【摘要】：石墨烯自被發(fā)現(xiàn)以來,以其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)使人們對(duì)這種二維結(jié)構(gòu)的材料產(chǎn)生了巨大的興趣,并進(jìn)行了廣泛而深入的研究。得益于石墨烯研究的繁榮,氧化石墨烯、氮摻雜石墨烯等石墨烯相關(guān)的功能性衍生物也逐漸得到廣泛的關(guān)注。氧化石墨烯和氮摻雜石墨烯是可以通過一系列氧化、摻雜、還原等手段對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)特定的功能應(yīng)用。與此同時(shí),其他元素的功能性二維材料如氮化硼、過渡金屬硫化物和黑磷等也相繼走進(jìn)人們的視野。其中黑磷作為半導(dǎo)體,以其優(yōu)異的電子和光學(xué)性質(zhì),如高載流子遷移率和可調(diào)制的直接帶隙等,成為了二維材料領(lǐng)域的新焦點(diǎn)。本文主要從氧化石墨烯的修飾、摻雜以及黑磷單晶的制備等方面進(jìn)行了探索。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.采用還原氧化石墨烯(RGO)和十八烷基三氯硅烷(OTS)的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)來制作基于RGO的場(chǎng)效應(yīng)器件。RGO表面的OTS單分子層阻斷了大氣環(huán)境中水分和氧氣對(duì)RGO中電子的捕獲,而二氧化硅襯底上的OTS單分子層隔絕了來自襯底的電荷散射。這種垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)同時(shí)消除來自襯底和空氣中的摻雜,最終得到了本征的對(duì)稱雙極性場(chǎng)效應(yīng)器件。不僅如此,器件的穩(wěn)定性也得到了顯著的提升,雙極性場(chǎng)效應(yīng)能在大氣環(huán)境下維持將近一周左右。2.通過鄰芳香二胺化合物中的氨基和氧化石墨烯中的羰基之間的希夫堿縮合反應(yīng),成功制備了吡嗪和吡啶類的氮摻雜石墨烯,并研究了氮的構(gòu)型和結(jié)構(gòu)中的吸電子基團(tuán)對(duì)氮摻雜石墨烯電學(xué)性能的影響。當(dāng)石墨烯被含有強(qiáng)吸電子基團(tuán)(三氟甲基基團(tuán))的鄰芳香二胺化合物摻雜時(shí),場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件表現(xiàn)出空穴傳輸主導(dǎo)的雙極性場(chǎng)效應(yīng)行為,顯示為p型的摻雜。當(dāng)強(qiáng)吸電子的三氟甲基基團(tuán)被移除,器件逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱的雙極性場(chǎng)效應(yīng),甚至表現(xiàn)出一定程度的n型摻雜。在此基礎(chǔ)上引入吡啶類型的氮,由于吡啶氮的吸電子及散射作用,器件轉(zhuǎn)變?yōu)槿鮬型摻雜。3.利用五溴化磷作為前驅(qū)物,熔融的金錫合金(AuSn)作為催化基底,首次通過常壓化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量大面積的單晶黑磷的生長(zhǎng)。通過系統(tǒng)降溫實(shí)驗(yàn)表明,黑磷在金錫合金表面的生長(zhǎng)為偏析機(jī)制,類似于石墨烯在鎳箔上的生長(zhǎng)方式。通過電子束濺射原位俄歇電子能譜(AES)的表征也證實(shí)了這一點(diǎn)。在熔融金錫合金表面,磷原子偏析生成黑磷的過程中,黑磷的孤對(duì)電子會(huì)被金屬離子捕獲。這會(huì)阻止黑磷與空氣中水氧繼續(xù)反應(yīng),使黑磷的空氣穩(wěn)定性大大提高。
【圖文】：

圖 1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)及其與各碳材料的關(guān)系。[7]同時(shí)，載流子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)很難用傳統(tǒng)的薛定諤方程來描述，其滿足靜質(zhì)量為零的狄拉克費(fèi)米子要求，運(yùn)動(dòng)可以由符合相對(duì)論量子力學(xué)的狄拉克方程來描述。[16]這種獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)決定了石墨烯是零帶隙的半金屬材料，使石墨烯表現(xiàn)出與常規(guī)半導(dǎo)體材料不同的特性，同時(shí)也使石墨烯的電學(xué)性質(zhì)很容易受到基底、雜質(zhì)、缺陷和外加電場(chǎng)的影響和調(diào)控。[17-21]（二） 石墨烯的性質(zhì)1. 石墨烯的機(jī)械性質(zhì)：石墨烯由sp2雜化的碳原子組成，碳原子之間形成碳碳雙鍵，這種共軛雙鍵賦予石墨烯極高的機(jī)械性能。根據(jù)理論估計(jì)，石墨烯的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為 180 Gpa 和 1 Tpa，比強(qiáng)度在 0.78-1.68Gpa 的鋼鐵大 100 多倍。這是因?yàn)槭﹥?nèi)部的碳原子間的連接十分柔韌，當(dāng)外加機(jī)械力向石墨烯施加作用時(shí)，整個(gè)碳原子平面發(fā)生彎曲變形，使得結(jié)構(gòu)中的碳原子不必通過重新排列來適應(yīng)外力，從而可以維持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。哥倫比亞的 Lee 等人利用原子力顯微鏡對(duì)石墨烯的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了較詳

1.2 （a）鋪展在帶孔晶體板上的石墨烯的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。標(biāo)尺為 3 μm。（b）上石墨烯的非接觸原子力顯微鏡（AFM）圖片。（c）石墨烯的力學(xué)性能測(cè)試模擬圖。（d）石墨烯受力破損后的 AFM 圖片。[23]2. 石墨烯的電學(xué)性質(zhì)：石墨烯獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯的載流子可以在空穴和電之間無縫切換，使石墨烯可以同時(shí)表現(xiàn) p 型和 n 型特征。作為零帶隙的半金屬材料，墨烯中載流子的傳輸阻力很小，，運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到光速的 1/300，遠(yuǎn)高過在一般導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度，[24, 25]其載流子遷移率理論可達(dá)到 200000 cm2/v·s，對(duì)于硅片經(jīng)過修飾的墨烯器件，遷移率也到達(dá)了 47000 cm2/v·s。[26]石墨烯中電子散射與載流子濃度無關(guān)，在超高的載流子濃度下，石墨烯依舊可以保持極高的遷移率。據(jù)推測(cè)，[11, 27]石墨烯在微米尺度上表現(xiàn)為二維彈道傳輸，即載流子在亞微米尺度上傳輸不會(huì)與任何雜質(zhì)進(jìn)行撞，從而保證了石墨烯的超高遷移率不會(huì)因周圍環(huán)境的散射等因素而降低。3. 石墨烯的光學(xué)性質(zhì)：石墨烯作為單分子厚度的二維晶體，卻具有恒定的吸光性。ir[28]等人測(cè)試了懸浮石墨烯的吸光性能，發(fā)現(xiàn)其吸光程度與光波的波長(zhǎng)和強(qiáng)度并不相
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2708924