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钽表面石墨烯的生长及其保护性能
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艾因斯研究了钽表面石墨烯的生长机理。已经证明，石墨烯的生长是通过碳化钽的形成来实现的，碳化钽对碳氢化合物的裂解具有催化性能。我们发现过量的碳，不参与碳化物的形成，在表面形成石墨烯的自限制层。碳化钽和石墨烯层为化学腐蚀和高温氧化提供了有效的保护层。 为了高温提纯污染及腐蚀，增强铜的导热性和导电性，现在广泛研究铜上的石墨烯生长。为了利用石墨烯的阻隔性能，在其他材料上扩展石墨烯的生长是非常有益的。例如，能够在铀、铼和钽等金属上生长石墨烯是非常有用的。这种材料被用作通过辐射(通常是质子)产生放射性离子束的靶。然而，经常需要保护这些目标免受老化和氧化。石墨烯是一种理想的保护层，因为它的单原子厚度(这大大降低了颗粒层相互作用的可能性)以及核反冲碎片的动能分布使得石墨烯对其没有影响。 实验 图1.光学图像和拉曼数据证明了在钽箔上生长石墨烯的最佳条件。(a)和(b)相应地，在未蚀刻和蚀刻的箔上的石墨烯生长过程之后，钽表面的光学图像和拉曼光谱。比例尺50米。在不同压力和温度下化学气相沉积石墨烯后钽表面的光学显微照片。原始钽有一种闪亮的颜色，当碳化物-石墨烯异质结构覆盖表面时，它会变成黄色。红色框架中的样品显示了发现不同石墨烯峰的生长条件。所有图片都是50 m大小。从突出样品的拉曼光谱中获得的数据。要生长表面覆盖率达90%的单层或少层石墨烯，最佳温度和压力为1150℃和~100托。 艾因斯研究了钽表面石墨烯的生长机理，并研究了其阻隔性能。我们的研究表明，在钽箔上生长高质量的石墨烯确实是可能的。然而，生长机制不同于镍或铜。在初始阶段，形成一层碳化钽薄层，随后作为石墨烯生长的基础。石墨烯和碳化钽的结合为钽箔提供了出色的防腐蚀保护。 图2.钽箔上生长的石墨烯在不同压力(a)和温度(b)下的拉曼光谱。在图(b)中，可以清楚地看到石墨烯的质量与生长温度有关。随着温度的升高，d峰(~1341 cm-1)的强度降低，而2d峰(~2600 cm-1)的强度升高。黑色虚线显示了归因于氧化钽的峰(~ 660 cm-1)的位置。随着温度的升高，出现碳化物峰(蓝色虚线)。温度的进一步升高导致碳化物峰值的普遍存在。 在低温下，只能看到660厘米-1处的氧化钽峰，图.2b . 在更高的温度下，在290厘米-1、600厘米-1和770厘米-1处出现新的峰，这些峰可能与碳化钽有关，开始占据主导地位，图这表明石墨烯生长的机理是通过形成碳化钽作为石墨烯的前体。 图3.钽箔上生长的tac/石墨烯表面的表征。(1)化学气相沉积实验后镀钽不锈钢箔纤维横截面的扫描电镜图像。独特的三乙酸纤维素层的放大图(厚度约为。400 nm)。(c)具有明显tac峰的钽箔的xrd光谱。元素含量分析(来自能谱仪)，显示化学沉积期间碳向钽箔的渗透深度:1╟箔表面，2╟表面附近的横截面，3╟整体钽光谱。 亮度对比和元素分析都可以清楚地识别碳化钽。使用最佳参数(温度= 1150℃，压力200兆帕)生长一小时，钽的厚度约为400纳米托)。因此，我们可以证实，钽上石墨烯的生长机制不同于那些不形成碳化物的金属:通过碳溶解度高的金属如镍的沉淀机制，或通过在碳溶解度低的金属表面上的催化、自限制生长，但对烃的裂化有一定的催化活性。 图4.显示化学腐蚀试验结果的钽箔照片和光学图像(在70℃30%氢氧化钠水溶液中处理20小时)。面板(a-f)是腐蚀试验前的照片和光学图像，面板(g-l)是腐蚀后的照片和光学图像。(a)原始镀钽不锈钢箔的照片，(b)在氧等离子体中蚀刻石墨烯的钽箔，(c)具有保护性石墨烯层的钽，面板(d-f)显示了面板(a-c)的相应光学显微照片。面板(g-l)上的图像与(a-f)上的图像相同，但在腐蚀试验后拍摄。(d-f)的所有比例尺为50米，(j-l)的比例尺为100米 腐蚀试验前后，对图4中b、c、h、i板上的样品进行钽表面的拉曼光谱.因此，未受保护的样品表面会发生强烈的蚀刻(天然氧化物和钽本身)。对于用碳化物和石墨烯保护的样品，没有观察到蚀刻，并且在程序之后发现石墨烯存在于表面上。 总结 钽上的石墨烯生长是通过碳化物的初始形成来实现的，碳化物作为石墨烯沉积的催化表面。石墨烯和碳化物的这种结合形成了非常有效的腐蚀和氧化保护屏障，同时在石墨产品表面沉积钽，有效防止污染和腐蚀，使用寿命的延长找到最佳方法。     |
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