2004年,A.Geim教授等人首先利用微機械剝離法分離出單層的石墨烯,自此,石墨烯以其各項優(yōu)異性能受到了社會各界的廣泛關注。其中較為矚目的是其在電學性能方面的研究,為下一代電學器件的發(fā)展開辟了新的方向。石墨烯中的碳原子以sp2雜化軌道的形式組成六角蜂窩結構,是一種二維薄膜材料。石墨烯的晶格結構中碳原子之間存在3個強σ鍵和一個π鍵,貫穿了整個石墨烯結構。其中,每個碳原子都會提供一個π電子,π電子在石墨烯之中可以不受阻礙的自由穿梭,這就是其良好電學性能的形成原因。研究表明,不同的尺寸,幾何結構,邊界類型會使石墨烯表現(xiàn)出各異的電學性能,通過切割的手段改變石墨烯結構可以改善石墨烯的各項性能。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而得到不同形狀尺寸,不同邊界類型的石墨烯,進而實現(xiàn)對石墨烯性能的可控研究。同時,在納米切割所形成的溝道中限域生長碳納米管,實現(xiàn)了碳納米管的定向可控生長。金屬顆粒納米切割技術不僅適用于二維石墨烯如高定向熱解石墨和單晶石墨烯,同樣可以對三維石墨烯進行切割對其改性。在此基礎上,我們還可以通過復合或合成其他材料進一步拓展研究。本文具體研究內(nèi)容如下:1.研究了金屬鎳顆粒對高定向熱解石墨的納米切割,提供一種對石墨烯結構進行可控改造的方法。通過掃描電鏡,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,通過催化氫化反應,作為催化劑刻蝕碳原子進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,當金屬顆粒在切割過程中遇到缺陷或自由邊界時,切割方向就會發(fā)生改變。若是切割方向發(fā)生的是60°或120°角度轉(zhuǎn)變,則說明該方向依然是沿著同一晶格方向進行的;若切割方向發(fā)生的是90°轉(zhuǎn)變,這說明切割方向發(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,從而對石墨烯的電學性能產(chǎn)生調(diào)控作用。2.對上一部分研究內(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了碳納米管,對碳納米管的定向生長具有重大意義。該碳納米管的生長碳源為高定向熱解石墨,催化劑是同時對石墨烯進行納米切割的鎳顆粒。對溝道中的碳納米管進行表征,我們發(fā)現(xiàn)該碳管為多壁碳納米管,并且嚴格按照溝道方向生長在溝道內(nèi)壁之內(nèi),生長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而可控的生長不同結構特征的碳納米管。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構形貌例如“八爪魚”結構,螺旋結構等。3.主要研究了利用金屬鎳顆粒對單晶石墨烯進行的納米切割,相比于對高定向熱解石墨的納米切割來說,單晶石墨烯克服了對HOPG轉(zhuǎn)移操作上的不易,使得對樣品的表征更易進行。通過表征發(fā)現(xiàn),與HOPG的切割結果類似,金屬鎳顆粒切割單晶石墨烯是沿著筆直的方向進行的,當鎳顆粒在切割過程中遇到空位、缺陷或者石墨烯的邊界時,切割方向會發(fā)生改變。并且,納米切割的溝道的起點大多位于單晶石墨烯破損的邊界處。我們通過金屬顆粒對單晶石墨烯的結構進行納米切割可以制備出具有不同尺寸不同邊界結構的單晶石墨烯片,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。這對單晶石墨烯的改性具有重大意義,以及為其在電學器件方面的應用拓展了更多思路。4.利用鎳顆粒對三維石墨烯復合材料進行納米切割,同時對其電化學性能,儲能性能進行表征。研究表明,增加三維石墨烯的孔隙率是用來提高三維石墨烯的比表面積和電容量的普遍方法。通過納米切割過程,使得三維石墨烯復合材料的孔洞增多,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,離子附著位點增多,進而大大提高了鋰離子電池的比電容量等性能。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11
【部分圖文】：

結構［２］。同時，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逡逑成多種多樣結構的原因之一。如圖１所示為Ｃ元素所組成的不同類型結構示意逡逑圖，且其性質(zhì)完全不同［３］。因此以Ｃ元素為構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合材料也在不斷地被研究和發(fā)現(xiàn)并且應用于實際逡逑生產(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．不同碳材料的結構示意圖［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構。將無數(shù)層石墨烯在Ｚ軸方向上逡逑堆疊起來便可以得到宏觀上具有三維結構的三維石墨烯。因此，我們說，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＂＂！ｒ邐：逡逑~屽義賢跡保慘允┪ピ峁棺楹銑篩煥障�，碳纳脡嬡，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�。其辶x現(xiàn)校ゲ閌┘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凇Ｋ閌┯址治猿剖┖筒歡猿剖�。对称石墨烯的价带辶x蝦偷即⑽⒔喲ィ揮懈謀涫┑牧憒督峁�。葰g雜誆歡猿剖�，两辶x掀┢闃浠嵊忻饗緣拇恫ｅ義希峰澹㈠義

本文編號：2832093