磁場排列石墨烯及其性能和應用研究
發(fā)布時間：2021-08-16 10:18
在過去的十多年里,石墨烯由于其優(yōu)異的熱學、光學、電學、機械和磁學性能吸引了大量的研究關注,也被廣泛地應用于如氣體傳感器、集成電路、石墨烯晶體管、熱導、透明電極和儲能等領域。目前,工業(yè)化量產的是采用溶液剝離法制備的石墨烯納米片。這種石墨烯片的應用通常需要被大量地組裝在一起制備成宏觀尺寸的器件。由于石墨烯片的性能具有形狀各向異性,因此只有當所有的石墨烯片都沿一個方向排列時,單個石墨烯片獨特的熱學、光學、機械和電學性能才可以被充分應用到整個器件中去。過去的研究表明,電場和磁場卻可以為低維納米材料提供靈活的非接觸的排列。石墨烯的電場排列已經被證明不是非常有效。盡管通過包裹氧化鐵納米顆粒,已經實現了對氧化石墨烯納米片的磁場排列。但是,利用石墨烯本征性質的磁場排列仍然是一個挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn),我們對磁場控制的石墨烯片的取向進行了理論仿真研究。通過溶液剝離石墨的方法制備了石墨烯薄片,并利用其本征的抗磁性實現了石墨烯的磁場排列。在研究了宏觀排列石墨烯的各向異性的光學性能之后,制作了一系列光學器件作為應用實例的展示。（1）理論研究了磁場對石墨烯的穩(wěn)定懸浮和取向控制。我們仿真研究了不同邊數的正多邊形的...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：126 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
石墨烯的主要制備方法的成本與品質的關系[16]
相比之下,石墨烯的抗磁性是其本征特性的,因為它源于狄拉克帶中π電子的軌道或朗道量子化。石墨烯中更高的電子遷移率使得抗磁性甚至比HOPG更強。圖1-3(b)展示了石墨烯抗磁性的示意圖,外部磁場為B,石墨烯平面中的電子在磁場中運動軌跡如紅色圓環(huán)所示,等效電流為黃色環(huán)流,誘導的反向抗磁性磁場為B"。石墨烯極高的面內電子遷移率將產生強等效電流并隨后產生強抗磁性磁場。根據Sepioni等人的實驗,在50K至300K的溫度范圍內測到了石墨烯的強抗磁性,如圖1-4(a)所示[13]。由于軌道磁化,垂直磁場中的抗磁性響應強于平行外場中的抗磁性響應。在低于20 K的溫度范圍內,石墨烯表現出典型的順磁性,并遵循居里定律χ∝1/T,如圖1-4(b)所示[13]。順磁性是各向同性的,因為它涉及軌道運動(如圖1-4(b)的插圖所示)。當溫度從50 K增加到290 K時,抗磁性降低得非常緩慢,但是當溫度從290 K增加到360 K時,抗磁性下降很快,降低了約9%。在圖1-4(c)中,由于激光入射引起的激光熱效應,使石墨烯的溫度升高,抗磁性磁化率降低[32]。根據2013年Ominato等人的理論計算模擬,石墨烯的抗磁性響應可用于排列石墨烯薄片[33],但是排列尺寸為23.5納米的石墨烯薄片需要9 T的強磁場[33-35]。由于石墨烯的抗磁性磁化率與石墨烯的質量有關,而石墨烯片在磁場中所受抗磁性的磁力與石墨烯片的尺寸有關。因此,更大尺寸和高質量的石墨烯薄片將大大減少所需的磁場。
與諸如鉍等抗磁性金屬相比,石墨烯具有強的抗磁性和低密度,石墨烯疊片和石墨薄片都可以懸浮在磁鐵上方。石墨的懸浮研究對于石墨烯具有類似的規(guī)律。與超導體懸浮其內部完全排斥磁場的Meissner效應相比,石墨烯疊片不能被單個磁體懸浮。因此,穩(wěn)定懸浮石墨烯疊片需要多塊磁鐵的陣列[36]。由于石墨烯抗磁性在高于室溫時隨著溫度的升高而降低,因此石墨烯疊片局部溫度的升高將會影響懸浮的高度和穩(wěn)定性�；谶@個原理,在激光或太陽輻照下,懸浮在磁鐵陣列上的石墨烯疊片將會被激光控制移動,懸浮在圓環(huán)和圓柱磁鐵上的石墨烯疊片將會被激光或者太陽光控制旋轉。圖1-5(a)是磁懸浮系統(tǒng)和石墨薄片懸浮在磁鐵上方并被激光控制移動的示意圖。照射石墨薄片的激光為405 nm連續(xù)激光器。圖1-4(c)中的藍色虛線表示磁化率的絕對值隨溫度的升高而降低,因此石墨板的懸浮高度如紅色曲線所示降低。圖1-5(b)展示了懸浮在磁鐵陣列上方的石墨薄片沿著激光光束移動而平移。由于激光照射部位的溫度高于其他部分,因此該照射點處的磁化率低于未被照射部分。激光照射點處的磁懸浮浮力變小,引起石墨薄片向著照射光斑的位置傾斜移動。因此,石墨薄片將朝向激光點的方向移動,直到激光點再次位于石墨薄片的中心。懸浮石墨薄片的最大移動速度可以達到約45 mm s-1[32]。如圖1-5(c)所示,當石墨薄片懸浮于磁鐵圓環(huán)套在磁鐵圓柱上組成的復合磁場中,如果激光照射在圓形石墨薄片的邊緣,則圓柱形磁鐵上方的懸浮石墨薄片將圍繞z軸旋轉。旋轉運動來自激光或太陽輻照下磁化率的不均勻分布,進而導致的磁場懸浮力的不均勻。石墨薄片的傾斜產生與薄片邊緣相切的力,使得薄片旋轉,并且旋轉的最大速度可以超過200rpm。由于石墨烯和石墨具有類似的抗磁性性質,在石墨烯疊片上也可以實現光誘導的移動和旋轉。這些發(fā)現使得光可以作為動力源來控制磁懸浮的抗磁性材料的運動。
本文編號：3345488
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：126 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
石墨烯的主要制備方法的成本與品質的關系[16]
相比之下,石墨烯的抗磁性是其本征特性的,因為它源于狄拉克帶中π電子的軌道或朗道量子化。石墨烯中更高的電子遷移率使得抗磁性甚至比HOPG更強。圖1-3(b)展示了石墨烯抗磁性的示意圖,外部磁場為B,石墨烯平面中的電子在磁場中運動軌跡如紅色圓環(huán)所示,等效電流為黃色環(huán)流,誘導的反向抗磁性磁場為B"。石墨烯極高的面內電子遷移率將產生強等效電流并隨后產生強抗磁性磁場。根據Sepioni等人的實驗,在50K至300K的溫度范圍內測到了石墨烯的強抗磁性,如圖1-4(a)所示[13]。由于軌道磁化,垂直磁場中的抗磁性響應強于平行外場中的抗磁性響應。在低于20 K的溫度范圍內,石墨烯表現出典型的順磁性,并遵循居里定律χ∝1/T,如圖1-4(b)所示[13]。順磁性是各向同性的,因為它涉及軌道運動(如圖1-4(b)的插圖所示)。當溫度從50 K增加到290 K時,抗磁性降低得非常緩慢,但是當溫度從290 K增加到360 K時,抗磁性下降很快,降低了約9%。在圖1-4(c)中,由于激光入射引起的激光熱效應,使石墨烯的溫度升高,抗磁性磁化率降低[32]。根據2013年Ominato等人的理論計算模擬,石墨烯的抗磁性響應可用于排列石墨烯薄片[33],但是排列尺寸為23.5納米的石墨烯薄片需要9 T的強磁場[33-35]。由于石墨烯的抗磁性磁化率與石墨烯的質量有關,而石墨烯片在磁場中所受抗磁性的磁力與石墨烯片的尺寸有關。因此,更大尺寸和高質量的石墨烯薄片將大大減少所需的磁場。
與諸如鉍等抗磁性金屬相比,石墨烯具有強的抗磁性和低密度,石墨烯疊片和石墨薄片都可以懸浮在磁鐵上方。石墨的懸浮研究對于石墨烯具有類似的規(guī)律。與超導體懸浮其內部完全排斥磁場的Meissner效應相比,石墨烯疊片不能被單個磁體懸浮。因此,穩(wěn)定懸浮石墨烯疊片需要多塊磁鐵的陣列[36]。由于石墨烯抗磁性在高于室溫時隨著溫度的升高而降低,因此石墨烯疊片局部溫度的升高將會影響懸浮的高度和穩(wěn)定性�；谶@個原理,在激光或太陽輻照下,懸浮在磁鐵陣列上的石墨烯疊片將會被激光控制移動,懸浮在圓環(huán)和圓柱磁鐵上的石墨烯疊片將會被激光或者太陽光控制旋轉。圖1-5(a)是磁懸浮系統(tǒng)和石墨薄片懸浮在磁鐵上方并被激光控制移動的示意圖。照射石墨薄片的激光為405 nm連續(xù)激光器。圖1-4(c)中的藍色虛線表示磁化率的絕對值隨溫度的升高而降低,因此石墨板的懸浮高度如紅色曲線所示降低。圖1-5(b)展示了懸浮在磁鐵陣列上方的石墨薄片沿著激光光束移動而平移。由于激光照射部位的溫度高于其他部分,因此該照射點處的磁化率低于未被照射部分。激光照射點處的磁懸浮浮力變小,引起石墨薄片向著照射光斑的位置傾斜移動。因此,石墨薄片將朝向激光點的方向移動,直到激光點再次位于石墨薄片的中心。懸浮石墨薄片的最大移動速度可以達到約45 mm s-1[32]。如圖1-5(c)所示,當石墨薄片懸浮于磁鐵圓環(huán)套在磁鐵圓柱上組成的復合磁場中,如果激光照射在圓形石墨薄片的邊緣,則圓柱形磁鐵上方的懸浮石墨薄片將圍繞z軸旋轉。旋轉運動來自激光或太陽輻照下磁化率的不均勻分布,進而導致的磁場懸浮力的不均勻。石墨薄片的傾斜產生與薄片邊緣相切的力,使得薄片旋轉,并且旋轉的最大速度可以超過200rpm。由于石墨烯和石墨具有類似的抗磁性性質,在石墨烯疊片上也可以實現光誘導的移動和旋轉。這些發(fā)現使得光可以作為動力源來控制磁懸浮的抗磁性材料的運動。
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