在過(guò)去的十多年里,石墨烯由于其優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械和磁學(xué)性能吸引了大量的研究關(guān)注,也被廣泛地應(yīng)用于如氣體傳感器、集成電路、石墨烯晶體管、熱導(dǎo)、透明電極和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。目前,工業(yè)化量產(chǎn)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(yīng)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(dāng)所有的石墨烯片都沿一個(gè)方向排列時(shí),單個(gè)石墨烯片獨(dú)特的熱學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和電學(xué)性能才可以被充分應(yīng)用到整個(gè)器件中去。過(guò)去的研究表明,電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)排列已經(jīng)被證明不是非常有效。盡管通過(guò)包裹氧化鐵納米顆粒,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧化石墨烯納米片的磁場(chǎng)排列。但是,利用石墨烯本征性質(zhì)的磁場(chǎng)排列仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn),我們對(duì)磁場(chǎng)控制的石墨烯片的取向進(jìn)行了理論仿真研究。通過(guò)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(shí)現(xiàn)了石墨烯的磁場(chǎng)排列。在研究了宏觀排列石墨烯的各向異性的光學(xué)性能之后,制作了一系列光學(xué)器件作為應(yīng)用實(shí)例的展示。（1）理論研究了磁場(chǎng)對(duì)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(shù)的正多邊形的... 

【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

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

石墨烯的主要制備方法的成本與品質(zhì)的關(guān)系[16]

相比之下,石墨烯的抗磁性是其本征特性的,因?yàn)樗从诘依藥е笑须娮拥能壍阑蚶实懒孔踊Ｊ┲懈叩碾娮舆w移率使得抗磁性甚至比HOPG更強(qiáng)。圖1-3(b)展示了石墨烯抗磁性的示意圖,外部磁場(chǎng)為B,石墨烯平面中的電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡如紅色圓環(huán)所示,等效電流為黃色環(huán)流,誘導(dǎo)的反向抗磁性磁場(chǎng)為B"。石墨烯極高的面內(nèi)電子遷移率將產(chǎn)生強(qiáng)等效電流并隨后產(chǎn)生強(qiáng)抗磁性磁場(chǎng)。根據(jù)Sepioni等人的實(shí)驗(yàn),在50K至300K的溫度范圍內(nèi)測(cè)到了石墨烯的強(qiáng)抗磁性,如圖1-4(a)所示[13]。由于軌道磁化,垂直磁場(chǎng)中的抗磁性響應(yīng)強(qiáng)于平行外場(chǎng)中的抗磁性響應(yīng)。在低于20 K的溫度范圍內(nèi),石墨烯表現(xiàn)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?yàn)樗婕败壍肋\(yùn)動(dòng)(如圖1-4(b)的插圖所示)。當(dāng)溫度從50 K增加到290 K時(shí),抗磁性降低得非常緩慢,但是當(dāng)溫度從290 K增加到360 K時(shí),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(yīng),使石墨烯的溫度升高,抗磁性磁化率降低[32]。根據(jù)2013年Ominato等人的理論計(jì)算模擬,石墨烯的抗磁性響應(yīng)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(qiáng)磁場(chǎng)[33-35]。由于石墨烯的抗磁性磁化率與石墨烯的質(zhì)量有關(guān),而石墨烯片在磁場(chǎng)中所受抗磁性的磁力與石墨烯片的尺寸有關(guān)。因此,更大尺寸和高質(zhì)量的石墨烯薄片將大大減少所需的磁場(chǎng)。

與諸如鉍等抗磁性金屬相比,石墨烯具有強(qiáng)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(duì)于石墨烯具有類似的規(guī)律。與超導(dǎo)體懸浮其內(nèi)部完全排斥磁場(chǎng)的Meissner效應(yīng)相比,石墨烯疊片不能被單個(gè)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(shí)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(huì)影響懸浮的高度和穩(wěn)定性�；谶@個(gè)原理,在激光或太陽(yáng)輻照下,懸浮在磁鐵陣列上的石墨烯疊片將會(huì)被激光控制移動(dòng),懸浮在圓環(huán)和圓柱磁鐵上的石墨烯疊片將會(huì)被激光或者太陽(yáng)光控制旋轉(zhuǎn)。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(dòng)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(lán)色虛線表示磁化率的絕對(duì)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(dòng)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(diǎn)處的磁化率低于未被照射部分。激光照射點(diǎn)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(dòng)。因此,石墨薄片將朝向激光點(diǎn)的方向移動(dòng),直到激光點(diǎn)再次位于石墨薄片的中心。懸浮石墨薄片的最大移動(dòng)速度可以達(dá)到約45 mm s-1[32]。如圖1-5(c)所示,當(dāng)石墨薄片懸浮于磁鐵圓環(huán)套在磁鐵圓柱上組成的復(fù)合磁場(chǎng)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(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)自激光或太陽(yáng)輻照下磁化率的不均勻分布,進(jìn)而導(dǎo)致的磁場(chǎng)懸浮力的不均勻。石墨薄片的傾斜產(chǎn)生與薄片邊緣相切的力,使得薄片旋轉(zhuǎn),并且旋轉(zhuǎn)的最大速度可以超過(guò)200rpm。由于石墨烯和石墨具有類似的抗磁性性質(zhì),在石墨烯疊片上也可以實(shí)現(xiàn)光誘導(dǎo)的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。這些發(fā)現(xiàn)使得光可以作為動(dòng)力源來(lái)控制磁懸浮的抗磁性材料的運(yùn)動(dòng)。


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