石墨烯及其與zno復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備和性能研究

《石墨烯及其與zno復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備和性能研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、東南大學(xué)碩士學(xué)位論文鋅薄膜復(fù)合的等離子體增強(qiáng)光致發(fā)光效應(yīng)【18】，石墨烯與一維氧化鋅納米材料復(fù)合優(yōu)異的光電性能【191使得石墨烯與znO復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究非常有應(yīng)用價值。1．2石墨烯1．2．1石墨烯的性質(zhì)(1)電學(xué)性能石墨烯的出現(xiàn)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(lǐng)域，研究的最深入的就是石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，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(fèi)米子，有效質(zhì)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(zhì)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(dǎo)致電子遷移率降低。晶格震動的強(qiáng)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(dá)15000cm2／(v·s)【211，這一數(shù)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(yīng)改變化學(xué)電勢的條件下，在石墨稀的電子和空穴中出現(xiàn)了非常罕見的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，并且在低溫下也可以觀察到這種效應(yīng)【16】。(2)

3、光學(xué)性能單層石墨烯的透光率能達(dá)到98％，并且隨著層數(shù)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)決定，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的含義是超快運(yùn)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(qiáng)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(shù)(厚度)與透光率的關(guān)系。另外，在300～1loo衄波長范圍內(nèi)，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(dú)特的電子結(jié)構(gòu)造成的，石墨烯的高透光性能在透明導(dǎo)電電極領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前

4、景。Dawla哆等人研究發(fā)現(xiàn)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(kuò)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(xiàn)，帶間轉(zhuǎn)換和光學(xué)轉(zhuǎn)換均與石墨稀的層數(shù)有關(guān)[231。(3)力學(xué)性能石墨烯是目前人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅硬，強(qiáng)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(xué)性能。P00t等人通過原子力納米壓痕實驗研究石墨烯的應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)出不穩(wěn)定性，石墨烯的邊界會產(chǎn)生翹曲現(xiàn)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(chǎn)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(jī)械剝離法和化學(xué)法。第二種是指由碳原子在基體上構(gòu)成新的石墨烯片層，主要有外延生長法和化學(xué)氣相沉積法。(1)微機(jī)械剝離法石墨烯最早是通過微機(jī)械剝離法得到的。2004年曼徹斯特大學(xué)

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(zhuǎn)移到玻璃襯底上，然后用透明膠帶反復(fù)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(xì)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(zhì)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(chǎn)量和效率過低。(2)氧化石墨還原法化學(xué)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(xué)液相還原法。通過氧化還原法可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)石墨烯，并且容易實現(xiàn)

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(yīng)用到復(fù)合結(jié)構(gòu)、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(tuán)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(yuǎn)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(tuán)，導(dǎo)致還原后的石墨烯導(dǎo)電性不如機(jī)械剝離法制備的石墨烯，這是氧化還原法的缺點(diǎn)【26‘。氧化還原法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以大規(guī)模生產(chǎn)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(tuán)，物理和化學(xué)性能都會受到一定的影響。另外，各種還原方法并不能完全