本文關(guān)鍵詞：基于原子力顯微鏡的單片層氧化石墨烯及其還原態(tài)材料的電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)研究

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【摘要】：石墨烯（graphene）是由單層碳原子六方堆積而成的二維納米材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等物理性質(zhì)，在納米電子器件、能量存儲器件、生物和化學(xué)傳感器、納米復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。從氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）到還原態(tài)氧化石墨烯（reduced Graphene Oxide，rGO）的制備方法是低成本、規(guī)�；可a(chǎn)石墨烯基材料的有效途徑之一。GO和rGO是重要的石墨烯含氧衍生物，它們所攜帶的含氧官能團和缺陷數(shù)量的不同導(dǎo)致其電學(xué)和機械性質(zhì)可調(diào)節(jié)，并且可與不同基底兼容，因而成為極富吸引力的石墨烯替代物。由于石墨烯基材料橫向尺寸大，可達微米甚至厘米量級，而縱向尺寸僅有一個原子層厚度，導(dǎo)致其物理性質(zhì)極易受周圍環(huán)境、基底、自身尺寸和形變等因素的影響。 掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）是研究石墨烯基材料最直觀的工具之一。它不僅是成像工具，可以用于表征材料的表面形貌變化、電荷遷移情況、還原程度等信息，還能夠作為操縱手段來構(gòu)建納米尺度的特殊結(jié)構(gòu)。本論文主要以GO和rGO為研究對象，利用原子力顯微鏡（Atomic ForceMicroscope，AFM）針尖充放電技術(shù)研究相對濕度、基底對單層GO、rGO電荷傳輸?shù)挠绊�。此外，新型的峰值力定量納米機械測量（PeakForce QuantitativeNano-Mechanics，PF-QNM）模式被用來測量GO和rGO的表面粘附力和切割閾值力，并基于此發(fā)展了一種新的基于表面粘附力區(qū)分不同介電常數(shù)納米材料的方法，及利用AFM操縱技術(shù)構(gòu)建生物大分子調(diào)控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。具體包括以下四個方面的內(nèi)容： 1.利用AFM針尖注入電荷技術(shù)將電荷注入到單層GO表面，精確調(diào)控相對濕度（Relative Humidity，RH）變化，利用與帶電GO相連的單層rGO做為電荷遷移指示器，以樣品帶電模式的掃描極化力顯微鏡(Sample-Charged ScanningPolarization Force Microscopy, SC-SPFM)為主要表征方法，在不同RH條件下直接成像靜電荷在絕緣單層GO表面的遷移過程。發(fā)現(xiàn)在RH10%-40%條件下，靜電荷能穿越絕緣GO表面超過1μm的距離，當(dāng)RH超過50%時，GO表面將吸附一層水膜，導(dǎo)致其對靜電荷是導(dǎo)通的。并由此計算出RH分別為10%、20%、30%、40%時單層GO表面靜電荷的遷移速度。該研究表明在設(shè)計自然條件下（ambientcondition）工作的GO/rGO電學(xué)器件時，必須考慮界面水導(dǎo)致的電荷遷移的影響。 2.利用開爾文探針力顯微鏡（Kelvin Probe Force Microscopy，KPFM）和SC-SPFM研究SiO2/Si表面單層rGO的充放電過程，發(fā)現(xiàn)靜電荷能夠被束縛在rGO與二氧化硅之間的空間或二氧化硅內(nèi)部，不能極化rGO外部的導(dǎo)電針尖，即單層rGO具備屏蔽一定量內(nèi)部電荷的能力。通過統(tǒng)計比對帶電rGO的表面電勢和極化力表觀高度，得到二氧化硅表面單層rGO可屏蔽的表面電勢為±0.5V。 3.利用AFM峰值力定量納米機械測量（PeakForce QuantitativeNano-Mechanics，PF-QNM）模式測量單層GO、rGO的表面粘附力。發(fā)現(xiàn)在針尖施加偏壓的情況下，表面粘附力的變化與樣品介電常數(shù)大小正相關(guān)。并將其與同樣條件下的掃描極化力顯微鏡進行了對比，發(fā)現(xiàn)該方式具有更高的靈敏度和橫向空間分辨率，且受環(huán)境濕度影響更小�；诖朔N特性，有望發(fā)展一種新的高分辨、無需電極連接、可批量探測納米材料內(nèi)部電學(xué)性質(zhì)的方法。 4.石墨烯的電學(xué)性質(zhì)與其幾何形狀密切相關(guān)。通過AFM操縱可實現(xiàn)以按需剪裁（tailor）的方式構(gòu)造特定形狀石墨烯納米結(jié)構(gòu)，這是構(gòu)建石墨烯電子器件的一種有效手段。本論文發(fā)展了一種基于PF-QNM模式的納米操縱方法，能簡單、直觀、精確調(diào)控操縱過程中針尖的負載，，利用該方法對GO、rGO進行 切割操縱，統(tǒng)計了切割力閾值。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了在不損傷rGO的同時，對rGO覆蓋下的DNA分子進行切割、推、清掃等精確操縱。該方法有可能為構(gòu)建基于生物大分子調(diào)控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)提供更豐富的手段。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 氧化石墨烯 還原態(tài)氧化石墨烯 原子力顯微鏡 掃描極化力顯微鏡 開爾文探針力顯微鏡 峰值力定量納米機械測量
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（上海應(yīng)用物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH742;O613.71
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-14
• 圖目錄14-17
• 表目錄17-18
• 第一章 緒論18-48
• 1.1 石墨烯基材料19-29
• 1.1.1 石墨烯（Graphene）19-24
• 1.1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)19-20
• 1.1.1.2 石墨烯的制備方法20-22
• 1.1.1.3 石墨烯的應(yīng)用22-24
• 1.1.2 氧化石墨烯（Graphene Oxide）24-27
• 1.1.2.1 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)和制備方法24-27
• 1.1.2.2 氧化石墨烯的物理性質(zhì)27
• 1.1.3 還原態(tài)氧化石墨烯（reduced Graphene Oxide）27-29
• 1.1.3.1 還原態(tài)氧化石墨烯制備方法27-29
• 1.1.3.2 還原態(tài)氧化石墨烯的物理性質(zhì)29
• 1.2 實驗技術(shù)29-44
• 1.2.1 光學(xué)顯微鏡29-30
• 1.2.2 譜學(xué)表征30-33
• 1.2.2.1 拉曼光譜（Raman Spectra）30-32
• 1.2.2.2 X 射線光電子能譜（XPS)32-33
• 1.2.3 掃描探針顯微鏡（SPM）33-44
• 1.2.3.1 開爾文探針力顯微鏡（KPFM）37-39
• 1.2.3.2 靜電力顯微鏡（EFM）39
• 1.2.3.3 掃描極化力顯微鏡（SPFM）39-41
• 1.2.3.4 橫向力顯微鏡（LFM）41-42
• 1.2.3.5 峰值力-定量納米力學(xué)性能測量模式 (PF-QNM)42-44
• 1.3 本論文的研究目的和內(nèi)容44-48
• 1.3.1 研究目的44-46
• 1.3.2 研究內(nèi)容46-48
• 第二章 相對濕度對單層氧化石墨烯表面電荷遷移的影響48-66
• 2.1 引言48-50
• 2.2 實驗50-55
• 2.2.1 樣品制備與表征50-53
• 2.2.1.1 單層 GO/rGO 雜合結(jié)構(gòu)的制備方法50-51
• 2.2.1.2 GO/rGO 雜合結(jié)構(gòu)的表征51-53
• 2.2.2 實驗方法53-55
• 2.2.2.1 AFM 針尖注入電荷技術(shù)53-54
• 2.2.2.2 樣品帶電模式的 SPFM（SC-SPFM）54-55
• 2.3 結(jié)果與討論55-64
• 2.3.1 GO 的電荷注入及存儲55-57
• 2.3.2 不同相對濕度下電荷在 GO 表面的遷移57-64
• 2.4 本章小結(jié)64-66
• 第三章 二氧化硅表面單層還原態(tài)氧化石墨烯的電荷屏蔽效應(yīng)66-74
• 3.1 引言66-68
• 3.2 實驗68-69
• 3.2.1 樣品制備與表征68
• 3.2.1.1 GO 與 rGO 樣品的制備68
• 3.2.1.2 KPFM 表征68
• 3.2.2 實驗方法68-69
• 3.3 結(jié)果與討論69-73
• 3.4 本章小結(jié)73-74
• 第四章 PF-QNM 模式下基于表面粘附力區(qū)分不同介電常數(shù)納米材料的方法74-90
• 4.1 引言74-76
• 4.2 實驗76-81
• 4.2.1 樣品制備與表征76-78
• 4.2.1.1 rGO 的制備76-77
• 4.2.1.2 rGO 還原程度的 XPS 表征77-78
• 4.2.2 實驗方法78-81
• 4.3 結(jié)果與討論81-88
• 4.3.1 針尖施加偏壓后 rGO 表面粘附力的變化81-84
• 4.3.2 針尖施加偏壓后 GO/rGO 混合樣品表面粘附力的變化84-87
• 4.3.3 不同方式還原 rGO 的表面粘附力87-88
• 4.4 本章小結(jié)88-90
• 第五章 基于 PF-QNM 模式的納米操縱90-104
• 5.1 引言90-92
• 5.2 材料與方法92-94
• 5.2.1 樣品制備與表征92-93
• 5.2.1.1 DNA 的拉直92-93
• 5.2.1.2 水合肼溶液還原 GO93
• 5.2.1.3 DNA 為模板的 rGO 納米結(jié)構(gòu)的制備93
• 5.2.2 實驗方法93-94
• 5.2.2.1 DNA-rGO 納米結(jié)構(gòu)的形貌表征93-94
• 5.2.2.2 基于 PF-QNM 的納米操縱方法94
• 5.3 結(jié)果與討論94-103
• 5.3.1 rGO 復(fù)制單根拉直 DNA 納米結(jié)構(gòu)94-96
• 5.3.2 基于 PF-QNM 模式針尖切斷 DNA\GO\rGO 閾值力大小的統(tǒng)計96-100
• 5.3.3 操縱 rGO 覆蓋下的 DNA 分子100-103
• 5.3.3.1 “切割”（cutting）100-102
• 5.3.3.2 “推”（pushing）及“清掃”（sweeping）102-103
• 5.4 本章小結(jié)103-104
• 第六章 總結(jié)與展望104-112
• 6.1 研究成果總結(jié)104-105
• 6.2 創(chuàng)新點105-106
• 6.3 對后續(xù)工作的展望106-112
• 6.3.1 帶電 rGO 的摩擦特性106-107
• 6.3.2 石墨烯“樣品池”107-109
• 6.3.3 以多肽自組裝結(jié)構(gòu)為模板的 GO 納米線109-110
• 6.3.4 DNA 折紙術(shù)樣品金屬化位點的探測110-112
• 參考文獻112-121
• 附錄 1 實驗所用儀器設(shè)備121-122
• 附錄 2 已發(fā)表和待發(fā)表文章目錄122-124
• 致謝124-125

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

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2 申月;張益;胡鈞;;振動模式掃描極化力顯微鏡對氧化石墨烯熱還原過程的實時原位監(jiān)控[J];電子顯微學(xué)報;2013年02期

3 蒲吉斌;王立平;薛群基;;石墨烯摩擦學(xué)及石墨烯基復(fù)合潤滑材料的研究進展[J];摩擦學(xué)學(xué)報;2014年01期

4 吳娟霞;徐華;張錦;;拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J];化學(xué)學(xué)報;2014年03期

5 Lorenzo Grande;Vishnu Teja Chundi;Chris Bower;Piers Andrew;Tapani Ryh

本文編號：910852