石墨烯基导热导电互连材料的研究

发布时间：2017-09-03 07:18

  本文关键词：石墨烯基导热导电互连材料的研究

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【摘要】：随着电子器件向小型化、微型化和轻薄化方向发展,以及电子芯片的集成度越来越高,电子器件的工作效率和可靠性越来越依赖于导电互连与散热问题的解决。石墨烯是目前所知电阻率最小的材料,具有极好的导电性能,同时石墨烯也是目前所知导热性最好的材料。因此研究石墨烯基导热导电互连材料在电子封装中的应用显得尤为重要。化学法制备的石墨烯在其表面和边缘含有大量的官能团(-OH,-COOH等)和晶格缺陷等结构缺陷。这些缺陷可以本身就是电化学储能的活性位点,可以为超级电容器提供丰富的赝电容,也可以为锂离子提供嵌入的位点;这些缺陷提供的活性位点可以引入一些其他的电化学活性颗粒,石墨烯成为这些材料新型载体和集流体,形成石墨烯复合材料。石墨烯的这些优势都使得其在新型能源存储和转化方面有着重要的应用。本课题的研究内容紧紧围绕石墨烯的导热性质和导电性质展开。在导热方面主要是研究二维石墨烯膜的导热性能。在导电方面主要是研究二维石墨烯膜的导电性能和三维石墨烯电极在能源存储方面的应用,主要内容如下:(1)以表面活性剂SDS为电解质,通过电化学剥离法制备了石墨烯,通过对所制备的石墨烯进行AFM、TEM表征可知制备的石墨烯层数较少,说明电化学剥离的效果很好。通过XRD和Raman可知制备的石墨烯的质量比较好。在导电性能方面制备的石墨烯膜的表面方阻约85Ω/sq、体积方阻约0.28 Ohm-cm。在导热性能方面石墨烯膜的热导率为674.3 Wm-1K-1。(2)以Na_2SnO_3为电解质溶液,通过电化学剥离法一步制备了有SnO_2颗粒负载的石墨烯。通过简单的抽滤方法制备了SnO_2-石墨烯复合膜,通过SEM、TEM和AFM等方法表征了所制备石墨烯的形貌结构和尺寸大小,通过TEM和XRD表征证实了SnO_2纳米颗粒的存在。这种自支撑的柔性的SnO_2-石墨烯膜具有较好的导热导电性能,电导率为19980 S m-1,热导率达535.3 W m-1K-1。将SnO_2-石墨烯膜直接作为锂离子电池的负极材料时,200 mA g-1下100次循环之后比容量仍达698.8 mAh g-1,在1000mAg-1大电流密度充放电情况下比容量为228mAhg-1,显示出良好的循环性能和倍率性能。(3)通过模板法制备空心SnO_2-Fe_2O_3纳米球,经水热和冷冻干燥法制备了3D h-SnO_2-Fe_2O_3@RGO多级复合结构。这种三维石墨烯负载空心球的多级复合结构具有发达的比表面积和丰富的孔结构分布。这种特殊结构的石墨烯包覆空心纳米球的三维结构能够有效防止纳米空心球的团聚和缓冲充放电过程中体积膨胀问题,并且介孔空心核壳结构能够提供大的比表面、缩短锂离子和电子的运输通道。利用这种结构优势作为锂离子电池负极材料具有良好的循环稳定性200 mA g-1电流密度下充放电100圈比容量仍达830 mAh g-1和优异的倍率性能在1000 mA g-1大电流密度下充放电10圈比容量为550 mAh g-1,性能明显优于对比材料h-SnO_2,h-SnO_2-Fe_2O_3和3D h-SnO_2@RGO电极。
【关键词】：石墨烯 膜材料 三维复合材料 导热性能 导电性能
【学位授予单位】：中国科学院深圳先进技术研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB332
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 文献综述及选题背景15-34
• 1.1 石墨烯简述15-17
• 1.2 石墨烯各种制备方法及优缺点17-23
• 1.3 石墨烯在导热导电方面的应用23-25
• 1.4 石墨烯在导电电极方面的应用25-30
• 1.4.1 超级电容器电极25-27
• 1.4.2 锂离子电池电极27-30
• 1.5 课题的提出及研究的主要内容30-34
• 第二章 十二烷基硫酸钠电化学剥离制备石墨烯膜及导热导电性能34-46
• 2.1 引言34-36
• 2.2 实验36-39
• 2.2.1 实验试剂36-37
• 2.2.2 实验仪器37-38
• 2.2.3 电化学剥离法制备石墨烯膜38
• 2.2.4 微观结构表征及导热导电性能表征38-39
• 2.3 结果与讨论39-45
• 2.3.1 SDS电化学剥离法制备石墨烯39-41
• 2.3.2 SDS电化学剥离法制备石墨烯的表征41-43
• 2.3.3 石墨烯膜的导热导电性能表征43-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 Na_2SnO_3电化学剥离法制备石墨烯膜及导热导电性能研究46-60
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验47-48
• 3.2.1 柔性SnO_2-石墨烯复合膜的制备47
• 3.2.2 微观结构表征及导热导电性能表征47-48
• 3.2.3 电化学测试48
• 3.3 结果与讨论48-59
• 3.3.1 Na_2SnO_3电化学剥离法制备石墨烯48-51
• 3.3.2 电化学剥离法制备的SnO_2-石墨烯的表征51-54
• 3.3.3 SnO_2-石墨烯膜的导电性能54-55
• 3.3.4 SnO_2-石墨烯膜的导热性能55-57
• 3.3.5 SnO_2-石墨烯膜的储锂性能57-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第四章 三维石墨烯复合导电电极的制备及其电化学性能60-77
• 4.1 引言60-61
• 4.2 实验61-63
• 4.2.1 空心SnO_2球的制备61
• 4.2.2 空心SnO_2-Fe_2O_3球的制备61-62
• 4.2.3 三维石墨烯负载空心SnO_2-Fe_2O_3球复合物的制备62
• 4.2.4 微观形貌和结构表征62
• 4.2.5 电化学性能测试62-63
• 4.3 结果与讨论63-75
• 4.3.1 3Dh-SnO_2-Fe_2O_3@RGO复合物的制备和表征63-71
• 4.3.2 3Dh-SnO_2-Fe_2O_3@RGO复合物的电化学性能71-75
• 4.4 本章小结75-77
• 第五章 主要结论和后续工作设想77-79
• 5.1 主要结论和创新点77-78
• 5.2 后续工作的设想78-79
• 参考文献79-88
• 致谢88-90
• 作者简介及硕士期间获得奖励与论文发表情况90-91

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