电场操控单层氧化石墨烯光谱特性研究

发布时间：2017-06-26 16:01

  本文关键词：电场操控单层氧化石墨烯光谱特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自2004年被发现以来,石墨烯因其独特的物理化学性质而成为国际研究热点。由于石墨烯苯环中六个碳原子都贡献出一个未成键的价电子,并可以在碳原子形成的网格中自由移动,这样的特殊结构直接导致石墨烯的导带和价带在费米面交叠,使得石墨烯具有独特的电学、力学和光学性质。作为石墨烯最重要的衍生物,氧化石墨烯被大量应用于高纯度、高产率的石墨烯制备与复合功能材料合成中,并且由于与石墨烯具有相似的二维结构和独特的物理化学性质,而备受科学界的广泛关注。氧化石墨烯中大量极性含氧官能团的加入使其具有绝缘体的性质,从而限制了其在电学和力学方面的应用。然而,由于含氧官能团形成的sp3电子轨道和碳原子形成的sp2电子轨道共存的结构特征,使其在光学与光化学方面具有重要的应用价值。目前,氧化石墨烯优良的光电性质已被广泛应用于微型电子器件、新型激光吸收介质、光电探测器以及储能材料等领域。本文通过研究氧化石墨烯的光学特性,利用电子态密度分布理论解释了氧化石墨烯各向异性的光学性质；研究了氧化石墨烯在外电场作用下透射及荧光成像和光谱的变化特性,提出了电场诱导含氧官能团产生的极化效应使得由sp3碳团簇形成的电子局域态密度发生变化,从而改变氧化石墨烯的光学性质；通过施加周期电场实现了外电场对单层氧化石墨烯光电性质的可逆操控。本论文工作的创新点：1.利用荧光共聚焦显微系统对单层氧化石墨烯的透射及荧光成像和光谱进行研究,发现其透射及荧光成像和光谱在外电场作用下的可逆变化,透射光谱的调制深度可达25%。研究结果表明单层氧化石墨烯的光学性质具有区域各向异性的特点,且各区域对外电场操控的响应也各不相同；同时氧化石墨烯对外电场的响应表现出可逆的特性。这是由于单层氧化石墨烯中的极性含氧官能团种类及数量的差异和对外电场的响应不同,导致了单层氧化石墨烯中电子局域态密度分布的改变。2.建立了单层氧化石墨烯样品简易的理论模型,通过第一性原理计算了电子局域态密度在含氧官能团电场极化效应影响下的变化,用于表征单层氧化石墨烯在外电场作用下的光学特性。基于此,提出了通过荧光强度直接观测单层氧化石墨烯的局域态密度分布,并通过电场直接操控局域态密度的分布。3.研究了单层氧化石墨烯拉曼光谱中D带和G带相对强度在外电场作用下可逆的变化特性。由碳原子形成的D带和由含氧官能团形成的G带的相对比值大小(ID/IG)在单层氧化石墨烯中体现了sp2团簇和sp3团簇的混合无序度,并实现拉曼共振荧光最大100%关断。这种外电场对拉曼光谱中ID/IG的可逆改变展示了含氧官能团在电场中的极化效应。
【关键词】：氧化石墨烯 电场 透射 荧光 局域态密度
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 中文摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 引言13-41
• 1.1 氧化石墨烯的研究背景与意义13-14
• 1.2 氧化石墨烯光谱性质的研究进展14-33
• 1.2.1 氧化石墨烯的结构14-18
• 1.2.2 氧化石墨烯的光谱性质的研究18-29
• 1.2.2.1 氧化石墨烯吸收和荧光光谱的研究18-22
• 1.2.2.2 外部刺激对氧化石墨烯光谱特性操控的研究22-29
• 1.2.3 氧化石墨烯光学材料的应用29-33
• 1.3 本文主要研究内容33-34
• 参考文献34-41
• 第二章 单层氧化石墨烯的制备及其光谱探测41-53
• 2.1 氧化石墨烯样品的制备41-45
• 2.1.1 制备氧化石墨烯的基本方法41-42
• 2.1.2 Hummers方法制备氧化石墨烯42-43
• 2.1.3 荧光共聚焦显微系统中氧化石墨烯样品的制备43-45
• 2.1.3.1 玻片的清洗43-44
• 2.1.3.2 玻片上单层氧化石墨烯的制备方法44-45
• 2.2 探测单层氧化石墨烯光谱特性的实验装置45-48
• 2.3 单层氧化石墨烯样品的结构表征48-50
• 2.3.1 原子力显微镜48-49
• 2.3.2 拉曼光谱49-50
• 2.4 本章小结50
• 参考文献50-53
• 第三章 电场操控单层氧化石墨烯透射光谱特性的研究53-69
• 3.1 外电场作用下单层氧化石墨烯的透射成像特性53-56
• 3.2 电场作用下单层氧化石墨烯的透射光谱56-58
• 3.3 电场作用下单层氧化石墨烯透射光谱特性的理论模拟58-65
• 3.3.1 氧化石墨烯透射光谱的傅里叶变换58-61
• 3.3.2 电场诱导氧化石墨烯介电常数的变化61-63
• 3.3.3 电场诱导氧化石墨烯电导率的变化63-65
• 3.4 本章小结65
• 参考文献65-69
• 第四章 外电场作用下单层氧化石墨烯的荧光光谱69-95
• 4.1 方波电场诱导氧化石墨烯荧光光谱的开关效应69-72
• 4.2 三角波电场诱导单层氧化石墨烯荧光光谱的极化动力学特性72-75
• 4.3 官能团极化效应与电子局域态密度分布75-78
• 4.4 单层氧化石墨烯中的电子局域态的荧光直接观测与电场操控78-83
• 4.5 电场诱导氧化石墨烯电子转移产生光脉冲的应用83-88
• 4.6 本章小结88-89
• 参考文献89-95
• 第五章 外场作用下单层氧化石墨烯的拉曼光谱95-103
• 5.1 单层氧化石墨烯的拉曼光谱95-98
• 5.2 单层氧化石墨烯的拉曼光谱在外电场作用下的变化98-99
• 5.3 基于电场操控单层氧化石墨烯拉曼光谱的光开关99-100
• 5.4 本章小结100
• 参考文献100-103
• 第六章 总结与展望103-105
• 攻读学位期间取得的研究成果105-107
• 致谢107-108
• 个人简况108
• 联系方式108-109
• 承诺书109-110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 徐秀娟;秦金贵;李振;;石墨烯研究进展[J];化学进展;2009年12期

2 宋浩青;杨爱英;;石墨烯被动锁模光纤激光器的研究进展[J];激光与红外;2013年02期

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本文编号：486693