本文關(guān)鍵詞： 鐵磁性 還原氧化石墨烯 三維石墨烯 羥基 氮等離子體　出處：《東南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：自從2004年機械剝離制備出單層石墨烯的開創(chuàng)性工作以來,石墨烯由于其優(yōu)異的電學(xué)、機械、光學(xué)和熱學(xué)等性能吸引了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯擁有高的載流子遷移率、長的自旋弛豫時間、弱的自旋-軌道超精細(xì)作用,使得石墨烯在自旋電子學(xué)應(yīng)用方面成為一個理想的候選材料。然而,在完美的石墨烯中,每個碳原子跟相鄰三個碳原子sp2雜化,貢獻一個未成鍵電子,形成大π鍵,這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它的本征抗磁性,限制它在自旋電子器件中的實際應(yīng)用。傳統(tǒng)的磁性材料與3d(或4f)內(nèi)殼層電子沒有被填滿的過渡金屬元素(例如鐵、鈷、鎳等)有關(guān)。在石墨烯相關(guān)材料中也報道了磁性,由于其只有sp電子,有別于傳統(tǒng)的磁性來源,引起了人們的廣泛關(guān)注。在石墨烯晶格中引入缺陷被認(rèn)為可以產(chǎn)生局域磁矩。這些缺陷包括局域拓?fù)鋽_動、空位、在石墨烯晶格中的非碳原子、混合sp2-sp3雜化、zigzag類邊界等。然而,有報道氟化石墨烯和氧化石墨烯量子點表現(xiàn)出典型的順磁性,而不存在鐵磁性。如何在石墨烯及其衍生物中引入高濃度缺陷,形成鐵磁有序?qū)ψ孕娮訉W(xué)的應(yīng)用相當(dāng)重要。本論文主要研究通過還原氧化石墨烯(弱氧化條件下)、三維石墨烯、氮等離子體處理氧化石墨烯等相關(guān)工藝,在石墨烯中獲得了顯著的鐵磁性并進行了細(xì)致地研究。具體內(nèi)容如下:(1)我們研究了弱氧化條件下的還原氧化石墨烯(w-rGO)的磁性。w-rGO是弱氧化條件下的氧化石墨烯在高溫退火得到,我們在樣品w-rGO中觀測到較強的室溫鐵磁性,飽和磁化強度(Ms)為0.24 emu/g,是強氧化條件下制備還原氧化石墨烯的24倍。我們在樣品w-rGO中觀測到負(fù)的磁電阻回線。當(dāng)溫度低于15K,磁電阻[R(H)-R(0)]/R(0)數(shù)值保持在-2.5%,當(dāng)溫度高于15 K,磁電阻隨著溫度升高而減少,當(dāng)溫度高于50 K,磁電阻接近零,幾乎消失,這是由于鐵磁缺陷的自旋相關(guān)散射導(dǎo)致的,它證明了觀測到的本征鐵磁性,w-rGO中強鐵磁性來源于弱氧化條件下保留的石墨結(jié)構(gòu)。(2)對于石墨烯粉體(氧化石墨烯和還原氧化石墨烯粉末)而言,由于π-π作用力和范德華力的存在,石墨烯片層之間容易發(fā)生團聚,二維材料獨有的性質(zhì)在一定程度上遭到破壞,限制了其實際應(yīng)用。三維石墨烯由二維石墨烯組裝而成,不但可以保持原來石墨烯優(yōu)異的性能,而且能夠拓寬其應(yīng)用范圍。目前,三維石墨烯磁性方面研究還沒有報道過。我們研究了三維石墨烯的磁性,它是氧化石墨烯溶液通過水熱法制備得到。在三維石墨烯樣品中,我們能夠觀測到一定的室溫鐵磁性,飽和磁化強度(Ms)為0.005 emu/g。水熱還原過程中,氧化石墨烯片修復(fù)的共軛結(jié)構(gòu)形成很強的三維交聯(lián)石墨烯網(wǎng)絡(luò)。高濃度的sp3類型缺陷(羥基)是三維石墨烯室溫鐵磁性的主要來源。(3)作為輕質(zhì)非金屬磁體,石墨烯及其衍生物的鐵磁性在自旋電子學(xué)領(lǐng)域十分重要。然而,目前合成磁性石墨烯的方法,存在反應(yīng)時間長、磁性污染物(Fe、Co和Ni等)容易被引入、制備過程很復(fù)雜,這阻礙了它的科學(xué)研究和實際應(yīng)用。我們將氧化石墨烯直接放在氮等離子體(室溫條件)下處理,氧化石墨烯被還原的同時,還摻雜引入氮,得到含氮的還原氧化石墨烯(NrGO),樣品的室溫鐵磁性明顯增強。氮等離子體曝光時間對控制石墨烯的鐵磁性起到相當(dāng)重要的作用。氧化石墨烯在氮等離子體曝光時間從0增加到30分鐘,樣品的鐵磁磁化強度(Ms)從0.0006 emu/g增加到0.010 emu/g。當(dāng)曝光時間從30分鐘增加60分鐘,樣品的鐵磁磁化強度開始減少,從0.010 emu/g減少到0.0010 emu/g。XPS結(jié)果顯示,pyrrolicN在NrGO30(氧化石墨烯在氮等離子體下處理30分鐘)所占比例(約45.8%)高于它在NrGO60(氧化石墨烯在氮等離子體下處理60分鐘,約24.7%),而pyridinicN在NrGO30比例(約51.3%)低于它在 NrGO60(約 69.0%)。GraphiticN 在 NrGO30(約 2.9%)低于 NrGO60(約6.3%),而且它所占比例都相當(dāng)小。因而pyrrolicN是樣品NrGO中鐵磁性主要來源。
[Abstract]:Since 2004, mechanical stripping prepared graphene pioneering work, graphene due to its excellent electrical, mechanical, optical and thermal properties has attracted widespread attention. Graphene has a high carrier mobility, long spin relaxation time, spin - orbit weak hyperfine interaction. The graphene is an ideal material in spintronics applications. However, in perfect graphene, each carbon atom with three adjacent carbon atoms with SP2 hybridization, a non bonding electrons, forming bond, this structure leads to the intrinsic magnetic resistance of it, limit it the actual application in spintronics. Magnetic materials and traditional 3D (or 4F) inner shell electron transition metal elements are not filled (such as iron, cobalt, nickel and so on). In graphene related materials have also been reported because of the electronic magnetic, only sp, Different from the traditional magnetic source, has attracted widespread attention. The introduction of defects are thought to produce localized magnetic moments in the graphene lattice. These defects include local topological disturbance, vacancy, non carbon atoms in the graphene lattice, mixed sp2-sp3 hybrid, zigzag boundary. However, there are reports of graphite fluoride graphene oxide and graphene quantum dots exhibit typical paramagnetic, ferromagnetic and does not exist. How to introduce the high concentration of defects in the graphene and its derivatives, the formation of application of ferromagnetic ordering of spintronics is very important. This paper mainly studies the reduction of graphene oxide (weak oxidation conditions), three-dimensional graphene. Treatment of graphene oxide and other related technology of nitrogen plasma, in graphene obtained remarkable ferromagnetism and carefully studied. The specific contents are as follows: (1) we investigated the reduction of oxygen weak oxidation conditions Graphene (w-rGO) magnetic graphene oxide.W-rGO is weak oxidation conditions in high temperature annealing, we observed strong room temperature ferromagnetism in sample w-rGO, the saturation magnetization (Ms) of 0.24 emu/g, is 24 times the strong oxidizing conditions prepared by reduction of graphene oxide. We observed the negative magnetoresistance loop in sample w-rGO. When the temperature is lower than 15K, the magnetoresistance of [R (H) -R (0)]/R (0) value in -2.5%, when the temperature is higher than 15 K, while reducing the magnetic resistance with increasing temperature, when the temperature is higher than 50 K, the magnetic resistance is close to zero, it almost disappears. Is due to spin dependent scattering of ferromagnetic defects, it is proved that the observed intrinsic ferromagnetism in graphite structure w-rGO strong ferromagnetism originates from weak oxidizing conditions. (2) reserved for graphene powder (graphene oxide and graphene powder) and said, because the Pi Pi force and Fan Dehua The force exists between the graphene layers is easy to agglomerate, the destruction of the unique properties of two-dimensional materials to a certain extent, limits its practical application. The three-dimensional graphene by two-dimensional graphene assembled, can not only keep the original performance of graphene excellent, but also can broaden the scope of its application. At present, the three-dimensional graphene the magnetic study has never been reported. We studied the three-dimensional magnetic graphene, graphene oxide solution which is prepared by hydrothermal method. The three-dimensional graphene samples, we can observed room temperature ferromagnetism. The saturation magnetization (Ms) of 0.005 emu/g. water thermal reduction process, conjugate the structure of graphene oxide film forming a three-dimensional crosslinked network repair Shi Moxi strong. The SP3 type high concentration of defects (hydroxyl) is the main source of three-dimensional graphene at room temperature ferromagnetism. (3) as a light metallic magnet, The ferromagnetism of graphene and its derivatives is very important in the field of spintronics. However, the synthesis of magnetic graphene, had a long reaction time (Fe, Co, magnetic contaminants and Ni) to be introduced, the preparation process is very complex, the way of scientific research and its practical application. We will graphite oxide graphene directly on the nitrogen plasma treatment (room temperature), graphene oxide was reduced at the same time, also the introduction of nitrogen doped graphene oxide, reduction of nitrogen (NrGO), room temperature ferromagnetism of the samples increased significantly. Nitrogen plasma exposure time is very important to control the ferromagnetic graphene graphene oxide. In nitrogen plasma exposure time increased from 0 to 30 minutes, the ferromagnetic magnetization (Ms) increased from 0.0006 emu/g to 0.010 emu/g. when the exposure time increased from 60 minutes to 30 minutes, ferromagnetic magnetization Begin to decrease, reduced from 0.010 emu/g to 0.0010 emu/g.XPS results showed that pyrrolicN in NrGO30 (graphene oxide in nitrogen plasma treatment under 30 minutes) the proportion (about 45.8%) is higher than it in NrGO60 (graphene oxide in nitrogen plasma treatment under 60 minutes, about 24.7%), and pyridinicN in the ratio of NrGO30 (about 51.3%) it is lower than in NrGO60 (69%).GraphiticN in NrGO30 (about 2.9%) than NrGO60 (about 6.3%), but the proportion is quite small. Therefore pyrrolicN is ferromagnetic sample NrGO main sources.

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71;O482.5

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