磁场排列石墨烯及其性能和应用研究
发布时间：2021-08-16 10:18
在过去的十多年里,石墨烯由于其优异的热学、光学、电学、机械和磁学性能吸引了大量的研究关注,也被广泛地应用于如气体传感器、集成电路、石墨烯晶体管、热导、透明电极和储能等领域。目前,工业化量产的是采用溶液剥离法制备的石墨烯纳米片。这种石墨烯片的应用通常需要被大量地组装在一起制备成宏观尺寸的器件。由于石墨烯片的性能具有形状各向异性,因此只有当所有的石墨烯片都沿一个方向排列时,单个石墨烯片独特的热学、光学、机械和电学性能才可以被充分应用到整个器件中去。过去的研究表明,电场和磁场却可以为低维纳米材料提供灵活的非接触的排列。石墨烯的电场排列已经被证明不是非常有效。尽管通过包裹氧化铁纳米颗粒,已经实现了对氧化石墨烯纳米片的磁场排列。但是,利用石墨烯本征性质的磁场排列仍然是一个挑战。为了克服这一挑战,我们对磁场控制的石墨烯片的取向进行了理论仿真研究。通过溶液剥离石墨的方法制备了石墨烯薄片,并利用其本征的抗磁性实现了石墨烯的磁场排列。在研究了宏观排列石墨烯的各向异性的光学性能之后,制作了一系列光学器件作为应用实例的展示。（1）理论研究了磁场对石墨烯的稳定悬浮和取向控制。我们仿真研究了不同边数的正多边形的...
【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】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
石墨烯的主要制备方法的成本与品质的关系[16]
相比之下,石墨烯的抗磁性是其本征特性的,因为它源于狄拉克带中π电子的轨道或朗道量子化。石墨烯中更高的电子迁移率使得抗磁性甚至比HOPG更强。图1-3(b)展示了石墨烯抗磁性的示意图,外部磁场为B,石墨烯平面中的电子在磁场中运动轨迹如红色圆环所示,等效电流为黄色环流,诱导的反向抗磁性磁场为B"。石墨烯极高的面内电子迁移率将产生强等效电流并随后产生强抗磁性磁场。根据Sepioni等人的实验,在50K至300K的温度范围内测到了石墨烯的强抗磁性,如图1-4(a)所示[13]。由于轨道磁化,垂直磁场中的抗磁性响应强于平行外场中的抗磁性响应。在低于20 K的温度范围内,石墨烯表现出典型的顺磁性,并遵循居里定律χ∝1/T,如图1-4(b)所示[13]。顺磁性是各向同性的,因为它涉及轨道运动(如图1-4(b)的插图所示)。当温度从50 K增加到290 K时,抗磁性降低得非常缓慢,但是当温度从290 K增加到360 K时,抗磁性下降很快,降低了约9%。在图1-4(c)中,由于激光入射引起的激光热效应,使石墨烯的温度升高,抗磁性磁化率降低[32]。根据2013年Ominato等人的理论计算模拟,石墨烯的抗磁性响应可用于排列石墨烯薄片[33],但是排列尺寸为23.5纳米的石墨烯薄片需要9 T的强磁场[33-35]。由于石墨烯的抗磁性磁化率与石墨烯的质量有关,而石墨烯片在磁场中所受抗磁性的磁力与石墨烯片的尺寸有关。因此,更大尺寸和高质量的石墨烯薄片将大大减少所需的磁场。
与诸如铋等抗磁性金属相比,石墨烯具有强的抗磁性和低密度,石墨烯叠片和石墨薄片都可以悬浮在磁铁上方。石墨的悬浮研究对于石墨烯具有类似的规律。与超导体悬浮其内部完全排斥磁场的Meissner效应相比,石墨烯叠片不能被单个磁体悬浮。因此,稳定悬浮石墨烯叠片需要多块磁铁的阵列[36]。由于石墨烯抗磁性在高于室温时随着温度的升高而降低,因此石墨烯叠片局部温度的升高将会影响悬浮的高度和稳定性。基于这个原理,在激光或太阳辐照下,悬浮在磁铁阵列上的石墨烯叠片将会被激光控制移动,悬浮在圆环和圆柱磁铁上的石墨烯叠片将会被激光或者太阳光控制旋转。图1-5(a)是磁悬浮系统和石墨薄片悬浮在磁铁上方并被激光控制移动的示意图。照射石墨薄片的激光为405 nm连续激光器。图1-4(c)中的蓝色虚线表示磁化率的绝对值随温度的升高而降低,因此石墨板的悬浮高度如红色曲线所示降低。图1-5(b)展示了悬浮在磁铁阵列上方的石墨薄片沿着激光光束移动而平移。由于激光照射部位的温度高于其他部分,因此该照射点处的磁化率低于未被照射部分。激光照射点处的磁悬浮浮力变小,引起石墨薄片向着照射光斑的位置倾斜移动。因此,石墨薄片将朝向激光点的方向移动,直到激光点再次位于石墨薄片的中心。悬浮石墨薄片的最大移动速度可以达到约45 mm s-1[32]。如图1-5(c)所示,当石墨薄片悬浮于磁铁圆环套在磁铁圆柱上组成的复合磁场中,如果激光照射在圆形石墨薄片的边缘,则圆柱形磁铁上方的悬浮石墨薄片将围绕z轴旋转。旋转运动来自激光或太阳辐照下磁化率的不均匀分布,进而导致的磁场悬浮力的不均匀。石墨薄片的倾斜产生与薄片边缘相切的力,使得薄片旋转,并且旋转的最大速度可以超过200rpm。由于石墨烯和石墨具有类似的抗磁性性质,在石墨烯叠片上也可以实现光诱导的移动和旋转。这些发现使得光可以作为动力源来控制磁悬浮的抗磁性材料的运动。
本文编号：3345488
【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】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
石墨烯的主要制备方法的成本与品质的关系[16]
相比之下,石墨烯的抗磁性是其本征特性的,因为它源于狄拉克带中π电子的轨道或朗道量子化。石墨烯中更高的电子迁移率使得抗磁性甚至比HOPG更强。图1-3(b)展示了石墨烯抗磁性的示意图,外部磁场为B,石墨烯平面中的电子在磁场中运动轨迹如红色圆环所示,等效电流为黄色环流,诱导的反向抗磁性磁场为B"。石墨烯极高的面内电子迁移率将产生强等效电流并随后产生强抗磁性磁场。根据Sepioni等人的实验,在50K至300K的温度范围内测到了石墨烯的强抗磁性,如图1-4(a)所示[13]。由于轨道磁化,垂直磁场中的抗磁性响应强于平行外场中的抗磁性响应。在低于20 K的温度范围内,石墨烯表现出典型的顺磁性,并遵循居里定律χ∝1/T,如图1-4(b)所示[13]。顺磁性是各向同性的,因为它涉及轨道运动(如图1-4(b)的插图所示)。当温度从50 K增加到290 K时,抗磁性降低得非常缓慢,但是当温度从290 K增加到360 K时,抗磁性下降很快,降低了约9%。在图1-4(c)中,由于激光入射引起的激光热效应,使石墨烯的温度升高,抗磁性磁化率降低[32]。根据2013年Ominato等人的理论计算模拟,石墨烯的抗磁性响应可用于排列石墨烯薄片[33],但是排列尺寸为23.5纳米的石墨烯薄片需要9 T的强磁场[33-35]。由于石墨烯的抗磁性磁化率与石墨烯的质量有关,而石墨烯片在磁场中所受抗磁性的磁力与石墨烯片的尺寸有关。因此,更大尺寸和高质量的石墨烯薄片将大大减少所需的磁场。
与诸如铋等抗磁性金属相比,石墨烯具有强的抗磁性和低密度,石墨烯叠片和石墨薄片都可以悬浮在磁铁上方。石墨的悬浮研究对于石墨烯具有类似的规律。与超导体悬浮其内部完全排斥磁场的Meissner效应相比,石墨烯叠片不能被单个磁体悬浮。因此,稳定悬浮石墨烯叠片需要多块磁铁的阵列[36]。由于石墨烯抗磁性在高于室温时随着温度的升高而降低,因此石墨烯叠片局部温度的升高将会影响悬浮的高度和稳定性。基于这个原理,在激光或太阳辐照下,悬浮在磁铁阵列上的石墨烯叠片将会被激光控制移动,悬浮在圆环和圆柱磁铁上的石墨烯叠片将会被激光或者太阳光控制旋转。图1-5(a)是磁悬浮系统和石墨薄片悬浮在磁铁上方并被激光控制移动的示意图。照射石墨薄片的激光为405 nm连续激光器。图1-4(c)中的蓝色虚线表示磁化率的绝对值随温度的升高而降低,因此石墨板的悬浮高度如红色曲线所示降低。图1-5(b)展示了悬浮在磁铁阵列上方的石墨薄片沿着激光光束移动而平移。由于激光照射部位的温度高于其他部分,因此该照射点处的磁化率低于未被照射部分。激光照射点处的磁悬浮浮力变小,引起石墨薄片向着照射光斑的位置倾斜移动。因此,石墨薄片将朝向激光点的方向移动,直到激光点再次位于石墨薄片的中心。悬浮石墨薄片的最大移动速度可以达到约45 mm s-1[32]。如图1-5(c)所示,当石墨薄片悬浮于磁铁圆环套在磁铁圆柱上组成的复合磁场中,如果激光照射在圆形石墨薄片的边缘,则圆柱形磁铁上方的悬浮石墨薄片将围绕z轴旋转。旋转运动来自激光或太阳辐照下磁化率的不均匀分布,进而导致的磁场悬浮力的不均匀。石墨薄片的倾斜产生与薄片边缘相切的力,使得薄片旋转,并且旋转的最大速度可以超过200rpm。由于石墨烯和石墨具有类似的抗磁性性质,在石墨烯叠片上也可以实现光诱导的移动和旋转。这些发现使得光可以作为动力源来控制磁悬浮的抗磁性材料的运动。
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