El grafeno

El grafeno ha capturado la imaginación de los ingenieros para una variedad de la electrónica, la óptica, la detección, manufactura y aplicaciones de transferencia de calor. Por otra parte, el grafeno también ha proporcionado a la comunidad científica la oportunidad de investigar experimentalmente las características únicas de los materiales en 2D. Una de las preguntas más interesantes que de otra manera es mayormente irrelevante en el caso de materiales 3D es como el sustrato de fondo afecta a las propiedades de un recubrimiento grafeno atómicamente delgadas. Como un ejemplo, los recubrimientos de grafeno se han demostrado para proteger el sustrato contra el fondo reacciones químicas con el ambiente.

Por el contrario, un estudio reciente demostró que el sustrato sobre el que descansa el grafeno influye fuertemente en las reacciones químicas que ocurren en la parte superior de la superficie de grafeno

Otro estudio mostró que la primera capa de carbono en la parte superior de una superficie de carburo de silicio actúa como una capa amortiguadora permitiendo la capa de grafeno comportarse electrónicamente como una hoja de grafeno aislado.

La fascinante naturaleza 2D plantea muchas preguntas interesantes y pertinentes que deben abordarse

Aquí, se investigó el efecto del sustrato de fondo sobre la humectabilidad de grafeno, que tiene implicaciones significativas para grafeno basado superficie revestimientos para aplicaciones, microfluidos, fabricación y transferencia de calor óptico.

Interacciones de grafito / agua grafeno se han discutido en numerosos artículos en la literatura, algunos de los trabajos recientes se han dirigido hacia la respuesta a estas preguntas para el grafeno, sin embargo, los resultados son contradictorios, y el efecto del sustrato de fondo sigue siendo poco clara. Mientras que algunos estudios informan de un efecto insignificante de la superficie de fondo en las interacciones grafeno-agua, Rafiee propuso humectantes transparentes de grafeno en el silicio, oro, y cobre.

Recientemente, Shih expuso las complejidades asociadas con la humectabilidad de grafeno y propuso que la hipótesis de mojar la transparencia se rompe en casos extremos de mojabilidades sustrato subyacentes.

Estos estudios sugieren que el papel del substrato subyacente no se entiende bien en la literatura. En este trabajo, se investigó la interacción grafeno-agua para sustratos donde van der Waals y fuerzas electrostáticas dominan (fuerzas electrostáticas se deben a la presencia de cargas parciales resultantes de los átomos unidos covalentemente).

Mediciones de ángulo de contacto dinámico se reportan con revestimientos de grafeno sobre sustratos con muy diversas humectabilidad intrínseca (~0 ángulo ° de contactos en el cobre superhidrófila a ~ 40 ° de ángulo de contacto en SiO2).

Los resultados muestran que la histéresis del ángulo de contacto sobre estos sustratos de grafeno recubierto es un aspecto importante que debe ser capturada para aclarar las discrepancias en la literatura.

Además, se determinó que el ángulo de contacto de avance del agua sobre el grafeno monocapa se aproxima el ángulo de contacto de avance en altamente ordenada grafito pirolítico (HOPG), demostrando un efecto insignificante de la humectabilidad del sustrato subyacente incluso para un recubrimiento de grafeno monocapa atómicamente delgada.

Se utilizó simulaciones de dinámica molecular junto con los cálculos teóricos detallados para confirmar que el grafeno monocapa protege la mayoría de las interacciones entre el agua y los sustratos de fondo investigados en este estudio.

Por último, la importancia de las mediciones de histéresis del ángulo de contacto y la comprensión obtenida a partir del análisis teórico detallado y simulaciones de dinámica molecular se discuten en el contexto de los resultados en la literatura para aclarar la física subyacente.

Experimentos y Caracterización.

Películas de grafeno monocapa sintetizados por deposición química de vapor (CVD) en láminas de cobre se adquirieron (grafeno Supermercado, NY). Para entender el efecto del sustrato de fondo y el número de capas de grafeno sobre la humectabilidad, la CVD grafeno crecido se transfirió a vidrio y ~ 300 nm de espesor de óxido crecido térmicamente (SiO2) en el silicio (Si), para obtener mono-, bi-, y hojas de grafeno tri-capas sobre estos sustratos (véase la sección S1 del información de apoyo para más detalles).

The Raman spectra of the transferred graphene sheets on the silica (SiO2) substrate, and HOPG were acquired using a confocal Raman microscope (CRM-200, WITec) and are shown in Figure 1a. Note that the curves have been arbitrarily shifted

along the y-axis.

El cambio azul en el pico 2D y la disminución en la relación de la intensidad del pico de 2D a G como el número de capas de grafeno se incrementa son consistentes con la literatura. Picos pequeños o ausentes D confirman la presencia de películas de grafeno de alta calidad después de que el proceso de transferencia.

Los pequeños picos D en las muestras de dos capas y de tres capas es probable crean durante la transferencia de capas sucesivas. La rugosidad superficial medido a través de microscopía de fuerza atómica se encontró que era insignificante a fin de causar cualquier histéresis significativa.

El rmax relación de rugosidad correspondiente (área real por área proyectada, véase la sección S1 de la información de apoyo para los detalles) de grafeno monocapa sobre el sustrato SiO2, que es un parámetro crítico que dicta el ángulo de contacto sobre superficies rugosas, 10 fue sólo 1,004

Mediciones de ángulo de contacto sobre el grafeno monocapa sobre el SiO2 y sobre el sustrato SiO2 desnudo se muestran en la Figura 1b y c, respectivamente.

El ángulo de contacto rápidamente se acercó a un valor constante durante la fase de adición de líquidos (modo de ángulo de avance constante).

La Figura 1b muestra que el ángulo de contacto de avance en la superficie de grafeno monocapa fue tan alta como 93 ± 2 °.

Una vez que fue detenido adición de líquidos (t = 26 s), el ángulo de contacto se redujo debido a la evaporación, mientras que la línea de contacto permaneció clavado (t = 26-78 s) según lo confirmado por la disminución insignificante en el radio de la base de gotas.

El ángulo de contacto de retroceso en la superficie de grafeno monocapa (t> 78 s) fue de 60 ± 3 °, lo que indica la histéresis del ángulo de contacto significativo (Δθ> 30 °)

Del mismo modo, los que avanzan y el contacto retroceso ángulos sobre el sustrato SiO2 desnuda eran 41 ± 1 ° y 10 ± 2 °, respectivamente. Las gotas se evaporan en ambos casos adoptaron un modo mixto hacia el final, donde tanto el ángulo de contacto y el radio de la base disminuyó de forma simultánea. Sin embargo, esta parte de la dinámica de gota no es crítica para el trabajo actual en la que estamos interesados en el avance y retroceso sólo ángulos de contacto.

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