Investigations on nitrogen doped graphene synthesized by modified chemical vapor deposition

Karbon temelli materyallerin temel yapı taşı olan grafen, oda sıcaklığında kuantum hall etkisi, ayarlanabilir bant aralığı, yüksek elastikiyet ve elektrokimyasal işlevsellikleri gibi eşsiz özelliklerinden ötürü son yıllarda hem bilimsel hem de teknolojik topluluklardan yüksek ilgi görmüştür. sp2 hibridize karbon atomlarının petek kafeslerinden oluşan grafenin bir düzleminde, her atom için üç düzlemsel σ bağları ve bir π orbital vardır. Bu bağlanma doğası farkı, grafen için olağanüstü anizotropi özelliklere sağlar. Geçen on yılın başlarından itibaren Bilim topluluğunun grafen odaklanmasına dayanarak çeşitli sentez teknikleri bu madde için geliştirildi. Bunların arasında mekanik eksfoliyasyon ve epitaksiyel büyüme daha fazla ilgi görmüştür. Ancak, düşük kristallik ve ölçeklenirlik eksikliği, bu yöntemlerin temel dezavantajlarıdır. Çeşitli karbon prekürsörlerinin farklı alt katmanlar üzerinde kimyasal buhar birikimi (CVD), arzulanan düşük maliyetli, yüksek kaliteli ve büyük ölçekli grafen ulaşmada yeni bir çağ açtı. Değişik uygulamalarda bozulmamış grafenin fizibilitesinin yanı sıra özelliklerini değişik kimyasal yöntemlerle değiştirmek ve yeni özellikler eklemek mümkündür. Grafen değiştirmedeki ana stratejilerden biri kimyasal katkılamada bulunmaktır. Bağlanma ağına yabancı bir element eklenmesi, grafeni elektrokimyasal olarak aktif materyale dönüştürebilir. Azotla katkılı grafen (N katkılı grafen), aktivite, dayanıklılık ve selektivite bakımından büyük bir potansiyel sunan metalden bağımsız yeni bir elektrokatalizör türüdür. N katkılı grafenin sentezlenmesi için çeşitli yöntemler önerilmiştir. Genellikle doğrudan sentez ve sentez den sonar işleme tabi tutulmak üzere sınıflandırılan bu yöntemler, NH3, N2 ve N2H4 gibi farklı türde azot öncüllerinin yanı sıra CVD, ayırım ve plazma işlemi gibi çeşitli sentez teknikleri içerir. N katkılı grafenin elektrokimyasal aktivitesini belirleyen başlıca özellikler, azot konsantrasyonu ve grafen kafesindeki konfigürasyonudur. Azotun, grafen kafesinde üç olası konfigürasyonuna (piridinik, pirolik ve grafitik) sahip olduğu iyi bilinmektedir. Bu çalışmada, santimetre ölçekli çok katmanlı grafen filmleri CVD tekniği ile çok kristalli Cu folyolar üzerine sentezlenmiştir. Karbonun öncüsü olarak metan kullanıldı. Toplam basınç, büyüme süresi, büyüme sıcaklığı, metan akış hızı ve ısıtma hızı gibi farklı parametrelerin etkileri Raman spektroskopisinin uygulanmasıyla ayrıntılı bir şekilde incelendi. Grafen, Raman spektrumunda, filmin kalitesini (kusur yoğunluğu açısından bakıldığında) hem de katman sayısını belirlemeyi mümkün kılan bazı belirgin parmak izlerine sahiptir. Sonuçlar, yüksek kristalin bir grafen sahip olmak için bakır yüzey sıcaklığı ve hidrojen maruziyet süresinin iki önemli kontrol parametresi olduğunu göstermiştir. Üstelik sistemin toplam basıncı kritik olarak bulundu. Yüksek sıcaklıklarda (900 °C ve üzeri) hidrojen varlığı, Cu yüzeyini pürüzsüz hale getirir, kirleticileri ortadan kaldırır ve tane boyutunu büyütür. CVD yontemiyle büyümüş grafen, N2 plazması kullanılarak azot atomları ile katkilanmiştir. Raman spektroskopisi ve mikroskopi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve ayrıca atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ile elde edilen sonuçlar, atomik konfigürasyonun yanı sıra azot katkılama dağılımının homojenliğini araştırmak için çapraz incelendi. Her üç C-N bağını içeren % 35'den fazla azotun grafen yapısına katkılanmış olduğu kanıtlandı. Daha ileri araştırmalar, piridinik ve pirrolik alanların en uygun konfigürasyonlar olduğunu ve nitrojen atomlarının bu yerleri düşük azot kapsamında işgal etme eğiliminde olduğunu belirtti. Bu numunelerin ısıl işlemi, her hangi bir yapılandırma değişikliğine sebep olmadı. Ancak, üç azot tipinin de mevcut olduğu yüksek azot konsantrasyonuna sahip grafen numunelerinde, hafif sıcaklıklara kadar ısınma, grafitik azotun piridinik ve pirolik azota dönüştürülmesine neden oldu. Isıl işlem sırasında grafenin sp2 petek yapısında hasar görülmedi.