本文關(guān)鍵詞： 石墨烯 微納結(jié)構(gòu) 激光加工 仿生 儲(chǔ)能器件　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)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(gòu)精密排列的單層碳晶體。其厚度僅有0.34nm,是目前公認(rèn)的最薄的單原子層二維材料。石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有很多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),如超高的載流子遷移率、導(dǎo)電性、透明性、超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、穩(wěn)定的物理化學(xué)特性和生物兼容性等。這些獨(dú)特的性質(zhì)賦予石墨烯材料廣闊的應(yīng)用前景,目前石墨烯已經(jīng)是材料科學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的熱點(diǎn)材料,并在化學(xué)、物理、生物、機(jī)械、醫(yī)療甚至是組織工程學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而,石墨烯材料的器件化應(yīng)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(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控;石墨烯材料的微納結(jié)構(gòu)化等。其中對石墨烯微納結(jié)構(gòu)的制備一直以來是一個(gè)難點(diǎn)。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(gòu),比較容易形成無序的層狀堆疊結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)如自組裝、納米壓印和光刻都很難實(shí)現(xiàn)對其微納結(jié)構(gòu)的可控制備。針對各種石墨烯材料結(jié)構(gòu)化制備的難題,我們提出利用激光的加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)石墨烯微納結(jié)構(gòu)化的新方法�；诨瘜W(xué)氧化法和化學(xué)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(gòu)化方案,實(shí)現(xiàn)了石墨烯仿生結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了仿玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)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(shù),實(shí)現(xiàn)具有多級微納結(jié)構(gòu)的仿蘆葦葉石墨烯表面,實(shí)現(xiàn)了對其表面浸潤態(tài)的進(jìn)一步調(diào)控;三是利用飛秒激光對Cu表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理得到激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS),再通過CVD方法制備仿蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu)的石墨烯薄膜。利用激光加工技術(shù)制備的石墨烯仿生微納結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)有序的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電性連續(xù)可調(diào)諧的結(jié)構(gòu)化石墨烯材料,并在儲(chǔ)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(shù)對石墨烯氧化物表面進(jìn)行圖案化還原,通過調(diào)控光場周期對結(jié)構(gòu)化石墨烯表面在不同方向上的浸潤性進(jìn)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(gòu)化石墨烯表面由于周期性微納結(jié)構(gòu)的存在使其表面有獨(dú)特的光學(xué)特性(衍射光斑、彩虹結(jié)構(gòu)色)。2.模仿自然界蘆葦葉表面形貌結(jié)構(gòu)和各向異性的表面浸潤特征,我們提出光刻技術(shù)與激光加工相結(jié)合的制備方法,實(shí)現(xiàn)了百微米尺度大周期光柵結(jié)構(gòu)、微米尺度小周期光柵和納米尺度層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯多級仿生結(jié)構(gòu),得到了具有類似蘆葦葉表面浸潤特性的石墨烯表面。并細(xì)致研究了不同尺度微納結(jié)構(gòu)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(jìn)行LIPSS加工,得到形貌不同結(jié)構(gòu)化銅基底。通過CVD技術(shù)在結(jié)構(gòu)化銅基底上生長出具有相似結(jié)構(gòu)的少層石墨烯薄膜。結(jié)構(gòu)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(gòu)色,可以跟大自然中蝴蝶翅膀表面相比擬。該工作進(jìn)一步將激光加工技術(shù)拓展到CVD石墨烯的結(jié)構(gòu)化制備。4.利用激光加工技術(shù)制備的結(jié)構(gòu)化石墨烯材料由于周期性的微納結(jié)構(gòu)、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(diǎn)在儲(chǔ)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(yīng)用。綜上所述,本文以研究石墨烯材料的微納結(jié)構(gòu)化制備為工作重點(diǎn),提出了利用激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對不同方法制備的石墨烯材料的微納結(jié)構(gòu)制備,得到了具有仿生功能的石墨烯仿生表面;進(jìn)一步將結(jié)構(gòu)化石墨烯材料應(yīng)用到儲(chǔ)能器中。該工作展示了激光加工技術(shù)對石墨烯的微納結(jié)構(gòu)制備的獨(dú)特優(yōu)勢以及結(jié)構(gòu)化石墨烯材料在仿生功能表面和儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TN249

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2009年18期

2 萬勇;馬廷燦;馮瑞華;黃健;潘懿;;石墨烯國際發(fā)展態(tài)勢分析[J];科學(xué)觀察;2010年03期

3 李宗紅;;石墨烯——二維碳的奇妙世界[J];寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年04期

4 常艷麗;陳勝;曹傲能;;壓力促進(jìn)氧化石墨烯水熱還原反應(yīng)的機(jī)理[J];上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年06期

5 李娜;;石墨烯取代硅,前景預(yù)測被批樂觀[J];科技導(dǎo)報(bào);2011年16期

6 劉霞;;神奇材料石墨烯[J];今日科苑;2011年14期

7 張文毓;全識俊;;石墨烯應(yīng)用研究進(jìn)展[J];傳感器世界;2011年05期

8 劉霞;;石墨烯:硅的“終結(jié)者”?[J];發(fā)明與創(chuàng)新(綜合科技);2011年09期

9 ;科學(xué)家觀察到石墨烯內(nèi)電子間相互作用[J];黑龍江科技信息;2011年27期

10 于桂亮;黃書騰;;淺析石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用前景[J];科技風(fēng);2011年21期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 成會(huì)明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

2 錢文;郝瑞;侯仰龍;;液相剝離制備高質(zhì)量石墨烯及其功能化[A];中國化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂;;石墨烯制備技術(shù)與應(yīng)用研究的最新進(jìn)展[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第3分冊）[C];2010年

4 趙東林;白利忠;謝衛(wèi)剛;沈曾民;;石墨烯的制備及其微波吸收性能研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第7分冊）[C];2010年

5 沈志剛;李金芝;易敏;;射流空化方法制備石墨烯研究[A];顆粒學(xué)最新進(jìn)展研討會(huì)——暨第十屆全國顆粒制備與處理研討會(huì)論文集[C];2011年

6 王冕;錢林茂;;石墨烯的微觀摩擦行為研究[A];2011年全國青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

7 趙福剛;李維實(shí);;樹枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];2011年全國高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集[C];2011年

8 吳孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無機(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合[A];中國化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第4分會(huì)場摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯光化學(xué)修飾及尺寸效應(yīng)研究[A];2011中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[N];中國化工報(bào);2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日報(bào);2010年

3 記者 王艷紅;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新華每日電訊;2010年

4 本報(bào)記者 李好宇 張們捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報(bào);2010年

5 證券時(shí)報(bào)記者 向南;石墨烯貴過黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時(shí)報(bào);2010年

6 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎(jiǎng)[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

7 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日報(bào);2010年

8 本報(bào)記者 紀(jì)愛玲;石墨烯：市場未啟 炒作先行[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

9 周科競;再說石墨烯的是與非[N];北京商報(bào);2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日報(bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 羅大超;化學(xué)修飾石墨烯的分離與評價(jià)[D];北京化工大學(xué);2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修復(fù)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2013年

5 盛凱旋;石墨烯組裝體的制備及其電化學(xué)應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2013年

6 姜麗麗;石墨烯及其復(fù)合薄膜在電極材料中的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

7 姚成立;多級結(jié)構(gòu)石墨烯/無機(jī)非金屬復(fù)合材料的仿生合成及機(jī)理研究[D];安徽大學(xué);2015年

8 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧還原電催化劑的理論計(jì)算研究[D];武漢大學(xué);2014年

10 王義;石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲(chǔ)能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 王晨;石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及其對電化學(xué)性能的影響[D];北京化工大學(xué);2011年

3 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

4 蔡宇凱;一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米器件的研究[D];南京郵電大學(xué);2012年

5 金麗玲;功能化石墨烯的酶學(xué)效應(yīng)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

6 黃凌燕;石墨烯拉伸性能與尺度效應(yīng)的研究[D];華南理工大學(xué);2012年

7 劉汝盟;石墨烯熱振動(dòng)分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

8 雷軍;碳化硅上石墨烯的制備與表征[D];西安電子科技大學(xué);2012年

9 于金海;石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及載藥系統(tǒng)研究[D];青島科技大學(xué);2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制備[D];上海交通大學(xué);2013年

，

本文編號：1481475