本文關(guān)鍵詞：化學氣相沉積石墨烯的電化學鼓泡分離機制研究

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【摘要】：石墨烯是一種在眾多領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用潛力的新型二維材料,自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來,就受到人們深入而廣泛的研究,包括在光電子學、材料學以及微生物學等領(lǐng)域都有豐碩的研究成果,這主要得益于它獨特的性能。目前制約石墨烯發(fā)展的一個重要問題是如何把用化學氣相沉積(CVD)法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到目標襯底上而最大程度地降低對石墨烯的損壞。傳統(tǒng)的腐蝕基底法成本高、對環(huán)境污染大并且會給石墨烯帶來不可避免的缺陷,而與之相對應(yīng)的電化學鼓泡法雖然解決了金屬不被腐蝕的缺點,但轉(zhuǎn)移后的石墨烯完整性卻比腐蝕基底法差,主要是目前對電化學鼓泡法轉(zhuǎn)移石墨烯的微觀機制還不清楚。本論文在前人的基礎(chǔ)上,用CVD法在金屬Pt上制備了大面積的石墨烯,并用優(yōu)化了的電化學鼓泡法進行轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移后的石墨烯質(zhì)量有了極大的提高,隨后分析了質(zhì)量改善的原因并首次提出了鼓泡法轉(zhuǎn)移石墨烯的內(nèi)在微觀機制。具體內(nèi)容如下:1.優(yōu)化了CVD生長石墨烯的生長溫度、降溫速率以及氣體流量比等條件,用CVD法生長了大面積的單層石墨烯。2.根據(jù)前期的猜想,設(shè)計了用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作為隔絕水和H~+離子透過PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的阻擋層的實驗方案,對和只用PET框作石墨烯的上層支撐層(未做隔絕處理)的實驗方案進行對比,發(fā)現(xiàn)用聚四氟乙烯薄膜的樣品轉(zhuǎn)移的石墨烯質(zhì)量明顯更好。3.分析了用聚四氟乙烯薄膜的樣品轉(zhuǎn)移的石墨烯出現(xiàn)撕裂痕跡的原因,即聚四氟乙烯薄膜(生料帶)本身在一個特定方向容易撕裂。為進一步減小阻擋層對石墨烯帶來的應(yīng)力影響,創(chuàng)新性地設(shè)計了用密閉空腔來隔絕水和H~+離子。實驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)移的石墨烯質(zhì)量非常高。4.根據(jù)上述的實驗結(jié)果,系統(tǒng)分析了水和H~+離子透過PMMA對轉(zhuǎn)移過程的影響,首次提出了電化學鼓泡法轉(zhuǎn)移石墨烯的微觀機制,即未做隔絕處理時,水和H~+離子透過PMMA后,會在石墨烯/PMMA的界面產(chǎn)生H2氣泡,并且水和H~+會部分的進一步透過石墨烯,在石墨烯/Pt界面也產(chǎn)生H2氣泡。這個過程發(fā)生在四周氣泡進入樣品中央之前,所以兩面都懸空的石墨烯必然會斷裂進而發(fā)生破洞和褶皺現(xiàn)象。通過對比做了隔絕處理與未做隔絕處理的樣品中央轉(zhuǎn)移過程中是否出現(xiàn)了H2氣泡,進一步證明了觀點的正確性。5.對用密閉空腔處理的樣品轉(zhuǎn)移的石墨烯進行了掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、拉曼光譜以及載流子遷移率檢測,證明轉(zhuǎn)移后的石墨烯具有很高的質(zhì)量。6.作為石墨烯的應(yīng)用部分,簡介了一種可控制備基于垂直石墨烯的納米機電系統(tǒng)(NEMS)的工藝方法,并介紹了其在微生物培養(yǎng)方面的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 CVD 電化學鼓泡法 密閉空腔 阻擋層
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 綜述10
• 1.2 石墨烯簡介10-11
• 1.3 石墨烯的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)11-13
• 1.3.1 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)11-12
• 1.3.2 石墨烯的光學性質(zhì)12-13
• 1.3.3 石墨烯的電荷輸運性質(zhì)13
• 1.4 石墨烯的應(yīng)用前景13-15
• 1.4.1 在微電子學方面的應(yīng)用14
• 1.4.2 在透明電極方面的應(yīng)用14-15
• 1.4.3 在超級電容器方面的應(yīng)用15
• 1.5 論文主要研究內(nèi)容15-18
• 第2章 石墨烯的制備和轉(zhuǎn)移方法及性能表征18-26
• 2.1 石墨烯的常用制備方法18-20
• 2.1.1 機械剝離法18
• 2.1.2 化學氧化還原法18-19
• 2.1.3 外延生長法19
• 2.1.4 化學氣相沉積法19-20
• 2.1.5 其他制備方法20
• 2.2 基于CVD石墨烯的常用轉(zhuǎn)移方法20-23
• 2.2.1 腐蝕基底法21
• 2.2.2 干法轉(zhuǎn)移與roll-to-roll法轉(zhuǎn)移21-22
• 2.2.3 電化學鼓泡法22-23
• 2.3 石墨烯的性能表征23-25
• 2.3.1 光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡23
• 2.3.2 原子力顯微鏡23-24
• 2.3.3 拉曼光譜24-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第3章 CVD石墨烯的電化學鼓泡分離實驗26-36
• 3.1 石墨烯的制備26-27
• 3.2 石墨烯轉(zhuǎn)移前的設(shè)想27-28
• 3.3 用改進的電化學鼓泡法轉(zhuǎn)移石墨烯28-34
• 3.3.1 實驗裝置、樣品和試劑28
• 3.3.2 用聚四氟乙烯薄膜作石墨烯上層支撐層28-31
• 3.3.3 用密閉空腔作石墨烯上層支撐層31-34
• 3.4 實驗結(jié)果對比與小結(jié)34-36
• 第4章 鼓泡法轉(zhuǎn)移石墨烯的微觀機制36-46
• 4.1 轉(zhuǎn)移過程微觀機制的提出36-38
• 4.2 對轉(zhuǎn)移過程微觀機制的再次驗證38-39
• 4.3 密閉空腔隔絕法轉(zhuǎn)移的石墨烯其他性能表征39-43
• 4.3.1 掃描電鏡成像（SEM）39-40
• 4.3.2 原子力顯微鏡成像（AFM）40
• 4.3.3 拉曼光譜40-42
• 4.3.4 石墨烯場效應(yīng)晶體管與載流子遷移率42-43
• 4.4 基于密閉空腔處理的電化學鼓泡法前景展望43-44
• 4.5 本章小結(jié)44-46
• 第5章 垂直石墨烯的制備及在納米機電系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用46-50
• 5.1 NEMS簡介46-47
• 5.2 垂直石墨烯的制備方法47-48
• 5.3 垂直石墨烯的應(yīng)用48-49
• 5.4 本章小結(jié)49-50
• 結(jié)論50-52
• 參考文獻52-58
• 攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術(shù)論文58-60
• 致謝60

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本文編號：1025084