नी पर एक पारभासी ग्रेफाइट फिल्म बढ़ाना और इसका दो-तरफ़ा पॉलिमर-मुक्त स्थानांतरण

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नैनोस्केल ग्रेफाइट फिल्में (एनजीएफ) मजबूत नैनोमटेरियल हैं जिन्हें उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा उत्पादित किया जा सकता है, लेकिन उनके स्थानांतरण में आसानी के बारे में सवाल बने हुए हैं और सतह आकारिकी अगली पीढ़ी के उपकरणों में उनके उपयोग को कैसे प्रभावित करती है। यहां हम पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फ़ॉइल (क्षेत्रफल 55 सेमी2, मोटाई लगभग 100 एनएम) के दोनों किनारों पर एनजीएफ की वृद्धि और इसके बहुलक-मुक्त स्थानांतरण (आगे और पीछे, 6 सेमी2 तक क्षेत्र) की रिपोर्ट करते हैं। उत्प्रेरक फ़ॉइल की आकृति विज्ञान के कारण, दो कार्बन फ़िल्में अपने भौतिक गुणों और अन्य विशेषताओं (जैसे सतह खुरदरापन) में भिन्न होती हैं। हम प्रदर्शित करते हैं कि खुरदरे पिछले हिस्से वाले एनजीएफ एनओ2 का पता लगाने के लिए उपयुक्त हैं, जबकि सामने की तरफ चिकने और अधिक प्रवाहकीय एनजीएफ (2000 एस/सेमी, शीट प्रतिरोध - 50 ओम/एम2) व्यवहार्य कंडक्टर हो सकते हैं। सौर सेल का चैनल या इलेक्ट्रोड (क्योंकि यह 62% दृश्य प्रकाश संचारित करता है)। कुल मिलाकर, वर्णित विकास और परिवहन प्रक्रियाएं एनजीएफ को तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए एक वैकल्पिक कार्बन सामग्री के रूप में समझने में मदद कर सकती हैं जहां ग्राफीन और माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्में उपयुक्त नहीं हैं।
ग्रेफाइट व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली औद्योगिक सामग्री है। विशेष रूप से, ग्रेफाइट में अपेक्षाकृत कम द्रव्यमान घनत्व और उच्च इन-प्लेन तापीय और विद्युत चालकता के गुण होते हैं, और यह कठोर तापीय और रासायनिक वातावरण1,2 में बहुत स्थिर होता है। फ्लेक ग्रेफाइट ग्राफीन अनुसंधान3 के लिए एक प्रसिद्ध प्रारंभिक सामग्री है। जब पतली फिल्मों में संसाधित किया जाता है, तो इसका उपयोग अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जा सकता है, जिसमें स्मार्टफोन4,5,6,7 जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए हीट सिंक, सेंसर8,9,10 में एक सक्रिय सामग्री के रूप में और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप संरक्षण11 शामिल हैं। 12 और अत्यधिक पराबैंगनी में लिथोग्राफी के लिए फिल्में13,14, सौर कोशिकाओं में चैनलों का संचालन15,16। इन सभी अनुप्रयोगों के लिए, यह एक महत्वपूर्ण लाभ होगा यदि नैनोस्केल <100 एनएम में नियंत्रित मोटाई वाली ग्रेफाइट फिल्मों (एनजीएफ) के बड़े क्षेत्रों का आसानी से उत्पादन और परिवहन किया जा सके।
ग्रेफाइट फिल्में विभिन्न तरीकों से निर्मित की जाती हैं। एक मामले में, ग्राफीन फ्लेक्स10,11,17 का उत्पादन करने के लिए एक्सफोलिएशन के बाद एम्बेडिंग और विस्तार का उपयोग किया गया था। गुच्छे को आवश्यक मोटाई की फिल्मों में आगे संसाधित किया जाना चाहिए, और घने ग्रेफाइट शीट का उत्पादन करने में अक्सर कई दिन लग जाते हैं। एक अन्य दृष्टिकोण ग्रेफाइटेबल ठोस अग्रदूतों से शुरू करना है। उद्योग में, पॉलिमर की शीटों को अच्छी तरह से संरचित स्तरित सामग्री बनाने के लिए कार्बोनाइज्ड (1000-1500 डिग्री सेल्सियस पर) और फिर ग्रेफाइटाइज्ड (2800-3200 डिग्री सेल्सियस पर) किया जाता है। हालाँकि इन फिल्मों की गुणवत्ता उच्च है, ऊर्जा की खपत महत्वपूर्ण1,18,19 है और न्यूनतम मोटाई कुछ माइक्रोन1,18,19,20 तक सीमित है।
उत्प्रेरक रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता और उचित लागत21,22,23,24,25,26,27 के साथ ग्राफीन और अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों (<10 एनएम) के उत्पादन के लिए एक प्रसिद्ध विधि है। हालाँकि, ग्राफीन और अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों28 की वृद्धि की तुलना में, बड़े क्षेत्र में वृद्धि और/या सीवीडी का उपयोग करके एनजीएफ के अनुप्रयोग की खोज और भी कम की गई है।11,13,29,30,31,32,33।
सीवीडी-विकसित ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों को अक्सर कार्यात्मक सब्सट्रेट्स34 पर स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। इन पतली फिल्म स्थानांतरणों में दो मुख्य विधियाँ शामिल हैं35: (1) गैर-ईच स्थानांतरण36,37 और (2) ईच-आधारित गीला रासायनिक स्थानांतरण (सब्सट्रेट समर्थित)14,34,38। प्रत्येक विधि के कुछ फायदे और नुकसान हैं और उन्हें इच्छित अनुप्रयोग के आधार पर चुना जाना चाहिए, जैसा कि अन्यत्र 35,39 में वर्णित है। उत्प्रेरक सब्सट्रेट्स पर उगाए गए ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों के लिए, गीले रासायनिक प्रक्रियाओं के माध्यम से स्थानांतरण (जिनमें से पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट (पीएमएमए) सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली समर्थन परत है) पहली पसंद13,30,34,38,40,41,42 बनी हुई है। आप और अन्य. यह उल्लेख किया गया था कि एनजीएफ स्थानांतरण (नमूना आकार लगभग 4 सेमी2)25,43 के लिए किसी पॉलिमर का उपयोग नहीं किया गया था, लेकिन स्थानांतरण के दौरान नमूना स्थिरता और/या हैंडलिंग के संबंध में कोई विवरण प्रदान नहीं किया गया था; पॉलिमर का उपयोग करते हुए गीली रसायन विज्ञान प्रक्रियाओं में कई चरण शामिल होते हैं, जिसमें बलि पॉलिमर परत 30,38,40,41,42 को लागू करना और उसके बाद हटाना शामिल है। इस प्रक्रिया के नुकसान हैं: उदाहरण के लिए, पॉलिमर अवशेष विकसित फिल्म38 के गुणों को बदल सकते हैं। अतिरिक्त प्रसंस्करण से अवशिष्ट पॉलिमर को हटाया जा सकता है, लेकिन इन अतिरिक्त कदमों से फिल्म निर्माण की लागत और समय बढ़ जाता है38,40। सीवीडी वृद्धि के दौरान, ग्राफीन की एक परत न केवल उत्प्रेरक फ़ॉइल के सामने की तरफ (भाप प्रवाह का सामना करने वाली तरफ) जमा होती है, बल्कि इसके पीछे की तरफ भी जमा होती है। हालाँकि, बाद वाले को एक अपशिष्ट उत्पाद माना जाता है और इसे नरम प्लाज़्मा38,41 द्वारा जल्दी से हटाया जा सकता है। इस फिल्म को पुनर्चक्रित करने से उपज को अधिकतम करने में मदद मिल सकती है, भले ही यह फेस कार्बन फिल्म की तुलना में कम गुणवत्ता वाली हो।
यहां, हम सीवीडी द्वारा पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फ़ॉइल पर उच्च संरचनात्मक गुणवत्ता के साथ एनजीएफ के वेफर-स्केल बिफेशियल विकास की तैयारी की रिपोर्ट करते हैं। यह मूल्यांकन किया गया कि पन्नी की आगे और पीछे की सतह का खुरदरापन एनजीएफ की आकृति विज्ञान और संरचना को कैसे प्रभावित करता है। हम निकल फ़ॉइल के दोनों किनारों से बहुक्रियाशील सबस्ट्रेट्स पर एनजीएफ के लागत प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल पॉलिमर-मुक्त स्थानांतरण को भी प्रदर्शित करते हैं और दिखाते हैं कि आगे और पीछे की फिल्में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए कैसे उपयुक्त हैं।
निम्नलिखित अनुभाग स्टैक्ड ग्राफीन परतों की संख्या के आधार पर विभिन्न ग्रेफाइट फिल्म मोटाई पर चर्चा करते हैं: (i) एकल परत ग्राफीन (एसएलजी, 1 परत), (ii) कुछ परत ग्राफीन (एफएलजी, <10 परतें), (iii) बहुपरत ग्राफीन ( एमएलजी, 10-30 परतें) और (iv) एनजीएफ (~300 परतें)। उत्तरार्द्ध सबसे आम मोटाई है जिसे क्षेत्र के प्रतिशत (लगभग 97% क्षेत्र प्रति 100 µm2)30 के रूप में व्यक्त किया जाता है। इसीलिए पूरी फिल्म को बस एनजीएफ कहा जाता है।
ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों के संश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली पॉलीक्रिस्टलाइन निकल फ़ॉइल में उनके निर्माण और उसके बाद के प्रसंस्करण के परिणामस्वरूप अलग-अलग बनावट होती है। हमने हाल ही में एनजीएफ30 की विकास प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए एक अध्ययन की रिपोर्ट दी है। हम दिखाते हैं कि विकास चरण के दौरान एनीलिंग समय और चैम्बर दबाव जैसे प्रक्रिया पैरामीटर समान मोटाई के एनजीएफ प्राप्त करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यहां, हमने निकेल फ़ॉइल की पॉलिश की गई सामने (एफएस) और बिना पॉलिश की गई पिछली (बीएस) सतहों पर एनजीएफ की वृद्धि की जांच की (चित्र 1 ए)। तालिका 1 में सूचीबद्ध तीन प्रकार के नमूनों एफएस और बीएस की जांच की गई। दृश्य निरीक्षण पर, निकेल फ़ॉइल (एनआईएजी) के दोनों किनारों पर एनजीएफ की एक समान वृद्धि को एक विशिष्ट धातु चांदी से थोक नी सब्सट्रेट के रंग परिवर्तन द्वारा देखा जा सकता है। ग्रे से मैट ग्रे रंग (चित्र 1ए); सूक्ष्म माप की पुष्टि की गई (चित्र 1बी, सी)। एफएस-एनजीएफ का एक विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रम उज्ज्वल क्षेत्र में देखा गया और चित्र 1 बी में लाल, नीले और नारंगी तीरों द्वारा दर्शाया गया है। ग्रेफाइट जी (1683 सेमी−1) और 2डी (2696 सेमी−1) की विशिष्ट रमन चोटियाँ अत्यधिक क्रिस्टलीय एनजीएफ (छवि 1सी, तालिका एसआई1) की वृद्धि की पुष्टि करती हैं। पूरी फिल्म में, तीव्रता अनुपात (I2D/IG) ~0.3 के साथ रमन स्पेक्ट्रा की प्रबलता देखी गई, जबकि I2D/IG = 0.8 के साथ रमन स्पेक्ट्रा शायद ही कभी देखी गई। पूरी फिल्म में दोषपूर्ण चोटियों (डी = 1350 सेमी-1) की अनुपस्थिति एनजीएफ वृद्धि की उच्च गुणवत्ता को इंगित करती है। इसी तरह के रमन परिणाम बीएस-एनजीएफ नमूने (चित्रा एसआई1 ए और बी, तालिका एसआई1) पर प्राप्त किए गए थे।
NiAG FS- और BS-NGF की तुलना: (ए) वेफर स्केल (55 सेमी2) पर एनजीएफ वृद्धि और परिणामी बीएस- और एफएस-नी फ़ॉइल नमूनों को दर्शाने वाले एक विशिष्ट एनजीएफ (एनआईएजी) नमूने की तस्वीर, (बी) एफएस-एनजीएफ ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप द्वारा प्राप्त छवियां/एनआई, (सी) पैनल बी में विभिन्न स्थानों पर दर्ज विशिष्ट रमन स्पेक्ट्रा, (डी, एफ) एफएस-एनजीएफ/नी पर विभिन्न आवर्धन पर एसईएम छवियां, (ई, जी) विभिन्न आवर्धन पर एसईएम छवियां बीएस-एनजीएफ/एनआई सेट करता है। नीला तीर एफएलजी क्षेत्र को इंगित करता है, नारंगी तीर एमएलजी क्षेत्र (एफएलजी क्षेत्र के पास) को इंगित करता है, लाल तीर एनजीएफ क्षेत्र को इंगित करता है, और मैजेंटा तीर गुना को इंगित करता है।
चूंकि विकास प्रारंभिक सब्सट्रेट की मोटाई, क्रिस्टल आकार, अभिविन्यास और अनाज की सीमाओं पर निर्भर करता है, इसलिए बड़े क्षेत्रों पर एनजीएफ मोटाई का उचित नियंत्रण प्राप्त करना एक चुनौती बनी हुई है। इस अध्ययन में हमारे द्वारा पहले प्रकाशित की गई सामग्री का उपयोग किया गया30। यह प्रक्रिया प्रति 100 µm230 पर 0.1 से 3% का उज्ज्वल क्षेत्र उत्पन्न करती है। निम्नलिखित अनुभागों में, हम दोनों प्रकार के क्षेत्रों के लिए परिणाम प्रस्तुत करते हैं। उच्च आवर्धन एसईएम छवियां दोनों तरफ कई उज्ज्वल विपरीत क्षेत्रों की उपस्थिति दिखाती हैं (छवि 1 एफ, जी), जो एफएलजी और एमएलजी क्षेत्रों 30,45 की उपस्थिति का संकेत देती हैं। इसकी पुष्टि रमन स्कैटरिंग (चित्र 1सी) और टीईएम परिणामों (बाद में "एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण" अनुभाग में चर्चा की गई) से भी हुई। एफएस- और बीएस-एनजीएफ/नी नमूनों (नी पर उगाए गए आगे और पीछे के एनजीएफ) पर देखे गए एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र प्री-एनीलिंग 22,30,45 के दौरान बने बड़े नी (111) अनाज पर विकसित हो सकते हैं। दोनों तरफ तह देखी गई (चित्र 1बी, बैंगनी तीरों से चिह्नित)। ग्रेफाइट और निकल सब्सट्रेट30,38 के बीच थर्मल विस्तार के गुणांक में बड़े अंतर के कारण ये सिलवटें अक्सर सीवीडी-विकसित ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों में पाई जाती हैं।
एएफएम छवि ने पुष्टि की कि एफएस-एनजीएफ नमूना बीएस-एनजीएफ नमूने (चित्रा एसआई 1) (चित्रा एसआई 2) की तुलना में अधिक सपाट था। एफएस-एनजीएफ/नी (छवि एसआई2सी) और बीएस-एनजीएफ/नी (छवि एसआई2डी) का मूल माध्य वर्ग (आरएमएस) खुरदरापन मान क्रमशः 82 और 200 एनएम हैं (20 × के क्षेत्र में मापा गया) 20μm2). उच्च खुरदरापन को प्राप्त अवस्था में निकल (NiAR) फ़ॉइल की सतह के विश्लेषण के आधार पर समझा जा सकता है (चित्र SI3)। एफएस और बीएस-एनआईएआर की एसईएम छवियां चित्र एसआई3ए-डी में दिखाई गई हैं, जो विभिन्न सतह आकारिकी का प्रदर्शन करती हैं: पॉलिश किए गए एफएस-नी फ़ॉइल में नैनो- और माइक्रोन-आकार के गोलाकार कण होते हैं, जबकि बिना पॉलिश किए बीएस-नी फ़ॉइल एक उत्पादन सीढ़ी प्रदर्शित करते हैं। उच्च शक्ति वाले कणों के रूप में। और गिरावट. एनील्ड निकेल फ़ॉइल (NiA) की निम्न और उच्च रिज़ॉल्यूशन छवियां चित्र SI3e-h में दिखाई गई हैं। इन आंकड़ों में, हम निकल फ़ॉइल के दोनों किनारों पर कई माइक्रोन आकार के निकल कणों की उपस्थिति देख सकते हैं (चित्र। SI3e-h)। बड़े दानों में Ni(111) सतह अभिविन्यास हो सकता है, जैसा कि पहले बताया गया था30,46। एफएस-एनआईए और बीएस-एनआईए के बीच निकल फ़ॉइल आकृति विज्ञान में महत्वपूर्ण अंतर हैं। बीएस-एनजीएफ/नी की अधिक खुरदरापन बीएस-एनआईएआर की बिना पॉलिश की गई सतह के कारण है, जिसकी सतह एनीलिंग के बाद भी काफी खुरदरी रहती है (चित्र SI3)। विकास प्रक्रिया से पहले इस प्रकार की सतह के लक्षण वर्णन से ग्राफीन और ग्रेफाइट फिल्मों की खुरदरापन को नियंत्रित किया जा सकता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ग्राफीन वृद्धि के दौरान मूल सब्सट्रेट में कुछ अनाज पुनर्गठन हुआ, जिससे अनाज का आकार थोड़ा कम हो गया और एनील्ड फ़ॉइल और उत्प्रेरक फिल्म 22 की तुलना में सब्सट्रेट की सतह खुरदरापन कुछ हद तक बढ़ गया।
सब्सट्रेट सतह खुरदरापन, एनीलिंग समय (अनाज का आकार) 30,47 और रिलीज नियंत्रण43 को ठीक करने से क्षेत्रीय एनजीएफ मोटाई की एकरूपता को µm2 और/या एनएम2 स्केल (यानी, कुछ नैनोमीटर की मोटाई भिन्नता) तक कम करने में मदद मिलेगी। सब्सट्रेट की सतह के खुरदरेपन को नियंत्रित करने के लिए, परिणामी निकल फ़ॉइल की इलेक्ट्रोलाइटिक पॉलिशिंग जैसी विधियों पर विचार किया जा सकता है48। बड़े नी (111) अनाज (जो एफएलजी वृद्धि के लिए फायदेमंद है) के गठन से बचने के लिए पूर्व-उपचारित निकल फ़ॉइल को कम तापमान (<900 डिग्री सेल्सियस) 46 और समय (<5 मिनट) पर एनील्ड किया जा सकता है।
एसएलजी और एफएलजी ग्राफीन एसिड और पानी की सतह के तनाव का सामना करने में असमर्थ हैं, गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं22,34,38 के दौरान यांत्रिक समर्थन परतों की आवश्यकता होती है। पॉलिमर-समर्थित सिंगल-लेयर ग्राफीन38 के गीले रासायनिक हस्तांतरण के विपरीत, हमने पाया कि विकसित एनजीएफ के दोनों किनारों को पॉलिमर समर्थन के बिना स्थानांतरित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है (अधिक विवरण के लिए चित्र SI4a देखें)। किसी दिए गए सब्सट्रेट में एनजीएफ का स्थानांतरण अंतर्निहित Ni30.49 फिल्म की गीली नक़्क़ाशी से शुरू होता है। विकसित एनजीएफ/नी/एनजीएफ नमूनों को रात भर 15 एमएल 70% एचएनओ3 में 600 एमएल विआयनीकृत (डीआई) पानी के साथ पतला करके रखा गया। Ni फ़ॉइल पूरी तरह से घुल जाने के बाद, FS-NGF सपाट रहता है और तरल की सतह पर तैरता है, बिल्कुल NGF/Ni/NGF नमूने की तरह, जबकि BS-NGF पानी में डूबा हुआ है (चित्र 2a,b)। फिर पृथक एनजीएफ को ताजा विआयनीकृत पानी वाले एक बीकर से दूसरे बीकर में स्थानांतरित किया गया और पृथक एनजीएफ को अवतल ग्लास डिश के माध्यम से चार से छह बार दोहराते हुए अच्छी तरह से धोया गया। अंत में, एफएस-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ को वांछित सब्सट्रेट पर रखा गया (चित्र 2सी)।
निकल फ़ॉइल पर उगाए गए एनजीएफ के लिए पॉलिमर मुक्त गीला रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रिया: (ए) प्रक्रिया प्रवाह आरेख (अधिक विवरण के लिए चित्र एसआई4 देखें), (बी) नी नक़्क़ाशी के बाद अलग एनजीएफ की डिजिटल तस्वीर (2 नमूने), (सी) उदाहरण एफएस - और बीएस-एनजीएफ को SiO2/Si सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जाता है, (डी) एफएस-एनजीएफ को अपारदर्शी पॉलिमर सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जाता है, (ई) बीएस-एनजीएफ को पैनल डी के समान नमूने से (दो भागों में विभाजित), गोल्ड प्लेटेड सी पेपर में स्थानांतरित किया जाता है। और नेफियन (लचीला पारदर्शी सब्सट्रेट, किनारों को लाल कोनों से चिह्नित किया गया है)।
ध्यान दें कि गीले रासायनिक स्थानांतरण तरीकों का उपयोग करके किए गए एसएलजी स्थानांतरण के लिए कुल प्रसंस्करण समय 20-24 घंटे 38 की आवश्यकता होती है। यहां प्रदर्शित पॉलिमर-मुक्त स्थानांतरण तकनीक (चित्र SI4a) के साथ, समग्र एनजीएफ स्थानांतरण प्रसंस्करण समय काफी कम हो गया है (लगभग 15 घंटे)। प्रक्रिया में शामिल हैं: (चरण 1) एक नक़्क़ाशी समाधान तैयार करें और उसमें नमूना रखें (~10 मिनट), फिर नी नक़्क़ाशी के लिए रात भर प्रतीक्षा करें (~7200 मिनट), (चरण 2) विआयनीकृत पानी से कुल्ला करें (चरण - 3) . विआयनीकृत पानी में संग्रहित करें या लक्ष्य सब्सट्रेट में स्थानांतरित करें (20 मिनट)। एनजीएफ और बल्क मैट्रिक्स के बीच फंसे पानी को केशिका क्रिया (ब्लॉटिंग पेपर का उपयोग करके)38 द्वारा हटा दिया जाता है, फिर शेष पानी की बूंदों को प्राकृतिक सुखाने (लगभग 30 मिनट) द्वारा हटा दिया जाता है, और अंत में नमूना 10 मिनट के लिए सूख जाता है। 50-90 डिग्री सेल्सियस (60 मिनट) 38 पर एक वैक्यूम ओवन (10-1 एमबार) में मिनट।
ग्रेफाइट को काफी उच्च तापमान (≥ 200 डिग्री सेल्सियस)50,51,52 पर पानी और हवा की उपस्थिति का सामना करने के लिए जाना जाता है। हमने कमरे के तापमान पर विआयनीकृत पानी में और सीलबंद बोतलों में कुछ दिनों से लेकर एक वर्ष तक भंडारण के बाद रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, एसईएम और एक्सआरडी का उपयोग करके नमूनों का परीक्षण किया (चित्रा एसआई 4)। कोई ध्यान देने योग्य गिरावट नहीं है. चित्र 2सी विआयनीकृत पानी में मुक्त-स्थायी एफएस-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ को दर्शाता है। हमने उन्हें SiO2 (300 एनएम)/Si सब्सट्रेट पर कैप्चर किया, जैसा कि चित्र 2c की शुरुआत में दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, जैसा कि चित्र 2डी,ई में दिखाया गया है, निरंतर एनजीएफ को पॉलिमर (नेक्सोलवे और नेफियन से थर्माब्राइट पॉलियामाइड) और सोने से लेपित कार्बन पेपर जैसे विभिन्न सब्सट्रेट्स में स्थानांतरित किया जा सकता है। फ्लोटिंग एफएस-एनजीएफ को आसानी से लक्ष्य सब्सट्रेट पर रखा गया था (चित्र 2सी, डी)। हालाँकि, 3 सेमी2 से बड़े बीएस-एनजीएफ नमूनों को पूरी तरह से पानी में डुबाने पर संभालना मुश्किल था। आमतौर पर, जब वे पानी में लोटना शुरू करते हैं, तो लापरवाही से संभालने के कारण कभी-कभी दो या तीन भागों में टूट जाते हैं (चित्र 2ई)। कुल मिलाकर, हम क्रमशः 6 और 3 सेमी2 क्षेत्र तक के नमूनों के लिए पीएस- और बीएस-एनजीएफ (6 सेमी2 पर एनजीएफ/नी/एनजीएफ वृद्धि के बिना निरंतर निर्बाध स्थानांतरण) का पॉलिमर-मुक्त स्थानांतरण प्राप्त करने में सक्षम थे। किसी भी बचे हुए बड़े या छोटे टुकड़े को वांछित सब्सट्रेट (~1 मिमी2, चित्र SI4b) पर (नक़्क़ाशी समाधान या विआयनीकृत पानी में आसानी से देखा जा सकता है), तांबे के ग्रिड में स्थानांतरित किए गए नमूने को "एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण (चर्चा की गई)" के रूप में देखें। "संरचना और गुण" के अंतर्गत) या भविष्य में उपयोग के लिए संग्रहीत करें (चित्र SI4)। इस मानदंड के आधार पर, हमारा अनुमान है कि एनजीएफ को 98-99% तक की पैदावार में पुनर्प्राप्त किया जा सकता है (स्थानांतरण के लिए वृद्धि के बाद)।
पॉलिमर के बिना स्थानांतरण नमूनों का विस्तार से विश्लेषण किया गया। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (ओएम) और एसईएम छवियों (छवि एसआई 5 और छवि 3) का उपयोग करके एफएस- और बीएस-एनजीएफ / SiO2 / Si (छवि 2 सी) पर प्राप्त सतह रूपात्मक विशेषताओं से पता चला है कि इन नमूनों को माइक्रोस्कोपी के बिना स्थानांतरित किया गया था। दृश्यमान संरचनात्मक क्षति जैसे दरारें, छेद, या अनियंत्रित क्षेत्र। स्थानांतरण के बाद बढ़ते एनजीएफ (चित्र 3 बी, डी, बैंगनी तीरों द्वारा चिह्नित) पर सिलवटें बरकरार रहीं। एफएस- और बीएस-एनजीएफ दोनों एफएलजी क्षेत्रों (चित्रा 3 में नीले तीरों द्वारा दर्शाए गए उज्ज्वल क्षेत्र) से बने हैं। आश्चर्य की बात है कि, आमतौर पर अल्ट्राथिन ग्रेफाइट फिल्मों के पॉलिमर स्थानांतरण के दौरान देखे गए कुछ क्षतिग्रस्त क्षेत्रों के विपरीत, एनजीएफ से जुड़ने वाले कई माइक्रोन आकार के एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र (चित्रा 3 डी में नीले तीर द्वारा चिह्नित) बिना दरार या ब्रेक के स्थानांतरित किए गए थे (चित्रा 3 डी) . 3). . लेस-कार्बन कॉपर ग्रिड पर स्थानांतरित एनजीएफ की टीईएम और एसईएम छवियों का उपयोग करके यांत्रिक अखंडता की पुष्टि की गई, जैसा कि बाद में चर्चा की गई ("एफएस-एनजीएफ: संरचना और गुण")। स्थानांतरित बीएस-एनजीएफ/SiO2/Si क्रमशः 140 एनएम और 17 एनएम के आरएमएस मूल्यों के साथ एफएस-एनजीएफ/SiO2/Si से अधिक मोटा है, जैसा कि चित्र SI6a और b (20 × 20 μm2) में दिखाया गया है। SiO2/Si सब्सट्रेट (RMS <2 nm) पर स्थानांतरित NGF का RMS मान Ni (चित्रा SI2) पर उगाए गए NGF की तुलना में काफी कम (लगभग 3 गुना) है, जो दर्शाता है कि अतिरिक्त खुरदरापन Ni सतह के अनुरूप हो सकता है। इसके अलावा, एफएस- और बीएस-एनजीएफ/SiO2/Si नमूनों के किनारों पर प्रदर्शित एएफएम छवियों में क्रमशः 100 और 80 एनएम की एनजीएफ मोटाई दिखाई गई (चित्र। SI7)। बीएस-एनजीएफ की छोटी मोटाई सतह के सीधे पूर्ववर्ती गैस के संपर्क में न आने का परिणाम हो सकती है।
SiO2/Si वेफर पर पॉलिमर के बिना स्थानांतरित एनजीएफ (एनआईएजी) (चित्रा 2 सी देखें): (ए, बी) स्थानांतरित एफएस-एनजीएफ की एसईएम छवियां: कम और उच्च आवर्धन (पैनल में नारंगी वर्ग के अनुरूप)। विशिष्ट क्षेत्र) - ए)। (सी,डी) हस्तांतरित बीएस-एनजीएफ की एसईएम छवियां: कम और उच्च आवर्धन (पैनल सी में नारंगी वर्ग द्वारा दिखाए गए विशिष्ट क्षेत्र के अनुरूप)। (ई, एफ) हस्तांतरित एफएस- और बीएस-एनजीएफ की एएफएम छवियां। नीला तीर एफएलजी क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है - उज्ज्वल कंट्रास्ट, सियान तीर - काला एमएलजी कंट्रास्ट, लाल तीर - काला कंट्रास्ट एनजीएफ क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है, मैजेंटा तीर गुना का प्रतिनिधित्व करता है।
विकसित और स्थानांतरित एफएस- और बीएस-एनजीएफ की रासायनिक संरचना का विश्लेषण एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) (चित्र 4) द्वारा किया गया था। मापे गए स्पेक्ट्रा (चित्र 4 ए, बी) में एक कमजोर शिखर देखा गया, जो विकसित एफएस- और बीएस-एनजीएफ (एनआईएजी) के नी सब्सट्रेट (850 ईवी) के अनुरूप है। स्थानांतरित FS- और BS-NGF/SiO2/Si के मापे गए स्पेक्ट्रा में कोई शिखर नहीं हैं (चित्र 4c; BS-NGF/SiO2/Si के लिए समान परिणाम नहीं दिखाए गए हैं), यह दर्शाता है कि स्थानांतरण के बाद कोई अवशिष्ट Ni संदूषण नहीं है। . आंकड़े 4d-f FS-NGF/SiO2/Si के C 1 s, O 1 s और Si 2p ऊर्जा स्तरों के उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा दिखाते हैं। ग्रेफाइट के C 1 s की बंधन ऊर्जा 284.4 eV53.54 है। ग्रेफाइट चोटियों का रैखिक आकार आम तौर पर असममित माना जाता है, जैसा कि चित्र 4d54 में दिखाया गया है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन कोर-स्तर सी 1 एस स्पेक्ट्रम (छवि 4 डी) ने भी शुद्ध स्थानांतरण (यानी, कोई बहुलक अवशेष नहीं) की पुष्टि की, जो पिछले अध्ययनों अनुरूप है। ताजा उगाए गए नमूने (एनआईएजी) के सी 1 एस स्पेक्ट्रा की लाइनविड्थ और स्थानांतरण के बाद क्रमशः 0.55 और 0.62 ईवी हैं। ये मान SLG (SiO2 सब्सट्रेट पर SLG के लिए 0.49 eV)38 से अधिक हैं। हालाँकि, ये मान अत्यधिक उन्मुख पाइरोलाइटिक ग्राफीन नमूनों (~ 0.75 eV)53,54,55 के लिए पहले बताए गए लाइनविड्थ से छोटे हैं, जो वर्तमान सामग्री में दोषपूर्ण कार्बन साइटों की अनुपस्थिति को दर्शाता है। सी 1 एस और ओ 1 एस ग्राउंड लेवल स्पेक्ट्रा में भी कंधों की कमी है, जिससे उच्च-रिज़ॉल्यूशन पीक डीकोनवोल्यूशन54 की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। 291.1 ईवी के आसपास π → π* उपग्रह शिखर है, जो अक्सर ग्रेफाइट नमूनों में देखा जाता है। Si 2p और O 1 s कोर लेवल स्पेक्ट्रा में 103 eV और 532.5 eV सिग्नल क्रमशः SiO2 56 सब्सट्रेट के लिए जिम्मेदार हैं। एक्सपीएस एक सतह-संवेदनशील तकनीक है, इसलिए एनजीएफ स्थानांतरण से पहले और बाद में पाए गए नी और SiO2 से संबंधित संकेतों को क्रमशः एफएलजी क्षेत्र से उत्पन्न माना जाता है। स्थानांतरित बीएस-एनजीएफ नमूनों (दिखाए नहीं गए) के लिए समान परिणाम देखे गए।
NiAG XPS परिणाम: (एसी) क्रमशः विकसित FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni और स्थानांतरित FS-NGF/SiO2/Si की विभिन्न मौलिक परमाणु रचनाओं का सर्वेक्षण स्पेक्ट्रा। (डी-एफ) एफएस-एनजीएफ/एसआईओ2/एसआई नमूने के कोर स्तर सी 1 एस, ओ 1 एस और एसआई 2 पी का उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा।
स्थानांतरित एनजीएफ क्रिस्टल की समग्र गुणवत्ता का मूल्यांकन एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) का उपयोग करके किया गया था। स्थानांतरित FS- और BS-NGF/SiO2/Si के विशिष्ट XRD पैटर्न (चित्र SI8) ग्रेफाइट के समान, 26.6° और 54.7° पर विवर्तन चोटियों (0 0 0 2) और (0 0 0 4) की उपस्थिति दर्शाते हैं। . यह एनजीएफ की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करता है और डी = 0.335 एनएम की इंटरलेयर दूरी से मेल खाता है, जो स्थानांतरण चरण के बाद बनाए रखा जाता है। विवर्तन शिखर (0 0 0 2) की तीव्रता विवर्तन शिखर (0 0 0 4) की तीव्रता लगभग 30 गुना है, जो दर्शाता है कि एनजीएफ क्रिस्टल विमान नमूना सतह के साथ अच्छी तरह से संरेखित है।
एसईएम, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्सपीएस और एक्सआरडी के परिणामों के अनुसार, बीएस-एनजीएफ/नी की गुणवत्ता एफएस-एनजीएफ/नी के समान पाई गई, हालांकि इसकी आरएमएस खुरदरापन थोड़ी अधिक थी (आंकड़े एसआई2, एसआई5) और SI7).
200 एनएम तक मोटी पॉलिमर समर्थन परतों वाले एसएलजी पानी पर तैर सकते हैं। यह सेटअप आमतौर पर पॉलिमर-सहायता प्राप्त गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं22,38 में उपयोग किया जाता है। ग्राफीन और ग्रेफाइट हाइड्रोफोबिक (गीला कोण 80-90°) 57 हैं। सतह पर पानी की पार्श्व गति के लिए कम संभावित ऊर्जा (~ 1 kJ/mol) के साथ ग्राफीन और FLG दोनों की संभावित ऊर्जा सतहें काफी सपाट बताई गई हैं। हालाँकि, ग्राफीन और ग्राफीन की तीन परतों के साथ पानी की परस्पर क्रिया ऊर्जा क्रमशः लगभग −13 और −15 kJ/mol,58 है, जो दर्शाता है कि एनजीएफ (लगभग 300 परतें) के साथ पानी की परस्पर क्रिया ग्राफीन की तुलना में कम है। यह एक कारण हो सकता है कि फ्रीस्टैंडिंग एनजीएफ पानी की सतह पर सपाट रहता है, जबकि फ्रीस्टैंडिंग ग्राफीन (जो पानी में तैरता है) मुड़ जाता है और टूट जाता है। जब एनजीएफ पूरी तरह से पानी में डूब जाता है (परिणाम खुरदरे और सपाट एनजीएफ के लिए समान होते हैं), तो इसके किनारे मुड़ जाते हैं (चित्र SI4)। पूर्ण विसर्जन के मामले में, यह उम्मीद की जाती है कि एनजीएफ-जल संपर्क ऊर्जा लगभग दोगुनी हो जाती है (फ्लोटिंग एनजीएफ की तुलना में) और उच्च संपर्क कोण (हाइड्रोफोबिसिटी) बनाए रखने के लिए एनजीएफ के किनारे मुड़ जाते हैं। हमारा मानना ​​है कि एम्बेडेड एनजीएफ के किनारों को मुड़ने से बचाने के लिए रणनीतियाँ विकसित की जा सकती हैं। एक दृष्टिकोण ग्रेफाइट फिल्म59 की गीली प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए मिश्रित सॉल्वैंट्स का उपयोग करना है।
गीले रासायनिक स्थानांतरण प्रक्रियाओं के माध्यम से विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट्स में एसएलजी का स्थानांतरण पहले बताया गया है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि ग्राफीन/ग्रेफाइट फिल्मों और सब्सट्रेट्स के बीच कमजोर वैन डेर वाल्स बल मौजूद होते हैं (चाहे वह कठोर सब्सट्रेट्स जैसे SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si पिलर22 और लेसी कार्बन फिल्म्स30, 34 या लचीले सब्सट्रेट हों) जैसे पॉलिमाइड 37). यहां हम मानते हैं कि एक ही प्रकार की अंतःक्रियाएं प्रबल होती हैं। हमने यांत्रिक हैंडलिंग (वैक्यूम और/या वायुमंडलीय स्थितियों के तहत लक्षण वर्णन के दौरान या भंडारण के दौरान) (उदाहरण के लिए, चित्र 2, एसआई 7 और एसआई 9) के दौरान यहां प्रस्तुत किसी भी सब्सट्रेट के लिए एनजीएफ की कोई क्षति या छीलने का निरीक्षण नहीं किया। इसके अलावा, हमने NGF/SiO2/Si नमूने के मुख्य स्तर के XPS C 1 s स्पेक्ट्रम में SiC शिखर नहीं देखा (चित्र 4)। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि एनजीएफ और लक्ष्य सब्सट्रेट के बीच कोई रासायनिक बंधन नहीं है।
पिछले अनुभाग में, "एफएस- और बीएस-एनजीएफ का पॉलिमर-मुक्त स्थानांतरण," हमने दिखाया कि एनजीएफ निकल फ़ॉइल के दोनों किनारों पर विकसित और स्थानांतरित हो सकता है। ये एफएस-एनजीएफ और बीएस-एनजीएफ सतह खुरदरेपन के मामले में समान नहीं हैं, जिसने हमें प्रत्येक प्रकार के लिए सबसे उपयुक्त अनुप्रयोगों का पता लगाने के लिए प्रेरित किया।
एफएस-एनजीएफ की पारदर्शिता और चिकनी सतह को ध्यान में रखते हुए, हमने इसकी स्थानीय संरचना, ऑप्टिकल और विद्युत गुणों का अधिक विस्तार से अध्ययन किया। पॉलिमर स्थानांतरण के बिना एफएस-एनजीएफ की संरचना और संरचना को ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) इमेजिंग और चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन (एसएईडी) पैटर्न विश्लेषण द्वारा चित्रित किया गया था। संबंधित परिणाम चित्र 5 में दिखाए गए हैं। कम आवर्धन समतल टीईएम इमेजिंग से अलग-अलग इलेक्ट्रॉन कंट्रास्ट विशेषताओं वाले एनजीएफ और एफएलजी क्षेत्रों की उपस्थिति का पता चला, यानी क्रमशः गहरे और चमकीले क्षेत्र (चित्र 5 ए)। फिल्म कुल मिलाकर एनजीएफ और एफएलजी के विभिन्न क्षेत्रों के बीच अच्छी यांत्रिक अखंडता और स्थिरता प्रदर्शित करती है, जिसमें अच्छा ओवरलैप होता है और कोई क्षति या टूट-फूट नहीं होती है, जिसकी पुष्टि एसईएम (चित्रा 3) और उच्च आवर्धन टीईएम अध्ययन (चित्रा 5सी-ई) द्वारा भी की गई थी। विशेष रूप से, चित्र 5d में पुल की संरचना को उसके सबसे बड़े भाग (चित्र 5d में काले बिंदीदार तीर द्वारा चिह्नित स्थिति) में दिखाया गया है, जो एक त्रिकोणीय आकार की विशेषता है और इसमें लगभग 51 की चौड़ाई के साथ एक ग्राफीन परत होती है। 0.33 ± 0.01 एनएम की इंटरप्लेनर रिक्ति के साथ संरचना को सबसे संकीर्ण क्षेत्र में ग्राफीन की कई परतों तक कम किया जाता है (चित्र 5 डी में ठोस काले तीर का अंत)।
कार्बन लेसी कॉपर ग्रिड पर पॉलिमर-मुक्त NiAG नमूने की समतल TEM छवि: (ए, बी) एनजीएफ और एफएलजी क्षेत्रों सहित कम आवर्धन टीईएम छवियां, (सीई) पैनल-ए और पैनल-बी में विभिन्न क्षेत्रों की उच्च आवर्धन छवियां हैं एक ही रंग के चिह्नित तीर. पैनल ए और सी में हरे तीर बीम संरेखण के दौरान क्षति के गोलाकार क्षेत्रों को दर्शाते हैं। (एफ-आई) पैनल ए से सी में, विभिन्न क्षेत्रों में एसएईडी पैटर्न क्रमशः नीले, सियान, नारंगी और लाल हलकों द्वारा इंगित किए जाते हैं।
चित्र 5सी में रिबन संरचना ग्रेफाइट जाली विमानों के ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास को दिखाती है (लाल तीर से चिह्नित), जो फिल्म के साथ नैनोफोल्ड्स के गठन के कारण हो सकता है (चित्रा 5सी में इनसेट) अतिरिक्त असंतुलित कतरनी तनाव के कारण 30,61,62 . उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीईएम के तहत, ये नैनोफोल्ड्स 30 एनजीएफ क्षेत्र के बाकी हिस्सों की तुलना में एक अलग क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास प्रदर्शित करते हैं; ग्रेफाइट जाली के बेसल तल फिल्म के बाकी हिस्सों की तरह क्षैतिज रूप से होने के बजाय लगभग लंबवत रूप से उन्मुख होते हैं (चित्र 5सी में इनसेट)। इसी तरह, एफएलजी क्षेत्र कभी-कभी रैखिक और संकीर्ण बैंड-जैसी सिलवटों (नीले तीरों द्वारा चिह्नित) को प्रदर्शित करता है, जो क्रमशः चित्र 5बी, 5ई में कम और मध्यम आवर्धन पर दिखाई देते हैं। चित्र 5ई में इनसेट एफएलजी सेक्टर (इंटरप्लानर दूरी 0.33 ± 0.01 एनएम) में दो- और तीन-परत ग्राफीन परतों की उपस्थिति की पुष्टि करता है, जो हमारे पिछले परिणामों 30 के साथ अच्छे समझौते में है। इसके अतिरिक्त, लेसी कार्बन फिल्मों (शीर्ष-दृश्य टीईएम माप करने के बाद) के साथ तांबे के ग्रिड पर स्थानांतरित पॉलिमर-मुक्त एनजीएफ की रिकॉर्ड की गई एसईएम छवियां चित्र एसआई 9 में दिखाई गई हैं। चित्र SI9f में अच्छी तरह से निलंबित FLG क्षेत्र (नीले तीर से चिह्नित) और टूटा हुआ क्षेत्र। नीला तीर (स्थानांतरित एनजीएफ के किनारे पर) जानबूझकर यह प्रदर्शित करने के लिए प्रस्तुत किया गया है कि एफएलजी क्षेत्र पॉलिमर के बिना स्थानांतरण प्रक्रिया का विरोध कर सकता है। संक्षेप में, ये छवियां पुष्टि करती हैं कि आंशिक रूप से निलंबित एनजीएफ (एफएलजी क्षेत्र सहित) टीईएम और एसईएम माप (चित्रा एसआई 9) के दौरान कठोर हैंडलिंग और उच्च वैक्यूम के संपर्क के बाद भी यांत्रिक अखंडता बनाए रखता है।
एनजीएफ की उत्कृष्ट समतलता (चित्र 5ए देखें) के कारण, एसएईडी संरचना का विश्लेषण करने के लिए फ्लेक्स को [0001] डोमेन अक्ष के साथ उन्मुख करना मुश्किल नहीं है। फिल्म की स्थानीय मोटाई और उसके स्थान के आधार पर, इलेक्ट्रॉन विवर्तन अध्ययन के लिए रुचि के कई क्षेत्रों (12 अंक) की पहचान की गई। चित्र 5ए-सी में, इनमें से चार विशिष्ट क्षेत्रों को रंगीन वृत्तों (नीला, सियान, नारंगी और लाल कोडित) के साथ दिखाया और चिह्नित किया गया है। एसएईडी मोड के लिए चित्र 2 और 3। चित्र 5एफ और जी चित्र 5 और 5 में दिखाए गए एफएलजी क्षेत्र से प्राप्त किए गए थे। जैसा कि क्रमशः चित्र 5बी और सी में दिखाया गया है। उनके पास मुड़े हुए ग्राफीन63 के समान एक हेक्सागोनल संरचना है। विशेष रूप से, चित्र 5एफ [0001] ज़ोन अक्ष के समान अभिविन्यास के साथ तीन सुपरइम्पोज़्ड पैटर्न दिखाता है, जो 10° और 20° द्वारा घुमाए जाते हैं, जैसा कि (10-10) प्रतिबिंबों के तीन जोड़े के कोणीय बेमेल से प्रमाणित होता है। इसी प्रकार, चित्र 5g में 20° घुमाए गए दो सुपरइम्पोज्ड हेक्सागोनल पैटर्न दिखाए गए हैं। एफएलजी क्षेत्र में हेक्सागोनल पैटर्न के दो या तीन समूह एक दूसरे के सापेक्ष घुमाए गए तीन इन-प्लेन या आउट-ऑफ-प्लेन ग्राफीन परतों से उत्पन्न हो सकते हैं। इसके विपरीत, चित्र 5एच,आई में इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न (चित्रा 5ए में दिखाए गए एनजीएफ क्षेत्र के अनुरूप) समग्र उच्च बिंदु विवर्तन तीव्रता के साथ एक एकल [0001] पैटर्न दिखाते हैं, जो अधिक सामग्री मोटाई के अनुरूप है। जैसा कि सूचकांक 64 से अनुमान लगाया गया है, ये एसएईडी मॉडल एफएलजी की तुलना में अधिक मोटी ग्रेफाइटिक संरचना और मध्यवर्ती अभिविन्यास के अनुरूप हैं। एनजीएफ के क्रिस्टलीय गुणों के लक्षण वर्णन से दो या तीन सुपरइम्पोज्ड ग्रेफाइट (या ग्राफीन) क्रिस्टलीय के सह-अस्तित्व का पता चला। एफएलजी क्षेत्र में जो बात विशेष रूप से उल्लेखनीय है वह यह है कि क्रिस्टलीयों में विमान के भीतर या बाहर के क्षेत्र में कुछ हद तक गलत दिशा-निर्देशन होता है। 17°, 22° और 25° के इन-प्लेन रोटेशन कोण वाले ग्रेफाइट कणों/परतों को पहले Ni 64 फिल्मों पर उगाए गए NGF के लिए रिपोर्ट किया गया है। इस अध्ययन में देखे गए घूर्णन कोण मान मुड़े हुए BLG63 ग्राफीन के लिए पहले देखे गए घूर्णन कोण (±1°) के अनुरूप हैं।
NGF/SiO2/Si के विद्युत गुणों को 10×3 मिमी2 के क्षेत्र में 300 K पर मापा गया। इलेक्ट्रॉन वाहक सांद्रता, गतिशीलता और चालकता का मान क्रमशः 1.6 × 1020 सेमी-3, 220 सेमी2 वी-1 सी-1 और 2000 एस-सेमी-1 है। हमारे एनजीएफ की गतिशीलता और चालकता मूल्य प्राकृतिक ग्रेफाइट2 के समान हैं और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अत्यधिक उन्मुख पायरोलाइटिक ग्रेफाइट (3000 डिग्री सेल्सियस पर उत्पादित)29 से अधिक हैं। देखे गए इलेक्ट्रॉन वाहक सांद्रता मान उच्च तापमान (3200 डिग्री सेल्सियस) पॉलीमाइड शीट 20 का उपयोग करके तैयार की गई माइक्रोन-मोटी ग्रेफाइट फिल्मों के लिए हाल ही में रिपोर्ट किए गए (7.25 × 10 सेमी-3) की तुलना में अधिक परिमाण के दो क्रम हैं।
हमने क्वार्ट्ज सब्सट्रेट्स (चित्रा 6) में स्थानांतरित एफएस-एनजीएफ पर यूवी-दृश्य संप्रेषण माप भी किया। परिणामी स्पेक्ट्रम 350-800 एनएम की सीमा में 62% का लगभग स्थिर संप्रेषण दर्शाता है, जो दर्शाता है कि एनजीएफ दृश्य प्रकाश के लिए पारभासी है। वास्तव में, "KAUST" नाम चित्र 6बी में नमूने के डिजिटल फोटोग्राफ में देखा जा सकता है। यद्यपि एनजीएफ की नैनोक्रिस्टलाइन संरचना एसएलजी से भिन्न है, प्रति अतिरिक्त परत 65 पर 2.3% संचरण हानि के नियम का उपयोग करके परतों की संख्या का अनुमान लगाया जा सकता है। इस संबंध के अनुसार, 38% संचरण हानि के साथ ग्राफीन परतों की संख्या 21 है। विकसित एनजीएफ में मुख्य रूप से 300 ग्राफीन परतें होती हैं, यानी लगभग 100 एनएम मोटी (छवि 1, एसआई 5 और एसआई 7)। इसलिए, हम मानते हैं कि देखी गई ऑप्टिकल पारदर्शिता एफएलजी और एमएलजी क्षेत्रों से मेल खाती है, क्योंकि वे पूरी फिल्म में वितरित हैं (चित्र 1, 3, 5 और 6सी)। उपरोक्त संरचनात्मक डेटा के अलावा, चालकता और पारदर्शिता भी हस्तांतरित एनजीएफ की उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता की पुष्टि करती है।
(ए) यूवी-दृश्य संप्रेषण माप, (बी) एक प्रतिनिधि नमूने का उपयोग करके क्वार्ट्ज पर विशिष्ट एनजीएफ स्थानांतरण। (सी) समान रूप से वितरित एफएलजी और एमएलजी क्षेत्रों के साथ एनजीएफ (डार्क बॉक्स) का योजनाबद्ध नमूना पूरे नमूने में ग्रे यादृच्छिक आकार के रूप में चिह्नित है (चित्र 1 देखें) (लगभग 0.1-3% क्षेत्र प्रति 100 माइक्रोमीटर 2)। आरेख में यादृच्छिक आकृतियाँ और उनके आकार केवल उदाहरणात्मक उद्देश्यों के लिए हैं और वास्तविक क्षेत्रों के अनुरूप नहीं हैं।
सीवीडी द्वारा विकसित पारभासी एनजीएफ को पहले नंगे सिलिकॉन सतहों पर स्थानांतरित किया गया है और सौर कोशिकाओं15,16 में उपयोग किया गया है। परिणामी बिजली रूपांतरण दक्षता (पीसीई) 1.5% है। ये एनजीएफ सक्रिय यौगिक परतें, चार्ज परिवहन पथ और पारदर्शी इलेक्ट्रोड जैसे कई कार्य करते हैं। हालाँकि, ग्रेफाइट फिल्म एक समान नहीं है। शीट प्रतिरोध और ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के ऑप्टिकल ट्रांसमिशन को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके आगे अनुकूलन आवश्यक है, क्योंकि ये दो गुण सौर सेल के पीसीई मूल्य निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। आमतौर पर, ग्राफीन फिल्में दृश्य प्रकाश के लिए 97.7% पारदर्शी होती हैं, लेकिन इनका शीट प्रतिरोध 200-3000 ओम/वर्ग16 होता है। ग्राफीन फिल्मों की सतह प्रतिरोध को परतों की संख्या में वृद्धि (ग्राफीन परतों के एकाधिक स्थानांतरण) और HNO3 (~30 ओम/वर्ग)66 के साथ डोपिंग द्वारा कम किया जा सकता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया में लंबा समय लगता है और विभिन्न स्थानांतरण परतें हमेशा अच्छा संपर्क बनाए नहीं रखती हैं। हमारे सामने वाले एनजीएफ में चालकता 2000 एस/सेमी, फिल्म शीट प्रतिरोध 50 ओम/वर्ग जैसे गुण हैं। और 62% पारदर्शिता, जो इसे सौर कोशिकाओं15,16 में प्रवाहकीय चैनलों या काउंटर इलेक्ट्रोड के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनाती है।
यद्यपि बीएस-एनजीएफ की संरचना और सतह रसायन विज्ञान एफएस-एनजीएफ के समान है, इसकी खुरदरापन अलग है ("एफएस- और बीएस-एनजीएफ की वृद्धि")। पहले, हम गैस सेंसर के रूप में अल्ट्रा-थिन फिल्म ग्रेफाइट22 का उपयोग करते थे। इसलिए, हमने गैस सेंसिंग कार्यों के लिए बीएस-एनजीएफ का उपयोग करने की व्यवहार्यता का परीक्षण किया (चित्र SI10)। सबसे पहले, बीएस-एनजीएफ के मिमी2 आकार के हिस्से को इंटरडिजिटिंग इलेक्ट्रोड सेंसर चिप (चित्रा एसआई10ए-सी) पर स्थानांतरित किया गया था। चिप के विनिर्माण विवरण पहले बताए गए थे; इसका सक्रिय संवेदनशील क्षेत्र 9 मिमी267 है। SEM छवियों (चित्रा SI10b और c) में, अंतर्निहित सोने का इलेक्ट्रोड एनजीएफ के माध्यम से स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। फिर, यह देखा जा सकता है कि सभी नमूनों के लिए एक समान चिप कवरेज हासिल किया गया था। विभिन्न गैसों के गैस सेंसर माप दर्ज किए गए (चित्र। SI10d) (चित्र। SI11) और परिणामी प्रतिक्रिया दरें अंजीर में दिखाई गई हैं। SI10g. संभवतः SO2 (200 पीपीएम), H2 (2%), CH4 (200 पीपीएम), CO2 (2%), H2S (200 पीपीएम) और NH3 (200 पीपीएम) सहित अन्य हस्तक्षेप करने वाली गैसों के साथ। एक संभावित कारण NO2 है। गैस की इलेक्ट्रोफिलिक प्रकृति22,68. जब ग्राफीन की सतह पर सोख लिया जाता है, तो यह सिस्टम द्वारा इलेक्ट्रॉनों के वर्तमान अवशोषण को कम कर देता है। पहले प्रकाशित सेंसर के साथ बीएस-एनजीएफ सेंसर के प्रतिक्रिया समय डेटा की तुलना तालिका SI2 में प्रस्तुत की गई है। उजागर नमूनों के यूवी प्लाज्मा, ओ3 प्लाज्मा या थर्मल (50-150 डिग्री सेल्सियस) उपचार का उपयोग करके एनजीएफ सेंसर को फिर से सक्रिय करने की व्यवस्था चल रही है, आदर्श रूप से एम्बेडेड सिस्टम69 के कार्यान्वयन के बाद।
सीवीडी प्रक्रिया के दौरान, उत्प्रेरक सब्सट्रेट41 के दोनों किनारों पर ग्राफीन की वृद्धि होती है। हालाँकि, बीएस-ग्राफीन को आमतौर पर स्थानांतरण प्रक्रिया41 के दौरान बाहर निकाल दिया जाता है। इस अध्ययन में, हम प्रदर्शित करते हैं कि उत्प्रेरक समर्थन के दोनों तरफ उच्च गुणवत्ता वाली एनजीएफ वृद्धि और पॉलिमर-मुक्त एनजीएफ स्थानांतरण प्राप्त किया जा सकता है। बीएस-एनजीएफ एफएस-एनजीएफ (~100 एनएम) की तुलना में पतला (~80 एनएम) है, और यह अंतर इस तथ्य से समझाया गया है कि बीएस-नी सीधे पूर्ववर्ती गैस प्रवाह के संपर्क में नहीं आता है। हमने यह भी पाया कि NiAR सब्सट्रेट का खुरदरापन NGF के खुरदरेपन को प्रभावित करता है। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि विकसित प्लेनर एफएस-एनजीएफ का उपयोग ग्राफीन के लिए एक अग्रदूत सामग्री के रूप में (एक्सफोलिएशन विधि 70 द्वारा) या सौर कोशिकाओं में एक प्रवाहकीय चैनल के रूप में किया जा सकता है। इसके विपरीत, बीएस-एनजीएफ का उपयोग गैस का पता लगाने के लिए किया जाएगा (चित्र एसआई9) और संभवतः ऊर्जा भंडारण प्रणालियों71,72 के लिए जहां इसकी सतह खुरदरापन उपयोगी होगी।
उपरोक्त को ध्यान में रखते हुए, वर्तमान कार्य को सीवीडी द्वारा विकसित और निकल फ़ॉइल का उपयोग करके पहले प्रकाशित ग्रेफाइट फिल्मों के साथ जोड़ना उपयोगी है। जैसा कि तालिका 2 में देखा जा सकता है, हमारे द्वारा उपयोग किए गए उच्च दबाव ने अपेक्षाकृत कम तापमान (850-1300 डिग्री सेल्सियस की सीमा में) पर भी प्रतिक्रिया समय (विकास चरण) को छोटा कर दिया। हमने सामान्य से अधिक वृद्धि भी हासिल की, जो विस्तार की संभावना का संकेत है। विचार करने के लिए अन्य कारक भी हैं, जिनमें से कुछ को हमने तालिका में शामिल किया है।
दो तरफा उच्च गुणवत्ता वाला एनजीएफ कैटेलिटिक सीवीडी द्वारा निकल फ़ॉइल पर उगाया गया था। पारंपरिक पॉलिमर सबस्ट्रेट्स (जैसे कि सीवीडी ग्राफीन में उपयोग किए जाने वाले) को हटाकर, हम विभिन्न प्रक्रिया-महत्वपूर्ण सबस्ट्रेट्स में एनजीएफ (निकल फ़ॉइल के पीछे और सामने की तरफ उगाए गए) के स्वच्छ और दोष-मुक्त गीले हस्तांतरण को प्राप्त करते हैं। विशेष रूप से, एनजीएफ में एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र (आमतौर पर 0.1% से 3% प्रति 100 µm2) शामिल होते हैं जो संरचनात्मक रूप से मोटी फिल्म में अच्छी तरह से एकीकृत होते हैं। प्लेनर टीईएम से पता चलता है कि ये क्षेत्र दो से तीन ग्रेफाइट/ग्राफीन कणों (क्रमशः क्रिस्टल या परतें) के ढेर से बने होते हैं, जिनमें से कुछ में 10-20 डिग्री का घूर्णी बेमेल होता है। एफएलजी और एमएलजी क्षेत्र दृश्य प्रकाश के प्रति एफएस-एनजीएफ की पारदर्शिता के लिए जिम्मेदार हैं। जहां तक ​​पिछली शीटों की बात है, उन्हें आगे की शीटों के समानांतर ले जाया जा सकता है और, जैसा कि दिखाया गया है, उनका एक कार्यात्मक उद्देश्य हो सकता है (उदाहरण के लिए, गैस का पता लगाने के लिए)। ये अध्ययन औद्योगिक पैमाने की सीवीडी प्रक्रियाओं में अपशिष्ट और लागत को कम करने के लिए बहुत उपयोगी हैं।
सामान्य तौर पर, सीवीडी एनजीएफ की औसत मोटाई (निम्न- और बहु-परत) ग्राफीन और औद्योगिक (माइक्रोमीटर) ग्रेफाइट शीट के बीच होती है। उनके दिलचस्प गुणों की श्रृंखला, उनके उत्पादन और परिवहन के लिए हमारे द्वारा विकसित की गई सरल विधि के साथ मिलकर, इन फिल्मों को वर्तमान में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा-गहन औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियाओं के खर्च के बिना, ग्रेफाइट की कार्यात्मक प्रतिक्रिया की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है।
एक वाणिज्यिक सीवीडी रिएक्टर (ऐक्सट्रॉन 4-इंच बीएमप्रो) में 25-μm मोटी निकल फ़ॉइल (99.5% शुद्धता, गुडफ़ेलो) स्थापित की गई थी। सिस्टम को आर्गन से शुद्ध किया गया और 10-3 एमबार के बेस दबाव तक खाली कर दिया गया। फिर निकेल फ़ॉइल लगाई गई. Ar/H2 में (5 मिनट के लिए Ni फ़ॉइल को प्री-एनीलिंग करने के बाद, फ़ॉइल को 900 °C पर 500 mbar के दबाव के संपर्क में लाया गया। NGF को 5 मिनट के लिए CH4/H2 (प्रत्येक 100 सेमी3) के प्रवाह में जमा किया गया। फिर नमूने को 40 डिग्री सेल्सियस/मिनट पर अर प्रवाह (4000 सेमी3) का उपयोग करके 700 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर ठंडा किया गया। एनजीएफ विकास प्रक्रिया के अनुकूलन पर विवरण अन्यत्र वर्णित है।
नमूने की सतह आकृति विज्ञान को ज़ीस मर्लिन माइक्रोस्कोप (1 केवी, 50 पीए) का उपयोग करके एसईएम द्वारा देखा गया था। नमूना सतह खुरदरापन और एनजीएफ मोटाई को एएफएम (डायमेंशन आइकन एसपीएम, ब्रुकर) का उपयोग करके मापा गया था। अंतिम परिणाम प्राप्त करने के लिए एक उच्च चमक क्षेत्र उत्सर्जन गन (300 केवी), एक एफईआई वियन प्रकार मोनोक्रोमेटर और एक सीईओएस लेंस गोलाकार विपथन सुधारक से लैस एफईआई टाइटन 80-300 क्यूबेड माइक्रोस्कोप का उपयोग करके टीईएम और एसएईडी माप किए गए थे। स्थानिक विभेदन 0.09 एनएम. फ्लैट टीईएम इमेजिंग और एसएईडी संरचना विश्लेषण के लिए एनजीएफ नमूनों को कार्बन लेसी लेपित कॉपर ग्रिड में स्थानांतरित किया गया था। इस प्रकार, अधिकांश नमूना फ्लॉक्स सहायक झिल्ली के छिद्रों में निलंबित होते हैं। स्थानांतरित एनजीएफ नमूनों का विश्लेषण एक्सआरडी द्वारा किया गया। एक्स-रे विवर्तन पैटर्न 3 मिमी के बीम स्पॉट व्यास के साथ एक Cu विकिरण स्रोत का उपयोग करके पाउडर डिफ्रेक्टोमीटर (ब्रूकर, Cu Kα स्रोत के साथ D2 चरण शिफ्टर, 1.5418 Å और LYNXEYE डिटेक्टर) का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे।
एक एकीकृत कन्फोकल माइक्रोस्कोप (अल्फा 300 आरए, डब्ल्यूआईटीईसी) का उपयोग करके कई रमन बिंदु माप दर्ज किए गए थे। थर्मल प्रेरित प्रभावों से बचने के लिए कम उत्तेजना शक्ति (25%) के साथ 532 एनएम लेजर का उपयोग किया गया था। एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) क्रेटोस एक्सिस अल्ट्रा स्पेक्ट्रोमीटर पर 300 × 700 μm2 के एक नमूना क्षेत्र पर 150 डब्ल्यू की शक्ति पर मोनोक्रोमैटिक अल Kα विकिरण (hν = 1486.6 eV) का उपयोग करके किया गया था। रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा प्राप्त किए गए थे क्रमशः 160 eV और 20 eV की संचरण ऊर्जा। SiO2 पर स्थानांतरित किए गए NGF नमूनों को 30 W पर PLS6MW (1.06 μm) येटरबियम फाइबर लेजर का उपयोग करके टुकड़ों (3 × 10 मिमी 2 प्रत्येक) में काटा गया था। तांबे के तार संपर्क (50 μm मोटे) एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत चांदी के पेस्ट का उपयोग करके बनाए गए थे। भौतिक गुण माप प्रणाली (पीपीएमएस एवरकूल-II, क्वांटम डिजाइन, यूएसए) में 300 K और ± 9 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता पर इन नमूनों पर विद्युत परिवहन और हॉल प्रभाव प्रयोग किए गए। प्रेषित यूवी-विज़ स्पेक्ट्रा को क्वार्ट्ज सब्सट्रेट्स और क्वार्ट्ज संदर्भ नमूनों में स्थानांतरित 350-800 एनएम एनजीएफ रेंज में लैम्ब्डा 950 यूवी-विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था।
रासायनिक प्रतिरोध सेंसर (इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड चिप) को एक कस्टम मुद्रित सर्किट बोर्ड 73 से जोड़ा गया था और प्रतिरोध को क्षणिक रूप से निकाला गया था। मुद्रित सर्किट बोर्ड जिस पर डिवाइस स्थित है, संपर्क टर्मिनलों से जुड़ा हुआ है और गैस सेंसिंग चैंबर 74 के अंदर रखा गया है। प्रतिरोध माप 1 वी के वोल्टेज पर लिया गया था, जिसमें पर्ज से गैस एक्सपोजर तक निरंतर स्कैन और फिर फिर से पर्ज किया गया था। नमी सहित कक्ष में मौजूद अन्य सभी एनालिटिक्स को हटाने को सुनिश्चित करने के लिए कक्ष को शुरू में 1 घंटे के लिए 200 सेमी 3 नाइट्रोजन के साथ शुद्ध करके साफ किया गया था। फिर एन2 सिलेंडर को बंद करके अलग-अलग एनालिटिक्स को 200 सेमी3 की समान प्रवाह दर पर धीरे-धीरे चैम्बर में छोड़ा गया।
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