本文關鍵詞： 石墨烯 微納結(jié)構 激光加工 仿生 儲能器件　出處：《吉林大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：石墨烯(Graphene)是二維的碳原子以六邊形蜂窩狀結(jié)構精密排列的單層碳晶體。其厚度僅有0.34nm,是目前公認的最薄的單原子層二維材料。石墨烯獨特的結(jié)構使其具有很多獨特的物理化學性質(zhì),如超高的載流子遷移率、導電性、透明性、超強的機械強度、柔韌性、穩(wěn)定的物理化學特性和生物兼容性等。這些獨特的性質(zhì)賦予石墨烯材料廣闊的應用前景,目前石墨烯已經(jīng)是材料科學領域最受關注的熱點材料,并在化學、物理、生物、機械、醫(yī)療甚至是組織工程學領域得到廣泛的應用。然而,石墨烯材料的器件化應用仍面臨一些挑戰(zhàn),如石墨烯的制備方法限制了其批量生產(chǎn);石墨烯零帶隙半導體的能帶結(jié)構調(diào)控;石墨烯材料的微納結(jié)構化等。其中對石墨烯微納結(jié)構的制備一直以來是一個難點。原因在于石墨烯及其衍生物(氧化石墨烯)是二維的單原子層結(jié)構,比較容易形成無序的層狀堆疊結(jié)構,傳統(tǒng)的微納加工技術如自組裝、納米壓印和光刻都很難實現(xiàn)對其微納結(jié)構的可控制備。針對各種石墨烯材料結(jié)構化制備的難題,我們提出利用激光的加工技術實現(xiàn)石墨烯微納結(jié)構化的新方法。基于化學氧化法和化學氣相沉積法制備的兩種代表性石墨烯材料,我們給出三種石墨烯結(jié)構化方案,實現(xiàn)了石墨烯仿生結(jié)構的制備。一種是利用納秒激光雙光束干涉還原石墨烯氧化物薄膜,實現(xiàn)了仿玫瑰花瓣結(jié)構的超疏水石墨烯表面的制備;二是激光相干結(jié)合傳統(tǒng)光刻技術,實現(xiàn)具有多級微納結(jié)構的仿蘆葦葉石墨烯表面,實現(xiàn)了對其表面浸潤態(tài)的進一步調(diào)控;三是利用飛秒激光對Cu表面進行結(jié)構化處理得到激光誘導周期表面結(jié)構(LIPSS),再通過CVD方法制備仿蝴蝶翅膀結(jié)構的石墨烯薄膜。利用激光加工技術制備的石墨烯仿生微納結(jié)構不僅可以實現(xiàn)有序的結(jié)構化圖案,制備具有仿生特性的功能表面,還可以比較容易地制備多孔性、大比表面積、導電性連續(xù)可調(diào)諧的結(jié)構化石墨烯材料,并在儲能器件中顯示優(yōu)異的性能�？偨Y(jié)本文的研究工作,可具體歸納為如下內(nèi)容:1.利用激光雙光束干涉技術對石墨烯氧化物表面進行圖案化還原,通過調(diào)控光場周期對結(jié)構化石墨烯表面在不同方向上的浸潤性進行有效調(diào)控。通過多次的不同方向的激光處理,制備了類似玫瑰花瓣表面的石墨烯超疏水表面。此外,結(jié)構化石墨烯表面由于周期性微納結(jié)構的存在使其表面有獨特的光學特性(衍射光斑、彩虹結(jié)構色)。2.模仿自然界蘆葦葉表面形貌結(jié)構和各向異性的表面浸潤特征,我們提出光刻技術與激光加工相結(jié)合的制備方法,實現(xiàn)了百微米尺度大周期光柵結(jié)構、微米尺度小周期光柵和納米尺度層狀結(jié)構的石墨烯多級仿生結(jié)構,得到了具有類似蘆葦葉表面浸潤特性的石墨烯表面。并細致研究了不同尺度微納結(jié)構對表面浸潤性各向異性的影響。3.利用飛秒激光對金屬銅表面進行LIPSS加工,得到形貌不同結(jié)構化銅基底。通過CVD技術在結(jié)構化銅基底上生長出具有相似結(jié)構的少層石墨烯薄膜。結(jié)構化石墨烯薄膜同樣展示了超疏水的特性和漂亮的彩虹結(jié)構色,可以跟大自然中蝴蝶翅膀表面相比擬。該工作進一步將激光加工技術拓展到CVD石墨烯的結(jié)構化制備。4.利用激光加工技術制備的結(jié)構化石墨烯材料由于周期性的微納結(jié)構、豐富的空隙、較高的比表面積和可調(diào)諧的道姓特性等優(yōu)點在儲能器件中展示了優(yōu)異的特性。我們分別研究了其在超級電容器和鋰離子電池中的應用。綜上所述,本文以研究石墨烯材料的微納結(jié)構化制備為工作重點,提出了利用激光加工技術實現(xiàn)對不同方法制備的石墨烯材料的微納結(jié)構制備,得到了具有仿生功能的石墨烯仿生表面;進一步將結(jié)構化石墨烯材料應用到儲能器中。該工作展示了激光加工技術對石墨烯的微納結(jié)構制備的獨特優(yōu)勢以及結(jié)構化石墨烯材料在仿生功能表面和儲能器件等領域的潛在應用。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TN249

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本文編號：1481475