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文|黎璎珞

(资料图)

编辑|黎璎珞

纳米材料具有超高的表面积与体积比和独特的尺寸/界面效应，非常适用于电化学电池和电子器件，为了实现纳米材料的独特性质和推广应用的一个重要障碍是缺乏可扩展的装配方法，使其能够形成三维拓扑结构。纳米材料基设备的材料工程突破将在电催化（例如，无贵金属氧还原反应催化剂）和电化学传感（用于生化检测的低阻抗、高表面积的微电极）等方面实现显著进展。

纳米结构电极的可调合成

多级纳米材料确实在电子、电化学界面和生物医学设备等各个领域展现出巨大的潜力。

等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 的使用是一种能够精确控制纳米材料生长的技术，PECVD 涉及使用反应气体和等离子体激发的组合将薄膜或纳米材料沉积到基板上。

通过调整气体成分、压力、温度和等离子体功率等工艺参数，研究人员可以影响沉积纳米材料的生长速率、形态和特性。

对于以二维结构排列的单层或几层石墨烯薄片，控制它们的间距（面外密度）和厘米长度尺度的尺寸尤为重要。

这种控制可以通过PECVD工艺参数的设计和优化来实现，通过调整生长条件，研究人员可以调节石墨烯薄片的成核和生长，从而影响它们的密度和尺寸。

在厘米长度尺度上控制纳米材料的间距和尺寸的能力提供了几个优势，它允许制造具有统一特性的大规模器件和系统，这对于实际应用至关重要。

在具有特定间距和尺寸的分层结构可以通过实现有效的电荷传输、改进的界面和定制的特性来提高电子设备的性能。最后，在生物医学设备领域，这种对纳米材料的控制可用于优化与生物系统的相互作用，例如提高生物相容性和功能。

通过可调 PECVD 开发具有可控间距和尺寸的分层纳米材料为推进各种技术带来了巨大希望。

它能够创造出具有改进性能和定制特性的新型电子产品、电化学界面和生物医学设备，为不同领域的应用开辟了新的可能性。

通过结合使用表征技术和模拟，您的目标是更深入地了解纳米材料结构的性质及其生长背后的机制。

拉曼光谱是分析石墨烯基材料的有力工具，因为它提供了有关材料结构和电子特性的信息。它可以揭示缺陷的存在、石墨烯层的数量和晶格中的应变。

分子模拟在深入了解纳米材料的生长机制方面发挥着至关重要的作用。

这些模拟有助于阐明前体分子与基底之间的相互作用，以及纳米材料结构在生长过程中的形成和演化。

通过将模拟结果与实验观察结果进行比较，您可以验证所提出的生长机制并进一步完善您的理解。

SEM（扫描电子显微镜）、UPS（紫外光电子能谱）和 HRTEM（高分辨率透射电子显微镜）是额外的表征技术，可以提供有关纳米材料的形态、表面特性和原子结构的有价值信息。

SEM 允许高分辨率成像，揭示样品的表面特征和整体形态，UPS 可以深入了解纳米材料的电子结构和能级，而 HRTEM 可以实现原子级细节的可视化和结构分析，通过优化处理获得具有高密度悬浮石墨烯边缘的石墨烯结构。

由于其独特的电化学特性，这些悬空边缘特别受关注，通过使用前面部分中建立的知识和纳米材料定制电极形态，您可以进一步研究基本的电化学特性并设计用于电催化和生物传感的设备。

通过结合从拉曼光谱、分子模拟、SEM、UPS 和 HRTEM 中获得的理解，这种多学科方法使您能够弥合基本表征和实际应用之间的差距，为电催化和生物传感技术的进步铺平道路。

纳米线模板三维模糊石墨烯的可调合成

在 NT-3DFG（推测是指纳米管模板三维石墨烯）的研究中，通过调整合成温度和时间来有意控制平面外石墨烯边缘的数量和石墨烯薄片的尺寸。

根据 SEM 成像结果，NT-3DFG 薄片尺寸随着合成温度和时间的增加而增加。

对于在 700 °C、900 °C 和 1100 °C 下合成 30 分钟的样品，报告的平均 NT-3DFG 直径分别为 685 ± 60 nm、975 ± 115 nm 和 1150 ± 85 nm。

还研究了 NT-3DFG 薄片的密度。SEM 成像显示薄片密度与薄片尺寸呈现相似的趋势。对于在 700 °C、900 °C 和 1100 °C 下合成的样品，报告的密度分别为 430 ± 60 µm^(-2)、2990 ± 355 µm^(-2) 和 3300 ± 530 µm^(-2)分别为 30 分钟。

通过系统地改变合成温度和时间，研究人员能够控制 NT-3DFG 薄片的尺寸和密度。这些发现为了解合成参数对 NT-3DFG 材料形态特征的影响提供了有价值的见解，可以进一步为各种应用的纳米材料的设计和优化提供信息。

我们利用 MATLAB 中的图像处理工具来计算 3DFG（三维石墨烯）薄片沿单个纳米线的边缘，在 700 °C、900 °C 和 1100 °C 下合成 30 分钟的 NT-3DFG 样品实施的代表性边缘检测协议。

这些协议可能是为了自动执行边缘检测过程并量化 3DFG 薄片中存在的边缘数量而开发的。

图像处理中的边缘检测是指图像中尖锐的不连续点或过渡点的识别和定位。

在研究的背景下，边缘检测将使研究人员能够识别 3DFG 薄片的边缘并量化它们的存在，MATLAB 提供了各种用于边缘检测的内置函数和算法，例如 Canny 边缘检测算法。

通过将边缘检测协议应用于 NT-3DFG 样品的 SEM 图像，研究人员能够沿着单个纳米线检测和计算 3DFG 薄片的边缘。

这种定量分析提供了有关边缘特征的有价值信息，有助于理解合成 NT-3DFG 材料的生长机制和特性。

观察到的 NT-3DFG 直径和薄片密度的增加可归因于等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 过程中石墨烯薄片成核和生长速率的增加。

这表明随着合成温度和时间的增加，石墨烯薄片形成和沉积到纳米管模板上的速率也会增加。

NT-3DFG 的生长遵循 Arrhenius 动力学，这表明生长过程可以用与温度的指数关系来描述，Arrhenius 动力学通常在化学反应中观察到，描述了反应速率的温度依赖性。

生长活化能 (EA) 是一个计算参数，用于量化生长过程的能量势垒。

在这种情况下，NT-3DFG 的计算生长活化能报告为 0.16 ± 0.01 eV。较低的活化能值表明 NT-3DFG 的生长相对容易，需要相对较低的能垒。

生长活化能和 Arrhenius 动力学的知识为 NT-3DFG 的生长机制提供了有价值的见解，并有助于理解影响成核和生长速率的因素。

该信息可用于优化所需 NT-3DFG 形态和特性的合成条件，以及进一步探索其他分层纳米材料的生长机制。

三维模糊石墨烯

为了模拟 NT-3DFG 的结构生长随温度的变化，我们采用了一种基于扩散限制聚集 (DLA) 通用方法的计算算法。

DLA 算法是作为一系列单粒子成核事件实现的，建立在该领域以前的工作之上。

该算法从引入的碳二聚体粒子开始，该粒子最初位于远离纳米线的位置，粒子经历布朗运动，模拟其随机运动。

当碳二聚体颗粒足够接近纳米线以满足成核的定义标准时，就会发生成功的成核事件。

成核的定义标准基于称为“ntouch”的参数，该参数用作温度的替代指标。

ntouch 的值充当碳二聚体粒子必须达到的阈值才能触发成核事件，通过操纵 ntouch 参数，研究人员可以模拟温度对成核过程的影响。

通过采用 DLA 算法并改变 ntouch 参数，研究人员能够模拟 NT-3DFG 结构在不同温度下的生长。这种计算方法提供了对 NT-3DFG 生长机制的见解，并允许探索温度对所得结构的依赖性影响。

在所提出的模型中，参数 ntouch 值的增加会对应于更高的温度。

这种关系是基于这样的假设，即较高的温度会导致碳二聚体颗粒的动能更大，通过增加 ntouch 参数，该模型模拟了高温对 NT-3DFG 结构的成核和生长过程的影响。

重要的是要注意，该模型没有明确包含化学信息或生长过程中的键合细节。

它侧重于捕获系统的整体行为和基于扩散限制聚合 (DLA) 算法的增长动态，DLA 算法是模拟中常用的通用方法，用于模拟各种结构的生长，包括表面粗糙度演变和表面纳米丝生长。

使用未明确考虑化学信息的简化模型的决定，可能是为了关注整体生长行为以及温度对 NT-3DFG 结构的成核和生长的影响。

虽然这种方法可能会忽略某些原子级的细节，但它仍然提供了对生长机制的宝贵见解，并允许在没有明确化学信息的情况下探索温度依赖性效应。

通过在获得的拉曼光谱中出现特征峰，证实了样品中存在单层或几层石墨烯。拉曼光谱是一种分析石墨烯基材料的强大技术，因为它提供了有关材料结构和电子特性的信息。

在拉曼光谱中，通常观察到石墨烯的几个不同的峰，最突出的峰是 D、G 和 2D 峰，它们是石墨烯振动模式的特征。D 峰源自 sp^2 碳原子的呼吸模式，与石墨烯晶格中缺陷或无序的存在有关。G 峰对应于 sp^2 杂化晶格中碳原子的面内振动，是石墨结构的标志。2D 峰代表 G 峰的二阶泛音，对存在的石墨烯层数特别敏感。

在获得的拉曼光谱中出现这些特征峰表明样品中存在单层或几层石墨烯。D、G 和 2D 峰的特定位置、强度和形状可以进一步了解石墨烯薄片的质量、层厚度和结构特性。

通过分析拉曼光谱，研究人员能够确认单层或几层石墨烯的存在，这支持了他们对纳米材料的表征，并提供了有关合成样品结构特性的重要信息。

为了更详细地了解 NT-3DFG 中石墨烯薄片的性质，进行了高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 成像。HR-TEM 是一种强大的技术，可以实现原子级细节的可视化，并提供有关材料的结构、形态和结晶度的宝贵信息。

通过使用 HR-TEM 成像，研究人员能够以高倍率和高分辨率检查石墨烯薄片。这种技术允许直接可视化单个石墨烯层、缺陷和其他结构特征。

HR-TEM 成像可以提供有关层厚度、晶体取向以及是否存在空位、位错和晶界等晶格缺陷的信息。它还可以揭示原子在石墨烯晶格内的排列，提供对材料结构质量和有序性的深入了解。

通过在他们的研究中使用 HR-TEM 成像，研究人员旨在进一步阐明 NT-3DFG 中石墨烯薄片的结构特征和质量。该技术提供了对原子尺度特征的直接观察，并为拉曼光谱和 SEM 等其他表征技术提供了补充信息。

HR-TEM 成像结果可能有助于全面了解 NT-3DFG 中石墨烯薄片的结构、形态和结晶度，支持研究的整体分析和结论。

在这项研究中，研究人员使用可调等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 成功地展示了在厘米长度尺度上对面外石墨烯薄片密度和薄片尺寸的控制。

为了更深入地了解 NT-3DFG 薄片的性质，研究人员采用了几种表征技术，利用拉曼光谱、SEM 成像和 HRTEM 成像研究 NT-3DFG 材料的结构和形态特性。

拉曼光谱的结果证实了 NT-3DFG 样品中存在单层或几层石墨烯，正如所采集光谱中的特征 D、G 和 2D 峰所证明的那样。随着合成温度和时间的增加，SEM 成像提供了薄片尺寸和密度增加的视觉证据。SEM 图像显示 NT-3DFG 在圆周表面表现出许多悬浮和无序的石墨烯边缘。

原子级细节并确认结构特征，进行了 HRTEM 成像。该技术允许对石墨烯薄片进行高分辨率可视化，从而深入了解层厚、晶体取向和晶格缺陷的存在。

这些表征技术的结合有助于全面了解 NT-3DFG 材料。我们通过 PECVD 参数成功地证明了对薄片密度和尺寸的控制，并且使用拉曼光谱、SEM 和 HRTEM 进行的详细表征为石墨烯薄片的性质提供了宝贵的见解，特别是在圆周表面存在悬浮和无序边缘。

参考文献

关键词：