Ni वर अर्धपारदर्शक ग्रेफाइट फिल्म वाढवणे आणि त्याचे द्वि-मार्ग पॉलिमर-मुक्त हस्तांतरण

Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझरच्या आवृत्तीमध्ये मर्यादित CSS सपोर्ट आहे. सर्वोत्तम परिणामांसाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही तुमच्या ब्राउझरची नवीन आवृत्ती वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड अक्षम करा). दरम्यान, चालू असलेल्या समर्थनाची खात्री करण्यासाठी, आम्ही स्टाईल किंवा JavaScript शिवाय साइट प्रदर्शित करत आहोत.
नॅनोस्केल ग्रेफाइट फिल्म्स (एनजीएफ) हे मजबूत नॅनोमटेरियल आहेत जे उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प संचयनाद्वारे तयार केले जाऊ शकतात, परंतु त्यांच्या हस्तांतरणाच्या सुलभतेबद्दल आणि पुढील पिढीच्या उपकरणांमध्ये पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानाचा त्यांच्या वापरावर कसा परिणाम होतो याबद्दल प्रश्न कायम आहेत. येथे आम्ही पॉलीक्रिस्टलाइन निकेल फॉइल (क्षेत्र 55 सेमी 2, जाडी सुमारे 100 एनएम) आणि त्याचे पॉलिमर-मुक्त हस्तांतरण (समोर आणि मागे, 6 सेमी 2 पर्यंत क्षेत्र) च्या दोन्ही बाजूंवर एनजीएफची वाढ नोंदवतो. उत्प्रेरक फॉइलच्या आकारविज्ञानामुळे, दोन कार्बन फिल्म्स त्यांच्या भौतिक गुणधर्मांमध्ये आणि इतर वैशिष्ट्यांमध्ये (जसे की पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा) भिन्न आहेत. आम्ही दाखवून देतो की NO2 शोधण्यासाठी उग्र बॅकसाइड असलेले NGF चांगले आहेत, तर समोरील बाजूस नितळ आणि अधिक प्रवाहकीय NGF (2000 S/cm, शीट रेझिस्टन्स – 50 ohms/m2) व्यवहार्य कंडक्टर असू शकतात. सौर सेलचे चॅनेल किंवा इलेक्ट्रोड (कारण ते 62% दृश्यमान प्रकाश प्रसारित करते). एकूणच, वर्णन केलेली वाढ आणि वाहतूक प्रक्रिया NGF हे तांत्रिक अनुप्रयोगांसाठी पर्यायी कार्बन सामग्री म्हणून ओळखण्यात मदत करू शकते जेथे ग्राफीन आणि मायक्रॉन-जाड ग्रेफाइट फिल्म्स योग्य नाहीत.
ग्रेफाइट ही मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाणारी औद्योगिक सामग्री आहे. विशेष म्हणजे, ग्रेफाइटमध्ये तुलनेने कमी वस्तुमान घनता आणि उच्च विमानातील थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल चालकता यांचे गुणधर्म आहेत आणि कठोर थर्मल आणि रासायनिक वातावरणात ते खूप स्थिर आहे1,2. फ्लेक ग्रेफाइट हे ग्राफीन संशोधन3 साठी एक सुप्रसिद्ध प्रारंभिक सामग्री आहे. पातळ फिल्म्समध्ये प्रक्रिया केल्यावर, स्मार्टफोन 4,5,6,7 सारख्या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी हीट सिंकसह, सेन्सर 8,9,10 मध्ये सक्रिय सामग्री म्हणून आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हस्तक्षेप संरक्षण 11 सारख्या विस्तृत अनुप्रयोगांमध्ये याचा वापर केला जाऊ शकतो. 12 आणि अत्यंत अल्ट्राव्हायोलेट 13,14 मध्ये लिथोग्राफीसाठी चित्रपट, सौर पेशींमध्ये चॅनेल चालवतात15,16. या सर्व ऍप्लिकेशन्ससाठी, नॅनोस्केल <100 nm मध्ये नियंत्रित जाडीसह ग्रेफाइट फिल्म्स (NGFs) चे मोठे क्षेत्र सहजपणे तयार आणि वाहतूक करता आले तर हा एक महत्त्वपूर्ण फायदा होईल.
ग्रेफाइट चित्रपट विविध पद्धतींनी तयार केले जातात. एका प्रकरणात, एम्बेडिंग आणि विस्तार त्यानंतर एक्सफोलिएशनचा वापर ग्राफीन फ्लेक्स 10,11,17 तयार करण्यासाठी केला गेला. फ्लेक्सवर आवश्यक जाडीच्या फिल्म्समध्ये पुढील प्रक्रिया करणे आवश्यक आहे आणि दाट ग्रेफाइट शीट तयार करण्यासाठी बरेच दिवस लागतात. दुसरा दृष्टीकोन म्हणजे ग्राफिटेबल सॉलिड प्रिकर्सर्ससह प्रारंभ करणे. उद्योगात, पॉलिमरची शीट कार्बनीकृत (1000-1500 °C वर) आणि नंतर ग्रेफाइट (2800-3200 °C वर) सु-संरचित स्तरित सामग्री तयार करण्यासाठी केली जाते. जरी या चित्रपटांची गुणवत्ता उच्च असली तरी, उर्जेचा वापर लक्षणीय आहे 1,18,19 आणि किमान जाडी काही मायक्रॉन 1,18,19,20 पर्यंत मर्यादित आहे.
उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) ही उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता आणि वाजवी किंमत 21,22,23,24,25,26,27 सह ग्राफीन आणि अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्म्स (<10 nm) तयार करण्यासाठी एक सुप्रसिद्ध पद्धत आहे. तथापि, ग्राफीन आणि अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्म्सच्या वाढीच्या तुलनेत, मोठ्या क्षेत्राची वाढ आणि/किंवा सीव्हीडी वापरून एनजीएफचा वापर 11,13,29,30,31,32,33 कमी शोधला गेला आहे.
CVD-उगवलेल्या ग्राफीन आणि ग्रेफाइट फिल्म्सना बऱ्याचदा फंक्शनल सब्सट्रेट्सवर स्थानांतरित करणे आवश्यक असते. या पातळ फिल्म ट्रान्सफरमध्ये दोन मुख्य पद्धतींचा समावेश होतो35: (1) नॉन-एच ट्रान्सफर 36,37 आणि (2) इच-आधारित ओले केमिकल ट्रान्सफर (सबस्ट्रेट सपोर्टेड)14,34,38. प्रत्येक पद्धतीचे काही फायदे आणि तोटे आहेत आणि इतरत्र वर्णन केल्याप्रमाणे, इच्छित अनुप्रयोगावर अवलंबून निवडले जाणे आवश्यक आहे35,39. उत्प्रेरक सब्सट्रेट्सवर उगवलेल्या ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्म्ससाठी, ओल्या रासायनिक प्रक्रियेद्वारे हस्तांतरण (ज्यांपैकी पॉलिमिथाइल मेथाक्रिलेट (PMMA) हा सर्वात जास्त वापरला जाणारा सपोर्ट लेयर आहे) ही पहिली पसंती राहते 13,30,34,38,40,41,42. आपण इ. एनजीएफ हस्तांतरणासाठी (नमुना आकार अंदाजे 4 सेमी 2)25,43 साठी कोणताही पॉलिमर वापरला गेला नाही असे नमूद करण्यात आले होते, परंतु हस्तांतरणादरम्यान नमुना स्थिरता आणि/किंवा हाताळण्याबाबत कोणतेही तपशील दिले गेले नाहीत; पॉलिमरचा वापर करून ओल्या रसायनशास्त्र प्रक्रियेमध्ये अनेक पायऱ्यांचा समावेश असतो, ज्यामध्ये एक बलिदानाचा पॉलिमर थर 30,38,40,41,42 वापरणे आणि नंतर काढणे समाविष्ट आहे. या प्रक्रियेचे तोटे आहेत: उदाहरणार्थ, पॉलिमर अवशेष वाढलेल्या फिल्मचे गुणधर्म बदलू शकतात38. अतिरिक्त प्रक्रिया अवशिष्ट पॉलिमर काढू शकते, परंतु या अतिरिक्त चरणांमुळे चित्रपट निर्मितीची किंमत आणि वेळ 38,40 वाढतो. सीव्हीडीच्या वाढीदरम्यान, ग्रेफिनचा थर केवळ उत्प्रेरक फॉइलच्या पुढील बाजूला (वाफेच्या प्रवाहाला तोंड देणारी बाजू) नाही तर त्याच्या मागील बाजूस देखील जमा केला जातो. तथापि, नंतरचे एक कचरा उत्पादन मानले जाते आणि मऊ प्लाझ्मा 38,41 द्वारे त्वरीत काढले जाऊ शकते. फेस कार्बन फिल्मपेक्षा कमी दर्जाचा असला तरीही या फिल्मचा पुनर्वापर केल्याने जास्तीत जास्त उत्पन्न मिळू शकते.
येथे, आम्ही CVD द्वारे पॉलीक्रिस्टलाइन निकेल फॉइलवर उच्च संरचनात्मक गुणवत्तेसह एनजीएफच्या वेफर-स्केल बायफेसियल ग्रोथच्या तयारीचा अहवाल देतो. फॉइलच्या पुढच्या आणि मागच्या पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा एनजीएफच्या आकारविज्ञान आणि संरचनेवर कसा परिणाम करतो याचे मूल्यांकन केले गेले. आम्ही निकेल फॉइलच्या दोन्ही बाजूंपासून मल्टीफंक्शनल सब्सट्रेट्सवर एनजीएफचे किफायतशीर आणि पर्यावरणास अनुकूल पॉलिमर-मुक्त हस्तांतरण देखील प्रदर्शित करतो आणि समोर आणि मागील फिल्म्स विविध अनुप्रयोगांसाठी कसे योग्य आहेत हे दर्शवितो.
स्टॅक केलेल्या ग्राफीन थरांच्या संख्येनुसार खालील विभाग वेगवेगळ्या ग्रेफाइट फिल्म जाडीची चर्चा करतात: (i) सिंगल लेयर ग्राफीन (SLG, 1 लेयर), (ii) काही लेयर ग्राफीन (FLG, < 10 लेयर्स), (iii) मल्टीलेयर ग्राफीन ( MLG, 10-30 स्तर) आणि (iv) NGF (~300 स्तर). क्षेत्रफळाची टक्केवारी (अंदाजे 97% क्षेत्र प्रति 100 µm2) 30 म्हणून व्यक्त केलेली सर्वात सामान्य जाडी नंतरची आहे. म्हणूनच संपूर्ण चित्रपटाला फक्त एनजीएफ म्हणतात.
ग्राफीन आणि ग्रेफाइट फिल्म्सच्या संश्लेषणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पॉलीक्रिस्टलाइन निकेल फॉइलचे उत्पादन आणि त्यानंतरच्या प्रक्रियेच्या परिणामी भिन्न पोत असतात. आम्ही अलीकडेच NGF30 ची वाढ प्रक्रिया अनुकूल करण्यासाठी एक अभ्यास नोंदवला आहे. आम्ही दाखवतो की वाढीच्या अवस्थेदरम्यान ॲनिलिंग टाइम आणि चेंबर प्रेशर यासारखे प्रक्रिया पॅरामीटर्स एकसमान जाडीचे NGF मिळविण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात. येथे, आम्ही पुढे निकेल फॉइल (चित्र 1a) च्या पॉलिश्ड फ्रंट (FS) आणि अनपॉलिश केलेल्या बॅक (BS) पृष्ठभागांवर NGF च्या वाढीची तपासणी केली. FS आणि BS चे तीन प्रकारचे नमुने तपासले गेले, जे तक्ता 1 मध्ये सूचीबद्ध आहेत. व्हिज्युअल तपासणीवर, निकेल फॉइल (NiAG) च्या दोन्ही बाजूंनी NGF ची एकसमान वाढ एका वैशिष्ट्यपूर्ण धातूच्या चांदीपासून बल्क नी सब्सट्रेटचा रंग बदलून दिसून येते. राखाडी ते मॅट राखाडी रंग (Fig. 1a); सूक्ष्म मोजमापांची पुष्टी झाली (चित्र 1b, c). FS-NGF चा एक सामान्य रमन स्पेक्ट्रम चमकदार प्रदेशात आढळतो आणि आकृती 1b मध्ये लाल, निळा आणि नारिंगी बाणांनी दर्शविला जातो आकृती 1c मध्ये दर्शविला आहे. ग्रेफाइट G (1683 cm−1) आणि 2D (2696 cm−1) ची वैशिष्ट्यपूर्ण रमन शिखरे अत्यंत स्फटिकासारखे NGF (Fig. 1c, टेबल SI1) च्या वाढीची पुष्टी करतात. संपूर्ण चित्रपटात, तीव्रता गुणोत्तर (I2D/IG) ~0.3 सह रमन स्पेक्ट्राचे प्राबल्य दिसून आले, तर I2D/IG = 0.8 सह रमन स्पेक्ट्रा क्वचितच दिसून आले. संपूर्ण फिल्ममध्ये दोषपूर्ण शिखरांची अनुपस्थिती (D = 1350 cm-1) NGF वाढीची उच्च गुणवत्ता दर्शवते. BS-NGF नमुना (आकृती SI1 a आणि b, टेबल SI1) वर समान रमन परिणाम प्राप्त झाले.
NiAG FS- आणि BS-NGF ची तुलना: (a) विशिष्ट NGF (NiAG) नमुन्याचे छायाचित्र जे वेफर स्केल (55 cm2) वर NGF वाढ दर्शविते आणि परिणामी BS- आणि FS-Ni फॉइलचे नमुने, (b) FS-NGF ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपद्वारे मिळवलेल्या प्रतिमा/ Ni, (c) पॅनेल b मधील वेगवेगळ्या स्थानांवर नोंदवलेला ठराविक रमन स्पेक्ट्रा, (d, f) FS-NGF/Ni वर वेगवेगळ्या मॅग्निफिकेशन्सवर SEM इमेजेस, (e, g) SEM इमेज वेगवेगळ्या मॅग्निफिकेशन्सवर BS -NGF/Ni सेट करते. निळा बाण FLG प्रदेश दर्शवतो, नारिंगी बाण MLG प्रदेश (FLG प्रदेशाजवळ) दर्शवतो, लाल बाण NGF प्रदेश दर्शवतो आणि किरमिजी बाण पट दर्शवतो.
वाढ ही सुरुवातीच्या सब्सट्रेटच्या जाडीवर, स्फटिकाचा आकार, अभिमुखता आणि धान्याच्या सीमांवर अवलंबून असल्याने, मोठ्या क्षेत्रावरील NGF जाडीचे वाजवी नियंत्रण मिळवणे २०,३४,४४ आव्हान आहे. या अभ्यासात आम्ही पूर्वी प्रकाशित केलेल्या सामग्रीचा वापर केला आहे30. ही प्रक्रिया 0.1 ते 3% प्रति 100 µm230 चा एक तेजस्वी प्रदेश तयार करते. पुढील विभागांमध्ये, आम्ही दोन्ही प्रकारच्या प्रदेशांसाठी परिणाम सादर करतो. उच्च आवर्धक SEM प्रतिमा दोन्ही बाजूंना अनेक तेजस्वी कॉन्ट्रास्ट क्षेत्रांची उपस्थिती दर्शवतात (चित्र 1f,g), FLG आणि MLG क्षेत्रांची उपस्थिती दर्शवितात 30,45. याची पुष्टी रमन स्कॅटरिंग (चित्र 1c) आणि TEM निकालांनी देखील केली आहे ("FS-NGF: रचना आणि गुणधर्म" या विभागात नंतर चर्चा केली आहे). FS- आणि BS-NGF/Ni नमुन्यांवरील FLG आणि MLG प्रदेश (Ni वर उगवलेले पुढचे आणि मागे NGF) 22,30,45 पूर्व-ॲनलिंग दरम्यान तयार झालेल्या मोठ्या Ni(111) धान्यांवर वाढले असावेत. दोन्ही बाजूंनी फोल्डिंग दिसून आले (चित्र 1b, जांभळ्या बाणांनी चिन्हांकित). ग्रेफाइट आणि निकेल सब्सट्रेट 30,38 मधील थर्मल विस्ताराच्या गुणांकात मोठ्या फरकामुळे हे पट अनेकदा CVD-उगवलेल्या ग्राफीन आणि ग्रेफाइट चित्रपटांमध्ये आढळतात.
AFM प्रतिमेने पुष्टी केली की FS-NGF नमुना BS-NGF नमुना (आकृती SI1) (आकृती SI2) पेक्षा चपटा होता. FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) आणि BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) ची रूट मीन स्क्वेअर (RMS) उग्रपणाची मूल्ये अनुक्रमे 82 आणि 200 nm आहेत (20 × क्षेत्रफळावर मोजली जाते. 20 μm2). प्राप्त स्थितीत (आकृती SI3) निकेल (NiAR) फॉइलच्या पृष्ठभागाच्या विश्लेषणाच्या आधारे उच्च खडबडीतपणा समजू शकतो. FS आणि BS-NiAR च्या SEM प्रतिमा SI3a–d या आकृत्यांमध्ये दाखवल्या आहेत, वेगवेगळ्या पृष्ठभागाच्या आकृतिबंधांचे प्रदर्शन करतात: पॉलिश केलेल्या FS-Ni फॉइलमध्ये नॅनो- आणि मायक्रॉन-आकाराचे गोलाकार कण असतात, तर अनपॉलिश केलेले BS-Ni फॉइल उत्पादन शिडीचे प्रदर्शन करते. उच्च शक्ती असलेले कण म्हणून. आणि नकार. ॲनिल्ड निकेल फॉइल (NiA) च्या कमी आणि उच्च रिझोल्यूशन प्रतिमा आकृती SI3e–h मध्ये दर्शविल्या आहेत. या आकृत्यांमध्ये, आम्ही निकेल फॉइलच्या दोन्ही बाजूंना अनेक मायक्रॉन-आकाराच्या निकेल कणांची उपस्थिती पाहू शकतो (चित्र. SI3e–h). पूर्वी 30,46 नोंदवल्याप्रमाणे, मोठ्या धान्यांमध्ये Ni(111) पृष्ठभाग अभिमुखता असू शकते. FS-NiA आणि BS-NiA मधील निकेल फॉइल मॉर्फोलॉजीमध्ये लक्षणीय फरक आहेत. BS-NGF/Ni चा उच्च खडबडीतपणा BS-NiAR च्या पॉलिश न केलेल्या पृष्ठभागामुळे होतो, ज्याचा पृष्ठभाग एनीलिंगनंतरही लक्षणीयरीत्या खडबडीत राहतो (आकृती SI3). वाढीच्या प्रक्रियेपूर्वी या प्रकारच्या पृष्ठभागाच्या वैशिष्ट्यामुळे ग्राफीन आणि ग्रेफाइट फिल्म्सचा खडबडीतपणा नियंत्रित केला जाऊ शकतो. हे लक्षात घेतले पाहिजे की मूळ सब्सट्रेटमध्ये ग्राफीनच्या वाढीदरम्यान काही धान्य पुनर्रचना झाली, ज्यामुळे धान्याचा आकार किंचित कमी झाला आणि ॲनिल्ड फॉइल आणि उत्प्रेरक फिल्म22 च्या तुलनेत सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा काही प्रमाणात वाढला.
सब्सट्रेट पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा, एनीलिंग वेळ (धान्य आकार) 30,47 आणि रिलीझ कंट्रोल43 फाइन-ट्यूनिंग केल्याने प्रादेशिक NGF जाडीची एकसमानता µm2 आणि/किंवा nm2 स्केल (म्हणजे काही नॅनोमीटरच्या जाडीची भिन्नता) कमी करण्यात मदत होईल. सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरील खडबडीतपणा नियंत्रित करण्यासाठी, परिणामी निकेल फॉइलच्या इलेक्ट्रोलाइटिक पॉलिशिंगसारख्या पद्धतींचा विचार केला जाऊ शकतो. प्रीट्रीटेड निकेल फॉइल नंतर कमी तापमानात (<900 °C) 46 आणि वेळेत (< 5 मिनिटे) मोठ्या Ni(111) धान्यांची निर्मिती टाळण्यासाठी (जे FLG वाढीसाठी फायदेशीर आहे) एनील केले जाऊ शकते.
SLG आणि FLG graphene ऍसिड आणि पाण्याच्या पृष्ठभागावरील तणावाचा सामना करण्यास अक्षम आहे, ज्यामुळे ओल्या रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रियेदरम्यान यांत्रिक समर्थन स्तरांची आवश्यकता असते22,34,38. पॉलिमर-समर्थित सिंगल-लेयर ग्राफीन 38 च्या ओले रासायनिक हस्तांतरणाच्या विरूद्ध, आकृती 2a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, वाढलेल्या NGF च्या दोन्ही बाजू पॉलिमर समर्थनाशिवाय हस्तांतरित केल्या जाऊ शकतात असे आढळले (अधिक तपशीलांसाठी आकृती SI4a पहा). दिलेल्या सब्सट्रेटमध्ये NGF चे हस्तांतरण अंतर्निहित Ni30.49 फिल्मच्या ओल्या खोदण्याने सुरू होते. उगवलेले NGF/Ni/NGF नमुने 70% HNO3 च्या 15 mL मध्ये 600 mL डिआयोनाइज्ड (DI) पाण्यात रात्रभर ठेवले गेले. Ni फॉइल पूर्णपणे विरघळल्यानंतर, FS-NGF सपाट राहते आणि NGF/Ni/NGF नमुन्याप्रमाणे द्रवाच्या पृष्ठभागावर तरंगते, तर BS-NGF पाण्यात बुडवले जाते (चित्र 2a,b). पृथक NGF नंतर ताजे डीआयोनाइज्ड पाणी असलेल्या एका बीकरमधून दुसऱ्या बीकरमध्ये हस्तांतरित केले गेले आणि विलग NGF अवतल काचेच्या ताटातून चार ते सहा वेळा पुनरावृत्ती करून पूर्णपणे धुतले गेले. शेवटी, FS-NGF आणि BS-NGF इच्छित सब्सट्रेटवर (Fig. 2c) ठेवण्यात आले.
निकेल फॉइलवर उगवलेल्या एनजीएफसाठी पॉलिमर-मुक्त ओले रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रिया: (अ) प्रक्रिया प्रवाह आकृती (अधिक तपशीलांसाठी आकृती SI4 पहा), (ब) नी एचिंगनंतर विभक्त एनजीएफचे डिजिटल छायाचित्र (2 नमुने), (क) उदाहरण एफएस – आणि BS-NGF SiO2/Si सब्सट्रेटमध्ये ट्रान्सफर, (d) FS-NGF अपारदर्शक पॉलिमर सब्सट्रेटमध्ये ट्रान्सफर, (e) BS-NGF पॅनल डी (दोन भागांमध्ये विभागलेले) सारख्या नमुन्यातून, गोल्ड प्लेटेड C पेपरमध्ये हस्तांतरित आणि Nafion (लवचिक पारदर्शक सब्सट्रेट, लाल कोपऱ्यांनी चिन्हांकित केलेले कडा).
लक्षात घ्या की ओले रासायनिक हस्तांतरण पद्धती वापरून केलेल्या SLG हस्तांतरणासाठी एकूण 20-24 तास प्रक्रिया वेळ लागतो 38. पॉलिमर-मुक्त हस्तांतरण तंत्राने येथे (आकृती SI4a) प्रात्यक्षिक केले आहे, एकूण NGF हस्तांतरण प्रक्रिया वेळ लक्षणीयरीत्या कमी होतो (अंदाजे 15 तास). प्रक्रियेमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे: (चरण 1) एक कोरीव समाधान तयार करा आणि त्यात नमुना ठेवा (~10 मिनिटे), नंतर नी एचिंगसाठी रात्रभर प्रतीक्षा करा (~7200 मिनिटे), (चरण 2) डीआयनाइज्ड पाण्याने स्वच्छ धुवा (चरण - 3) . डीआयोनाइज्ड पाण्यात साठवा किंवा लक्ष्य सब्सट्रेटमध्ये स्थानांतरित करा (20 मिनिटे). NGF आणि बल्क मॅट्रिक्समध्ये अडकलेले पाणी केशिका क्रियेद्वारे (ब्लॉटिंग पेपर वापरून) 38 काढून टाकले जाते, त्यानंतर उर्वरित पाण्याचे थेंब नैसर्गिक कोरडे करून (अंदाजे 30 मिनिटे) काढून टाकले जातात आणि शेवटी नमुना 10 मिनिटांसाठी वाळवला जातो. व्हॅक्यूम ओव्हनमध्ये (10-1 mbar) 50-90 °C (60 मिनिटे) 38 वर मि.
ग्रेफाइट बऱ्यापैकी उच्च तापमानात (≥ 200 °C) 50,51,52 मध्ये पाणी आणि हवेच्या उपस्थितीला तोंड देण्यासाठी ओळखले जाते. खोलीच्या तपमानावर विआयनीकृत पाण्यात आणि सीलबंद बाटल्यांमध्ये काही दिवसांपासून एक वर्षांपर्यंत कुठेही साठवल्यानंतर आम्ही रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, SEM आणि XRD वापरून नमुने तपासले (आकृती SI4). लक्षणीय निकृष्ट दर्जा नाही. आकृती 2c विआयनीकृत पाण्यात फ्री-स्टँडिंग FS-NGF आणि BS-NGF दाखवते. आकृती 2c च्या सुरुवातीला दाखवल्याप्रमाणे आम्ही त्यांना SiO2 (300 nm)/Si सब्सट्रेटवर कॅप्चर केले. याव्यतिरिक्त, आकृती 2d,e मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सतत NGF पॉलिमर (Nexolve आणि Nafion मधील थर्माब्राइट पॉलिमाइड) आणि गोल्ड-लेपित कार्बन पेपर सारख्या विविध सब्सट्रेट्समध्ये हस्तांतरित केले जाऊ शकते. फ्लोटिंग एफएस-एनजीएफ सहजपणे लक्ष्य सब्सट्रेटवर ठेवला गेला (चित्र 2c, d). तथापि, 3 सेमी 2 पेक्षा मोठे BS-NGF नमुने पूर्णपणे पाण्यात बुडवून हाताळणे कठीण होते. सहसा, जेव्हा ते पाण्यात लोळू लागतात तेव्हा निष्काळजी हाताळणीमुळे ते कधीकधी दोन किंवा तीन भागांमध्ये मोडतात (चित्र 2e). एकंदरीत, आम्ही PS- आणि BS-NGF चे पॉलिमर-मुक्त हस्तांतरण (एनजीएफ/नि/एनजीएफ वाढीशिवाय 6 सेमी 2 वर सतत सीमलेस ट्रान्सफर) मिळवू शकलो. कोणतेही उरलेले मोठे किंवा छोटे तुकडे इच्छित सब्सट्रेटवर (एचिंग सोल्यूशन किंवा डीआयोनाइज्ड पाण्यात सहज पाहिले जाऊ शकतात) (~1 मिमी 2, आकृती SI4b, "FS-NGF: संरचना आणि गुणधर्म) प्रमाणे तांबे ग्रिडमध्ये हस्तांतरित केलेला नमुना पहा (चर्चा) "रचना आणि गुणधर्म" अंतर्गत) किंवा भविष्यातील वापरासाठी स्टोअर (आकृती SI4). या निकषावर आधारित, आमचा अंदाज आहे की NGF 98-99% पर्यंत (हस्तांतरणासाठी वाढीनंतर) उत्पन्नामध्ये वसूल केले जाऊ शकते.
पॉलिमरशिवाय हस्तांतरित नमुने तपशीलवार विश्लेषण केले गेले. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी (OM) आणि SEM प्रतिमा (Fig. SI5 आणि Fig. 3) वापरून FS- आणि BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) वर मिळवलेल्या पृष्ठभागाच्या आकृतीविषयक वैशिष्ट्यांनी हे नमुने मायक्रोस्कोपीशिवाय हस्तांतरित केल्याचे दिसून आले. दृश्यमान संरचनात्मक नुकसान जसे की क्रॅक, छिद्र किंवा अनरोल केलेले क्षेत्र. वाढत्या NGF वरील पट (Fig. 3b, d, जांभळ्या बाणांनी चिन्हांकित केलेले) हस्तांतरणानंतर अबाधित राहिले. FS- आणि BS-NGF दोन्ही FLG प्रदेशांनी बनलेले आहेत (आकृती 3 मध्ये निळ्या बाणांनी दर्शविलेले चमकदार प्रदेश). आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे, अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्म्सच्या पॉलिमर हस्तांतरणादरम्यान सामान्यत: पाहिल्या गेलेल्या काही नुकसान झालेल्या प्रदेशांच्या उलट, एनजीएफला जोडणारे अनेक मायक्रॉन-आकाराचे FLG आणि MLG क्षेत्र (आकृती 3d मधील निळ्या बाणांनी चिन्हांकित) क्रॅक किंवा ब्रेकशिवाय हस्तांतरित केले गेले (आकृती 3d) . 3). . नंतर चर्चा केल्याप्रमाणे, लेस-कार्बन कॉपर ग्रिडवर हस्तांतरित केलेल्या NGF च्या TEM आणि SEM प्रतिमा वापरून यांत्रिक अखंडतेची पुष्टी केली गेली (“FS-NGF: संरचना आणि गुणधर्म”). आकृती SI6a आणि b (20 × 20 μm2) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, हस्तांतरित BS-NGF/SiO2/Si अनुक्रमे 140 nm आणि 17 nm च्या rms मूल्यांसह FS-NGF/SiO2/Si पेक्षा कठोर आहे. SiO2/Si सब्सट्रेट (RMS <2 nm) वर हस्तांतरित केलेले NGF चे RMS मूल्य Ni (आकृती SI2) वर वाढलेल्या NGF पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी (सुमारे 3 पट) आहे, हे सूचित करते की अतिरिक्त उग्रपणा Ni पृष्ठभागाशी सुसंगत असू शकतो. याव्यतिरिक्त, FS- आणि BS-NGF/SiO2/Si नमुन्यांच्या काठावर केलेल्या AFM प्रतिमांनी अनुक्रमे 100 आणि 80 nm ची NGF जाडी दर्शविली (चित्र SI7). BS-NGF ची लहान जाडी ही पृष्ठभागाच्या पूर्ववर्ती वायूच्या थेट संपर्कात न आल्याचा परिणाम असू शकतो.
SiO2/Si वेफरवर पॉलिमरशिवाय हस्तांतरित NGF (NiAG) (आकृती 2c पहा): (a,b) हस्तांतरित FS-NGF च्या SEM प्रतिमा: कमी आणि उच्च मोठेपणा (पॅनेलमधील नारिंगी चौकोनाशी संबंधित). ठराविक क्षेत्रे) – अ). (c,d) हस्तांतरित BS-NGF च्या SEM प्रतिमा: कमी आणि उच्च मोठेीकरण (पॅनल c मधील नारिंगी चौकोनाद्वारे दर्शविलेल्या विशिष्ट क्षेत्राशी संबंधित). (e, f) हस्तांतरित FS- आणि BS-NGF च्या AFM प्रतिमा. निळा बाण FLG प्रदेशाचे प्रतिनिधित्व करतो - तेजस्वी कॉन्ट्रास्ट, निळसर बाण - काळा MLG कॉन्ट्रास्ट, लाल बाण - काळा कॉन्ट्रास्ट NGF प्रदेशाचे प्रतिनिधित्व करतो, किरमिजी बाण पट दर्शवतो.
वाढलेल्या आणि हस्तांतरित केलेल्या FS- आणि BS-NGF च्या रासायनिक रचनेचे एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) (चित्र 4) द्वारे विश्लेषण केले गेले. वाढलेल्या FS- आणि BS-NGFs (NiAG) च्या Ni सब्सट्रेट (850 eV) शी संबंधित मोजलेल्या स्पेक्ट्रामध्ये (Fig. 4a, b) कमकुवत शिखर दिसून आले. ट्रान्सफर केलेल्या FS- आणि BS-NGF/SiO2/Si च्या मोजलेल्या स्पेक्ट्रामध्ये कोणतीही शिखरे नाहीत (चित्र 4c; BS-NGF/SiO2/Si साठी समान परिणाम दर्शविले गेले नाहीत), हे दर्शविते की हस्तांतरणानंतर कोणतेही अवशिष्ट Ni प्रदूषण नाही . आकृती 4d–f FS-NGF/SiO2/Si च्या C 1 s, O 1 s आणि Si 2p ऊर्जा पातळीचे उच्च-रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रा दर्शविते. ग्रेफाइटच्या C 1 s ची बंधनकारक ऊर्जा 284.4 eV53.54 आहे. आकृती 4d54 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ग्रेफाइट शिखरांचा रेखीय आकार सामान्यतः असममित मानला जातो. उच्च-रिझोल्यूशन कोर-लेव्हल C 1 s स्पेक्ट्रम (Fig. 4d) ने देखील शुद्ध हस्तांतरणाची पुष्टी केली (म्हणजे, कोणतेही पॉलिमर अवशेष नाहीत), जे मागील अभ्यासांशी सुसंगत आहे38. ताज्या वाढलेल्या नमुन्याच्या C 1 s स्पेक्ट्राची (NiAG) आणि हस्तांतरणानंतरची रेषा रुंदी अनुक्रमे 0.55 आणि 0.62 eV आहे. ही मूल्ये SLG पेक्षा जास्त आहेत (SiO2 सब्सट्रेटवरील SLG साठी 0.49 eV)38. तथापि, ही मूल्ये उच्च उन्मुख पायरोलिटिक ग्राफीन नमुन्यांच्या (~0.75 eV) 53,54,55 साठी पूर्वी नोंदवलेल्या लाइनविड्थपेक्षा लहान आहेत, जी वर्तमान सामग्रीमध्ये दोषपूर्ण कार्बन साइट्सची अनुपस्थिती दर्शवते. C 1 s आणि O 1 s ग्राउंड लेव्हल स्पेक्ट्रामध्ये देखील खांद्यांची कमतरता आहे, ज्यामुळे उच्च-रिझोल्यूशन पीक डीकॉनव्होल्यूशन 54 ची गरज नाहीशी होते. 291.1 eV च्या आसपास π → π* उपग्रह शिखर आहे, जे ग्रेफाइट नमुन्यांमध्ये अनेकदा आढळते. Si 2p आणि O 1 s कोर लेव्हल स्पेक्ट्रामधील 103 eV आणि 532.5 eV सिग्नल (चित्र 4e, f पहा) अनुक्रमे SiO2 56 सब्सट्रेटला दिले जातात. XPS हे पृष्ठभाग-संवेदनशील तंत्र आहे, म्हणून अनुक्रमे NGF हस्तांतरणापूर्वी आणि नंतर आढळलेले Ni आणि SiO2 शी संबंधित सिग्नल FLG प्रदेशातून उद्भवले आहेत असे गृहित धरले जाते. हस्तांतरित BS-NGF नमुन्यांसाठी तत्सम परिणाम दिसून आले (दर्शविले नाही).
NiAG XPS परिणाम: (ac) अनुक्रमे वाढलेल्या FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni आणि हस्तांतरित FS-NGF/SiO2/Si च्या वेगवेगळ्या मूलभूत अणु रचनांचे सर्वेक्षण स्पेक्ट्रा. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si नमुन्याच्या C 1 s, O 1s आणि Si 2p कोर पातळीचा उच्च-रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रा.
हस्तांतरित एनजीएफ क्रिस्टल्सच्या एकूण गुणवत्तेचे मूल्यांकन एक्स-रे डिफ्रॅक्शन (XRD) वापरून केले गेले. हस्तांतरित FS- आणि BS-NGF/SiO2/Si चे ठराविक XRD नमुने (Fig. SI8) ग्रेफाइट प्रमाणेच 26.6° आणि 54.7° वर विवर्तन शिखर (0 0 0 2) आणि (0 0 0 4) ची उपस्थिती दर्शवतात. . हे NGF च्या उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्तेची पुष्टी करते आणि d = 0.335 nm च्या इंटरलेयर अंतराशी संबंधित आहे, जे हस्तांतरण चरणानंतर राखले जाते. विवर्तन शिखराची तीव्रता (0 0 0 2) विवर्तन शिखराच्या (0 0 0 4) अंदाजे 30 पट आहे, जे दर्शविते की NGF क्रिस्टल समतल नमुना पृष्ठभागाशी चांगले संरेखित आहे.
SEM, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, XPS आणि XRD च्या निकालांनुसार, BS-NGF/Ni ची गुणवत्ता FS-NGF/Ni सारखीच असल्याचे आढळून आले, जरी त्याची rms उग्रता थोडी जास्त होती (आकडे SI2, SI5) आणि SI7).
200 nm पर्यंत जाडीचे पॉलिमर सपोर्ट लेयर असलेले SLG पाण्यावर तरंगू शकतात. हे सेटअप सामान्यतः पॉलिमर-सहाय्यित ओल्या रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रियेमध्ये वापरले जाते22,38. ग्राफीन आणि ग्रेफाइट हायड्रोफोबिक आहेत (ओले कोन 80-90°) 57 . ग्रॅफीन आणि FLG या दोन्हीचे संभाव्य ऊर्जा पृष्ठभाग अगदी सपाट असल्याचे नोंदवले गेले आहे, ज्यामध्ये पृष्ठभागावरील पाण्याच्या पार्श्व हालचालीसाठी कमी संभाव्य ऊर्जा (~1 kJ/mol) आहे. तथापि, ग्राफीन आणि ग्राफीनच्या तीन थरांसह पाण्याची गणना केलेली परस्पर क्रिया ऊर्जा अनुक्रमे अंदाजे − 13 आणि − 15 kJ/mol,58 आहे, हे दर्शविते की NGF (सुमारे 300 स्तर) सह पाण्याचा परस्परसंवाद ग्राफीनच्या तुलनेत कमी आहे. फ्रीस्टँडिंग एनजीएफ पाण्याच्या पृष्ठभागावर सपाट राहण्याचे हे एक कारण असू शकते, तर फ्रीस्टँडिंग ग्राफीन (जे पाण्यात तरंगते) कुरळे होऊन तुटते. जेव्हा NGF पूर्णपणे पाण्यात बुडवले जाते (परिणाम खडबडीत आणि सपाट NGF साठी समान असतात), त्याच्या कडा वाकतात (आकृती SI4). पूर्ण विसर्जनाच्या बाबतीत, एनजीएफ-पाणी परस्परसंवाद ऊर्जा जवळजवळ दुप्पट (फ्लोटिंग एनजीएफच्या तुलनेत) आणि एनजीएफच्या कडा उच्च संपर्क कोन (हायड्रोफोबिसिटी) राखण्यासाठी दुप्पट होणे अपेक्षित आहे. आमचा विश्वास आहे की एम्बेडेड एनजीएफच्या कडांना कर्लिंग टाळण्यासाठी धोरणे विकसित केली जाऊ शकतात. ग्रेफाइट फिल्म ५९ च्या ओल्या प्रतिक्रिया सुधारण्यासाठी मिश्र सॉल्व्हेंट्स वापरणे हा एक दृष्टीकोन आहे.
ओल्या रासायनिक हस्तांतरण प्रक्रियेद्वारे विविध प्रकारच्या सब्सट्रेट्समध्ये एसएलजीचे हस्तांतरण यापूर्वी नोंदवले गेले आहे. सामान्यतः हे मान्य केले जाते की ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्म्स आणि सब्सट्रेट्समध्ये कमकुवत व्हॅन डेर वॉल्स फोर्स अस्तित्वात आहेत (ते कठोर सब्सट्रेट्स जसे की SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si पिलर्स22 आणि लेसी कार्बन फिल्म्स 30, 34 किंवा लवचिक सब्सट्रेट्स असोत. जसे की पॉलिमाइड ३७). येथे आपण असे गृहीत धरतो की समान प्रकारचे परस्परसंवाद प्रबल आहेत. आम्ही यांत्रिक हाताळणी दरम्यान (व्हॅक्यूम आणि/किंवा वातावरणीय परिस्थितींमध्ये किंवा स्टोरेज दरम्यान) (उदा. आकृती 2, SI7 आणि SI9) येथे सादर केलेल्या कोणत्याही सब्सट्रेटसाठी एनजीएफचे कोणतेही नुकसान किंवा सोलणे पाहिले नाही. याव्यतिरिक्त, आम्ही NGF/SiO2/Si नमुन्याच्या (Fig. 4) कोर लेव्हलच्या XPS C 1 s स्पेक्ट्रममध्ये SiC शिखराचे निरीक्षण केले नाही. हे परिणाम सूचित करतात की NGF आणि लक्ष्य सब्सट्रेटमध्ये कोणतेही रासायनिक बंधन नाही.
मागील विभागात, "FS- आणि BS-NGF चे पॉलिमर-मुक्त हस्तांतरण," आम्ही दाखवून दिले की NGF निकेल फॉइलच्या दोन्ही बाजूंनी वाढू आणि हस्तांतरित करू शकते. हे FS-NGFs आणि BS-NGFs पृष्ठभागाच्या खडबडीतपणाच्या बाबतीत एकसारखे नाहीत, ज्यामुळे आम्हाला प्रत्येक प्रकारासाठी सर्वात योग्य अनुप्रयोग शोधण्यास प्रवृत्त केले.
FS-NGF ची पारदर्शकता आणि गुळगुळीत पृष्ठभाग लक्षात घेऊन, आम्ही तिची स्थानिक रचना, ऑप्टिकल आणि इलेक्ट्रिकल गुणधर्मांचा अधिक तपशीलवार अभ्यास केला. पॉलिमर हस्तांतरणाशिवाय FS-NGF ची रचना आणि रचना ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (TEM) इमेजिंग आणि निवडलेल्या क्षेत्र इलेक्ट्रॉन डिफ्रॅक्शन (SAED) नमुना विश्लेषणाद्वारे दर्शविली गेली. संबंधित परिणाम आकृती 5 मध्ये दर्शविले आहेत. लो मॅग्निफिकेशन प्लॅनर TEM इमेजिंगमध्ये भिन्न इलेक्ट्रॉन कॉन्ट्रास्ट वैशिष्ट्यांसह NGF आणि FLG क्षेत्रांची उपस्थिती दिसून आली, म्हणजे अनुक्रमे गडद आणि उजळ भाग (Fig. 5a). चित्रपट एकंदरीत NGF आणि FLG च्या वेगवेगळ्या क्षेत्रांमध्ये चांगली यांत्रिक अखंडता आणि स्थिरता प्रदर्शित करतो, चांगल्या आच्छादनासह आणि कोणतेही नुकसान किंवा फाटलेले नाही, ज्याची पुष्टी SEM (आकृती 3) आणि उच्च विस्तारित TEM अभ्यास (आकृती 5c-e) द्वारे देखील केली गेली आहे. विशेषतः, आकृतीमध्ये. आकृती 5d पुलाची रचना त्याच्या सर्वात मोठ्या भागावर (आकृती 5d मधील काळ्या ठिपके असलेल्या बाणाने चिन्हांकित केलेली स्थिती) दर्शविते, जी त्रिकोणी आकाराने वैशिष्ट्यीकृत आहे आणि सुमारे 51 रुंदीचा ग्राफीन थर आहे. 0.33 ± 0.01 nm च्या इंटरप्लॅनर अंतरासह रचना आणखी अरुंद प्रदेशात (चित्र 5 d मधील घन काळ्या बाणाच्या शेवटी) ग्राफीनच्या अनेक स्तरांवर कमी केली जाते.
कार्बन लेसी कॉपर ग्रिडवर पॉलिमर-मुक्त NiAG नमुन्याची प्लानर TEM प्रतिमा: (a, b) NGF आणि FLG क्षेत्रांसह कमी मोठेीकरण TEM प्रतिमा, (ce) पॅनेल-ए आणि पॅनेल-बी मधील विविध क्षेत्रांच्या उच्च आवर्धन प्रतिमा आहेत समान रंगाचे चिन्हांकित बाण. पटल a आणि c मधील हिरवे बाण बीम संरेखन दरम्यान नुकसानीचे वर्तुळाकार क्षेत्र दर्शवतात. (f–i) पॅनेल a ते c मध्ये, वेगवेगळ्या प्रदेशातील SAED नमुने अनुक्रमे निळ्या, निळसर, नारंगी आणि लाल वर्तुळांनी दर्शवले आहेत.
आकृती 5c मधील रिबन स्ट्रक्चर (लाल बाणाने चिन्हांकित) ग्रेफाइट जाळीच्या समतलांचे अनुलंब अभिमुखता दर्शविते, जे चित्रपटाच्या बाजूने नॅनोफोल्ड्सच्या निर्मितीमुळे (आकृती 5c मधील इनसेट) अतिरिक्त असुरक्षित कातरणे तणावामुळे असू शकते30,61,62 . उच्च-रिझोल्यूशन टीईएम अंतर्गत, हे नॅनोफोल्ड्स 30 एनजीएफ क्षेत्राच्या उर्वरित भागांपेक्षा भिन्न क्रिस्टलोग्राफिक अभिमुखता प्रदर्शित करतात; ग्रेफाइट जाळीचे बेसल प्लेन उर्वरित चित्रपटाप्रमाणे क्षैतिज ऐवजी जवळजवळ उभ्या दिशेने असतात (आकृती 5c मधील इनसेट). त्याचप्रमाणे, FLG प्रदेश अधूनमधून रेखीय आणि अरुंद बँड-सारखे पट (निळ्या बाणांनी चिन्हांकित) प्रदर्शित करतो, जे अनुक्रमे आकृती 5b, 5e मध्ये कमी आणि मध्यम वाढीवर दिसतात. आकृती 5e मधील इनसेट FLG सेक्टरमध्ये दोन- आणि तीन-लेयर ग्राफीन लेयर्सच्या उपस्थितीची पुष्टी करतो (इंटरप्लॅनर अंतर 0.33 ± 0.01 nm), जे आमच्या मागील निकालांशी चांगले सहमत आहे30. याव्यतिरिक्त, लेसी कार्बन फिल्म्ससह कॉपर ग्रिडवर हस्तांतरित केलेल्या पॉलिमर-मुक्त NGF च्या रेकॉर्ड केलेल्या SEM प्रतिमा (टॉप-व्ह्यू TEM मापन केल्यानंतर) आकृती SI9 मध्ये दर्शविल्या आहेत. आकृती SI9f मधील विहिरीत निलंबित FLG प्रदेश (निळ्या बाणाने चिन्हांकित) आणि तुटलेला प्रदेश. निळा बाण (हस्तांतरित NGF च्या काठावर) जाणूनबुजून दाखवला आहे की FLG प्रदेश पॉलिमरशिवाय हस्तांतरण प्रक्रियेस प्रतिकार करू शकतो. सारांश, या प्रतिमा पुष्टी करतात की अंशतः निलंबित एनजीएफ (एफएलजी क्षेत्रासह) कठोर हाताळणी आणि TEM आणि SEM मापन दरम्यान उच्च व्हॅक्यूमच्या प्रदर्शनानंतरही यांत्रिक अखंडता राखते (आकृती SI9).
NGF च्या उत्कृष्ट सपाटपणामुळे (आकृती 5a पहा), SAED संरचनेचे विश्लेषण करण्यासाठी [0001] डोमेन अक्षाच्या बाजूने फ्लेक्सला दिशा देणे कठीण नाही. चित्रपटाची स्थानिक जाडी आणि त्याचे स्थान यावर अवलंबून, इलेक्ट्रॉन विवर्तन अभ्यासासाठी स्वारस्य असलेले अनेक क्षेत्र (12 गुण) ओळखले गेले. आकृती 5a–c मध्ये, यापैकी चार ठराविक प्रदेश रंगीत वर्तुळे (निळा, निळसर, नारिंगी आणि लाल कोडेड) दर्शविलेले आणि चिन्हांकित केले आहेत. SAED मोडसाठी आकडे 2 आणि 3. आकृती 5 आणि 5 मध्ये दर्शविलेल्या FLG प्रदेशातून आकडे 5f आणि g प्राप्त झाले आहेत. आकृती 5b आणि c मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, अनुक्रमे. त्यांची षटकोनी रचना ट्विस्टेड ग्राफीन 63 सारखी आहे. विशेषतः, आकृती 5f हे [0001] झोन अक्षाच्या समान अभिमुखतेसह तीन सुपरइम्पोज केलेले नमुने दर्शविते, 10° आणि 20° ने फिरवलेले, (10-10) परावर्तनांच्या तीन जोड्यांच्या कोनीय विसंगतीने पुरावा. त्याचप्रमाणे, आकृती 5g 20° ने फिरवलेले दोन सुपरइम्पोज्ड षटकोनी नमुने दाखवते. FLG प्रदेशात षटकोनी नमुन्यांचे दोन किंवा तीन गट एकमेकांच्या सापेक्ष 33 फिरवलेल्या तीन इन-प्लेन किंवा प्लेन-बाहेरच्या ग्राफीन थरांमधून उद्भवू शकतात. याउलट, आकृती 5h,i मधील इलेक्ट्रॉन विवर्तन नमुने (आकृती 5a मध्ये दर्शविलेल्या NGF क्षेत्राशी संबंधित) एकंदर उच्च बिंदू विवर्तन तीव्रतेसह एकच [0001] पॅटर्न दाखवतात, मोठ्या सामग्रीच्या जाडीशी संबंधित. हे SAED मॉडेल्स FLG पेक्षा जाड ग्राफिक रचना आणि मध्यवर्ती अभिमुखतेशी संबंधित आहेत, जे निर्देशांक 64 वरून काढले आहे. NGF च्या क्रिस्टलीय गुणधर्मांच्या वैशिष्ट्यांमुळे दोन किंवा तीन सुपरइम्पोज्ड ग्रेफाइट (किंवा ग्राफीन) क्रिस्टल्सचे सहअस्तित्व दिसून आले. FLG प्रदेशात विशेषतः लक्षात घेण्याजोगा गोष्ट म्हणजे क्रिस्टलाइट्समध्ये विमानातील किंवा विमानाबाहेरील दिशाभूल एक विशिष्ट प्रमाणात असते. 17°, 22° आणि 25° च्या इन-प्लेन रोटेशन कोनांसह ग्रेफाइट कण/स्तर पूर्वी Ni 64 चित्रपटांवर वाढलेल्या NGF साठी नोंदवले गेले आहेत. या अभ्यासात पाहिलेले रोटेशन अँगल व्हॅल्यू ट्विस्टेड BLG63 ग्राफीनसाठी पूर्वी निरीक्षण केलेल्या रोटेशन अँगल (±1°) शी सुसंगत आहेत.
NGF/SiO2/Si चे विद्युत गुणधर्म 10×3 mm2 क्षेत्रफळावर 300 K वर मोजले गेले. इलेक्ट्रॉन वाहक एकाग्रता, गतिशीलता आणि चालकता यांचे मूल्य अनुक्रमे 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 आणि 2000 S-cm-1 आहेत. आमच्या NGF ची गतिशीलता आणि चालकता मूल्ये नैसर्गिक ग्रेफाइट 2 सारखी आहेत आणि व्यावसायिकदृष्ट्या उपलब्ध हाय-ओरिएंटेड पायरोलिटिक ग्रेफाइट (3000 °C वर उत्पादित) 29 पेक्षा जास्त आहेत. निरीक्षण केलेले इलेक्ट्रॉन वाहक एकाग्रता मूल्ये उच्च-तापमान (3200 °C) पॉलिमाइड शीट 20 वापरून तयार केलेल्या मायक्रॉन-जाड ग्रेफाइट चित्रपटांसाठी नुकत्याच नोंदवलेल्या (7.25 × 10 सेमी-3) पेक्षा मोठेपणाचे दोन ऑर्डर आहेत.
आम्ही क्वार्ट्ज सब्सट्रेट्स (आकृती 6) मध्ये हस्तांतरित केलेल्या FS-NGF वर UV-दृश्यमान ट्रान्समिटन्स मापन देखील केले. परिणामी स्पेक्ट्रम 350-800 nm श्रेणीमध्ये 62% चे जवळजवळ स्थिर संप्रेषण दर्शविते, जे दर्शविते की NGF दृश्यमान प्रकाशासाठी अर्धपारदर्शक आहे. खरेतर, आकृती 6b मधील नमुन्याच्या डिजिटल छायाचित्रात "KAUST" हे नाव पाहिले जाऊ शकते. NGF ची नॅनोक्रिस्टलाइन रचना SLG पेक्षा वेगळी असली तरी, 2.3% ट्रान्समिशन लॉस प्रति अतिरिक्त स्तर65 या नियमाचा वापर करून स्तरांच्या संख्येचा अंदाज लावला जाऊ शकतो. या संबंधानुसार, 38% ट्रान्समिशन लॉस असलेल्या ग्राफीनच्या थरांची संख्या 21 आहे. वाढलेल्या एनजीएफमध्ये प्रामुख्याने 300 ग्राफीन थर असतात, म्हणजे सुमारे 100 एनएम जाडी (चित्र 1, SI5 आणि SI7). म्हणून, आम्ही असे गृहीत धरतो की निरीक्षण केलेली ऑप्टिकल पारदर्शकता FLG आणि MLG क्षेत्रांशी संबंधित आहे, कारण ते संपूर्ण चित्रपटात वितरीत केले जातात (Figs. 1, 3, 5 आणि 6c). वरील स्ट्रक्चरल डेटा व्यतिरिक्त, चालकता आणि पारदर्शकता देखील हस्तांतरित एनजीएफच्या उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्तेची पुष्टी करतात.
(a) UV-दृश्यमान ट्रान्समिटन्स मापन, (b) प्रातिनिधिक नमुना वापरून क्वार्ट्जवर ठराविक NGF हस्तांतरण. (c) संपूर्ण नमुन्यात राखाडी यादृच्छिक आकार म्हणून चिन्हांकित केलेल्या समान रीतीने वितरीत केलेल्या FLG आणि MLG क्षेत्रांसह NGF (गडद बॉक्स) चे योजनाबद्ध (आकृती 1 पहा) (प्रति 100 μm2 अंदाजे 0.1–3% क्षेत्र). आकृतीमधील यादृच्छिक आकार आणि त्यांचे आकार केवळ स्पष्टीकरणासाठी आहेत आणि वास्तविक क्षेत्रांशी संबंधित नाहीत.
CVD द्वारे उगवलेला अर्धपारदर्शक NGF पूर्वी बेअर सिलिकॉन पृष्ठभागांवर हस्तांतरित केला गेला आहे आणि सौर पेशींमध्ये वापरला गेला आहे15,16. परिणामी उर्जा रूपांतरण कार्यक्षमता (PCE) 1.5% आहे. हे NGF सक्रिय कंपाऊंड लेयर्स, चार्ज ट्रान्सपोर्ट मार्ग आणि पारदर्शक इलेक्ट्रोड 15,16 सारखी अनेक कार्ये करतात. तथापि, ग्रेफाइट फिल्म एकसमान नाही. ग्रेफाइट इलेक्ट्रोडचे शीट रेझिस्टन्स आणि ऑप्टिकल ट्रान्समिटन्स काळजीपूर्वक नियंत्रित करून पुढील ऑप्टिमायझेशन आवश्यक आहे, कारण हे दोन गुणधर्म सौर सेलचे PCE मूल्य निश्चित करण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावतात 15,16. सामान्यतः, ग्राफीन फिल्म्स दृश्यमान प्रकाशासाठी 97.7% पारदर्शक असतात, परंतु 200-3000 ohms/sq.16 चा शीट प्रतिरोधक असतो. थरांची संख्या वाढवून (ग्रॅफीन थरांचे एकाधिक हस्तांतरण) आणि HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 सह डोपिंग करून ग्राफीन फिल्म्सचा पृष्ठभागावरील प्रतिकार कमी केला जाऊ शकतो. तथापि, या प्रक्रियेस बराच वेळ लागतो आणि भिन्न हस्तांतरण स्तर नेहमीच चांगला संपर्क राखत नाहीत. आमच्या पुढच्या बाजूच्या NGF मध्ये चालकता 2000 S/cm, फिल्म शीट रेझिस्टन्स 50 ohm/sq असे गुणधर्म आहेत. आणि 62% पारदर्शकता, 15,16 सौर पेशींमध्ये प्रवाहकीय चॅनेल किंवा काउंटर इलेक्ट्रोडसाठी एक व्यवहार्य पर्याय बनवते.
जरी BS-NGF ची रचना आणि पृष्ठभागाची रसायनशास्त्र FS-NGF सारखी असली तरी, तिचा उग्रपणा वेगळा आहे (“FS- आणि BS-NGF ची वाढ”). पूर्वी, आम्ही गॅस सेन्सर म्हणून अल्ट्रा-थिन फिल्म ग्रेफाइट22 वापरत होतो. म्हणून, आम्ही गॅस सेन्सिंग कार्यांसाठी BS-NGF वापरण्याच्या व्यवहार्यतेची चाचणी केली (आकृती SI10). प्रथम, BS-NGF चे mm2-आकाराचे भाग इंटरडिजिटेटिंग इलेक्ट्रोड सेन्सर चिप (आकृती SI10a-c) वर हस्तांतरित केले गेले. चिपचे उत्पादन तपशील यापूर्वी नोंदवले गेले होते; त्याचे सक्रिय संवेदनशील क्षेत्र 9 मिमी 267 आहे. SEM प्रतिमांमध्ये (आकृती SI10b आणि c), अंतर्निहित सोन्याचे इलेक्ट्रोड NGF द्वारे स्पष्टपणे दृश्यमान आहे. पुन्हा, हे पाहिले जाऊ शकते की सर्व नमुन्यांसाठी एकसमान चिप कव्हरेज प्राप्त झाले. विविध वायूंचे गॅस सेन्सर मोजमाप नोंदवले गेले (Fig. SI10d) (Fig. SI11) आणि परिणामी प्रतिसाद दर अंजीर मध्ये दर्शविले आहेत. SI10g. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) आणि NH3 (200 ppm) यासह इतर हस्तक्षेप करणाऱ्या वायूंची शक्यता आहे. एक संभाव्य कारण NO2 आहे. गॅसचे इलेक्ट्रोफिलिक स्वरूप 22,68. जेव्हा ग्राफीनच्या पृष्ठभागावर शोषले जाते तेव्हा ते सिस्टमद्वारे इलेक्ट्रॉनचे वर्तमान शोषण कमी करते. BS-NGF सेन्सरच्या प्रतिसाद वेळ डेटाची पूर्वी प्रकाशित केलेल्या सेन्सरसह तुलना टेबल SI2 मध्ये सादर केली आहे. अतिनील प्लाझ्मा, O3 प्लाझ्मा किंवा थर्मल (50-150°C) उपचारांचा वापर करून NGF सेन्सर पुन्हा सक्रिय करण्याची यंत्रणा सुरू आहे, आदर्शपणे एम्बेडेड सिस्टमची अंमलबजावणी केली जाते69.
CVD प्रक्रियेदरम्यान, उत्प्रेरक सब्सट्रेट 41 च्या दोन्ही बाजूंना ग्राफीनची वाढ होते. तथापि, हस्तांतरण प्रक्रियेदरम्यान BS-ग्रॅफीन सहसा बाहेर टाकले जाते41. या अभ्यासात, आम्ही हे दाखवून देतो की उत्प्रेरक समर्थनाच्या दोन्ही बाजूंनी उच्च-गुणवत्तेची NGF वाढ आणि पॉलिमर-मुक्त NGF हस्तांतरण साध्य केले जाऊ शकते. BS-NGF FS-NGF (~100 nm) पेक्षा पातळ (~80 nm) आहे, आणि हा फरक स्पष्ट केला आहे की BS-Ni थेट पूर्ववर्ती वायू प्रवाहाच्या संपर्कात नाही. आम्हाला असेही आढळले की NiAR सब्सट्रेटचा उग्रपणा NGF च्या उग्रपणावर प्रभाव टाकतो. हे परिणाम सूचित करतात की उगवलेला प्लॅनर FS-NGF हा ग्रॅफीनसाठी (एक्सफोलिएशन पद्धती70) किंवा सौर पेशी 15,16 मध्ये प्रवाहकीय वाहिनी म्हणून वापरला जाऊ शकतो. याउलट, BS-NGF चा वापर गॅस शोधण्यासाठी (Fig. SI9) आणि शक्यतो ऊर्जा साठवण प्रणालीसाठी केला जाईल71,72 जेथे त्याची पृष्ठभागाची खडबडीता उपयुक्त ठरेल.
वरील बाबींचा विचार करून, CVD द्वारे उगवलेल्या आणि निकेल फॉइलचा वापर करून पूर्वी प्रकाशित केलेल्या ग्रेफाइट चित्रपटांसह वर्तमान कार्य एकत्र करणे उपयुक्त आहे. तक्ता 2 मध्ये पाहिल्याप्रमाणे, आम्ही वापरलेल्या उच्च दाबांमुळे तुलनेने कमी तापमानातही (850-1300 °C च्या श्रेणीत) प्रतिक्रिया वेळ (वाढीचा टप्पा) कमी होतो. आम्ही नेहमीपेक्षा जास्त वाढ देखील साधली, जी विस्ताराची क्षमता दर्शवते. विचार करण्यासारखे इतर घटक आहेत, त्यापैकी काही आम्ही सारणीमध्ये समाविष्ट केले आहेत.
उत्प्रेरक CVD द्वारे निकेल फॉइलवर दुहेरी बाजूचे उच्च-गुणवत्तेचे NGF उगवले गेले. पारंपारिक पॉलिमर सब्सट्रेट्स (जसे की CVD ग्राफीनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या) काढून टाकून, आम्ही NGF (निकेल फॉइलच्या मागील आणि पुढच्या बाजूला वाढलेले) विविध प्रक्रिया-गंभीर सब्सट्रेट्समध्ये स्वच्छ आणि दोषमुक्त ओले हस्तांतरण साध्य करतो. विशेष म्हणजे, NGF मध्ये FLG आणि MLG क्षेत्र (सामान्यत: 0.1% ते 3% प्रति 100 µm2) समाविष्ट आहेत जे जाड फिल्ममध्ये संरचनात्मकदृष्ट्या चांगल्या प्रकारे एकत्रित आहेत. प्लॅनर टीईएम दर्शविते की हे क्षेत्र दोन ते तीन ग्रेफाइट/ग्रॅफीन कण (अनुक्रमे स्फटिक किंवा स्तर) च्या स्टॅकने बनलेले आहेत, ज्यापैकी काही 10-20° च्या रोटेशनल जुळत नाहीत. FLG आणि MLG क्षेत्र FS-NGF च्या दृश्यमान प्रकाशाच्या पारदर्शकतेसाठी जबाबदार आहेत. मागील शीट्ससाठी, ते समोरच्या शीट्सच्या समांतर वाहून नेले जाऊ शकतात आणि दर्शविल्याप्रमाणे, कार्यात्मक हेतू असू शकतात (उदाहरणार्थ, गॅस शोधण्यासाठी). औद्योगिक स्तरावरील CVD प्रक्रियेतील कचरा आणि खर्च कमी करण्यासाठी हे अभ्यास खूप उपयुक्त आहेत.
सर्वसाधारणपणे, CVD NGF ची सरासरी जाडी (लो- आणि मल्टी-लेयर) ग्राफीन आणि औद्योगिक (मायक्रोमीटर) ग्रेफाइट शीट यांच्यामध्ये असते. त्यांच्या मनोरंजक गुणधर्मांची श्रेणी, आम्ही त्यांच्या उत्पादनासाठी आणि वाहतुकीसाठी विकसित केलेल्या सोप्या पद्धतीसह, या चित्रपटांना सध्या वापरल्या जाणाऱ्या ऊर्जा-केंद्रित औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियेच्या खर्चाशिवाय, ग्रेफाइटच्या कार्यात्मक प्रतिसादाची आवश्यकता असलेल्या अनुप्रयोगांसाठी विशेषतः योग्य बनवते.
25-μm-जाड निकेल फॉइल (99.5% शुद्धता, गुडफेलो) व्यावसायिक CVD अणुभट्टी (Aixtron 4-inch BMPro) मध्ये स्थापित केले गेले. प्रणाली आर्गॉनने शुद्ध केली गेली आणि 10-3 mbar च्या बेस प्रेशरवर रिकामी केली गेली. मग निकेल फॉइल ठेवले. Ar/H2 मध्ये (नि फॉइलला 5 मिनिटांसाठी प्री-एनीलिंग केल्यानंतर, फॉइलला 900 °C तापमानात 500 mbar च्या दाबाने उघड केले गेले. NGF 5 मिनिटांसाठी CH4/H2 (प्रत्येकी 100 सेमी3) प्रवाहात जमा केले गेले. नंतर 40 °C/मिनिट वर Ar प्रवाह (4000 cm3) वापरून 700 °C पेक्षा कमी तापमानात नमुना थंड करण्यात आला.
झीस मर्लिन सूक्ष्मदर्शक (1 kV, 50 PA) वापरून SEM द्वारे नमुन्याचे पृष्ठभाग आकारविज्ञान दृश्यमान केले गेले. नमुना पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा आणि NGF जाडी AFM (डायमेंशन आयकॉन SPM, Bruker) वापरून मोजली गेली. TEM आणि SAED मोजमाप FEI Titan 80-300 Cubed मायक्रोस्कोप वापरून उच्च ब्राइटनेस फील्ड एमिशन गन (300 kV), FEI Wien प्रकार मोनोक्रोमेटर आणि CEOS लेन्स गोलाकार विकृती सुधारक वापरून केले गेले. अवकाशीय रिझोल्यूशन 0.09 एनएम. सपाट TEM इमेजिंग आणि SAED संरचना विश्लेषणासाठी NGF नमुने कार्बन लेसी कोटेड कॉपर ग्रिडमध्ये हस्तांतरित केले गेले. अशा प्रकारे, बहुतेक सॅम्पल फ्लॉक्स सपोर्टिंग झिल्लीच्या छिद्रांमध्ये निलंबित केले जातात. हस्तांतरित एनजीएफ नमुन्यांचे XRD द्वारे विश्लेषण केले गेले. 3 मिमीच्या बीम स्पॉट व्यासासह क्यू रेडिएशन स्त्रोत वापरून पावडर डिफ्रॅक्टोमीटर (ब्रकर, Cu Kα स्त्रोतासह D2 फेज शिफ्टर, 1.5418 Å आणि LYNXEYE डिटेक्टर) वापरून क्ष-किरण विवर्तन नमुने प्राप्त केले गेले.
एकात्मिक कॉन्फोकल मायक्रोस्कोप (अल्फा 300 RA, WITeC) वापरून अनेक रमन पॉइंट मोजमाप नोंदवले गेले. कमी उत्तेजित शक्ती (25%) असलेले 532 nm लेसर थर्मली प्रेरित प्रभाव टाळण्यासाठी वापरले गेले. क्ष-किरण फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) क्रॅटोस ॲक्सिस अल्ट्रा स्पेक्ट्रोमीटरवर 300 × 700 μm2 च्या नमुना क्षेत्रावर मोनोक्रोमॅटिक Al Kα रेडिएशन (hν = 1486.6 eV) वापरून 150 W च्या पॉवरवर केली गेली. रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रा येथे प्राप्त झाले. अनुक्रमे 160 eV आणि 20 eV ची ट्रान्समिशन एनर्जी. SiO2 वर हस्तांतरित केलेले NGF नमुने 30 W वर PLS6MW (1.06 μm) यटरबियम फायबर लेसर वापरून (प्रत्येकी 3 × 10 mm2) तुकडे केले गेले. कॉपर वायर संपर्क (50 μm जाडी) ऑप्टिकल सूक्ष्मदर्शकाखाली चांदीची पेस्ट वापरून तयार केले गेले. इलेक्ट्रिकल ट्रान्सपोर्ट आणि हॉल इफेक्ट प्रयोग या नमुन्यांवर 300 K आणि भौतिक गुणधर्म मापन प्रणालीमध्ये ± 9 टेस्ला चे चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) वर केले गेले. क्वार्ट्ज सब्सट्रेट्स आणि क्वार्ट्ज संदर्भ नमुन्यांमध्ये हस्तांतरित केलेल्या 350-800 nm NGF श्रेणीमध्ये Lambda 950 UV-vis स्पेक्ट्रोफोटोमीटर वापरून प्रसारित UV-vis स्पेक्ट्रा रेकॉर्ड केले गेले.
केमिकल रेझिस्टन्स सेन्सर (इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड चिप) सानुकूल मुद्रित सर्किट बोर्ड 73 ला वायर केले गेले आणि प्रतिकार क्षणिक काढला गेला. मुद्रित सर्किट बोर्ड ज्यावर डिव्हाइस स्थित आहे ते संपर्क टर्मिनलशी जोडलेले आहे आणि गॅस सेन्सिंग चेंबर 74 मध्ये ठेवले आहे. 1 V च्या व्होल्टेजवर रोधकतेचे माप शुद्धीकरणापासून ते गॅस एक्सपोजरपर्यंत सतत स्कॅन करून घेतले गेले आणि नंतर पुन्हा शुद्ध केले गेले. चेंबरमध्ये आर्द्रतेसह इतर सर्व विश्लेषक काढून टाकण्याची खात्री करण्यासाठी 1 तासासाठी 200 cm3 वर नायट्रोजनने शुद्ध करून चेंबर सुरुवातीला स्वच्छ केले गेले. नंतर वैयक्तिक विश्लेषकांना N2 सिलेंडर बंद करून 200 सेमी 3 च्या समान प्रवाह दराने चेंबरमध्ये हळूहळू सोडण्यात आले.
या लेखाची सुधारित आवृत्ती प्रकाशित केली गेली आहे आणि लेखाच्या शीर्षस्थानी असलेल्या दुव्याद्वारे प्रवेश केला जाऊ शकतो.
इनागाकी, एम. आणि कांग, एफ. कार्बन मटेरिअल्स सायन्स अँड इंजिनिअरिंग: फंडामेंटल्स. दुसरी आवृत्ती संपादित. 2014. 542.
पीअरसन, कार्बन, ग्रेफाइट, डायमंड आणि फुलरेन्सचे एचओ हँडबुक: गुणधर्म, प्रक्रिया आणि अनुप्रयोग. पहिली आवृत्ती संपादित केली आहे. 1994, न्यू जर्सी.
Tsai, W. et al. पारदर्शक पातळ प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड म्हणून मोठे क्षेत्र बहुस्तरीय ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्म्स. अर्ज भौतिकशास्त्र राइट. 95(12), 123115(2009).
बॅलंडिन एए ग्राफीन आणि नॅनोस्ट्रक्चर्ड कार्बन सामग्रीचे थर्मल गुणधर्म. नॅट. मॅट 10(8), 569–581 (2011).
चेंग केवाय, ब्राऊन पीडब्ल्यू आणि कॅहिल डीजी ग्रेफाइट फिल्म्सची थर्मल चालकता कमी-तापमानावर रासायनिक वाष्प साचून Ni (111) वर उगवले जाते. क्रियाविशेषण मॅट इंटरफेस 3, 16 (2016).
हेस्जेडल, टी. रासायनिक वाफ साचून ग्राफीन फिल्म्सची सतत वाढ. अर्ज भौतिकशास्त्र राइट. 98(13), 133106(2011).