化学气相沉积石墨烯的电化学鼓泡分离机制研究

发布时间：2017-10-13 13:27

  本文关键词：化学气相沉积石墨烯的电化学鼓泡分离机制研究

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【摘要】：石墨烯是一种在众多领域都有巨大应用潜力的新型二维材料,自从2004年被发现以来,就受到人们深入而广泛的研究,包括在光电子学、材料学以及微生物学等领域都有丰硕的研究成果,这主要得益于它独特的性能。目前制约石墨烯发展的一个重要问题是如何把用化学气相沉积(CVD)法制备的石墨烯转移到目标衬底上而最大程度地降低对石墨烯的损坏。传统的腐蚀基底法成本高、对环境污染大并且会给石墨烯带来不可避免的缺陷,而与之相对应的电化学鼓泡法虽然解决了金属不被腐蚀的缺点,但转移后的石墨烯完整性却比腐蚀基底法差,主要是目前对电化学鼓泡法转移石墨烯的微观机制还不清楚。本论文在前人的基础上,用CVD法在金属Pt上制备了大面积的石墨烯,并用优化了的电化学鼓泡法进行转移,转移后的石墨烯质量有了极大的提高,随后分析了质量改善的原因并首次提出了鼓泡法转移石墨烯的内在微观机制。具体内容如下:1.优化了CVD生长石墨烯的生长温度、降温速率以及气体流量比等条件,用CVD法生长了大面积的单层石墨烯。2.根据前期的猜想,设计了用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为隔绝水和H~+离子透过PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的阻挡层的实验方案,对和只用PET框作石墨烯的上层支撑层(未做隔绝处理)的实验方案进行对比,发现用聚四氟乙烯薄膜的样品转移的石墨烯质量明显更好。3.分析了用聚四氟乙烯薄膜的样品转移的石墨烯出现撕裂痕迹的原因,即聚四氟乙烯薄膜(生料带)本身在一个特定方向容易撕裂。为进一步减小阻挡层对石墨烯带来的应力影响,创新性地设计了用密闭空腔来隔绝水和H~+离子。实验结果表明转移的石墨烯质量非常高。4.根据上述的实验结果,系统分析了水和H~+离子透过PMMA对转移过程的影响,首次提出了电化学鼓泡法转移石墨烯的微观机制,即未做隔绝处理时,水和H~+离子透过PMMA后,会在石墨烯/PMMA的界面产生H2气泡,并且水和H~+会部分的进一步透过石墨烯,在石墨烯/Pt界面也产生H2气泡。这个过程发生在四周气泡进入样品中央之前,所以两面都悬空的石墨烯必然会断裂进而发生破洞和褶皱现象。通过对比做了隔绝处理与未做隔绝处理的样品中央转移过程中是否出现了H2气泡,进一步证明了观点的正确性。5.对用密闭空腔处理的样品转移的石墨烯进行了扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱以及载流子迁移率检测,证明转移后的石墨烯具有很高的质量。6.作为石墨烯的应用部分,简介了一种可控制备基于垂直石墨烯的纳米机电系统(NEMS)的工艺方法,并介绍了其在微生物培养方面的应用。
【关键词】：石墨烯 CVD 电化学鼓泡法 密闭空腔 阻挡层
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 综述10
• 1.2 石墨烯简介10-11
• 1.3 石墨烯的基本结构和性质11-13
• 1.3.1 石墨烯的能带结构和电子性质11-12
• 1.3.2 石墨烯的光学性质12-13
• 1.3.3 石墨烯的电荷输运性质13
• 1.4 石墨烯的应用前景13-15
• 1.4.1 在微电子学方面的应用14
• 1.4.2 在透明电极方面的应用14-15
• 1.4.3 在超级电容器方面的应用15
• 1.5 论文主要研究内容15-18
• 第2章 石墨烯的制备和转移方法及性能表征18-26
• 2.1 石墨烯的常用制备方法18-20
• 2.1.1 机械剥离法18
• 2.1.2 化学氧化还原法18-19
• 2.1.3 外延生长法19
• 2.1.4 化学气相沉积法19-20
• 2.1.5 其他制备方法20
• 2.2 基于CVD石墨烯的常用转移方法20-23
• 2.2.1 腐蚀基底法21
• 2.2.2 干法转移与roll-to-roll法转移21-22
• 2.2.3 电化学鼓泡法22-23
• 2.3 石墨烯的性能表征23-25
• 2.3.1 光学显微镜和扫描电子显微镜23
• 2.3.2 原子力显微镜23-24
• 2.3.3 拉曼光谱24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 CVD石墨烯的电化学鼓泡分离实验26-36
• 3.1 石墨烯的制备26-27
• 3.2 石墨烯转移前的设想27-28
• 3.3 用改进的电化学鼓泡法转移石墨烯28-34
• 3.3.1 实验装置、样品和试剂28
• 3.3.2 用聚四氟乙烯薄膜作石墨烯上层支撑层28-31
• 3.3.3 用密闭空腔作石墨烯上层支撑层31-34
• 3.4 实验结果对比与小结34-36
• 第4章 鼓泡法转移石墨烯的微观机制36-46
• 4.1 转移过程微观机制的提出36-38
• 4.2 对转移过程微观机制的再次验证38-39
• 4.3 密闭空腔隔绝法转移的石墨烯其他性能表征39-43
• 4.3.1 扫描电镜成像（SEM）39-40
• 4.3.2 原子力显微镜成像（AFM）40
• 4.3.3 拉曼光谱40-42
• 4.3.4 石墨烯场效应晶体管与载流子迁移率42-43
• 4.4 基于密闭空腔处理的电化学鼓泡法前景展望43-44
• 4.5 本章小结44-46
• 第5章 垂直石墨烯的制备及在纳米机电系统领域的应用46-50
• 5.1 NEMS简介46-47
• 5.2 垂直石墨烯的制备方法47-48
• 5.3 垂直石墨烯的应用48-49
• 5.4 本章小结49-50
• 结论50-52
• 参考文献52-58
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文58-60
• 致谢60

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