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多层石墨烯膜层及其纳微米图案化结构

刘学  
【摘要】:石墨烯作为一种新兴材料最近几年在世界范围内掀起了热潮。它是一种蜂窝状的二维平面材料,其中每个碳原子具有一个s轨道和3个p轨道。一个s轨道和两个p轨道与其他碳原子形成刚性的σ键使石墨烯具有良好的机械强度,剩余的p轨道电子集合在一起组成大π键从而赋予石墨烯优良的性能。由于其具有良好的导电性,导热性,透光性,生物相容性,非常好的机械强度,使得它在各个领域引起人们的重视。科学家们更是将它作为材料中的“明日之星”进行研究。目前石墨烯的制备技术主要有微机械剥离法,化学法,碳纳米管裂解法,SiC外延生长法以及目前广泛使用的化学气相沉积法(CVD)。对于CVD法来说,能制备3层以下的完美的石墨烯,但是对于多层的情况控制不是很精确,不是能满足工业及企业大量需求,且造价较贵,操作起来有一定危险性。由于目前的石墨烯制备技术CVD法不适用于大规模工业生产并且制备出的石墨烯不是很符合各个行业的需求,所以新的制备方法的需求迫在眉睫。 本文提出了一种新的方法制备多层石墨烯,用磁控溅射碳在基底上再还原的办法成功制备出多层石墨烯,对其进行了电子能谱分类X射线光电子能谱(XPS),拉曼光谱,原子力电子显微镜,高分辨透射电子显微镜等测试,证明制得的样品为石墨烯结构,并且通过分析数据得到了条件可控的制备石墨烯的方案。对数据进行分析发现,影响形成石墨烯结构的因素有还原时间、还原温度、石墨烯厚度以及氢气的浓度。控制好这些条件我们就可以重复的制备出具有良好石墨烯结构的样品。这种方法的优点在于使基底材料的选择不再受铜、镍等金属限制,只需考虑与碳原子的附着力即可。与传统CVD法相比较,该方法操作简单、原料便宜、重复性高、适合于大规模工业生产。 文章的后半部分还对石墨烯与金纳米粒子间的相互作用进行了研究。由于石墨烯表面的等离子体共振效应与贵金属的等离子体共振效应相似,并且金膜与石墨烯的π键能够很好的吸附在一起,所以我们猜测金纳米粒子与石墨烯之间会存在等离子体共振效应。我们设计了如下的步骤来证明金纳米粒子与石墨烯之间具有等离子体共振效应。首先用软刻蚀技术探索了多层石墨烯的刻蚀条件,测试的样品为最优条件下制备的石墨烯样品。然后用二氧化硅纳米微球为掩板刻蚀出不同尺寸与间距的石墨烯圆盘,研究表明它们之间的等离子体共振现象与距离有关,与直径关系不大。最后初步研究了金纳米粒子与石墨烯复合材料的等离子体共振效应。


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