掺杂石墨烯的可控制备及性能研究

发布时间：2021-01-05 21:13

　　异质原子掺杂能有效调控石墨烯的能带结构、电学及电化学性能。掺杂石墨烯的可控制备及性能调控已成为材料科学领域的研究前沿与热点。本论文以异质原子掺杂石墨烯薄膜及泡沫为研究对象,首先,研究氮、硫掺杂石墨烯薄膜的可控制备及掺杂对石墨烯薄膜结构及其电学性能的影响规律;然后,研究硫掺杂石墨烯泡沫及其复合材料的可控制备及掺杂原子对其结构与电催化性能的调控规律;最后,研究硫、氮共掺杂石墨烯泡沫及其复合材料的可控制备,以及掺杂原子对其结构与电催化性能的调控规律。主要研究内容和结果如下:1.研究了本征及氮、硫掺杂石墨烯薄膜的可控制备及其电学性能。（1）研究并优化了本征石墨烯薄膜的化学气相沉积（CVD）制备工艺及转移工艺,获得了高质量、低方阻的石墨烯薄膜;研制了基于石墨烯薄膜电极的透明柔性摩擦电发电机,其输出功率密度、峰值电压分别高达10.1μW cm^-2、56 V,展示了其在能源转化领域的潜在应用价值。（2）以五氯吡啶为氮掺杂源和碳源,研究了低温氮掺杂石墨烯薄膜的CVD制备工艺、结构和电学性能。研究表明,当制备温度从350 ^oC增加至450 ^o

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：168 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

石墨烯、富勒烯、碳纳米管和石墨的原子结构演化示意图

石墨烯单层薄膜由一层碳原子构成，单层薄膜厚度为 0.335 nm，薄膜中的碳原子以六方密堆积构成六角型蜂巢状晶格结构，如图 1-2（a）所示[6]。石墨烯的原胞由晶格矢量 a1和 a2定义，每个原胞有两种碳原子构成，用图中的 A 和 B 来表示。每个晶格内有 σ1、σ2和 σ3三个键，相邻键之间的夹角都为 120°，键长约为 0.142nm。每个碳原子外层有 4 个电子，其中的 3 个电子通过 sp2杂化与相邻的 3 个碳原子形成共价 σ 键，另外一个垂直于晶面方向的电子形成 π 键[6]。共价 σ 键使得石墨烯具有优异的机械强度，π 键中的电子可以自由移动，使石墨烯具有优良的电学性能[6]。石墨烯晶格中的电子分布如图 1-2（b）所示[6]，石墨烯的价带和导带线性相交于布里渊区 K(K’)点，附近的电子可以通过类 Dirac 方程来描述，故 K(K’)点又称为狄拉克点。采用紧束缚模型近似，石墨烯中电子能量和波矢的关系如公式 1-1所示[6]：2 2F x y=E(k) v k +k（1-1）其中，E为电子能量， 为普朗克常数，Fv 为费米速度，xk 与yk 分别为波矢量的 x 轴与 y 轴分量。

电子科技大学博士学位论文和非共价键修饰，石墨烯中碳原子的替位掺杂能够在保持本征石墨烯二维变的同时赋予石墨烯新的性质[22]。用于对石墨烯进行掺杂的元素以 p 区元素为主，主要有 B、N、S、P、Si元素 F、Cl、Br、I 等[23, 24]。值得一提的是，O 和 H 通常以羟基或羧基的形避免的存在于石墨烯的边缘位，其含量随石墨烯制备方法的不同有较大的变格来讲并不属于掺杂[24]。根据掺杂效果的不同，可以分为 n 型掺杂（n-typedoping）和 p 型掺杂（pping）[25]。如图 1-3 所示[26]，如果掺杂原子中电子的最高占据轨道（HOMO石墨烯的费米能级（Fermilevel）之上，则电子从掺杂原子向石墨烯转移，的费米面从狄拉克点上移，石墨烯中的多数载流子为电子，形成 n 型掺杂；杂原子中电子的最低空轨道（LUMO）处于石墨烯的费米能级下方，则电子烯向掺杂原子转移，石墨烯的费米面从狄拉克点下移，石墨烯中的多数载流穴，形成 p 型掺杂。

【参考文献】：
期刊论文
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[2]大面积石墨烯薄膜转移技术研究进展[J]. 陈牧,颜悦,张晓锋,刘伟明,周辰,郭志强,望咏林,厉蕾,张官理.  航空材料学报. 2015(02)
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[4]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦.  化学学报. 2014(03)



本文编号：2959310