掺杂石墨烯的结构表征及其物性研究

发布时间：2017-07-05 05:16

  本文关键词：掺杂石墨烯的结构表征及其物性研究

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【摘要】：石墨烯是一种具有二维蜂窝状晶体结构的材料,在电学、光学、热力学等方面展示出出众的性质,使其成为物理学和材料学领域一颗冉冉升起的新星。石墨烯的极高的载流子迁移率、巨大的比表面积、良好的透光性和断裂强度、优于碳纳米管的热导率以及室温下异常量子霍尔效应等等特性,使其在太阳能电池、触摸屏、场效应晶体管、高频器件、自旋器件、传感器、复合材料等等诸多领域具有潜在应用。而这些应用中大部分涉及其电学性质,本征石墨烯零带隙的特性严重限制了其应用,因此打开石墨烯带隙也成为了国际研究热点。本文改变传统着重于对石墨烯产品的修饰思路,直接对石墨烯的前驱体(石墨)进行掺杂改性,得到掺杂石墨,然后利用常见的石墨烯制备方法制备了硼掺杂石墨烯和硼氮共掺杂石墨烯。通过Raman、XPS、XRD、TEM、NMR等手段对制备的掺杂石墨烯进行表征,确定掺杂原子取代了其中的碳原子,制备的石墨烯结晶度高、非必要结构缺陷少,硼掺杂石墨烯中硼含量为0.69 at%,硼氮共掺石墨烯中硼、氮含量分别为0.66 at%、0.40 at%。利用STM研究并结合基于密度泛函理论的第一性原理计算,确定了硼掺杂石墨烯的带隙为0.03 eV,掺杂原子位置出现了晶格畸变。利用磁性研究系统测试表明硼掺杂石墨烯和硼氮共掺杂石墨烯均具有局域顺磁性。
【关键词】：石墨烯 硼掺杂 硼氮共掺杂 缺陷结构磁性
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-25
• 1.1 石墨烯的结构8-9
• 1.2 石墨烯的基本性质9-13
• 1.3 石墨烯的应用13-15
• 1.3.1 石墨烯在高频器件领域的应用13-14
• 1.3.2 石墨烯基传感器的应用14
• 1.3.3 石墨烯在透明电极方面的应用14-15
• 1.3.4 石墨烯在复合材料中的应用15
• 1.4 石墨烯的制备方法15-18
• 1.4.1 机械剥离法15
• 1.4.2 外延生长法15-16
• 1.4.3 湿化学法16
• 1.4.4 液相剥离法16-17
• 1.4.5 化学气相沉积法（CVD）17-18
• 1.5 石墨烯能带结构调控的研究进展18-23
• 1.5.1 外加电场对石墨烯能带的调控18-19
• 1.5.2 石墨烯纳米带的能带调控19
• 1.5.3 非共价键对石墨烯能带的调控19-20
• 1.5.4 原位原子替代对石墨烯能带的调控20-23
• 1.6 本论文选题背景、意义及研究内容23-25
• 第2章 实验部分25-37
• 2.1 实验药品25-26
• 2.2 实验仪器及实验设备26
• 2.3 实验方法26-28
• 2.3.1 掺杂石墨的制备26-27
• 2.3.2 微机械剥离法27
• 2.3.3 氧化石墨烯的制备27-28
• 2.3.4 液相剥离法28
• 2.4 结构表征及物性研究手段28-36
• 2.4.1 光学显微镜28-29
• 2.4.2 拉曼光谱（Raman）测试29-32
• 2.4.3 X射线光电子能谱（XPS）测试32-33
• 2.4.4 X射线衍射（XRD）测试33-34
• 2.4.5 扫描隧道显微镜（STM）测试34-35
• 2.4.6 透射电子显微镜（TEM）测试35
• 2.4.7 液相核磁共振（NMR）测试35-36
• 2.4.8 磁性能测试36
• 2.5 基于密度泛函理论的第一性原理计算36-37
• 第3章 硼掺杂石墨烯的结构表征及其物性研究37-50
• 3.1 引言37
• 3.2 硼掺杂石墨（烯）的表征37-48
• 3.2.1 硼掺杂石墨烯的拉曼光谱分析37-40
• 3.2.2 硼掺杂石墨烯的X射线光电子能谱和紫外光电子能谱分析40-41
• 3.2.3 硼掺杂石墨烯的X射线衍射分析41-42
• 3.2.4 硼掺杂石墨烯的形貌及电子态分析42-44
• 3.2.5 硼掺杂石墨烯的液相核磁共振谱分析44
• 3.2.6 硼掺杂石墨烯的缺陷密度分析44-45
• 3.2.7 基于密度泛函理论的第一性原理计算45-47
• 3.2.8 硼掺杂石墨烯的磁性能分析47-48
• 3.3 小结48-50
• 第4章 硼氮共掺杂石墨烯的结构表征及其物性研究50-58
• 4.1 引言50
• 4.2 硼氮共掺杂石墨（烯）的表征50-57
• 4.2.1 硼氮共掺杂石墨烯的拉曼光谱分析50-52
• 4.2.2 硼氮共掺杂石墨烯的X射线光电子能谱和紫外光电子能谱分析52-53
• 4.2.3 硼氮共掺杂石墨烯的X射线衍射分析53-54
• 4.2.4 硼氮共掺杂石墨烯的形貌及电子态分析54-56
• 4.2.5 硼氮共掺杂石墨烯的液相核磁共振谱分析56-57
• 4.2.6 硼氮共掺杂石墨烯的磁性能分析57
• 4.3 小结57-58
• 第5章 结论与展望58-60
• 参考文献60-69
• 致谢69-70
• 个人简历70

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本文编号：520638