基于原子力显微镜的黑磷和酞菁铜机械性能实验研究

发布时间：2020-05-11 11:53

【摘要】：黑磷因其独特的结构和优异的性能,以及其可随厚度改变的直接带隙,被认为是继石墨烯之后下一代电子器件中最具应用潜力的材料。而同为纳米材料,酞菁铜的结构及能级特点也决定了其诸多优良的光电特性,且其层状晶型结构使得酞菁铜在探索新的弹性模量测试理论模型中有着无法比拟的优势。因此,研究黑磷和酞菁铜在纳尺度下的机械性能,对于其今后在微/纳机电系统(M/NEMS)中的应用具有重要的指导意义。本文首先推导出适合于本实验的纳米压痕和基于铁摩辛科弹性理论的三点弯曲理论模型,然后基于原子力显微镜搭建密闭样品台、湿度控制器等试验平台,并使用机械剥离法制备黑磷薄膜以及使用真空沉积法和转移法制备悬浮酞菁铜纳米线样品,借助光学显微镜判断目标样品的位置,拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和原子力显微镜表征样品的层数和尺寸参数,在测量其机械性能的同时并探索测试条件对目标参数的影响。在研究黑磷的弹性模量时,发现在0～20μm/s的探针加载速度范围内,对实验结果几乎没有影响的;最大加载载荷在0～2μN范围内弹性模量随着压痕深度的减小,其值增加了约35%。研究黑磷薄膜的纳米摩擦学性能时,发现褶皱效应使得四层黑磷的摩擦系数比二层黑磷的小,其摩擦力随着发向载荷的增大而线性增大,并随扫描速度的对数增加而非线性上升。黑磷链接状的褶皱原子结构以及刚度的各向异性使二层黑磷薄膜以及体态黑磷的摩擦力均呈现180°的周期性变化。当法向载荷为2μN时,黑磷薄膜被划破两层,随着载荷增加磨损加剧,直至20μN时,黑磷被完全划穿。在对酞菁铜的弹性模量的研究中,发现当纳米线直径小于200nm时,弹性模量随直径减小而迅速增加,即具有“正”趋势尺寸效应。当温度从293K变化至343K时,原子间相互作用减弱造成酞菁铜纳米带的弹性模量的下降,其数值在1.90GPa到2.82GPa之间。
【图文】：

视图,电磁波谱,电子迁移率,反应活性

但２０１４年伊始，，黑磷由于不同于石墨烯和ＴＭＤＣ族的带隙结构而成为纳米电子逡逑学和光子学的热点二维材料。其晶格是一个相互链接的六元环，每个原子都与其他三个逡逑原子相连，如图１－１所示。逡逑！邋（ｂ）逡逑0逦ｖ逦￡逡逑ｊＥ逦３．２Ｈ３．７３邋Ａ邋卜逡逑、户WＡｒｍｃｈａｉｒ逦Ｚｉｇｚａｇ逡逑．．贷恟．，：逡逑蠡＿＂ｍｍ灸邋Ａｒｍｃｈａｉｒ逡逑＿邋Ａｒｍｃｈａｉｒ逡逑图ｉ－ｉ黑磷的结构示意图逡逑（ａ，邋ｂ）邋ｚｉｇｚａｇ和ａｒｍｃｈａｉｒ的侧视图；（ｃ）俯视图；（ｄ）键角的放大视图逡逑半导体褶皱的正交晶系黑磷属于Ｄ１８２ｈ点簇，单层黑磷包含两个原子层和两种Ｐ－Ｐ键，逡逑这种独特的结构使其面内共价键网极强而层间的范德华力（ｖｄＷｓ）却较弱，黑磷层与逡逑层之间的距离会随着堆叠方式的改变在３．２１到３．７３Ａ的范围内波动，这也是黑磷非常适逡逑合于机械剥离法制备的原因。黑磷的独特的褶皱结构出现在（ａ）图中的Ａｒｍｃｈａｉｒ方向，逡逑双层的组态出现在（ｂ）图中的Ｚｉｇｚａｇ方向；其Ｚｉｇｚａｇ方向的键角也就是铰链角约为逡逑９４．３°，邻接的Ｐ－Ｐ键长为２．２５３Ａ，这些值均小于Ａｒｍｃｈａｉｒ方向上的双面角（１０３．３°邋）逡逑和连接键长２．２８７Ａ

密度图,酞菁铜,化学结构图,表面颜色

等在将溴化铜和邻苯二睛一起加热时，意外地发现了这个蓝色化合物。由于酞菁铜对浓逡逑酸、浓碱和高温有着惊人的稳定性，从而吸引了研究人员的目光。酞菁铜分子的几何构逡逑型如图１－３［２４］所示，以铜离子为中心的Ｄｈ４对称构型的二维共轭ｎ电子结构，其化学式逡逑为Ｃ３２Ｈ１６ＣｕＮ８，共有５７个原子。其分子中有一个未成对价电子，其基态是具有顺磁性逡逑的二重态，并在宏观上表现出优异的难燃性、化学稳定性、耐辐射性能、光电导性、导逡逑电性、光存贮性等多种性质％。近年来，科学界利用它们的独特的性质制造出有机太阳逡逑能电池％、气敏传感器等微纳有机半导体元器件。逡逑八』命必暴。逡逑Ｔ＇－＇Ｎ邋Ｎ－Ａ逦ｏｓｓ＾Ｚ逡逑魏逡逑＼逦／逦４逦Ｈ＂Ｈｃｅｎｔｅｆ＝１，２３邋ｎｍ逦＞逡逑＾＾逦Ｈ－Ｈ＾ｒｌ．４５邋ｎｍ逡逑图１－３酞菁铜的分子结构以及化学结构图Ｍ逡逑酞菁铜有ａ、０、ｘ等多种晶体类型，它们除了在晶体形状、表面颜色、密度以及逡逑对光的反射等方面各不相同外，其热力学稳定性也有所差别，即处在亚稳定状态的晶型逡逑有向相对稳定的３型转变的趋势；同时不同晶型的酞菁铜光电导性也有所不同，比如３逡逑型酞菁铜就对红外光特别敏感
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH742;TB383.1

【参考文献】