميكرومتر230. وفي الأقسام التالية، نقدم النتائج لكلا النوعين من المناطق. تُظهر صور SEM عالية التكبير وجود العديد من مناطق التباين الساطعة على كلا الجانبين (الشكل 1f،ز)، مما يشير إلى وجود مناطق FLG وMLG . تم تأكيد ذلك أيضًا من خلال تشتت رامان (الشكل 1 ج) ونتائج TEM (تمت مناقشتها لاحقًا في قسم "FS-NGF: البنية والخصائص"). ربما تكون مناطق FLG وMLG التي تمت ملاحظتها في عينات FS- وBS-NGF/Ni (NGF الأمامية والخلفية المزروعة على Ni) قد نمت على حبيبات Ni(111) كبيرة تكونت أثناء التلدين المسبق. ولوحظ الطي على كلا الجانبين (الشكل 1 ب، المميز بأسهم أرجوانية). غالبًا ما توجد هذه الطيات في أفلام الجرافين والجرافيت المزروعة بالأمراض القلبية الوعائية بسبب الاختلاف الكبير في معامل التمدد الحراري بين الجرافيت وركيزة النيكل .
أكدت صورة AFM أن عينة FS-NGF كانت أكثر تملقًا من عينة BS-NGF (الشكل SI1) (الشكل SI2). تبلغ قيم خشونة الجذر التربيعي (RMS) لـ FS-NGF / Ni (الشكل SI2c) و BS-NGF / Ni (الشكل SI2d) 82 و 200 نانومتر، على التوالي (يتم قياسها على مساحة 20 × 20 ميكرومتر2). يمكن فهم الخشونة الأعلى بناءً على التحليل السطحي لرقائق النيكل (NiAR) في الحالة المستلمة (الشكل SI3). تظهر صور SEM لـ FS وBS-NiAR في الأشكال SI3a-d، مما يوضح الأشكال السطحية المختلفة: تحتوي رقائق FS-Ni المصقولة على جزيئات كروية بحجم النانو والميكرون، بينما تعرض رقائق BS-Ni غير المصقولة سلم إنتاج. كجزيئات ذات قوة عالية. والتراجع. تظهر الصور ذات الدقة المنخفضة والعالية لرقائق النيكل الملدنة (NiA) في الشكل SI3e – h. في هذه الأشكال، يمكننا ملاحظة وجود عدة جزيئات نيكل بحجم ميكرون على جانبي رقائق النيكل (الشكل SI3e-h). قد يكون للحبوب الكبيرة اتجاه سطحي Ni(111)، كما ورد سابقًا. هناك اختلافات كبيرة في مورفولوجيا رقائق النيكل بين FS-NiA وBS-NiA. ترجع الخشونة العالية لـ BS-NGF/Ni إلى السطح غير المصقول لـ BS-NiAR، والذي يظل سطحه خشنًا بشكل ملحوظ حتى بعد التلدين (الشكل SI3). يسمح هذا النوع من توصيف السطح قبل عملية النمو بالتحكم في خشونة أفلام الجرافين والجرافيت. تجدر الإشارة إلى أن الركيزة الأصلية خضعت لبعض عمليات إعادة تنظيم الحبوب أثناء نمو الجرافين، مما أدى إلى انخفاض طفيف في حجم الحبوب وزيادة إلى حد ما في خشونة سطح الركيزة مقارنة بالرقائق الصلبة والفيلم المحفز.
إن ضبط خشونة سطح الركيزة ووقت التلدين (حجم الحبوب) والتحكم في الإطلاق سيساعد على تقليل توحيد سمك NGF الإقليمي إلى مقياس μm2 و/أو حتى nm2 (أي اختلافات السُمك لبضعة نانومترات). للتحكم في خشونة سطح الركيزة، يمكن النظر في طرق مثل التلميع الكهربائي لرقائق النيكل الناتجة. يمكن بعد ذلك صلب رقائق النيكل المعالجة عند درجة حرارة أقل (<900 درجة مئوية) 46 والوقت (<5 دقائق) لتجنب تكوين حبيبات Ni(111) كبيرة (وهو أمر مفيد لنمو FLG).
الجرافين SLG وFLG غير قادر على تحمل التوتر السطحي للأحماض والماء، مما يتطلب طبقات دعم ميكانيكية أثناء عمليات نقل المواد الكيميائية الرطبة . على النقيض من النقل الكيميائي الرطب للجرافين أحادي الطبقة المدعوم بالبوليمر، وجدنا أنه يمكن نقل كلا جانبي NGF المزروع دون دعم البوليمر، كما هو مبين في الشكل 2 أ (انظر الشكل SI4a لمزيد من التفاصيل). يبدأ نقل NGF إلى ركيزة معينة بالحفر الرطب لفيلم Ni30.49 الأساسي. تم وضع عينات NGF/Ni/NGF المزروعة طوال الليل في 15 مل من 70% HNO3 مخفف بـ 600 مل من الماء منزوع الأيونات (DI). بعد إذابة رقائق النيكل تمامًا، يظل FS-NGF مسطحًا ويطفو على سطح السائل، تمامًا مثل عينة NGF/Ni/NGF، بينما يتم غمر BS-NGF في الماء (الشكل 2 أ، ب). تم بعد ذلك نقل NGF المعزول من دورق يحتوي على ماء منزوع الأيونات الطازج إلى دورق آخر وتم غسل NGF المعزول جيدًا، وتكرار ذلك من أربع إلى ست مرات من خلال الطبق الزجاجي المقعر. وأخيرا، تم وضع FS-NGF وBS-NGF على الركيزة المطلوبة (الشكل 2C).
عملية نقل المواد الكيميائية الرطبة الخالية من البوليمر لـ NGF المزروعة على رقائق النيكل: (أ) مخطط تدفق العملية (انظر الشكل SI4 لمزيد من التفاصيل)، (ب) صورة رقمية لـ NGF المنفصل بعد حفر النيكل (عينتان)، (ج) مثال FS - ونقل BS-NGF إلى الركيزة SiO2 / Si، (د) نقل FS-NGF إلى الركيزة البوليمرية غير الشفافة، (هـ) BS-NGF من نفس عينة اللوحة d (مقسمة إلى جزأين)، منقولة إلى ورق C مطلي بالذهب و Nafion (ركيزة شفافة ومرنة، حواف مميزة بزوايا حمراء).
لاحظ أن نقل SLG الذي يتم تنفيذه باستخدام طرق نقل المواد الكيميائية الرطبة يتطلب وقت معالجة إجمالي يبلغ 20-24 ساعة 38. مع تقنية النقل الخالية من البوليمر الموضحة هنا (الشكل SI4a)، يتم تقليل وقت معالجة نقل NGF الإجمالي بشكل كبير (حوالي 15 ساعة). تتكون العملية من: (الخطوة 1) تحضير محلول النقش ووضع العينة فيه (حوالي 10 دقائق)، ثم الانتظار طوال الليل حتى النقش بالنيكل (حوالي 7200 دقيقة)، (الخطوة 2) الشطف بالماء منزوع الأيونات (الخطوة - 3) . تخزينها في الماء منزوع الأيونات أو نقلها إلى الركيزة المستهدفة (20 دقيقة). تتم إزالة الماء المحصور بين NGF والمصفوفة السائبة عن طريق العمل الشعري (باستخدام الورق النشاف)، ثم تتم إزالة قطرات الماء المتبقية عن طريق التجفيف الطبيعي (حوالي 30 دقيقة)، وأخيرا يتم تجفيف العينة لمدة 10 دقائق. دقيقة في فرن مفرغ (10-1 مللي بار) عند درجة حرارة 50-90 درجة مئوية (60 دقيقة) 38.
من المعروف أن الجرافيت يتحمل وجود الماء والهواء عند درجات حرارة عالية إلى حد ما (≥ 200 درجة مئوية) 50،51،52. قمنا باختبار العينات باستخدام مطيافية رامان، وSEM، وXRD بعد تخزينها في الماء منزوع الأيونات في درجة حرارة الغرفة وفي زجاجات مختومة في أي مكان من بضعة أيام إلى سنة واحدة (الشكل SI4). لا يوجد تدهور ملحوظ. يوضح الشكل 2 ج FS-NGF وBS-NGF القائمين بذاتهما في الماء منزوع الأيونات. قمنا بالتقاطها على ركيزة SiO2 (300 نانومتر)/Si، كما هو موضح في بداية الشكل 2ج. بالإضافة إلى ذلك، كما هو مبين في الشكل 2 د، هـ، يمكن نقل NGF المستمر إلى ركائز مختلفة مثل البوليمرات (بولي أميد ثيرمابرايت من Nexolve وNafion) وورق الكربون المطلي بالذهب. تم وضع FS-NGF العائم بسهولة على الركيزة المستهدفة (الشكل 2 ج، د). ومع ذلك، كان من الصعب التعامل مع عينات BS-NGF الأكبر من 3 سم2 عند غمرها بالكامل في الماء. عادةً، عندما تبدأ في التدحرج في الماء، فإنها تنقسم أحيانًا إلى قسمين أو ثلاثة أجزاء بسبب التعامل معها بإهمال (الشكل 2 هـ). بشكل عام، تمكنا من تحقيق نقل خالي من البوليمر لـ PS- وBS-NGF (النقل السلس المستمر دون نمو NGF/Ni/NGF عند 6 سم2) للعينات التي تصل مساحتها إلى 6 و3 سم2 في المنطقة، على التوالي. يمكن رؤية أي قطع كبيرة أو صغيرة متبقية (يمكن رؤيتها بسهولة في محلول النقش أو الماء منزوع الأيونات) على الركيزة المرغوبة (حوالي 1 مم2، الشكل SI4b، انظر العينة المنقولة إلى شبكة النحاس كما في "FS-NGF: الهيكل والخصائص (تمت مناقشته)" ضمن "الهيكل والخصائص") أو تخزينها للاستخدام المستقبلي (الشكل SI4). واستنادًا إلى هذا المعيار، فإننا نقدر أنه يمكن استرداد NGF في عوائد تصل إلى 98-99% (بعد النمو للنقل).
تم تحليل عينات النقل بدون البوليمر بالتفصيل. أظهرت الخصائص المورفولوجية السطحية التي تم الحصول عليها على FS- وBS-NGF/SiO2/Si (الشكل 2 ج) باستخدام المجهر الضوئي (OM) وصور SEM (الشكل SI5 والشكل 3) أنه تم نقل هذه العينات بدون الفحص المجهري. الأضرار الهيكلية المرئية مثل الشقوق أو الثقوب أو المناطق غير المدرفلة. ظلت الطيات الموجودة على NGF المتنامي (الشكل 3 ب ، د ، والتي تتميز بأسهم أرجوانية) سليمة بعد النقل. يتكون كل من FS- وBS-NGFs من مناطق FLG (المناطق الساطعة المشار إليها بواسطة الأسهم الزرقاء في الشكل 3). من المثير للدهشة، على عكس المناطق المتضررة القليلة التي يتم ملاحظتها عادةً أثناء نقل البوليمر لأفلام الجرافيت فائقة الرقة، تم نقل العديد من مناطق FLG وMLG بحجم ميكرون المتصلة بـ NGF (التي تتميز بالأسهم الزرقاء في الشكل ثلاثي الأبعاد) دون شقوق أو فواصل (الشكل ثلاثي الأبعاد) . 3). . تم تأكيد السلامة الميكانيكية بشكل أكبر باستخدام صور TEM وSEM لـ NGF المنقولة على شبكات نحاسية من الدانتيل والكربون، كما تمت مناقشته لاحقًا ("FS-NGF: البنية والخصائص"). يكون BS-NGF/SiO2/Si المنقول أكثر خشونة من FS-NGF/SiO2/Si بقيم جذر متوسط ​​مربع تبلغ 140 نانومتر و17 نانومتر، على التوالي، كما هو مبين في الشكل SI6a وb (20 × 20 ميكرومتر2). قيمة RMS لـ NGF المنقولة إلى الركيزة SiO2 / Si (RMS < 2 نانومتر) أقل بكثير (حوالي 3 مرات) من قيمة NGF المزروعة على Ni (الشكل SI2)، مما يشير إلى أن الخشونة الإضافية قد تتوافق مع سطح Ni . بالإضافة إلى ذلك، أظهرت صور AFM التي تم إجراؤها على حواف عينات FS- وBS-NGF/SiO2/Si سماكة NGF تبلغ 100 و80 نانومتر، على التوالي (الشكل SI7). قد يكون سمك BS-NGF الأصغر نتيجة لعدم تعرض السطح مباشرة لغاز السلائف.
NGF المنقول (NiAG) بدون بوليمر على رقاقة SiO2/Si (انظر الشكل 2 ج): (أ، ب) صور SEM لـ FS-NGF المنقول: التكبير المنخفض والعالي (الموافق للمربع البرتقالي في اللوحة). المناطق النموذجية) – أ). ( ج، د ) صور SEM لـ BS-NGF المنقول: التكبير المنخفض والعالي (المقابلة للمنطقة النموذجية الموضحة بالمربع البرتقالي في اللوحة c). ( هـ ، و ) صور AFM لـ FS- و BS-NGFs المنقولة. يمثل السهم الأزرق منطقة FLG - التباين الساطع، السهم السماوي - تباين MLG الأسود، السهم الأحمر - يمثل التباين الأسود منطقة NGF، ويمثل السهم الأرجواني الطية.
تم تحليل التركيب الكيميائي للFS- وBS-NGFs المزروعة والمنقولة بواسطة التحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية (XPS) (الشكل 4). وقد لوحظت ذروة ضعيفة في الأطياف المقاسة (الشكل 4 أ ، ب) ، المقابلة للركيزة Ni (850 فولت) من FS- و BS-NGFs المزروعة (NiAG). لا توجد قمم في الأطياف المقاسة لـ FS- وBS-NGF/SiO2/Si المنقولة (الشكل 4 ج؛ لا تظهر نتائج مماثلة لـ BS-NGF/SiO2/Si)، مما يشير إلى عدم وجود تلوث Ni متبقي بعد النقل . تُظهر الأشكال 4d – f الأطياف عالية الدقة لمستويات الطاقة C 1 s و O 1 s و Si 2p لـ FS-NGF / SiO2 / Si. طاقة الربط لـ C 1 s من الجرافيت هي 284.4 eV53.54. يعتبر الشكل الخطي لقمم الجرافيت بشكل عام غير متماثل، كما هو موضح في الشكل 4d54. أكد طيف C 1 عالي الدقة (الشكل 4 د) أيضًا النقل النقي (أي عدم وجود بقايا بوليمر) ، وهو ما يتوافق مع الدراسات السابقة . يبلغ عرض خطوط أطياف C 1 s للعينة المزروعة حديثًا (NiAG) وبعد النقل 0.55 و0.62 فولت على التوالي. هذه القيم أعلى من تلك الخاصة بـ SLG (0.49 فولت لـ SLG على ركيزة SiO2) . ومع ذلك، فإن هذه القيم أصغر من عروض الخطوط المُبلغ عنها سابقًا لعينات الجرافين الانحلالي الحراري شديدة التوجه (~0.75 فولت) 53،54،55، مما يشير إلى عدم وجود مواقع كربون معيبة في المادة الحالية. يفتقر أطياف مستوى الأرض C 1 s وO 1 s أيضًا إلى الأكتاف، مما يلغي الحاجة إلى ذروة تفكيك عالية الدقة . هناك ذروة π → π* للقمر الصناعي تبلغ حوالي 291.1 فولت، والتي غالبًا ما يتم ملاحظتها في عينات الجرافيت. تُعزى إشارات 103 eV و532.5 eV في أطياف المستوى الأساسي Si 2p وO 1 s (انظر الشكل 4e، f) إلى الركيزة SiO2 56، على التوالي. XPS هي تقنية حساسة للسطح، لذا يُفترض أن الإشارات المقابلة لـ Ni وSiO2 المكتشفة قبل وبعد نقل NGF، على التوالي، تنشأ من منطقة FLG. وقد لوحظت نتائج مماثلة لعينات BS-NGF المنقولة (غير موضحة).
نتائج NiAG XPS: (أ) أطياف المسح للتركيبات الذرية المختلفة لـ FS-NGF/Ni وBS-NGF/Ni المنقولة وFS-NGF/SiO2/Si، على التوالي. ( d – f ) أطياف عالية الدقة للمستويات الأساسية C 1 s و O 1s و Si 2p لعينة FS-NGF / SiO2 / Si.
تم تقييم الجودة الشاملة لبلورات NGF المنقولة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD). تُظهر أنماط XRD النموذجية (الشكل SI8) للـ FS- وBS-NGF/SiO2/Si المنقولة وجود قمم الحيود (0 0 0 2) و(0 0 0 4) عند 26.6 درجة و54.7 درجة، على غرار الجرافيت. . وهذا يؤكد الجودة البلورية العالية لـ NGF ويتوافق مع مسافة بينية تبلغ d = 0.335 نانومتر، والتي يتم الحفاظ عليها بعد خطوة النقل. تبلغ شدة ذروة الحيود (0 0 0 2) ما يقرب من 30 مرة من ذروة الحيود (0 0 0 4)، مما يشير إلى أن المستوى البلوري NGF يتماشى جيدًا مع سطح العينة.
وفقًا لنتائج SEM، ومطياف رامان، وXPS، وXRD، وجد أن جودة BS-NGF/Ni هي نفس جودة FS-NGF/Ni، على الرغم من أن جذر متوسط ​​تربيع خشونةها كان أعلى قليلاً (الأشكال SI2، SI5) وSI7).
يمكن أن تطفو SLGs ذات طبقات دعم البوليمر التي يصل سمكها إلى 200 نانومتر على الماء. يشيع استخدام هذا الإعداد في عمليات نقل المواد الكيميائية الرطبة بمساعدة البوليمر. الجرافين والجرافيت كارهون للماء (زاوية رطبة 80-90 درجة) 57 . تم الإبلاغ عن أن أسطح الطاقة المحتملة لكل من الجرافين وFLG مسطحة تمامًا، مع طاقة محتملة منخفضة (~ 1 كيلو جول / مول) للحركة الجانبية للمياه على السطح . ومع ذلك، فإن طاقات التفاعل المحسوبة للماء مع الجرافين وثلاث طبقات من الجرافين تبلغ تقريبًا -13 و-15 كيلوجول/مول،58 على التوالي، مما يشير إلى أن تفاعل الماء مع NGF (حوالي 300 طبقة) أقل مقارنة بالجرافين. قد يكون هذا أحد الأسباب وراء بقاء NGF القائم بذاته مسطحًا على سطح الماء، بينما يلتف الجرافين القائم بذاته (الذي يطفو في الماء) ويتحلل. عندما يتم غمر NGF بالكامل في الماء (النتائج هي نفسها بالنسبة إلى NGF الخشن والمسطح)، تنحني حوافه (الشكل SI4). في حالة الغمر الكامل، من المتوقع أن تتضاعف طاقة التفاعل بين NGF والماء تقريبًا (مقارنة بـ NGF العائم) وأن يتم طي حواف NGF للحفاظ على زاوية اتصال عالية (كارهة للماء). نحن نعتقد أنه يمكن تطوير الاستراتيجيات لتجنب تجعيد حواف NGFs المضمنة. أحد الأساليب هو استخدام المذيبات المختلطة لتعديل تفاعل ترطيب فيلم الجرافيت.
تم الإبلاغ سابقًا عن نقل SLG إلى أنواع مختلفة من الركائز عبر عمليات نقل المواد الكيميائية الرطبة . من المقبول عمومًا وجود قوى فان دير فال الضعيفة بين أفلام الجرافين/الجرافيت والركائز (سواء كانت ركائز صلبة مثل SiO2/Si38،41،46،60، SiC38، Au42، أعمدة Si22 وأفلام الكربون اللاسي 30، 34 أو ركائز مرنة) مثل بوليميد 37). هنا نفترض أن التفاعلات من نفس النوع هي السائدة. لم نلاحظ أي ضرر أو تقشير NGF لأي من الركائز المعروضة هنا أثناء المعالجة الميكانيكية (أثناء التوصيف تحت الفراغ و/أو الظروف الجوية أو أثناء التخزين) (على سبيل المثال، الشكل 2، SI7 وSI9). بالإضافة إلى ذلك، لم نلاحظ ذروة SiC في طيف XPS C 1 s للمستوى الأساسي لعينة NGF/SiO2/Si (الشكل 4). تشير هذه النتائج إلى عدم وجود رابطة كيميائية بين NGF والركيزة المستهدفة.
في القسم السابق، "النقل الخالي من البوليمر لـ FS- وBS-NGF"، أوضحنا أن NGF يمكن أن ينمو وينقل على جانبي رقائق النيكل. إن FS-NGFs وBS-NGF ليسا متطابقين من حيث خشونة السطح، مما دفعنا إلى استكشاف التطبيقات الأكثر ملاءمة لكل نوع.
بالنظر إلى الشفافية والسطح الأكثر سلاسة لـ FS-NGF، قمنا بدراسة بنيته المحلية وخصائصه البصرية والكهربائية بمزيد من التفصيل. تميز هيكل وهيكل FS-NGF دون نقل البوليمر عن طريق التصوير المجهري الإلكتروني (TEM) وتحليل نمط حيود الإلكترون المختار (SAED). تظهر النتائج المقابلة في الشكل 5. كشف تصوير TEM المستوي منخفض التكبير عن وجود مناطق NGF وFLG ذات خصائص تباين إلكترونية مختلفة، أي مناطق أكثر قتامة وأكثر إشراقًا، على التوالي (الشكل 5 أ). يُظهر الفيلم عمومًا سلامة ميكانيكية جيدة واستقرارًا بين المناطق المختلفة من NGF وFLG، مع تداخل جيد وعدم وجود ضرر أو تمزق، وهو ما تم تأكيده أيضًا بواسطة SEM (الشكل 3) ودراسات TEM عالية التكبير (الشكل 5c-e). على وجه الخصوص، يوضح الشكل 5 د بنية الجسر في الجزء الأكبر منه (الموضع المميز بالسهم المنقط الأسود في الشكل 5 د)، والذي يتميز بشكل مثلث ويتكون من طبقة جرافين يبلغ عرضها حوالي 51 درجة. يتم تقليل التركيبة ذات التباعد بين الكواكب بمقدار 0.33 ± 0.01 نانومتر إلى عدة طبقات من الجرافين في أضيق منطقة (نهاية السهم الأسود الصلب في الشكل 5 د).
صورة TEM مستوية لعينة NiAG خالية من البوليمر على شبكة نحاسية كربونية مزركشة: (أ، ب) صور TEM منخفضة التكبير بما في ذلك مناطق NGF وFLG، (ce) صور عالية التكبير لمناطق مختلفة في اللوحة-a واللوحة-b سهام محددة من نفس اللون. تشير الأسهم الخضراء في اللوحات a وc إلى مناطق دائرية من التلف أثناء محاذاة الحزمة. (و - ط) في اللوحات من أ إلى ج، تتم الإشارة إلى أنماط SAED في مناطق مختلفة بدوائر زرقاء وسماوية وبرتقالية وحمراء، على التوالي.
يُظهر هيكل الشريط في الشكل 5 ج (المميز بالسهم الأحمر) الاتجاه الرأسي لمستويات شعرية الجرافيت، والذي قد يكون بسبب تكوين طيات نانوية على طول الفيلم (أقحم في الشكل 5 ج) بسبب إجهاد القص الزائد غير المعوض 30،61،62 . في ظل TEM عالي الدقة، تظهر هذه الطيات النانوية 30 اتجاهًا بلوريًا مختلفًا عن بقية منطقة NGF؛ يتم توجيه الطائرات القاعدية لشبكة الجرافيت عموديًا تقريبًا، وليس أفقيًا مثل بقية الفيلم (أقحم في الشكل 5 ج). وبالمثل، تعرض منطقة FLG أحيانًا طيات خطية وضيقة تشبه النطاق (تتميز بأسهم زرقاء)، والتي تظهر عند التكبير المنخفض والمتوسط ​​في الأشكال 5 ب، 5 هـ، على التوالي. يؤكد الشكل الداخلي 5e وجود طبقات جرافين ثنائية وثلاثية الطبقات في قطاع FLG (المسافة بين الكواكب 0.33 ± 0.01 نانومتر)، وهو ما يتوافق جيدًا مع نتائجنا السابقة . بالإضافة إلى ذلك، يتم عرض صور SEM المسجلة لـ NGF الخالية من البوليمر المنقولة على شبكات النحاس مع أفلام الكربون المزركشة (بعد إجراء قياسات TEM ذات الرؤية العلوية) في الشكل SI9. منطقة FLG المعلقة جيدًا (المميزة بالسهم الأزرق) والمنطقة المكسورة في الشكل SI9f. يتم عرض السهم الأزرق (على حافة NGF المنقول) عمدًا لإثبات أن منطقة FLG يمكنها مقاومة عملية النقل بدون بوليمر. باختصار، تؤكد هذه الصور أن NGF المعلق جزئيًا (بما في ذلك منطقة FLG) يحافظ على السلامة الميكانيكية حتى بعد المعالجة الصارمة والتعرض للفراغ العالي أثناء قياسات TEM وSEM (الشكل SI9).
نظرًا للتسطيح الممتاز لـ NGF (انظر الشكل 5 أ)، ليس من الصعب توجيه الرقائق على طول محور المجال [0001] لتحليل بنية SAED. اعتمادا على سمك الفيلم المحلي وموقعه، تم تحديد عدة مناطق ذات أهمية (12 نقطة) لدراسات حيود الإلكترون. في الأشكال 5 أ-ج، تظهر أربع من هذه المناطق النموذجية ويتم تمييزها بدوائر ملونة (الأزرق والسماوي والبرتقالي والأحمر مشفرة). الشكلان 2 و3 لوضع SAED. تم الحصول على الشكلين 5f وg من منطقة FLG الموضحة في الشكلين 5 و5. كما هو موضح في الشكلين 5 ب وج، على التوالي. لديهم بنية سداسية تشبه الجرافين الملتوي 63 . على وجه الخصوص، يُظهر الشكل 5f ثلاثة أنماط متراكبة لها نفس اتجاه محور المنطقة [0001]، ويتم تدويرها بمقدار 10° و20°، كما يتضح من عدم التطابق الزاوي للأزواج الثلاثة من الانعكاسات (10-10). وبالمثل، يُظهر الشكل 5g نمطين سداسيين متراكبين يدوران بمقدار 20 درجة. يمكن أن تنشأ مجموعتان أو ثلاث مجموعات من الأنماط السداسية في منطقة FLG من ثلاث طبقات جرافين داخل الطائرة أو خارجها 33 تدور بالنسبة لبعضها البعض. في المقابل، تظهر أنماط حيود الإلكترون في الشكل 5ح،ط (المقابلة لمنطقة NGF الموضحة في الشكل 5أ) نمطًا واحدًا [0001] مع كثافة حيود إجمالية أعلى، تتوافق مع زيادة سمك المادة. تتوافق نماذج SAED هذه مع بنية جرافيتية أكثر سمكًا واتجاهًا متوسطًا من FLG، كما يتم استنتاجه من الفهرس 64. وكشف توصيف الخواص البلورية لـ NGF عن تعايش اثنين أو ثلاثة بلورات من الجرافيت (أو الجرافين) المتراكبة. ما هو جدير بالملاحظة بشكل خاص في منطقة FLG هو أن البلورات لديها درجة معينة من سوء التوجيه داخل الطائرة أو خارجها. تم الإبلاغ سابقًا عن جزيئات / طبقات الجرافيت ذات زوايا دوران داخل الطائرة تبلغ 17 درجة و 22 درجة و 25 درجة لـ NGF المزروعة في أفلام Ni 64 . تتوافق قيم زاوية الدوران التي لوحظت في هذه الدراسة مع زوايا الدوران التي تمت ملاحظتها مسبقًا (± 1 درجة) للجرافين BLG63 الملتوي.
تم قياس الخواص الكهربائية لـ NGF/SiO2/Si عند 300 كلفن على مساحة 10×3 مم2. قيم تركيز حامل الإلكترون والتنقل والتوصيل هي 1.6 × 1020 سم -3 و 220 سم 2 V-1 C-1 و 2000 سم-1 على التوالي. تتشابه قيم التنقل والتوصيل الخاصة بـ NGF لدينا مع الجرافيت الطبيعي وأعلى من الجرافيت الحراري عالي التوجه المتوفر تجاريًا (الذي يتم إنتاجه عند 3000 درجة مئوية) . تعد قيم تركيز حامل الإلكترون المرصودة أعلى بأمرين من تلك التي تم الإبلاغ عنها مؤخرًا (7.25 × 10 سم 3) لأفلام الجرافيت ذات سماكة ميكرون المحضرة باستخدام صفائح بوليميد ذات درجة حرارة عالية (3200 درجة مئوية) 20.
أجرينا أيضًا قياسات النفاذية المرئية للأشعة فوق البنفسجية على FS-NGF المنقولة إلى ركائز الكوارتز (الشكل 6). يظهر الطيف الناتج نفاذية ثابتة تقريبًا بنسبة 62% في المدى 350-800 نانومتر، مما يشير إلى أن NGF شفاف للضوء المرئي. وفي الواقع، يمكن رؤية اسم "KAUST" في الصورة الرقمية للعينة في الشكل 6ب. على الرغم من أن البنية البلورية النانوية لـ NGF تختلف عن تلك الخاصة بـ SLG، إلا أنه يمكن تقدير عدد الطبقات تقريبًا باستخدام قاعدة فقدان الإرسال بنسبة 2.3% لكل طبقة إضافية. وفقًا لهذه العلاقة، فإن عدد طبقات الجرافين مع فقدان الإرسال بنسبة 38٪ هو 21. يتكون NGF المزروع بشكل أساسي من 300 طبقة جرافين، أي يبلغ سمكها حوالي 100 نانومتر (الشكل 1، SI5 وSI7). ولذلك، فإننا نفترض أن الشفافية البصرية المرصودة تتوافق مع منطقتي FLG وMLG، حيث يتم توزيعهما في جميع أنحاء الفيلم (الأشكال 1 و3 و5 و6ج). بالإضافة إلى البيانات الهيكلية المذكورة أعلاه، تؤكد الموصلية والشفافية أيضًا الجودة البلورية العالية لـ NGF المنقول.
(أ) قياس النفاذية المرئية للأشعة فوق البنفسجية، (ب) نقل NGF النموذجي على الكوارتز باستخدام عينة تمثيلية. ( ج ) رسم تخطيطي لـ NGF (مربع مظلم) مع مناطق FLG و MLG الموزعة بالتساوي والتي تم تمييزها كأشكال عشوائية رمادية في جميع أنحاء العينة (انظر الشكل 1) (حوالي 0.1-3٪ مساحة لكل 100 ميكرومتر). الأشكال العشوائية وأحجامها في الرسم التخطيطي هي لأغراض توضيحية فقط ولا تتوافق مع المساحات الفعلية.
سبق أن تم نقل NGF الشفاف المزروع بواسطة CVD إلى أسطح السيليكون العارية واستخدامه في الخلايا الشمسية . تبلغ كفاءة تحويل الطاقة الناتجة (PCE) 1.5%. تؤدي NGFs هذه وظائف متعددة مثل الطبقات المركبة النشطة ومسارات نقل الشحنة والأقطاب الكهربائية الشفافة. ومع ذلك، فإن فيلم الجرافيت ليس موحدًا. مزيد من التحسين ضروري من خلال التحكم بعناية في مقاومة الورقة والنفاذية البصرية لقطب الجرافيت، لأن هاتين الخاصيتين تلعبان دورًا مهمًا في تحديد قيمة PCE للخلية الشمسية. عادة، تكون أغشية الجرافين شفافة بنسبة 97.7% للضوء المرئي، ولكن لها مقاومة للصفائح تبلغ 200-3000 أوم/متر مربع. يمكن تقليل المقاومة السطحية لأفلام الجرافين عن طريق زيادة عدد الطبقات (النقل المتعدد لطبقات الجرافين) والمنشطات باستخدام HNO3 (~ 30 أوم / قدم مربع)66. ومع ذلك، تستغرق هذه العملية وقتًا طويلاً ولا تحافظ طبقات النقل المختلفة دائمًا على اتصال جيد. يتميز الجانب الأمامي NGF بخصائص مثل الموصلية 2000 S/cm، ومقاومة صفائح الفيلم 50 أوم/متر مربع. وشفافية بنسبة 62%، مما يجعلها بديلاً قابلاً للتطبيق للقنوات الموصلة أو الأقطاب الكهربائية المضادة في الخلايا الشمسية.
على الرغم من أن البنية والكيمياء السطحية لـ BS-NGF تشبه FS-NGF، إلا أن خشونتها مختلفة ("نمو FS- وBS-NGF"). في السابق، استخدمنا الجرافيت ذو الطبقة الرقيقة للغاية كجهاز استشعار للغاز. لذلك، قمنا باختبار جدوى استخدام BS-NGF لمهام استشعار الغاز (الشكل SI10). أولاً، تم نقل أجزاء بحجم mm2 من BS-NGF إلى شريحة مستشعر القطب الكهربائي المتداخل (الشكل SI10a-c). تم الإبلاغ سابقًا عن تفاصيل تصنيع الشريحة؛ تبلغ المنطقة الحساسة النشطة 9 ملم267. في صور SEM (الشكل SI10b وc)، يكون قطب الذهب الأساسي مرئيًا بوضوح من خلال NGF. مرة أخرى، يمكن ملاحظة أنه تم تحقيق تغطية موحدة للرقاقة لجميع العينات. تم تسجيل قياسات مستشعر الغاز للغازات المختلفة (الشكل SI10d) (الشكل SI11) وتظهر معدلات الاستجابة الناتجة في الشكلين. SI10g. من المحتمل مع الغازات المسببة للتداخل الأخرى بما في ذلك ثاني أكسيد الكبريت (200 جزء في المليون) وH2 (2%) وCH4 (200 جزء في المليون) وCO2 (2%) وكبريتيد الهيدروجين (200 جزء في المليون) وNH3 (200 جزء في المليون). أحد الأسباب المحتملة هو NO2. الطبيعة الكهربية للغاز22،68. عندما يتم امتصاصه على سطح الجرافين، فإنه يقلل من امتصاص النظام الحالي للإلكترونات. يتم عرض مقارنة بين بيانات وقت الاستجابة لمستشعر BS-NGF مع أجهزة الاستشعار المنشورة مسبقًا في الجدول SI2. آلية إعادة تنشيط أجهزة استشعار NGF باستخدام بلازما الأشعة فوق البنفسجية أو بلازما O3 أو المعالجة الحرارية (50-150 درجة مئوية) للعينات المكشوفة مستمرة، ويتبعها بشكل مثالي تنفيذ الأنظمة المدمجة.
أثناء عملية الأمراض القلبية الوعائية، يحدث نمو الجرافين على جانبي الركيزة المحفزة. ومع ذلك، عادة ما يتم إخراج الجرافين BS أثناء عملية النقل . في هذه الدراسة، نوضح أنه يمكن تحقيق نمو NGF عالي الجودة ونقل NGF خالي من البوليمر على جانبي دعم المحفز. BS-NGF أرق (~ 80 نانومتر) من FS-NGF (~ 100 نانومتر)، ويفسر هذا الاختلاف بحقيقة أن BS-Ni لا يتعرض مباشرة لتدفق الغاز السلائف. لقد وجدنا أيضًا أن خشونة الركيزة NiAR تؤثر على خشونة NGF. تشير هذه النتائج إلى أنه يمكن استخدام FS-NGF المستوي المزروع كمادة أولية للجرافين (بطريقة التقشير) أو كقناة موصلة في الخلايا الشمسية . في المقابل، سيتم استخدام BS-NGF للكشف عن الغاز (الشكل SI9) وربما لأنظمة تخزين الطاقة حيث ستكون خشونة سطحه مفيدة.
وبالنظر إلى ما ورد أعلاه، فمن المفيد الجمع بين العمل الحالي وأفلام الجرافيت المنشورة مسبقًا والتي نمت بواسطة الأمراض القلبية الوعائية واستخدام رقائق النيكل. كما يتبين في الجدول 2، فإن الضغوط العالية التي استخدمناها أدت إلى تقصير وقت التفاعل (مرحلة النمو) حتى في درجات حرارة منخفضة نسبيًا (في حدود 850-1300 درجة مئوية). كما حققنا نموًا أكبر من المعتاد، مما يشير إلى إمكانية التوسع. وهناك عوامل أخرى يجب أخذها في الاعتبار، وقد أدرجنا بعضها في الجدول.
تمت زراعة NGF عالي الجودة على الوجهين على رقائق النيكل بواسطة الأمراض القلبية الوعائية الحفزية. من خلال التخلص من ركائز البوليمر التقليدية (مثل تلك المستخدمة في الجرافين CVD)، نحقق نقلًا رطبًا نظيفًا وخاليًا من العيوب لـ NGF (المزروع على الجانبين الخلفي والأمامي لرقائق النيكل) إلى مجموعة متنوعة من الركائز الحرجة للعمليات. ومن الجدير بالذكر أن NGF يتضمن مناطق FLG وMLG (عادةً 0.1% إلى 3% لكل 100 ميكرومتر مربع) والتي يتم دمجها جيدًا من الناحية الهيكلية في الفيلم الأكثر سمكًا. يوضح Planar TEM أن هذه المناطق تتكون من أكوام من اثنين إلى ثلاثة جزيئات من الجرافيت/الجرافين (بلورات أو طبقات، على التوالي)، وبعضها لديه عدم تطابق دوراني قدره 10-20 درجة. مناطق FLG وMLG مسؤولة عن شفافية FS-NGF للضوء المرئي. أما بالنسبة للألواح الخلفية، فيمكن حملها بالتوازي مع الألواح الأمامية، وكما هو موضح، يمكن أن يكون لها غرض وظيفي (على سبيل المثال، للكشف عن الغاز). تعتبر هذه الدراسات مفيدة جدًا لتقليل الهدر والتكاليف في عمليات الأمراض القلبية الوعائية على المستوى الصناعي.
بشكل عام، يقع متوسط ​​سمك CVD NGF بين صفائح الجرافين (منخفضة ومتعددة الطبقات) وصفائح الجرافيت الصناعية (ميكرومتر). إن نطاق خصائصها المثيرة للاهتمام، جنبًا إلى جنب مع الطريقة البسيطة التي طورناها لإنتاجها ونقلها، يجعل هذه الأفلام مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب الاستجابة الوظيفية للجرافيت، دون حساب عمليات الإنتاج الصناعي كثيفة الاستهلاك للطاقة المستخدمة حاليًا.
تم تركيب رقائق النيكل بسماكة 25 ميكرون (نقاء 99.5٪، Goodfellow) في مفاعل CVD تجاري (Aixtron 4-inch BMPro). تم تطهير النظام باستخدام الأرجون وتم إخلاءه إلى ضغط أساسي يبلغ 10-3 ملي بار. ثم تم وضع رقائق النيكل. في Ar/H2 (بعد التلدين المسبق لرقاقة Ni لمدة 5 دقائق، تم تعريض الرقاقة لضغط قدره 500 ملي بار عند 900 درجة مئوية. وتم ترسيب NGF في تدفق CH4/H2 (100 سم مكعب لكل منهما) لمدة 5 دقائق. تم بعد ذلك تبريد العينة إلى درجة حرارة أقل من 700 درجة مئوية باستخدام تدفق Ar (4000 سم 3) عند 40 درجة مئوية / دقيقة. تم وصف التفاصيل حول تحسين عملية نمو NGF في مكان آخر.
تم تصور التشكل السطحي للعينة بواسطة SEM باستخدام مجهر زايس ميرلين (1 كيلو فولت، 50 باسكال). تم قياس خشونة سطح العينة وسمك NGF باستخدام AFM (Dimension Icon SPM، Bruker). تم إجراء قياسات TEM و SAED باستخدام مجهر FEI Titan 80–300 Cubed المجهز بمسدس انبعاث مجال عالي السطوع (300 كيلو فولت) وجهاز أحادي اللون من نوع FEI Wien ومصحح انحراف كروي لعدسة CEOS للحصول على النتائج النهائية. القرار المكاني 0.09 نانومتر. تم نقل عينات NGF إلى شبكات النحاس المطلية بالكربون لتصوير TEM المسطح وتحليل هيكل SAED. وهكذا، يتم تعليق معظم كتل العينة في مسام الغشاء الداعم. تم تحليل عينات NGF المنقولة بواسطة XRD. تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية باستخدام مقياس حيود المسحوق (Brucker، ناقل الطور D2 مع مصدر Cu Kα، وكاشف 1.5418 Å وكاشف LYNXEYE) باستخدام مصدر إشعاع Cu بقطر بقعة شعاع يبلغ 3 مم.
تم تسجيل العديد من قياسات نقطة رامان باستخدام مجهر متحد البؤر متكامل (Alpha 300 RA، WITeC). تم استخدام ليزر 532 نانومتر ذو طاقة إثارة منخفضة (25٪) لتجنب التأثيرات المستحثة حرارياً. تم إجراء التحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية (XPS) على مطياف Kratos Axis Ultra على مساحة عينة تبلغ 300 × 700 ميكرومتر باستخدام إشعاع Al Kα أحادي اللون (hν = 1486.6 فولت) بقوة 150 وات. تم الحصول على أطياف الدقة عند طاقات نقل 160 فولت و 20 فولت على التوالي. تم قطع عينات NGF المنقولة إلى SiO2 إلى قطع (3 × 10 مم لكل منهما) باستخدام ليزر ألياف الإيتربيوم PLS6MW (1.06 ميكرومتر) عند 30 وات. وتم تصنيع ملامسات الأسلاك النحاسية (بسمك 50 ميكرومتر) باستخدام معجون الفضة تحت المجهر الضوئي. تم إجراء تجارب النقل الكهربائي وتأثير هول على هذه العينات عند درجة حرارة 300 كلفن وتغير المجال المغناطيسي بمقدار ± 9 تسلا في نظام قياس الخواص الفيزيائية (PPMS EverCool-II، Quantum Design، الولايات المتحدة الأمريكية). تم تسجيل أطياف الأشعة فوق البنفسجية المنقولة باستخدام مقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية Lambda 950 في نطاق 350-800 نانومتر NGF المنقول إلى ركائز الكوارتز وعينات مرجعية من الكوارتز.
تم توصيل مستشعر المقاومة الكيميائية (رقاقة القطب المتداخلة) بلوحة دوائر مطبوعة مخصصة 73 وتم استخلاص المقاومة بشكل عابر. يتم توصيل لوحة الدائرة المطبوعة التي يوجد عليها الجهاز بأطراف الاتصال ويتم وضعها داخل غرفة استشعار الغاز 74. تم أخذ قياسات المقاومة بجهد 1 فولت مع مسح مستمر من التطهير إلى التعرض للغاز ثم التطهير مرة أخرى. تم تنظيف الغرفة في البداية عن طريق التطهير بالنيتروجين عند 200 سم مكعب لمدة ساعة واحدة لضمان إزالة جميع التحاليل الأخرى الموجودة في الغرفة، بما في ذلك الرطوبة. تم بعد ذلك إطلاق التحاليل الفردية ببطء في الغرفة بنفس معدل التدفق البالغ 200 سم 3 عن طريق إغلاق أسطوانة N2.
تم نشر نسخة منقحة من هذه المقالة ويمكن الوصول إليها من خلال الرابط الموجود أعلى المقالة.
Inagaki، M. and Kang، F. علوم وهندسة مواد الكربون: الأساسيات. الطبعة الثانية تم تحريرها. 2014. 542.
بيرسون، دليل H2O للكربون والجرافيت والماس والفوليرين: الخصائص والمعالجة والتطبيقات. تم تحرير الطبعة الأولى. 1994، نيوجيرسي.
تساي، دبليو وآخرون. أفلام جرافين/جرافيت متعددة الطبقات ذات مساحة كبيرة كأقطاب موصلة رفيعة وشفافة. طلب. الفيزياء. رايت. 95(12)، 123115(2009).
Balandin AA الخواص الحرارية للجرافين ومواد الكربون ذات البنية النانوية. نات. مات. 10(8)، 569-581 (2011).
Cheng KY و Brown PW و Cahill DG الموصلية الحرارية لأفلام الجرافيت المزروعة على Ni (111) عن طريق ترسيب البخار الكيميائي منخفض الحرارة. ظرف. مات. الواجهة 3، 16 (2016).
Hesjedal، T. النمو المستمر لأفلام الجرافين عن طريق ترسيب البخار الكيميائي. طلب. الفيزياء. رايت. 98(13)، 133106(2011).