多肽纳米管阵列的超级电容器和层状硫化铼磁电特性研究

发布时间：2020-08-11 21:37

【摘要】：低维纳米结构具有许多新奇的物理和化学性质,因此具有广阔的应用前景。低维结构的特性取决于材料的种类和形貌,其电子波函数在某一个或者几个维度上会被束缚,从而产生与块体材料迥然不同的特性,为了满足不同微型化器件与系统的功能要求,比如集成性光伏器件、电控微波元件、纳米发电机、自旋电子设备等,需要制备出结构、形貌、性质不同的纳米结构。本文设计和制备了多肽纳米管列阵和畸变的层状二硫化铼低维结构,通过对结构形成机制的系统研究,探究了它们在电化学和电磁学方面的性质和应用,获得了如下的主要研究成果:1、以联苯丙二氨酸(双肽diphenylalanine,DPA)分子为核心,通过外加电场的湿化学方法制备出垂直阵列的DPA纳米管。通过分析外加电场方向和生长方向的关系,发现FF纳米管表面存在正电荷的分布,运用静电力显微镜(EFM)对纳米管的表面电荷分布进行检测,确认正电荷分布密度为5.02840 ×10-4 C/m2。由于垂直纳米管的比表面积极大和DPA分子的亲水性较好,将上述的纳米管阵列进行了超级电容器测试,一系列的电化学研究表明,在扫描速度为50 mV/cm2时,该纳米管阵列的电容高达1000 μF/cm2,是一种优异的生物兼容的超级电容器材料。2、层状二硫化铼(ReS2)具有稳定的中心对称相(centrosymmetry structure,Tc)和非中心对称相(non-centrosymmetry structure,Td)。然而,由于 Td 与 Tc相原子之间的转变势垒太高(4.57 eV),非中心对称Td相中存在的电偶极矩(electricdipole)在外加电场下无法实现反转,因而不具有铁电性。针对这一问题,我们通过在层状Td-ReS2中引入部分Tc相以改变Re原子的环境,获得了过渡相(transition structure,Tt)。一系列的过渡相介于Td和Tc相之间,表现为非中心对称。用原子力显微镜(AFM)对层状的ReS2进行了表征,获得了一系列二维ReS2薄层,其中有相当一部分为单层,厚度在0.91 nm左右。使用球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-corrected STEM)对单层ReS2的原子结构进行了观测,结果证实这些ReS2中不但同时具有Td和Tc相,在Td和Tc相之间还存在介于这两相之间的过渡相(Tt相)。此外,电镜图像也显示,在Tt相处还存在不同程度的Re空位。3、Tt-ReS2为非中心对称相,属于典型的铁电相。第一性原理计算(DFT)表明,当Tt相的原子畸变程度大于30%(设定Td为0%,Tc为100%)时,Tt相内电偶极矩翻转的能量势垒降至0.78 eV以下,因而可在该相内实现铁电性。使用压电力显微镜(PFM)检测了单层Tt-ReS2的铁电性,我们成功观测到了该单层二维材料的面外铁电极化特性曲线和电畴。此外,我们也检测到了层状Tt-ReS2薄膜不同温度下的电滞回线,进一步证实二维材料Tt-ReS2的铁电性。4、对含有Re空位的ReS2各相进行了 DFT计算,发现在非中心对称Td和Tt两相中,Re空位的存在导致ReS2具有磁性。利用超导量子干涉仪(SQUID)和振动磁强计(VSM)进行了磁性测试,结果显示畸变的层状ReS2其饱和磁化强度与Re空位浓度相关,当Re空位浓度为～5.5%时,在350 K下仍然可以检测到磁滞回线,表明了铁磁性质的存在。我们也使用改进型的综合物性测量仪(PPMS)对畸变的层状ReS2磁电耦合特性进行了检验,结果表明在45-65 K之间产生了热释电电流,经过计算获得铁电饱和极化强度为18 μC/m2(Po)。在外加磁场作用下,饱和极化强度受到明显的抑制,当磁场达到2T时,铁电饱和极化强度降到13.5 μC/cm2,证明了二维材料ReS2不仅是室温多铁材料,而且材料中电畴和磁畴在较低磁场下存在耦合。进一步检测磁致极化电流,发现当温度低于32 K时,可产生磁致极化电流,在28 K温度和低于0.9 T磁场下,磁致极化电荷为3.7μC/m2(PH)。第一性原理计算表明,Tt-ReS2相中Re空位附近的电偶极矩和净原子磁矩存在耦合,在外加磁场下铁电极化会被抑制,从而产生磁致电极化。这种畸变的层状ReS2不仅是第一种实验发现的室温多铁二维材料,而且是首个具有磁电耦合特性的二维材料。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TN304
【图文】：

但是近些年来，随着在单个或者数个原子级别层厚的二维半导体材料中的铁磁性逡逑［１２］和铁电性［１３－１６］的发现，开启了新一轮寻找可实际应用的室温二维压电体、逡逑二维铁电体、二维铁磁体以及二维多铁的热潮。如图１－２所示［１７］，为在单层对逡逑称性破缺的Ｍ0Ｓ２的优良压电性和应用。探索二维半导体材料的这些性质有助于逡逑解决传统块体材料在纳米尺度下性能衰弱和消失的问题。更重要的是，探索二维逡逑铁磁、二维铁电等的本征性质，在寻找满足目前纳米器件功能的二维半导体材料逡逑４逡逑

其形成机理、性能产生的机制以及制备高效、多功能的各种结构己经吸引了很多逡逑科研工作者的兴趣［１８，１９，２０，２１，２２］。联苯丙二氨酸（ＤＰＡ）是由两个苯丙氨酸分子逡逑通过脱水缩合形成的二肽分子，其结构示意图如图１－２所示。逡逑ｙＶ邋ｒＶ逡逑图１－２联苯丙氨酸分子的结构式逡逑５逡逑

其形成机理、性能产生的机制以及制备高效、多功能的各种结构己经吸引了很多逡逑科研工作者的兴趣［１８，１９，２０，２１，２２］。联苯丙二氨酸（ＤＰＡ）是由两个苯丙氨酸分子逡逑通过脱水缩合形成的二肽分子，其结构示意图如图１－２所示。逡逑ｙＶ邋ｒＶ逡逑图１－２联苯丙氨酸分子的结构式逡逑５逡逑

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 沈垒;李广忠;陈刚;赵少阳;李增峰;葛渊;李亚宁;;多孔钛板表面TiO_2纳米管阵列膜的制备及表征[J];钛工业进展;2017年01期

2 杜晶晶;赵军伟;程晓民;王可胜;;基底及电解液对TiO_2纳米管阵列形貌的影响[J];电源技术;2017年03期

3 柳堤;江少群;王刚;;TiO_2纳米管阵列的制备与改性研究进展[J];表面技术;2017年04期

4 尹亮亮;赵宏伟;葛坚坚;;TiO_2纳米管阵列电极的制备及电输运性能[J];上海应用技术学院学报(自然科学版);2016年04期

5 余翠平;王岩;崔接武;刘家琴;吴玉程;;TiO_2纳米管阵列的多重改性及其在超级电容器中应用的最新进展[J];物理化学学报;2017年10期

6 张君慧;郭丽芳;赵清华;张文栋;李大维;李刚;孙伟;;基于两步法阳极氧化的TiO_2纳米管阵列制备研究[J];稀有金属材料与工程;2015年12期

7 刘慧;董海成;袁永健;田甜;;氧化钛纳米管阵列改性及其性能研究进展[J];材料导报;2015年S2期

8 武佳;徐浩;延卫;;TiO_2纳米管阵列的制备改性及应用研究进展[J];化工进展;2016年S1期

9 贾永芳;蔡芳共;鲁双伟;杨峰;赵勇;;双通TiO_2纳米管阵列膜制备及应用研究[J];材料导报;2016年13期

10 陆晓旺;张作松;殷禹;;CeO_2纳米颗粒修饰TiO_2纳米管阵列及其光催化性能[J];常州大学学报(自然科学版);2016年05期

相关会议论文 前10条

1 侯峰;阴育新;靳正国;;热处理气氛对TiO_2纳米管阵列光电性能的影响[A];第十六届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2010年

2 李桐;;TiO_2纳米管阵列制备条件对形貌的影响[A];2014中国功能材料科技与产业高层论坛摘要集[C];2014年

3 叶美丹;宫娇娇;林昌健;;TiO_2纳米管阵列的电化学构筑[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

4 王岩;吴玉程;秦永强;崔接武;郑红梅;洪雨;王庆平;;电压条件对快速组装TiO_2纳米管阵列速率的影响研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第6分册）[C];2010年

5 宋玲霞;王玮;王敏;孙明亮;贺本林;李丰屹;刘威;;甘油电解液对阳极氧化TiO_2纳米管阵列的形貌及其光电性能的影响[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

6 吴青龙;廖俊生;柏云;;高度有序TiO_2纳米管阵列制备及电催化析氢性能的初步研究[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷·第4册）[C];2009年

7 吴玲;李芳;廉孜超;万颖;李贵生;李和兴;;TiO_2复合纳米管阵列的制备及光电催化应用的研究进展[A];上海市化学化工学会2013年度学术年会论文集[C];2013年

8 赵成龙;慕成;徐东升;;硅纳米管阵列的制备及其应用[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年

9 李洪义;王金淑;黄科林;孙果宋;;外加电压对阳极氧化钛纳米管阵列光生阴极保护性能的影响[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第5分册）[C];2010年

10 李高仁;;复合纳米管阵列的设计及其在电化学能源材料中的应用（英文）[A];第八届中国功能材料及其应用学术会议摘要[C];2013年

相关重要报纸文章 前2条

1 本报记者 孙杰;科博会展现科技创新新气象[N];北京日报;2017年

2 记者 刘霞;美发明光电解水新技术[N];科技日报;2007年

相关博士学位论文 前10条

1 乐凌;基于一维TiO_2纳米管/纳米棒阵列光电极的PEC性能和光解水产氢的研究[D];武汉大学;2018年

2 张金磊;多肽纳米管阵列的超级电容器和层状硫化铼磁电特性研究[D];南京大学;2019年

3 王芳;聚（3,4-乙烯二氧噻吩）纳米管/线复合材料的制备及性能研究[D];北京化工大学;2018年

4 朱洪光;骨涎蛋白片段包覆TiO2纳米管的表征与生物学特性研究[D];山东大学;2018年

5 李s

本文编号：2789591