發(fā)布時(shí)間：2021-01-05 21:13

　　異質(zhì)原子摻雜能有效調(diào)控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)、電學(xué)及電化學(xué)性能。摻雜石墨烯的可控制備及性能調(diào)控已成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿與熱點(diǎn)。本論文以異質(zhì)原子摻雜石墨烯薄膜及泡沫為研究對(duì)象,首先,研究氮、硫摻雜石墨烯薄膜的可控制備及摻雜對(duì)石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)及其電學(xué)性能的影響規(guī)律;然后,研究硫摻雜石墨烯泡沫及其復(fù)合材料的可控制備及摻雜原子對(duì)其結(jié)構(gòu)與電催化性能的調(diào)控規(guī)律;最后,研究硫、氮共摻雜石墨烯泡沫及其復(fù)合材料的可控制備,以及摻雜原子對(duì)其結(jié)構(gòu)與電催化性能的調(diào)控規(guī)律。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.研究了本征及氮、硫摻雜石墨烯薄膜的可控制備及其電學(xué)性能。（1）研究并優(yōu)化了本征石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積（CVD）制備工藝及轉(zhuǎn)移工藝,獲得了高質(zhì)量、低方阻的石墨烯薄膜;研制了基于石墨烯薄膜電極的透明柔性摩擦電發(fā)電機(jī),其輸出功率密度、峰值電壓分別高達(dá)10.1μW cm^-2、56 V,展示了其在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。（2）以五氯吡啶為氮摻雜源和碳源,研究了低溫氮摻雜石墨烯薄膜的CVD制備工藝、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。研究表明,當(dāng)制備溫度從350 ^oC增加至450 ^o

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：168 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

石墨烯、富勒烯、碳納米管和石墨的原子結(jié)構(gòu)演化示意圖

石墨烯單層薄膜由一層碳原子構(gòu)成，單層薄膜厚度為 0.335 nm，薄膜中的碳原子以六方密堆積構(gòu)成六角型蜂巢狀晶格結(jié)構(gòu)，如圖 1-2（a）所示[6]。石墨烯的原胞由晶格矢量 a1和 a2定義，每個(gè)原胞有兩種碳原子構(gòu)成，用圖中的 A 和 B 來(lái)表示。每個(gè)晶格內(nèi)有 σ1、σ2和 σ3三個(gè)鍵，相鄰鍵之間的夾角都為 120°，鍵長(zhǎng)約為 0.142nm。每個(gè)碳原子外層有 4 個(gè)電子，其中的 3 個(gè)電子通過(guò) sp2雜化與相鄰的 3 個(gè)碳原子形成共價(jià) σ 鍵，另外一個(gè)垂直于晶面方向的電子形成 π 鍵[6]。共價(jià) σ 鍵使得石墨烯具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，π 鍵中的電子可以自由移動(dòng)，使石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)性能[6]。石墨烯晶格中的電子分布如圖 1-2（b）所示[6]，石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶線性相交于布里淵區(qū) K(K’)點(diǎn)，附近的電子可以通過(guò)類(lèi) Dirac 方程來(lái)描述，故 K(K’)點(diǎn)又稱為狄拉克點(diǎn)。采用緊束縛模型近似，石墨烯中電子能量和波矢的關(guān)系如公式 1-1所示[6]：2 2F x y=E(k) v k +k（1-1）其中，E為電子能量， 為普朗克常數(shù)，F(xiàn)v 為費(fèi)米速度，xk 與yk 分別為波矢量的 x 軸與 y 軸分量。

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文和非共價(jià)鍵修飾，石墨烯中碳原子的替位摻雜能夠在保持本征石墨烯二維變的同時(shí)賦予石墨烯新的性質(zhì)[22]。用于對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜的元素以 p 區(qū)元素為主，主要有 B、N、S、P、Si元素 F、Cl、Br、I 等[23, 24]。值得一提的是，O 和 H 通常以羥基或羧基的形避免的存在于石墨烯的邊緣位，其含量隨石墨烯制備方法的不同有較大的變格來(lái)講并不屬于摻雜[24]。根據(jù)摻雜效果的不同，可以分為 n 型摻雜（n-typedoping）和 p 型摻雜（pping）[25]。如圖 1-3 所示[26]，如果摻雜原子中電子的最高占據(jù)軌道（HOMO石墨烯的費(fèi)米能級(jí)（Fermilevel）之上，則電子從摻雜原子向石墨烯轉(zhuǎn)移，的費(fèi)米面從狄拉克點(diǎn)上移，石墨烯中的多數(shù)載流子為電子，形成 n 型摻雜；雜原子中電子的最低空軌道（LUMO）處于石墨烯的費(fèi)米能級(jí)下方，則電子烯向摻雜原子轉(zhuǎn)移，石墨烯的費(fèi)米面從狄拉克點(diǎn)下移，石墨烯中的多數(shù)載流穴，形成 p 型摻雜。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性[J]. 黃國(guó)家,陳志剛,李茂東,楊波,辛明亮,李仕平,尹宗杰.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2016(10)
[2]大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 陳牧,顏悅,張曉鋒,劉偉明,周辰,郭志強(qiáng),望詠林,厲蕾,張官理.  航空材料學(xué)報(bào). 2015(02)
[3]石墨烯摻雜的研究進(jìn)展[J]. 張蕓秋,梁勇明,周建新.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2014(03)
[4]拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J]. 吳娟霞,徐華,張錦.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2014(03)



本文編號(hào)：2959310