Ni இல் ஒரு ஒளிஊடுருவக்கூடிய கிராஃபைட் ஃபிலிம் மற்றும் அதன் இருவழி பாலிமர் இல்லாத பரிமாற்றம்

Nature.com ஐப் பார்வையிட்டதற்கு நன்றி. நீங்கள் பயன்படுத்தும் உலாவியின் பதிப்பு குறைந்த CSS ஆதரவைக் கொண்டுள்ளது. சிறந்த முடிவுகளுக்கு, உங்கள் உலாவியின் புதிய பதிப்பைப் பயன்படுத்துமாறு பரிந்துரைக்கிறோம் (அல்லது Internet Explorer இல் பொருந்தக்கூடிய பயன்முறையை முடக்கவும்). இதற்கிடையில், தொடர்ந்து ஆதரவை உறுதிப்படுத்த, நாங்கள் ஸ்டைலிங் அல்லது ஜாவாஸ்கிரிப்ட் இல்லாமல் தளத்தைக் காண்பிக்கிறோம்.
நானோ அளவிலான கிராஃபைட் படங்கள் (NGFs) என்பது வினையூக்க இரசாயன நீராவி படிவு மூலம் உற்பத்தி செய்யக்கூடிய வலுவான நானோ பொருட்கள் ஆகும், ஆனால் அவற்றின் பரிமாற்றத்தின் எளிமை மற்றும் அடுத்த தலைமுறை சாதனங்களில் அவற்றின் பயன்பாட்டை மேற்பரப்பு உருவவியல் எவ்வாறு பாதிக்கிறது என்பது பற்றிய கேள்விகள் உள்ளன. ஒரு பாலிகிரிஸ்டலின் நிக்கல் ஃபாயிலின் இருபுறமும் உள்ள NGF இன் வளர்ச்சியையும் (பகுதி 55 செ.மீ.2, தடிமன் சுமார் 100 என்.எம்) பாலிமர் இல்லாத பரிமாற்றத்தையும் (முன் மற்றும் பின், பரப்பளவு 6 செ.மீ.2 வரை) இங்கு தெரிவிக்கிறோம். வினையூக்கி படலத்தின் உருவவியல் காரணமாக, இரண்டு கார்பன் படங்களும் அவற்றின் இயற்பியல் பண்புகள் மற்றும் பிற பண்புகளில் (மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை போன்றவை) வேறுபடுகின்றன. கடினமான பின்புறம் கொண்ட NGFகள் NO2 கண்டறிதலுக்கு மிகவும் பொருத்தமானவை என்பதை நாங்கள் நிரூபிக்கிறோம், அதே சமயம் முன்பக்கத்தில் மென்மையான மற்றும் அதிக கடத்தும் NGFகள் (2000 S/cm, தாள் எதிர்ப்பு - 50 ohms/m2) சாத்தியமான கடத்திகளாக இருக்கும். சூரிய மின்கலத்தின் சேனல் அல்லது மின்முனை (இது 62% புலப்படும் ஒளியைக் கடத்துவதால்). ஒட்டுமொத்தமாக, விவரிக்கப்பட்ட வளர்ச்சி மற்றும் போக்குவரத்து செயல்முறைகள், கிராபென் மற்றும் மைக்ரான்-தடிமனான கிராஃபைட் படங்கள் பொருந்தாத தொழில்நுட்ப பயன்பாடுகளுக்கான மாற்று கார்பன் பொருளாக NGF ஐ உணர உதவும்.
கிராஃபைட் என்பது பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் ஒரு தொழில்துறை பொருள். குறிப்பிடத்தக்க வகையில், கிராஃபைட் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த நிறை அடர்த்தி மற்றும் அதிக வெப்ப மற்றும் மின் கடத்துத்திறன் ஆகியவற்றின் பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது, மேலும் கடுமையான வெப்ப மற்றும் இரசாயன சூழல்களில் மிகவும் நிலையானது. ஃபிளேக் கிராஃபைட் என்பது கிராபெனின் ஆராய்ச்சிக்கான நன்கு அறியப்பட்ட தொடக்கப் பொருளாகும். மெல்லிய படங்களாக செயலாக்கப்படும் போது, ​​இது ஸ்மார்ட்ஃபோன்கள் 4,5,6,7 போன்ற மின்னணு சாதனங்களுக்கான வெப்ப மூழ்கிகள் உட்பட, சென்சார்கள்8,9,10 மற்றும் மின்காந்த குறுக்கீடு பாதுகாப்பு ஆகியவற்றில் செயலில் உள்ள பொருளாகப் பயன்படுத்தப்படும். 12 மற்றும் தீவிர புற ஊதா 13,14 இல் லித்தோகிராஃபிக்கான படங்கள், சூரிய மின்கலங்களில் சேனல்களை நடத்துகின்றன15,16. இந்தப் பயன்பாடுகள் அனைத்திற்கும், நானோ அளவிலான <100 nm இல் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட தடிமன் கொண்ட கிராஃபைட் பிலிம்களின் (NGFs) பெரிய பகுதிகள் எளிதில் தயாரிக்கப்பட்டு கொண்டு செல்லப்பட்டால் அது குறிப்பிடத்தக்க நன்மையாக இருக்கும்.
கிராஃபைட் படங்கள் பல்வேறு முறைகளில் தயாரிக்கப்படுகின்றன. ஒரு சந்தர்ப்பத்தில், கிராபெனின் செதில்களை உருவாக்க உட்பொதித்தல் மற்றும் விரிவாக்கம் மற்றும் உரித்தல் ஆகியவை பயன்படுத்தப்பட்டன. செதில்கள் தேவையான தடிமன் கொண்ட படங்களாக மேலும் செயலாக்கப்பட வேண்டும், மேலும் அடர்த்தியான கிராஃபைட் தாள்களை உருவாக்க பல நாட்கள் ஆகும். மற்றொரு அணுகுமுறை கிராஃபிட்டபிள் திட முன்னோடிகளுடன் தொடங்குவதாகும். தொழில்துறையில், பாலிமர்களின் தாள்கள் கார்பனேற்றம் (1000-1500 °C) பின்னர் கிராஃபிடைஸ் (2800-3200 °C இல்) நன்கு கட்டமைக்கப்பட்ட அடுக்குப் பொருட்களை உருவாக்குகின்றன. இந்த படங்களின் தரம் அதிகமாக இருந்தாலும், ஆற்றல் நுகர்வு குறிப்பிடத்தக்கது 1,18,19 மற்றும் குறைந்தபட்ச தடிமன் சில மைக்ரான்கள் 1,18,19,20 மட்டுமே.
வினையூக்கி இரசாயன நீராவி படிவு (CVD) என்பது கிராபெனின் மற்றும் அல்ட்ராதின் கிராஃபைட் பிலிம்களை (<10 nm) உயர் கட்டமைப்பு தரம் மற்றும் நியாயமான விலை21,22,23,24,25,26,27 ஆகியவற்றை தயாரிப்பதற்கான நன்கு அறியப்பட்ட முறையாகும். இருப்பினும், கிராபெனின் மற்றும் அல்ட்ராதின் கிராஃபைட் படங்களின் வளர்ச்சியுடன் ஒப்பிடுகையில், பெரிய பரப்பளவு வளர்ச்சி மற்றும்/அல்லது CVD ஐப் பயன்படுத்தி NGF இன் பயன்பாடு இன்னும் குறைவாகவே ஆராயப்படுகிறது11,13,29,30,31,32,33.
CVD-வளர்ந்த கிராபென் மற்றும் கிராஃபைட் படங்கள் பெரும்பாலும் செயல்பாட்டு அடி மூலக்கூறுகளுக்கு மாற்றப்பட வேண்டும். இந்த மெல்லிய படப் பரிமாற்றங்கள் இரண்டு முக்கிய முறைகளை உள்ளடக்கியது35: (1) எட்ச் அல்லாத பரிமாற்றம்36,37 மற்றும் (2) எட்ச் அடிப்படையிலான ஈரமான இரசாயன பரிமாற்றம் (அடி மூலக்கூறு ஆதரிக்கப்படுகிறது)14,34,38. ஒவ்வொரு முறையிலும் சில நன்மைகள் மற்றும் தீமைகள் உள்ளன, மேலும் 35,39 இடங்களில் விவரிக்கப்பட்டுள்ளபடி, நோக்கம் கொண்ட பயன்பாட்டைப் பொறுத்து தேர்ந்தெடுக்கப்பட வேண்டும். வினையூக்கி அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் கிராபெனின்/கிராஃபைட் படங்களுக்கு, ஈரமான இரசாயன செயல்முறைகள் மூலம் பரிமாற்றம் (அதில் பாலிமெதில் மெதக்ரிலேட் (PMMA) பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் ஆதரவு அடுக்கு) முதல் தேர்வாக உள்ளது13,30,34,38,40,41,42. நீங்கள் மற்றும் பலர். NGF பரிமாற்றத்திற்கு பாலிமர் எதுவும் பயன்படுத்தப்படவில்லை என்று குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது (மாதிரி அளவு தோராயமாக 4 செமீ2)25,43, ஆனால் மாதிரி நிலைத்தன்மை மற்றும்/அல்லது பரிமாற்றத்தின் போது கையாளுதல் தொடர்பான விவரங்கள் எதுவும் வழங்கப்படவில்லை; பாலிமர்களைப் பயன்படுத்தி ஈரமான வேதியியல் செயல்முறைகள் பல படிநிலைகளைக் கொண்டிருக்கின்றன, இதில் தியாக பாலிமர் லேயரின் பயன்பாடு மற்றும் அகற்றுதல் ஆகியவை அடங்கும். இந்த செயல்முறை குறைபாடுகளைக் கொண்டுள்ளது: எடுத்துக்காட்டாக, பாலிமர் எச்சங்கள் வளர்ந்த படத்தின் பண்புகளை மாற்றலாம்38. கூடுதல் செயலாக்கம் மீதமுள்ள பாலிமரை அகற்றலாம், ஆனால் இந்த கூடுதல் படிகள் திரைப்படத் தயாரிப்பின் செலவு மற்றும் நேரத்தை அதிகரிக்கின்றன38,40. CVD வளர்ச்சியின் போது, ​​கிராபெனின் ஒரு அடுக்கு வினையூக்கி படலத்தின் முன் பக்கத்தில் (நீராவி ஓட்டத்தை எதிர்கொள்ளும் பக்கம்) மட்டுமல்ல, அதன் பின் பக்கத்திலும் வைக்கப்படுகிறது. இருப்பினும், பிந்தையது ஒரு கழிவுப் பொருளாகக் கருதப்படுகிறது மற்றும் மென்மையான பிளாஸ்மா 38,41 மூலம் விரைவாக அகற்றப்படலாம். இந்த படத்தை மறுசுழற்சி செய்வது, முகத்தில் உள்ள கார்பன் படலத்தை விட குறைந்த தரத்தில் இருந்தாலும், மகசூலை அதிகரிக்க உதவும்.
CVD மூலம் பாலிகிரிஸ்டலின் நிக்கல் ஃபாயிலில் உயர் கட்டமைப்புத் தரத்துடன் NGF இன் செதில்-அளவிலான இருமுக வளர்ச்சியைத் தயாரிப்பதை இங்கே நாங்கள் தெரிவிக்கிறோம். படலத்தின் முன் மற்றும் பின் மேற்பரப்பின் கடினத்தன்மை NGF இன் உருவவியல் மற்றும் கட்டமைப்பை எவ்வாறு பாதிக்கிறது என்று மதிப்பிடப்பட்டது. நிக்கல் ஃபாயிலின் இருபுறமும் மல்டிஃபங்க்ஸ்னல் அடி மூலக்கூறுகளில் என்ஜிஎஃப் செலவு குறைந்த மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கு உகந்த பாலிமர்-இல்லாத பரிமாற்றத்தை நாங்கள் நிரூபிக்கிறோம் மற்றும் முன் மற்றும் பின் படங்கள் பல்வேறு பயன்பாடுகளுக்கு எவ்வாறு பொருத்தமானது என்பதைக் காட்டுகிறோம்.
பின்வரும் பிரிவுகள் அடுக்கப்பட்ட கிராபெனின் அடுக்குகளின் எண்ணிக்கையைப் பொறுத்து வெவ்வேறு கிராஃபைட் படத் தடிமன்களைப் பற்றி விவாதிக்கின்றன: (i) ஒற்றை அடுக்கு கிராபெனின் (SLG, 1 அடுக்கு), (ii) சில அடுக்கு கிராபெனின் (FLG, <10 அடுக்குகள்), (iii) பல அடுக்கு கிராபெனின் ( MLG, 10-30 அடுக்குகள்) மற்றும் (iv) NGF (~300 அடுக்குகள்). பிந்தையது மிகவும் பொதுவான தடிமன் பகுதியின் சதவீதமாக வெளிப்படுத்தப்படுகிறது (100 µm2 க்கு தோராயமாக 97% பகுதி)30. அதனால்தான் முழுப் படத்துக்கும் NGF என்று பெயர் வைத்திருக்கிறார்கள்.
கிராபெனின் மற்றும் கிராஃபைட் படங்களின் தொகுப்புக்கு பயன்படுத்தப்படும் பாலிகிரிஸ்டலின் நிக்கல் படலங்கள் அவற்றின் உற்பத்தி மற்றும் அடுத்தடுத்த செயலாக்கத்தின் விளைவாக வெவ்வேறு அமைப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. NGF30 இன் வளர்ச்சி செயல்முறையை மேம்படுத்துவதற்கான ஒரு ஆய்வை நாங்கள் சமீபத்தில் தெரிவித்தோம். ஒரே மாதிரியான தடிமன் கொண்ட NGF களைப் பெறுவதில் வளர்ச்சி நிலையின் போது அனீலிங் நேரம் மற்றும் அறை அழுத்தம் போன்ற செயல்முறை அளவுருக்கள் முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன என்பதைக் காட்டுகிறோம். இங்கே, நிக்கல் படலத்தின் (படம் 1a) பளபளப்பான முன் (FS) மற்றும் மெருகூட்டப்படாத பின் (BS) பரப்புகளில் NGF இன் வளர்ச்சியை மேலும் ஆராய்ந்தோம். மூன்று வகையான FS மற்றும் BS மாதிரிகள் ஆய்வு செய்யப்பட்டன, அவை அட்டவணை 1ல் பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன. காட்சி ஆய்வின் போது, ​​நிக்கல் ஃபாயிலின் (NiAG) இருபுறமும் NGF இன் சீரான வளர்ச்சியானது, ஒரு சிறப்பியல்பு உலோக வெள்ளியிலிருந்து மொத்த Ni அடி மூலக்கூறின் நிற மாற்றத்தின் மூலம் காணலாம். சாம்பல் ஒரு மேட் சாம்பல் நிறம் (படம். 1a); நுண்ணிய அளவீடுகள் உறுதி செய்யப்பட்டன (படம் 1b, c). FS-NGF இன் பொதுவான ராமன் ஸ்பெக்ட்ரம் பிரகாசமான பகுதியில் காணப்பட்டது மற்றும் படம் 1b இல் சிவப்பு, நீலம் மற்றும் ஆரஞ்சு அம்புகளால் குறிக்கப்படுகிறது படம் 1c இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. கிராஃபைட் G (1683 cm−1) மற்றும் 2D (2696 cm−1) ஆகியவற்றின் சிறப்பியல்பு ராமன் சிகரங்கள் அதிக படிக NGF இன் வளர்ச்சியை உறுதிப்படுத்துகின்றன (படம் 1c, அட்டவணை SI1). படம் முழுவதும், தீவிர விகிதம் (I2D/IG) ~0.3 உடன் ராமன் நிறமாலையின் ஆதிக்கம் காணப்பட்டது, அதே சமயம் I2D/IG = 0.8 உடன் ராமன் ஸ்பெக்ட்ரா அரிதாகவே காணப்பட்டது. முழுப் படத்திலும் குறைபாடுள்ள சிகரங்கள் (D = 1350 cm-1) இல்லாதது NGF வளர்ச்சியின் உயர் தரத்தைக் குறிக்கிறது. இதேபோன்ற ராமன் முடிவுகள் BS-NGF மாதிரியில் பெறப்பட்டன (படம் SI1 a மற்றும் b, அட்டவணை SI1).
NiAG FS- மற்றும் BS-NGF இன் ஒப்பீடு: (அ) ஒரு பொதுவான NGF (NiAG) மாதிரியின் புகைப்படம் செதில் அளவில் (55 செமீ2) NGF வளர்ச்சியைக் காட்டுகிறது மற்றும் அதன் விளைவாக வரும் BS- மற்றும் FS-Ni படல மாதிரிகள், (b) FS-NGF ஒளியியல் நுண்ணோக்கி மூலம் பெறப்பட்ட படங்கள்/ Ni, (c) பேனல் b இல் வெவ்வேறு நிலைகளில் பதிவுசெய்யப்பட்ட வழக்கமான ராமன் ஸ்பெக்ட்ரா, (d, f) FS-NGF/Ni இல் வெவ்வேறு உருப்பெருக்கங்களில் SEM படங்கள், (e, g) வெவ்வேறு உருப்பெருக்கங்களில் SEM படங்கள் BS -NGF/Ni அமைக்கிறது. நீல அம்பு FLG பகுதியைக் குறிக்கிறது, ஆரஞ்சு அம்பு MLG பகுதியைக் குறிக்கிறது (FLG பகுதிக்கு அருகில்), சிவப்பு அம்பு NGF பகுதியைக் குறிக்கிறது, மற்றும் மெஜந்தா அம்பு மடிப்பைக் குறிக்கிறது.
வளர்ச்சியானது ஆரம்ப அடி மூலக்கூறு, படிக அளவு, நோக்குநிலை மற்றும் தானிய எல்லைகளின் தடிமன் சார்ந்து இருப்பதால், பெரிய பகுதிகளில் NGF தடிமன் நியாயமான கட்டுப்பாட்டை அடைவது ஒரு சவாலாக உள்ளது20,34,44. இந்த ஆய்வு நாங்கள் முன்பு வெளியிட்ட உள்ளடக்கத்தைப் பயன்படுத்தியது30. இந்த செயல்முறையானது 100 µm230க்கு 0.1 முதல் 3% வரை பிரகாசமான பகுதியை உருவாக்குகிறது. பின்வரும் பிரிவுகளில், இரண்டு வகையான பிராந்தியங்களுக்கான முடிவுகளை நாங்கள் வழங்குகிறோம். உயர் உருப்பெருக்கம் SEM படங்கள் இருபுறமும் பல பிரகாசமான மாறுபட்ட பகுதிகள் இருப்பதைக் காட்டுகின்றன (படம். 1f,g), FLG மற்றும் MLG பகுதிகள்30,45 இருப்பதைக் குறிக்கிறது. இது ராமன் சிதறல் (படம் 1c) மற்றும் TEM முடிவுகளாலும் உறுதிப்படுத்தப்பட்டது (பின்னர் "FS-NGF: கட்டமைப்பு மற்றும் பண்புகள்" பிரிவில் விவாதிக்கப்பட்டது). FS- மற்றும் BS-NGF/Ni மாதிரிகளில் காணப்பட்ட FLG மற்றும் MLG பகுதிகள் (Ni இல் வளர்க்கப்படும் முன் மற்றும் பின் NGF) 22,30,45 க்கு முந்தைய போது உருவாக்கப்பட்ட பெரிய Ni(111) தானியங்களில் வளர்ந்திருக்கலாம். இருபுறமும் மடிப்பு காணப்பட்டது (படம் 1 பி, ஊதா அம்புகளால் குறிக்கப்பட்டது). கிராஃபைட் மற்றும் நிக்கல் அடி மூலக்கூறுக்கு இடையே உள்ள வெப்ப விரிவாக்கத்தின் குணகத்தின் பெரிய வேறுபாடு காரணமாக இந்த மடிப்புகள் பெரும்பாலும் CVD-வளர்க்கப்பட்ட கிராபென் மற்றும் கிராஃபைட் படங்களில் காணப்படுகின்றன.
BS-NGF மாதிரி (படம் SI1) (படம் SI2) ஐ விட FS-NGF மாதிரி தட்டையானது என்பதை AFM படம் உறுதிப்படுத்தியது. FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) மற்றும் BS-NGF/Ni (Fig. SI2d) ஆகியவற்றின் மூல சராசரி சதுர (RMS) கடினத்தன்மை மதிப்புகள் முறையே 82 மற்றும் 200 nm ஆகும் (20 × பரப்பளவில் அளவிடப்படுகிறது 20 μm2). பெறப்பட்ட நிலையில் (படம் SI3) நிக்கல் (NiAR) படலத்தின் மேற்பரப்பு பகுப்பாய்வின் அடிப்படையில் அதிக கடினத்தன்மையை புரிந்து கொள்ள முடியும். FS மற்றும் BS-NiAR இன் SEM படங்கள் SI3a-d இல் காட்டப்பட்டுள்ளன, இது வெவ்வேறு மேற்பரப்பு உருவ அமைப்புகளை நிரூபிக்கிறது: பளபளப்பான FS-Ni படலத்தில் நானோ மற்றும் மைக்ரான் அளவிலான கோளத் துகள்கள் உள்ளன, அதே சமயம் மெருகூட்டப்படாத BS-Ni படலம் உற்பத்தி ஏணியைக் காட்டுகிறது. அதிக வலிமை கொண்ட துகள்களாக. மற்றும் சரிவு. அனீல்டு நிக்கல் ஃபாயிலின் (NiA) குறைந்த மற்றும் உயர் தெளிவுத்திறன் படங்கள் படம் SI3e-h இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. இந்த புள்ளிவிவரங்களில், நிக்கல் படலத்தின் இருபுறமும் பல மைக்ரான் அளவிலான நிக்கல் துகள்கள் இருப்பதை நாம் அவதானிக்கலாம் (படம். SI3e-h). பெரிய தானியங்கள் Ni(111) மேற்பரப்பு நோக்குநிலையைக் கொண்டிருக்கலாம், முன்பு தெரிவித்தது 30,46. FS-NiA மற்றும் BS-NiA இடையே நிக்கல் ஃபாயில் உருவ அமைப்பில் குறிப்பிடத்தக்க வேறுபாடுகள் உள்ளன. BS-NGF/Ni இன் அதிக கடினத்தன்மை BS-NiAR இன் மெருகூட்டப்படாத மேற்பரப்பால் ஏற்படுகிறது, அதன் மேற்பரப்பு அனீலிங் செய்த பின்னரும் கணிசமாக கடினமானதாகவே உள்ளது (படம் SI3). வளர்ச்சி செயல்முறைக்கு முன் இந்த வகையான மேற்பரப்பு குணாதிசயம் கிராபெனின் மற்றும் கிராஃபைட் படங்களின் கடினத்தன்மையைக் கட்டுப்படுத்த அனுமதிக்கிறது. கிராபெனின் வளர்ச்சியின் போது அசல் அடி மூலக்கூறு சில தானிய மறுசீரமைப்பிற்கு உட்பட்டது என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும், இது தானியத்தின் அளவை சற்று குறைத்தது மற்றும் அனீல் செய்யப்பட்ட படலம் மற்றும் வினையூக்கி படத்துடன் ஒப்பிடும்போது அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மையை ஓரளவு அதிகரித்தது.
அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை, அனீலிங் நேரம் (தானிய அளவு)30,47 மற்றும் வெளியீடு கட்டுப்பாடு43 ஆகியவற்றை நன்றாகச் சரிசெய்வது, பிராந்திய NGF தடிமன் சீரான தன்மையை µm2 மற்றும்/அல்லது nm2 அளவில் குறைக்க உதவும் (அதாவது, சில நானோமீட்டர்களின் தடிமன் மாறுபாடுகள்). அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மையைக் கட்டுப்படுத்த, நிக்கல் படலத்தின் மின்னாற்பகுப்பு மெருகூட்டல் போன்ற முறைகளைக் கருத்தில் கொள்ளலாம். பெரிய Ni(111) தானியங்கள் (FLG வளர்ச்சிக்கு நன்மை பயக்கும்) உருவாவதைத் தவிர்ப்பதற்காக, முன்னரே சுத்திகரிக்கப்பட்ட நிக்கல் படலத்தை குறைந்த வெப்பநிலையில் (<900 °C) 46 மற்றும் நேரம் (<5 நிமிடம்) அனீல் செய்யலாம்.
SLG மற்றும் FLG கிராபென் அமிலங்கள் மற்றும் நீரின் மேற்பரப்பு பதற்றத்தை தாங்க முடியாது, ஈரமான இரசாயன பரிமாற்ற செயல்முறைகளின் போது இயந்திர ஆதரவு அடுக்குகள் தேவைப்படுகின்றன22,34,38. பாலிமர்-ஆதரவு ஒற்றை-அடுக்கு கிராபெனின் ஈரமான இரசாயன பரிமாற்றத்திற்கு மாறாக, படம் 2a இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, வளர்ந்த NGF இன் இருபுறமும் பாலிமர் ஆதரவு இல்லாமல் மாற்றப்படலாம் என்பதைக் கண்டறிந்தோம் (மேலும் விவரங்களுக்கு படம் SI4a ஐப் பார்க்கவும்). கொடுக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறுக்கு NGF ஐ மாற்றுவது அடிப்படை Ni30.49 படத்தின் ஈரமான பொறிப்புடன் தொடங்குகிறது. வளர்ந்த NGF/Ni/NGF மாதிரிகள் 15 மில்லி 70% HNO3 இல் ஒரே இரவில் 600 மில்லி டீயோனைஸ்டு (DI) நீரில் நீர்த்தப்பட்டன. Ni படலம் முழுவதுமாக கரைந்த பிறகு, FS-NGF தட்டையாக இருக்கும் மற்றும் NGF/Ni/NGF மாதிரியைப் போலவே திரவத்தின் மேற்பரப்பில் மிதக்கிறது, அதே நேரத்தில் BS-NGF தண்ணீரில் மூழ்கியிருக்கும் (படம் 2a,b). தனிமைப்படுத்தப்பட்ட NGF ஆனது புதிய டீயோனைஸ்டு நீர் கொண்ட ஒரு பீக்கரில் இருந்து மற்றொரு பீக்கருக்கு மாற்றப்பட்டது மற்றும் தனிமைப்படுத்தப்பட்ட NGF நன்கு கழுவப்பட்டு, குழிவான கண்ணாடி டிஷ் மூலம் நான்கு முதல் ஆறு முறை மீண்டும் மீண்டும் செய்யப்படுகிறது. இறுதியாக, FS-NGF மற்றும் BS-NGF ஆகியவை விரும்பிய அடி மூலக்கூறில் வைக்கப்பட்டன (படம் 2c).
நிக்கல் படலத்தில் வளர்க்கப்படும் NGFக்கான பாலிமர் இல்லாத ஈரமான இரசாயன பரிமாற்ற செயல்முறை: (அ) செயல்முறை ஓட்ட வரைபடம் (மேலும் விவரங்களுக்கு படம் SI4 ஐப் பார்க்கவும்), (b) Ni பொறித்த பிறகு பிரிக்கப்பட்ட NGF இன் டிஜிட்டல் புகைப்படம் (2 மாதிரிகள்), (c) எடுத்துக்காட்டு FS - மற்றும் SiO2/Si அடி மூலக்கூறுக்கு BS-NGF பரிமாற்றம், (d) ஒளிபுகா பாலிமர் அடி மூலக்கூறுக்கு FS-NGF பரிமாற்றம், (e) BS-NGF பேனல் d போன்ற அதே மாதிரியிலிருந்து (இரண்டு பகுதிகளாகப் பிரிக்கப்பட்டது), தங்க முலாம் பூசப்பட்ட C காகிதத்திற்கு மாற்றப்பட்டது மற்றும் Nafion (நெகிழ்வான வெளிப்படையான அடி மூலக்கூறு, சிவப்பு மூலைகளால் குறிக்கப்பட்ட விளிம்புகள்).
ஈரமான இரசாயன பரிமாற்ற முறைகளைப் பயன்படுத்தி செய்யப்படும் SLG பரிமாற்றத்திற்கு 20-24 மணிநேரம் 38 மொத்த செயலாக்க நேரம் தேவைப்படுகிறது என்பதை நினைவில் கொள்ளவும். பாலிமர்-இலவச பரிமாற்ற நுட்பம் இங்கே நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது (படம் SI4a), ஒட்டுமொத்த NGF பரிமாற்ற செயலாக்க நேரம் கணிசமாகக் குறைக்கப்படுகிறது (தோராயமாக 15 மணிநேரம்). செயல்முறை பின்வருவனவற்றைக் கொண்டுள்ளது: (படி 1) ஒரு பொறித்தல் கரைசலைத் தயாரித்து அதில் மாதிரியை வைக்கவும் (~10 நிமிடங்கள்), பின்னர் Ni பொறிப்பதற்கு ஒரே இரவில் காத்திருக்கவும் (~7200 நிமிடங்கள்), (படி 2) டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட தண்ணீரில் கழுவவும் (படி - 3) . டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட நீரில் சேமிக்கவும் அல்லது இலக்கு அடி மூலக்கூறுக்கு மாற்றவும் (20 நிமிடம்). NGF மற்றும் மொத்த மேட்ரிக்ஸுக்கு இடையில் சிக்கியுள்ள நீர் தந்துகி நடவடிக்கை மூலம் அகற்றப்படுகிறது (பிளாட்டிங் பேப்பரைப் பயன்படுத்தி) ஒரு வெற்றிட அடுப்பில் (10-1 mbar) 50-90 °C (60 நிமிடம்) 38.
கிராஃபைட் மிகவும் அதிக வெப்பநிலையில் (≥ 200 °C)50,51,52 நீர் மற்றும் காற்றின் இருப்பை தாங்கும் என்று அறியப்படுகிறது. ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி, எஸ்இஎம் மற்றும் எக்ஸ்ஆர்டி ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்தி அறை வெப்பநிலையில் டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட நீரில் சேமித்து வைத்த பிறகும், சில நாட்கள் முதல் ஒரு வருடம் வரை சீல் செய்யப்பட்ட பாட்டில்களில் சேமித்து வைத்த பிறகும் மாதிரிகளைச் சோதித்தோம் (படம் SI4). குறிப்பிடத்தக்க சீரழிவு இல்லை. படம் 2c, டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட நீரில் ஃப்ரீ-ஸ்டாண்டிங் FS-NGF மற்றும் BS-NGF ஆகியவற்றைக் காட்டுகிறது. படம் 2c இன் தொடக்கத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, SiO2 (300 nm)/Si அடி மூலக்கூறில் அவற்றைப் பிடித்தோம். கூடுதலாக, படம் 2d,e இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, பாலிமர்கள் (Nexolve மற்றும் Nafion இலிருந்து Thermabright polyamide) மற்றும் தங்கம் பூசப்பட்ட கார்பன் காகிதம் போன்ற பல்வேறு அடி மூலக்கூறுகளுக்கு தொடர்ச்சியான NGF மாற்றப்படலாம். மிதக்கும் FS-NGF இலக்கு அடி மூலக்கூறில் எளிதாக வைக்கப்பட்டது (படம் 2c, d). இருப்பினும், 3 செ.மீ 2 க்கும் அதிகமான பிஎஸ்-என்ஜிஎஃப் மாதிரிகள் தண்ணீரில் முழுமையாக மூழ்கும்போது கையாள கடினமாக இருந்தது. வழக்கமாக, அவை தண்ணீரில் உருட்டத் தொடங்கும் போது, ​​கவனக்குறைவான கையாளுதலின் காரணமாக அவை சில நேரங்களில் இரண்டு அல்லது மூன்று பகுதிகளாக உடைகின்றன (படம் 2e). ஒட்டுமொத்தமாக, PS- மற்றும் BS-NGF இன் பாலிமர்-இல்லாத பரிமாற்றத்தை (6 cm2 இல் NGF/Ni/NGF வளர்ச்சி இல்லாமல் தொடர்ச்சியான தடையற்ற பரிமாற்றம்) முறையே 6 மற்றும் 3 cm2 பரப்பளவில் உள்ள மாதிரிகளுக்கு எங்களால் அடைய முடிந்தது. மீதமுள்ள பெரிய அல்லது சிறிய துண்டுகள் விரும்பிய அடி மூலக்கூறில் (~1 மிமீ2, படம் SI4b, "FS-NGF: கட்டமைப்பு மற்றும் பண்புகள் (பரிந்துரைக்கப்பட்டது) போல செப்பு கட்டத்திற்கு மாற்றப்பட்ட மாதிரியைப் பார்க்கவும். "கட்டமைப்பு மற்றும் பண்புகள்" கீழ்) அல்லது எதிர்கால பயன்பாட்டிற்காக சேமிக்கவும் (படம் SI4). இந்த அளவுகோலின் அடிப்படையில், NGF ஐ 98-99% வரை (பரிமாற்றத்திற்கான வளர்ச்சிக்குப் பிறகு) விளைச்சலில் மீட்டெடுக்க முடியும் என்று மதிப்பிடுகிறோம்.
பாலிமர் இல்லாமல் பரிமாற்ற மாதிரிகள் விரிவாக பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டன. ஆப்டிகல் மைக்ரோஸ்கோபி (OM) மற்றும் SEM படங்கள் (படம். SI5 மற்றும் படம் 3) பயன்படுத்தி FS- மற்றும் BS-NGF/SiO2/Si (Fig. 2c) இல் பெறப்பட்ட மேற்பரப்பு உருவவியல் பண்புகள், இந்த மாதிரிகள் நுண்ணோக்கி இல்லாமல் மாற்றப்பட்டதைக் காட்டுகிறது. விரிசல், துளைகள் அல்லது உருட்டப்படாத பகுதிகள் போன்ற கட்டமைப்பு சேதங்கள் தெரியும். வளர்ந்து வரும் NGF இல் உள்ள மடிப்புகள் (படம். 3b, d, ஊதா நிற அம்புகளால் குறிக்கப்பட்டது) பரிமாற்றத்திற்குப் பிறகும் அப்படியே இருந்தது. FS- மற்றும் BS-NGFகள் இரண்டும் FLG பகுதிகளால் ஆனவை (படம் 3 இல் நீல அம்புகளால் குறிக்கப்பட்ட பிரகாசமான பகுதிகள்). ஆச்சரியப்படும் விதமாக, அல்ட்ராதின் கிராஃபைட் படங்களின் பாலிமர் பரிமாற்றத்தின் போது பொதுவாகக் காணப்பட்ட சில சேதமடைந்த பகுதிகளுக்கு மாறாக, NGF உடன் இணைக்கும் பல மைக்ரான் அளவிலான FLG மற்றும் MLG பகுதிகள் (படம் 3d இல் நீல அம்புகளால் குறிக்கப்பட்டுள்ளது) விரிசல்கள் அல்லது இடைவெளிகள் இல்லாமல் மாற்றப்பட்டன (படம் 3d) . 3) . பின்னர் விவாதிக்கப்பட்ட ("FS-NGF: கட்டமைப்பு மற்றும் பண்புகள்") சரிகை-கார்பன் செப்பு கட்டங்களுக்கு மாற்றப்பட்ட NGF இன் TEM மற்றும் SEM படங்களைப் பயன்படுத்தி இயந்திர ஒருமைப்பாடு மேலும் உறுதிப்படுத்தப்பட்டது. படம் SI6a மற்றும் b (20 × 20 μm2) இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, மாற்றப்பட்ட BS-NGF/SiO2/Si ஆனது முறையே 140 nm மற்றும் 17 nm என்ற rms மதிப்புகளுடன் FS-NGF/SiO2/Si ஐ விட கடினமானது. SiO2/Si அடி மூலக்கூறுக்கு (RMS <2 nm) மாற்றப்பட்ட NGF இன் RMS மதிப்பு Ni இல் வளர்க்கப்பட்ட NGF ஐ விட (சுமார் 3 மடங்கு) குறைவாக உள்ளது (படம் SI2), இது கூடுதல் கடினத்தன்மை Ni மேற்பரப்புக்கு ஒத்திருக்கலாம் என்பதைக் குறிக்கிறது. கூடுதலாக, FS- மற்றும் BS-NGF/SiO2/Si மாதிரிகளின் விளிம்புகளில் நிகழ்த்தப்பட்ட AFM படங்கள் முறையே 100 மற்றும் 80 nm NGF தடிமன்களைக் காட்டியது (படம். SI7). BS-NGF இன் சிறிய தடிமன், மேற்பரப்பு நேரடியாக முன்னோடி வாயுவை வெளிப்படுத்தாததன் விளைவாக இருக்கலாம்.
SiO2/Si வேஃபரில் பாலிமர் இல்லாமல் மாற்றப்பட்ட NGF (NiAG) (படம் 2c ஐப் பார்க்கவும்): (a,b) மாற்றப்பட்ட FS-NGF இன் SEM படங்கள்: குறைந்த மற்றும் உயர் உருப்பெருக்கம் (பேனலில் உள்ள ஆரஞ்சு சதுரத்துடன் தொடர்புடையது). வழக்கமான பகுதிகள்) - a). (c,d) மாற்றப்பட்ட BS-NGF இன் SEM படங்கள்: குறைந்த மற்றும் உயர் உருப்பெருக்கம் (பேனல் c இல் உள்ள ஆரஞ்சு சதுரத்தால் காட்டப்படும் வழக்கமான பகுதிக்கு ஒத்துள்ளது). (e, f) மாற்றப்பட்ட FS- மற்றும் BS-NGFகளின் AFM படங்கள். நீல அம்பு FLG பகுதியைக் குறிக்கிறது - பிரகாசமான மாறுபாடு, சியான் அம்பு - கருப்பு MLG மாறுபாடு, சிவப்பு அம்பு - கருப்பு நிற மாறுபாடு NGF பகுதியைக் குறிக்கிறது, மெஜந்தா அம்பு மடிப்பைக் குறிக்கிறது.
வளர்ந்த மற்றும் மாற்றப்பட்ட FS- மற்றும் BS-NGFகளின் இரசாயன கலவை X-ray ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (XPS) மூலம் பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டது (படம் 4). வளர்ந்த FS- மற்றும் BS-NGF களின் (NiAG) Ni அடி மூலக்கூறுக்கு (850 eV) தொடர்புடைய அளவிடப்பட்ட நிறமாலையில் (படம் 4a, b) பலவீனமான உச்சம் காணப்பட்டது. மாற்றப்பட்ட FS- மற்றும் BS-NGF/SiO2/Si இன் அளவிடப்பட்ட நிறமாலையில் உச்சநிலைகள் எதுவும் இல்லை (படம் 4c; BS-NGF/SiO2/Si க்கான ஒத்த முடிவுகள் காட்டப்படவில்லை), இது பரிமாற்றத்திற்குப் பிறகு எஞ்சிய Ni மாசுபாடு இல்லை என்பதைக் குறிக்கிறது. . FS-NGF/SiO2/Si இன் C 1 s, O 1 s மற்றும் Si 2p ஆற்றல் நிலைகளின் உயர்-தெளிவு நிறமாலையை 4d-f புள்ளிவிவரங்கள் காட்டுகின்றன. கிராஃபைட்டின் C 1 s இன் பிணைப்பு ஆற்றல் 284.4 eV53.54 ஆகும். படம் 4d54 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, கிராஃபைட் சிகரங்களின் நேரியல் வடிவம் பொதுவாக சமச்சீரற்றதாகக் கருதப்படுகிறது. உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட கோர்-லெவல் C 1 s ஸ்பெக்ட்ரம் (படம். 4d) தூய பரிமாற்றத்தையும் உறுதிப்படுத்தியது (அதாவது பாலிமர் எச்சங்கள் இல்லை), இது முந்தைய ஆய்வுகளுடன் ஒத்துப்போகிறது38. புதிதாக வளர்ந்த மாதிரியின் (NiAG) C 1 s ஸ்பெக்ட்ராவின் கோடு அகலங்கள் மற்றும் பரிமாற்றத்திற்குப் பிறகு முறையே 0.55 மற்றும் 0.62 eV ஆகும். இந்த மதிப்புகள் SLG ஐ விட அதிகமாக உள்ளது (SiO2 அடி மூலக்கூறில் SLGக்கு 0.49 eV)38. இருப்பினும், இந்த மதிப்புகள் உயர் சார்ந்த பைரோலிடிக் கிராபெனின் மாதிரிகள் (~0.75 eV)53,54,55 க்கு முன்னர் அறிவிக்கப்பட்ட லைன்வித்த்களை விட சிறியதாக உள்ளது, இது தற்போதைய பொருளில் குறைபாடுள்ள கார்பன் தளங்கள் இல்லாததைக் குறிக்கிறது. C 1 s மற்றும் O 1 s தரை நிலை நிறமாலைகளும் தோள்களைக் கொண்டிருக்கவில்லை, இது உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட உச்சநிலை சிதைவின் தேவையை நீக்குகிறது54. 291.1 eV இல் π → π* செயற்கைக்கோள் உச்சம் உள்ளது, இது பெரும்பாலும் கிராஃபைட் மாதிரிகளில் காணப்படுகிறது. Si 2p மற்றும் O 1 s கோர் லெவல் ஸ்பெக்ட்ராவில் உள்ள 103 eV மற்றும் 532.5 eV சிக்னல்கள் (படம் 4e, f ஐப் பார்க்கவும்) முறையே SiO2 56 அடி மூலக்கூறுக்குக் காரணம். XPS என்பது ஒரு மேற்பரப்பு உணர்திறன் நுட்பமாகும், எனவே NGF பரிமாற்றத்திற்கு முன்னும் பின்னும் கண்டறியப்பட்ட Ni மற்றும் SiO2 உடன் தொடர்புடைய சிக்னல்கள் முறையே FLG பகுதியிலிருந்து தோன்றியதாகக் கருதப்படுகிறது. மாற்றப்பட்ட BS-NGF மாதிரிகளுக்கும் இதே போன்ற முடிவுகள் காணப்பட்டன (காட்டப்படவில்லை).
NiAG XPS முடிவுகள்: (ac) முறையே வளர்ந்த FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni மற்றும் மாற்றப்பட்ட FS-NGF/SiO2/Si ஆகியவற்றின் வெவ்வேறு தனிம அணு கலவைகளின் ஆய்வு நிறமாலை. (d-f) FS-NGF/SiO2/Si மாதிரியின் முக்கிய நிலைகள் C 1 s, O 1s மற்றும் Si 2p ஆகியவற்றின் உயர்-தெளிவு நிறமாலை.
மாற்றப்பட்ட என்ஜிஎஃப் படிகங்களின் ஒட்டுமொத்த தரம் எக்ஸ்ரே டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் (எக்ஸ்ஆர்டி) பயன்படுத்தி மதிப்பிடப்பட்டது. மாற்றப்பட்ட FS- மற்றும் BS-NGF/SiO2/Si இன் வழக்கமான XRD வடிவங்கள் (படம். SI8) கிராஃபைட்டைப் போலவே 26.6° மற்றும் 54.7° இல் டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் சிகரங்கள் (0 0 0 2) மற்றும் (0 0 0 4) இருப்பதைக் காட்டுகின்றன. . இது NGF இன் உயர் படிகத் தரத்தை உறுதிப்படுத்துகிறது மற்றும் d = 0.335 nm இன் இன்டர்லேயர் தூரத்திற்கு ஒத்திருக்கிறது, இது பரிமாற்ற படிக்குப் பிறகு பராமரிக்கப்படுகிறது. டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் பீக்கின் தீவிரம் (0 0 0 2) டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் பீக் (0 0 0 4) ஐ விட தோராயமாக 30 மடங்கு அதிகமாகும், இது NGF படிக விமானம் மாதிரி மேற்பரப்புடன் நன்கு இணைந்திருப்பதைக் குறிக்கிறது.
SEM, ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி, XPS மற்றும் XRD ஆகியவற்றின் முடிவுகளின்படி, BS-NGF/Ni இன் தரம் FS-NGF/Ni இன் தரத்தைப் போலவே இருப்பது கண்டறியப்பட்டது, இருப்பினும் அதன் rms கடினத்தன்மை சற்று அதிகமாக இருந்தது (புள்ளிவிவரங்கள் SI2, SI5) மற்றும் SI7).
200 nm தடிமன் வரை பாலிமர் ஆதரவு அடுக்குகளைக் கொண்ட SLGகள் தண்ணீரில் மிதக்க முடியும். இந்த அமைப்பு பொதுவாக பாலிமர் உதவியுடனான ஈரமான இரசாயன பரிமாற்ற செயல்முறைகளில் பயன்படுத்தப்படுகிறது22,38. கிராபீன் மற்றும் கிராஃபைட் ஹைட்ரோபோபிக் (ஈரமான கோணம் 80-90°) 57 . கிராபெனின் மற்றும் FLG இரண்டின் சாத்தியமான ஆற்றல் மேற்பரப்புகள் மிகவும் தட்டையாக இருப்பதாக தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது, மேற்பரப்பில் நீரின் பக்கவாட்டு இயக்கத்திற்கு குறைந்த ஆற்றல் ஆற்றல் (~1 kJ/mol) உள்ளது58. இருப்பினும், கிராபெனின் மற்றும் கிராபெனின் மூன்று அடுக்குகளுடன் நீரின் கணக்கிடப்பட்ட தொடர்பு ஆற்றல்கள் முறையே தோராயமாக − 13 மற்றும் − 15 kJ/mol,58 ஆகும், இது கிராபெனுடன் ஒப்பிடும்போது NGF (சுமார் 300 அடுக்குகள்) உடனான நீரின் தொடர்பு குறைவாக இருப்பதைக் குறிக்கிறது. ஃப்ரீஸ்டாண்டிங் என்ஜிஎஃப் நீரின் மேற்பரப்பில் தட்டையாக இருப்பதற்கான காரணங்களில் இதுவும் ஒன்றாக இருக்கலாம், அதே சமயம் ஃப்ரீஸ்டாண்டிங் கிராபெனின் (தண்ணீரில் மிதக்கிறது) சுருண்டு உடைந்து விடுகிறது. NGF முழுவதுமாக நீரில் மூழ்கும் போது (கரடுமுரடான மற்றும் தட்டையான NGF க்கு முடிவுகள் ஒரே மாதிரியாக இருக்கும்), அதன் விளிம்புகள் வளைகின்றன (படம் SI4). முழு மூழ்கும் விஷயத்தில், NGF-நீர் தொடர்பு ஆற்றல் கிட்டத்தட்ட இரட்டிப்பாகும் (மிதக்கும் NGF உடன் ஒப்பிடும்போது) மற்றும் NGF மடிப்பின் விளிம்புகள் உயர் தொடர்பு கோணத்தை (ஹைட்ரோபோபசிட்டி) பராமரிக்க வேண்டும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. உட்பொதிக்கப்பட்ட NGFகளின் விளிம்புகள் சுருட்டப்படுவதைத் தவிர்க்க உத்திகளை உருவாக்க முடியும் என்று நாங்கள் நம்புகிறோம். கிராஃபைட் ஃபிலிமின் ஈரமாக்கும் எதிர்வினையை மாற்றியமைக்க கலப்பு கரைப்பான்களைப் பயன்படுத்துவது ஒரு அணுகுமுறை.
ஈரமான இரசாயன பரிமாற்ற செயல்முறைகள் மூலம் பல்வேறு வகையான அடி மூலக்கூறுகளுக்கு SLG பரிமாற்றம் முன்னர் அறிவிக்கப்பட்டது. கிராபென்/கிராஃபைட் படங்கள் மற்றும் அடி மூலக்கூறுகளுக்கு இடையே பலவீனமான வான் டெர் வால்ஸ் படைகள் இருப்பதாக பொதுவாக ஏற்றுக்கொள்ளப்படுகிறது (அது SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si தூண்கள்22 மற்றும் லேசி கார்பன் ஃபிலிம்ஸ்30, 34 அல்லது நெகிழ்வான அடி மூலக்கூறுகள் போன்ற திடமான அடி மூலக்கூறுகளாக இருந்தாலும் சரி. பாலிமைடு போன்றவை 37). இங்கே நாம் அதே வகையான தொடர்புகள் ஆதிக்கம் செலுத்துகின்றன என்று கருதுகிறோம். இயந்திர கையாளுதலின் போது (வெற்றிடம் மற்றும்/அல்லது வளிமண்டல நிலைமைகளின் கீழ் அல்லது சேமிப்பகத்தின் போது) (எ.கா. படம் 2, SI7 மற்றும் SI9) இங்கு வழங்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறுகள் எதற்கும் சேதம் அல்லது NGF உரிக்கப்படுவதை நாங்கள் கவனிக்கவில்லை. கூடுதலாக, NGF/SiO2/Si மாதிரியின் முக்கிய மட்டத்தின் XPS C 1 s ஸ்பெக்ட்ரமில் SiC உச்சநிலையை நாங்கள் கவனிக்கவில்லை (படம் 4). இந்த முடிவுகள் என்ஜிஎஃப் மற்றும் இலக்கு அடி மூலக்கூறுக்கு இடையே இரசாயன பிணைப்பு இல்லை என்பதைக் குறிக்கிறது.
முந்தைய பிரிவில், "FS- மற்றும் BS-NGF இன் பாலிமர்-இல்லாத பரிமாற்றம்," NGF ஆனது நிக்கல் ஃபாயிலின் இருபுறமும் வளரவும் மாற்றவும் முடியும் என்பதை நாங்கள் நிரூபித்தோம். இந்த FS-NGFகள் மற்றும் BS-NGFகள் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மையின் அடிப்படையில் ஒரே மாதிரியாக இல்லை, இது ஒவ்வொரு வகைக்கும் மிகவும் பொருத்தமான பயன்பாடுகளை ஆராயத் தூண்டியது.
FS-NGF இன் வெளிப்படைத்தன்மை மற்றும் மென்மையான மேற்பரப்பைக் கருத்தில் கொண்டு, அதன் உள்ளூர் அமைப்பு, ஒளியியல் மற்றும் மின் பண்புகளை இன்னும் விரிவாக ஆய்வு செய்தோம். பாலிமர் பரிமாற்றம் இல்லாமல் FS-NGF இன் கட்டமைப்பு மற்றும் கட்டமைப்பு டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (TEM) இமேஜிங் மற்றும் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட பகுதி எலக்ட்ரான் டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் (SAED) மாதிரி பகுப்பாய்வு மூலம் வகைப்படுத்தப்பட்டது. தொடர்புடைய முடிவுகள் படம் 5 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. குறைந்த உருப்பெருக்கம் பிளானர் TEM இமேஜிங், NGF மற்றும் FLG பகுதிகள் வெவ்வேறு எலக்ட்ரான் மாறுபாடு பண்புகளுடன் இருப்பதை வெளிப்படுத்தியது, அதாவது இருண்ட மற்றும் பிரகாசமான பகுதிகள், முறையே (படம் 5a). படம் ஒட்டுமொத்தமாக NGF மற்றும் FLG இன் வெவ்வேறு பகுதிகளுக்கு இடையே நல்ல இயந்திர ஒருமைப்பாடு மற்றும் ஸ்திரத்தன்மையை வெளிப்படுத்துகிறது, நல்ல ஒன்றுடன் ஒன்று மற்றும் சேதம் அல்லது கிழித்தல் இல்லாமல், இது SEM (படம் 3) மற்றும் உயர் உருப்பெருக்கம் TEM ஆய்வுகள் (படம் 5c-e) மூலம் உறுதிப்படுத்தப்பட்டது. குறிப்பாக, படம் 5d இல் பாலம் கட்டமைப்பை அதன் மிகப்பெரிய பகுதியில் காட்டுகிறது (படம் 5d இல் கருப்பு புள்ளியிடப்பட்ட அம்புக்குறியால் குறிக்கப்பட்ட நிலை), இது ஒரு முக்கோண வடிவத்தால் வகைப்படுத்தப்படுகிறது மற்றும் சுமார் 51 அகலம் கொண்ட கிராபெனின் அடுக்கைக் கொண்டுள்ளது. 0.33 ± 0.01 nm இன் இன்டர்பிளானர் இடைவெளியுடன் கூடிய கலவையானது குறுகிய பகுதியில் உள்ள கிராபெனின் பல அடுக்குகளுக்கு மேலும் குறைக்கப்படுகிறது (படம் 5 d இல் உள்ள திடமான கருப்பு அம்புக்குறியின் முடிவு).
கார்பன் லேசி காப்பர் கிரிட்டில் பாலிமர் இல்லாத NiAG மாதிரியின் பிளானர் TEM படம்: (a, b) NGF மற்றும் FLG பகுதிகள் உட்பட குறைந்த உருப்பெருக்கம் TEM படங்கள், (ce) பேனல்-a மற்றும் பேனல்-பி ஆகியவற்றில் உள்ள பல்வேறு பகுதிகளின் உயர் உருப்பெருக்கம் படங்கள் அதே நிறத்தில் குறிக்கப்பட்ட அம்புகள். ஏ மற்றும் சி பேனல்களில் உள்ள பச்சை அம்புகள் பீம் சீரமைப்பின் போது சேதத்தின் வட்டப் பகுதிகளைக் குறிக்கின்றன. (f-i) பேனல்களில் a முதல் c வரை, வெவ்வேறு பகுதிகளில் உள்ள SAED வடிவங்கள் முறையே நீலம், சியான், ஆரஞ்சு மற்றும் சிவப்பு வட்டங்களால் குறிக்கப்படுகின்றன.
படம் 5c இல் உள்ள ரிப்பன் அமைப்பு (சிவப்பு அம்புக்குறியால் குறிக்கப்பட்டுள்ளது) கிராஃபைட் லட்டு விமானங்களின் செங்குத்து நோக்குநிலையைக் காட்டுகிறது, இது அதிகப்படியான ஈடுசெய்யப்படாத வெட்டு அழுத்தத்தின் காரணமாக படத்துடன் நானோஃபோல்டுகளின் உருவாக்கம் (படம் 5c இல் உள்ளீடு) காரணமாக இருக்கலாம்30,61,62 . உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட TEM இன் கீழ், இந்த நானோ மடிப்புகள் 30 NGF பகுதியின் மற்ற பகுதிகளை விட வேறுபட்ட படிக நோக்குநிலையை வெளிப்படுத்துகின்றன; கிராஃபைட் லேட்டிஸின் அடித்தள விமானங்கள் படத்தின் மற்ற பகுதிகளைப் போல கிடைமட்டமாக இல்லாமல் கிட்டத்தட்ட செங்குத்தாக அமைந்திருக்கும் (படம் 5c இல் உள்ளீடு). இதேபோல், FLG பகுதி எப்போதாவது நேரியல் மற்றும் குறுகிய பட்டை போன்ற மடிப்புகளை (நீல அம்புகளால் குறிக்கப்படுகிறது) வெளிப்படுத்துகிறது, அவை முறையே 5b, 5e இல் குறைந்த மற்றும் நடுத்தர உருப்பெருக்கத்தில் தோன்றும். படம் 5e இல் உள்ள இன்செட் FLG பிரிவில் இரண்டு மற்றும் மூன்று அடுக்கு கிராபெனின் அடுக்குகள் இருப்பதை உறுதிப்படுத்துகிறது (இன்டர்பிளானர் தூரம் 0.33 ± 0.01 nm), இது எங்கள் முந்தைய முடிவுகளுடன் நல்ல உடன்பாட்டில் உள்ளது30. கூடுதலாக, லேசி கார்பன் படங்களுடன் செப்பு கட்டங்களுக்கு மாற்றப்பட்ட பாலிமர் இல்லாத NGF இன் பதிவுசெய்யப்பட்ட SEM படங்கள் படம் SI9 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. நன்கு இடைநிறுத்தப்பட்ட FLG பகுதி (நீல அம்புக்குறியால் குறிக்கப்பட்டுள்ளது) மற்றும் படம் SI9f இல் உடைந்த பகுதி. பாலிமர் இல்லாமல் பரிமாற்ற செயல்முறையை FLG பகுதி எதிர்க்க முடியும் என்பதை நிரூபிக்க நீல அம்புக்குறி (மாற்றப்பட்ட NGF இன் விளிம்பில்) வேண்டுமென்றே வழங்கப்படுகிறது. சுருக்கமாக, TEM மற்றும் SEM அளவீடுகளின் போது கடுமையான கையாளுதல் மற்றும் அதிக வெற்றிடத்தை வெளிப்படுத்திய பிறகும் பகுதியளவு இடைநிறுத்தப்பட்ட NGF (FLG பகுதி உட்பட) இயந்திர ஒருமைப்பாட்டை பராமரிக்கிறது என்பதை இந்தப் படங்கள் உறுதிப்படுத்துகின்றன (படம் SI9).
NGF இன் சிறந்த தட்டையான தன்மை காரணமாக (படம் 5a ஐப் பார்க்கவும்), SAED கட்டமைப்பை பகுப்பாய்வு செய்ய [0001] டொமைன் அச்சில் செதில்களை நோக்குநிலைப்படுத்துவது கடினம் அல்ல. படத்தின் உள்ளூர் தடிமன் மற்றும் அதன் இருப்பிடத்தைப் பொறுத்து, எலக்ட்ரான் டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் ஆய்வுகளுக்கு ஆர்வமுள்ள பல பகுதிகள் (12 புள்ளிகள்) அடையாளம் காணப்பட்டன. புள்ளிவிவரங்கள் 5a-c இல், இந்த வழக்கமான நான்கு பகுதிகள் காட்டப்பட்டு வண்ண வட்டங்களால் குறிக்கப்பட்டுள்ளன (நீலம், சியான், ஆரஞ்சு மற்றும் சிவப்பு குறியீடு). SAED பயன்முறைக்கான படங்கள் 2 மற்றும் 3. புள்ளிவிவரங்கள் 5 மற்றும் 5 இல் காட்டப்பட்டுள்ள FLG பகுதியிலிருந்து 5f மற்றும் g ஆகியவை பெறப்பட்டன. முறையே 5b மற்றும் c இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி. அவை முறுக்கப்பட்ட கிராபெனின்63 போன்ற அறுகோண அமைப்பைக் கொண்டுள்ளன. குறிப்பாக, படம் 5f மூன்று ஜோடி (10-10) பிரதிபலிப்புகளின் கோண பொருத்தமின்மைக்கு சான்றாக, [0001] மண்டல அச்சின் அதே நோக்குநிலையுடன் மூன்று மிகைப்படுத்தப்பட்ட வடிவங்களைக் காட்டுகிறது, 10 ° மற்றும் 20 ° மூலம் சுழற்றப்படுகிறது. இதேபோல், படம் 5g 20° மூலம் சுழற்றப்பட்ட இரண்டு அறுகோண வடிவங்களைக் காட்டுகிறது. FLG பகுதியில் அறுகோண வடிவங்களின் இரண்டு அல்லது மூன்று குழுக்கள் மூன்று விமானத்தில் அல்லது விமானத்திற்கு வெளியே உள்ள கிராபெனின் அடுக்குகளில் இருந்து எழலாம் 33 ஒன்றுக்கொன்று தொடர்புடையது. இதற்கு நேர்மாறாக, படம் 5h,i இல் உள்ள எலக்ட்ரான் டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் வடிவங்கள் (படம் 5a இல் காட்டப்பட்டுள்ள NGF பகுதியுடன் தொடர்புடையது) ஒரு ஒற்றை [0001] வடிவத்தைக் காட்டுகின்றன. இந்த SAED மாதிரிகள் FLG ஐ விட தடிமனான கிராஃபிடிக் அமைப்பு மற்றும் இடைநிலை நோக்குநிலைக்கு ஒத்திருக்கும், குறியீட்டு 64 இல் இருந்து ஊகிக்கப்பட்டது. NGF இன் படிக பண்புகளின் சிறப்பியல்பு இரண்டு அல்லது மூன்று மிகைப்படுத்தப்பட்ட கிராஃபைட் (அல்லது கிராபெனின்) படிகங்களின் சகவாழ்வை வெளிப்படுத்தியது. FLG பிராந்தியத்தில் குறிப்பாக குறிப்பிடத்தக்கது என்னவென்றால், படிகங்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு விமானத்தில் அல்லது விமானத்திற்கு வெளியே தவறான திசைதிருப்பலைக் கொண்டுள்ளன. கிராஃபைட் துகள்கள்/அடுக்குகள் 17°, 22° மற்றும் 25° இன்-பிளேன் சுழற்சி கோணங்களைக் கொண்டவை Ni 64 படலங்களில் வளர்க்கப்பட்ட NGF க்கு முன்னர் பதிவாகியுள்ளன. இந்த ஆய்வில் காணப்பட்ட சுழற்சி கோண மதிப்புகள் முறுக்கப்பட்ட BLG63 கிராபெனுக்கு முன்னர் கவனிக்கப்பட்ட சுழற்சி கோணங்களுடன் (± 1°) ஒத்துப்போகின்றன.
NGF/SiO2/Si இன் மின் பண்புகள் 10×3 mm2 பரப்பளவில் 300 K இல் அளவிடப்பட்டது. எலக்ட்ரான் கேரியர் செறிவு, இயக்கம் மற்றும் கடத்துத்திறன் ஆகியவற்றின் மதிப்புகள் முறையே 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 மற்றும் 2000 S-cm-1 ஆகும். எங்கள் NGF இன் இயக்கம் மற்றும் கடத்துத்திறன் மதிப்புகள் இயற்கையான கிராஃபைட் 2 ஐப் போன்றது மற்றும் வணிக ரீதியாக கிடைக்கக்கூடிய உயர் சார்ந்த பைரோலிடிக் கிராஃபைட்டை விட (3000 °C இல் உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது)29. கவனிக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான் கேரியர் செறிவு மதிப்புகள், உயர் வெப்பநிலை (3200 °C) பாலிமைடு தாள்களைப் பயன்படுத்தி தயாரிக்கப்பட்ட மைக்ரான்-தடிமனான கிராஃபைட் படங்களுக்கு சமீபத்தில் அறிவிக்கப்பட்டதை விட (7.25 × 10 செ.மீ-3) இரண்டு ஆர்டர்கள் அதிகமாகும்.
குவார்ட்ஸ் அடி மூலக்கூறுகளுக்கு மாற்றப்பட்ட FS-NGF இல் UV-தெரியும் டிரான்ஸ்மிட்டன்ஸ் அளவீடுகளையும் நாங்கள் செய்தோம் (படம் 6). இதன் விளைவாக வரும் ஸ்பெக்ட்ரம் 350-800 nm வரம்பில் 62% நிலையான பரிமாற்றத்தைக் காட்டுகிறது, இது NGF புலப்படும் ஒளிக்கு ஒளிஊடுருவக்கூடியது என்பதைக் குறிக்கிறது. உண்மையில், படம் 6b இல் உள்ள மாதிரியின் டிஜிட்டல் புகைப்படத்தில் "KAUST" என்ற பெயரைக் காணலாம். NGF இன் நானோ கிரிஸ்டலின் அமைப்பு SLG இலிருந்து வேறுபட்டது என்றாலும், கூடுதல் அடுக்குக்கு 2.3% பரிமாற்ற இழப்பு என்ற விதியைப் பயன்படுத்தி அடுக்குகளின் எண்ணிக்கையை தோராயமாக மதிப்பிடலாம்65. இந்த உறவின்படி, 38% பரிமாற்ற இழப்பைக் கொண்ட கிராபெனின் அடுக்குகளின் எண்ணிக்கை 21. வளர்ந்த NGF முக்கியமாக 300 கிராபெனின் அடுக்குகளைக் கொண்டுள்ளது, அதாவது சுமார் 100 nm தடிமன் கொண்டது (படம் 1, SI5 மற்றும் SI7). எனவே, கவனிக்கப்பட்ட ஒளியியல் வெளிப்படைத்தன்மை FLG மற்றும் MLG பகுதிகளுக்கு ஒத்ததாக இருக்கும் என்று கருதுகிறோம், ஏனெனில் அவை படம் முழுவதும் விநியோகிக்கப்படுகின்றன (படங்கள் 1, 3, 5 மற்றும் 6c). மேலே உள்ள கட்டமைப்பு தரவுகளுடன் கூடுதலாக, கடத்துத்திறன் மற்றும் வெளிப்படைத்தன்மை ஆகியவை மாற்றப்பட்ட NGF இன் உயர் படிகத் தரத்தை உறுதிப்படுத்துகின்றன.
(அ) ​​UV-தெரியும் ஒலிபரப்பு அளவீடு, (b) ஒரு பிரதிநிதி மாதிரியைப் பயன்படுத்தி குவார்ட்ஸில் வழக்கமான NGF பரிமாற்றம். (இ) சமமாக விநியோகிக்கப்பட்ட FLG மற்றும் MLG பகுதிகள் கொண்ட NGF (இருண்ட பெட்டி) மாதிரி முழுவதும் சாம்பல் சீரற்ற வடிவங்களாகக் குறிக்கப்பட்டது (படம் 1 ஐப் பார்க்கவும்) (100 μm2 க்கு தோராயமாக 0.1-3% பரப்பளவு). வரைபடத்தில் உள்ள சீரற்ற வடிவங்கள் மற்றும் அவற்றின் அளவுகள் விளக்க நோக்கங்களுக்காக மட்டுமே மற்றும் உண்மையான பகுதிகளுடன் பொருந்தாது.
CVD ஆல் வளர்க்கப்படும் ஒளிஊடுருவக்கூடிய NGF முன்பு வெற்று சிலிக்கான் மேற்பரப்புகளுக்கு மாற்றப்பட்டு சூரிய மின்கலங்களில் பயன்படுத்தப்பட்டது15,16. இதன் விளைவாக சக்தி மாற்றும் திறன் (PCE) 1.5% ஆகும். இந்த NGFகள் செயலில் உள்ள கலவை அடுக்குகள், சார்ஜ் போக்குவரத்து பாதைகள் மற்றும் வெளிப்படையான மின்முனைகள் 15,16 போன்ற பல செயல்பாடுகளைச் செய்கின்றன. இருப்பினும், கிராஃபைட் படம் ஒரே மாதிரியாக இல்லை. கிராஃபைட் மின்முனையின் தாள் எதிர்ப்பு மற்றும் ஆப்டிகல் டிரான்ஸ்மிட்டன்ஸை கவனமாகக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம் மேலும் மேம்படுத்தல் அவசியம், ஏனெனில் இந்த இரண்டு பண்புகள் சூரிய மின்கலத்தின் PCE மதிப்பை தீர்மானிப்பதில் முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன15,16. பொதுவாக, கிராபெனின் படலங்கள் 97.7% புலப்படும் ஒளிக்கு வெளிப்படையானவை, ஆனால் தாள் எதிர்ப்பானது 200-3000 ஓம்ஸ்/ச.16. அடுக்குகளின் எண்ணிக்கையை அதிகரிப்பதன் மூலம் (கிராபெனின் அடுக்குகளின் பல பரிமாற்றம்) மற்றும் HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 உடன் டோப்பிங் செய்வதன் மூலம் கிராபெனின் படங்களின் மேற்பரப்பு எதிர்ப்பைக் குறைக்கலாம். இருப்பினும், இந்த செயல்முறை நீண்ட நேரம் எடுக்கும் மற்றும் வெவ்வேறு பரிமாற்ற அடுக்குகள் எப்போதும் நல்ல தொடர்பை பராமரிக்காது. எங்கள் முன் பக்க NGF கடத்துத்திறன் 2000 S/cm, படத் தாள் எதிர்ப்பு 50 ohm/sq போன்ற பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது. மற்றும் 62% வெளிப்படைத்தன்மை, இது சூரிய மின்கலங்களில் கடத்தும் சேனல்கள் அல்லது எதிர் மின்முனைகளுக்கு சாத்தியமான மாற்றாக அமைகிறது15,16.
BS-NGF இன் கட்டமைப்பு மற்றும் மேற்பரப்பு வேதியியல் FS-NGF போலவே இருந்தாலும், அதன் கடினத்தன்மை வேறுபட்டது ("FS- மற்றும் BS-NGF இன் வளர்ச்சி"). முன்னதாக, அல்ட்ரா-தின் ஃபிலிம் கிராஃபைட்22 ஐ வாயு சென்சாராகப் பயன்படுத்தினோம். எனவே, வாயு உணர்திறன் பணிகளுக்கு BS-NGF ஐப் பயன்படுத்துவதற்கான சாத்தியத்தை நாங்கள் சோதித்தோம் (படம் SI10). முதலாவதாக, BS-NGF இன் mm2 அளவுள்ள பகுதிகள் இடைநிலை மின்முனை சென்சார் சிப்பில் மாற்றப்பட்டன (படம் SI10a-c). சிப்பின் உற்பத்தி விவரங்கள் முன்பு தெரிவிக்கப்பட்டது; அதன் செயலில் உணர்திறன் பகுதி 9 மிமீ267 ஆகும். SEM படங்களில் (படம் SI10b மற்றும் c), அடிப்படை தங்க மின்முனையானது NGF மூலம் தெளிவாகத் தெரியும். மீண்டும், அனைத்து மாதிரிகளுக்கும் ஒரே மாதிரியான சிப் கவரேஜ் அடையப்பட்டதைக் காணலாம். பல்வேறு வாயுக்களின் வாயு சென்சார் அளவீடுகள் பதிவு செய்யப்பட்டன (படம். SI10d) (படம். SI11) மற்றும் இதன் விளைவாக பதில் விகிதங்கள் படம் காட்டப்பட்டுள்ளன. SI10 கிராம் SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) மற்றும் NH3 (200 ppm ) உள்ளிட்ட பிற குறுக்கிடும் வாயுக்களுடன் இருக்கலாம். ஒரு சாத்தியமான காரணம் NO2 ஆகும். வாயுவின் எலக்ட்ரோஃபிலிக் தன்மை22,68. கிராபெனின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்படும்போது, ​​​​அது கணினியால் எலக்ட்ரான்களின் தற்போதைய உறிஞ்சுதலைக் குறைக்கிறது. முன்னர் வெளியிடப்பட்ட சென்சார்களுடன் BS-NGF சென்சாரின் மறுமொழி நேரத் தரவின் ஒப்பீடு அட்டவணை SI2 இல் வழங்கப்பட்டுள்ளது. UV பிளாஸ்மா, O3 பிளாஸ்மா அல்லது வெப்ப (50-150°C) சிகிச்சையைப் பயன்படுத்தி NGF சென்சார்களை மீண்டும் செயல்படுத்துவதற்கான வழிமுறை நடந்து கொண்டிருக்கிறது, அதைத் தொடர்ந்து உட்பொதிக்கப்பட்ட அமைப்புகள் செயல்படுத்தப்படுகின்றன
CVD செயல்பாட்டின் போது, ​​வினையூக்கி அடி மூலக்கூறின் இருபுறமும் கிராபெனின் வளர்ச்சி ஏற்படுகிறது. இருப்பினும், BS-கிராபென் பொதுவாக பரிமாற்ற செயல்முறையின் போது வெளியேற்றப்படுகிறது41. இந்த ஆய்வில், வினையூக்கி ஆதரவின் இருபுறமும் உயர்தர NGF வளர்ச்சி மற்றும் பாலிமர் இல்லாத NGF பரிமாற்றத்தை அடைய முடியும் என்பதை நாங்கள் நிரூபிக்கிறோம். BS-NGF ஆனது FS-NGF (~100 nm) ஐ விட மெல்லியதாக உள்ளது (~80 nm), மேலும் இந்த வேறுபாடு BS-Ni நேரடியாக முன்னோடி வாயு ஓட்டத்திற்கு வெளிப்படவில்லை என்பதன் மூலம் விளக்கப்படுகிறது. NiAR அடி மூலக்கூறின் கடினத்தன்மை NGF இன் கடினத்தன்மையை பாதிக்கிறது என்பதையும் நாங்கள் கண்டறிந்தோம். வளர்ந்த பிளானர் எஃப்எஸ்-என்ஜிஎஃப் கிராபெனின் முன்னோடி பொருளாக (உரிதல் முறை 70 மூலம்) அல்லது சூரிய மின்கலங்களில் கடத்தும் சேனலாக பயன்படுத்தப்படலாம் என்பதை இந்த முடிவுகள் குறிப்பிடுகின்றன15,16. மாறாக, BS-NGF வாயு கண்டறிதலுக்குப் பயன்படுத்தப்படும் (படம். SI9) மற்றும் ஆற்றல் சேமிப்பு அமைப்புகளுக்கு 71,72 அதன் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை பயனுள்ளதாக இருக்கும்.
மேற்கூறியவற்றைக் கருத்தில் கொண்டு, CVD மற்றும் நிக்கல் ஃபாயிலைப் பயன்படுத்தி முன்னர் வெளியிடப்பட்ட கிராஃபைட் படங்களுடன் தற்போதைய வேலைகளை இணைப்பது பயனுள்ளதாக இருக்கும். அட்டவணை 2 இல் காணப்படுவது போல், நாம் பயன்படுத்திய உயர் அழுத்தங்கள் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த வெப்பநிலையில் (850-1300 °C வரம்பில்) எதிர்வினை நேரத்தை (வளர்ச்சி நிலை) சுருக்கியது. நாங்கள் வழக்கத்தை விட அதிக வளர்ச்சியை அடைந்துள்ளோம், இது விரிவாக்கத்திற்கான சாத்தியத்தைக் குறிக்கிறது. கருத்தில் கொள்ள வேண்டிய பிற காரணிகள் உள்ளன, அவற்றில் சிலவற்றை நாங்கள் அட்டவணையில் சேர்த்துள்ளோம்.
வினையூக்கி CVD மூலம் நிக்கல் படலத்தில் இரட்டை பக்க உயர்தர NGF வளர்க்கப்பட்டது. பாரம்பரிய பாலிமர் அடி மூலக்கூறுகளை நீக்குவதன் மூலம் (CVD கிராபெனில் பயன்படுத்தப்படுவது போன்றவை), NGF (நிக்கல் படலத்தின் பின்புறம் மற்றும் முன் பக்கங்களில் வளர்ந்தது) சுத்தமான மற்றும் குறைபாடு இல்லாத ஈரமான பரிமாற்றத்தை பல்வேறு செயல்முறை-முக்கியமான அடி மூலக்கூறுகளுக்கு அடைகிறோம். குறிப்பிடத்தக்க வகையில், NGF ஆனது FLG மற்றும் MLG பகுதிகளை உள்ளடக்கியது (பொதுவாக 100 µm2 க்கு 0.1% முதல் 3% வரை) அவை தடிமனான படத்துடன் கட்டமைப்பு ரீதியாக நன்கு ஒருங்கிணைக்கப்பட்டுள்ளன. இந்த பகுதிகள் இரண்டு முதல் மூன்று கிராஃபைட்/கிராபெனின் துகள்கள் (முறையே படிகங்கள் அல்லது அடுக்குகள்) கொண்ட அடுக்குகளால் ஆனவை என்பதை பிளானர் TEM காட்டுகிறது, அவற்றில் சில 10-20° சுழற்சி பொருத்தமின்மையைக் கொண்டுள்ளன. FLG மற்றும் MLG பகுதிகள் FS-NGF இன் வெளிப்படைத்தன்மைக்கு புலப்படும் ஒளிக்கு பொறுப்பாகும். பின்புற தாள்களைப் பொறுத்தவரை, அவை முன் தாள்களுக்கு இணையாக எடுத்துச் செல்லப்படலாம் மற்றும் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, ஒரு செயல்பாட்டு நோக்கத்தைக் கொண்டிருக்கலாம் (உதாரணமாக, வாயு கண்டறிதலுக்கு). தொழில்துறை அளவிலான CVD செயல்முறைகளில் கழிவுகள் மற்றும் செலவுகளைக் குறைக்க இந்த ஆய்வுகள் மிகவும் பயனுள்ளதாக இருக்கும்.
பொதுவாக, CVD NGF இன் சராசரி தடிமன் (குறைந்த மற்றும் பல அடுக்கு) கிராபென் மற்றும் தொழில்துறை (மைக்ரோமீட்டர்) கிராஃபைட் தாள்களுக்கு இடையில் உள்ளது. அவற்றின் சுவாரசியமான பண்புகளின் வரம்பு, அவற்றின் உற்பத்தி மற்றும் போக்குவரத்திற்காக நாம் உருவாக்கிய எளிய முறையுடன் இணைந்து, தற்போது பயன்படுத்தப்படும் ஆற்றல்-தீவிர தொழில்துறை உற்பத்தி செயல்முறைகளின் செலவு இல்லாமல், கிராஃபைட்டின் செயல்பாட்டு பதில் தேவைப்படும் பயன்பாடுகளுக்கு இந்தத் திரைப்படங்களை மிகவும் பொருத்தமானதாக ஆக்குகிறது.
25-μm-தடிமனான நிக்கல் படலம் (99.5% தூய்மை, குட்ஃபெலோ) ஒரு வணிக CVD உலையில் (Aixtron 4-inch BMPro) நிறுவப்பட்டது. இந்த அமைப்பு ஆர்கானுடன் சுத்தப்படுத்தப்பட்டு 10-3 mbar அடிப்படை அழுத்தத்திற்கு வெளியேற்றப்பட்டது. பின்னர் நிக்கல் படலம் வைக்கப்பட்டது. Ar/H2 இல் (Ni படலத்தை 5 நிமிடங்களுக்கு முன்-அனீல் செய்த பிறகு, படலம் 900 °C இல் 500 mbar அழுத்தத்திற்கு ஆளானது. NGF ஆனது CH4/H2 (ஒவ்வொன்றும் 100 செமீ3) ஓட்டத்தில் 5 நிமிடம் வைக்கப்பட்டது. 40 °C/min இல் Ar ஓட்டத்தை (4000 cm3) பயன்படுத்தி 700 °C க்கும் குறைவான வெப்பநிலைக்கு மாதிரி குளிர்விக்கப்பட்டது.
Zeiss Merlin நுண்ணோக்கி (1 kV, 50 pA) ஐப் பயன்படுத்தி மாதிரியின் மேற்பரப்பு உருவவியல் SEM ஆல் காட்சிப்படுத்தப்பட்டது. மாதிரி மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை மற்றும் NGF தடிமன் AFM (பரிமாண ஐகான் SPM, Bruker) ஐப் பயன்படுத்தி அளவிடப்பட்டது. TEM மற்றும் SAED அளவீடுகள் FEI Titan 80–300 Cubed நுண்ணோக்கியைப் பயன்படுத்தி மேற்கொள்ளப்பட்டன இடஞ்சார்ந்த தீர்மானம் 0.09 nm. தட்டையான TEM இமேஜிங் மற்றும் SAED கட்டமைப்பு பகுப்பாய்வுக்காக NGF மாதிரிகள் கார்பன் லேசி பூசப்பட்ட செப்பு கட்டங்களுக்கு மாற்றப்பட்டன. இதனால், பெரும்பாலான மாதிரி மந்தைகள் துணை மென்படலத்தின் துளைகளில் இடைநிறுத்தப்பட்டுள்ளன. மாற்றப்பட்ட NGF மாதிரிகள் XRD ஆல் பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டன. 3 மிமீ பீம் ஸ்பாட் விட்டம் கொண்ட Cu கதிர்வீச்சு மூலத்தைப் பயன்படுத்தி ஒரு தூள் டிஃப்ராக்டோமீட்டரைப் பயன்படுத்தி (ப்ரூக்கர், டி2 ஃபேஸ் ஷிஃப்டர், 1.5418 Å மற்றும் LYNXEYE டிடெக்டர்) எக்ஸ்ரே டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன் வடிவங்கள் பெறப்பட்டன.
பல ராமன் புள்ளி அளவீடுகள் ஒருங்கிணைக்கும் கன்ஃபோகல் நுண்ணோக்கியைப் பயன்படுத்தி பதிவு செய்யப்பட்டன (ஆல்ஃபா 300 RA, WITeC). குறைந்த தூண்டுதல் சக்தியுடன் (25%) 532 nm லேசர் வெப்பத்தால் தூண்டப்பட்ட விளைவுகளைத் தவிர்க்கப் பயன்படுத்தப்பட்டது. எக்ஸ்ரே ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (XPS) ஒரு க்ராடோஸ் ஆக்சிஸ் அல்ட்ரா ஸ்பெக்ட்ரோமீட்டரில் 300 × 700 μm2 மாதிரி பரப்பளவில் ஒரே வண்ணமுடைய Al Kα கதிர்வீச்சைப் பயன்படுத்தி (hν = 1486.6 eV) 150 W. தீர்மானத்தில் பெறப்பட்டது. முறையே 160 eV மற்றும் 20 eV பரிமாற்ற ஆற்றல்கள். SiO2 க்கு மாற்றப்பட்ட NGF மாதிரிகள் PLS6MW (1.06 μm) ytterbium ஃபைபர் லேசரைப் பயன்படுத்தி 30 W இல் துண்டுகளாக (ஒவ்வொன்றும் 3 × 10 mm2) வெட்டப்பட்டன. செப்பு கம்பி தொடர்புகள் (50 μm தடிமன்) ஆப்டிகல் மைக்ரோஸ்கோப்பின் கீழ் சில்வர் பேஸ்ட்டைப் பயன்படுத்தி புனையப்பட்டது. மின் போக்குவரத்து மற்றும் ஹால் விளைவு சோதனைகள் இந்த மாதிரிகளில் 300 K மற்றும் இயற்பியல் பண்புகள் அளவீட்டு அமைப்பில் ± 9 டெஸ்லாவின் காந்தப்புல மாறுபாடு (PPMS EverCool-II, Quantum Design, USA) இல் மேற்கொள்ளப்பட்டன. குவார்ட்ஸ் அடி மூலக்கூறுகள் மற்றும் குவார்ட்ஸ் குறிப்பு மாதிரிகளுக்கு மாற்றப்பட்ட 350-800 nm NGF வரம்பில் உள்ள லாம்ப்டா 950 UV-vis ஸ்பெக்ட்ரோஃபோட்டோமீட்டரைப் பயன்படுத்தி கடத்தப்பட்ட UV-vis ஸ்பெக்ட்ரா பதிவு செய்யப்பட்டது.
இரசாயன எதிர்ப்பு உணரி (இன்டர்டிஜிட்டட் எலக்ட்ரோடு சிப்) தனிப்பயன் அச்சிடப்பட்ட சர்க்யூட் போர்டு 73 க்கு கம்பி செய்யப்பட்டது மற்றும் எதிர்ப்பானது தற்காலிகமாக பிரித்தெடுக்கப்பட்டது. சாதனம் அமைந்துள்ள அச்சிடப்பட்ட சர்க்யூட் போர்டு காண்டாக்ட் டெர்மினல்களுடன் இணைக்கப்பட்டு, வாயு உணர்திறன் அறைக்குள் வைக்கப்பட்டுள்ளது 74. மின்தடை அளவீடுகள் 1 V மின்னழுத்தத்தில் 1 V இன் மின்னழுத்தத்தில் எடுக்கப்பட்டது, துப்புரவு முதல் வாயு வெளிப்பாடு வரை தொடர்ச்சியான ஸ்கேன் செய்து பின்னர் மீண்டும் சுத்தப்படுத்தப்பட்டது. அறையானது ஆரம்பத்தில் 200 செ.மீ.3 என்ற அளவில் நைட்ரஜனைக் கொண்டு 1 மணிநேரம் சுத்தம் செய்து அறையில் இருக்கும் ஈரப்பதம் உட்பட மற்ற அனைத்து பகுப்பாய்வுகளையும் அகற்றுவதை உறுதிசெய்தது. N2 சிலிண்டரை மூடுவதன் மூலம் தனிப்பட்ட பகுப்பாய்வுகள் மெதுவாக 200 செமீ3 அதே ஓட்ட விகிதத்தில் அறைக்குள் வெளியிடப்பட்டன.
இந்தக் கட்டுரையின் திருத்தப்பட்ட பதிப்பு வெளியிடப்பட்டுள்ளது மற்றும் கட்டுரையின் மேலே உள்ள இணைப்பின் மூலம் அணுகலாம்.
Inagaki, M. மற்றும் Kang, F. கார்பன் பொருட்கள் அறிவியல் மற்றும் பொறியியல்: அடிப்படைகள். இரண்டாம் பதிப்பு திருத்தப்பட்டது. 2014. 542.
பியர்சன், HO கார்பன், கிராஃபைட், டயமண்ட் மற்றும் ஃபுல்லெரின்ஸ் கையேடு: பண்புகள், செயலாக்கம் மற்றும் பயன்பாடுகள். முதல் பதிப்பு திருத்தப்பட்டுள்ளது. 1994, நியூ ஜெர்சி.
சாய், டபிள்யூ. மற்றும் பலர். பெரிய பரப்பளவு மல்டிலேயர் கிராபெனின்/கிராஃபைட் படங்கள் வெளிப்படையான மெல்லிய கடத்தும் மின்முனைகளாக. விண்ணப்பம். இயற்பியல். ரைட். 95(12), 123115(2009).
Balandin AA கிராபெனின் மற்றும் நானோ கட்டமைக்கப்பட்ட கார்பன் பொருட்களின் வெப்ப பண்புகள். நாட். மேட். 10(8), 569–581 (2011).
செங் கேஒய், பிரவுன் பிடபிள்யூ மற்றும் காஹில் டிஜி குறைந்த வெப்பநிலை இரசாயன நீராவி படிவு மூலம் Ni (111) இல் வளர்க்கப்படும் கிராஃபைட் படங்களின் வெப்ப கடத்துத்திறன். வினையுரிச்சொல். மேட். இடைமுகம் 3, 16 (2016).
ஹெஸ்ஜெடல், டி. இரசாயன நீராவி படிவு மூலம் கிராபெனின் படங்களின் தொடர்ச்சியான வளர்ச்சி. விண்ணப்பம். இயற்பியல். ரைட். 98(13), 133106(2011).