低温氧等离子体处理对单层石墨烯断裂韧性和粘附特性的影响研究

摘要

单层石墨烯是一种完全由碳原子组成的零带隙二维晶体材料，具有优越的机械性能、高比表面积和超高的电子迁移率等优异性质，在超级电容器、柔性显示屏、防腐蚀材料和散热材料等领域具有较大的发展空间。自石墨烯被发现以来，已有很多关于低温氧等离子体处理对石墨烯改性的研究，然而很少有研究低温氧等离子体处理后石墨烯的粘附力与断裂韧性的报道。而在石墨烯的应用中，粘附力和断裂韧性对石墨烯基器件都有着不可忽视的作用。本文详细介绍了石墨烯的基本性质、应用和制备方法。通过光学显微镜、X射线光电子能谱仪（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）、拉曼（Raman）光谱仪和原子力显微镜（Atomic force microscope，AFM）研究了低温氧等离子体处理对单层石墨烯断裂韧性和粘附力的影响。
　　采用化学气相沉积法制备单层石墨烯，并将其转移至氧化层厚度为90 nm的SiO2/Si基底上。运用XPS、Raman和AFM表征了低温氧等离子体处理前后的样品。在样品的XPS图谱中，发现低温氧等离子体处理向石墨烯中引入了较多的C-OH和C=O官能团。在样品Raman光谱中，低温氧等离子体处理后，出现了明显的D峰和D′峰，并且其强度和ID/IG的值与处理时间成正比；同时，随着处理时间的增加，G峰向高波数移动，2D峰向低波数移动，并且2D峰的强度减弱，半高宽也越来越大。根据拉曼光谱的变化发现，低温氧等离子体处理向石墨烯中引入了n型掺杂和较多的缺陷，且随着处理时间的增加，缺陷密度增加，晶粒细化，无序度增加；同时，低温氧等锂离子处理还向石墨烯中引入了拉应变，且随着处理时间的增加，拉应变变大。对低温氧等离子体处理前后石墨烯微观结构的研究将为后续实验的结果提供理论支撑。
　　在样品的AFM图中，随着低温氧等离子体处理时间的增加，样品表面的粗糙度和粘附力越来越大，且其变化与上述C-OH官能团的变化一致；同时，样品的断裂韧性越来越小。经过理论分析，C-OH官能团的增加使原本具有憎水性的样品亲水性越来越强，从而使得低温氧等离子体处理后的样品表面的粗糙度与粘附力越来越大。而样品表面吸附的来自空气中的水分子会使得样品表面产生应力腐蚀，另外，低温氧等离子体处理向样品中引入了拉应变，这两者共同导致了样品断裂韧性的减小。研究结果将为低温氧等离子体处理后的石墨烯应用于器件提供一定的理论基础。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的主要性质

1.3石墨烯的应用

1.4 低温氧等离子体处理对石墨烯的影响研究进展

1.5 本文的研究内容

第二章 石墨烯样品的制备与表征

2.1 石墨烯的制备方法

2.2 样品的制备

2.3低温氧等离子体处理

2.4 Raman光谱对石墨烯的表征

2.5 XPS对石墨烯的表征

2.6 AFM对石墨烯的表征

2.7本章小结

第三章 低温氧等离子体处理对单层石墨烯微观结构的研究

3.1实验

3.2结果与分析

3.3本章小结

第四章 低温氧等离子体处理对单层石墨烯断裂韧性和粘附力的影响

4.1 实验

4.2 结果与分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果