【摘要】：石墨烯是一種單原子層厚的二維碳晶體,是構成石墨,碳納米管等sp2雜化碳材料的基本構成單元。自從2004年單層石墨烯被成功制備以來,研究者們對石墨烯材料進行了廣泛的研究,由于具有一系列獨特的物理、化學性質,石墨烯一度成為各領域研究的熱點材料。作為石墨烯的衍生物,氧化石墨烯更是由于可以批量制備、水溶液分散、易于加工和物理化學性質可調控等優(yōu)點備受關注,成為石墨烯器件開發(fā)的重要材料之一。然而,通過對氧化石墨烯基本性質、制備方法、還原方法、器件制備與應用等方面的總結梳理,我們發(fā)現(xiàn),基于氧化石墨烯還原技術的石墨烯器件開發(fā)仍然面臨(1)氧化石墨烯性質調控手段單一、(2)石墨烯還原過程與器件制備技術不兼容、(3)石墨烯器件制備過程繁瑣、(4)石墨烯器件應用范圍仍需拓展等幾方面問題。例如,氧化石墨烯與水分子之間存在較強的相互作用力,這使得氧化石墨烯材料在濕度傳感器與濕度執(zhí)行器領域優(yōu)勢明顯,然而要想實現(xiàn)水分子與氧化石墨烯電學、力學特性關系可控調諧,需要對氧化石墨烯表面、界面特性進行可控剪裁,具體體現(xiàn)為氧化石墨烯材料含氧官能團種類、數(shù)量、分布的精準調控,然而,現(xiàn)有的氧化石墨烯性質調控方法,如化學還原方法、熱還原方法與光還原方法還無法實現(xiàn)上述要求。因此,基于氧化石墨烯的濕度傳感器和執(zhí)行器的研發(fā)受限。針對上述問題,我們從水分子與氧化石墨烯相互作用基本原理入手,開展一系列實驗工作,通過對氧化石墨烯表面、界面特性的調控,實現(xiàn)石墨烯濕度傳感器和執(zhí)行器等器件開發(fā)。主要成果具體如下:1.陽光還原氧化石墨烯制備濕敏器件。聚焦陽光實現(xiàn)氧化石墨烯的可控光還原,通過調節(jié)太陽光強度實現(xiàn)對還原氧化石墨烯材料結構、氧含量、導電性進行調控。利用上述技術,制備基于還原氧化石墨烯的濕度傳感器,實現(xiàn)對濕度傳感器的靈敏度和響應恢復時間調控。陽光還原氧化石墨烯制備濕度傳感器不需要特殊的儀器設備和繁瑣的制備過程,整個制備過程十分簡單和綠色環(huán)保,制備的濕度傳感器表現(xiàn)出良好的器件穩(wěn)定性。最后,通過將還原氧化石墨烯濕度傳感器與電路進行集成,實現(xiàn)人體手指濕度識別功能、濕度控制器、濕度探測器、電子口琴等器件應用。2.利用可控光還原技術制備濕度響應氧化石墨烯薄膜。利用氧化石墨烯膜透過率隨膜厚度的增加而降低的特點,通過可控光還原技術對氧化石墨烯表面/界面含氧官能團進行有效剪裁,一步直接制備含氧官能團梯度分布的氧化石墨烯/還原氧化石墨烯雙層結構薄膜。由于薄膜兩側對水分子迥異的吸附能力,引起不均勻應力,薄膜在濕度增大時會發(fā)生彎曲。這種方法制備的刺激響應薄膜基于一種材料,克服基于雙層或多層材料結構體系的刺激響應薄膜頻繁發(fā)生形變過程中層間粘附性差、穩(wěn)定性不好的問題。此外,通過合理設計,制備具有特定彎曲角度和各種還原氧化石墨烯圖案化的氧化石墨烯/還原氧化石墨烯濕度響應膜。最后,成功實現(xiàn)濕度響應機械手、定向運輸器、爬行機器人、人工纖毛、螺旋機械手等器件應用。3.制備具有非對稱結構的氧化石墨烯濕度響應薄膜。水分子與氧化石墨烯相互作用過程中,會引發(fā)氧化石墨烯層間距離增加和層間相對滑移的現(xiàn)象。制備具有非對稱結構的氧化石墨烯濕度響應薄膜,通過微觀結構的引入,增強水分子誘導薄膜發(fā)生形變的能力。非對稱結構的氧化石墨烯濕度響應薄膜具有濕度響應形變量大和響應恢復速度快等優(yōu)點,結合對非對稱結構的周期和取向精準調控,實現(xiàn)定向彎曲、螺旋彎曲和手性彎曲。最后,利用非對稱結構的氧化石墨烯濕度響應薄膜制備了可用于捕捉瓢蟲、制備濕度響應風車和爬行的蜈蚣系列執(zhí)行器。4.基于氧化石墨烯濕度響應形變的液體灌注多孔表面。將油膜涂覆的碳灰液體灌注多孔表面與氧化石墨烯結合,制備雙層濕度執(zhí)行器,拓展執(zhí)行器的表面浸潤性,實現(xiàn)液體灌注多孔表面與執(zhí)行器的集成。利用碳灰-油作為濕度響應惰性層,液體灌注多孔表面功能層,利用氧化石墨烯作為活性層來實現(xiàn)。擴大基于雙層材料刺激響應結構薄膜每層材料對水分子吸附能力的差異,提高薄膜濕度響應形變程度,降低濕度響應恢復時間,增強穩(wěn)定性,使液體灌注多孔表面擁有刺激響應形變的能力。最后,利用基于氧化石墨烯濕度響應形變的液體灌注多孔表面實現(xiàn)改變環(huán)境濕度時,薄膜發(fā)生形變,引起液體灌注多孔表面的液滴滑動的液滴收集功能。綜上所述,本論文從水分子與氧化石墨烯的相互作用入手,細致研究其對氧化石墨烯電學性質和力學性質的影響。聚焦陽光實現(xiàn)氧化石墨烯的可控光還原,通過調節(jié)太陽光強度實現(xiàn)對還原氧化石墨烯材料結構、含氧官能團數(shù)量、導電性進行調控。利用氧化石墨烯膜透過率隨膜厚度的增加而降低的特點,通過可控光還原技術對氧化石墨烯表面/界面含氧官能團進行有效剪裁,一步直接制備含氧官能團梯度分布的氧化石墨烯/還原氧化石墨烯雙層結構薄膜。水分子與氧化石墨烯相互作用過程中,會引發(fā)氧化石墨烯層間距離增加和層間相對滑移的現(xiàn)象,制備具有非對稱結構的氧化石墨烯濕度響應薄膜,通過微觀結構的引入,增強水分子誘導薄膜發(fā)生形變的能力。將油膜涂覆的碳灰液體灌注多孔表面與氧化石墨烯結合,制備雙層濕度執(zhí)行器,拓展執(zhí)行器的表面浸潤性,實現(xiàn)液體灌注多孔表面與執(zhí)行器的集成。制備基于還原氧化石墨烯的濕度傳感器、氧化石墨烯/還原氧化石墨烯雙層薄膜結構的濕度響應薄膜、非對稱結構的石墨烯氧化物濕度響應薄膜、基于石墨烯氧化物濕度響應形變的液體灌注多孔表面。最后,探索他們在電子、材料、仿生和機械等領域的潛在應用。
【圖文】：

憑借優(yōu)異的物理化學性質受到大家的廣泛關注。也是組成其他碳材料（富勒烯、碳納米管、石墨）的基本單元（圖1.1）。[1]圖 1.1 石墨烯是組成其他碳材料的基本單元[1]石墨烯的性質。石墨烯理論預測具有超高的比表面積約 2965 m2g-1。[2]電學方面，具有超高的載流子遷移率 200 000 cm2V-1s-1，[3, 4]反常的量子霍爾效應[5]。光學方面，單層石墨烯的透過率約 97.7%，層數(shù)每增加一層，透過率約減少 2.3%。[6]力學方面，通過機械剝離制備的單層石墨烯楊氏模量約為 1.0TPa，，最終斷裂強度約為 130GPa（圖 1.2）。[7]厚度低于 10 納米的石墨烯的彈性系數(shù)約為 1-5 Nm-1。[8]負的熱膨脹系數(shù)，室溫下約為-8.0±0.7×10-6K-1。[9

圖 1.2 石墨烯力學性能測試[7]烯的制備方法主要有機械剝離法、超聲液相剝離法、化學氣相還原法等。剝離法。2004 年，英國曼徹斯特大學的 Geim 教授課題組首次小片高度有序的熱解石墨制備石墨烯。[11]該方法可用于制備石墨烯薄片。該方法主要應用于實驗室研究，但是較為耗費人力似乎有一定難度。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP212;TP215

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本文編號：2702757