掺杂型石墨烯薄膜带隙调控及光电性质研究
发布时间：2021-12-10 10:09
为了推动石墨烯在光电探测领域的应用,本论文开发了简便的葡萄糖小分子自下而上分子自组装技术制备石墨烯薄膜,采用异质元素晶格掺杂调控石墨烯带隙,以盐酸为Cl源制备Cl掺杂型多层石墨烯薄膜,以2、4、6-三胺基嘧啶为N源制备N掺杂型多层石墨烯薄膜,重点从它们的物性表征、带隙变化和由其制备的光电探测器光电响应性能入手分析两种不同掺杂型石墨烯薄膜的掺杂效果、带隙变化和光电响应能力。具体结果如下:1.以盐酸作为Cl源,以葡萄糖为碳源,制备Cl掺杂碳源前驱体后旋涂在石英片基底上,在800℃温度下退火生长制备Cl掺杂多层石墨烯薄膜。通过拉曼,TEM,XPS,傅里叶红外,紫外-可见光吸收光谱表征证实,所制备的石墨烯薄膜是缺陷较多的多层石墨烯薄膜,存在的缺陷打开了一定的石墨烯带隙,盐酸掺杂后通过公式计算得到三个掺杂比例Cl掺杂石墨烯薄膜带隙值在一定范围内发生改变;通过蒸镀叉指电极制备简单的Cl掺杂石墨烯薄膜光电探测器件,测试发现Cl掺杂比例较高的石墨烯薄膜制备得到的光电探测器光电响应能力较好,对C/Cl=3/1掺杂比例的Cl掺杂石墨烯薄膜制备的光电探测器测试表明对紫外光有较高的响应率和探测率。2.以2,4...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯结构与带隙(a)石墨烯结构形态;(b)石墨烯能带形态
昆明理工大学硕士学位论文4氢化钠一类的强还原剂化学还原或者其它方式还原成石墨烯[19]。该方法制备石墨烯的示意图如图1.2所示。氧化还原法一开始使用的强氧化剂和还原剂腐蚀性比较大或带有毒性，对人体和环境都有一定的损害，后来科研人员不断改进氧化方式和还原方式，开发了许多效率高且安全环保操作简便的方法，其中新的还原方式就有热膨胀还原[20]、电化学还原[21]、辐照还原[22]等。2012年ShindeDB[23]等使用电化学法在90℃温度下使用LiClO4处理碳酸丙烯中的碳纳米管制备出带有量子点的石墨烯，其量子点的尺寸在3nm-8nm之间可调。2015年ShangY等[24]用铜棒和石墨棒为电极直接对氧化石墨通电电解,在没有任何化学稳定剂的情况下,通过控制石墨层间的静电力,制备出附着于铜阳极的石墨烯薄膜。2016年KumarR团队[25]分别将氧化石墨烯和硝酸锌各自溶解在无水乙醇溶液中，经搅拌混合均匀后利用微波进行加热还原，在这个过程中氧化石墨烯得到还原生成石墨烯并与反应得到的氧化锌构成一种复合物。图1.2氧化还原法制备石墨烯示意图[18]Fig1.2Graphenegrowthbyoxidation-reductionmethod[18]氧化还原法制备的石墨烯方法简便成本较低,可实现石墨烯的批量生产，并且可以生产出具有广泛应用前景的功能化的氧化石墨烯，使石墨烯的应用范围得到拓展，但是该方法也存在着很大的缺陷，经过强氧化剂氧化过的石墨无法完全还原，导致一些电学、光学等性能损失,尤其是导电性等。1.3.4化学气相沉积法化学气相沉积法简称CVD法，该方法已经实现部分产业化应用，它可以获得大面积,厚度可控的高质量石墨烯,是半导体制造工艺中应用广泛的石墨烯制备技术[26]。该方法一开始应用于生长制备碳纳米管，经过工艺改良后用来制备石墨烯薄膜，制
σ欢ㄊ奔浜蠼?欣淙矗?淙垂?讨薪鹗艋?底表面会形成数层或单层石墨烯薄膜，CVD法生长石墨烯示意图如图1.3所示。CVD方法的代表作是2009年XuesongLi等[30]在铜衬底上以CH4为前驱体用该法第一次制备出高质量的单层石墨烯薄膜，用该方法制备的石墨烯尺寸达到厘米级，在铜衬底上连续分布，由于C原子在Cu原子中的微溶解度导致自限制效应使生长得到的大部分石墨烯都单层，只有小于5%的面积为多层。李等还开发了可以向任意衬底转移的技术，并以Si/SiO2衬底成功的制备了有双门场效应的三极管，推进了石墨烯异质结领域的实用化。图1.3CVD法生长石墨烯示意图Fig1.3GraphenegrowthbyCVDmethodCVD法使用的温度比外延生长法低很多，使生长过程中能量消耗降低很多，可以制备出质量较高的单层石墨烯薄膜，简便的化学刻蚀后可以分离转移方便石墨烯的后续加工处理。通过对碳源浓度、生长温度以及氢气的调节，CVD法可以有效的控制大尺寸石墨烯薄膜的生长，生长出的石墨烯为较高质量的单晶石墨烯，目前CVD法已经成功的获得毫米级以上的高质量单晶石墨烯并由其拼接而成大面积的连续状薄膜。但是在工业化生产应用中，CVD法的生长温度依然较高，生长周期也相对较长[31]。科研人员后来结合等离子技术开发出等离子增强化学气相沉积法[32]，该方法是在CVD法的基础上借助射频技术使含有薄膜组成原子的物质电离,在局部形成等离子体,因等离子体化学活性很强，活性高容易发生反应在基底上沉积生长出薄膜。2012年YangC等[33]在900℃的温度下用PECVD法合成高质量石墨烯，可以在15min内合成出石墨烯纳米晶体薄膜。2014年SongX[34]等使用射频等离子化学气相沉积法在不同的基底都成功的生长出高质量的石墨烯，证实PECVD生长条件中基底对石墨烯生长影响不大，PECVD生长的过?
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化石墨烯的制备还原及应用进展[J]. 张倩,唐利斌,李汝劼,项金钟,黄强,刘树平. 红外与毫米波学报. 2019(01)
[2]不同还原方法制备石墨烯及其电化学性能[J]. 屈杨,汪伟伟,杨茂萍. 电源技术. 2018(07)
[3]CVD synthesis of nitrogen-doped graphene using urea[J]. ZHANG CanKun,LIN WeiYi,ZHAO ZhiJuan,ZHUANG PingPing,ZHAN LinJie,ZHOU YingHui,CAI WeiWei. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(10)
[4]外延生长碳化硅-石墨烯薄膜的制备及表征研究[J]. 张学敏,张立国,钮应喜,鞠涛,李哲,范亚明,杨霏,张泽洪,张宝顺. 功能材料. 2015(04)
[5]石墨烯掺杂的研究进展[J]. 张芸秋,梁勇明,周建新. 化学学报. 2014(03)
[6]石墨烯纳米复合材料光热效应研究进展[J]. 孙阳阳,张鸿雁,周建华,华京君. 化工新型材料. 2014(01)
[7]热膨胀剥离法制备石墨烯及其表征[J]. 刘晓文,黄雪梅,华燕莉,赵皇,高海青. 非金属矿. 2013(02)
[8]基于石墨烯的半导体光电器件研究进展[J]. 尹伟红,韩勤,杨晓红. 物理学报. 2012(24)
硕士论文
[1]石墨烯材料自下而上的微波合成及其电化学性能的研究[D]. 刘凡凡.上海师范大学 2016
本文编号：3532407
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯结构与带隙(a)石墨烯结构形态;(b)石墨烯能带形态
昆明理工大学硕士学位论文4氢化钠一类的强还原剂化学还原或者其它方式还原成石墨烯[19]。该方法制备石墨烯的示意图如图1.2所示。氧化还原法一开始使用的强氧化剂和还原剂腐蚀性比较大或带有毒性，对人体和环境都有一定的损害，后来科研人员不断改进氧化方式和还原方式，开发了许多效率高且安全环保操作简便的方法，其中新的还原方式就有热膨胀还原[20]、电化学还原[21]、辐照还原[22]等。2012年ShindeDB[23]等使用电化学法在90℃温度下使用LiClO4处理碳酸丙烯中的碳纳米管制备出带有量子点的石墨烯，其量子点的尺寸在3nm-8nm之间可调。2015年ShangY等[24]用铜棒和石墨棒为电极直接对氧化石墨通电电解,在没有任何化学稳定剂的情况下,通过控制石墨层间的静电力,制备出附着于铜阳极的石墨烯薄膜。2016年KumarR团队[25]分别将氧化石墨烯和硝酸锌各自溶解在无水乙醇溶液中，经搅拌混合均匀后利用微波进行加热还原，在这个过程中氧化石墨烯得到还原生成石墨烯并与反应得到的氧化锌构成一种复合物。图1.2氧化还原法制备石墨烯示意图[18]Fig1.2Graphenegrowthbyoxidation-reductionmethod[18]氧化还原法制备的石墨烯方法简便成本较低,可实现石墨烯的批量生产，并且可以生产出具有广泛应用前景的功能化的氧化石墨烯，使石墨烯的应用范围得到拓展，但是该方法也存在着很大的缺陷，经过强氧化剂氧化过的石墨无法完全还原，导致一些电学、光学等性能损失,尤其是导电性等。1.3.4化学气相沉积法化学气相沉积法简称CVD法，该方法已经实现部分产业化应用，它可以获得大面积,厚度可控的高质量石墨烯,是半导体制造工艺中应用广泛的石墨烯制备技术[26]。该方法一开始应用于生长制备碳纳米管，经过工艺改良后用来制备石墨烯薄膜，制
σ欢ㄊ奔浜蠼?欣淙矗?淙垂?讨薪鹗艋?底表面会形成数层或单层石墨烯薄膜，CVD法生长石墨烯示意图如图1.3所示。CVD方法的代表作是2009年XuesongLi等[30]在铜衬底上以CH4为前驱体用该法第一次制备出高质量的单层石墨烯薄膜，用该方法制备的石墨烯尺寸达到厘米级，在铜衬底上连续分布，由于C原子在Cu原子中的微溶解度导致自限制效应使生长得到的大部分石墨烯都单层，只有小于5%的面积为多层。李等还开发了可以向任意衬底转移的技术，并以Si/SiO2衬底成功的制备了有双门场效应的三极管，推进了石墨烯异质结领域的实用化。图1.3CVD法生长石墨烯示意图Fig1.3GraphenegrowthbyCVDmethodCVD法使用的温度比外延生长法低很多，使生长过程中能量消耗降低很多，可以制备出质量较高的单层石墨烯薄膜，简便的化学刻蚀后可以分离转移方便石墨烯的后续加工处理。通过对碳源浓度、生长温度以及氢气的调节，CVD法可以有效的控制大尺寸石墨烯薄膜的生长，生长出的石墨烯为较高质量的单晶石墨烯，目前CVD法已经成功的获得毫米级以上的高质量单晶石墨烯并由其拼接而成大面积的连续状薄膜。但是在工业化生产应用中，CVD法的生长温度依然较高，生长周期也相对较长[31]。科研人员后来结合等离子技术开发出等离子增强化学气相沉积法[32]，该方法是在CVD法的基础上借助射频技术使含有薄膜组成原子的物质电离,在局部形成等离子体,因等离子体化学活性很强，活性高容易发生反应在基底上沉积生长出薄膜。2012年YangC等[33]在900℃的温度下用PECVD法合成高质量石墨烯，可以在15min内合成出石墨烯纳米晶体薄膜。2014年SongX[34]等使用射频等离子化学气相沉积法在不同的基底都成功的生长出高质量的石墨烯，证实PECVD生长条件中基底对石墨烯生长影响不大，PECVD生长的过?
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化石墨烯的制备还原及应用进展[J]. 张倩,唐利斌,李汝劼,项金钟,黄强,刘树平. 红外与毫米波学报. 2019(01)
[2]不同还原方法制备石墨烯及其电化学性能[J]. 屈杨,汪伟伟,杨茂萍. 电源技术. 2018(07)
[3]CVD synthesis of nitrogen-doped graphene using urea[J]. ZHANG CanKun,LIN WeiYi,ZHAO ZhiJuan,ZHUANG PingPing,ZHAN LinJie,ZHOU YingHui,CAI WeiWei. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(10)
[4]外延生长碳化硅-石墨烯薄膜的制备及表征研究[J]. 张学敏,张立国,钮应喜,鞠涛,李哲,范亚明,杨霏,张泽洪,张宝顺. 功能材料. 2015(04)
[5]石墨烯掺杂的研究进展[J]. 张芸秋,梁勇明,周建新. 化学学报. 2014(03)
[6]石墨烯纳米复合材料光热效应研究进展[J]. 孙阳阳,张鸿雁,周建华,华京君. 化工新型材料. 2014(01)
[7]热膨胀剥离法制备石墨烯及其表征[J]. 刘晓文,黄雪梅,华燕莉,赵皇,高海青. 非金属矿. 2013(02)
[8]基于石墨烯的半导体光电器件研究进展[J]. 尹伟红,韩勤,杨晓红. 物理学报. 2012(24)
硕士论文
[1]石墨烯材料自下而上的微波合成及其电化学性能的研究[D]. 刘凡凡.上海师范大学 2016
本文编号：3532407
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