ની પર અર્ધપારદર્શક ગ્રેફાઇટ ફિલ્મ ઉગાડવી અને તેના દ્વિ-માર્ગી પોલિમર-ફ્રી ટ્રાન્સફર

Nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર. તમે ઉપયોગ કરી રહ્યાં છો તે બ્રાઉઝરનાં વર્ઝનમાં મર્યાદિત CSS સપોર્ટ છે. શ્રેષ્ઠ પરિણામો માટે, અમે ભલામણ કરીએ છીએ કે તમે તમારા બ્રાઉઝરના નવા સંસ્કરણનો ઉપયોગ કરો (અથવા Internet Explorer માં સુસંગતતા મોડને અક્ષમ કરો). આ દરમિયાન, ચાલુ સમર્થનની ખાતરી કરવા માટે, અમે સ્ટાઇલ અથવા JavaScript વિના સાઇટ પ્રદર્શિત કરી રહ્યા છીએ.
નેનોસ્કેલ ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો (એનજીએફ) એ મજબૂત નેનોમટેરિયલ્સ છે જે ઉત્પ્રેરક રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન દ્વારા ઉત્પન્ન કરી શકાય છે, પરંતુ તેમના સ્થાનાંતરણની સરળતા અને આગામી પેઢીના ઉપકરણોમાં તેમના ઉપયોગને કેવી રીતે સપાટીની આકારવિજ્ઞાન અસર કરે છે તે અંગે પ્રશ્નો રહે છે. અહીં અમે પોલીક્રિસ્ટલાઈન નિકલ ફોઈલ (વિસ્તાર 55 સેમી 2, જાડાઈ લગભગ 100 એનએમ) અને તેના પોલિમર-ફ્રી ટ્રાન્સફર (આગળ અને પાછળ, 6 સેમી 2 સુધીનો વિસ્તાર) ની બંને બાજુએ એનજીએફની વૃદ્ધિની જાણ કરીએ છીએ. ઉત્પ્રેરક વરખના આકારશાસ્ત્રને લીધે, બે કાર્બન ફિલ્મો તેમના ભૌતિક ગુણધર્મો અને અન્ય લાક્ષણિકતાઓ (જેમ કે સપાટીની ખરબચડી) માં અલગ પડે છે. અમે દર્શાવીએ છીએ કે રફ બેકસાઇડવાળા NGF NO2 શોધ માટે યોગ્ય છે, જ્યારે આગળની બાજુએ સરળ અને વધુ વાહક NGF (2000 S/cm, શીટ રેઝિસ્ટન્સ - 50 ohms/m2) સક્ષમ વાહક હોઈ શકે છે. સૌર કોષની ચેનલ અથવા ઇલેક્ટ્રોડ (કારણ કે તે દૃશ્યમાન પ્રકાશના 62% પ્રસારિત કરે છે). એકંદરે, વર્ણવેલ વૃદ્ધિ અને પરિવહન પ્રક્રિયાઓ NGF ને તકનીકી એપ્લિકેશનો માટે વૈકલ્પિક કાર્બન સામગ્રી તરીકે સમજવામાં મદદ કરી શકે છે જ્યાં ગ્રેફિન અને માઇક્રોન-જાડી ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો યોગ્ય નથી.
ગ્રેફાઇટ એ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી ઔદ્યોગિક સામગ્રી છે. નોંધનીય રીતે, ગ્રેફાઇટમાં પ્રમાણમાં ઓછી સામૂહિક ઘનતા અને ઉચ્ચ વિમાનમાં થર્મલ અને વિદ્યુત વાહકતાના ગુણધર્મો છે, અને કઠોર થર્મલ અને રાસાયણિક વાતાવરણમાં તે ખૂબ જ સ્થિર છે1,2. ફ્લેક ગ્રેફાઇટ એ ગ્રાફીન સંશોધન3 માટે જાણીતી પ્રારંભિક સામગ્રી છે. જ્યારે પાતળી ફિલ્મોમાં પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેનો ઉપયોગ એપ્લિકેશનની વિશાળ શ્રેણીમાં થઈ શકે છે, જેમાં સ્માર્ટફોન 4,5,6,7 જેવા ઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો માટે હીટ સિંકનો સમાવેશ થાય છે, સેન્સર્સ 8,9,10 માં સક્રિય સામગ્રી તરીકે અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક હસ્તક્ષેપ સુરક્ષા11 માટે. 12 અને આત્યંતિક અલ્ટ્રાવાયોલેટ 13,14 માં લિથોગ્રાફી માટે ફિલ્મો, સૌર કોષોમાં ચેનલોનું સંચાલન 15,16. આ તમામ એપ્લિકેશનો માટે, જો નેનોસ્કેલ <100 nm માં નિયંત્રિત જાડાઈ સાથે ગ્રેફાઈટ ફિલ્મો (NGFs) ના મોટા વિસ્તારો સરળતાથી ઉત્પન્ન અને પરિવહન કરી શકાય તો તે એક નોંધપાત્ર ફાયદો હશે.
ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો વિવિધ પદ્ધતિઓ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે. એક કિસ્સામાં, એક્સ્ફોલિયેશન દ્વારા એમ્બેડિંગ અને વિસ્તરણનો ઉપયોગ ગ્રેફિન ફ્લેક્સ 10,11,17 બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. ફ્લેક્સને જરૂરી જાડાઈની ફિલ્મોમાં આગળ પ્રક્રિયા કરવી જોઈએ, અને ઘણી વખત ગાઢ ગ્રેફાઈટ શીટ્સ બનાવવામાં ઘણા દિવસો લાગે છે. બીજો અભિગમ એ છે કે ગ્રાફિટેબલ નક્કર પુરોગામી સાથે પ્રારંભ કરવો. ઉદ્યોગમાં, પોલિમરની શીટ્સ કાર્બોનાઇઝ્ડ (1000–1500 °C પર) અને પછી સારી-સંરચિત સ્તરવાળી સામગ્રી બનાવવા માટે (2800-3200 °C પર) ગ્રાફાઇટાઇઝ્ડ થાય છે. આ ફિલ્મોની ગુણવત્તા ઊંચી હોવા છતાં, ઉર્જાનો વપરાશ નોંધપાત્ર છે 1,18,19 અને લઘુત્તમ જાડાઈ થોડા માઇક્રોન્સ 1,18,19,20 સુધી મર્યાદિત છે.
ઉત્પ્રેરક રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (CVD) એ ઉચ્ચ માળખાકીય ગુણવત્તા અને વાજબી કિંમત21,22,23,24,25,26,27 સાથે ગ્રાફીન અને અલ્ટ્રાથિન ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો (<10 nm) બનાવવા માટે જાણીતી પદ્ધતિ છે. જો કે, ગ્રાફીન અને અલ્ટ્રાથિન ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોની વૃદ્ધિ સાથે સરખામણી કરીએ તો, CVD નો ઉપયોગ કરીને મોટા વિસ્તારની વૃદ્ધિ અને/અથવા NGF ની એપ્લિકેશન પણ ઓછી શોધાયેલ છે11,13,29,30,31,32,33.
CVD-ઉગાડવામાં આવેલ ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોને ઘણીવાર કાર્યાત્મક સબસ્ટ્રેટ પર સ્થાનાંતરિત કરવાની જરૂર પડે છે34. આ પાતળી ફિલ્મ ટ્રાન્સફરમાં બે મુખ્ય પદ્ધતિઓનો સમાવેશ થાય છે35: (1) નોન-ઇચ ટ્રાન્સફર36,37 અને (2) ઇચ-આધારિત વેટ કેમિકલ ટ્રાન્સફર (સબસ્ટ્રેટ સપોર્ટેડ)14,34,38. દરેક પદ્ધતિમાં કેટલાક ફાયદા અને ગેરફાયદા હોય છે અને અન્યત્ર 35,39 વર્ણવ્યા મુજબ, ઇચ્છિત એપ્લિકેશનના આધારે પસંદ કરવી આવશ્યક છે. ઉત્પ્રેરક સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવતી ગ્રાફીન/ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો માટે, ભીની રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ દ્વારા ટ્રાન્સફર (જેમાંથી પોલિમિથાઈલ મેથાક્રાયલેટ (PMMA) સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતું સપોર્ટ લેયર છે) એ પ્રથમ પસંદગી 13,30,34,38,40,41,42 રહે છે. તમે એટ અલ. એવો ઉલ્લેખ કરવામાં આવ્યો હતો કે એનજીએફ ટ્રાન્સફર માટે કોઈ પોલિમરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો ન હતો (નમૂનાનું કદ આશરે 4 સેમી 2) 25,43, પરંતુ ટ્રાન્સફર દરમિયાન નમૂનાની સ્થિરતા અને/અથવા હેન્ડલિંગ અંગે કોઈ વિગતો આપવામાં આવી નથી; પોલિમરનો ઉપયોગ કરીને વેટ કેમિસ્ટ્રી પ્રક્રિયાઓમાં ઘણા પગલાઓનો સમાવેશ થાય છે, જેમાં અરજી અને ત્યારબાદ બલિદાન પોલિમર સ્તર 30,38,40,41,42 ને દૂર કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયામાં ગેરફાયદા છે: ઉદાહરણ તરીકે, પોલિમર અવશેષો ઉગાડવામાં આવેલી ફિલ્મ 38 ના ગુણધર્મોને બદલી શકે છે. વધારાની પ્રક્રિયા શેષ પોલિમરને દૂર કરી શકે છે, પરંતુ આ વધારાના પગલાઓથી ફિલ્મ નિર્માણની કિંમત અને સમય 38,40 વધે છે. CVD વૃદ્ધિ દરમિયાન, ગ્રાફીનનો એક સ્તર ઉત્પ્રેરક વરખની આગળની બાજુએ જ નહીં, પણ તેની પાછળની બાજુએ પણ જમા થાય છે. જો કે, બાદમાં એક કચરો ઉત્પાદન માનવામાં આવે છે અને સોફ્ટ પ્લાઝ્મા 38,41 દ્વારા ઝડપથી દૂર કરી શકાય છે. આ ફિલ્મને રિસાયક્લિંગ કરવાથી મહત્તમ ઉપજ મેળવવામાં મદદ મળી શકે છે, પછી ભલે તે ફેસ કાર્બન ફિલ્મ કરતાં ઓછી ગુણવત્તાની હોય.
અહીં, અમે CVD દ્વારા પોલીક્રિસ્ટલાઇન નિકલ ફોઇલ પર ઉચ્ચ માળખાકીય ગુણવત્તા સાથે NGF ના વેફર-સ્કેલ બાયફેસિયલ વૃદ્ધિની તૈયારીની જાણ કરીએ છીએ. વરખની આગળ અને પાછળની સપાટીની ખરબચડી કેવી રીતે NGF ના મોર્ફોલોજી અને બંધારણને અસર કરે છે તેનું મૂલ્યાંકન કરવામાં આવ્યું હતું. અમે નિકલ ફોઇલની બંને બાજુથી મલ્ટિફંક્શનલ સબસ્ટ્રેટ્સ પર NGF ના ખર્ચ-અસરકારક અને પર્યાવરણને અનુકૂળ પોલિમર-ફ્રી ટ્રાન્સફર પણ દર્શાવીએ છીએ અને બતાવીએ છીએ કે આગળ અને પાછળની ફિલ્મો વિવિધ એપ્લિકેશનો માટે કેવી રીતે યોગ્ય છે.
નીચેના વિભાગો સ્ટેક કરેલા ગ્રાફીન સ્તરોની સંખ્યાના આધારે વિવિધ ગ્રેફાઇટ ફિલ્મની જાડાઈની ચર્ચા કરે છે: (i) સિંગલ લેયર ગ્રાફીન (SLG, 1 લેયર), (ii) થોડા લેયર ગ્રાફીન (FLG, < 10 લેયર), (iii) મલ્ટિલેયર ગ્રાફીન ( MLG, 10-30 સ્તરો) અને (iv) NGF (~300 સ્તરો). બાદમાં વિસ્તારની ટકાવારી (100 µm2 દીઠ આશરે 97% વિસ્તાર) 30 તરીકે દર્શાવવામાં આવતી સૌથી સામાન્ય જાડાઈ છે. તેથી જ આખી ફિલ્મને ફક્ત એનજીએફ કહેવામાં આવે છે.
ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોના સંશ્લેષણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પોલીક્રિસ્ટલાઇન નિકલ ફોઇલ્સ તેમના ઉત્પાદન અને અનુગામી પ્રક્રિયાના પરિણામે અલગ અલગ ટેક્સચર ધરાવે છે. અમે તાજેતરમાં NGF30 ની વૃદ્ધિ પ્રક્રિયાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટેના અભ્યાસની જાણ કરી છે. અમે બતાવીએ છીએ કે વૃદ્ધિના તબક્કા દરમિયાન એનિલિંગ ટાઈમ અને ચેમ્બર પ્રેશર જેવા પ્રોસેસ પેરામીટર એકસમાન જાડાઈના NGF મેળવવામાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે. અહીં, અમે નિકલ ફોઇલ (ફિગ. 1a) ની પોલિશ્ડ ફ્રન્ટ (FS) અને અનપોલિશ્ડ બેક (BS) સપાટી પર NGF ની વૃદ્ધિની વધુ તપાસ કરી. FS અને BS ના ત્રણ પ્રકારના નમૂનાઓની તપાસ કરવામાં આવી હતી, જે કોષ્ટક 1 માં સૂચિબદ્ધ છે. દ્રશ્ય નિરીક્ષણ પર, નિકલ ફોઇલ (NiAG) ની બંને બાજુએ NGF ની સમાન વૃદ્ધિ લાક્ષણિક ધાતુ ચાંદીમાંથી બલ્ક ની સબસ્ટ્રેટના રંગ પરિવર્તન દ્વારા જોઈ શકાય છે. ગ્રેથી મેટ ગ્રે રંગ (ફિગ. 1a); માઇક્રોસ્કોપિક માપની પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી (ફિગ. 1b, c). FS-NGF નો લાક્ષણિક રમન સ્પેક્ટ્રમ તેજસ્વી પ્રદેશમાં જોવા મળે છે અને આકૃતિ 1b માં લાલ, વાદળી અને નારંગી તીરો દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે તે આકૃતિ 1c માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. ગ્રેફાઇટ G (1683 cm−1) અને 2D (2696 cm−1) ના લાક્ષણિક રામન શિખરો અત્યંત સ્ફટિકીય NGF (ફિગ. 1c, કોષ્ટક SI1) ની વૃદ્ધિની પુષ્ટિ કરે છે. સમગ્ર ફિલ્મ દરમિયાન, ઇન્ટેન્સિટી રેશિયો (I2D/IG) ~0.3 સાથે રમન સ્પેક્ટ્રાનું વર્ચસ્વ જોવા મળ્યું હતું, જ્યારે I2D/IG = 0.8 સાથે રમન સ્પેક્ટ્રા ભાગ્યે જ જોવા મળ્યું હતું. સમગ્ર ફિલ્મમાં ખામીયુક્ત શિખરો (D = 1350 cm-1) ની ગેરહાજરી NGF વૃદ્ધિની ઉચ્ચ ગુણવત્તા સૂચવે છે. સમાન રમન પરિણામો BS-NGF નમૂના (આકૃતિ SI1 a અને b, કોષ્ટક SI1) પર પ્રાપ્ત થયા હતા.
NiAG FS- અને BS-NGF ની સરખામણી: (a) વેફર સ્કેલ (55 cm2) પર NGF વૃદ્ધિ દર્શાવતા લાક્ષણિક NGF (NiAG) નમૂનાનો ફોટોગ્રાફ અને પરિણામી BS- અને FS-Ni ફોઇલ નમૂનાઓ, (b) FS-NGF ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપ દ્વારા મેળવેલી ઈમેજીસ/ ની, (c) પેનલ b માં અલગ-અલગ પોઝીશન પર રેકોર્ડ કરેલ લાક્ષણિક રમન સ્પેક્ટ્રા, (d, f) FS-NGF/Ni પર અલગ-અલગ મેગ્નિફિકેશન પર SEM ઈમેજો, (e, g) SEM ઈમેજીસ વિવિધ મેગ્નિફિકેશન પર BS -NGF/Ni સેટ કરે છે. વાદળી તીર FLG પ્રદેશ સૂચવે છે, નારંગી તીર MLG પ્રદેશ (FLG પ્રદેશની નજીક), લાલ તીર NGF પ્રદેશ સૂચવે છે, અને કિરમજી તીર ફોલ્ડ સૂચવે છે.
વૃદ્ધિ પ્રારંભિક સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ, સ્ફટિકનું કદ, દિશા અને અનાજની સીમાઓ પર આધારિત હોવાથી, મોટા વિસ્તારો પર NGF જાડાઈનું વ્યાજબી નિયંત્રણ હાંસલ કરવું એ એક પડકાર છે20,34,44. આ અભ્યાસમાં અમે અગાઉ પ્રકાશિત 30 સામગ્રીનો ઉપયોગ કર્યો છે. આ પ્રક્રિયા 0.1 થી 3% પ્રતિ 100 µm230 ના તેજસ્વી પ્રદેશનું નિર્માણ કરે છે. નીચેના વિભાગોમાં, અમે બંને પ્રકારના પ્રદેશો માટે પરિણામો રજૂ કરીએ છીએ. ઉચ્ચ વિસ્તરણ SEM છબીઓ બંને બાજુઓ પર ઘણા તેજસ્વી વિપરીત વિસ્તારોની હાજરી દર્શાવે છે (ફિગ. 1f,g), જે FLG અને MLG પ્રદેશોની હાજરી સૂચવે છે 30,45. રામન સ્કેટરિંગ (ફિગ. 1c) અને TEM પરિણામો ("FS-NGF: માળખું અને ગુણધર્મો" વિભાગમાં પાછળથી ચર્ચા કરવામાં આવી) દ્વારા પણ આની પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી. FS- અને BS-NGF/Ni નમૂનાઓ પર અવલોકન કરાયેલ FLG અને MLG પ્રદેશો (Ni પર ઉગાડવામાં આવતા આગળ અને પાછળના NGF) 22,30,45 પૂર્વેની એનિલિંગ દરમિયાન રચાયેલા મોટા Ni(111) અનાજ પર ઉગાડવામાં આવી શકે છે. બંને બાજુ ફોલ્ડિંગ જોવા મળ્યું હતું (ફિગ. 1b, જાંબલી તીરોથી ચિહ્નિત). ગ્રેફાઇટ અને નિકલ સબસ્ટ્રેટ 30,38 વચ્ચે થર્મલ વિસ્તરણના ગુણાંકમાં મોટા તફાવતને કારણે આ ફોલ્ડ્સ ઘણીવાર CVD-ઉગાડવામાં આવેલા ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોમાં જોવા મળે છે.
AFM ઇમેજ પુષ્ટિ કરે છે કે FS-NGF સેમ્પલ BS-NGF સેમ્પલ (આકૃતિ SI1) (આકૃતિ SI2) કરતાં ચપટી છે. FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) અને BS-NGF/Ni (ફિગ. SI2d) ના મૂળ સરેરાશ ચોરસ (RMS) રફનેસ મૂલ્યો અનુક્રમે 82 અને 200 nm છે (20 × વિસ્તાર પર માપવામાં આવે છે. 20 μm2). પ્રાપ્ત થયેલી સ્થિતિ (આકૃતિ SI3) માં નિકલ (NiAR) ફોઇલની સપાટીના વિશ્લેષણના આધારે ઉચ્ચ કઠોરતાને સમજી શકાય છે. FS અને BS-NiAR ની SEM ઇમેજ SI3a–d માં દર્શાવવામાં આવી છે, જે સપાટીના વિવિધ સ્વરૂપો દર્શાવે છે: પોલિશ્ડ FS-Ni ફોઇલમાં નેનો- અને માઇક્રોન-કદના ગોળાકાર કણો હોય છે, જ્યારે અનપોલિશ્ડ BS-Ni ફોઇલ ઉત્પાદનની સીડી દર્શાવે છે. ઉચ્ચ શક્તિવાળા કણો તરીકે. અને ઘટાડો. એનિલેડ નિકલ ફોઇલ (NiA) ની ઓછી અને ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન છબીઓ આકૃતિ SI3e–h માં બતાવવામાં આવી છે. આ આંકડાઓમાં, આપણે નિકલ ફોઇલ (ફિગ. SI3e–h) ની બંને બાજુએ ઘણા માઇક્રોન-કદના નિકલ કણોની હાજરીનું અવલોકન કરી શકીએ છીએ. મોટા અનાજમાં ની(111) સપાટીની દિશા હોઈ શકે છે, જેમ કે અગાઉ અહેવાલ 30,46. FS-NiA અને BS-NiA વચ્ચે નિકલ ફોઇલ મોર્ફોલોજીમાં નોંધપાત્ર તફાવત છે. BS-NGF/Ni ની ઊંચી ખરબચડી BS-NiAR ની બિનપોલિશ્ડ સપાટીને કારણે છે, જેની સપાટી એનિલિંગ પછી પણ નોંધપાત્ર રીતે રફ રહે છે (આકૃતિ SI3). વૃદ્ધિની પ્રક્રિયા પહેલા આ પ્રકારની સપાટીની લાક્ષણિકતા ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોની ખરબચડીને નિયંત્રિત કરવાની મંજૂરી આપે છે. એ નોંધવું જોઈએ કે મૂળ સબસ્ટ્રેટમાં ગ્રેફિનની વૃદ્ધિ દરમિયાન કેટલાક અનાજની પુનઃરચના કરવામાં આવી હતી, જેનાથી અનાજના કદમાં થોડો ઘટાડો થયો હતો અને એનિલેડ ફોઇલ અને ઉત્પ્રેરક ફિલ્મ22ની તુલનામાં સબસ્ટ્રેટની સપાટીની ખરબચડીમાં કંઈક અંશે વધારો થયો હતો.
સબસ્ટ્રેટની સપાટીની રફનેસ, એનિલિંગ ટાઈમ (ગ્રેઈન સાઈઝ)30,47 અને રીલીઝ કંટ્રોલ43ને ફાઈન-ટ્યુનિંગ કરવાથી પ્રાદેશિક NGF જાડાઈ એકરૂપતાને µm2 અને/અથવા તો nm2 સ્કેલ (એટલે ​​​​કે, થોડા નેનોમીટરની જાડાઈની ભિન્નતા) ઘટાડવામાં મદદ મળશે. સબસ્ટ્રેટની સપાટીની ખરબચડીને નિયંત્રિત કરવા માટે, પરિણામી નિકલ ફોઇલના ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક પોલિશિંગ જેવી પદ્ધતિઓને 48 ગણી શકાય. પછી પ્રીટ્રીટેડ નિકલ ફોઇલને નીચા તાપમાને (< 900 °C) 46 અને સમય (< 5 મિનિટ) પર મોટા ની(111) અનાજ (જે FLG વૃદ્ધિ માટે ફાયદાકારક છે) ની રચનાને ટાળી શકાય છે.
SLG અને FLG ગ્રાફીન એસિડ અને પાણીના સપાટીના તાણનો સામનો કરવામાં અસમર્થ છે, જેના કારણે ભીની રાસાયણિક ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયાઓ 22,34,38 દરમિયાન યાંત્રિક આધાર સ્તરોની જરૂર પડે છે. પોલિમર-સપોર્ટેડ સિંગલ-લેયર graphene38 ના ભીના રાસાયણિક ટ્રાન્સફરથી વિપરીત, અમે જોયું કે આકૃતિ 2a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઉગાડવામાં આવેલી NGF ની બંને બાજુઓ પોલિમર સપોર્ટ વિના ટ્રાન્સફર કરી શકાય છે (વધુ વિગતો માટે આકૃતિ SI4a જુઓ). આપેલ સબસ્ટ્રેટમાં NGF નું સ્થાનાંતરણ અંતર્ગત Ni30.49 ફિલ્મની ભીની કોતરણીથી શરૂ થાય છે. ઉગાડવામાં આવેલા NGF/Ni/NGF નમૂનાઓ 70% HNO3 ના 15 mL માં 600 mL ડીયોનાઇઝ્ડ (DI) પાણીથી ભળે છે. Ni વરખ સંપૂર્ણપણે ઓગળી જાય પછી, FS-NGF ફ્લેટ રહે છે અને NGF/Ni/NGF નમૂનાની જેમ જ પ્રવાહીની સપાટી પર તરે છે, જ્યારે BS-NGF પાણીમાં ડૂબી જાય છે (ફિગ. 2a,b). પછી અલગ NGF ને તાજા ડીયોનાઇઝ્ડ પાણી ધરાવતી એક બીકરમાંથી બીજા બીકરમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યું હતું અને અલગ NGFને સારી રીતે ધોવામાં આવ્યું હતું, અંતર્મુખ કાચની વાનગી દ્વારા ચારથી છ વખત પુનરાવર્તન કરવામાં આવ્યું હતું. છેલ્લે, FS-NGF અને BS-NGF ઇચ્છિત સબસ્ટ્રેટ (ફિગ. 2c) પર મૂકવામાં આવ્યા હતા.
નિકલ ફોઇલ પર ઉગાડવામાં આવતા NGF માટે પોલિમર-ફ્રી વેટ કેમિકલ ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયા: (a) પ્રોસેસ ફ્લો ડાયાગ્રામ (વધુ વિગતો માટે આકૃતિ SI4 જુઓ), (b) ની એચિંગ પછી અલગ પડેલા NGFનો ડિજિટલ ફોટોગ્રાફ (2 નમૂના), (c) ઉદાહરણ FS – અને BS-NGF SiO2/Si સબસ્ટ્રેટમાં ટ્રાન્સફર, (d) FS-NGF અપારદર્શક પોલિમર સબસ્ટ્રેટમાં ટ્રાન્સફર, (e) BS-NGF પેનલ ડી (બે ભાગમાં વિભાજિત) સમાન નમૂનામાંથી ગોલ્ડ પ્લેટેડ C પેપરમાં ટ્રાન્સફર અને Nafion (લવચીક પારદર્શક સબસ્ટ્રેટ, લાલ ખૂણાઓ સાથે ચિહ્નિત ધાર).
નોંધ કરો કે ભીના રાસાયણિક સ્થાનાંતરણ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવતા SLG ટ્રાન્સફર માટે કુલ 20-24 કલાકનો પ્રોસેસિંગ સમય જરૂરી છે 38. પોલિમર-ફ્રી ટ્રાન્સફર ટેકનિક અહીં દર્શાવવામાં આવી છે (આકૃતિ SI4a), એકંદરે NGF ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયા સમય નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે (આશરે 15 કલાક). પ્રક્રિયામાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: (પગલું 1) એક એચિંગ સોલ્યુશન તૈયાર કરો અને તેમાં સેમ્પલ મૂકો (~10 મિનિટ), પછી ની એચિંગ માટે રાતભર રાહ જુઓ (~7200 મિનિટ), (સ્ટેપ 2) ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીથી કોગળા કરો (પગલું – 3) . ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં સંગ્રહ કરો અથવા લક્ષ્ય સબસ્ટ્રેટમાં સ્થાનાંતરિત કરો (20 મિનિટ). NGF અને બલ્ક મેટ્રિક્સ વચ્ચે ફસાયેલા પાણીને કેશિલરી એક્શન (બ્લોટિંગ પેપરનો ઉપયોગ કરીને) 38 દ્વારા દૂર કરવામાં આવે છે, ત્યારબાદ બાકીના પાણીના ટીપાં કુદરતી સૂકવણી દ્વારા દૂર કરવામાં આવે છે (અંદાજે 30 મિનિટ), અને અંતે નમૂનાને 10 મિનિટ સુધી સૂકવવામાં આવે છે. વેક્યૂમ ઓવન (10-1 mbar) માં 50-90 °C (60 મિનિટ) 38 પર મિનિટ.
ગ્રેફાઇટ એકદમ ઊંચા તાપમાને (≥ 200 °C) 50,51,52 પર પાણી અને હવાની હાજરીનો સામનો કરવા માટે જાણીતું છે. અમે ઓરડાના તાપમાને ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં સંગ્રહ કર્યા પછી રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, SEM અને XRD નો ઉપયોગ કરીને નમૂનાઓનું પરીક્ષણ કર્યું અને થોડા દિવસોથી એક વર્ષ સુધી ગમે ત્યાં સુધી સીલબંધ બોટલોમાં (આકૃતિ SI4). ત્યાં કોઈ નોંધપાત્ર અધોગતિ નથી. આકૃતિ 2c ડિયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં ફ્રી-સ્ટેન્ડિંગ FS-NGF અને BS-NGF દર્શાવે છે. અમે તેમને SiO2 (300 nm)/Si સબસ્ટ્રેટ પર કેપ્ચર કર્યા, જેમ કે આકૃતિ 2c ની શરૂઆતમાં બતાવેલ છે. વધુમાં, આકૃતિ 2d,e માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સતત NGF વિવિધ સબસ્ટ્રેટમાં ટ્રાન્સફર કરી શકાય છે જેમ કે પોલિમર (નેક્સોલ્વ અને નાફિઓનમાંથી થર્માબ્રાઇટ પોલિમાઇડ) અને ગોલ્ડ-કોટેડ કાર્બન પેપર. ફ્લોટિંગ FS-NGF સરળતાથી લક્ષ્ય સબસ્ટ્રેટ પર મૂકવામાં આવ્યું હતું (ફિગ. 2c, d). જો કે, 3 cm2 કરતા મોટા BS-NGF સેમ્પલો જ્યારે પાણીમાં સંપૂર્ણપણે ડૂબી જાય ત્યારે તેને સંભાળવું મુશ્કેલ હતું. સામાન્ય રીતે, જ્યારે તેઓ પાણીમાં રોલ કરવાનું શરૂ કરે છે, ત્યારે બેદરકાર સંભાળને કારણે તેઓ ક્યારેક બે અથવા ત્રણ ભાગોમાં તૂટી જાય છે (ફિગ. 2e). એકંદરે, અમે PS- અને BS-NGF (6 cm2 પર NGF/Ni/NGF વૃદ્ધિ વિના સતત સીમલેસ ટ્રાન્સફર) ના પોલીમર-મુક્ત ટ્રાન્સફરને અનુક્રમે 6 અને 3 cm2 વિસ્તાર સુધીના નમૂનાઓ માટે પ્રાપ્ત કરવામાં સક્ષમ હતા. કોઈપણ બાકીના મોટા અથવા નાના ટુકડાઓ ઇચ્છિત સબસ્ટ્રેટ પર (~1 mm2, આકૃતિ SI4b, "FS-NGF: માળખું અને ગુણધર્મો (ચર્ચા કરેલ) તરીકે કોપર ગ્રીડમાં સ્થાનાંતરિત નમૂના જુઓ (એકીંગ સોલ્યુશન અથવા ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં સરળતાથી જોઈ શકાય છે) હોઈ શકે છે. "સ્ટ્રક્ચર એન્ડ પ્રોપર્ટીઝ" હેઠળ) અથવા ભવિષ્યના ઉપયોગ માટે સ્ટોર કરો (આકૃતિ SI4). આ માપદંડના આધારે, અમારું અનુમાન છે કે NGF 98-99% સુધીની ઉપજમાં પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે (ટ્રાન્સફર માટે વૃદ્ધિ પછી).
પોલિમર વિના સ્થાનાંતરિત નમૂનાઓનું વિગતવાર વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. FS- અને BS-NGF/SiO2/Si (ફિગ. 2c) પર ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપી (OM) અને SEM ઈમેજીસ (ફિગ. SI5 અને ફિગ. 3) નો ઉપયોગ કરીને મેળવેલી સપાટીની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે કે આ નમૂનાઓ માઈક્રોસ્કોપી વિના ટ્રાન્સફર કરવામાં આવ્યા હતા. દૃશ્યમાન માળખાકીય નુકસાન જેમ કે તિરાડો, છિદ્રો અથવા અનરોલ્ડ વિસ્તારો. વધતી જતી NGF (ફિગ. 3b, d, જાંબલી તીરો દ્વારા ચિહ્નિત) પરના ફોલ્ડ ટ્રાન્સફર પછી અકબંધ રહ્યા. FS- અને BS-NGF બંને FLG પ્રદેશોથી બનેલા છે (આકૃતિ 3 માં વાદળી તીરો દ્વારા દર્શાવેલ તેજસ્વી પ્રદેશો). આશ્ચર્યજનક રીતે, અલ્ટ્રાથિન ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોના પોલિમર ટ્રાન્સફર દરમિયાન સામાન્ય રીતે અવલોકન કરાયેલા કેટલાક ક્ષતિગ્રસ્ત વિસ્તારોથી વિપરીત, NGF (આકૃતિ 3d માં વાદળી તીરો દ્વારા ચિહ્નિત થયેલ) સાથે જોડાયેલા કેટલાક માઇક્રોન-કદના FLG અને MLG પ્રદેશોને તિરાડો અથવા વિરામ વિના સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા (આકૃતિ 3d) . 3). . લેસ-કાર્બન કોપર ગ્રીડ પર સ્થાનાંતરિત NGF ની TEM અને SEM ઇમેજનો ઉપયોગ કરીને યાંત્રિક અખંડિતતાની વધુ પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી, જેમ કે પછીથી ચર્ચા કરવામાં આવી છે (“FS-NGF: સ્ટ્રક્ચર એન્ડ પ્રોપર્ટીઝ”). આકૃતિ SI6a અને b (20 × 20 μm2) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્થાનાંતરિત BS-NGF/SiO2/Si અનુક્રમે 140 nm અને 17 nm ના rms મૂલ્યો સાથે FS-NGF/SiO2/Si કરતાં વધુ રફ છે. SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ (RMS <2 nm) પર સ્થાનાંતરિત NGF નું RMS મૂલ્ય Ni (આકૃતિ SI2) પર ઉગાડવામાં આવતા NGF કરતા નોંધપાત્ર રીતે ઓછું (લગભગ 3 ગણું) છે, જે દર્શાવે છે કે વધારાની ખરબચડી Ni સપાટીને અનુરૂપ હોઈ શકે છે. વધુમાં, FS- અને BS-NGF/SiO2/Si નમૂનાઓની ધાર પર કરવામાં આવેલી AFM છબીઓએ અનુક્રમે 100 અને 80 nm ની NGF જાડાઈ દર્શાવી હતી (ફિગ. SI7). BS-NGF ની નાની જાડાઈ એ સપાટી પર પ્રિકર્સર ગેસના સીધા સંપર્કમાં ન હોવાના પરિણામે હોઈ શકે છે.
SiO2/Si વેફર પર પોલિમર વિના સ્થાનાંતરિત NGF (NiAG) (આકૃતિ 2c જુઓ): (a,b) સ્થાનાંતરિત FS-NGF ની SEM છબીઓ: નીચા અને ઉચ્ચ વિસ્તરણ (પેનલમાં નારંગી ચોરસને અનુરૂપ). લાક્ષણિક વિસ્તારો) – a). (c,d) સ્થાનાંતરિત BS-NGF ની SEM છબીઓ: નીચા અને ઉચ્ચ વિસ્તરણ (પેનલ c માં નારંગી ચોરસ દ્વારા દર્શાવવામાં આવેલા લાક્ષણિક વિસ્તારને અનુરૂપ). (e, f) સ્થાનાંતરિત FS- અને BS-NGF ની AFM છબીઓ. વાદળી તીર FLG પ્રદેશનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે – બ્રાઈટ કોન્ટ્રાસ્ટ, સાયન એરો – બ્લેક MLG કોન્ટ્રાસ્ટ, રેડ એરો – બ્લેક કોન્ટ્રાસ્ટ NGF પ્રદેશનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, મેજેન્ટા એરો ફોલ્ડનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.
ઉગાડવામાં આવેલા અને સ્થાનાંતરિત FS- અને BS-NGF ની રાસાયણિક રચનાનું એક્સ-રે ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (XPS) (ફિગ. 4) દ્વારા વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. ઉગાડવામાં આવેલા FS- અને BS-NGFs (NiAG) ના ની સબસ્ટ્રેટ (850 eV) ને અનુરૂપ માપેલ સ્પેક્ટ્રા (ફિગ. 4a, b) માં નબળા શિખર જોવામાં આવ્યું હતું. સ્થાનાંતરિત FS- અને BS-NGF/SiO2/Si ના માપેલા સ્પેક્ટ્રામાં કોઈ શિખરો નથી (ફિગ. 4c; BS-NGF/SiO2/Si માટે સમાન પરિણામો દર્શાવવામાં આવ્યા નથી), જે સૂચવે છે કે ટ્રાન્સફર પછી કોઈ અવશેષ ની દૂષણ નથી . આકૃતિઓ 4d–f FS-NGF/SiO2/Si ના C 1 s, O 1 s અને Si 2p ઊર્જા સ્તરોના ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રા દર્શાવે છે. ગ્રેફાઇટના C 1 s ની બંધનકર્તા ઊર્જા 284.4 eV53.54 છે. ગ્રેફાઇટ શિખરોનો રેખીય આકાર સામાન્ય રીતે અસમપ્રમાણ માનવામાં આવે છે, જેમ કે આકૃતિ 4d54 માં બતાવેલ છે. ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન કોર-લેવલ C 1 s સ્પેક્ટ્રમ (ફિગ. 4d) એ પણ શુદ્ધ ટ્રાન્સફરની પુષ્ટિ કરી છે (એટલે ​​​​કે, કોઈ પોલિમર અવશેષો નથી), જે અગાઉના અભ્યાસો સાથે સુસંગત છે38. તાજા ઉગાડવામાં આવેલા સેમ્પલ (NiAG) ના C 1 s સ્પેક્ટ્રાની અને ટ્રાન્સફર પછીની લાઇનવિડ્થ અનુક્રમે 0.55 અને 0.62 eV છે. આ મૂલ્યો SLG કરતા વધારે છે (SiO2 સબસ્ટ્રેટ પર SLG માટે 0.49 eV)38. જો કે, આ મૂલ્યો ઉચ્ચ લક્ષી પાયરોલિટીક ગ્રાફીન નમૂનાઓ (~0.75 eV)53,54,55 માટે અગાઉ નોંધાયેલ લાઇનવિડ્થ કરતાં નાના છે, જે વર્તમાન સામગ્રીમાં ખામીયુક્ત કાર્બન સાઇટ્સની ગેરહાજરી દર્શાવે છે. C 1 s અને O 1 s ગ્રાઉન્ડ લેવલ સ્પેક્ટ્રામાં પણ ખભાનો અભાવ છે, જે ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન પીક ડીકોનવોલ્યુશન54ની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે. 291.1 eV ની આસપાસ π → π* ઉપગ્રહ શિખર છે, જે ઘણીવાર ગ્રેફાઇટ નમૂનાઓમાં જોવા મળે છે. Si 2p અને O 1 s કોર લેવલ સ્પેક્ટ્રામાં 103 eV અને 532.5 eV સિગ્નલો (ફિગ. 4e, f જુઓ) અનુક્રમે SiO2 56 સબસ્ટ્રેટને આભારી છે. XPS એ સપાટી-સંવેદનશીલ તકનીક છે, તેથી અનુક્રમે NGF સ્થાનાંતરણ પહેલાં અને પછી શોધાયેલ Ni અને SiO2 ને અનુરૂપ સંકેતો FLG પ્રદેશમાંથી ઉદ્ભવ્યા હોવાનું માનવામાં આવે છે. સ્થાનાંતરિત BS-NGF નમૂનાઓ માટે સમાન પરિણામો જોવા મળ્યા હતા (બતાવ્યા નથી).
NiAG XPS પરિણામો: (ac) અનુક્રમે ઉગાડવામાં આવેલ FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni અને સ્થાનાંતરિત FS-NGF/SiO2/Si ના વિવિધ એલિમેન્ટલ એટોમિક કમ્પોઝિશનના સર્વે સ્પેક્ટ્રા. (d–f) FS-NGF/SiO2/Si નમૂનાના મુખ્ય સ્તરો C 1 s, O 1s અને Si 2p ના ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રા.
એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન (XRD) નો ઉપયોગ કરીને સ્થાનાંતરિત NGF સ્ફટિકોની એકંદર ગુણવત્તાનું મૂલ્યાંકન કરવામાં આવ્યું હતું. સ્થાનાંતરિત FS- અને BS-NGF/SiO2/Si ની લાક્ષણિક XRD પેટર્ન (ફિગ. SI8) ગ્રેફાઇટની જેમ 26.6° અને 54.7° પર વિવર્તન શિખરો (0 0 0 2) અને (0 0 0 4) ની હાજરી દર્શાવે છે. . આ NGF ની ઉચ્ચ સ્ફટિકીય ગુણવત્તાની પુષ્ટિ કરે છે અને d = 0.335 nm ના ઇન્ટરલેયર અંતરને અનુરૂપ છે, જે ટ્રાન્સફર સ્ટેપ પછી જાળવવામાં આવે છે. વિવર્તન શિખર (0 0 0 2) ની તીવ્રતા વિવર્તન શિખર (0 0 0 4) કરતા આશરે 30 ગણી છે, જે દર્શાવે છે કે NGF ક્રિસ્ટલ પ્લેન નમૂનાની સપાટી સાથે સારી રીતે સંરેખિત છે.
SEM, રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, XPS અને XRD ના પરિણામો અનુસાર, BS-NGF/Ni ની ગુણવત્તા FS-NGF/Ni જેવી જ હોવાનું જણાયું હતું, જો કે તેની rms રફનેસ થોડી વધારે હતી (આંકડા SI2, SI5) અને SI7).
200 nm સુધીની જાડાઈ સુધીના પોલિમર સપોર્ટ લેયરવાળા SLG પાણી પર તરતી શકે છે. આ સેટઅપ સામાન્ય રીતે પોલિમર-આસિસ્ટેડ વેટ કેમિકલ ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયાઓમાં વપરાય છે22,38. ગ્રાફીન અને ગ્રેફાઇટ હાઇડ્રોફોબિક છે (ભીનો કોણ 80–90°) 57 . ગ્રાફીન અને FLG બંનેની સંભવિત ઊર્જા સપાટીઓ સપાટી પર પાણીની બાજુની હિલચાલ માટે ઓછી સંભવિત ઊર્જા (~1 kJ/mol) સાથે તદ્દન સપાટ હોવાનું નોંધવામાં આવ્યું છે. જો કે, ગ્રાફીન અને ગ્રેફિનના ત્રણ સ્તરો સાથે પાણીની ગણતરી કરેલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા અનુક્રમે આશરે −13 અને −15 kJ/mol,58 છે, જે દર્શાવે છે કે NGF (લગભગ 300 સ્તરો) સાથે પાણીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ગ્રેફિનની સરખામણીમાં ઓછી છે. ફ્રીસ્ટેન્ડિંગ એનજીએફ પાણીની સપાટી પર સપાટ રહેવાનું આ એક કારણ હોઈ શકે છે, જ્યારે ફ્રીસ્ટેન્ડિંગ ગ્રાફીન (જે પાણીમાં તરતું હોય છે) વળાંકો અને તૂટી જાય છે. જ્યારે NGF સંપૂર્ણપણે પાણીમાં ડૂબી જાય છે (પરિણામો ખરબચડી અને સપાટ NGF માટે સમાન હોય છે), તેની કિનારીઓ વળે છે (આકૃતિ SI4). સંપૂર્ણ નિમજ્જનના કિસ્સામાં, એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે કે એનજીએફ-પાણીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા લગભગ બમણી (ફ્લોટિંગ એનજીએફની તુલનામાં) અને ઉચ્ચ સંપર્ક કોણ (હાઇડ્રોફોબિસિટી) જાળવવા માટે એનજીએફની કિનારીઓ ફોલ્ડ થાય છે. અમે માનીએ છીએ કે એમ્બેડેડ NGFs ની કિનારીઓને કર્લિંગ ટાળવા માટે વ્યૂહરચના વિકસાવી શકાય છે. ગ્રેફાઇટ ફિલ્મ59ની ભીની પ્રતિક્રિયાને મોડ્યુલેટ કરવા માટે મિશ્ર સોલવન્ટનો ઉપયોગ કરવાનો એક અભિગમ છે.
ભીની રાસાયણિક ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયાઓ દ્વારા વિવિધ પ્રકારના સબસ્ટ્રેટમાં SLG નું ટ્રાન્સફર અગાઉ નોંધવામાં આવ્યું છે. તે સામાન્ય રીતે સ્વીકારવામાં આવે છે કે ગ્રાફીન/ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો અને સબસ્ટ્રેટ્સ વચ્ચે નબળા વાન ડેર વાલ્સ દળો અસ્તિત્વ ધરાવે છે (તે કઠોર સબસ્ટ્રેટ્સ જેમ કે SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si પિલર્સ22 અને લેસી કાર્બન ફિલ્મો 30, 34 અથવા લવચીક સબસ્ટ્રેટ્સ હોય. જેમ કે પોલિમાઇડ 37). અહીં આપણે ધારીએ છીએ કે સમાન પ્રકારની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ પ્રબળ છે. અમે યાંત્રિક હેન્ડલિંગ દરમિયાન (વેક્યૂમ અને/અથવા વાતાવરણીય પરિસ્થિતિઓ હેઠળ અથવા સ્ટોરેજ દરમિયાન) (દા.ત., આકૃતિ 2, SI7 અને SI9) દરમિયાન અહીં રજૂ કરાયેલા કોઈપણ સબસ્ટ્રેટ માટે NGF ના કોઈ નુકસાન અથવા છાલનું અવલોકન કર્યું નથી. વધુમાં, અમે NGF/SiO2/Si નમૂના (ફિગ. 4) ના મુખ્ય સ્તરના XPS C 1 s સ્પેક્ટ્રમમાં SiC શિખરનું અવલોકન કર્યું નથી. આ પરિણામો સૂચવે છે કે NGF અને લક્ષ્ય સબસ્ટ્રેટ વચ્ચે કોઈ રાસાયણિક બંધન નથી.
અગાઉના વિભાગમાં, "FS- અને BS-NGF નું પોલિમર-ફ્રી ટ્રાન્સફર," અમે દર્શાવ્યું હતું કે NGF નિકલ ફોઇલની બંને બાજુએ વૃદ્ધિ અને ટ્રાન્સફર કરી શકે છે. આ એફએસ-એનજીએફ અને બીએસ-એનજીએફ સપાટીની ખરબચડીની દ્રષ્ટિએ સમાન નથી, જેણે અમને દરેક પ્રકાર માટે સૌથી યોગ્ય એપ્લિકેશન્સ શોધવા માટે પ્રોત્સાહિત કર્યા.
FS-NGF ની પારદર્શિતા અને સરળ સપાટીને ધ્યાનમાં લેતા, અમે તેની સ્થાનિક રચના, ઓપ્ટિકલ અને ઇલેક્ટ્રિકલ ગુણધર્મોનો વધુ વિગતવાર અભ્યાસ કર્યો. પોલિમર ટ્રાન્સફર વિના FS-NGF નું માળખું અને માળખું ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) ઇમેજિંગ અને પસંદ કરેલ ક્ષેત્ર ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન (SAED) પેટર્ન વિશ્લેષણ દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. અનુરૂપ પરિણામો આકૃતિ 5 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. લો મેગ્નિફિકેશન પ્લાનર TEM ઇમેજિંગે વિવિધ ઇલેક્ટ્રોન કોન્ટ્રાસ્ટ લાક્ષણિકતાઓ સાથે NGF અને FLG પ્રદેશોની હાજરી દર્શાવી છે, એટલે કે અનુક્રમે ઘાટા અને તેજસ્વી વિસ્તારો (ફિગ. 5a). ફિલ્મ એકંદરે NGF અને FLG ના જુદા જુદા પ્રદેશો વચ્ચે સારી યાંત્રિક અખંડિતતા અને સ્થિરતા દર્શાવે છે, સારા ઓવરલેપ સાથે અને કોઈ નુકસાન કે ફાટી નથી, જે SEM (આકૃતિ 3) અને ઉચ્ચ વિસ્તૃતીકરણ TEM અભ્યાસ (આકૃતિ 5c-e) દ્વારા પણ પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી. ખાસ કરીને, ફિગમાં. આકૃતિ 5d તેના સૌથી મોટા ભાગ પર પુલનું માળખું બતાવે છે (આકૃતિ 5d માં કાળા ડોટેડ એરો દ્વારા ચિહ્નિત થયેલ સ્થિતિ), જે ત્રિકોણાકાર આકાર દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે અને લગભગ 51 ની પહોળાઈ સાથે ગ્રાફીન સ્તર ધરાવે છે. 0.33 ± 0.01 nmના આંતર-પ્લાનર અંતર સાથેની રચના સૌથી સાંકડા પ્રદેશમાં (આકૃતિ 5 d માં ઘન કાળા તીરનો અંત) માં ગ્રાફીનના કેટલાક સ્તરોમાં વધુ ઘટાડો થાય છે.
કાર્બન લેસી કોપર ગ્રીડ પર પોલિમર-ફ્રી NiAG સેમ્પલની પ્લાનર TEM ઇમેજ: (a, b) NGF અને FLG પ્રદેશો સહિત નીચા મેગ્નિફિકેશન TEM ઇમેજ, (ce) પેનલ-એ અને પેનલ-બીમાં વિવિધ પ્રદેશોની ઉચ્ચ મેગ્નિફિકેશન ઇમેજ છે. સમાન રંગના ચિહ્નિત તીરો. પેનલ a અને c માં લીલા તીરો બીમ સંરેખણ દરમિયાન નુકસાનના ગોળાકાર વિસ્તારો દર્શાવે છે. (f–i) પેનલ a થી c માં, વિવિધ પ્રદેશોમાં SAED પેટર્ન અનુક્રમે વાદળી, વાદળી, નારંગી અને લાલ વર્તુળો દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે.
આકૃતિ 5c માં રિબન સ્ટ્રક્ચર (લાલ તીરથી ચિહ્નિત) ગ્રેફાઇટ જાળીના પ્લેનનું વર્ટિકલ ઓરિએન્ટેશન દર્શાવે છે, જે ફિલ્મની સાથે નેનોફોલ્ડ્સની રચનાને કારણે હોઈ શકે છે (આકૃતિ 5c માં ઇન્સેટ) વધારાના બિન-કમ્પેન્સેટેડ શીયર સ્ટ્રેસને કારણે 30,61,62 . ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન TEM હેઠળ, આ નેનોફોલ્ડ્સ 30 બાકીના NGF પ્રદેશ કરતાં અલગ ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક અભિગમ દર્શાવે છે; ગ્રેફાઇટ જાળીના બેઝલ પ્લેન્સ બાકીની ફિલ્મની જેમ આડાને બદલે લગભગ ઊભી રીતે લક્ષી હોય છે (આકૃતિ 5c માં ઇન્સેટ). એ જ રીતે, FLG પ્રદેશ પ્રસંગોપાત રેખીય અને સાંકડા બેન્ડ જેવા ફોલ્ડ્સ (વાદળી તીરો દ્વારા ચિહ્નિત) દર્શાવે છે, જે અનુક્રમે આકૃતિ 5b, 5e માં નીચા અને મધ્યમ વિસ્તરણ પર દેખાય છે. આકૃતિ 5e માંનો ઇનસેટ FLG સેક્ટર (ઇન્ટરપ્લાનર ડિસ્ટન્સ 0.33 ± 0.01 nm) માં બે- અને ત્રણ-સ્તરના ગ્રાફીન સ્તરોની હાજરીની પુષ્ટિ કરે છે, જે અમારા અગાઉના પરિણામો 30 સાથે સારા કરારમાં છે. વધુમાં, લેસી કાર્બન ફિલ્મો (ટોપ-વ્યૂ TEM માપન કર્યા પછી) સાથે કોપર ગ્રીડ પર ટ્રાન્સફર કરાયેલ પોલિમર-ફ્રી NGF ની રેકોર્ડ કરેલ SEM છબીઓ આકૃતિ SI9 માં બતાવવામાં આવી છે. આકૃતિ SI9f માં સારી રીતે સસ્પેન્ડ કરેલ FLG પ્રદેશ (વાદળી તીરથી ચિહ્નિત થયેલ) અને તૂટેલા પ્રદેશ. વાદળી તીર (સ્થાનાંતરિત NGF ની ધાર પર) ઇરાદાપૂર્વક દર્શાવવા માટે રજૂ કરવામાં આવે છે કે FLG પ્રદેશ પોલિમર વિના ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયાનો પ્રતિકાર કરી શકે છે. સારાંશમાં, આ છબીઓ પુષ્ટિ કરે છે કે આંશિક રીતે સ્થગિત NGF (FLG પ્રદેશ સહિત) TEM અને SEM માપન (આકૃતિ SI9) દરમિયાન સખત હેન્ડલિંગ અને ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશના સંપર્ક પછી પણ યાંત્રિક અખંડિતતા જાળવી રાખે છે.
NGF ની ઉત્કૃષ્ટ સપાટતાને કારણે (આકૃતિ 5a જુઓ), SAED બંધારણનું વિશ્લેષણ કરવા માટે [0001] ડોમેન અક્ષ સાથે ફ્લેક્સને દિશામાન કરવું મુશ્કેલ નથી. ફિલ્મની સ્થાનિક જાડાઈ અને તેના સ્થાનના આધારે, ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન અભ્યાસ માટે રસના કેટલાક ક્ષેત્રો (12 પોઈન્ટ) ઓળખવામાં આવ્યા હતા. આકૃતિઓ 5a–c માં, આમાંના ચાર લાક્ષણિક પ્રદેશો રંગીન વર્તુળો (વાદળી, વાદળી, નારંગી અને લાલ કોડેડ) સાથે દર્શાવવામાં આવ્યા છે અને ચિહ્નિત થયેલ છે. SAED મોડ માટે આકૃતિઓ 2 અને 3. આકૃતિઓ 5f અને g આકૃતિ 5 અને 5 માં દર્શાવેલ FLG પ્રદેશમાંથી મેળવવામાં આવ્યા હતા. અનુક્રમે આકૃતિ 5b અને c માં બતાવ્યા પ્રમાણે. તેમની પાસે ટ્વિસ્ટેડ ગ્રાફીન63 જેવું ષટ્કોણ માળખું છે. ખાસ કરીને, આકૃતિ 5f એ [0001] ઝોન અક્ષના સમાન ઓરિએન્ટેશન સાથે ત્રણ સુપરઇમ્પોઝ્ડ પેટર્ન બતાવે છે, જે 10° અને 20° દ્વારા ફેરવાય છે, જે (10-10) પ્રતિબિંબની ત્રણ જોડીના કોણીય અસંગતતા દ્વારા પુરાવા મળે છે. તેવી જ રીતે, આકૃતિ 5g 20° દ્વારા ફરતી બે સુપરઇમ્પોઝ્ડ હેક્સાગોનલ પેટર્ન દર્શાવે છે. FLG પ્રદેશમાં ષટ્કોણ પેટર્નના બે અથવા ત્રણ જૂથો ત્રણ ઇન-પ્લેન અથવા પ્લેન આઉટ-ઓફ-પ્લેન ગ્રાફીન સ્તરો 33 એકબીજાની સાપેક્ષે ફેરવાઈ શકે છે. તેનાથી વિપરીત, આકૃતિ 5h,i (આકૃતિ 5a માં દર્શાવેલ NGF પ્રદેશને અનુરૂપ) માં ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન પેટર્ન એકંદર ઉચ્ચ બિંદુ વિવર્તન તીવ્રતા સાથે એક [0001] પેટર્ન દર્શાવે છે, જે વધુ સામગ્રીની જાડાઈને અનુરૂપ છે. આ SAED મોડેલો FLG કરતાં વધુ ગાઢ ગ્રાફિક માળખું અને મધ્યવર્તી અભિગમને અનુરૂપ છે, જેમ કે અનુક્રમણિકા 64 માંથી અનુમાનિત કરવામાં આવ્યું છે. NGF ના સ્ફટિકીય ગુણધર્મોની લાક્ષણિકતાએ બે અથવા ત્રણ સુપરઇમ્પોઝ્ડ ગ્રેફાઇટ (અથવા ગ્રાફીન) સ્ફટિકોનું સહઅસ્તિત્વ જાહેર કર્યું છે. FLG પ્રદેશમાં જે ખાસ કરીને નોંધનીય છે તે એ છે કે સ્ફટિકોમાં ચોક્કસ અંશે વિમાનમાં અથવા વિમાનની બહારની ગેરરીતિ હોય છે. 17°, 22° અને 25°ના ઇન-પ્લેન પરિભ્રમણ ખૂણા સાથે ગ્રેફાઇટ કણો/સ્તરો અગાઉ Ni 64 ફિલ્મો પર ઉગાડવામાં આવેલા NGF માટે નોંધવામાં આવ્યા છે. આ અભ્યાસમાં અવલોકન કરાયેલ પરિભ્રમણ કોણ મૂલ્યો ટ્વિસ્ટેડ BLG63 ગ્રાફીન માટે અગાઉ અવલોકન કરેલ પરિભ્રમણ ખૂણા (±1°) સાથે સુસંગત છે.
NGF/SiO2/Si ના વિદ્યુત ગુણધર્મો 10×3 mm2 ના વિસ્તાર પર 300 K પર માપવામાં આવ્યા હતા. ઇલેક્ટ્રોન કેરિયરની સાંદ્રતા, ગતિશીલતા અને વાહકતાના મૂલ્યો અનુક્રમે 1.6 × 1020 cm-3, 220 cm2 V-1 C-1 અને 2000 S-cm-1 છે. અમારા NGF ની ગતિશીલતા અને વાહકતા મૂલ્યો કુદરતી ગ્રેફાઇટ2 જેવા જ છે અને વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ અત્યંત લક્ષી પાયરોલિટીક ગ્રેફાઇટ (3000 °C પર ઉત્પાદિત) 29 કરતાં વધુ છે. અવલોકન કરેલ ઇલેક્ટ્રોન કેરિયર સાંદ્રતા મૂલ્યો ઉચ્ચ-તાપમાન (3200 °C) પોલિમાઇડ શીટ્સ 20 નો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવેલી માઇક્રોન-જાડા ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો માટે તાજેતરમાં નોંધાયેલા (7.25 × 10 cm-3) કરતા વધુ તીવ્રતાના બે ઓર્ડર છે.
અમે ક્વાર્ટઝ સબસ્ટ્રેટ્સમાં સ્થાનાંતરિત FS-NGF પર યુવી-દૃશ્યમાન ટ્રાન્સમિટન્સ માપન પણ કર્યું (આકૃતિ 6). પરિણામી સ્પેક્ટ્રમ 350-800 nm રેન્જમાં 62% નું લગભગ સતત ટ્રાન્સમિટન્સ દર્શાવે છે, જે દર્શાવે છે કે NGF દૃશ્યમાન પ્રકાશ માટે અર્ધપારદર્શક છે. હકીકતમાં, "KAUST" નામ આકૃતિ 6b માં નમૂનાના ડિજિટલ ફોટોગ્રાફમાં જોઈ શકાય છે. એનજીએફનું નેનોક્રિસ્ટલાઇન માળખું SLG કરતા અલગ હોવા છતાં, વધારાના સ્તર65 દીઠ 2.3% ટ્રાન્સમિશન લોસના નિયમનો ઉપયોગ કરીને સ્તરોની સંખ્યાનો અંદાજ લગાવી શકાય છે. આ સંબંધ અનુસાર, 38% ટ્રાન્સમિશન નુકશાન સાથે ગ્રાફીન સ્તરોની સંખ્યા 21 છે. ઉગાડવામાં આવેલ એનજીએફમાં મુખ્યત્વે 300 ગ્રાફીન સ્તરો હોય છે, એટલે કે લગભગ 100 એનએમ જાડા (ફિગ. 1, SI5 અને SI7). તેથી, અમે ધારીએ છીએ કે અવલોકન કરાયેલ ઓપ્ટિકલ પારદર્શિતા FLG અને MLG પ્રદેશોને અનુરૂપ છે, કારણ કે તે સમગ્ર ફિલ્મમાં વિતરિત કરવામાં આવે છે (ફિગ. 1, 3, 5 અને 6c). ઉપરોક્ત માળખાકીય ડેટા ઉપરાંત, વાહકતા અને પારદર્શિતા પણ સ્થાનાંતરિત NGFની ઉચ્ચ સ્ફટિકીય ગુણવત્તાની પુષ્ટિ કરે છે.
(a) યુવી-દૃશ્યમાન ટ્રાન્સમિટન્સ માપન, (b) પ્રતિનિધિ નમૂનાનો ઉપયોગ કરીને ક્વાર્ટઝ પર લાક્ષણિક NGF ટ્રાન્સફર. (c) સમગ્ર નમૂનામાં ગ્રે રેન્ડમ આકારો તરીકે ચિહ્નિત સમાનરૂપે વિતરિત FLG અને MLG પ્રદેશો સાથે NGF (ડાર્ક બોક્સ) ની યોજનાકીય (આકૃતિ 1 જુઓ) (100 μm2 દીઠ આશરે 0.1–3% વિસ્તાર). રેખાકૃતિમાંના રેન્ડમ આકારો અને તેમના કદ માત્ર દૃષ્ટાંતના હેતુ માટે છે અને વાસ્તવિક વિસ્તારોને અનુરૂપ નથી.
CVD દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ અર્ધપારદર્શક NGF અગાઉ એકદમ સિલિકોન સપાટી પર સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યું હતું અને સૌર કોષોમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે15,16. પરિણામી પાવર કન્વર્ઝન કાર્યક્ષમતા (PCE) 1.5% છે. આ NGF સક્રિય સંયોજન સ્તરો, ચાર્જ પરિવહન માર્ગો અને પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડ્સ 15,16 જેવા બહુવિધ કાર્યો કરે છે. જો કે, ગ્રેફાઇટ ફિલ્મ એકસમાન નથી. ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડના શીટ પ્રતિકાર અને ઓપ્ટિકલ ટ્રાન્સમિટન્સને કાળજીપૂર્વક નિયંત્રિત કરીને વધુ ઑપ્ટિમાઇઝેશન જરૂરી છે, કારણ કે આ બે ગુણધર્મો સૌર સેલ 15,16ના PCE મૂલ્યને નિર્ધારિત કરવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. સામાન્ય રીતે, ગ્રાફીન ફિલ્મો દૃશ્યમાન પ્રકાશ માટે 97.7% પારદર્શક હોય છે, પરંતુ 200-3000 ઓહ્મ/sq.16 ની શીટ પ્રતિકાર હોય છે. સ્તરોની સંખ્યા વધારીને (ગ્રાફીન સ્તરોનું બહુવિધ સ્થાનાંતરણ) અને HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 સાથે ડોપિંગ કરીને ગ્રેફિન ફિલ્મોની સપાટી પ્રતિકાર ઘટાડી શકાય છે. જો કે, આ પ્રક્રિયામાં ઘણો સમય લાગે છે અને વિવિધ ટ્રાન્સફર સ્તરો હંમેશા સારો સંપર્ક જાળવી શકતા નથી. અમારી ફ્રન્ટ સાઇડ NGFમાં વાહકતા 2000 S/cm, ફિલ્મ શીટ રેઝિસ્ટન્સ 50 ohm/sq જેવા ગુણધર્મો છે. અને 62% પારદર્શિતા, તેને સૌર કોષોમાં વાહક ચેનલો અથવા કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રોડ માટે એક સક્ષમ વિકલ્પ બનાવે છે15,16.
BS-NGF ની રચના અને સપાટીની રસાયણશાસ્ત્ર FS-NGF જેવી જ હોવા છતાં, તેની ખરબચડી અલગ છે ("FS- અને BS-NGF ની વૃદ્ધિ"). અગાઉ, અમે ગેસ સેન્સર તરીકે અલ્ટ્રા-થિન ફિલ્મ ગ્રેફાઇટ22 નો ઉપયોગ કર્યો હતો. તેથી, અમે ગેસ સેન્સિંગ કાર્યો (આકૃતિ SI10) માટે BS-NGF નો ઉપયોગ કરવાની શક્યતાનું પરીક્ષણ કર્યું. પ્રથમ, BS-NGF ના mm2-કદના ભાગોને ઇન્ટરડિજિટેટિંગ ઇલેક્ટ્રોડ સેન્સર ચિપ (આકૃતિ SI10a-c) પર સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા. ચિપના ઉત્પાદનની વિગતો અગાઉ જાણ કરવામાં આવી હતી; તેનો સક્રિય સંવેદનશીલ વિસ્તાર 9 mm267 છે. SEM ઈમેજીસમાં (આકૃતિ SI10b અને c), અંતર્ગત ગોલ્ડ ઈલેક્ટ્રોડ NGF દ્વારા સ્પષ્ટપણે દેખાય છે. ફરીથી, તે જોઈ શકાય છે કે તમામ નમૂનાઓ માટે સમાન ચિપ કવરેજ પ્રાપ્ત થયું હતું. વિવિધ વાયુઓના ગેસ સેન્સર માપન રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા (ફિગ. SI10d) (ફિગ. SI11) અને પરિણામી પ્રતિભાવ દર ફિગમાં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. SI10g. SO2 (200 ppm), H2 (2%), CH4 (200 ppm), CO2 (2%), H2S (200 ppm) અને NH3 (200 ppm) સહિત અન્ય દખલ કરતા વાયુઓ સાથે સંભવિત છે. એક સંભવિત કારણ NO2 છે. ગેસની ઇલેક્ટ્રોફિલિક પ્રકૃતિ 22,68. જ્યારે ગ્રેફિનની સપાટી પર શોષાય છે, ત્યારે તે સિસ્ટમ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોનનું વર્તમાન શોષણ ઘટાડે છે. અગાઉ પ્રકાશિત થયેલા સેન્સર સાથે BS-NGF સેન્સરના પ્રતિભાવ સમયના ડેટાની સરખામણી કોષ્ટક SI2 માં રજૂ કરવામાં આવી છે. UV પ્લાઝ્મા, O3 પ્લાઝ્મા અથવા થર્મલ (50–150°C) નો ઉપયોગ કરીને ખુલ્લા નમૂનાઓની સારવારનો ઉપયોગ કરીને NGF સેન્સરને પુનઃસક્રિય કરવાની પદ્ધતિ ચાલુ છે, આદર્શ રીતે એમ્બેડેડ સિસ્ટમ્સ69ના અમલીકરણ દ્વારા અનુસરવામાં આવે છે.
CVD પ્રક્રિયા દરમિયાન, ગ્રાફીન વૃદ્ધિ ઉત્પ્રેરક સબસ્ટ્રેટ 41 ની બંને બાજુઓ પર થાય છે. જો કે, ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયા41 દરમિયાન BS-ગ્રાફીન સામાન્ય રીતે બહાર કાઢવામાં આવે છે. આ અભ્યાસમાં, અમે દર્શાવીએ છીએ કે ઉત્પ્રેરક સપોર્ટની બંને બાજુએ ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી NGF વૃદ્ધિ અને પોલિમર-મુક્ત NGF ટ્રાન્સફર પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. BS-NGF FS-NGF (~100 nm) કરતાં પાતળું (~80 nm) છે, અને આ તફાવત એ હકીકત દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે કે BS-Ni એ પૂર્વવર્તી ગેસ પ્રવાહના સીધા સંપર્કમાં નથી. અમે એ પણ શોધી કાઢ્યું છે કે NiAR સબસ્ટ્રેટની ખરબચડી NGF ની ખરબચડીને પ્રભાવિત કરે છે. આ પરિણામો દર્શાવે છે કે ઉગાડવામાં આવેલ પ્લાનર એફએસ-એનજીએફનો ઉપયોગ ગ્રેફિન માટે પુરોગામી સામગ્રી તરીકે (એક્સફોલિયેશન પદ્ધતિ70 દ્વારા) અથવા સૌર કોષો15,16માં વાહક ચેનલ તરીકે થઈ શકે છે. તેનાથી વિપરિત, BS-NGF નો ઉપયોગ ગેસ ડિટેક્શન (ફિગ. SI9) માટે અને સંભવતઃ એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ71,72 માટે કરવામાં આવશે જ્યાં તેની સપાટીની ખરબચડી ઉપયોગી થશે.
ઉપરોક્ત બાબતોને ધ્યાનમાં લેતા, વર્તમાન કાર્યને CVD દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલી અને નિકલ ફોઇલનો ઉપયોગ કરીને અગાઉ પ્રકાશિત થયેલ ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો સાથે જોડવાનું ઉપયોગી છે. કોષ્ટક 2 માં જોઈ શકાય છે તેમ, અમે ઉપયોગમાં લીધેલા ઊંચા દબાણે પ્રમાણમાં ઓછા તાપમાને (850–1300 °C ની રેન્જમાં) પણ પ્રતિક્રિયા સમય (વૃદ્ધિનો તબક્કો) ટૂંકો કર્યો. અમે સામાન્ય કરતાં વધુ વૃદ્ધિ પણ હાંસલ કરી છે, જે વિસ્તરણની સંભાવના દર્શાવે છે. ધ્યાનમાં લેવા માટેના અન્ય પરિબળો છે, જેમાંથી કેટલાક અમે કોષ્ટકમાં શામેલ કર્યા છે.
ઉત્પ્રેરક CVD દ્વારા નિકલ ફોઇલ પર ડબલ-સાઇડ ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી NGF ઉગાડવામાં આવી હતી. પરંપરાગત પોલિમર સબસ્ટ્રેટ્સ (જેમ કે CVD ગ્રાફીનમાં વપરાય છે) નાબૂદ કરીને, અમે NGF (નિકલ ફોઇલની પાછળ અને આગળની બાજુઓ પર ઉગાડવામાં આવે છે) નું વિવિધ પ્રક્રિયા-નિર્ણાયક સબસ્ટ્રેટ્સમાં સ્વચ્છ અને ખામી-મુક્ત ભીનું ટ્રાન્સફર હાંસલ કરીએ છીએ. નોંધનીય રીતે, NGFમાં FLG અને MLG પ્રદેશો (સામાન્ય રીતે 0.1% થી 3% પ્રતિ 100 µm2)નો સમાવેશ થાય છે જે ગાઢ ફિલ્મમાં માળખાકીય રીતે સારી રીતે સંકલિત છે. પ્લાનર TEM બતાવે છે કે આ પ્રદેશો બે થી ત્રણ ગ્રેફાઇટ/ગ્રાફીન કણો (અનુક્રમે ક્રિસ્ટલ્સ અથવા સ્તરો) ના સ્ટેક્સથી બનેલા છે, જેમાંથી કેટલાક 10-20° ની રોટેશનલ મિસમેચ ધરાવે છે. FLG અને MLG પ્રદેશો FS-NGF ની પારદર્શિતા અને દૃશ્યમાન પ્રકાશ માટે જવાબદાર છે. પાછળની શીટ્સ માટે, તે આગળની શીટ્સની સમાંતર લઈ શકાય છે અને, બતાવ્યા પ્રમાણે, કાર્યાત્મક હેતુ હોઈ શકે છે (ઉદાહરણ તરીકે, ગેસ શોધ માટે). આ અભ્યાસો ઔદ્યોગિક ધોરણે CVD પ્રક્રિયાઓમાં કચરો અને ખર્ચ ઘટાડવા માટે ખૂબ જ ઉપયોગી છે.
સામાન્ય રીતે, CVD NGF ની સરેરાશ જાડાઈ (નીચા- અને બહુ-સ્તર) ગ્રાફીન અને ઔદ્યોગિક (માઈક્રોમીટર) ગ્રેફાઈટ શીટ્સ વચ્ચે રહે છે. તેમના રસપ્રદ ગુણધર્મોની શ્રેણી, અમે તેમના ઉત્પાદન અને પરિવહન માટે વિકસાવેલી સરળ પદ્ધતિ સાથે મળીને, આ ફિલ્મોને હાલમાં ઉપયોગમાં લેવાતી ઉર્જા-સઘન ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓના ખર્ચ વિના, ગ્રેફાઇટના કાર્યાત્મક પ્રતિભાવની જરૂર હોય તેવા કાર્યક્રમો માટે ખાસ કરીને યોગ્ય બનાવે છે.
કોમર્શિયલ CVD રિએક્ટર (Aixtron 4-inch BMPro) માં 25-μm-જાડા નિકલ ફોઇલ (99.5% શુદ્ધતા, ગુડફેલો) સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી. સિસ્ટમને આર્ગોનથી શુદ્ધ કરવામાં આવી હતી અને 10-3 એમબારના બેઝ પ્રેશર પર ખાલી કરવામાં આવી હતી. પછી નિકલ ફોઇલ મૂકવામાં આવ્યું હતું. Ar/H2 માં (5 મિનિટ માટે Ni વરખને પૂર્વ-એનીલ કર્યા પછી, વરખને 900 °C પર 500 mbar ના દબાણમાં ખુલ્લું મૂકવામાં આવ્યું હતું. NGF 5 મિનિટ માટે CH4/H2 (100 cm3 પ્રત્યેક) ના પ્રવાહમાં જમા કરવામાં આવ્યું હતું. ત્યારબાદ 40 °C/મિનિટ પર Ar પ્રવાહ (4000 cm3) નો ઉપયોગ કરીને 700 °C થી નીચેના તાપમાને નમૂનાને ઠંડુ કરવામાં આવ્યું હતું.
સેમ્પલની સપાટીના મોર્ફોલોજીને ઝેઇસ મર્લિન માઇક્રોસ્કોપ (1 kV, 50 PA) નો ઉપયોગ કરીને SEM દ્વારા વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવામાં આવ્યું હતું. નમૂનાની સપાટીની ખરબચડી અને NGF જાડાઈ AFM (ડાઈમેન્શન આઈકોન SPM, Bruker) નો ઉપયોગ કરીને માપવામાં આવી હતી. અંતિમ પરિણામો મેળવવા માટે ઉચ્ચ બ્રાઇટનેસ ફિલ્ડ એમિશન ગન (300 kV), FEI વિએન ટાઇપ મોનોક્રોમેટર અને CEOS લેન્સ ગોળાકાર વિક્ષેપ સુધારકથી સજ્જ FEI ટાઇટન 80-300 ક્યુબડ માઇક્રોસ્કોપનો ઉપયોગ કરીને TEM અને SAED માપન હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું. અવકાશી રીઝોલ્યુશન 0.09 એનએમ. ફ્લેટ TEM ઇમેજિંગ અને SAED માળખું વિશ્લેષણ માટે NGF નમૂનાઓ કાર્બન લેસી કોટેડ કોપર ગ્રીડમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા. આમ, મોટાભાગના નમૂના ફ્લોક્સ સહાયક પટલના છિદ્રોમાં સસ્પેન્ડ કરવામાં આવે છે. સ્થાનાંતરિત NGF નમૂનાઓનું XRD દ્વારા વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. 3 મીમીના બીમ સ્પોટ વ્યાસવાળા Cu રેડિયેશન સ્ત્રોતનો ઉપયોગ કરીને પાવડર ડિફ્રેક્ટોમીટર (Cu Kα સ્ત્રોત સાથે Brucker, D2 ફેઝ શિફ્ટર, 1.5418 Å અને LYNXEYE ડિટેક્ટર) નો ઉપયોગ કરીને એક્સ-રે વિવર્તન પેટર્ન મેળવવામાં આવી હતી.
એકીકૃત કોન્ફોકલ માઇક્રોસ્કોપ (આલ્ફા 300 RA, WITeC) નો ઉપયોગ કરીને કેટલાક રમન બિંદુ માપન રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા. ઓછી ઉત્તેજના શક્તિ (25%) સાથે 532 nm લેસરનો ઉપયોગ થર્મલી પ્રેરિત અસરોને ટાળવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. એક્સ-રે ફોટોઈલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (XPS) ક્રેટોસ એક્સિસ અલ્ટ્રા સ્પેક્ટ્રોમીટર પર 150 W ની શક્તિ પર મોનોક્રોમેટિક અલ Kα રેડિયેશન (hν = 1486.6 eV) નો ઉપયોગ કરીને 300 × 700 μm2 ના નમૂના વિસ્તાર પર કરવામાં આવી હતી. રિઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રા મેળવવામાં આવ્યા હતા અનુક્રમે 160 eV અને 20 eV ની ટ્રાન્સમિશન એનર્જી. SiO2 પર સ્થાનાંતરિત NGF નમૂનાઓને 30 W પર PLS6MW (1.06 μm) ytterbium ફાઇબર લેસરનો ઉપયોગ કરીને (3 × 10 mm2 દરેક) ટુકડાઓમાં કાપવામાં આવ્યા હતા. કોપર વાયર સંપર્કો (50 μm જાડા) ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપ હેઠળ સિલ્વર પેસ્ટનો ઉપયોગ કરીને બનાવટ કરવામાં આવ્યા હતા. ઇલેક્ટ્રિકલ ટ્રાન્સપોર્ટ અને હોલ ઇફેક્ટ પ્રયોગો આ નમૂનાઓ પર 300 K પર હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા અને ભૌતિક ગુણધર્મો માપન પ્રણાલી (PPMS EverCool-II, ક્વોન્ટમ ડિઝાઇન, યુએસએ) માં ± 9 ટેસ્લાના ચુંબકીય ક્ષેત્રની વિવિધતા. ક્વાર્ટઝ સબસ્ટ્રેટ્સ અને ક્વાર્ટઝ સંદર્ભ નમૂનાઓમાં સ્થાનાંતરિત 350-800 nm NGF શ્રેણીમાં લેમ્બડા 950 UV-vis સ્પેક્ટ્રોફોટોમીટરનો ઉપયોગ કરીને ટ્રાન્સમિટેડ યુવી-વિસ સ્પેક્ટ્રા રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા.
રાસાયણિક પ્રતિકાર સેન્સર (ઇન્ટરડિજિટેટેડ ઇલેક્ટ્રોડ ચિપ) કસ્ટમ પ્રિન્ટેડ સર્કિટ બોર્ડ 73 સાથે વાયર કરવામાં આવ્યું હતું અને પ્રતિકાર ક્ષણિક રીતે કાઢવામાં આવ્યો હતો. પ્રિન્ટેડ સર્કિટ બોર્ડ કે જેના પર ઉપકરણ સ્થિત છે તે સંપર્ક ટર્મિનલ્સ સાથે જોડાયેલ છે અને ગેસ સેન્સિંગ ચેમ્બર 74 ની અંદર મૂકવામાં આવે છે. પર્જથી ગેસ એક્સપોઝર સુધી સતત સ્કેન સાથે પ્રતિકાર માપન 1 V ના વોલ્ટેજ પર લેવામાં આવ્યું હતું અને પછી ફરીથી શુદ્ધ કરો. ચેમ્બરને શરૂઆતમાં 1 કલાક માટે 200 cm3 પર નાઇટ્રોજનથી શુદ્ધ કરીને સાફ કરવામાં આવ્યું હતું જેથી ચેમ્બરમાં હાજર અન્ય તમામ વિશ્લેષકોને દૂર કરી શકાય, જેમાં ભેજનો સમાવેશ થાય છે. પછી વ્યક્તિગત વિશ્લેષકોને N2 સિલિન્ડર બંધ કરીને 200 cm3 ના સમાન પ્રવાહ દરે ચેમ્બરમાં ધીમે ધીમે છોડવામાં આવ્યા હતા.
આ લેખનું સુધારેલું સંસ્કરણ પ્રકાશિત કરવામાં આવ્યું છે અને લેખની ટોચ પરની લિંક દ્વારા ઍક્સેસ કરી શકાય છે.
ઇનાગાકી, એમ. અને કાંગ, એફ. કાર્બન મટિરિયલ્સ સાયન્સ એન્ડ એન્જિનિયરિંગ: ફંડામેન્ટલ્સ. બીજી આવૃત્તિ સંપાદિત. 2014. 542.
પીયર્સન, એચઓ હેન્ડબુક ઓફ કાર્બન, ગ્રેફાઇટ, ડાયમંડ અને ફુલેરેન્સ: પ્રોપર્ટીઝ, પ્રોસેસિંગ અને એપ્લિકેશન્સ. પ્રથમ આવૃત્તિ સંપાદિત કરવામાં આવી છે. 1994, ન્યુ જર્સી.
ત્સાઈ, ડબલ્યુ. એટ અલ. પારદર્શક પાતળા વાહક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે વિશાળ વિસ્તાર મલ્ટિલેયર ગ્રાફીન/ગ્રેફાઇટ ફિલ્મો. અરજી ભૌતિકશાસ્ત્ર રાઈટ. 95(12), 123115(2009).
બાલેન્ડિન એએ ગ્રેફીન અને નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ કાર્બન સામગ્રીના થર્મલ ગુણધર્મો. નાટ. મેટ. 10(8), 569–581 (2011).
ચેંગ કેવાય, બ્રાઉન પીડબ્લ્યુ અને કાહિલ ડીજી ગ્રેફાઇટ ફિલ્મોની થર્મલ વાહકતા ની (111) પર નીચા-તાપમાનના રાસાયણિક વરાળના સંચય દ્વારા ઉગાડવામાં આવે છે. ક્રિયાવિશેષણ મેટ. ઈન્ટરફેસ 3, 16 (2016).
હેસ્જેડલ, ટી. રાસાયણિક વરાળના સંચય દ્વારા ગ્રાફીન ફિલ્મોની સતત વૃદ્ધિ. અરજી ભૌતિકશાસ્ત્ર રાઈટ. 98(13), 133106(2011).