氧化石墨烯及其还原产物电学性质的扫描探针显微镜研究

摘要

本论文主要利用扫描探针显微镜对氧化石墨烯及其还原产物的表面电势、功函数和局域导电等电学性质进行研究。
　　首先，我们利用改进的Hummers方法制备出氧化石墨烯，通过开尔文力显微镜对氧化石墨烯的表面电势进行表征，发现其表面电势分布均匀，高出基底约20 mV；在边缘处电势较低，形成清晰的轮廓，其原因是边缘碳-碳键不饱和；折叠位置处厚度增加，表面电势反而大幅降低，这与碳-碳键扭曲导致局域功函数降低有关。该部分研究将使我们对氧化石墨烯复合材料和电子器件的电学性质的了解更加深入。
　　其次，我们用旋涂法将氧化石墨烯附着于高取向热解石墨基底上，使用紫外光照的方法对氧化石墨烯进行还原，利用开尔文力显微镜原位测量氧化石墨烯的功函数变化过程，并利用傅立叶红外光谱和拉曼光谱分析氧化石墨烯还原前后结构变化情况。实验结果表明，在紫外光照过程中，氧化石墨烯被有效还原，其厚度从1.06 nm减少为0.79 nm，功函数也从4.617 eV降低为4.55 eV；光照20分钟后氧化石墨烯的功函数趋于稳定。我们认为功函数变化主要是因为氧化石墨烯的含氧官能团被在紫外光照射下的还原反应引起的，在紫外光照前期，样品中含有较多的含氧官能团，还原反应激烈；此后样品的含氧官能团含量降低，几乎没有官能团发生反应，所以功函数维持在一个稳定的数值附近。
　　最后，我们将氧化石墨烯附着于导电性良好的高取向热解石墨基底上，利用导电原子力显微镜测量样品的电流分布图像及测量电流分布图中不同类型点的I/V曲线。电流分布图像研究发现氧化石墨烯纳米片由氧富集绝缘区域和类石墨烯的半导体区域组成；利用氧化石墨烯单点I/V曲线测量，并逐渐增大电压范围，分析不同的电压对改善氧化石墨烯局域导电性的效果。我们发现存在0.8 V，1.5 V，2.2 V，3.2 V等几个临界电压：电压低于0.8 V时，无电流；电压为1.5-2.1 V时，能稍微改善氧化石墨烯导电性能，但是不会显著改变氧化石墨烯结构；当电压为2.2-3.1 V时，能大幅度改善氧化石墨烯的导电性能，但其仍表现半导体特性；当电压增大至3.2 V时，氧化石墨烯局域导电性质发生改变，表现出金属性。分析认为电压导致的极强的电场强度作用，破坏了含氧功能团与氧化石墨烯骨架的作用键，从而导致其还原，进而改善了其局域导电性。
　　我们的研究将有助于深入了解氧化石墨烯的结构、电学性质以及还原机理。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯

1.3 氧化石墨烯

第2章 扫描探针显微镜

2.1扫描隧道显微镜

2.2 原子力显微镜

2.3 开尔文力显微镜

2.4 导电原子力显微镜（CAFM）

2.5 扫描探针显微镜

第3章 氧化石墨烯的表面电势研究

3.1 引言

3.2 实验方法与技术参数

3.3 实验结果与讨论

3.4 小结

第4章 紫外光照还原氧化石墨烯的开尔文力显微镜研究

4.1 引言

4.2 实验方法和技术参数

4.3 实验结果及讨论

4.4小结

第5章 氧化石墨烯局域导电性的导电原子力显微镜研究

5.1 引言

5.2 实验方法和技术参数

5.3 实验结果及讨论

5.4 小结

第6章 总结与展望

6.1 研究成果总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录A: 紫外光照持续时间为10，20，30，40，50，60分时的开尔文力显微镜测量分析结果图

个人简历、攻读博士学位期间完成的主要工作