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Nanoskalige Graphitfilme (NGFs) sind robuste Nanomaterialien, die durch katalytische chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden können. Es bleiben jedoch Fragen zu ihrer einfachen Übertragung und zu den Auswirkungen der Oberflächenmorphologie auf ihre Verwendung in Geräten der nächsten Generation. Hier berichten wir über das Wachstum von NGF auf beiden Seiten einer polykristallinen Nickelfolie (Fläche 55 cm2, Dicke etwa 100 nm) und dessen polymerfreie Übertragung (Vorder- und Rückseite, Fläche bis zu 6 cm2). Aufgrund der Morphologie der Katalysatorfolie unterscheiden sich die beiden Kohlenstofffilme in ihren physikalischen Eigenschaften und anderen Eigenschaften (z. B. Oberflächenrauheit). Wir zeigen, dass NGFs mit einer raueren Rückseite gut für die NO2-Detektion geeignet sind, während glattere und leitfähigere NGFs auf der Vorderseite (2000 S/cm, Schichtwiderstand – 50 Ohm/m2) brauchbare Leiter sein können. Kanal oder Elektrode der Solarzelle (da sie 62 % des sichtbaren Lichts durchlässt). Insgesamt können die beschriebenen Wachstums- und Transportprozesse dazu beitragen, NGF als alternatives Kohlenstoffmaterial für technologische Anwendungen zu realisieren, für die Graphen und mikrometerdicke Graphitfilme nicht geeignet sind.
Graphit ist ein weit verbreitetes Industriematerial. Insbesondere weist Graphit die Eigenschaften einer relativ geringen Massendichte und einer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit in der Ebene auf und ist in rauen thermischen und chemischen Umgebungen sehr stabil1,2. Flockengraphit ist ein bekanntes Ausgangsmaterial für die Graphenforschung3. Wenn es zu dünnen Filmen verarbeitet wird, kann es in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Kühlkörper für elektronische Geräte wie Smartphones4,5,6,7, als aktives Material in Sensoren8,9,10 und zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen11. 12 und Filme für die Lithographie im extremen Ultraviolett13,14, leitende Kanäle in Solarzellen15,16. Für alle diese Anwendungen wäre es ein erheblicher Vorteil, wenn große Flächen von Graphitfilmen (NGFs) mit kontrollierten Dicken im Nanomaßstab <100 nm einfach hergestellt und transportiert werden könnten.
Graphitfolien werden nach verschiedenen Methoden hergestellt. In einem Fall wurden Graphenflocken durch Einbettung und Expansion mit anschließender Exfoliation hergestellt10,11,17. Die Flocken müssen zu Filmen der erforderlichen Dicke weiterverarbeitet werden, und die Herstellung dichter Graphitplatten dauert oft mehrere Tage. Ein anderer Ansatz besteht darin, mit graphitierbaren festen Vorläufern zu beginnen. In der Industrie werden Polymerschichten karbonisiert (bei 1000–1500 °C) und anschließend graphitiert (bei 2800–3200 °C), um gut strukturierte Schichtmaterialien zu bilden. Obwohl die Qualität dieser Filme hoch ist, ist der Energieverbrauch erheblich1,18,19 und die Mindestdicke ist auf einige Mikrometer begrenzt1,18,19,20.
Die katalytische chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine bekannte Methode zur Herstellung von Graphen- und ultradünnen Graphitfilmen (<10 nm) mit hoher Strukturqualität und angemessenen Kosten21,22,23,24,25,26,27. Im Vergleich zum Wachstum von Graphen und ultradünnen Graphitfilmen28 ist das großflächige Wachstum und/oder die Anwendung von NGF mittels CVD jedoch noch weniger erforscht11,13,29,30,31,32,33.
CVD-gewachsene Graphen- und Graphitfilme müssen häufig auf funktionelle Substrate übertragen werden34. Diese Dünnschichtübertragungen umfassen zwei Hauptmethoden35: (1) Nicht-Ätzübertragung36,37 und (2) Ätzbasierte nasschemische Übertragung (substratgestützt)14,34,38. Jede Methode hat einige Vor- und Nachteile und muss abhängig von der beabsichtigten Anwendung ausgewählt werden, wie an anderer Stelle beschrieben35,39. Für auf katalytischen Substraten gewachsene Graphen-/Graphitfilme bleibt die Übertragung über nasschemische Prozesse (von denen Polymethylmethacrylat (PMMA) die am häufigsten verwendete Trägerschicht ist) die erste Wahl13,30,34,38,40,41,42. Sie et al. Es wurde erwähnt, dass für den NGF-Transfer kein Polymer verwendet wurde (Probengröße ca. 4 cm2)25,43, es wurden jedoch keine Angaben zur Probenstabilität und/oder Handhabung während des Transfers gemacht; Nasschemische Prozesse unter Verwendung von Polymeren bestehen aus mehreren Schritten, einschließlich des Aufbringens und anschließenden Entfernens einer Opferpolymerschicht30,38,40,41,42. Dieses Verfahren hat Nachteile: Beispielsweise können Polymerrückstände die Eigenschaften des gewachsenen Films verändern38. Durch eine zusätzliche Verarbeitung können restliche Polymere entfernt werden, diese zusätzlichen Schritte erhöhen jedoch die Kosten und die Zeit der Folienproduktion38,40. Beim CVD-Wachstum wird eine Graphenschicht nicht nur auf der Vorderseite der Katalysatorfolie (der dem Dampfstrom zugewandten Seite) sondern auch auf deren Rückseite abgeschieden. Letzteres gilt jedoch als Abfallprodukt und kann durch weiches Plasma schnell entfernt werden38,41. Durch das Recycling dieser Folie kann die Ausbeute maximiert werden, auch wenn sie von geringerer Qualität ist als die Carbonfolie auf der Vorderseite.
Hier berichten wir über die Vorbereitung des bifazialen Wachstums von NGF im Wafermaßstab mit hoher Strukturqualität auf polykristalliner Nickelfolie durch CVD. Es wurde untersucht, wie sich die Rauheit der Vorder- und Rückseite der Folie auf die Morphologie und Struktur von NGF auswirkt. Wir demonstrieren außerdem die kostengünstige und umweltfreundliche polymerfreie Übertragung von NGF von beiden Seiten einer Nickelfolie auf multifunktionale Substrate und zeigen, wie sich die Vorder- und Rückseitenfolien für verschiedene Anwendungen eignen.
In den folgenden Abschnitten werden unterschiedliche Graphitfilmdicken in Abhängigkeit von der Anzahl der gestapelten Graphenschichten besprochen: (i) einschichtiges Graphen (SLG, 1 Schicht), (ii) wenigschichtiges Graphen (FLG, < 10 Schichten), (iii) mehrschichtiges Graphen ( MLG, 10–30 Schichten) und (iv) NGF (~300 Schichten). Letzteres ist die häufigste Dicke, ausgedrückt als Flächenprozentsatz (ungefähr 97 % Fläche pro 100 µm2)30. Deshalb heißt der ganze Film einfach NGF.
Polykristalline Nickelfolien, die zur Synthese von Graphen- und Graphitfilmen verwendet werden, weisen aufgrund ihrer Herstellung und anschließenden Verarbeitung unterschiedliche Texturen auf. Wir haben kürzlich über eine Studie zur Optimierung des Wachstumsprozesses von NGF30 berichtet. Wir zeigen, dass Prozessparameter wie Glühzeit und Kammerdruck während der Wachstumsphase eine entscheidende Rolle bei der Erzielung von NGFs mit gleichmäßiger Dicke spielen. Hier haben wir das Wachstum von NGF auf polierten Vorderflächen (FS) und unpolierten Rückseiten (BS) von Nickelfolien weiter untersucht (Abb. 1a). Es wurden drei Arten von Proben FS und BS untersucht, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Bei der visuellen Inspektion ist ein gleichmäßiges Wachstum von NGF auf beiden Seiten der Nickelfolie (NiAG) durch die Farbänderung des massiven Ni-Substrats von einem charakteristischen metallischen Silber zu erkennen grau bis mattgrau (Abb. 1a); Mikroskopische Messungen wurden bestätigt (Abb. 1b, c). Ein typisches Raman-Spektrum von FS-NGF, das im hellen Bereich beobachtet und in Abbildung 1b durch rote, blaue und orange Pfeile angezeigt wird, ist in Abbildung 1c dargestellt. Die charakteristischen Raman-Peaks von Graphit G (1683 cm−1) und 2D (2696 cm−1) bestätigen das Wachstum von hochkristallinem NGF (Abb. 1c, Tabelle SI1). Im gesamten Film wurde eine Dominanz von Raman-Spektren mit einem Intensitätsverhältnis (I2D/IG) von ~0,3 beobachtet, während Raman-Spektren mit I2D/IG = 0,8 selten beobachtet wurden. Das Fehlen defekter Peaks (D = 1350 cm-1) im gesamten Film weist auf die hohe Qualität des NGF-Wachstums hin. Ähnliche Raman-Ergebnisse wurden für die BS-NGF-Probe erhalten (Abbildung SI1 a und b, Tabelle SI1).
Vergleich von NiAG FS- und BS-NGF: (a) Foto einer typischen NGF (NiAG)-Probe, die das NGF-Wachstum im Wafermaßstab (55 cm2) und die resultierenden BS- und FS-Ni-Folienproben zeigt, (b) FS-NGF Mit einem optischen Mikroskop erhaltene Bilder/Ni, (c) typische Raman-Spektren, aufgenommen an verschiedenen Positionen in Panel b, (d, f) SEM-Bilder bei unterschiedlichen Vergrößerungen auf FS-NGF/Ni, (e, g) SEM-Bilder bei unterschiedlichen Vergrößerungen Setzt BS -NGF/Ni. Der blaue Pfeil zeigt die FLG-Region an, der orangefarbene Pfeil zeigt die MLG-Region (in der Nähe der FLG-Region), der rote Pfeil zeigt die NGF-Region an und der magentafarbene Pfeil zeigt die Falte an.
Da das Wachstum von der Dicke des Ausgangssubstrats, der Kristallgröße, der Orientierung und den Korngrenzen abhängt, bleibt die Erzielung einer angemessenen Kontrolle der NGF-Dicke über große Flächen eine Herausforderung20,34,44. Für diese Studie wurden Inhalte verwendet, die wir zuvor veröffentlicht hatten30. Dieser Prozess erzeugt einen hellen Bereich von 0,1 bis 3 % pro 100 µm230. In den folgenden Abschnitten präsentieren wir Ergebnisse für beide Arten von Regionen. SEM-Bilder mit hoher Vergrößerung zeigen das Vorhandensein mehrerer heller Kontrastbereiche auf beiden Seiten (Abb. 1f, g), was auf das Vorhandensein von FLG- und MLG-Regionen hinweist30,45. Dies wurde auch durch Raman-Streuung (Abb. 1c) und TEM-Ergebnisse bestätigt (später im Abschnitt „FS-NGF: Struktur und Eigenschaften“ besprochen). Die auf FS- und BS-NGF/Ni-Proben beobachteten FLG- und MLG-Bereiche (vorderes und hinteres NGF auf Ni gewachsen) könnten auf großen Ni(111)-Körnern gewachsen sein, die während des Vorglühens gebildet wurden22,30,45. Auf beiden Seiten wurde eine Faltung beobachtet (Abb. 1b, markiert mit violetten Pfeilen). Diese Falten treten aufgrund des großen Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Graphit und dem Nickelsubstrat häufig in CVD-gewachsenen Graphen- und Graphitfilmen auf30,38.
Das AFM-Bild bestätigte, dass die FS-NGF-Probe flacher war als die BS-NGF-Probe (Abbildung SI1) (Abbildung SI2). Die quadratischen Mittelrauheitswerte (RMS) von FS-NGF/Ni (Abb. SI2c) und BS-NGF/Ni (Abb. SI2d) betragen 82 bzw. 200 nm (gemessen über eine Fläche von 20 ×). 20 μm2). Die höhere Rauheit kann anhand der Oberflächenanalyse der Nickelfolie (NiAR) im Lieferzustand verstanden werden (Abbildung SI3). REM-Bilder von FS und BS-NiAR sind in den Abbildungen SI3a–d dargestellt und zeigen unterschiedliche Oberflächenmorphologien: Polierte FS-Ni-Folie weist kugelförmige Partikel in Nano- und Mikrometergröße auf, während unpolierte BS-Ni-Folie eine Produktionsleiter aufweist. als Partikel mit hoher Festigkeit. und Niedergang. Bilder mit niedriger und hoher Auflösung von geglühter Nickelfolie (NiA) sind in Abbildung SI3e–h dargestellt. In diesen Abbildungen können wir das Vorhandensein mehrerer mikrometergroßer Nickelpartikel auf beiden Seiten der Nickelfolie beobachten (Abb. SI3e–h). Große Körner können eine Ni(111)-Oberflächenorientierung aufweisen, wie bereits berichtet30,46. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Nickelfolienmorphologie zwischen FS-NiA und BS-NiA. Die höhere Rauheit von BS-NGF/Ni ist auf die unpolierte Oberfläche von BS-NiAR zurückzuführen, deren Oberfläche auch nach dem Glühen deutlich rau bleibt (Abbildung SI3). Diese Art der Oberflächencharakterisierung vor dem Wachstumsprozess ermöglicht die Kontrolle der Rauheit von Graphen- und Graphitfilmen. Es ist zu beachten, dass das ursprüngliche Substrat während des Graphenwachstums eine gewisse Kornreorganisation erfuhr, was die Korngröße leicht verringerte und die Oberflächenrauheit des Substrats im Vergleich zur getemperten Folie und dem Katalysatorfilm etwas erhöhte22.
Die Feinabstimmung der Oberflächenrauheit des Substrats, der Glühzeit (Korngröße)30,47 und der Freisetzungskontrolle43 trägt dazu bei, die regionale NGF-Dickengleichmäßigkeit auf die µm2- und/oder sogar nm2-Skala (dh Dickenschwankungen von einigen Nanometern) zu reduzieren. Um die Oberflächenrauheit des Substrats zu kontrollieren, können Methoden wie das elektrolytische Polieren der resultierenden Nickelfolie in Betracht gezogen werden48. Die vorbehandelte Nickelfolie kann dann bei einer niedrigeren Temperatur (< 900 °C) 46 und einer niedrigeren Zeit (< 5 Minuten) geglüht werden, um die Bildung großer Ni(111)-Körner zu vermeiden (was für das FLG-Wachstum von Vorteil ist).
SLG- und FLG-Graphen können der Oberflächenspannung von Säuren und Wasser nicht standhalten und erfordern daher mechanische Stützschichten bei nasschemischen Transferprozessen22,34,38. Im Gegensatz zur nasschemischen Übertragung von polymergestütztem einschichtigem Graphen38 haben wir festgestellt, dass beide Seiten des gewachsenen NGF ohne Polymerunterstützung übertragen werden können, wie in Abbildung 2a dargestellt (weitere Einzelheiten siehe Abbildung SI4a). Die Übertragung von NGF auf ein bestimmtes Substrat beginnt mit dem Nassätzen des darunter liegenden Ni30.49-Films. Die gewachsenen NGF/Ni/NGF-Proben wurden über Nacht in 15 ml 70 % HNO3, verdünnt mit 600 ml entionisiertem (DI) Wasser, gegeben. Nachdem die Ni-Folie vollständig aufgelöst ist, bleibt FS-NGF flach und schwimmt auf der Oberfläche der Flüssigkeit, genau wie die NGF/Ni/NGF-Probe, während BS-NGF in Wasser eingetaucht ist (Abb. 2a,b). Der isolierte NGF wurde dann von einem Becherglas mit frischem entionisiertem Wasser in ein anderes Becherglas überführt und der isolierte NGF gründlich gewaschen, wobei dieser Vorgang vier- bis sechsmal durch die konkave Glasschale wiederholt wurde. Abschließend wurden FS-NGF und BS-NGF auf dem gewünschten Substrat platziert (Abb. 2c).
Polymerfreier nasschemischer Transferprozess für auf Nickelfolie gewachsenes NGF: (a) Prozessflussdiagramm (siehe Abbildung SI4 für weitere Details), (b) Digitalfoto des abgetrennten NGF nach dem Ni-Ätzen (2 Proben), (c) Beispiel FS – und BS-NGF-Transfer auf SiO2/Si-Substrat, (d) FS-NGF-Transfer auf undurchsichtiges Polymersubstrat, (e) BS-NGF aus derselben Probe wie Panel d (in zwei Teile geteilt), übertragen auf vergoldetes C-Papier und Nafion (flexibles transparentes Substrat, Kanten mit roten Ecken markiert).
Beachten Sie, dass der SLG-Transfer, der mit nasschemischen Transfermethoden durchgeführt wird, eine Gesamtverarbeitungszeit von 20–24 Stunden erfordert 38 . Mit der hier gezeigten polymerfreien Transfertechnik (Abbildung SI4a) wird die Gesamtverarbeitungszeit für den NGF-Transfer erheblich verkürzt (ca. 15 Stunden). Der Prozess besteht aus: (Schritt 1) Bereiten Sie eine Ätzlösung vor und geben Sie die Probe hinein (~10 Minuten), warten Sie dann über Nacht auf die Ni-Ätzung (~7200 Minuten), (Schritt 2) Spülen Sie mit entionisiertem Wasser (Schritt – 3) . In entionisiertem Wasser lagern oder auf das Zielsubstrat übertragen (20 Min.). Zwischen dem NGF und der Hauptmatrix eingeschlossenes Wasser wird durch Kapillarwirkung (unter Verwendung von Löschpapier)38 entfernt, dann werden die verbleibenden Wassertröpfchen durch natürliches Trocknen (ca. 30 Minuten) entfernt und schließlich wird die Probe 10 Minuten lang getrocknet. min im Vakuumofen (10–1 mbar) bei 50–90 °C (60 min) 38.
Es ist bekannt, dass Graphit der Anwesenheit von Wasser und Luft bei relativ hohen Temperaturen (≥ 200 °C) standhält50,51,52. Wir haben Proben mittels Raman-Spektroskopie, SEM und XRD getestet, nachdem sie einige Tage bis zu einem Jahr in entionisiertem Wasser bei Raumtemperatur und in verschlossenen Flaschen gelagert wurden (Abbildung SI4). Es gibt keine spürbare Verschlechterung. Abbildung 2c zeigt freistehendes FS-NGF und BS-NGF in entionisiertem Wasser. Wir haben sie auf einem SiO2 (300 nm)/Si-Substrat erfasst, wie am Anfang von Abbildung 2c gezeigt. Darüber hinaus kann, wie in Abbildung 2d,e dargestellt, kontinuierliches NGF auf verschiedene Substrate wie Polymere (Thermabright-Polyamid von Nexolve und Nafion) und goldbeschichtetes Kohlepapier übertragen werden. Der schwimmende FS-NGF konnte problemlos auf dem Zielsubstrat platziert werden (Abb. 2c, d). Allerdings waren BS-NGF-Proben, die größer als 3 cm2 waren, schwierig zu handhaben, wenn sie vollständig in Wasser eingetaucht waren. Wenn sie im Wasser zu rollen beginnen, zerbrechen sie normalerweise aufgrund unvorsichtiger Handhabung manchmal in zwei oder drei Teile (Abb. 2e). Insgesamt konnten wir einen polymerfreien Transfer von PS- und BS-NGF (kontinuierlicher nahtloser Transfer ohne NGF/Ni/NGF-Wachstum bei 6 cm2) für Proben mit einer Fläche von bis zu 6 bzw. 3 cm2 erreichen. Alle verbleibenden großen oder kleinen Stücke können (in der Ätzlösung oder dem entionisierten Wasser leicht zu erkennen) auf dem gewünschten Substrat (~1 mm2, Abbildung SI4b, siehe Probe, die auf ein Kupfergitter übertragen wurde, wie in „FS-NGF: Struktur und Eigenschaften (diskutiert)“ liegen. unter „Struktur und Eigenschaften“) oder zur späteren Verwendung aufbewahren (Abbildung SI4). Basierend auf diesem Kriterium schätzen wir, dass NGF in Ausbeuten von bis zu 98–99 % (nach Wachstum für den Transfer) zurückgewonnen werden kann.
Transferproben ohne Polymer wurden detailliert analysiert. Oberflächenmorphologische Eigenschaften, die auf FS- und BS-NGF/SiO2/Si (Abb. 2c) mithilfe optischer Mikroskopie (OM) und SEM-Bildern (Abb. SI5 und Abb. 3) erhalten wurden, zeigten, dass diese Proben ohne Mikroskopie übertragen wurden. Sichtbare strukturelle Schäden wie Risse, Löcher oder abgerollte Stellen. Die Falten auf dem wachsenden NGF (Abb. 3b, d, markiert durch violette Pfeile) blieben nach der Übertragung intakt. Sowohl FS- als auch BS-NGFs bestehen aus FLG-Regionen (helle Regionen, die in Abbildung 3 durch blaue Pfeile gekennzeichnet sind). Überraschenderweise wurden im Gegensatz zu den wenigen beschädigten Regionen, die typischerweise beim Polymertransfer von ultradünnen Graphitfilmen beobachtet werden, mehrere FLG- und MLG-Regionen im Mikrometerbereich, die mit dem NGF verbunden sind (in Abbildung 3d durch blaue Pfeile markiert), ohne Risse oder Brüche übertragen (Abbildung 3d). . 3). . Die mechanische Integrität wurde außerdem mithilfe von TEM- und SEM-Bildern von NGF bestätigt, die auf Kupfergitter aus Spitzenkohlenstoff übertragen wurden, wie später erläutert („FS-NGF: Struktur und Eigenschaften“). Das übertragene BS-NGF/SiO2/Si ist rauer als FS-NGF/SiO2/Si mit Effektivwerten von 140 nm bzw. 17 nm, wie in Abbildung SI6a und b (20 × 20 μm2) dargestellt. Der RMS-Wert von auf das SiO2/Si-Substrat übertragenem NGF (RMS < 2 nm) ist deutlich niedriger (etwa dreimal) als der von auf Ni gewachsenem NGF (Abbildung SI2), was darauf hindeutet, dass die zusätzliche Rauheit möglicherweise mit der Ni-Oberfläche zusammenhängt. Darüber hinaus zeigten AFM-Bilder an den Kanten von FS- und BS-NGF/SiO2/Si-Proben NGF-Dicken von 100 bzw. 80 nm (Abb. SI7). Die geringere Dicke von BS-NGF kann darauf zurückzuführen sein, dass die Oberfläche nicht direkt dem Vorläufergas ausgesetzt ist.
Übertragener NGF (NiAG) ohne Polymer auf SiO2/Si-Wafer (siehe Abbildung 2c): (a,b) SEM-Bilder des übertragenen FS-NGF: niedrige und hohe Vergrößerung (entsprechend dem orangefarbenen Quadrat im Panel). Typische Gebiete) – a). (c,d) SEM-Bilder von übertragenem BS-NGF: niedrige und hohe Vergrößerung (entsprechend dem typischen Bereich, der durch das orangefarbene Quadrat in Tafel c angezeigt wird). (e, f) AFM-Bilder übertragener FS- und BS-NGFs. Blauer Pfeil stellt die FLG-Region dar – heller Kontrast, Cyan-Pfeil – schwarzer MLG-Kontrast, roter Pfeil – schwarzer Kontrast stellt die NGF-Region dar, magentafarbener Pfeil stellt die Falte dar.
Die chemische Zusammensetzung der gewachsenen und übertragenen FS- und BS-NGFs wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert (Abb. 4). In den gemessenen Spektren wurde ein schwacher Peak beobachtet (Abb. 4a, b), der dem Ni-Substrat (850 eV) der gewachsenen FS- und BS-NGFs (NiAG) entspricht. Es gibt keine Peaks in den gemessenen Spektren von übertragenem FS- und BS-NGF/SiO2/Si (Abb. 4c; ähnliche Ergebnisse für BS-NGF/SiO2/Si werden nicht gezeigt), was darauf hinweist, dass nach der Übertragung keine verbleibende Ni-Verunreinigung vorliegt . Die Abbildungen 4d–f zeigen die hochauflösenden Spektren der C 1 s-, O 1 s- und Si 2p-Energieniveaus von FS-NGF/SiO2/Si. Die Bindungsenergie von C 1 s von Graphit beträgt 284,4 eV53,54. Die lineare Form von Graphitspitzen wird im Allgemeinen als asymmetrisch angesehen, wie in Abbildung 4d54 dargestellt. Das hochauflösende C 1 s-Spektrum auf Kernebene (Abb. 4d) bestätigte ebenfalls den reinen Transfer (dh keine Polymerrückstände), was mit früheren Studien übereinstimmt . Die Linienbreiten der C 1 s-Spektren der frisch gezüchteten Probe (NiAG) und nach der Übertragung betragen 0,55 bzw. 0,62 eV. Diese Werte sind höher als die von SLG (0,49 eV für SLG auf einem SiO2-Substrat)38. Allerdings sind diese Werte kleiner als zuvor berichtete Linienbreiten für hochorientierte pyrolytische Graphenproben (~0,75 eV)53,54,55, was auf das Fehlen fehlerhafter Kohlenstoffstellen im aktuellen Material hinweist. Den C 1 s- und O 1 s-Grundspektren fehlen ebenfalls Schultern, sodass keine hochauflösende Peak-Entfaltung erforderlich ist54. Es gibt einen π → π*-Satellitenpeak bei etwa 291,1 eV, der häufig in Graphitproben beobachtet wird. Die 103 eV- und 532,5 eV-Signale in den Si 2p- und O 1 s-Kernniveauspektren (siehe Abb. 4e, f) werden jeweils dem SiO2 56-Substrat zugeordnet. XPS ist eine oberflächenempfindliche Technik, daher wird angenommen, dass die Signale, die Ni und SiO2 entsprechen und vor bzw. nach der NGF-Übertragung detektiert werden, aus der FLG-Region stammen. Ähnliche Ergebnisse wurden für übertragene BS-NGF-Proben beobachtet (nicht gezeigt).
NiAG XPS-Ergebnisse: (ac) Übersichtsspektren verschiedener elementarer Atomzusammensetzungen von gewachsenem FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni bzw. übertragenem FS-NGF/SiO2/Si. (d–f) Hochaufgelöste Spektren der Kernniveaus C 1 s, O 1s und Si 2p der FS-NGF/SiO2/Si-Probe.
Die Gesamtqualität der übertragenen NGF-Kristalle wurde mittels Röntgenbeugung (XRD) beurteilt. Typische XRD-Muster (Abb. SI8) von übertragenem FS- und BS-NGF/SiO2/Si zeigen das Vorhandensein von Beugungspeaks (0 0 0 2) und (0 0 0 4) bei 26,6° und 54,7°, ähnlich wie bei Graphit. . Dies bestätigt die hohe kristalline Qualität von NGF und entspricht einem Zwischenschichtabstand von d = 0,335 nm, der nach dem Transferschritt beibehalten wird. Die Intensität des Beugungspeaks (0 0 0 2) ist ungefähr 30-mal so groß wie die des Beugungspeaks (0 0 0 4), was darauf hinweist, dass die NGF-Kristallebene gut mit der Probenoberfläche ausgerichtet ist.
Den Ergebnissen von SEM, Raman-Spektroskopie, XPS und XRD zufolge war die Qualität von BS-NGF/Ni mit der von FS-NGF/Ni identisch, obwohl die RMS-Rauheit etwas höher war (Abbildungen SI2, SI5). und SI7).
SLGs mit bis zu 200 nm dicken Polymerträgerschichten können auf dem Wasser schwimmen. Dieser Aufbau wird häufig in polymerunterstützten nasschemischen Transferprozessen22,38 verwendet. Graphen und Graphit sind hydrophob (Nasswinkel 80–90°) 57 . Es wurde berichtet, dass die potentiellen Energieoberflächen von Graphen und FLG recht flach sind und die potentielle Energie (~1 kJ/mol) für die seitliche Bewegung von Wasser an der Oberfläche niedrig ist58. Die berechneten Wechselwirkungsenergien von Wasser mit Graphen und drei Graphenschichten betragen jedoch ungefähr − 13 bzw. − 15 kJ/mol,58 was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung von Wasser mit NGF (ungefähr 300 Schichten) im Vergleich zu Graphen geringer ist. Dies könnte einer der Gründe dafür sein, dass freistehendes NGF flach auf der Wasseroberfläche bleibt, während freistehendes Graphen (das im Wasser schwimmt) sich zusammenrollt und zerfällt. Wenn NGF vollständig in Wasser eingetaucht ist (die Ergebnisse sind für raues und flaches NGF gleich), verbiegen sich seine Kanten (Abbildung SI4). Bei vollständigem Eintauchen wird erwartet, dass sich die NGF-Wasser-Wechselwirkungsenergie fast verdoppelt (im Vergleich zu schwimmendem NGF) und dass sich die Kanten des NGF falten, um einen hohen Kontaktwinkel (Hydrophobie) aufrechtzuerhalten. Wir glauben, dass Strategien entwickelt werden können, um ein Aufrollen der Kanten eingebetteter NGFs zu vermeiden. Ein Ansatz besteht darin, gemischte Lösungsmittel zu verwenden, um die Benetzungsreaktion des Graphitfilms zu modulieren59.
Über die Übertragung von SLG auf verschiedene Arten von Substraten mittels nasschemischer Übertragungsprozesse wurde bereits berichtet. Es ist allgemein anerkannt, dass zwischen Graphen-/Graphitfilmen und Substraten schwache Van-der-Waals-Kräfte bestehen (sei es starre Substrate wie SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si-Säulen22 und Spitzenkohlenstofffilme30, 34 oder flexible Substrate). wie Polyimid 37). Dabei gehen wir davon aus, dass gleichartige Interaktionen vorherrschen. Wir haben bei keinem der hier vorgestellten Substrate während der mechanischen Handhabung (während der Charakterisierung unter Vakuum und/oder atmosphärischen Bedingungen oder während der Lagerung) eine Beschädigung oder Ablösung von NGF beobachtet (z. B. Abbildung 2, SI7 und SI9). Darüber hinaus konnten wir im XPS C 1 s-Spektrum der Kernebene der NGF/SiO2/Si-Probe keinen SiC-Peak beobachten (Abb. 4). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass zwischen NGF und dem Zielsubstrat keine chemische Bindung besteht.
Im vorherigen Abschnitt „Polymerfreie Übertragung von FS- und BS-NGF“ haben wir gezeigt, dass NGF auf beiden Seiten der Nickelfolie wachsen und übertragen kann. Diese FS-NGFs und BS-NGFs sind hinsichtlich der Oberflächenrauheit nicht identisch, was uns dazu veranlasste, die am besten geeigneten Anwendungen für jeden Typ zu untersuchen.
Angesichts der Transparenz und der glatteren Oberfläche von FS-NGF haben wir seine lokale Struktur sowie seine optischen und elektrischen Eigenschaften genauer untersucht. Die Struktur und Struktur von FS-NGF ohne Polymertransfer wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Bildgebung und Selected Area Electron Diffraction (SAED)-Musteranalyse charakterisiert. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Die planare TEM-Bildgebung mit geringer Vergrößerung zeigte das Vorhandensein von NGF- und FLG-Regionen mit unterschiedlichen Elektronenkontrasteigenschaften, dh dunkleren bzw. helleren Bereichen (Abb. 5a). Der Film weist insgesamt eine gute mechanische Integrität und Stabilität zwischen den verschiedenen Bereichen von NGF und FLG auf, mit guter Überlappung und ohne Beschädigung oder Risse, was auch durch REM- (Abbildung 3) und TEM-Studien mit hoher Vergrößerung (Abbildung 5c-e) bestätigt wurde. Insbesondere in Abb. 5d ist die Brückenstruktur in ihrem größten Teil (die durch den schwarzen gepunkteten Pfeil in Abbildung 5d markierte Position) dargestellt, die durch eine dreieckige Form gekennzeichnet ist und aus einer Graphenschicht mit einer Breite von etwa 51 besteht. Die Zusammensetzung mit einem interplanaren Abstand von 0,33 ± 0,01 nm wird im engsten Bereich (Ende des durchgezogenen schwarzen Pfeils in Abbildung 5 d) weiter auf mehrere Graphenschichten reduziert.
Planares TEM-Bild einer polymerfreien NiAG-Probe auf einem kohlenstoffhaltigen Kupfergitter: (a, b) TEM-Bilder mit geringer Vergrößerung, einschließlich NGF- und FLG-Regionen, (ce) Bilder verschiedener Regionen in Panel-a und Panel-b mit hoher Vergrößerung markierte Pfeile der gleichen Farbe. Grüne Pfeile in den Feldern a und c zeigen kreisförmige Schadensbereiche während der Strahlausrichtung an. (f–i) In den Feldern a bis c werden SAED-Muster in verschiedenen Regionen durch blaue, cyanfarbene, orangefarbene bzw. rote Kreise angezeigt.
Die Bandstruktur in Abbildung 5c zeigt (mit rotem Pfeil markiert) die vertikale Ausrichtung der Graphitgitterebenen, die möglicherweise auf die Bildung von Nanofalten entlang des Films (Einschub in Abbildung 5c) aufgrund übermäßiger unkompensierter Scherspannung zurückzuführen ist30,61,62 . Im hochauflösenden TEM zeigen diese Nanofalten 30 eine andere kristallographische Orientierung als der Rest der NGF-Region; Die Basisebenen des Graphitgitters sind fast vertikal ausgerichtet und nicht horizontal wie der Rest des Films (Einschub in Abbildung 5c). In ähnlicher Weise weist die FLG-Region gelegentlich lineare und schmale bandartige Falten auf (durch blaue Pfeile markiert), die in den Abbildungen 5b bzw. 5e bei niedriger bzw. mittlerer Vergrößerung erscheinen. Der Einschub in Abbildung 5e bestätigt das Vorhandensein von zwei- und dreischichtigen Graphenschichten im FLG-Sektor (Interplanarabstand 0,33 ± 0,01 nm), was gut mit unseren vorherigen Ergebnissen übereinstimmt30. Darüber hinaus sind in Abbildung SI9 aufgezeichnete REM-Bilder von polymerfreiem NGF gezeigt, die auf Kupfergitter mit Spitzenkohlenstofffilmen übertragen wurden (nach Durchführung von TEM-Messungen in der Draufsicht). Die gut suspendierte FLG-Region (markiert mit blauem Pfeil) und die gebrochene Region in Abbildung SI9f. Der blaue Pfeil (am Rand des übertragenen NGF) wird absichtlich angezeigt, um zu zeigen, dass die FLG-Region dem Übertragungsprozess ohne Polymer widerstehen kann. Zusammenfassend bestätigen diese Bilder, dass teilweise suspendiertes NGF (einschließlich der FLG-Region) seine mechanische Integrität auch nach strenger Handhabung und Einwirkung von Hochvakuum während TEM- und SEM-Messungen beibehält (Abbildung SI9).
Aufgrund der hervorragenden Flachheit von NGF (siehe Abbildung 5a) ist es nicht schwierig, die Flocken entlang der [0001]-Domänenachse auszurichten, um die SAED-Struktur zu analysieren. Abhängig von der lokalen Dicke des Films und seiner Position wurden mehrere interessierende Bereiche (12 Punkte) für Elektronenbeugungsstudien identifiziert. In den Abbildungen 5a–c sind vier dieser typischen Regionen dargestellt und mit farbigen Kreisen markiert (blau, cyan, orange und rot codiert). Abbildungen 2 und 3 für den SAED-Modus. Die Abbildungen 5f und g wurden aus der in den Abbildungen 5 und 5 gezeigten FLG-Region erhalten. Wie in den Abbildungen 5b bzw. c gezeigt. Sie haben eine hexagonale Struktur, die dem verdrillten Graphen63 ähnelt. Insbesondere zeigt Abbildung 5f drei überlagerte Muster mit der gleichen Ausrichtung der [0001]-Zonenachse, gedreht um 10° und 20°, was durch die Winkelfehlanpassung der drei Paare von (10-10)-Reflexionen belegt wird. In ähnlicher Weise zeigt Abbildung 5g zwei übereinanderliegende sechseckige Muster, die um 20° gedreht sind. Zwei oder drei Gruppen hexagonaler Muster im FLG-Bereich können aus drei relativ zueinander gedrehten Graphenschichten 33 in der Ebene oder außerhalb der Ebene entstehen. Im Gegensatz dazu zeigen die Elektronenbeugungsmuster in Abbildung 5h,i (entsprechend der in Abbildung 5a gezeigten NGF-Region) ein einzelnes [0001]-Muster mit einer insgesamt höheren Punktbeugungsintensität, was einer größeren Materialdicke entspricht. Diese SAED-Modelle entsprechen einer dickeren Graphitstruktur und einer mittleren Orientierung als FLG, wie aus dem Index 64 abgeleitet wird. Die Charakterisierung der kristallinen Eigenschaften von NGF ergab die Koexistenz von zwei oder drei übereinanderliegenden Graphit- (oder Graphen-)Kristalliten. Besonders hervorzuheben ist in der FLG-Region, dass die Kristallite einen gewissen Grad an Fehlorientierung innerhalb oder außerhalb der Ebene aufweisen. Für auf Ni 64-Filmen gewachsenes NGF wurde bereits über Graphitpartikel/-schichten mit Rotationswinkeln in der Ebene von 17°, 22° und 25° berichtet. Die in dieser Studie beobachteten Drehwinkelwerte stimmen mit zuvor beobachteten Drehwinkeln (±1°) für verdrehtes BLG63-Graphen überein.
Die elektrischen Eigenschaften von NGF/SiO2/Si wurden bei 300 K auf einer Fläche von 10×3 mm2 gemessen. Die Werte der Elektronenträgerkonzentration, -mobilität und -leitfähigkeit betragen 1,6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 bzw. 2000 S-cm-1. Die Mobilitäts- und Leitfähigkeitswerte unseres NGF ähneln denen von natürlichem Graphit2 und sind höher als im Handel erhältlicher hochorientierter pyrolytischer Graphit (hergestellt bei 3000 °C)29. Die beobachteten Elektronenträgerkonzentrationswerte sind zwei Größenordnungen höher als die kürzlich berichteten Werte (7,25 × 10 cm-3) für mikrometerdicke Graphitfilme, die unter Verwendung von Hochtemperatur-Polyimidfolien (3200 °C) hergestellt wurden 20 .
Wir haben auch UV-sichtbare Durchlässigkeitsmessungen an FS-NGF durchgeführt, das auf Quarzsubstrate übertragen wurde (Abbildung 6). Das resultierende Spektrum zeigt eine nahezu konstante Transmission von 62 % im Bereich 350–800 nm, was darauf hinweist, dass NGF für sichtbares Licht durchscheinend ist. Tatsächlich ist der Name „KAUST“ auf dem Digitalfoto der Probe in Abbildung 6b zu sehen. Obwohl sich die nanokristalline Struktur von NGF von der von SLG unterscheidet, kann die Anzahl der Schichten anhand der Regel von 2,3 % Übertragungsverlust pro zusätzlicher Schicht65 grob geschätzt werden. Nach dieser Beziehung beträgt die Anzahl der Graphenschichten mit 38 % Transmissionsverlust 21. Der gewachsene NGF besteht hauptsächlich aus 300 Graphenschichten, also etwa 100 nm dick (Abb. 1, SI5 und SI7). Daher gehen wir davon aus, dass die beobachtete optische Transparenz den FLG- und MLG-Bereichen entspricht, da diese über den gesamten Film verteilt sind (Abb. 1, 3, 5 und 6c). Zusätzlich zu den oben genannten Strukturdaten bestätigen auch Leitfähigkeit und Transparenz die hohe kristalline Qualität des übertragenen NGF.
(a) Messung der UV-sichtbaren Durchlässigkeit, (b) typische NGF-Übertragung auf Quarz unter Verwendung einer repräsentativen Probe. (c) Schematische Darstellung von NGF (dunkler Kasten) mit gleichmäßig verteilten FLG- und MLG-Regionen, die als graue Zufallsformen in der gesamten Probe markiert sind (siehe Abbildung 1) (ca. 0,1–3 % Fläche pro 100 μm2). Die zufälligen Formen und ihre Größen im Diagramm dienen nur zur Veranschaulichung und entsprechen nicht den tatsächlichen Flächen.
Durch CVD gezüchtetes durchscheinendes NGF wurde zuvor auf blanke Siliziumoberflächen übertragen und in Solarzellen verwendet15,16. Der resultierende Leistungsumwandlungswirkungsgrad (PCE) beträgt 1,5 %. Diese NGFs erfüllen mehrere Funktionen, wie z. B. aktive Verbindungsschichten, Ladungstransportwege und transparente Elektroden15,16. Allerdings ist der Graphitfilm nicht gleichmäßig. Eine weitere Optimierung ist durch sorgfältige Steuerung des Schichtwiderstands und der optischen Durchlässigkeit der Graphitelektrode erforderlich, da diese beiden Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des PCE-Werts der Solarzelle spielen15,16. Typischerweise sind Graphenfilme zu 97,7 % für sichtbares Licht transparent, haben aber einen Schichtwiderstand von 200–3000 Ohm/Quadrat.16. Der Oberflächenwiderstand von Graphenfilmen kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Schichten (mehrfache Übertragung von Graphenschichten) und eine Dotierung mit HNO3 (~30 Ohm/Quadrat)66 verringert werden. Allerdings dauert dieser Vorgang lange und die verschiedenen Transferschichten haben nicht immer einen guten Kontakt. Unser Vorderseiten-NGF hat Eigenschaften wie eine Leitfähigkeit von 2000 S/cm und einen Folienschichtwiderstand von 50 Ohm/Quadrat. und 62 % Transparenz, was es zu einer praktikablen Alternative für leitende Kanäle oder Gegenelektroden in Solarzellen macht15,16.
Obwohl die Struktur und Oberflächenchemie von BS-NGF denen von FS-NGF ähnelt, ist seine Rauheit unterschiedlich („Wachstum von FS- und BS-NGF“). Zuvor verwendeten wir ultradünnen Graphitfilm22 als Gassensor. Daher haben wir die Machbarkeit der Verwendung von BS-NGF für Gassensoraufgaben getestet (Abbildung SI10). Zunächst wurden mm2-große Portionen von BS-NGF auf den interdigitalen Elektrodensensorchip übertragen (Abbildung SI10a-c). Einzelheiten zur Herstellung des Chips wurden bereits zuvor bekannt gegeben; seine aktive empfindliche Fläche beträgt 9 mm267. In den REM-Bildern (Abbildung SI10b und c) ist die darunter liegende Goldelektrode durch den NGF deutlich sichtbar. Auch hier ist zu erkennen, dass bei allen Proben eine gleichmäßige Chipabdeckung erreicht wurde. Es wurden Gassensormessungen verschiedener Gase aufgezeichnet (Abb. SI10d) (Abb. SI11) und die resultierenden Ansprechraten sind in den Abbildungen dargestellt. SI10g. Wahrscheinlich mit anderen störenden Gasen, einschließlich SO2 (200 ppm), H2 (2 %), CH4 (200 ppm), CO2 (2 %), H2S (200 ppm) und NH3 (200 ppm). Eine mögliche Ursache ist NO2. elektrophile Natur des Gases22,68. Wenn es auf der Oberfläche von Graphen adsorbiert wird, verringert es die aktuelle Elektronenaufnahme durch das System. Ein Vergleich der Reaktionszeitdaten des BS-NGF-Sensors mit zuvor veröffentlichten Sensoren ist in Tabelle SI2 dargestellt. Der Mechanismus zur Reaktivierung von NGF-Sensoren mithilfe von UV-Plasma, O3-Plasma oder thermischer (50–150 °C) Behandlung exponierter Proben ist im Gange, idealerweise folgt anschließend die Implementierung eingebetteter Systeme69.
Während des CVD-Prozesses findet Graphenwachstum auf beiden Seiten des Katalysatorsubstrats statt41. Allerdings wird BS-Graphen normalerweise während des Übertragungsprozesses ausgestoßen41. In dieser Studie zeigen wir, dass auf beiden Seiten des Katalysatorträgers ein qualitativ hochwertiges NGF-Wachstum und ein polymerfreier NGF-Transfer erreicht werden können. BS-NGF ist dünner (~80 nm) als FS-NGF (~100 nm), und dieser Unterschied erklärt sich aus der Tatsache, dass BS-Ni nicht direkt dem Vorläufergasfluss ausgesetzt ist. Wir haben auch herausgefunden, dass die Rauheit des NiAR-Substrats die Rauheit des NGF beeinflusst. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das gewachsene planare FS-NGF als Vorläufermaterial für Graphen (mittels Peeling-Methode70) oder als leitfähiger Kanal in Solarzellen15,16 verwendet werden kann. Im Gegensatz dazu wird BS-NGF zur Gasdetektion (Abb. SI9) und möglicherweise für Energiespeichersysteme71,72 verwendet, wo seine Oberflächenrauheit nützlich sein wird.
In Anbetracht des oben Gesagten ist es sinnvoll, die aktuelle Arbeit mit zuvor veröffentlichten Graphitfilmen zu kombinieren, die durch CVD und unter Verwendung von Nickelfolie gezüchtet wurden. Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, verkürzten die von uns verwendeten höheren Drücke die Reaktionszeit (Wachstumsphase) selbst bei relativ niedrigen Temperaturen (im Bereich von 850–1300 °C). Außerdem konnten wir ein stärkeres Wachstum als üblich erzielen, was auf Expansionspotenzial schließen lässt. Es sind noch weitere Faktoren zu berücksichtigen, von denen wir einige in der Tabelle aufgeführt haben.
Durch katalytisches CVD wurde doppelseitiger hochwertiger NGF auf Nickelfolie gezüchtet. Durch den Verzicht auf herkömmliche Polymersubstrate (wie sie beispielsweise bei CVD-Graphen verwendet werden) erreichen wir eine saubere und fehlerfreie Nassübertragung von NGF (aufgewachsen auf der Vorder- und Rückseite von Nickelfolie) auf eine Vielzahl prozesskritischer Substrate. Insbesondere umfasst NGF FLG- und MLG-Regionen (typischerweise 0,1 % bis 3 % pro 100 µm2), die strukturell gut in den dickeren Film integriert sind. Planares TEM zeigt, dass diese Regionen aus Stapeln von zwei bis drei Graphit-/Graphenpartikeln (Kristallen bzw. Schichten) bestehen, von denen einige eine Rotationsfehlanpassung von 10–20° aufweisen. Die FLG- und MLG-Regionen sind für die Transparenz von FS-NGF gegenüber sichtbarem Licht verantwortlich. Die hinteren Bleche können parallel zu den vorderen Blechen getragen werden und, wie gezeigt, einen funktionalen Zweck erfüllen (z. B. zur Gasdetektion). Diese Studien sind sehr nützlich, um Abfall und Kosten bei CVD-Prozessen im industriellen Maßstab zu reduzieren.
Im Allgemeinen liegt die durchschnittliche Dicke von CVD-NGF zwischen (niedrigen und mehrschichtigen) Graphen- und industriellen (Mikrometer-)Graphitplatten. Aufgrund der Vielfalt ihrer interessanten Eigenschaften in Kombination mit der einfachen Methode, die wir für ihre Herstellung und ihren Transport entwickelt haben, eignen sich diese Folien besonders für Anwendungen, die die funktionelle Reaktion von Graphit erfordern, ohne die Kosten der derzeit verwendeten energieintensiven industriellen Produktionsprozesse.
Eine 25 μm dicke Nickelfolie (99,5 % Reinheit, Goodfellow) wurde in einen kommerziellen CVD-Reaktor (Aixtron 4-Zoll BMPro) eingebaut. Das System wurde mit Argon gespült und auf einen Basisdruck von 10-3 mbar evakuiert. Dann wurde Nickelfolie angebracht. in Ar/H2 (Nach 5-minütigem Vorglühen der Ni-Folie wurde die Folie einem Druck von 500 mbar bei 900 °C ausgesetzt. NGF wurde 5 Minuten lang in einem Fluss von CH4/H2 (jeweils 100 cm3) abgeschieden. Die Probe wurde dann unter Verwendung eines Ar-Stroms (4000 cm3) mit 40 °C/min auf eine Temperatur unter 700 °C abgekühlt. Einzelheiten zur Optimierung des NGF-Wachstumsprozesses werden an anderer Stelle beschrieben30.
Die Oberflächenmorphologie der Probe wurde durch SEM unter Verwendung eines Zeiss Merlin-Mikroskops (1 kV, 50 pA) sichtbar gemacht. Die Rauheit der Probenoberfläche und die NGF-Dicke wurden mit AFM (Dimension Icon SPM, Bruker) gemessen. TEM- und SAED-Messungen wurden mit einem FEI Titan 80–300 Cubed-Mikroskop durchgeführt, das mit einer Feldemissionskanone mit hoher Helligkeit (300 kV), einem Monochromator vom Typ FEI Wien und einem CEOS-Objektiv zur Korrektur der sphärischen Aberration ausgestattet war, um die Endergebnisse zu erhalten. räumliche Auflösung 0,09 nm. NGF-Proben wurden zur flachen TEM-Bildgebung und SAED-Strukturanalyse auf mit Kohlenstoffspitzen beschichtete Kupfergitter übertragen. Somit sind die meisten Probenflocken in den Poren der Trägermembran suspendiert. Übertragene NGF-Proben wurden mittels XRD analysiert. Röntgenbeugungsmuster wurden mit einem Pulverdiffraktometer (Brucker, D2-Phasenschieber mit Cu-Kα-Quelle, 1,5418 Å und LYNXEYE-Detektor) unter Verwendung einer Cu-Strahlungsquelle mit einem Strahlfleckdurchmesser von 3 mm erhalten.
Mehrere Raman-Punktmessungen wurden mit einem integrierenden konfokalen Mikroskop (Alpha 300 RA, WITeC) aufgezeichnet. Um thermisch induzierte Effekte zu vermeiden, wurde ein 532-nm-Laser mit geringer Anregungsleistung (25 %) verwendet. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde auf einem Kratos Axis Ultra-Spektrometer über einer Probenfläche von 300 × 700 μm2 unter Verwendung monochromatischer Al Kα-Strahlung (hν = 1486,6 eV) bei einer Leistung von 150 W durchgeführt. Auflösungsspektren wurden bei erhalten Übertragungsenergien von 160 eV bzw. 20 eV. Auf SiO2 übertragene NGF-Proben wurden mit einem Ytterbium-Faserlaser PLS6MW (1,06 μm) bei 30 W in Stücke (jeweils 3 × 10 mm2) geschnitten. Kupferdrahtkontakte (50 μm dick) wurden unter Verwendung von Silberpaste unter einem optischen Mikroskop hergestellt. An diesen Proben wurden elektrische Transport- und Hall-Effekt-Experimente bei 300 K und einer Magnetfeldschwankung von ± 9 Tesla in einem System zur Messung physikalischer Eigenschaften (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) durchgeführt. Durchgelassene UV-Vis-Spektren wurden mit einem Lambda 950 UV-Vis-Spektrophotometer im NGF-Bereich von 350–800 nm aufgezeichnet und auf Quarzsubstrate und Quarzreferenzproben übertragen.
Der chemische Widerstandssensor (ineinandergreifender Elektrodenchip) wurde mit einer kundenspezifischen Leiterplatte 73 verdrahtet und der Widerstand wurde vorübergehend extrahiert. Die Leiterplatte, auf der sich das Gerät befindet, wird mit den Kontaktanschlüssen verbunden und in der Gasmesskammer 74 platziert. Widerstandsmessungen wurden bei einer Spannung von 1 V mit einem kontinuierlichen Scan von der Spülung bis zur Gasexposition und dann erneuter Spülung durchgeführt. Die Kammer wurde zunächst durch einstündiges Spülen mit Stickstoff bei 200 cm3 gereinigt, um sicherzustellen, dass alle anderen in der Kammer vorhandenen Analyten, einschließlich Feuchtigkeit, entfernt wurden. Anschließend wurden die einzelnen Analyten durch Schließen des N2-Zylinders langsam mit der gleichen Durchflussrate von 200 cm3 in die Kammer freigesetzt.
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Inagaki, M. und Kang, F. Kohlenstoffmaterialwissenschaft und -technik: Grundlagen. Zweite Auflage herausgegeben. 2014. 542.
Pearson, HO Handbuch für Kohlenstoff, Graphit, Diamant und Fullerene: Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendungen. Die Erstausgabe wurde bearbeitet. 1994, New Jersey.
Tsai, W. et al. Großflächige mehrschichtige Graphen-/Graphitfilme als transparente dünne leitfähige Elektroden. Anwendung. Physik. Wright. 95(12), 123115(2009).
Balandin AA Thermische Eigenschaften von Graphen und nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien. Nat. Matt. 10(8), 569–581 (2011).
Cheng KY, Brown PW und Cahill DG Wärmeleitfähigkeit von Graphitfilmen, die durch chemische Gasphasenabscheidung bei niedriger Temperatur auf Ni (111) gewachsen sind. Adverb. Matt. Schnittstelle 3, 16 (2016).
Hesjedal, T. Kontinuierliches Wachstum von Graphenfilmen durch chemische Gasphasenabscheidung. Anwendung. Physik. Wright. 98(13), 133106(2011).
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 23. August 2024