柔性石墨烯导电导热纸及石墨化碳包裹铜纳米电缆的研究

发布时间：2017-10-13 18:11

  本文关键词：柔性石墨烯导电导热纸及石墨化碳包裹铜纳米电缆的研究

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【摘要】：微电子器件的导电和散热问题,是其不断缩小尺寸、增加功率密度的主要挑战。作为一种二维材料,石墨烯具有远远超越石墨的电学、热学、力学性质,在导电导热方面有很好的应用前景。本文采用氧化还原法大量制备了少层,甚至单层的氧化石墨烯和石墨烯;通过真空抽滤的方法,使氧化石墨烯悬浊液定向流动重组,制备自支撑的柔性氧化石墨烯纸,再高温热还原成石墨烯纸。这种石墨烯纸具有非常高的电导率和低的热导率。石墨烯纸的面内薄膜电阻低达1.008?/□,电阻率低达3.699 m?·cm,电导率高达27034 S/m,比其他研究者采用热还原法制备的石墨烯纸高38%,石墨烯-碳纤维纸高3.87倍;另外,随着厚度的增加,石墨烯纸的方阻减小,电阻率增大,电导率减小。这种石墨烯纸在导电导热薄膜上有很广泛的应用前景。铜纳米线,在纳米电子器件的互连和柔性透明导电膜等中有着独特的应用,在过去的十年中被广泛研究。但其纳米尺度下的电子非弹性散射和氧化问题变得非常严重,增加了铜纳米线的电阻率,制约了其应用范围。因此,降低铜纳米线的电阻率非常重要。本文采用水热法制备了无定形碳均匀包裹铜纳米线的纳米电缆Cu@C NCs,再经过热处理,使无定型碳层晶化,制备石墨化碳包裹铜纳米电缆Cu@G NCs。SEM和TEM结果显示,芯部的铜纳米线生长方向为[110],包裹着一层均匀厚度的碳层。导电性测试结果显示,包裹不导电的无定形碳后,Cu@G NCs绝缘;而无定形碳石墨化后,Cu@G NCs成为导体;单根Cu@G NC的室温电阻率为~1.61×10-5Ω·cm,略低于单根铜纳米线,且在室温长时间放置,电阻率无明显升高,证明石墨的包裹确实提高了铜纳米线的空气稳定性,降低了电阻率。由石墨化碳包裹高导电性金属芯的纳米电缆在纳米器件的零部件以及互连上有着广阔的应用前景,本技术也为其他金属纳米线空气稳定性和电学性能的提高提供了有效的方法。
【关键词】：石墨烯 石墨烯纸 石墨化碳包裹铜纳米电缆 电导率 热导率
【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;TM24
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 前言9-10
• 1.1.1 柔性石墨烯导电导热纸的研究背景9
• 1.1.2 石墨化碳包裹铜纳米电缆的研究背景9-10
• 1.2 柔性石墨烯导电导热纸的研究现状10-16
• 1.2.1 热管理材料的研究现状10-13
• 1.2.2 石墨烯纸的研究现状13-16
• 1.3 石墨化碳包裹铜纳米线的研究现状16-18
• 1.4 研究内容和意义18-21
• 1.4.1 柔性石墨烯导电导热纸的研究内容和意义18-19
• 1.4.2 石墨化碳包裹铜纳米线的纳米电缆的研究内容和意义19-21
• 第2章 实验方法和实验原理21-33
• 2.1 实验材料21-23
• 2.1.1 氧化石墨烯、石墨烯使用的试剂及仪器21
• 2.1.2 石墨烯纸使用试剂及仪器21-22
• 2.1.3 制备石墨碳包裹铜纳米线的纳米电缆结构所需材料22-23
• 2.2 实验方案23-26
• 2.2.1 氧化石墨烯、石墨烯的制备及表征23-24
• 2.2.2 石墨烯纸的制备及表征24
• 2.2.3 石墨烯包裹铜纳米线的纳米电缆结构的制备及表征24
• 2.2.4 结构与性能测试24-26
• 2.3 实验设备及其原理26-33
• 2.3.1 X射线衍射仪 (X-Ray Diffraction, XRD)26
• 2.3.2 扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM)26-27
• 2.3.3 透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)27
• 2.3.4 扫描隧道显微镜-透射电子显微镜探针系统(STM TEM NanofactoryInstruments)27-28
• 2.3.5 霍尔测试仪 (HL5500PC)28-31
• 2.3.6 差示扫描量热仪 (Differential Scanning Calorimetry, DSC)31
• 2.3.7 激光闪光仪 (Vibrating Sample Magnetometer, VSM)31-33
• 第3章 氧化石墨烯、石墨烯的研究33-41
• 3.1 引言33
• 3.2 氧化石墨烯、石墨烯的制备33-34
• 3.3 氧化石墨烯、石墨烯的表征34-40
• 3.3.1 氧化石墨烯、石墨烯的物相分析34-35
• 3.3.2 氧化石墨烯和石墨烯的缺陷分析35-37
• 3.3.3 氧化石墨烯溶液的Zeta电位分析37-38
• 3.3.4 石墨烯的形貌、结构分析38-39
• 3.3.5 石墨烯的厚度分析39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 柔性石墨烯导电导热纸的研究41-49
• 4.1 引言41
• 4.2 柔性石墨烯导电导热纸的制备41-42
• 4.3 氧化石墨烯纸的表征42-44
• 4.3.1 氧化石墨烯纸的物相分析42
• 4.3.2 氧化石墨烯纸、石墨烯纸的表面、横截面形貌结构分析42-44
• 4.3.3 石墨烯纸的Raman光谱分析44
• 4.4 石墨烯纸的导电性分析44-46
• 4.5 石墨烯纸的导热性分析46-47
• 4.6 本章小结47-49
• 第5章 碳包铜纳米电缆结构及其导电性能的研究49-57
• 5.1 引言49
• 5.2 碳包铜纳米电缆的制备49-50
• 5.3 Cu@C NC和Cu@G NC纳米电缆的结构分析50-53
• 5.3.1 Cu@C NC和Cu@G NC的物相、形貌、结构分析50
• 5.3.2 Cu@C NC和Cu@G NC的形貌分析50-51
• 5.3.3 Cu@C NC和Cu@G NC的形貌、结构分析51-53
• 5.4 Cu@C NC和Cu@G NC的导电性能53-55
• 5.5 本章小结55-57
• 结论57-59
• 参考文献59-67
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文67-69
• 致谢69

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