收藏本站
《中国科学技术大学》 2012年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高质量石墨烯的可控制备

李占成  
【摘要】:石墨烯是碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构,仅一个原子层厚的二维晶体。它是碳家族中继富勒烯和碳纳米管之后,又一被发现的碳新型同素异形体材料,填补了碳家族中二维碳晶体结构的空缺。自2004年,石墨烯首次在实验上获得后,便激发了科学界强烈的研究兴趣。石墨烯的锥形价带与导带产生的载流子在狄拉克点附近具有线性能量色散关系。石墨烯中的电子如同无质量的狄拉克粒子,使石墨烯表现出奇特的物理性质,如石墨烯的电导即使在截流子浓度为零时也不会降为零,而是具有一个最小电导值(e2/h量级);石墨烯整数量子霍尔效应(QHE)的填充因子出现在半整数位置,而且在室温下也可以观察到石墨烯的整数量子霍尔效应;此外,科学家还发现了石攫烯的分数量子霍尔效应(FQHE)。石墨烯也具有广泛的应用前景,如高速晶体管、透明电极、探测器及灵敏传感器等。2010年,Andre Geim和Konstantin Novoselov也因在石墨烯方面的原创性贡献而荣获诺贝尔物理学奖。 最早的石墨烯是由机械剥离获得,但由此得到的石墨烯面积小,产量低,而且不可重复。近年来人们发展了多种制备大面积石墨烯的方法,其中利用气态碳源(如甲烷)在铜衬底上生长大尺寸石墨烯的化学气相沉积法尤为得到人们的关注。由于碳在铜中有很低的固溶比,用这种方法在铜衬底上可以制备大面积均匀单层石墨烯。然而,在化学气相沉积制备石墨烯过程中的许多机制并没有完全搞清楚,需要通过仔细研究以达到很好控制石墨烯生长质量的目的。其中一个被忽略的重要因素便是气相动力学在石墨烯生长过程中的作用。而且目前化学气相沉积制备石墨烯都基于气态源,通常在1000℃左右的高温条件下进行,这样一方面限制了其它潜在碳源的应用,另一方而高温作业也存在诸多不便。本文侧重研究高质量石墨烯的可控制备,分为三大主要方面:(1)从研究气相动力学在石墨烯生长过程中的作用,到很好的调节和控制CVD管内的活性碳的气相动力学而在某种程度上控制CVD制备石墨烯的厚度;(2)用固态源/液态源在低温下制备高质量石墨烯;(3)制备不同形状金纳米结构阵列周期性衬底并进一步研究各种金纳米结构阵列对称性依赖的光学性质。具体内容分为以下六章: 第一章为结论,首先介绍了石墨烯的基本性质、电子结构、目前石墨烯的制备方法、相关的表征及应用前景。接着介绍了化学气相沉积制备石墨烯的研究背景及研究现状,最后引出本论文的研究内容和意义。 第二章通过精心设计与控制CVD生长石墨烯的条件,我们证实在CVD管内气相活性碳是一种非平衡态,即:由甲烷裂解的碳活性物质的密度会沿着管子下游方向逐渐线性增加,导致不同位置单独生长石墨烯的厚度沿着管子下游方向逐渐增加。相比之下,如果在管内生长温区部分均匀放置Cu箔衬底,由于Cu衬底对活性碳的沉积、吸附作用而导致管内气相中活性碳的密度明显减少,使整个管子内活性碳的密度处于一种低密度且相对均匀状态,则在每个位置制备的石墨烯均为很好的单层膜。我们的结果表明,气相反应与气相动力学在CVD生长石墨烯的过程中起到很重要的作用。 第三章我们进一步拓展了CVD方法,采用经济而容易获取的工业原料,如塑料(PMMA和聚苯乙烯),作为碳源,在800℃以上可以得到高质量的单.层石墨烯,当生长温度低至400℃时,我们仍可以得到大面积连续的单层膜,只是此时膜的质量稍有所降低。作为对比,我们用气态甲烷在不同温度下生长石墨烯。拉曼与电子显微镜结果表明,当生长温度在1000℃时用甲烷可以得到高质量的石墨烯。然而,当生长温度低至800℃时,得到的石墨烯质量比用固态源在800℃时得到的差很多。当温度降至600℃时,结果发现没有任何石墨烯信号。可能是600℃时,甲烷无法分解形成石墨烯。因此,用固态源在低温下CVD生长石墨烯,比用气相源更具有优势。这种优势使其成为工业应用更简单、更方便的选择。 第四章以液态苯作为有效碳源,在500℃生长时,可以得到高质量大块的石墨烯畴。令人吃惊的是即使生长温度低至300℃,仍然可以得到高质量的石墨烯畴,只是畴的尺寸与密度相对于500℃制备的石墨烯畴小了些。用苯在低温下制备的石墨烯畴主要表现出两种区域性形状:六边形与细长条形,具体的机制目前还不是很清楚,初步判断可能是由Cu箔衬底的晶向导致。我们基于第一性原理计算定性的解释了在低温下成功的用苯生长石墨烯的原因。我们的工作为经济、方便的制备石墨烯提供了一条简易路线。 第五章:理论研究表明,当对石墨烯或与石墨烯接触的周期性衬底应用个周期性势场时,石墨烯超晶格上传播的载流子会表现出高度的各向异性,极端情况下在一个方向上载流子的速度会变为零,而在另一个方向则保持不变。为了很好的调节大块石墨烯输运性质的各向异性,本章中我们采用纳米微球模板法制备不同的周期性衬底并进一步展现纳米结构阵列对称性依赖的光学性质。对于同轴堆叠相同尺寸环阵列与帽阵列而形成的环-帽阵列的等离子体共振性质与环阵列的相似,可能是因为它们具有相同的平面对称性。然而,当相同尺寸的孔阵列与帽阵列同对称轴堆叠时,平而对称性破坏,在杂化的孔-帽阵列的界面处便出现了月牙结构窄缝,进而导致一个新的强共振模。有限差分时域法模拟结果表明在共振波长处电荷主要集中在月牙结构窄缝的两边,激发很强的等离子体共振进而实现很强的电场增强。此外,环-帽结构阵列与孔-帽结构阵列的强共振波长随纳米结构尺寸的增加表现出很大的红移。成功制备不同形状的周期性衬底将为调节石墨烯载流子输运行为提供一个理想的平台。 第六章是对全文工作的一个简单总结。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O613.71

手机知网App
【参考文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王晨曦;大面积、高质量石墨烯化学气相沉积法制备[D];中国科学技术大学;2010年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张保法;姜海;李东生;;化学气相沉积炭对石墨材料氧化性能的影响[J];材料工程;2007年09期
2 王卫乡,刘颂豪,李道火,刘宗才;激光CVD纳米氮化硅的制备工艺研究[J];应用激光;1995年03期
3 黄永攀,李道火,王锐,黄伟;LIVCD法制备纳米氮化硅粉末工艺参数对粉体特征影响的研究[J];光电子技术与信息;2005年01期
4 杨恢东,丁瑞钦,王浩;纳米材料制备技术研究进展[J];五邑大学学报(自然科学版);1999年04期
5 孙沿林,张孝彬,宁月生,孔凡志,刘芙;CVD宏观量半连续制备纳米碳管的研究[J];无机材料学报;2002年02期
6 苏育志,龚克成;纳米结构材料的模板合成方法[J];材料导报;1999年03期
7 王学根,孙方宏,张志明,沈荷生,陈明;纳米金刚石薄膜研究进展[J];金刚石与磨料磨具工程;2003年05期
8 霍俊平,宋怀河,陈晓红;碳包覆纳米金属颗粒的合成研究进展[J];化学通报;2005年01期
9 陆梅,郭新勇,王喆,力虎林;减压化学气相沉积法制备规则螺旋状纳米碳管[J];高等学校化学学报;2004年08期
10 李亚利,梁勇,郑丰,肖克沈,胡壮麒;热处理过程中纳米非晶Si-N-C粉的晶化及微结构变化研究[J];无机材料学报;1996年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李亭;李平;吴杰;余希立;戴迎春;;基体预处理对石墨毡上纳米碳纤维生长量的影响[A];第2届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2005年
2 韩冬雪;张齐贤;牛利;;石墨烯纳米组分材料:制备及应用[A];中国化学会第28届学术年会第5分会场摘要集[C];2012年
3 曹艳平;郑修鹏;李博;冯西桥;;测量微/纳米纤维弹性模量的屈曲方法[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年
4 毛健;赵立涛;程鹏;李华峰;陈国需;;纳米La_2O_3或CeO_2添加对TiO_2-SiO_2润滑添加剂磨擦修复特性的影响[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
5 肖旭贤;黄可龙;杨珉;何琼琼;;季铵盐纳米磁粒杀菌剂的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
6 田惠文;李伟华;侯保荣;;纳米SiO_2改性环氧涂层电化学阻抗谱研究[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第三卷)[C];2010年
7 徐舒涛;张维萍;李新;刘宪春;韩秀文;包信和;;甲醇在一维纳米限域体系扩散动力学的HP ~(129)Xe NMR研究[A];第十六届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];2010年
8 周涛;贺贝贝;江涵;王宁;;化学沉淀法制备纳米CeO_2的工艺研究[A];中国颗粒学会超微颗粒专业委员会第五届年会暨海峡两岸纳米颗粒学术研讨会论文集[C];2007年
9 陈旭;黄瑜;李亮;;聚吡咯纳米回形针的合成与性能[A];第九届全国微型化学实验研讨会暨第七届中学微型实验研讨会论文集[C];2011年
10 童曼;杜江坤;鲍建国;袁松虎;;微孔滤膜负载纳米Pd/Fe对五氯酚的降解研究(英文)[A];持久性有机污染物论坛2011暨第六届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 李斌 沈路涛;纳米离我们并不遥远[N];安徽经济报;2000年
2 科言;纳米是怎么回事?[N];中国妇女报;2002年
3 林小春 姜岩;科学家呼吁走出“纳米热”的误区[N];中国化工报;2002年
4 黎昌政;我国科学家首创纳米硫[N];中国矿业报;2002年
5 本报特约记者 周建;“纳米布”陷入炒作[N];大众科技报;2000年
6 本报记者 文成;纳米如何冲破产业化瓶颈[N];中国高新技术产业导报;2000年
7 本报记者 沐清;纳米产业并不遥远[N];中国高新技术产业导报;2002年
8 本报记者 肖巍;标准之争暴露中国纳米业“痼疾” 上市公司投资“雷声大、雨点小”[N];中国高新技术产业导报;2002年
9 张永胜;有一种水叫“纳米水”[N];光明日报;2002年
10 本报记者 徐晓宁;纳米眼球还不能让盲人复明[N];健康报;2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李占成;高质量石墨烯的可控制备[D];中国科学技术大学;2012年
2 张贵军;聚丙烯酸酯/纳米氧化锡锑复合乳液的制备、表征及其在透明隔热涂料中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
3 陆洪彬;不锈钢表面高性能纳米防护涂层研究[D];南京大学;2011年
4 任浩;纳米及表面吸附体系的第一性原理研究[D];中国科学技术大学;2010年
5 汪超;磁场中Ni-纳米Al_2O_3复合镀层制备及其电沉积机理的研究[D];上海大学;2011年
6 葛性波;纳米多孔金属薄膜的制备与电催化性能[D];山东大学;2011年
7 贾鑫;飞秒激光制备半导体表面纳米周期结构[D];华东师范大学;2010年
8 唐玮;皮肤的纳米生物摩擦学行为研究[D];中国矿业大学;2010年
9 张景红;人工影响天气纳米催化剂粉体的制备与成冰性能研究[D];吉林大学;2010年
10 何典;一维纳米功能材料的静电纺丝制备及其性能研究[D];中国科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 邓安平;纳米TiO_2可控制备及其光催化性能研究[D];三峡大学;2010年
2 齐俊杰;水溶性刺激响应碳纳米角的制备与表征[D];天津大学;2010年
3 杨微;纳米二氧化钛的复合改性及其光催化性能的研究[D];沈阳工业大学;2010年
4 杜洁;掺杂纳米碳化硅薄膜的制备及光学特性研究[D];河北大学;2008年
5 王艳明;镍氢电池正极材料纳米氢氧化镍的合成新方法研究[D];天津大学;2010年
6 李伟;聚合物/氢化钛制备纳米鳞片与复合涂膜防腐性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 张宝华;低维纳米超结构材料的可控合成及其性能的研究[D];广西师范大学;2011年
8 李娇莉;退火方式对生物成像用红色纳米磷光材料性能的影响[D];东北师范大学;2011年
9 朱元清;在球形聚合物刷反应器中制备纳米贵金属及其催化活性研究[D];华东理工大学;2012年
10 梁莹;纳米四氧化三钴的制备及其与聚苯胺的电化学复合[D];东北大学;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026