石墨烯仿生微纳结构的激光加工及其储能器件应用

发布时间：2018-02-01 09:01

  本文关键词： 石墨烯 微纳结构 激光加工 仿生 储能器件　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：石墨烯(Graphene)是二维的碳原子以六边形蜂窝状结构精密排列的单层碳晶体。其厚度仅有0.34nm,是目前公认的最薄的单原子层二维材料。石墨烯独特的结构使其具有很多独特的物理化学性质,如超高的载流子迁移率、导电性、透明性、超强的机械强度、柔韧性、稳定的物理化学特性和生物兼容性等。这些独特的性质赋予石墨烯材料广阔的应用前景,目前石墨烯已经是材料科学领域最受关注的热点材料,并在化学、物理、生物、机械、医疗甚至是组织工程学领域得到广泛的应用。然而,石墨烯材料的器件化应用仍面临一些挑战,如石墨烯的制备方法限制了其批量生产;石墨烯零带隙半导体的能带结构调控;石墨烯材料的微纳结构化等。其中对石墨烯微纳结构的制备一直以来是一个难点。原因在于石墨烯及其衍生物(氧化石墨烯)是二维的单原子层结构,比较容易形成无序的层状堆叠结构,传统的微纳加工技术如自组装、纳米压印和光刻都很难实现对其微纳结构的可控制备。针对各种石墨烯材料结构化制备的难题,我们提出利用激光的加工技术实现石墨烯微纳结构化的新方法。基于化学氧化法和化学气相沉积法制备的两种代表性石墨烯材料,我们给出三种石墨烯结构化方案,实现了石墨烯仿生结构的制备。一种是利用纳秒激光双光束干涉还原石墨烯氧化物薄膜,实现了仿玫瑰花瓣结构的超疏水石墨烯表面的制备;二是激光相干结合传统光刻技术,实现具有多级微纳结构的仿芦苇叶石墨烯表面,实现了对其表面浸润态的进一步调控;三是利用飞秒激光对Cu表面进行结构化处理得到激光诱导周期表面结构(LIPSS),再通过CVD方法制备仿蝴蝶翅膀结构的石墨烯薄膜。利用激光加工技术制备的石墨烯仿生微纳结构不仅可以实现有序的结构化图案,制备具有仿生特性的功能表面,还可以比较容易地制备多孔性、大比表面积、导电性连续可调谐的结构化石墨烯材料,并在储能器件中显示优异的性能。总结本文的研究工作,可具体归纳为如下内容:1.利用激光双光束干涉技术对石墨烯氧化物表面进行图案化还原,通过调控光场周期对结构化石墨烯表面在不同方向上的浸润性进行有效调控。通过多次的不同方向的激光处理,制备了类似玫瑰花瓣表面的石墨烯超疏水表面。此外,结构化石墨烯表面由于周期性微纳结构的存在使其表面有独特的光学特性(衍射光斑、彩虹结构色)。2.模仿自然界芦苇叶表面形貌结构和各向异性的表面浸润特征,我们提出光刻技术与激光加工相结合的制备方法,实现了百微米尺度大周期光栅结构、微米尺度小周期光栅和纳米尺度层状结构的石墨烯多级仿生结构,得到了具有类似芦苇叶表面浸润特性的石墨烯表面。并细致研究了不同尺度微纳结构对表面浸润性各向异性的影响。3.利用飞秒激光对金属铜表面进行LIPSS加工,得到形貌不同结构化铜基底。通过CVD技术在结构化铜基底上生长出具有相似结构的少层石墨烯薄膜。结构化石墨烯薄膜同样展示了超疏水的特性和漂亮的彩虹结构色,可以跟大自然中蝴蝶翅膀表面相比拟。该工作进一步将激光加工技术拓展到CVD石墨烯的结构化制备。4.利用激光加工技术制备的结构化石墨烯材料由于周期性的微纳结构、丰富的空隙、较高的比表面积和可调谐的道姓特性等优点在储能器件中展示了优异的特性。我们分别研究了其在超级电容器和锂离子电池中的应用。综上所述,本文以研究石墨烯材料的微纳结构化制备为工作重点,提出了利用激光加工技术实现对不同方法制备的石墨烯材料的微纳结构制备,得到了具有仿生功能的石墨烯仿生表面;进一步将结构化石墨烯材料应用到储能器中。该工作展示了激光加工技术对石墨烯的微纳结构制备的独特优势以及结构化石墨烯材料在仿生功能表面和储能器件等领域的潜在应用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TN249

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本文编号：1481475