【摘要】：石墨烯的成功分離打開了材料物理器件學(xué)科交叉研究的大門。石墨烯擁有著單原子層厚度、超高載流子遷移率、僅取決于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的透明度等非比尋常的量子特性,在電子器件、光電器件以及能量轉(zhuǎn)換器件的應(yīng)用上表現(xiàn)出了廣闊的前景。石墨烯獨特的狄拉克錐形能帶與巨大的比表面積致使它對外部刺激異常敏感,從而導(dǎo)致石墨烯的費米能級很容易受到外部環(huán)境的影響而發(fā)生偏移,進(jìn)而引起石墨烯二維平面內(nèi)的載流子運動,使其在高效能量轉(zhuǎn)化領(lǐng)域擁有著巨大的潛力。伴隨著全球能源危機與能源需求的日益上升,二維材料石墨烯已被大量地應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換器件的研究。在眾多正在進(jìn)行的利用石墨烯從自然環(huán)境中獲取電能的研究中,石墨烯與水的結(jié)合是近年來越來越受到研究人員追捧的發(fā)電途徑。盡管石墨烯水力發(fā)電的研究尚處于初級階段,但有關(guān)石墨烯從水的流動過程中產(chǎn)生電能的研究已經(jīng)得到了不少報道。然而之前研究報道的實驗結(jié)果仍然存在著較大的差異,并且還沒有能夠解釋這些實驗現(xiàn)象的物理機制。此外,之前研究大多只是將石墨烯當(dāng)成一種納米材料來使用而忽略了其本身特殊的量子特性。因此,本文主要針對石墨烯水流發(fā)電研究中尚存在的各種爭議,開展了一系列的實驗研究工作,并在此基礎(chǔ)上提出對發(fā)電機理獨特的見解、提高發(fā)電輸出功率和擴大發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域,以及初步探究石墨烯量子特性在石墨烯水流電壓產(chǎn)生過程中的表現(xiàn)形式。本文的主要工作如下:1、考慮到石墨烯的二維費米子特性,利用庫侖拖拽效應(yīng),證明了帶電二維材料納米片在石墨烯表面的滑動同樣能在石墨烯中引起一個電壓,并提出了移動的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)電機理。2、基于石墨烯單原子層厚度的量子特性,提出了石墨烯/PVDF異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)電器件,從多種液體的流動過程中獲取電能,通過仔細(xì)研究了液體、石墨烯與襯底三層體系之間的電荷相互作用過程,分析了襯底在石墨烯水流發(fā)電過程中所起的關(guān)鍵作用。3、通過引入PTFE襯底,將單個水滴在石墨烯表面流動時所產(chǎn)生的功率輸出增強了約100倍,并揭示了電壓增大的原因在于石墨烯轉(zhuǎn)移的過程中PTFE襯底與去離子水發(fā)生摩擦起電效應(yīng)而使PTFE襯底表面呈現(xiàn)很強的負(fù)電位。4、提出了一種基于石墨烯/硅肖特基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二維混合發(fā)電器件,可以同時在石墨烯二維平面中獲取太陽能和水流能。水流引起的電壓增量是水滴流動過程中石墨烯被連續(xù)摻雜和去摻雜的結(jié)果,這一動態(tài)過程可以解釋為通過水滴的流動來動態(tài)地調(diào)節(jié)石墨烯/硅肖特基結(jié)電荷轉(zhuǎn)移特性。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM619
【圖文】：

（Ｈｉｐｐｏｌｙｔｅ邋Ｐｉｘｉｉ）應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制成了第一臺永久磁鐵型旋轉(zhuǎn)式交流發(fā)電逡逑機。１８５９年安東尼奧？帕奇諾蒂（Ａｎｔｏｎｉｏ邋Ｐａｃｉｎｏｔｔｉ）對其進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了基于逡逑銅的環(huán)狀繞組系統(tǒng)并且得到了連續(xù)的直流電源（圖１．１ｂ），使發(fā)電機的制造變得切逡逑實可行。１８６７年，德國發(fā)明家西門子（Ｅｒｎｓｔ邋Ｗｅｒｎｅｒ邋ｖｏｎ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ）對發(fā)電機提逡逑出了重大改進(jìn)。他通過棄用磁鐵（即永久磁鐵），而使用電磁鐵，產(chǎn)生了強大的逡逑電流（圖１．１ｃ）�；谏鲜龌A(chǔ)，１８７０年，比利時學(xué)者古拉姆（Ｚｅｎｏｂｅ邋Ｇｒａｍｍｅ）逡逑設(shè)計出一種能夠產(chǎn)生穩(wěn)定直流的發(fā)電機，非常適合為電動機提供動力（圖１．Ｉｄ）。逡逑這一發(fā)現(xiàn)徹底激發(fā)了人們對使用電能來為世界提供照明與供電的熱情，從而使電逡逑力工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。與此同時電磁學(xué)也得到了突破性進(jìn)展，麥克斯韋在逡逑１８６１年發(fā)表的“論物理力線”文中提出了位移電流概念，他在磁場的安培定律逡逑中加入了位移電流項

力作用產(chǎn)生形變時會產(chǎn)生一種內(nèi)部電勢的現(xiàn)象，壓電納米發(fā)電機是一種利用壓電逡逑效應(yīng)將外界機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)化器件。在２００６年，王中林教授首次借逡逑由ＺｎＯ納米線提出壓電納米發(fā)電機概念［３３］。如圖１．２所示，由于ＺｎＯ半導(dǎo)體的逡逑功函數(shù)小于探針鉑（Ｐｔ）金屬，當(dāng)ＺｎＯ納米線和Ｐｔ探針接觸時電子將從ＺｎＯ納逡逑米線流入Ｐｔ探針，在接觸端形成肖特基勢壘。同時ＺｎＯ還具有壓電效應(yīng)，當(dāng)ＺｎＯ逡逑納米線線彎曲時，氧離子與鋅離子相對移動會導(dǎo)致在壓縮的地方顯示負(fù)電勢匕＇逡逑在拉伸的地方顯示正電勢Ｋ／，而Ｐｔ探針可以看作零電勢Ｋｎ邋＝邋0。當(dāng)探針與正電逡逑勢的拉伸面桕接觸時一。＋＜邋0，相當(dāng)于對ＺｎＯ半導(dǎo)體和Ｐｔ金屬之間形成的肖逡逑特基結(jié)進(jìn)行反向偏置，此時的反向電流很小，不能產(chǎn)生明顯的電壓輸出。當(dāng)探針逡逑與納米線的壓縮面接觸時—邐此時肖特基結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，能在外逡逑電路產(chǎn)生較為明顯的電流輸出。逡逑Ａｇｉ

由于摩擦納米發(fā)電機用的材料大部分都是有機材料，因而也被稱為有機納米發(fā)電逡逑機，也是第一個使用有機材料來收集機械能的技術(shù)路線。逡逑如圖１．３所示，當(dāng)施加外力使得摩擦納米發(fā)電機器件彎曲時，聚對苯二甲酸逡逑乙二醇醋（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ邋ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，簡稱邋ＰＥＴ）和聚酰亞胺（Ｋａｐｔｏｎ邋）兩種絕逡逑緣聚合物薄膜會相互接觸摩擦，盡管這些聚合物薄膜表面在燈光下看起來很平滑，逡逑但是在微觀上它們實際上都有幾百納米的粗糙度。機械的壓縮將導(dǎo)致兩種聚合物逡逑薄膜的相對滑動，兩片聚合物薄膜將發(fā)生摩擦起電效應(yīng)而在表面攜帶相反的靜電逡逑電荷，并形成一個界面偶極子層，被稱為摩擦電勢層。這個偶極子層會在金屬平逡逑板電極之間建立一個電勢場，并在金屬電極上感應(yīng)相應(yīng)的電荷。由于聚合物薄膜逡逑的絕緣特性，金屬電極上的感應(yīng)電荷并不會快或得消失很者被中和。為了消除摩逡逑擦電勢產(chǎn)生的影響，靜電感應(yīng)電荷將會流過兩個電極之間的負(fù)載。一旦施加在器逡逑件上的外力消失從而聚合物薄膜之間不再有摩擦力

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本文編號：2761772