金纳米粒子阵列辅助构筑石墨烯纳米结构

发布时间：2018-03-23 18:48

本文选题：金纳米粒子阵列　切入点：石墨烯　出处：《吉林大学》2017年博士论文

【摘要】：石墨烯是一种具有蜂窝状晶格、单原子层厚度的二维材料,它的出现引起了世界各大研究组的关注。石墨烯具有若干良好的性质:高载流子迁移率、高机械强度、高柔软性、高光学透过率以及相对低廉的成本。诸多电子器件当中石墨烯材料具有长远的应用前景,包括:生物方面的应用、透明电极、光学调制解调器、电化学催化、传感器、能源捕获器、光波导器件等。但是也有诸多因素会限制石墨烯的应用:1.石墨烯上没有带隙。2.石墨烯表面的褶皱会影响石墨烯的一系列性质(带隙的大小、亲疏水性、透过率、化学势能、导电率)。目前来讲利用纳米结构调控石墨烯的性质是比较普遍的方法。本论文中我们设计利用金属纳米粒子阵列调控单层及多层石墨烯的光、电、表面浸润等性质。在第一部分工作当中,我们首先探索了制备形貌可控的金纳米粒子阵列的方法。我们利用界面法在正己烷/水界面上组装好一层排列致密的金纳米粒子单层膜,随后将其垂直提拉到玻璃基底上,并在上面旋涂了一层聚合物进行加热处理。我们所选的两种聚合物分别为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚亚苯基砜树脂(PPSU),这两种聚合物均与金粒子没有化学相互作用,如此一来便可以排除其他影响因素,探索玻璃化转变温度对金粒子形貌的影响。在本文中当温度低于100℃,由于两种聚合物均未达到各自的玻璃化转变温度,两种聚合物的分子链都不能充分的运动,因此与空白样品对比两种聚合物抑制了金粒子的融合过程。而当温度介于100℃和225℃之间时,已经超过PMMA的玻璃化转变温度,在加热过程中其分子链的运动促进了金粒子之间的相互融合进而变成较大的粒子。但此时还未达到PPSU的玻璃化转变温度,因此PPSU会继续抑制金粒子的融合。由此可见聚合物和加热温度在调控金纳米粒子形貌的过程中起到非常重要的作用。最后我们利用上面得到的结论,结合胶体刻蚀技术可控的制备了三种形貌的金纳米粒子阵列。在第二部分工作当中,我们将上述组装的金粒子单层膜转移到单层石墨烯表面,再利用O2等离子体刻蚀构筑出石墨烯量子点(GQD)阵列。首先我们组装了直径为12 nm的金纳米粒子单层膜,在以此为掩板制备出了~9 nm的GQD阵列。通过对X射线光电子能谱(XPS)的分析,证明了金粒子可以完全从GQD阵列上除掉而不留任何杂质,这也是该工作的特点之一。随着刻蚀时间的增加,GQD的尺寸逐渐减小同时其氧碳比逐渐的增加,在瞬态激发光谱(TA光谱)中的体现就是瞬态吸收峰(ESA)的蓝移和增强,而吸收峰的蓝移证明GQD带隙逐渐的打开。随后我们将刻蚀15 s的GQD(~9 nm)阵列进行还原,发现ESA峰的峰位在还原前后基本没有变化说明了其带隙基本不变,但是峰强会大大降低,因此我们可以得出结论:GQD带隙的大小取决于GQD的尺寸,光谱中信号的强度取决于GQD上的氧含量。我们还构筑了较大尺寸的GQD阵列(~19 nm)进行对比实验,尽管随着刻蚀时间的增加其信号强度的变化趋势与9 nm GQD阵列的变化趋势基本相同,但是从始至终ESA的峰位都没有变化,这是由于尺寸大于10 nm的GQD阵列的量子效应不强,无法很好的调控其带隙大小。我们所制备GQD阵列的方法简单、可行,可有效的调控GQD的带隙大小。这种GQD阵列还具有排列紧密、制备面积大等特点。在第三部分工作当中,我们通过上述的金粒子单层膜制备构筑硅柱阵列的刻蚀掩板,并利用硅纳米柱阵列可控的调节单层石墨烯上褶皱的形貌。这样的硅柱阵列尺寸小、密度大、尺寸参数可有效的被调控。在不同尺寸的硅柱阵列中,我们发现69 nm高的硅柱阵列会成功的在石墨烯表面上诱导出大量褶皱,正是因为如此增加了石墨烯的粗糙度,进而增强了石墨烯的疏水性,如此一来就会使石墨烯不易受到周围潮湿环境的影响增加了石墨烯器件的寿命。随后我们将每个样品进行加热处理,对于23 nm高硅柱阵列上的石墨烯而言,加热后石墨烯会包裹住硅柱,其表面的褶皱会大大增加,增强了石墨烯的疏水性。但是对于69 nm高硅柱阵列上的石墨烯而言,虽然褶皱数量会进一步增加,但是由于张力的作用,石墨烯会被撕裂出大量的裂纹,因此加热后其疏水性反而降低。为了保证石墨烯在实际生活当中的应用,我们还进行了导电性测试。实验中我们发现褶皱的石墨烯依然可以保持良好的导电性,与平滑的石墨烯的导电性相差不大。随后又进行了透过率的测试,实验证明各个样品的透过率均高于92%,这就满足了工业中对透明电极的要求。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

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