石墨烯及其與zno復合結構的制備和性能研究

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1、東南大學碩士學位論文鋅薄膜復合的等離子體增強光致發(fā)光效應【18】，石墨烯與一維氧化鋅納米材料復合優(yōu)異的光電性能【191使得石墨烯與znO復合結構的研究非常有應用價值。1．2石墨烯1．2．1石墨烯的性質(1)電學性能石墨烯的出現轟動世界，幾年來人們對其研究的熱度依然未減。在石墨烯領域，研究的最深入的就是石墨烯的電學性質，這是由于石墨烯具有無與倫比的高電子遷移率。研究表明石墨稀價帶與電子帶部分重疊，是一種零間隙二維半金屬材料。石墨烯中的電子利用狄拉克方程描述，在布里淵區(qū)，將電子近似為光狄拉克費米子，有效質量為零，傳輸速度大約是光速的1／300[201。石墨烯電

2、子遷移率的另一個優(yōu)異性質是它的遷移率的大小幾乎不隨溫度的變化而變化。電子遷移率之所以受溫度影響，是由于電子在傳遞過程中受晶體晶格震動的散射作用，導致電子遷移率降低。晶格震動的強度與溫度成正比，即溫度越高電子遷移率越低。然而石墨烯的晶格震動對電子散射影響很小，幾乎不受溫度變化影響，從而使得在室溫下石墨烯在Si02上載荷子的遷移率可達15000cm2／(v·s)【211，這一數值要高于碳納米管，更是硅晶的10倍以上。另外，在利用電場效應改變化學電勢的條件下，在石墨稀的電子和空穴中出現了非常罕見的分數量子霍爾效應，并且在低溫下也可以觀察到這種效應【16】。(2)

3、光學性能單層石墨烯的透光率能達到98％，并且隨著層數的增加透過率呈線性的遞減，每層遞減2．3％。研究表明石墨烯的透過率僅僅由精細結構常數決定，精細結構常數的含義是超快運動電荷與光線的耦合程度，或者說是電磁相互作用中電荷之間耦合強度的一種度量【221?？梢酝ㄟ^分光光度計研究石墨烯的透光率，一方面表征石墨烯對不同波長光的透過率；另一方面可以研究石墨烯層數(厚度)與透光率的關系。另外，在300～1loo衄波長范圍內，石墨烯的透光性隨著光波波長的增大而增大。具有如此高的透光率是由于石墨稀具有獨特的電子結構造成的，石墨烯的高透光性能在透明導電電極領域具有廣闊的應用前

4、景。Dawla哆等人研究發(fā)現在SiC上生長的石墨稀觀察到弛豫過程起初較快而后變慢，同時伴隨有載流子．載流子帶間、載流子一聲子帶間的擴散過程。通過紅外光譜對單層石墨稀與雙層石墨稀研究發(fā)現，帶間轉換和光學轉換均與石墨稀的層數有關[231。(3)力學性能石墨烯是目前人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，可以通過原子力顯微鏡(AFM)來測量單層石墨稀薄膜的力學性能。P00t等人通過原子力納米壓痕實驗研究石墨烯的應力特性及彎曲剛度，并研究石墨烯厚度對二者的影響，發(fā)現石墨烯的薄膜張力及彎曲剛度隨著薄膜的厚度增加而增大【24】。另

5、外石2第一章緒論墨烯的邊界表現出不穩(wěn)定性，石墨烯的邊界會產生翹曲現象且多層石墨烯邊界的翹曲程度要比單層的翹曲程度小。石墨烯的邊界產生翹曲的原因可能在于孤立的石墨烯邊緣存在大量的懸鍵，從而使得石墨烯的邊緣處的能量較高，通過變形降低其邊緣處的能量[251。1．2．2石墨烯的制備石墨烯的制備方法主要分為兩大類：一種是自上而下，另一種是自下而上。第一種主要是以石墨為原料剝離出石墨烯，具體的有機械剝離法和化學法。第二種是指由碳原子在基體上構成新的石墨烯片層，主要有外延生長法和化學氣相沉積法。(1)微機械剝離法石墨烯最早是通過微機械剝離法得到的。2004年曼徹斯特大學

6、Geim等用膠帶從石墨上剝下少量單層石墨烯片。具體步驟為：首先用光刻膠將高定向熱解石墨轉移到玻璃襯底上，然后用透明膠帶反復粘貼從而將高定向熱解石墨剝離出石墨烯片，隨后將粘有光刻膠的石墨烯片放入丙酮溶液中超聲振蕩，利用硅片及石墨烯片之間的范德華力或毛細管作用力將石墨烯吸附在單晶硅片上分離出來，從而成功地制備了二維的石墨單層。該法雖然可以獲得質量較好的單層和雙層石墨烯，能部分滿足實驗室的研究需要，但產量和效率過低。(2)氧化石墨還原法化學法是一種較普遍的制備石墨烯的方法，石墨稀的氧化還原法又稱為化學液相還原法。通過氧化還原法可以實現批量生產石墨烯，并且容易實現

7、對石墨烯的改性和功能化，此外，這種方法制得的石墨烯尺寸較大，因此該方法被廣泛應用到復合結構、光伏電器、儲能器件等研究中。氧化石墨是帶有大量羥基、羧基等含氧基團的功能化石墨，拉大了石墨的層間距，因此其層與層之間分子間作用力遠低于石墨。然后通過超聲振蕩使得氧化石墨層與層之間分離，得到氧化石墨烯，然后還原得到石墨烯。圖1．1是石墨氧化還原成石墨烯示意圖，氧化還原法制備的石墨烯邊緣始終存在含氧基團，導致還原后的石墨烯導電性不如機械剝離法制備的石墨烯，這是氧化還原法的缺點【26‘。氧化還原法最大的優(yōu)點是可以大規(guī)模生產并且成本低廉。但是這種方法制備的石墨烯存在含氧官能

8、團，物理和化學性能都會受到一定的影響。另外，各種還原方法并不能完全