2004年,A.Geim教授等人首先利用微機(jī)械剝離法分離出單層的石墨烯,自此,石墨烯以其各項(xiàng)優(yōu)異性能受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。其中較為矚目的是其在電學(xué)性能方面的研究,為下一代電學(xué)器件的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。石墨烯中的碳原子以sp2雜化軌道的形式組成六角蜂窩結(jié)構(gòu),是一種二維薄膜材料。石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)中碳原子之間存在3個(gè)強(qiáng)σ鍵和一個(gè)π鍵,貫穿了整個(gè)石墨烯結(jié)構(gòu)。其中,每個(gè)碳原子都會(huì)提供一個(gè)π電子,π電子在石墨烯之中可以不受阻礙的自由穿梭,這就是其良好電學(xué)性能的形成原因。研究表明,不同的尺寸,幾何結(jié)構(gòu),邊界類型會(huì)使石墨烯表現(xiàn)出各異的電學(xué)性能,通過(guò)切割的手段改變石墨烯結(jié)構(gòu)可以改善石墨烯的各項(xiàng)性能。本文主要研究利用金屬顆粒作為“剪刀”在納米尺寸上切割石墨烯進(jìn)而得到不同形狀尺寸,不同邊界類型的石墨烯,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯性能的可控研究。同時(shí),在納米切割所形成的溝道中限域生長(zhǎng)碳納米管,實(shí)現(xiàn)了碳納米管的定向可控生長(zhǎng)。金屬顆粒納米切割技術(shù)不僅適用于二維石墨烯如高定向熱解石墨和單晶石墨烯,同樣可以對(duì)三維石墨烯進(jìn)行切割對(duì)其改性。在此基礎(chǔ)上,我們還可以通過(guò)復(fù)合或合成其他材料進(jìn)一步拓展研究。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:1.研究了金屬鎳顆粒對(duì)高定向熱解石墨的納米切割,提供一種對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行可控改造的方法。通過(guò)掃描電鏡,透射電鏡,原子力顯微鏡等表征手段我們發(fā)現(xiàn),納米鎳顆粒沉積在HOPG表面后,通過(guò)催化氫化反應(yīng),作為催化劑刻蝕碳原子進(jìn)而在石墨烯表面形成切割溝道,切割完成后,鎳顆粒位于溝道尾端,該溝道的寬度與鎳顆粒直徑一致。沿[1120]晶格方向形成的溝道的邊界類型為之字形(zig-zag),沿[1100]晶格方向形成的溝道邊界類型為扶手椅形(armchair)。此外,當(dāng)金屬顆粒在切割過(guò)程中遇到缺陷或自由邊界時(shí),切割方向就會(huì)發(fā)生改變。若是切割方向發(fā)生的是60°或120°角度轉(zhuǎn)變,則說(shuō)明該方向依然是沿著同一晶格方向進(jìn)行的;若切割方向發(fā)生的是90°轉(zhuǎn)變,這說(shuō)明切割方向發(fā)生了晶格方向上的改變。由于溝道在切割方向上各異交叉,就能得到不同尺寸形貌,不同邊界類型的石墨烯片,從而對(duì)石墨烯的電學(xué)性能產(chǎn)生調(diào)控作用。2.對(duì)上一部分研究?jī)?nèi)容做拓展,在高定向熱解石墨表面的切割溝道中限域生長(zhǎng)了碳納米管,對(duì)碳納米管的定向生長(zhǎng)具有重大意義。該碳納米管的生長(zhǎng)碳源為高定向熱解石墨,催化劑是同時(shí)對(duì)石墨烯進(jìn)行納米切割的鎳顆粒。對(duì)溝道中的碳納米管進(jìn)行表征,我們發(fā)現(xiàn)該碳管為多壁碳納米管,并且嚴(yán)格按照溝道方向生長(zhǎng)在溝道內(nèi)壁之內(nèi),生長(zhǎng)方向可以隨著溝道方向轉(zhuǎn)變而發(fā)生轉(zhuǎn)彎。在不同邊界類型的溝道中所合成的碳納米管的直徑也有所不同,通過(guò)調(diào)節(jié)金屬鎳顆粒的尺寸大小可以調(diào)節(jié)切割的方向與溝道的寬度進(jìn)而可控的生長(zhǎng)不同結(jié)構(gòu)特征的碳納米管。此外,在高定向熱解石墨表面也有碳納米管的合成,與溝道內(nèi)碳管不同的是,表面的碳管由于不受限域作用,可以形成具有多種多樣的結(jié)構(gòu)形貌例如“八爪魚”結(jié)構(gòu),螺旋結(jié)構(gòu)等。3.主要研究了利用金屬鎳顆粒對(duì)單晶石墨烯進(jìn)行的納米切割,相比于對(duì)高定向熱解石墨的納米切割來(lái)說(shuō),單晶石墨烯克服了對(duì)HOPG轉(zhuǎn)移操作上的不易,使得對(duì)樣品的表征更易進(jìn)行。通過(guò)表征發(fā)現(xiàn),與HOPG的切割結(jié)果類似,金屬鎳顆粒切割單晶石墨烯是沿著筆直的方向進(jìn)行的,當(dāng)鎳顆粒在切割過(guò)程中遇到空位、缺陷或者石墨烯的邊界時(shí),切割方向會(huì)發(fā)生改變。并且,納米切割的溝道的起點(diǎn)大多位于單晶石墨烯破損的邊界處。我們通過(guò)金屬顆粒對(duì)單晶石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米切割可以制備出具有不同尺寸不同邊界結(jié)構(gòu)的單晶石墨烯片,例如納米尺寸的三角形,四邊形單晶石墨烯片,單晶石墨烯納米帶等。這對(duì)單晶石墨烯的改性具有重大意義,以及為其在電學(xué)器件方面的應(yīng)用拓展了更多思路。4.利用鎳顆粒對(duì)三維石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行納米切割,同時(shí)對(duì)其電化學(xué)性能,儲(chǔ)能性能進(jìn)行表征。研究表明,增加三維石墨烯的孔隙率是用來(lái)提高三維石墨烯的比表面積和電容量的普遍方法。通過(guò)納米切割過(guò)程,使得三維石墨烯復(fù)合材料的孔洞增多,比表面積增大。將該材料用作鋰離子電池的負(fù)極材料,由于其較大的孔隙率和比表面積,使得石墨烯內(nèi)部離子傳輸距離變短,離子附著位點(diǎn)增多,進(jìn)而大大提高了鋰離子電池的比電容量等性能。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11
【部分圖文】：

結(jié)構(gòu)［２］。同時(shí)，Ｃ原子間可以以ｓｐ２及ｓｐ３雜化模式形成穩(wěn)定的碳碳雙鍵及三鍵，逡逑也可以通過(guò)ｓｐ３雜化軌道形成單鍵，所以它多變的成鍵形式也是能使碳原子可構(gòu)逡逑成多種多樣結(jié)構(gòu)的原因之一。如圖１所示為Ｃ元素所組成的不同類型結(jié)構(gòu)示意逡逑圖，且其性質(zhì)完全不同［３］。因此以Ｃ元素為構(gòu)成元素的碳材料具有多種多樣的優(yōu)逡逑異性能，并且新型碳材料及其復(fù)合材料也在不斷地被研究和發(fā)現(xiàn)并且應(yīng)用于實(shí)際逡逑生產(chǎn)中。逡逑＃邋＿逡逑富勒烯邐碳納米管逡逑．免■栜逡逑石墨層片，石墨：Zf邐金剛石逡逑圖１．不同碳材料的結(jié)構(gòu)示意圖［３］。逡逑１邋，逡逑

是石墨烯卷曲成管狀，那么就行了碳納米管結(jié)構(gòu)。將無(wú)數(shù)層石墨烯在Ｚ軸方向上逡逑堆疊起來(lái)便可以得到宏觀上具有三維結(jié)構(gòu)的三維石墨烯。因此，我們說(shuō)，石墨烯逡逑可以作為其他碳納米材料的組成單元［１１］，如圖１．２所示示意圖。逡逑＂＂�。蜻姡哄义蟸屽義賢跡保慘允┪ピ峁棺楹銑篩煥障寄擅墜�，三维石墨烯的示茵偧辶x希郟睿蕁ｅ義鮮┌湊詹閌梢曰治ゲ閌�，双查`┖蛻偈嗖閌Ｆ溴義現(xiàn)�，单查`┘粗揮幸徊閭莢幼槌傻氖�，其厚度仅有０．３３５纳米，约辶x銜販⑺恐本兜畝蚍種壞暮穸齲哂辛憒督峁�，其中愉\昭ê偷繾恿街皺義顯亓髯喲嬖�。双查`┯址治猿剖┖筒歡猿剖�。对称石墨烯的价带辶x蝦偷即⑽⒔喲�，脫]懈謀涫┑牧憒督峁�。葰g雜誆歡猿剖�，两辶x掀┢闃浠嵊忻饗緣拇恫�。辶x希峰澹㈠義

本文編號(hào)：2832093