نی پر ایک پارباسی گریفائٹ فلم کو بڑھانا اور اس کی دو طرفہ پولیمر فری ٹرانسفر

Nature.com پر جانے کا شکریہ۔ براؤزر کا جو ورژن آپ استعمال کر رہے ہیں وہ محدود CSS سپورٹ رکھتا ہے۔ بہترین نتائج کے لیے، ہم تجویز کرتے ہیں کہ آپ اپنے براؤزر کا نیا ورژن استعمال کریں (یا انٹرنیٹ ایکسپلورر میں مطابقت موڈ کو غیر فعال کریں)۔ اس دوران، جاری تعاون کو یقینی بنانے کے لیے، ہم سائٹ کو اسٹائل یا جاوا اسکرپٹ کے بغیر ڈسپلے کر رہے ہیں۔
نانوسکل گریفائٹ فلمیں (این جی ایف) مضبوط نینو میٹریل ہیں جو کیٹلیٹک کیمیائی بخارات کے ذخیرے سے تیار کی جاسکتی ہیں، لیکن ان کی منتقلی میں آسانی اور اگلی نسل کے آلات میں سطح کی شکلیات ان کے استعمال کو کس طرح متاثر کرتی ہے اس کے بارے میں سوالات باقی ہیں۔ یہاں ہم پولی کرسٹل لائن نکل فوائل (رقبہ 55 cm2، موٹائی تقریباً 100 nm) کے دونوں طرف NGF کی نمو اور اس کی پولیمر فری ٹرانسفر (سامنے اور پیچھے، رقبہ 6 cm2 تک) کی اطلاع دیتے ہیں۔ اتپریرک ورق کی شکل کی وجہ سے، دو کاربن فلمیں اپنی جسمانی خصوصیات اور دیگر خصوصیات (جیسے سطح کی کھردری) میں مختلف ہوتی ہیں۔ ہم یہ ظاہر کرتے ہیں کہ کھردرے بیک سائیڈ والے NGFs NO2 کا پتہ لگانے کے لیے اچھی طرح سے موزوں ہیں، جب کہ سامنے کی طرف ہموار اور زیادہ ترسیلی NGFs (2000 S/cm، شیٹ ریزسٹنس - 50 ohms/m2) قابل عمل کنڈکٹر ہو سکتے ہیں۔ سولر سیل کا چینل یا الیکٹروڈ (چونکہ یہ 62% مرئی روشنی کو منتقل کرتا ہے)۔ مجموعی طور پر، بیان کردہ ترقی اور نقل و حمل کے عمل NGF کو تکنیکی ایپلی کیشنز کے لیے متبادل کاربن مواد کے طور پر سمجھنے میں مدد کر سکتے ہیں جہاں گرافین اور مائکرون موٹی گریفائٹ فلمیں موزوں نہیں ہیں۔
گریفائٹ ایک وسیع پیمانے پر استعمال شدہ صنعتی مواد ہے۔ خاص طور پر، گریفائٹ میں نسبتاً کم بڑے پیمانے پر کثافت اور ہوائی جہاز کے اندر تھرمل اور برقی چالکتا کی خصوصیات ہیں، اور یہ سخت تھرمل اور کیمیائی ماحول میں بہت مستحکم ہے 1,2۔ فلیک گریفائٹ گرافین ریسرچ3 کے لیے ایک معروف ابتدائی مواد ہے۔ جب پتلی فلموں میں پروسیس کیا جاتا ہے، تو اسے ایپلی کیشنز کی ایک وسیع رینج میں استعمال کیا جا سکتا ہے، بشمول اسمارٹ فونز 4,5,6,7 جیسے الیکٹرانک آلات کے لیے ہیٹ سنکس، سینسرز 8,9,10 میں ایک فعال مواد کے طور پر اور برقی مقناطیسی مداخلت کے تحفظ کے لیے۔ 12 اور انتہائی الٹرا وائلٹ 13,14 میں لتھوگرافی کے لیے فلمیں، شمسی خلیوں میں چینلز کا انعقاد 15,16۔ ان تمام ایپلی کیشنز کے لیے، یہ ایک اہم فائدہ ہو گا اگر نانوسکل <100 nm میں کنٹرول شدہ موٹائی کے ساتھ گریفائٹ فلموں (NGFs) کے بڑے حصے آسانی سے تیار اور منتقل کیے جا سکیں۔
گریفائٹ فلمیں مختلف طریقوں سے تیار کی جاتی ہیں۔ ایک صورت میں، سرایت اور توسیع کے بعد ایکسفولیئشن کا استعمال گرافین فلیکس 10،11،17 بنانے کے لیے کیا گیا۔ فلیکس کو مزید ضروری موٹائی کی فلموں میں پروسیس کیا جانا چاہئے، اور اکثر گھنے گریفائٹ شیٹس تیار کرنے میں کئی دن لگتے ہیں۔ ایک اور نقطہ نظر یہ ہے کہ گرافٹیبل ٹھوس پیش رو کے ساتھ شروع کیا جائے۔ صنعت میں، پولیمر کی چادروں کو کاربنائز کیا جاتا ہے (1000–1500 °C پر) اور پھر گرافٹائز کیا جاتا ہے (2800–3200 °C پر) تاکہ اچھی طرح سے ساختہ تہہ دار مواد بنایا جا سکے۔ اگرچہ ان فلموں کا معیار بلند ہے، لیکن توانائی کی کھپت نمایاں ہے 1,18,19 اور کم از کم موٹائی چند مائیکرون 1,18,19,20 تک محدود ہے۔
کیٹلیٹک کیمیکل ویپر ڈیپوزیشن (CVD) اعلی ساختی معیار اور مناسب قیمت21,22,23,24,25,26,27 کے ساتھ گرافین اور الٹراتھائن گریفائٹ فلمیں (<10 nm) تیار کرنے کا ایک معروف طریقہ ہے۔ تاہم، گرافین اور الٹراتھین گریفائٹ فلموں کی ترقی کے مقابلے میں، بڑے رقبے کی نمو اور/یا CVD کا استعمال کرتے ہوئے NGF کا اطلاق اس سے بھی کم ہے 11,13,29,30,31,32,33۔
CVD سے تیار کردہ گرافین اور گریفائٹ فلموں کو اکثر فنکشنل سبسٹریٹس پر منتقل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان پتلی فلموں کی منتقلی میں دو اہم طریقے شامل ہیں35: (1) غیر اینچ ٹرانسفر36,37 اور (2) اینچ بیسڈ گیلے کیمیکل ٹرانسفر (سبسٹریٹ سپورٹڈ)14,34,38۔ ہر طریقہ کے کچھ فائدے اور نقصانات ہوتے ہیں اور اسے مطلوبہ ایپلیکیشن کے لحاظ سے منتخب کیا جانا چاہیے، جیسا کہ کہیں اور بیان کیا گیا ہے35,39۔ کیٹلیٹک سبسٹریٹس پر اگائی جانے والی گرافین/گریفائٹ فلموں کے لیے، گیلے کیمیائی عمل کے ذریعے منتقلی (جن میں سے پولیمتھائل میتھاکریلیٹ (PMMA) سب سے زیادہ استعمال ہونے والی سپورٹ لیئر ہے) پہلا انتخاب 13,30,34,38,40,41,42 ہے۔ آپ وغیرہ۔ یہ ذکر کیا گیا تھا کہ این جی ایف کی منتقلی کے لیے کوئی پولیمر استعمال نہیں کیا گیا تھا (نمونہ سائز تقریباً 4 سینٹی میٹر 25,43)، لیکن منتقلی کے دوران نمونے کے استحکام اور/یا ہینڈلنگ کے حوالے سے کوئی تفصیلات فراہم نہیں کی گئیں۔ پولیمر کا استعمال کرتے ہوئے گیلے کیمسٹری کے عمل کئی مراحل پر مشتمل ہوتے ہیں، بشمول استعمال اور بعد ازاں قربانی والی پولیمر کی تہہ کو ہٹانا30,38,40,41,42۔ اس عمل کے نقصانات ہیں: مثال کے طور پر، پولیمر کی باقیات بڑھی ہوئی فلم کی خصوصیات کو تبدیل کر سکتی ہیں۔ اضافی پروسیسنگ بقایا پولیمر کو ہٹا سکتی ہے، لیکن یہ اضافی اقدامات فلم کی تیاری کی لاگت اور وقت کو بڑھاتے ہیں 38,40۔ CVD کی نشوونما کے دوران، گرافین کی ایک تہہ نہ صرف اتپریرک ورق کی اگلی طرف (بھاپ کے بہاؤ کا سامنا کرنے والی طرف) بلکہ اس کی پچھلی طرف بھی جمع ہوتی ہے۔ تاہم، مؤخر الذکر کو فضلہ کی مصنوعات سمجھا جاتا ہے اور اسے نرم پلازما 38,41 کے ذریعے جلدی سے ہٹایا جا سکتا ہے۔ اس فلم کو ری سائیکل کرنے سے زیادہ سے زیادہ پیداوار میں مدد مل سکتی ہے، چاہے یہ چہرے کی کاربن فلم سے کم معیار کی ہو۔
یہاں، ہم CVD کے ذریعے پولی کرسٹل لائن نکل فوائل پر اعلی ساختی معیار کے ساتھ NGF کی ویفر اسکیل بائیفیشل گروتھ کی تیاری کی اطلاع دیتے ہیں۔ اس کا اندازہ لگایا گیا کہ ورق کی اگلی اور پچھلی سطح کی کھردری پن NGF کی شکل اور ساخت کو کیسے متاثر کرتی ہے۔ ہم نکل فوائل کے دونوں اطراف سے ملٹی فنکشنل سبسٹریٹس پر این جی ایف کی لاگت سے موثر اور ماحول دوست پولیمر فری منتقلی کا بھی مظاہرہ کرتے ہیں اور یہ ظاہر کرتے ہیں کہ سامنے اور پیچھے کی فلمیں مختلف ایپلی کیشنز کے لیے کس طرح موزوں ہیں۔
درج ذیل حصے مختلف گریفائٹ فلم کی موٹائیوں پر بحث کرتے ہیں جو اسٹیک شدہ گرافین کی تہوں کی تعداد کے لحاظ سے ہیں: (i) سنگل لیئر گرافین (SLG، 1 پرت)، (ii) چند پرت گرافین (FLG، <10 تہوں)، (iii) ملٹی لیئر گرافین ( MLG، 10-30 تہوں) اور (iv) NGF (~300 تہوں)۔ مؤخر الذکر سب سے عام موٹائی ہے جسے رقبہ کے فیصد کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے (تقریباً 97% رقبہ فی 100 µm2)30۔ اس لیے پوری فلم کو صرف این جی ایف کہا جاتا ہے۔
پولی کرسٹل لائن نکل فوائل جو گرافین اور گریفائٹ فلموں کی ترکیب کے لیے استعمال ہوتے ہیں ان کی تیاری اور بعد میں ہونے والی پروسیسنگ کے نتیجے میں ان کی ساخت مختلف ہوتی ہے۔ ہم نے حال ہی میں NGF30 کی ترقی کے عمل کو بہتر بنانے کے لیے ایک مطالعہ کی اطلاع دی۔ ہم یہ ظاہر کرتے ہیں کہ پروسیس پیرامیٹرز جیسے اینیلنگ ٹائم اور چیمبر پریشر ترقی کے مرحلے کے دوران یکساں موٹائی کے NGFs حاصل کرنے میں اہم کردار ادا کرتے ہیں۔ یہاں، ہم نے نکل فوائل (تصویر 1a) کی پالش شدہ فرنٹ (FS) اور غیر پالش شدہ بیک (BS) سطحوں پر NGF کی ترقی کی مزید تفتیش کی۔ FS اور BS کے تین قسم کے نمونوں کی جانچ کی گئی، جو جدول 1 میں درج ہیں۔ بصری معائنہ پر، نکل فوائل (NiAG) کے دونوں طرف NGF کی یکساں نشوونما کو ایک خصوصیت والی دھاتی چاندی سے بلک نی سبسٹریٹ کے رنگ کی تبدیلی سے دیکھا جا سکتا ہے۔ گرے سے میٹ گرے رنگ (تصویر 1a)؛ خوردبینی پیمائش کی تصدیق ہوگئی (تصویر 1b، c)۔ FS-NGF کا ایک عام رمن سپیکٹرم روشن خطے میں مشاہدہ کیا گیا اور شکل 1b میں سرخ، نیلے اور نارنجی تیروں سے اشارہ کیا گیا ہے، شکل 1c میں دکھایا گیا ہے۔ گریفائٹ G (1683 cm−1) اور 2D (2696 cm−1) کی خصوصیت والی رامن چوٹیاں انتہائی کرسٹل لائن NGF (تصویر 1c، ٹیبل SI1) کی ترقی کی تصدیق کرتی ہیں۔ پوری فلم میں، شدت کے تناسب (I2D/IG) ~ 0.3 کے ساتھ رمن سپیکٹرا کا غلبہ دیکھا گیا، جبکہ I2D/IG = 0.8 کے ساتھ رمن سپیکٹرا شاذ و نادر ہی دیکھا گیا۔ پوری فلم میں عیب دار چوٹیوں (D = 1350 cm-1) کی عدم موجودگی NGF کی ترقی کے اعلیٰ معیار کی نشاندہی کرتی ہے۔ اسی طرح کے رامان کے نتائج BS-NGF نمونے پر حاصل کیے گئے تھے (شکل SI1 a اور b، Table SI1)۔
NiAG FS- اور BS-NGF کا موازنہ: (a) ایک عام NGF (NiAG) نمونے کی تصویر جس میں NGF کی نمو کو ویفر اسکیل (55 cm2) پر دکھایا گیا ہے اور اس کے نتیجے میں BS- اور FS-Ni ورق کے نمونے، (b) FS-NGF آپٹیکل مائیکروسکوپ کے ذریعے حاصل کردہ امیجز/نی، (c) مخصوص رمن سپیکٹرا پینل b میں مختلف پوزیشنوں پر ریکارڈ کیا گیا، (d، f) FS-NGF/Ni پر مختلف میگنیفیکیشنز پر SEM امیجز، (e، g) SEM امیجز مختلف میگنیفیکیشنز پر BS -NGF/Ni سیٹ کرتا ہے۔ نیلا تیر FLG ریجن کی نشاندہی کرتا ہے، نارنجی تیر MLG ریجن (FLG ریجن کے قریب) کی نشاندہی کرتا ہے، سرخ تیر NGF ریجن کی نشاندہی کرتا ہے، اور مینجٹا تیر فولڈ کی نشاندہی کرتا ہے۔
چونکہ ترقی کا انحصار ابتدائی سبسٹریٹ کی موٹائی، کرسٹل سائز، واقفیت، اور اناج کی حدود پر ہوتا ہے، اس لیے بڑے علاقوں پر NGF موٹائی کا معقول کنٹرول حاصل کرنا ایک چیلنج 20,34,44 ہے۔ اس مطالعے میں ایسے مواد کا استعمال کیا گیا ہے جو ہم نے پہلے شائع کیا تھا30۔ یہ عمل 0.1 سے 3% فی 100 µm230 کا روشن خطہ پیدا کرتا ہے۔ مندرجہ ذیل حصوں میں، ہم دونوں قسم کے علاقوں کے نتائج پیش کرتے ہیں۔ ہائی میگنیفیکیشن SEM امیجز دونوں اطراف میں کئی روشن کنٹراسٹ ایریاز کی موجودگی کو ظاہر کرتی ہیں (تصویر 1f,g)، FLG اور MLG ریجنز 30,45 کی موجودگی کی نشاندہی کرتی ہیں۔ اس کی تصدیق رامن سکیٹرنگ (تصویر 1 سی) اور ٹی ای ایم کے نتائج سے بھی ہوئی (بعد میں سیکشن "FS-NGF: ساخت اور خصوصیات" میں بحث کی گئی)۔ FS- اور BS-NGF/Ni کے نمونوں پر مشاہدہ کیا گیا FLG اور MLG ریجنز (Ni پر اگائے جانے والے سامنے اور پیچھے NGF) 22,30,45 سے پہلے کی اینیلنگ کے دوران بننے والے بڑے Ni(111) دانوں پر بڑھ سکتے ہیں۔ دونوں طرف فولڈنگ کا مشاہدہ کیا گیا (تصویر 1b، جامنی رنگ کے تیروں سے نشان زد)۔ گریفائٹ اور نکل سبسٹریٹ 30,38 کے درمیان تھرمل توسیع کے گتانک میں بڑے فرق کی وجہ سے یہ تہہ اکثر CVD سے تیار کردہ گرافین اور گریفائٹ فلموں میں پائے جاتے ہیں۔
AFM امیج نے تصدیق کی کہ FS-NGF نمونہ BS-NGF نمونے (Figure SI1) (Figure SI2) سے زیادہ چاپلوس تھا۔ FS-NGF/Ni (Fig. SI2c) اور BS-NGF/Ni (تصویر SI2d) کی جڑ کا اوسط مربع (RMS) کھردری قدریں بالترتیب 82 اور 200 nm ہیں (20 × کے رقبے پر ماپا جاتا ہے۔ 20 μm2)۔ اعلی کھردری کو بطور موصول شدہ حالت (فگر SI3) میں نکل (NiAR) ورق کے سطحی تجزیہ کی بنیاد پر سمجھا جا سکتا ہے۔ FS اور BS-NiAR کی SEM تصاویر کو SI3a–d میں دکھایا گیا ہے، جو سطح کی مختلف شکلوں کا مظاہرہ کرتے ہیں: پالش شدہ FS-Ni فوائل میں نینو- اور مائکرون سائز کے کروی ذرات ہوتے ہیں، جبکہ غیر پولش شدہ BS-Ni ورق پیداواری سیڑھی کی نمائش کرتا ہے۔ اعلی طاقت کے ساتھ ذرات کے طور پر. اور کمی. اینیلڈ نکل فوائل (NiA) کی کم اور اعلی ریزولیوشن والی تصاویر کو شکل SI3e–h میں دکھایا گیا ہے۔ ان اعداد و شمار میں، ہم نکل فوائل (تصویر SI3e–h) کے دونوں اطراف میں کئی مائکرون سائز کے نکل کے ذرات کی موجودگی کا مشاہدہ کر سکتے ہیں۔ بڑے دانوں میں نی (111) سطح کی واقفیت ہوسکتی ہے، جیسا کہ پہلے بتایا گیا تھا 30,46۔ FS-NiA اور BS-NiA کے درمیان نکل فوائل مورفولوجی میں نمایاں فرق ہیں۔ BS-NGF/Ni کی زیادہ کھردری BS-NiAR کی غیر پولش شدہ سطح کی وجہ سے ہے، جس کی سطح اینیلنگ کے بعد بھی نمایاں طور پر کھردری رہتی ہے (شکل SI3)۔ ترقی کے عمل سے پہلے اس قسم کی سطح کی خصوصیات گرافین اور گریفائٹ فلموں کی کھردری کو کنٹرول کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ واضح رہے کہ اصل سبسٹریٹ میں گرافین کی افزائش کے دوران کچھ اناج کی تنظیم نو ہوئی، جس سے اناج کے سائز میں قدرے کمی واقع ہوئی اور اینیلڈ فوائل اور کیٹالسٹ فلم22 کے مقابلے میں سبسٹریٹ کی سطح کی کھردری میں کچھ حد تک اضافہ ہوا۔
سبسٹریٹ کی سطح کی کھردری، اینیلنگ ٹائم (گرین سائز) 30,47 اور ریلیز کنٹرول43 کو ٹھیک کرنے سے علاقائی NGF موٹائی کی یکسانیت کو µm2 اور/یا یہاں تک کہ nm2 پیمانے پر کم کرنے میں مدد ملے گی (یعنی چند نینو میٹر کی موٹائی کی مختلف حالتیں)۔ سبسٹریٹ کی سطح کی کھردری کو کنٹرول کرنے کے لیے، نتیجے میں نکلنے والے ورق کو الیکٹرولائٹک پالش کرنے کے طریقوں پر غور کیا جا سکتا ہے۔ اس کے بعد پہلے سے تیار شدہ نکل فوائل کو کم درجہ حرارت (<900 °C) 46 اور وقت (<5 منٹ) پر اینیل کیا جا سکتا ہے تاکہ بڑے Ni(111) دانوں کی تشکیل سے بچا جا سکے (جو FLG کی نشوونما کے لیے فائدہ مند ہے)۔
SLG اور FLG گرافین تیزاب اور پانی کی سطح کے تناؤ کو برداشت کرنے سے قاصر ہے، گیلے کیمیائی منتقلی کے عمل کے دوران مکینیکل سپورٹ لیئرز کی ضرورت ہوتی ہے 22,34,38۔ پولیمر سپورٹ شدہ سنگل لیئر گرافین 38 کی گیلے کیمیکل ٹرانسفر کے برعکس، ہم نے پایا کہ NGF کے دونوں اطراف کو پولیمر سپورٹ کے بغیر منتقل کیا جا سکتا ہے، جیسا کہ شکل 2a میں دکھایا گیا ہے (مزید تفصیلات کے لیے تصویر SI4a دیکھیں)۔ دیے گئے سبسٹریٹ میں NGF کی منتقلی زیرنی Ni30.49 فلم کی گیلی اینچنگ سے شروع ہوتی ہے۔ اگائے گئے NGF/Ni/NGF کے نمونے راتوں رات 70% HNO3 کے 15 ملی لیٹر میں 600 ملی لیٹر ڈی آئنائزڈ (DI) پانی میں ڈالے گئے تھے۔ Ni ورق مکمل طور پر تحلیل ہونے کے بعد، FS-NGF چپٹا رہتا ہے اور مائع کی سطح پر تیرتا رہتا ہے، بالکل NGF/Ni/NGF نمونے کی طرح، جبکہ BS-NGF پانی میں ڈوبا جاتا ہے (تصویر 2a،b)۔ اس کے بعد الگ تھلگ این جی ایف کو ایک بیکر سے دوسرے بیکر میں منتقل کیا گیا جس میں تازہ ڈیونائزڈ پانی تھا اور الگ تھلگ این جی ایف کو اچھی طرح سے دھویا گیا، مقعد شیشے کی ڈش کے ذریعے چار سے چھ بار دہرایا گیا۔ آخر میں، FS-NGF اور BS-NGF کو مطلوبہ سبسٹریٹ (تصویر 2c) پر رکھا گیا۔
نکل فوائل پر اگائے جانے والے این جی ایف کے لیے پولیمر سے پاک گیلے کیمیکل کی منتقلی کا عمل: (a) عمل کے بہاؤ کا خاکہ (مزید تفصیلات کے لیے تصویر SI4 دیکھیں)، (b) نی ایچنگ کے بعد الگ کیے گئے NGF کی ڈیجیٹل تصویر (2 نمونے)، (c) مثال FS - اور BS-NGF کی منتقلی SiO2/Si سبسٹریٹ میں، (d) FS-NGF کو مبہم پولیمر سبسٹریٹ میں منتقلی، (e) BS-NGF اسی نمونے سے پینل ڈی (دو حصوں میں تقسیم)، گولڈ چڑھایا C پیپر میں منتقل اور Nafion (لچکدار شفاف سبسٹریٹ، سرخ کونوں سے نشان زد کناروں)۔
نوٹ کریں کہ گیلے کیمیکل منتقلی کے طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے SLG کی منتقلی کے لیے کل 20-24 گھنٹے 38 پروسیسنگ کا وقت درکار ہوتا ہے۔ پولیمر فری ٹرانسفر تکنیک کے ساتھ جو یہاں دکھایا گیا ہے (شکل SI4a)، مجموعی طور پر NGF ٹرانسفر پروسیسنگ کا وقت نمایاں طور پر کم ہو گیا ہے (تقریباً 15 گھنٹے)۔ عمل پر مشتمل ہے: (مرحلہ 1) ایک اینچنگ سلوشن تیار کریں اور اس میں نمونہ رکھیں (~10 منٹ)، پھر رات بھر نی ایچنگ کے لیے انتظار کریں (~7200 منٹ)، (مرحلہ 2) ڈیونائزڈ پانی سے کللا کریں (مرحلہ – 3) . ڈیونائزڈ پانی میں ذخیرہ کریں یا ٹارگٹ سبسٹریٹ (20 منٹ) میں منتقل کریں۔ این جی ایف اور بلک میٹرکس کے درمیان پھنسے ہوئے پانی کو کیپلیری ایکشن (بلاٹنگ پیپر کا استعمال کرتے ہوئے) 38 کے ذریعے نکالا جاتا ہے، پھر باقی پانی کی بوندوں کو قدرتی خشک کرنے کے ذریعے (تقریباً 30 منٹ) نکال دیا جاتا ہے، اور آخر میں نمونے کو 10 منٹ تک خشک کیا جاتا ہے۔ ویکیوم اوون (10–1 mbar) میں 50–90 °C (60 منٹ) 38 پر منٹ۔
گریفائٹ کافی زیادہ درجہ حرارت (≥ 200 ° C) 50,51,52 پر پانی اور ہوا کی موجودگی کو برداشت کرنے کے لیے جانا جاتا ہے۔ ہم نے کمرے کے درجہ حرارت پر ڈیونائزڈ پانی اور مہر بند بوتلوں میں کچھ دنوں سے ایک سال تک ذخیرہ کرنے کے بعد رامان سپیکٹروسکوپی، SEM، اور XRD کا استعمال کرتے ہوئے نمونوں کا تجربہ کیا (شکل SI4)۔ کوئی قابل ذکر تنزلی نہیں ہے۔ شکل 2c ڈیونائزڈ پانی میں فری اسٹینڈنگ FS-NGF اور BS-NGF دکھاتا ہے۔ ہم نے انہیں SiO2 (300 nm)/Si سبسٹریٹ پر پکڑا، جیسا کہ شکل 2c کے آغاز میں دکھایا گیا ہے۔ مزید برآں، جیسا کہ شکل 2d،e میں دکھایا گیا ہے، مسلسل NGF کو مختلف ذیلی جگہوں میں منتقل کیا جا سکتا ہے جیسے پولیمر (Nexolve اور Nafion سے Thermabright polyamide) اور گولڈ لیپت کاربن پیپر۔ تیرتا ہوا FS-NGF آسانی سے ٹارگٹ سبسٹریٹ پر رکھا گیا تھا (تصویر 2c، d)۔ تاہم، 3 cm2 سے بڑے BS-NGF کے نمونے جب مکمل طور پر پانی میں ڈوبے ہوئے تھے تو ان کو سنبھالنا مشکل تھا۔ عام طور پر، جب وہ پانی میں لڑھکنے لگتے ہیں، لاپرواہی سے ہینڈلنگ کی وجہ سے وہ کبھی کبھی دو یا تین حصوں میں ٹوٹ جاتے ہیں (تصویر 2e)۔ مجموعی طور پر، ہم علاقے میں بالترتیب 6 اور 3 cm2 تک کے نمونوں کے لیے PS- اور BS-NGF کی پولیمر فری ٹرانسفر (NGF/Ni/NGF کی ترقی کے بغیر 6 cm2 پر مسلسل ہموار منتقلی) حاصل کرنے میں کامیاب رہے۔ کوئی بھی بقیہ بڑا یا چھوٹا ٹکڑا مطلوبہ سبسٹریٹ پر (آسانی سے اینچنگ سلوشن یا ڈیونائزڈ پانی میں دیکھا جا سکتا ہے) (~1 ملی میٹر 2، شکل SI4b، کاپر گرڈ میں منتقل کیا گیا نمونہ دیکھیں جیسا کہ "FS-NGF: ساخت اور خصوصیات ( زیر بحث) "سٹرکچر اور پراپرٹیز" کے تحت) یا مستقبل کے استعمال کے لیے اسٹور (شکل SI4)۔ اس معیار کی بنیاد پر، ہم اندازہ لگاتے ہیں کہ NGF کو 98-99% تک (منتقلی میں اضافے کے بعد) کی پیداوار میں بازیافت کیا جا سکتا ہے۔
پولیمر کے بغیر منتقلی کے نمونوں کا تفصیل سے تجزیہ کیا گیا۔ آپٹیکل مائیکروسکوپی (OM) اور SEM امیجز (تصویر SI5 اور تصویر 3) کا استعمال کرتے ہوئے FS- اور BS-NGF/SiO2/Si (تصویر 2c) پر حاصل کردہ سطحی شکل کی خصوصیات نے ظاہر کیا کہ یہ نمونے بغیر مائیکروسکوپی کے منتقل کیے گئے تھے۔ مرئی ساختی نقصان جیسے دراڑیں، سوراخ، یا غیر رول شدہ علاقے۔ بڑھتے ہوئے NGF پر تہہ (تصویر 3b، d، جامنی رنگ کے تیروں سے نشان زد) منتقلی کے بعد برقرار رہے۔ FS- اور BS-NGFs دونوں FLG علاقوں پر مشتمل ہیں (شکل 3 میں نیلے رنگ کے تیروں سے ظاہر ہونے والے روشن علاقے)۔ حیرت کی بات یہ ہے کہ الٹراتھین گریفائٹ فلموں کی پولیمر ٹرانسفر کے دوران عام طور پر مشاہدہ کیے گئے چند نقصان زدہ علاقوں کے برعکس، NGF سے جڑنے والے کئی مائکرون سائز کے FLG اور MLG ریجنز (شکل 3d میں نیلے رنگ کے تیروں سے نشان زد) بغیر کسی شگاف یا وقفے کے منتقل کیے گئے تھے (شکل 3d) . 3)۔ . لیس کاربن کاپر گرڈز پر منتقل کی گئی NGF کی TEM اور SEM امیجز کا استعمال کرتے ہوئے مکینیکل سالمیت کی مزید تصدیق کی گئی، جیسا کہ بعد میں بحث کی گئی ہے ("FS-NGF: ساخت اور پراپرٹیز")۔ منتقل شدہ BS-NGF/SiO2/Si بالترتیب 140 nm اور 17 nm کی rms اقدار کے ساتھ FS-NGF/SiO2/Si سے زیادہ سخت ہے، جیسا کہ شکل SI6a اور b (20 × 20 μm2) میں دکھایا گیا ہے۔ SiO2/Si سبسٹریٹ (RMS <2 nm) پر منتقل ہونے والی NGF کی RMS ویلیو Ni (Figure SI2) پر اگائے جانے والے NGF کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم (تقریباً 3 گنا) ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ اضافی کھردری Ni سطح سے مطابقت رکھتی ہے۔ اس کے علاوہ، FS- اور BS-NGF/SiO2/Si نمونوں کے کناروں پر کی گئی AFM تصاویر نے بالترتیب 100 اور 80 nm کی NGF موٹائی ظاہر کی (تصویر SI7)۔ BS-NGF کی چھوٹی موٹائی اس وجہ سے ہوسکتی ہے کہ سطح براہ راست پیشگی گیس کے سامنے نہیں آتی ہے۔
SiO2/Si wafer پر پولیمر کے بغیر منتقل کیا گیا NGF (NiAG) (تصویر 2c دیکھیں): (a,b) منتقل شدہ FS-NGF کی SEM تصاویر: کم اور زیادہ میگنیفیکیشن (پینل میں نارنجی مربع کے مطابق)۔ عام علاقے) – a)۔ (c,d) منتقل شدہ BS-NGF کی SEM تصاویر: کم اور زیادہ میگنیفیکیشن (پینل c میں نارنجی مربع کے ذریعہ دکھائے گئے مخصوص علاقے کے مطابق)۔ (e، f) منتقل شدہ FS- اور BS-NGFs کی AFM تصاویر۔ نیلا تیر FLG خطے کی نمائندگی کرتا ہے - روشن کنٹراسٹ، سائین ایرو - سیاہ MLG کنٹراسٹ، سرخ تیر - سیاہ کنٹراسٹ NGF ریجن کی نمائندگی کرتا ہے، مینجٹا تیر فولڈ کی نمائندگی کرتا ہے۔
بڑھے ہوئے اور منتقل کیے گئے FS- اور BS-NGFs کی کیمیائی ساخت کا تجزیہ ایکس رے فوٹو الیکٹران سپیکٹروسکوپی (XPS) (تصویر 4) کے ذریعے کیا گیا۔ ناپے ہوئے سپیکٹرا (تصویر 4a، b) میں ایک کمزور چوٹی دیکھی گئی، جو اگائے گئے FS- اور BS-NGFs (NiAG) کے Ni سبسٹریٹ (850 eV) کے مساوی تھی۔ منتقل شدہ FS- اور BS-NGF/SiO2/Si (تصویر 4c؛ BS-NGF/SiO2/Si کے لیے ملتے جلتے نتائج نہیں دکھائے گئے ہیں) کے ماپا سپیکٹرا میں کوئی چوٹی نہیں ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ منتقلی کے بعد کوئی بقایا Ni آلودگی نہیں ہے۔ . اعداد و شمار 4d–f FS-NGF/SiO2/Si کے C 1 s, O 1 s اور Si 2p توانائی کی سطحوں کے اعلی ریزولوشن سپیکٹرا کو ظاہر کرتے ہیں۔ گریفائٹ کے C 1 s کی پابند توانائی 284.4 eV53.54 ہے۔ گریفائٹ چوٹیوں کی لکیری شکل کو عام طور پر غیر متناسب سمجھا جاتا ہے، جیسا کہ شکل 4d54 میں دکھایا گیا ہے۔ ہائی ریزولوشن کور لیول C 1 s سپیکٹرم (تصویر 4d) نے بھی خالص منتقلی کی تصدیق کی ہے (یعنی پولیمر کی باقیات نہیں ہیں) جو کہ پچھلے مطالعات سے مطابقت رکھتی ہے۔ تازہ اگائے گئے نمونے (NiAG) کے C 1 s سپیکٹرا کی لائن وِڈتھ اور ٹرانسفر کے بعد بالترتیب 0.55 اور 0.62 eV ہیں۔ یہ قدریں SLG سے زیادہ ہیں (SiO2 سبسٹریٹ پر SLG کے لیے 0.49 eV)38۔ تاہم، یہ قدریں انتہائی پر مبنی پائرولٹک گرافین کے نمونوں (~0.75 eV)53,54,55 کے لیے پہلے کی اطلاع کردہ لائن وڈتھس سے چھوٹی ہیں، جو موجودہ مواد میں کاربن کی خراب جگہوں کی عدم موجودگی کی نشاندہی کرتی ہیں۔ C1 s اور O 1 s گراؤنڈ لیول سپیکٹرا میں بھی کندھوں کی کمی ہے، جس سے ہائی ریزولوشن چوٹی deconvolution54 کی ضرورت ختم ہو جاتی ہے۔ 291.1 eV کے ارد گرد ایک π → π* سیٹلائٹ چوٹی ہے، جو اکثر گریفائٹ کے نمونوں میں دیکھی جاتی ہے۔ Si 2p اور O 1 s بنیادی سطح کے سپیکٹرا میں 103 eV اور 532.5 eV سگنلز (تصویر 4e، f دیکھیں) بالترتیب SiO2 56 سبسٹریٹ سے منسوب ہیں۔ XPS سطح کے لحاظ سے حساس تکنیک ہے، اس لیے NGF منتقلی سے پہلے اور بعد میں بالترتیب پائے جانے والے Ni اور SiO2 سے مماثل سگنلز FLG کے علاقے سے نکلتے ہیں۔ اسی طرح کے نتائج منتقل کیے گئے BS-NGF نمونوں کے لیے دیکھے گئے (نہیں دکھایا گیا)۔
NiAG XPS کے نتائج: (ac) بالترتیب FS-NGF/Ni, BS-NGF/Ni اور منتقل شدہ FS-NGF/SiO2/Si کے مختلف عنصری جوہری مرکبات کے سروے کے سپیکٹرا۔ (d–f) FS-NGF/SiO2/Si نمونے کی بنیادی سطحوں C 1 s, O 1s اور Si 2p کا ہائی ریزولوشن سپیکٹرا۔
منتقل شدہ NGF کرسٹل کے مجموعی معیار کا اندازہ ایکس رے ڈفریکشن (XRD) کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا۔ منتقل شدہ FS- اور BS-NGF/SiO2/Si کے مخصوص XRD پیٹرن (تصویر SI8) گریفائٹ کی طرح 26.6° اور 54.7° پر پھیلاؤ کی چوٹیوں (0 0 0 2) اور (0 0 0 4) کی موجودگی کو ظاہر کرتے ہیں۔ . یہ NGF کے اعلی کرسٹل لائن کوالٹی کی تصدیق کرتا ہے اور d = 0.335 nm کے انٹر لیئر فاصلے کے مساوی ہے، جسے منتقلی کے مرحلے کے بعد برقرار رکھا جاتا ہے۔ پھیلاؤ کی چوٹی (0 0 0 2) کی شدت پھیلاؤ کی چوٹی (0 0 0 4) سے تقریباً 30 گنا زیادہ ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ NGF کرسٹل طیارہ نمونے کی سطح کے ساتھ اچھی طرح سے جڑا ہوا ہے۔
SEM، رامن سپیکٹروسکوپی، XPS اور XRD کے نتائج کے مطابق، BS-NGF/Ni کا معیار FS-NGF/Ni جیسا ہی پایا گیا، حالانکہ اس کا rms کھردرا پن قدرے زیادہ تھا (اعداد و شمار SI2, SI5) اور SI7)۔
200 nm تک موٹی پولیمر سپورٹ لیئرز کے ساتھ SLGs پانی پر تیر سکتے ہیں۔ یہ سیٹ اپ عام طور پر پولیمر کی مدد سے گیلے کیمیائی منتقلی کے عمل میں استعمال ہوتا ہے 22,38۔ گرافین اور گریفائٹ ہائیڈروفوبک ہیں (گیلا زاویہ 80–90°) 57۔ گرافین اور FLG دونوں کی ممکنہ توانائی کی سطحیں کافی فلیٹ ہونے کی اطلاع دی گئی ہے، سطح پر پانی کی پس منظر کی حرکت کے لیے کم ممکنہ توانائی (~ 1 kJ/mol) کے ساتھ۔ تاہم، گرافین اور گرافین کی تین تہوں کے ساتھ پانی کی تعامل کی حسابی توانائیاں بالترتیب تقریباً −13 اور −15 kJ/mol,58 ہیں، یہ ظاہر کرتی ہیں کہ NGF (تقریباً 300 تہوں) کے ساتھ پانی کا تعامل گرافین کے مقابلے کم ہے۔ یہ ایک وجہ ہو سکتی ہے کہ فری اسٹینڈنگ این جی ایف پانی کی سطح پر چپٹا رہتا ہے، جبکہ فری اسٹینڈنگ گرافین (جو پانی میں تیرتا ہے) گھماؤ اور ٹوٹ جاتا ہے۔ جب NGF مکمل طور پر پانی میں ڈوبا جاتا ہے (نتائج کھردرے اور چپٹے NGF کے لیے ایک جیسے ہوتے ہیں)، اس کے کنارے جھک جاتے ہیں (شکل SI4)۔ مکمل ڈوبنے کی صورت میں، یہ توقع کی جاتی ہے کہ NGF-پانی کے تعامل کی توانائی تقریباً دوگنی ہو جائے گی (تیرتے ہوئے NGF کے مقابلے میں) اور یہ کہ NGF کے کنارے ایک اعلی رابطہ زاویہ (ہائیڈرو فوبیسٹی) کو برقرار رکھنے کے لیے فولڈ ہو جائیں گے۔ ہمارا ماننا ہے کہ ایمبیڈڈ NGFs کے کناروں کو کرلنگ سے بچنے کے لیے حکمت عملی تیار کی جا سکتی ہے۔ ایک نقطہ نظر یہ ہے کہ مخلوط سالوینٹس کا استعمال گریفائٹ فلم 59 کے گیلے ہونے والے ردعمل کو ماڈیول کرنے کے لیے کیا جائے۔
گیلے کیمیائی منتقلی کے عمل کے ذریعے مختلف قسم کے ذیلی ذخیروں میں SLG کی منتقلی کی اطلاع پہلے دی جا چکی ہے۔ یہ عام طور پر قبول کیا جاتا ہے کہ گریفین/ گریفائٹ فلموں اور سبسٹریٹس کے درمیان کمزور وین ڈیر والز قوتیں موجود ہیں (وہ سخت سبسٹریٹس جیسے SiO2/Si38,41,46,60, SiC38, Au42, Si pillers22 اور lacy carbon films30, 34 یا لچکدار سبسٹریٹس ہوں۔ جیسے پولیمائیڈ 37)۔ یہاں ہم فرض کرتے ہیں کہ ایک ہی قسم کے تعاملات غالب ہیں۔ ہم نے مکینیکل ہینڈلنگ کے دوران یہاں پیش کیے گئے کسی بھی ذیلی ذخیرے کے لیے NGF کے کسی نقصان یا چھیلنے کا مشاہدہ نہیں کیا (خلا اور/یا ماحولیاتی حالات کے تحت یا اسٹوریج کے دوران) (مثال کے طور پر، شکل 2، SI7 اور SI9)۔ اس کے علاوہ، ہم نے NGF/SiO2/Si نمونے (تصویر 4) کی بنیادی سطح کے XPS C 1 s سپیکٹرم میں SiC چوٹی کا مشاہدہ نہیں کیا۔ یہ نتائج بتاتے ہیں کہ NGF اور ٹارگٹ سبسٹریٹ کے درمیان کوئی کیمیائی بانڈ نہیں ہے۔
پچھلے حصے میں، "FS- اور BS-NGF کی پولیمر فری ٹرانسفر،" ہم نے یہ ظاہر کیا کہ NGF نکل فوائل کے دونوں طرف بڑھ سکتا ہے اور منتقل ہو سکتا ہے۔ یہ FS-NGFs اور BS-NGFs سطح کی کھردری کے لحاظ سے یکساں نہیں ہیں، جس نے ہمیں ہر قسم کے لیے موزوں ترین ایپلی کیشنز تلاش کرنے پر آمادہ کیا۔
FS-NGF کی شفافیت اور ہموار سطح پر غور کرتے ہوئے، ہم نے اس کی مقامی ساخت، نظری اور برقی خصوصیات کا مزید تفصیل سے مطالعہ کیا۔ پولیمر ٹرانسفر کے بغیر FS-NGF کی ساخت اور ساخت ٹرانسمیشن الیکٹران مائیکروسکوپی (TEM) امیجنگ اور منتخب ایریا الیکٹران ڈفریکشن (SAED) پیٹرن کے تجزیہ سے نمایاں تھی۔ متعلقہ نتائج شکل 5 میں دکھائے گئے ہیں۔ کم میگنیفیکیشن پلانر TEM امیجنگ نے مختلف الیکٹران کنٹراسٹ خصوصیات کے ساتھ NGF اور FLG علاقوں کی موجودگی کا انکشاف کیا، یعنی بالترتیب گہرے اور روشن علاقے (تصویر 5a)۔ فلم مجموعی طور پر NGF اور FLG کے مختلف خطوں کے درمیان اچھی مکینیکل سالمیت اور استحکام کی نمائش کرتی ہے، جس میں اچھے اوورلیپ اور کوئی نقصان یا پھاڑ نہیں ہوتا، جس کی تصدیق SEM (شکل 3) اور اعلی میگنیفیکیشن TEM اسٹڈیز (Figure 5c-e) سے بھی ہوتی ہے۔ خاص طور پر، تصویر میں۔ شکل 5d پل کے ڈھانچے کو اس کے سب سے بڑے حصے پر دکھاتا ہے (تصویر 5d میں سیاہ نقطے والے تیر سے نشان زد پوزیشن)، جس کی خصوصیت ایک تکونی شکل سے ہوتی ہے اور تقریباً 51 کی چوڑائی والی گرافین کی تہہ پر مشتمل ہوتی ہے۔ 0.33 ± 0.01 nm کے انٹرپلانر اسپیسنگ والی کمپوزیشن کو مزید تنگ ترین علاقے میں گرافین کی کئی تہوں تک کم کر دیا گیا ہے (شکل 5 ڈی میں ٹھوس سیاہ تیر کا اختتام)۔
کاربن لیسی کاپر گرڈ پر پولیمر فری NiAG نمونے کی پلانر TEM امیج: (a، b) کم میگنیفیکیشن TEM امیجز بشمول NGF اور FLG ریجنز، (ce) پینل-اے اور پینل-بی میں مختلف علاقوں کی ہائی میگنیفیکیشن امیجز ہیں۔ ایک ہی رنگ کے نشان زدہ تیر۔ پینلز a اور c میں سبز تیر بیم کی سیدھ کے دوران نقصان کے سرکلر علاقوں کی نشاندہی کرتے ہیں۔ (f–i) پینلز a سے c میں، مختلف خطوں میں SAED پیٹرن بالترتیب نیلے، نیلے، نارنجی، اور سرخ حلقوں سے ظاہر ہوتے ہیں۔
شکل 5c میں ربن کا ڈھانچہ (سرخ تیر سے نشان زد) گریفائٹ جالی طیاروں کی عمودی واقفیت کو ظاہر کرتا ہے، جو فلم کے ساتھ نینو فولڈز کی تشکیل کی وجہ سے ہو سکتا ہے (شکل 5c میں انسیٹ) اضافی غیر معاوضہ قینچ کے دباؤ کی وجہ سے ہو سکتا ہے30,61,62 . ہائی ریزولوشن TEM کے تحت، یہ نینو فولڈ 30 باقی NGF خطے سے مختلف کرسٹللوگرافک واقفیت کی نمائش کرتے ہیں۔ گریفائٹ جالی کے بیسل طیارے باقی فلم کی طرح افقی طور پر بجائے تقریباً عمودی طور پر مبنی ہوتے ہیں (شکل 5c میں انسیٹ)۔ اسی طرح، FLG خطہ کبھی کبھار لکیری اور تنگ بینڈ نما تہوں کی نمائش کرتا ہے (نیلے تیروں سے نشان زد)، جو بالترتیب اعداد و شمار 5b، 5e میں کم اور درمیانے درجے پر ظاہر ہوتے ہیں۔ شکل 5e میں انسیٹ FLG سیکٹر میں دو اور تین پرتوں والی گرافین تہوں کی موجودگی کی تصدیق کرتا ہے (انٹرپلنر فاصلہ 0.33 ± 0.01 nm)، جو کہ ہمارے پچھلے نتائج30 کے ساتھ اچھے موافق ہے۔ مزید برآں، لیسی کاربن فلموں کے ساتھ تانبے کے گرڈ پر منتقل شدہ پولیمر فری NGF کی ریکارڈ شدہ SEM تصاویر (ٹاپ ویو TEM پیمائش کرنے کے بعد) کو شکل SI9 میں دکھایا گیا ہے۔ اچھی طرح سے معطل شدہ FLG علاقہ (نیلے تیر سے نشان زد) اور شکل SI9f میں ٹوٹا ہوا علاقہ۔ نیلے رنگ کا تیر (منتقل شدہ NGF کے کنارے پر) جان بوجھ کر یہ ظاہر کرنے کے لیے پیش کیا گیا ہے کہ FLG خطہ پولیمر کے بغیر منتقلی کے عمل کی مزاحمت کر سکتا ہے۔ خلاصہ طور پر، یہ تصاویر اس بات کی تصدیق کرتی ہیں کہ جزوی طور پر معطل NGF (بشمول FLG خطہ) TEM اور SEM پیمائش (شکل SI9) کے دوران سخت ہینڈلنگ اور ہائی ویکیوم کی نمائش کے بعد بھی مکینیکل سالمیت کو برقرار رکھتا ہے۔
NGF کی عمدہ چپٹی کی وجہ سے (شکل 5a دیکھیں)، SAED ڈھانچے کا تجزیہ کرنے کے لیے [0001] ڈومین محور کے ساتھ فلیکس کو سمت دینا مشکل نہیں ہے۔ فلم کی مقامی موٹائی اور اس کے مقام پر منحصر ہے، الیکٹران کے پھیلاؤ کے مطالعے کے لیے دلچسپی کے کئی علاقوں (12 پوائنٹس) کی نشاندہی کی گئی۔ اعداد و شمار 5a–c میں، ان میں سے چار مخصوص علاقوں کو رنگین حلقوں (نیلے، سائین، نارنجی، اور سرخ کوڈڈ) کے ساتھ دکھایا اور نشان زد کیا گیا ہے۔ SAED موڈ کے لیے اعداد و شمار 2 اور 3۔ اعداد و شمار 5f اور g کو اعداد و شمار 5 اور 5 میں دکھائے گئے FLG خطے سے حاصل کیا گیا تھا۔ جیسا کہ اعداد و شمار 5b اور c میں بالترتیب دکھایا گیا ہے۔ ان کا مسدس ڈھانچہ بٹی ہوئی گرافین 63 کی طرح ہے۔ خاص طور پر، شکل 5f [0001] زون محور کی ایک ہی سمت کے ساتھ تین سپرمپوزڈ پیٹرن دکھاتا ہے، جو 10° اور 20° سے گھمایا جاتا ہے، جیسا کہ (10-10) عکاسیوں کے تین جوڑوں کی کونیی مماثلت سے ظاہر ہوتا ہے۔ اسی طرح، شکل 5g 20° سے گھومنے والے دو سپر امپوزڈ ہیکساگونل پیٹرن دکھاتا ہے۔ FLG خطہ میں مسدس نمونوں کے دو یا تین گروہ تین جہاز کے اندر یا جہاز سے باہر گرافین کی تہوں سے پیدا ہو سکتے ہیں 33 ایک دوسرے کے نسبت سے گھومے ہوئے ہیں۔ اس کے برعکس، شکل 5h،i میں الیکٹران کے پھیلاؤ کے پیٹرن (شکل 5a میں دکھائے گئے NGF خطے کے مطابق) زیادہ مواد کی موٹائی کے مطابق، مجموعی طور پر اعلی نقطہ کے پھیلاؤ کی شدت کے ساتھ ایک واحد [0001] پیٹرن دکھاتے ہیں۔ یہ SAED ماڈلز FLG سے زیادہ موٹے گرافیٹک ڈھانچے اور درمیانی واقفیت سے مطابقت رکھتے ہیں، جیسا کہ انڈیکس 64 سے اندازہ لگایا گیا ہے۔ NGF کی کرسٹل لائن خصوصیات کی خصوصیت سے دو یا تین سپر امپوزڈ گریفائٹ (یا گرافین) کرسٹلائٹس کے بقائے باہمی کا پتہ چلتا ہے۔ FLG خطے میں جو چیز خاص طور پر قابل ذکر ہے وہ یہ ہے کہ کرسٹلائٹس میں ہوائی جہاز کے اندر یا ہوائی جہاز سے باہر غلط سمت کی ایک خاص حد ہوتی ہے۔ 17°، 22° اور 25° کے اندرونِ طیارہ گردش کے زاویوں کے ساتھ گریفائٹ کے ذرات/پرتیں پہلے نی 64 فلموں پر اگائے جانے والے NGF کے لیے رپورٹ کی جا چکی ہیں۔ اس مطالعے میں مشاہدہ کردہ گردشی زاویہ کی قدریں بٹی ہوئی BLG63 گرافین کے لیے پہلے سے مشاہدہ کیے گئے گردشی زاویوں (±1°) سے مطابقت رکھتی ہیں۔
NGF/SiO2/Si کی برقی خصوصیات کو 10×3 mm2 کے رقبے پر 300 K میں ناپا گیا۔ الیکٹران کیریئر کی حراستی، نقل و حرکت اور چالکتا کی قدریں بالترتیب 1.6 × 1020 cm-3، 220 cm2 V-1 C-1 اور 2000 S-cm-1 ہیں۔ ہمارے NGF کی نقل و حرکت اور چالکتا کی قدریں قدرتی گریفائٹ 2 سے ملتی جلتی ہیں اور تجارتی طور پر دستیاب انتہائی اورینٹڈ پائرولائٹک گریفائٹ (3000 °C پر تیار کردہ) 29 سے زیادہ ہیں۔ مشاہدہ شدہ الیکٹران کیریئر ارتکاز کی قدریں حال ہی میں رپورٹ کردہ (7.25 × 10 سینٹی میٹر-3) سے زیادہ شدت کے دو آرڈر ہیں جو اعلی درجہ حرارت (3200 ° C) پولیمائڈ شیٹس 20 کا استعمال کرتے ہوئے تیار مائکرون موٹی گریفائٹ فلموں کے لئے ہیں۔
ہم نے کوارٹج سبسٹریٹس (شکل 6) میں منتقل ہونے والے FS-NGF پر UV نظر آنے والی ترسیل کی پیمائش بھی کی۔ نتیجے میں آنے والا سپیکٹرم 350–800 nm کی حد میں تقریباً 62% کی مسلسل ترسیل کو ظاہر کرتا ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ NGF مرئی روشنی کے لیے پارباسی ہے۔ درحقیقت، نام "KAUST" کو شکل 6b میں نمونے کی ڈیجیٹل تصویر میں دیکھا جا سکتا ہے۔ اگرچہ NGF کا نانو کرسٹل لائن ڈھانچہ SLG سے مختلف ہے، لیکن تہوں کی تعداد کا اندازہ تقریباً 2.3% ٹرانسمیشن نقصان فی اضافی پرت 65 کے اصول کا استعمال کرتے ہوئے لگایا جا سکتا ہے۔ اس تعلق کے مطابق، 38% ٹرانسمیشن نقصان کے ساتھ گرافین کی تہوں کی تعداد 21 ہے۔ بڑھی ہوئی NGF بنیادی طور پر 300 گرافین تہوں پر مشتمل ہوتی ہے، یعنی تقریباً 100 nm موٹی (تصویر 1، SI5 اور SI7)۔ لہذا، ہم فرض کرتے ہیں کہ مشاہدہ شدہ نظری شفافیت FLG اور MLG علاقوں کے مساوی ہے، کیونکہ وہ پوری فلم میں تقسیم کیے گئے ہیں (تصویر 1، 3، 5 اور 6c)۔ مندرجہ بالا ساختی اعداد و شمار کے علاوہ، چالکتا اور شفافیت بھی منتقل شدہ NGF کے اعلی کرسٹل معیار کی تصدیق کرتی ہے۔
(a) UV نظر آنے والی ترسیل کی پیمائش، (b) نمائندہ نمونے کا استعمال کرتے ہوئے کوارٹج پر عام NGF منتقلی۔ (c) NGF (سیاہ خانہ) کا اسکیمیٹک جس میں یکساں طور پر تقسیم شدہ FLG اور MLG خطوں کو پورے نمونے میں سرمئی بے ترتیب شکلوں کے طور پر نشان زد کیا گیا ہے (شکل 1 دیکھیں) (تقریباً 0.1–3% رقبہ فی 100 μm2)۔ خاکہ میں بے ترتیب شکلیں اور ان کے سائز صرف مثالی مقاصد کے لیے ہیں اور اصل علاقوں سے مطابقت نہیں رکھتے۔
CVD کے ذریعے اگائے جانے والے پارباسی NGF کو پہلے ننگی سلیکون سطحوں پر منتقل کیا جا چکا ہے اور سولر سیلز15,16 میں استعمال کیا جا چکا ہے۔ نتیجے میں بجلی کی تبدیلی کی کارکردگی (PCE) 1.5% ہے۔ یہ این جی ایف متعدد کام انجام دیتے ہیں جیسے کہ ایکٹو کمپاؤنڈ لیئرز، چارج ٹرانسپورٹ پاتھ ویز، اور شفاف الیکٹروڈ15,16۔ تاہم، گریفائٹ فلم یکساں نہیں ہے۔ گریفائٹ الیکٹروڈ کی شیٹ ریزسٹنس اور آپٹیکل ٹرانسمیٹینس کو احتیاط سے کنٹرول کرتے ہوئے مزید اصلاح ضروری ہے، کیونکہ یہ دونوں خصوصیات سولر سیل کی PCE ویلیو 15,16 کا تعین کرنے میں اہم کردار ادا کرتی ہیں۔ عام طور پر، گرافین فلمیں نظر آنے والی روشنی کے لیے 97.7% شفاف ہوتی ہیں، لیکن ان کی شیٹ مزاحمت 200–3000 اوہم/sq.16 ہوتی ہے۔ گرافین فلموں کی سطح کی مزاحمت کو تہوں کی تعداد میں اضافہ (گرافین تہوں کی ایک سے زیادہ منتقلی) اور HNO3 (~30 Ohm/sq.)66 کے ساتھ ڈوپنگ کے ذریعے کم کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، اس عمل میں کافی وقت لگتا ہے اور منتقلی کی مختلف پرتیں ہمیشہ اچھا رابطہ برقرار نہیں رکھتیں۔ ہمارے فرنٹ سائڈ NGF میں کنڈکٹیوٹی 2000 S/cm، فلم شیٹ ریزسٹنس 50 ohm/sq جیسی خصوصیات ہیں۔ اور 62% شفافیت، جو اسے شمسی خلیوں میں ترسیلی چینلز یا کاؤنٹر الیکٹروڈز کے لیے ایک قابل عمل متبادل بناتی ہے15,16۔
اگرچہ BS-NGF کی ساخت اور سطح کی کیمسٹری FS-NGF سے ملتی جلتی ہے، لیکن اس کا کھردرا پن مختلف ہے ("FS- اور BS-NGF کی ترقی")۔ پہلے، ہم الٹرا پتلی فلم گریفائٹ 22 کو گیس سینسر کے طور پر استعمال کرتے تھے۔ لہذا، ہم نے گیس سینسنگ کے کاموں کے لیے BS-NGF استعمال کرنے کی فزیبلٹی کا تجربہ کیا (شکل SI10)۔ سب سے پہلے، BS-NGF کے mm2 سائز والے حصے انٹرڈیجیٹنگ الیکٹروڈ سینسر چپ (شکل SI10a-c) پر منتقل کیے گئے تھے۔ چپ کی تیاری کی تفصیلات پہلے بتائی گئی تھیں۔ اس کا فعال حساس علاقہ 9 ملی میٹر 267 ہے۔ SEM امیجز (شکل SI10b اور c) میں، بنیادی سونے کا الیکٹروڈ NGF کے ذریعے واضح طور پر نظر آتا ہے۔ ایک بار پھر، یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ تمام نمونوں کے لیے یکساں چپ کوریج حاصل کی گئی تھی۔ مختلف گیسوں کے گیس سینسر کی پیمائشیں ریکارڈ کی گئیں (تصویر SI10d) (تصویر SI11) اور اس کے نتیجے میں ردعمل کی شرحیں انجیر میں دکھائی گئی ہیں۔ SI10g ممکنہ طور پر دیگر مداخلت کرنے والی گیسوں بشمول SO2 (200 ppm) H2 (2%), CH4 (200 ppm) CO2 (2%), H2S (200 ppm) اور NH3 (200 ppm)۔ ایک ممکنہ وجہ NO2 ہے۔ گیس کی الیکٹرو فیلک نوعیت 22,68۔ جب گرافین کی سطح پر جذب کیا جاتا ہے، تو یہ نظام کے ذریعہ الیکٹرانوں کے موجودہ جذب کو کم کرتا ہے۔ BS-NGF سینسر کے رسپانس ٹائم ڈیٹا کا پہلے شائع شدہ سینسر کے ساتھ موازنہ ٹیبل SI2 میں پیش کیا گیا ہے۔ UV پلازما، O3 پلازما یا تھرمل (50–150°C) کا استعمال کرتے ہوئے بے نقاب نمونوں کے علاج کے ذریعے NGF سینسر کو دوبارہ فعال کرنے کا طریقہ کار جاری ہے، مثالی طور پر ایمبیڈڈ سسٹمز69 کے نفاذ کے بعد۔
CVD کے عمل کے دوران، گرافین کی نمو کاتالسٹ سبسٹریٹ 41 کے دونوں طرف ہوتی ہے۔ تاہم، BS-graphene عام طور پر منتقلی کے عمل کے دوران نکالا جاتا ہے۔ اس مطالعے میں، ہم یہ ظاہر کرتے ہیں کہ اعلیٰ معیار کی NGF ترقی اور پولیمر سے پاک NGF کی منتقلی کاتالسٹ سپورٹ کے دونوں اطراف سے حاصل کی جا سکتی ہے۔ BS-NGF FS-NGF (~ 100 nm) سے پتلا (~ 80 nm) ہے، اور اس فرق کی وضاحت اس حقیقت سے ہوتی ہے کہ BS-Ni براہ راست پیشگی گیس کے بہاؤ کے سامنے نہیں آتا ہے۔ ہم نے یہ بھی پایا کہ NiAR سبسٹریٹ کی کھردری NGF کی کھردری کو متاثر کرتی ہے۔ یہ نتائج بتاتے ہیں کہ اگائے گئے پلانر FS-NGF کو گرافین کے لیے پیشگی مواد کے طور پر (ایکسفولیئشن طریقہ70 کے ذریعے) یا سولر سیلز15,16 میں کنڈکٹیو چینل کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کے برعکس، BS-NGF کو گیس کا پتہ لگانے کے لیے استعمال کیا جائے گا (تصویر SI9) اور ممکنہ طور پر انرجی سٹوریج سسٹم 71,72 کے لیے جہاں اس کی سطح کا کھردرا پن مفید ہوگا۔
مندرجہ بالا کو مدنظر رکھتے ہوئے، موجودہ کام کو CVD کے ذریعے اگائی گئی اور نکل فوائل کے استعمال سے پہلے شائع شدہ گریفائٹ فلموں کے ساتھ جوڑنا مفید ہے۔ جیسا کہ جدول 2 میں دیکھا جا سکتا ہے، ہم نے جو زیادہ دباؤ استعمال کیا اس نے نسبتاً کم درجہ حرارت (850–1300 °C کی حد میں) پر بھی رد عمل کا وقت (ترقی کا مرحلہ) مختصر کر دیا۔ ہم نے معمول سے زیادہ ترقی بھی حاصل کی، جو کہ توسیع کی صلاحیت کو ظاہر کرتی ہے۔ غور کرنے کے لیے اور بھی عوامل ہیں، جن میں سے کچھ ہم نے جدول میں شامل کیے ہیں۔
کیٹلیٹک CVD کے ذریعے نکل فوائل پر ڈبل رخا اعلیٰ معیار کا NGF اگایا گیا تھا۔ روایتی پولیمر سبسٹریٹس (جیسے کہ CVD گرافین میں استعمال ہونے والے) کو ختم کر کے، ہم NGF کی صاف اور عیب سے پاک گیلے ٹرانسفر کو حاصل کرتے ہیں (نکل فوائل کے پیچھے اور سامنے کی طرف بڑھے ہوئے) مختلف قسم کے عمل کے لیے اہم سبسٹریٹس میں۔ خاص طور پر، NGF میں FLG اور MLG علاقے شامل ہیں (عام طور پر 0.1% سے 3% فی 100 µm2) جو ساختی طور پر اچھی طرح سے موٹی فلم میں مربوط ہیں۔ پلانر ٹی ای ایم سے پتہ چلتا ہے کہ یہ خطے دو سے تین گریفائٹ/گرافین ذرات (بالترتیب کرسٹل یا تہوں) کے ڈھیروں پر مشتمل ہیں، جن میں سے کچھ میں 10–20° کی گردشی مماثلت ہے۔ FLG اور MLG ریجنز FS-NGF کی نظر آنے والی روشنی کی شفافیت کے ذمہ دار ہیں۔ جہاں تک پچھلی چادروں کا تعلق ہے، انہیں سامنے والی چادروں کے متوازی لے جایا جا سکتا ہے اور جیسا کہ دکھایا گیا ہے، ان کا ایک فعال مقصد ہو سکتا ہے (مثال کے طور پر، گیس کا پتہ لگانے کے لیے)۔ یہ مطالعات صنعتی پیمانے پر CVD کے عمل میں فضلہ اور اخراجات کو کم کرنے کے لیے بہت مفید ہیں۔
عام طور پر، CVD NGF کی اوسط موٹائی (کم اور کثیر پرت) گرافین اور صنعتی (مائکرو میٹر) گریفائٹ شیٹس کے درمیان ہوتی ہے۔ ان کی دلچسپ خصوصیات کی حد، اس سادہ طریقہ کے ساتھ جو ہم نے ان کی پیداوار اور نقل و حمل کے لیے تیار کی ہے، ان فلموں کو خاص طور پر ان ایپلی کیشنز کے لیے موزوں بناتی ہے جن میں گریفائٹ کے فعال ردعمل کی ضرورت ہوتی ہے، اس وقت توانائی سے بھرپور صنعتی پیداواری عمل کے اخراجات کے بغیر۔
ایک کمرشل CVD ری ایکٹر (Aixtron 4-inch BMPro) میں 25-μm-موٹی نکل ورق (99.5% پاکیزگی، Goodfellow) نصب کیا گیا تھا۔ سسٹم کو آرگن سے صاف کیا گیا اور اسے 10-3 ایم بار کے بیس پریشر پر نکالا گیا۔ پھر نکل ورق رکھ دی گئی۔ Ar/H2 میں (5 منٹ کے لیے Ni ورق کو پہلے سے اینیل کرنے کے بعد، ورق کو 900 °C پر 500 mbar کے دباؤ کا سامنا کرنا پڑا۔ NGF کو 5 منٹ کے لیے CH4/H2 (100 cm3 ہر ایک) کے بہاؤ میں جمع کیا گیا۔ پھر نمونے کو 700 ° C سے کم درجہ حرارت پر 40 ° C/ منٹ پر Ar بہاؤ (4000 cm3) کا استعمال کرتے ہوئے ٹھنڈا کیا گیا تھا اور NGF کی ترقی کے عمل کو بہتر بنانے کی تفصیلات کہیں اور بیان کی گئی ہیں۔
نمونے کی سطح کی شکل کو SEM نے Zeiss Merlin مائکروسکوپ (1 kV، 50 PA) کا استعمال کرتے ہوئے دیکھا تھا۔ نمونے کی سطح کی کھردری اور NGF موٹائی کو AFM (Dimension Icon SPM، Bruker) کا استعمال کرتے ہوئے ماپا گیا۔ TEM اور SAED پیمائش ایک FEI Titan 80-300 کیوبڈ مائکروسکوپ کا استعمال کرتے ہوئے کی گئی تھی جس میں ایک ہائی برائٹنس فیلڈ ایمیشن گن (300 kV)، ایک FEI وین ٹائپ مونوکرومیٹر اور CEOS لینس کروی خرابی درست کرنے والے حتمی نتائج حاصل کیے گئے تھے۔ مقامی ریزولوشن 0.09 nm۔ فلیٹ TEM امیجنگ اور SAED ڈھانچے کے تجزیہ کے لیے NGF کے نمونے کاربن لیسی لیپت تانبے کے گرڈز میں منتقل کیے گئے تھے۔ اس طرح، زیادہ تر نمونے کے فلوکس معاون جھلی کے چھیدوں میں معطل ہیں۔ منتقل شدہ NGF نمونوں کا تجزیہ XRD نے کیا۔ ایکس رے کے پھیلاؤ کے نمونے ایک پاؤڈر ڈفریکٹومیٹر (Brucker، Cu Kα سورس کے ساتھ D2 فیز شفٹر، 1.5418 Å اور LYNXEYE ڈیٹیکٹر) کا استعمال کرتے ہوئے Cu ریڈی ایشن سورس کا استعمال کرتے ہوئے 3 ملی میٹر کے بیم اسپاٹ قطر کے ساتھ حاصل کیے گئے تھے۔
ایک مربوط کنفوکل مائکروسکوپ (الفا 300 RA، WITeC) کا استعمال کرتے ہوئے کئی رامان پوائنٹ کی پیمائش ریکارڈ کی گئی۔ تھرمل طور پر متاثر ہونے والے اثرات سے بچنے کے لیے کم جوش کی طاقت (25%) والا 532 nm لیزر استعمال کیا گیا تھا۔ ایکس رے فوٹو الیکٹران اسپیکٹروسکوپی (XPS) کراٹوس ایکسس الٹرا اسپیکٹرو میٹر پر 300 × 700 μm2 کے نمونے کے علاقے پر مونوکرومیٹک Al Kα تابکاری (hν = 1486.6 eV) کا استعمال کرتے ہوئے 150 W کی طاقت پر کی گئی تھی۔ ریزولوشن سپیکٹرا حاصل کیا گیا تھا۔ بالترتیب 160 eV اور 20 eV کی ترسیلی توانائیاں۔ SiO2 پر منتقل کیے گئے NGF نمونوں کو 30 W پر PLS6MW (1.06 μm) یٹربیئم فائبر لیزر کا استعمال کرتے ہوئے ٹکڑوں میں کاٹا گیا (3 × 10 mm2 ہر ایک)۔ تانبے کے تار کے رابطے (50 μm موٹی) کو آپٹیکل مائکروسکوپ کے نیچے سلور پیسٹ کا استعمال کرتے ہوئے من گھڑت بنایا گیا۔ ان نمونوں پر الیکٹریکل ٹرانسپورٹ اور ہال ایفیکٹ کے تجربات 300 K پر کیے گئے تھے اور جسمانی خصوصیات کی پیمائش کے نظام میں ± 9 Tesla کی مقناطیسی فیلڈ کی تبدیلی (PPMS EverCool-II، کوانٹم ڈیزائن، USA)۔ منتقل شدہ UV – vis سپیکٹرا کو 350–800 nm NGF رینج میں Lambda 950 UV – vis spectrophotometer کا استعمال کرتے ہوئے کوارٹج سبسٹریٹس اور کوارٹج حوالہ جات کے نمونوں میں منتقل کیا گیا۔
کیمیکل ریزسٹنس سینسر (انٹر ڈیجیٹڈ الیکٹروڈ چپ) کو کسٹم پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ 73 سے وائر کیا گیا تھا اور اس مزاحمت کو عارضی طور پر نکالا گیا تھا۔ پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ جس پر ڈیوائس واقع ہے وہ کانٹیکٹ ٹرمینلز سے جڑا ہوا ہے اور اسے گیس سینسنگ چیمبر 74 کے اندر رکھا گیا ہے۔ ریزسٹنس کی پیمائش 1 V کے وولٹیج پر کی گئی تھی اور اسے صاف کرنے سے لے کر گیس کی نمائش تک مسلسل اسکین کیا گیا تھا اور پھر دوبارہ صاف کیا گیا تھا۔ چیمبر کو ابتدائی طور پر 200 سینٹی میٹر پر 1 گھنٹہ کے لیے نائٹروجن سے صاف کیا گیا تھا تاکہ چیمبر میں موجود دیگر تمام تجزیہات بشمول نمی کو ہٹایا جا سکے۔ اس کے بعد انفرادی تجزیہ کاروں کو N2 سلنڈر کو بند کر کے 200 cm3 کی اسی بہاؤ کی شرح پر آہستہ آہستہ چیمبر میں چھوڑ دیا گیا۔
اس مضمون کا ایک نظر ثانی شدہ ورژن شائع ہو چکا ہے اور مضمون کے اوپری حصے میں موجود لنک کے ذریعے اس تک رسائی حاصل کی جا سکتی ہے۔
انگاکی، ایم اور کانگ، ایف کاربن میٹریلز سائنس اینڈ انجینئرنگ: بنیادی باتیں۔ دوسرے ایڈیشن میں ترمیم کی گئی۔ 2014. 542.
پیئرسن، HO ہینڈ بک آف کاربن، گریفائٹ، ڈائمنڈ اور فلرینز: پراپرٹیز، پروسیسنگ اور ایپلی کیشنز۔ پہلے ایڈیشن میں ترمیم ہو چکی ہے۔ 1994، نیو جرسی۔
Tsai، W. et al. بڑے ایریا ملٹی لیئر گرافین/گریفائٹ فلمیں بطور شفاف پتلی کنڈکٹیو الیکٹروڈ۔ درخواست طبیعیات رائٹ 95(12)، 123115(2009)۔
بالانڈین AA گرافین اور نینو سٹرکچرڈ کاربن مواد کی تھرمل خصوصیات۔ نیٹ میٹ 10(8)، 569–581 (2011)۔
Cheng KY، Brown PW اور Cahill DG گریفائٹ فلموں کی تھرمل چالکتا نی (111) پر کم درجہ حرارت کے کیمیائی بخارات کے جمع ہونے سے اگائی جاتی ہے۔ فعل میٹ انٹرفیس 3، 16 (2016)۔
Hesjedal, T. کیمیائی بخارات کے جمع ہونے سے گرافین فلموں کی مسلسل ترقی۔ درخواست طبیعیات رائٹ 98(13)، 133106(2011)۔