【摘要】：高導電碳膜具有廣泛的應用前景,特別是用于電熱器件、儲能器件以及太陽能電池等領域。目前高導電碳膜的研究主要在石墨烯薄膜和石墨炔薄膜,但結構良好、性能優(yōu)異的石墨烯和石墨炔薄膜所需的制備工藝復雜、條件苛刻、生產(chǎn)成本和設備成本較高,難以廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)。因此尋求廉價的碳源與簡單的方法制備高導電碳膜是十分必要的。本文采用高溫煤焦油為碳源,石英玻璃片為反應基底,在不同工藝參數(shù)下成功制備了不同導電能力的碳膜材料,并探究了碳膜的制備工藝參數(shù)對碳膜結構和性能的影響,揭示了煤焦油基碳膜結構和其導電性能、電熱性能間的關系。最后又采用芳烴化合物和雜原子化合物為碳源制備碳膜,探究了煤焦油中的不同組分對碳膜結構和性能的影響。通過對煤焦油基碳膜的性能表征發(fā)現(xiàn),碳化時間、煤焦油添加量和碳化溫度的變化均會影響碳膜的導電性能和電熱性能,并可通過改變制備參數(shù)(如碳化時間、碳化溫度以及煤焦油添加量等)來達到碳膜的可控制備。延長碳化時間可有效降低碳膜的電阻率和方塊電阻,提高碳膜的電熱性能,電阻率從1.34×10~(-3)Ohm·cm降低到6.96×10~-44 Ohm·cm,方塊電阻從1312.7 Ohm/sq降低到793.0Ohm/sq,碳膜在30 V的最高發(fā)熱溫度能達到88.9 ~oC。提高煤焦油煤焦油添加量同樣會改變碳膜的電阻率和方塊電阻,其中碳膜電阻率隨煤焦油添加量的提高而先增加再降低,最低為6.42×10~-44 Ohm·cm;碳膜的方塊電阻和電熱性能均隨著煤焦油添加量的增加而降低,碳膜在30 V下的最高發(fā)熱溫度可達174 ~oC,而方塊電阻從793.0 Ohm/sq降低至108.2 Ohm/sq。碳化溫度是影響碳膜導電性能的最主要的因素之一,提高碳化溫度可顯著降低碳膜的電阻率和方塊電阻并提高電熱性能,電阻率從700 ~oC下的8.9×10~-22 Ohm·cm顯著降低至1100 ~oC下的7.07×10~(-4)Ohm·cm,而方塊電阻從1.07×10~5Ohm/sq降低至296.1 Ohm/sq,碳膜在30 V下的最高發(fā)熱溫度可達127 ~oC。通過對煤焦油基碳膜的結構表征發(fā)現(xiàn),改變碳膜的制備參數(shù),可影響碳膜的石墨化程度,改變碳膜中的載流子濃度和遷移率的大小。實驗中所制備的碳膜的載流子濃度較大,均在10~(21)-10~(22)/cm~3范圍內(nèi);而遷移率較小,一般小于1 cm~2/Vs。隨著碳化時間的增加,碳膜中的載流子濃度逐漸增加,最高為4.6×10~(22)/cm~3,而載流子遷移率卻隨之降低,最低為0.17 cm~2/Vs。改變煤焦油添加量同樣會改變碳膜的石墨化程度和載流子濃度及其遷移率的大小,但并沒有呈現(xiàn)明確的變化規(guī)律。提高碳化溫度可顯著提高碳膜的石墨化程度,增強碳膜的導電性能,但其載流子濃度及其遷移率的變化同樣沒有明確的變化規(guī)律。通過對不同碳源制備的碳膜的性能和結構表征發(fā)現(xiàn),碳源的種類對碳膜的導電性和電熱性質(zhì)有很大的影響。芳烴基碳膜的電阻率和方塊電阻均低于煤焦油基碳膜,其中萘基碳膜的導電性能和電熱性質(zhì)最好,其電阻率和方塊電阻分別為6.4×10~-44 Ohm·cm和43.4 Ohm/sq,碳膜在30 V下的最大發(fā)熱溫度超過300 ~oC;雜原子化合物基碳膜中,對羥基聯(lián)苯基碳膜的電阻率略小于煤焦油基碳膜,而吡啶基和苯并噻吩基碳膜的電阻率均高于煤焦油基碳膜。雜原子的種類對碳膜的導電性能具有不同的影響,向甲苯中加入氧元素可降低碳膜的電阻率,而加入氮、硫元素則會提高碳膜的電阻率。不同結構的碳源會影響碳膜的石墨化程度,改變碳膜中載流子的濃度和遷移率。而雜原子的存在會增加碳膜的載流子濃度(均大于1×10~-44 Ohm·cm),但同時會降低碳膜的載流子遷移率(均小于1 cm~2/Vs)。
【圖文】：

材料的種類與應用用特定的方法在襯底表面生長出薄層固態(tài)物質(zhì)，當薄層固態(tài)物質(zhì)的的長、寬尺寸時，一般將這樣的薄層固態(tài)物質(zhì)稱為膜。薄膜材料通料厚度有著較高要求的行業(yè)，，如微電子行業(yè)等。這些行業(yè)不僅對材有著較高的要求外，還需要材料的厚度有著嚴苛的要求。碳膜材料中的一種，由于碳原子的獨特的電子結構[1]，使其在成鍵時會發(fā)生化方式[2, 3]，這使得碳元素具有許多的同素異形體。同時，雜化方致了碳膜材料具有諸多優(yōu)異的性能，使其可應用于諸多領域。碳具同素異形體，使得碳膜材料也多種多樣，如石墨烯膜、石墨炔膜、膜等等。這里將詳細介紹石墨烯膜、石墨炔膜和非晶態(tài)碳膜這三種、性能以及在不同領域的應用情況。墨烯膜烯的結構

煤焦油基碳膜的可控制備及其電性能研究圖 1-1 所示[5]。石墨烯可通過卷曲的方式形成具有一定富勒烯；也可通過彎曲的方式形成具有中空結構的碳納的范德華力和π-π相互作用而相互疊加形成石墨。中碳原子存在三個完全相同的 sp2雜化軌道，可與相鄰“頭碰頭”的方式形成 C-C 鍵。剩下的 2pz軌道則可與肩并肩”的方式重疊形成大π共軛平面[6]，其能帶結構如獨特的電子結構以及雜化方式，導致其同時具有許多性能（石墨烯具有彈性、強度和一定的柔韌性）[8, 9]、30 Ohm/sq）[10]、光學性能（透光率高達 97.7%）[11, 12]、5000 W/mK）[13]、超高的載流子遷移率（2.5×105cm2/Vs
【學位授予單位】：安徽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ127.11;TB383.2

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本文編號：2605513