单层石墨烯膜材料的自组装合成、应用及界面相互作用机制的研究

摘要

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道构成的六角形单层片状二维结构，因其独一无二的电学性能、优良的机械以及热导性能，近年来在生物、能源以及信息材料领域备受关注。单层石墨烯是一种没有能隙具有线性能量分布的半导体。较多层石墨烯而言，单层石墨烯具有非常高的透光率和电导率。目前实验室制备的石墨烯尺寸最大已经能达到微米级别，所以为了充分利用其高电导性和良好的化学耐热性来制备出功能纳米器件，就必须进行石墨烯二维自组装成膜以达到宏观结构。二维单层石墨烯薄具有优异的电导性、透光性，化学稳定以及制备工艺简单等诸多优点。
　　 本文以纳米石墨粉为原料，使用化学法制备氧化石墨烯，并用水合肼还原氧化石墨烯，通过后期处理得到单层石墨烯。研究硅烷偶联剂在不同溶剂中的水解条件，探索最符合本实验的水解工艺。利用硅烷偶联剂改性硅片表面以形成均匀的带弱电荷的有机硅层。将表面改性的硅片浸泡在单层石墨烯溶液中，通过偶联剂与石墨烯之间的弱电荷作用，在硅片上控制形成单层石墨烯薄膜。我们通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、AFM和电性能等测试手段系统考察石墨烯薄膜结构、形貌和电学性能差异。
　　 研究结果表明，与传统的后还原法相比，我们开发的直接组装法所得到的石墨烯薄膜与基底具有更好的结合力。因为后还原过程中，水合肼的加入破坏了石墨烯与偶联剂之间的化学键导致还原之后石墨烯在硅片上面结合不牢固。本实验制备的石墨烯薄膜即使经过长时间超声处理，石墨烯薄膜依然没有脱落。通过测试结果表明，本实验制备的石墨烯片厚度在0.6 nm左右，即为单层石墨烯。电导率测试显示石墨烯薄电导率在热处理过后能达到300 S/cm。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 石墨烯及其化学性质

1．2 石墨烯的制备

1．2．1 固相法

1．2．2 液相法

1．2．3 气相法

1．3 石墨烯薄膜材料概述

1．3．1 石墨烯太阳能电池

1．3．2 石墨烯／半导体异质节

1．3．3 石墨烯／碳纳米管复合薄膜

1．4 本文的研究目的和意义

第2章 实验设计及测试方法

2．1 前言

2．2 实验设计方案

2．3 实验主要试剂及设备仪器

2．4 材料的测试表征方法

2．4．1 X射线衍射

2．4．2 扫描电子显微镜

2．4．3 透射电子显微镜

2．4．4 红外光谱

2．4．5 原子力显微镜

2．4．6 紫外分光光度计

2．4．7 电导率测试

第3章 单层石墨烯的制备与表征

3．1 引言

3．2 石墨烯的制备过程

3．3 结果与讨论

3．4 小结

第4章 石墨烯薄膜自组装

4．1 引言

4．2 硅烷偶联剂水解及其界面作用机理

4．2．1 硅烷偶联剂与无机材料界面的作用

4．2．2 硅烷偶联剂与有机材料(聚合物)界面的作用

4．3 其他理论和假说

4．4 实验方案

4．5 实验过程

4．6 结果讨论

4．6．1 硅烷偶联剂水解工艺探讨

4．6．2 石墨烯薄膜形貌分析

4．7 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果