石墨烯薄膜與還原氧化石墨烯粉末的可控制備及摻雜效應(yīng)研究.pdf

1、石墨烯(Graphene)是一種由單層或數(shù)層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料。石墨烯薄膜因具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性能,在微電子、光電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景;還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)粉末因具有高比表面積、高電化學(xué)活性,在新能源器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯的非金屬摻雜能有效調(diào)制石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能及電化學(xué)性能。石墨烯的可控制備及摻雜效應(yīng),成為當(dāng)前國(guó)際研究前沿與熱點(diǎn)。本論文

2、以石墨烯薄膜與rGO粉末的可控制備及摻雜效應(yīng)為研究對(duì)象,首先,系統(tǒng)研究本征石墨烯薄膜及氮、硫、硅摻雜石墨烯薄膜的可控制備,以及摻雜原子對(duì)石墨烯薄膜的電子結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能的影響規(guī)律及物理機(jī)制;然后,系統(tǒng)研究rGO粉末及硫、磷、硅摻雜rGO粉末的可控制備,以及摻雜原子對(duì)rGO電子結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能、電催化性能的影響規(guī)律及物理機(jī)制。主要的研究結(jié)果如下:
　　1.研究了大面積石墨烯薄膜的可控制備工藝,并研究了基于石墨烯薄膜的交流電致發(fā)光器件及場(chǎng)

3、效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能。
　　(1)采用 CVD工藝系統(tǒng)研究了銅箔襯底預(yù)處理、石墨烯薄膜生長(zhǎng)溫度及氣體流量對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的影響規(guī)律,獲得了大面積、高質(zhì)量單層石墨烯薄膜的可控制備工藝。在此基礎(chǔ)上,首次研制了基于大面積石墨烯薄膜透明電極的柔性交流電致發(fā)光(ACEL)器件,研究表明,ACEL器件的發(fā)光亮度主要受石墨烯薄膜的透光率影響,單層石墨烯薄膜具有最優(yōu)的光電性能:當(dāng)外加電壓為480 V時(shí),發(fā)光亮度為1140 cd/m2,效率為

4、5.0 lm/W;該器件具有極佳的柔性,在5.4％的應(yīng)變條件下,仍能正常工作。
　　(2)研究了介質(zhì)對(duì)石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)性能的影響機(jī)制。結(jié)果表明:Si3N4薄膜不僅能屏蔽大氣中的水、氧分子,還能向石墨烯薄膜中注入電子,使石墨烯FET在大氣中呈現(xiàn)穩(wěn)定n型輸運(yùn)特性;然而,Si3N4薄膜不能屏蔽SiO2基片表面的荷電雜質(zhì)散射,進(jìn)一步研究表明,通過在石墨烯薄膜表面引入高κ有機(jī)液體介質(zhì)二甲基亞砜可以有效的屏蔽荷電雜質(zhì)的散射,使得石墨烯載

5、流子遷移率從1050 cm2/Vs提高到5.18×104 cm2/Vs。
　　2.采用固體摻雜源分別制備了氮、硫、硅摻雜石墨烯薄膜,并研究了摻雜原子對(duì)石墨烯電子結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能的影響規(guī)律及物理機(jī)制。
　　(1)系統(tǒng)研究了氮摻雜石墨烯薄膜的可控制備及電學(xué)性能。研究表明摻雜源將影響氮原子摻雜結(jié)構(gòu),而摻雜結(jié)構(gòu)將顯著影響石墨烯的電學(xué)性能;相較于pyridinic-N結(jié)構(gòu),pyrrolic-N結(jié)構(gòu)的N原子具有更強(qiáng)的電子摻雜能力,且對(duì)載流

6、子的散射強(qiáng)度更低。
　　(2)采用單一固態(tài)源二芐基二硫(C14H14S2),通過CVD工藝,實(shí)現(xiàn)了硫摻雜石墨烯薄膜的可控制備,硫摻雜濃度最高達(dá)到2.36 at％;硫摻雜石墨烯薄膜顯示出典型n型摻雜,其遷移率高達(dá)~800 cm2/Vs,較國(guó)際上其它研究小組報(bào)道的硫摻雜石墨烯薄膜的遷移率高1個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　(3)采用單一固態(tài)源三苯基硅烷(C18H16Si),通過CVD工藝,首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯薄膜的硅摻雜,硅摻雜濃度在0~6 at％

7、范圍內(nèi)可控;硅摻雜石墨烯薄膜顯示出典型p型摻雜,其遷移率高達(dá)~660 cm2/Vs。
　　3.通過乙醇溶劑熱法,首次實(shí)現(xiàn)了純噻吩硫結(jié)構(gòu)的硫摻雜石墨烯粉末的可控制備,硫摻雜濃度最高為1.2 at％。研究表明硫摻雜不僅可以促進(jìn)氧化石墨烯的還原,還能提高rGO的電子濃度;與相同條件下制備的未摻雜rGO相比,硫摻雜石墨烯(S-rGO)的電導(dǎo)率提高了321％,其中192％歸因于更高的還原度,129％歸因于硫原子自身對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上

8、,制備了基于 S-rGO/TiO2光陽極的染料敏化太陽能電池(DSSCs),和傳統(tǒng)的TiO2光陽極相比,其光電轉(zhuǎn)換效率提高了49％.
　　4.研究了磷、硅摻雜rGO粉末的制備工藝,并研究了摻雜原子對(duì)rGO電化學(xué)性能的影響規(guī)律及物理機(jī)制。
　　(1)通過高溫?zé)崤蛎浄ㄖ苽淞肆讚诫s石墨烯粉末(P-rGO),首次研究了不同磷摻雜結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯對(duì)電極催化性能的影響規(guī)律,并分析了相關(guān)機(jī)制。研究表明相較于P-O結(jié)構(gòu),P-C結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的電催

9、化活性;此外,對(duì)同一磷摻雜結(jié)構(gòu),其催化活性隨著摻雜濃度提高而增強(qiáng);當(dāng)磷摻雜濃度為1.27 at％時(shí),DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.04％,為Pt對(duì)電極的90％,顯示出P-rGO作為低成本高效率對(duì)電極材料的潛力。
　　(2)通過高溫?zé)崤蛎浄?首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯粉末的硅摻雜,在此基礎(chǔ)上研制了基于硅摻雜石墨烯粉末(Si-rGO)作為對(duì)電極的 DSSCs。研究表明硅摻雜濃度為5.64 at％時(shí),Si-rGO具有最高的電催化性能,其相應(yīng)的光