三維結(jié)構(gòu)石墨烯的可控制備及物性研究.pdf

1、石墨烯是一種力、熱、光、電學(xué)等物性非常優(yōu)異的新型二維材料，已掀起國(guó)內(nèi)外的研究熱潮。大尺寸平面石墨烯薄膜常采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法，在催化性金屬襯底上進(jìn)行制備，然后，轉(zhuǎn)移到實(shí)際應(yīng)用需要的目標(biāo)襯底上。轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)不但會(huì)給石墨烯帶來(lái)污染、缺陷、褶皺甚至撕裂等風(fēng)險(xiǎn)，而且難以實(shí)現(xiàn)二維薄膜對(duì)三維器件襯底的完全覆蓋。若能將石墨烯直接沉積到三維結(jié)構(gòu)的非催化性目標(biāo)襯底上，則可避免轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)，解決三維器件中石墨烯應(yīng)用的難題。但目前，已獲得的三維結(jié)構(gòu)石墨烯多為

2、豎直結(jié)構(gòu)的石墨烯墻(GNWs)，結(jié)構(gòu)形式單一,尚難以滿足多種應(yīng)用的需要；尚缺少非催化性三維結(jié)構(gòu)襯底上石墨烯的可控制備技術(shù)；非催化性襯底上石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)制尚不明確；對(duì)三維結(jié)構(gòu)石墨烯物性的研究也剛剛開(kāi)始。因此，有必要針對(duì)三維結(jié)構(gòu)石墨烯的制備技術(shù)、生長(zhǎng)機(jī)理及物性開(kāi)展系統(tǒng)、深入的研究。
　　本文采用CVD法，首先在非催化性三維結(jié)構(gòu)石英襯底與柔性PDMS襯底上分別制備了共形石墨烯，研究了共形石墨烯的光學(xué)、電學(xué)與力學(xué)拉伸性能；研究了石墨烯納米

3、墻(GNWs)在不同襯底上的普適性制備方法及熱處理對(duì)GNWs光學(xué)、電學(xué)等物性的影響；最后，制備了GNWs與CdS納米復(fù)合材料，研究了其光電化學(xué)性能。本文得到的主要結(jié)果如下：
　?、僭诜谴呋匀S光柵結(jié)構(gòu)的石英襯底上成功制備了連續(xù)的共形石墨烯薄膜，其透光率>80％（550nm），且多數(shù)的方阻<2000sq-1，性能與通過(guò)PECVD法制備到平面石英襯底上的薄膜石墨烯(方阻4100sq-1，透光率97.6%（550nm）接近；制備了結(jié)構(gòu)

4、為“PDMS-石墨烯-共形石墨烯-石英”的壓力傳感器，在0-200Pa的低壓范圍內(nèi)，敏感系數(shù)可高達(dá)~-6.524kPa-1，響應(yīng)時(shí)間可低至~4ms，重復(fù)次數(shù)可高達(dá)5000次。高靈敏、高穩(wěn)定和快響應(yīng)特性，使該壓力傳感器可用于風(fēng)速的精確測(cè)試，性能可與市場(chǎng)上的風(fēng)速計(jì)相媲美。
　　②在彈性體PDMS上制備了連續(xù)的、柔性共形石墨烯。發(fā)現(xiàn)該柔性共形石墨烯不但具有可控的光學(xué)、電學(xué)等物理性能，同時(shí)具有超高的機(jī)械柔性，其中，單層的拉伸應(yīng)變約為~28

5、%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面石墨烯的7%；多層的拉伸應(yīng)變高達(dá)~77.8%。
　?、郯l(fā)現(xiàn)RF-PECVD(射頻等離子體增強(qiáng)CVD)法可在多種不同導(dǎo)電類(lèi)型的襯底上制備出形貌類(lèi)似、生長(zhǎng)速率接近的GNWs，即RF-PECVD法是一種對(duì)襯底選擇性不強(qiáng)的、普適性的生長(zhǎng)GNWs的方法；而WMPECVD(微波等離子體增強(qiáng)CVD)系統(tǒng)制備GNWs時(shí)，對(duì)襯底的選擇性很強(qiáng)，不具有普適制備的特點(diǎn)。即發(fā)現(xiàn)不同的等離子體源對(duì)GNWs的生長(zhǎng)，要求的襯底不同。研究了射頻功率

6、和退火溫度對(duì)RF-PECVD GNWs的光學(xué)、電學(xué)等物性的影響，發(fā)現(xiàn)空氣中退火，可有效刻蝕缺陷GNWs中的a-C，從而穩(wěn)定地增強(qiáng)缺陷GNWs的光學(xué)與電學(xué)等物性。
　?、芾肧ILAR(連續(xù)離子層吸附反應(yīng))法成實(shí)現(xiàn)了大量的CdS納米顆粒在GNWs三維構(gòu)架上的復(fù)合，獲得的CdS-GNWs復(fù)合材料的光響應(yīng)電流密度高達(dá)470μA/cm2，為平面石墨烯-CdS復(fù)合材料的幾十倍；且CdS-GNWs復(fù)合材料性能穩(wěn)定，即使在實(shí)驗(yàn)室中放置幾十天，其

7、響應(yīng)光電流密度幾乎不變。發(fā)現(xiàn)CdS NPs與GNWs之間的有效接觸面積，是光響應(yīng)電流密度的決定性因素。
　　本文揭示了非催化性襯底上石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)制；較深入和系統(tǒng)地研究了石英襯底、彈性體PDMS襯底上的共形石墨烯的透光、導(dǎo)電、機(jī)械拉伸等性能；發(fā)現(xiàn)了制備GNWs的普適性制備方法；研究了三維石墨烯墻的透光與導(dǎo)電等物性；獲得了基于石墨烯的壓力傳感器、石墨烯墻-CdS光電化學(xué)性能；獲得的這些研究結(jié)果，為制備高質(zhì)量三維結(jié)構(gòu)石墨烯及拓寬石墨烯