不同结构掺氨超纳米金刚石薄膜制备及电化学性能研究

摘要

掺氮超纳米金刚石（N-UNCD）薄膜不仅具备传统金刚石优异的物化性能，而且显现出纳米材料和N型半导体的一些特殊效应，应用前景广阔。N-UNCD的结构对其宏观性能影响巨大，深入研究不同结构膜材的制备技术和性能特点是进一步开发其应用的基础和前提。本文首次采用二乙胺同时作为氮掺杂源和反应碳源，通过MPCVD技术在单晶硅基衬底上制备不同微观结构的N-UNCD薄膜，利用场发射扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、激光Raman光谱等详细表征其微观形貌、晶体结构和物相组成；在此基础上采用电化学分析技术系统地研究所制备的N-UNCD薄膜的电化学反应活性、双电层电容及阻抗等性能，并以多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）、金属铜离子（Cu2+）为研究对象考察N-UNCD薄膜的电化学检测能力。结果表明：
　　（1）以二乙胺为唯一反应源可以制备出典型的N-UNCD薄膜，且随着二乙胺载入量的增加，N-UNCD薄膜的表面形貌从典型的等轴晶粒聚集状向超纳米金刚石晶粒/垂直石墨烯纳米墙复合结构演变，同时薄膜中结晶石墨相含量明显增加，导电性显著增强。
　　（2）N-UNCD薄膜具有优于大多数碳材料的基本电化学性能，同时不同结构特性的N-UNCD的基本电化学特性也存在一定的差异。当N-UNCD薄膜呈现晶粒聚集状且石墨相含量较低时，通过[Fe(CN)6]3-/4-为氧化还原探针考察电化学活性，氧化峰与还原峰峰位差ΔEp值为119mV，随着薄膜中石墨相含量增加，表面逐渐变为金刚石/垂直石墨墙结构时，ΔEp减小到75mV，且氧化峰电流强度逐渐增大；而薄膜双电层电容值则由42.1μF/cm2增加到337.6μF/cm2，同时石墨相含量高的N-UNCD薄膜在10000次充放电测试后，电容值仅下降10.3％；阻抗拟合结果显示电荷转移电阻由2486?减小到10.17?，双电层电容值增大。
　　（3）N-UNCD薄膜对有机分子和金属离子具有良好的电化学检测能力。较低石墨相含量的薄膜检测DA，检测限为8.8μM，随着薄膜中石墨相增多，检测限降为0.4μM，还原峰峰电位由+0.35V向+0.175V偏移，线性相关度均在0.99以上；在检测AA时，随膜材结构改变检测限由12.95μM减小到4.4μM，但线性相关度也在0.99以上；检测Cu2+时，石墨相含量较少的薄膜具有更低的检测限，为0.12ppb，随着薄膜中石墨相增多，检测限增大为3.08ppb，线性相关度0.99降为0.98。
　　（4）N-UNCD薄膜电化学性能随膜材结构变化而存在较大的差异，特定组成结构的N-UNCD薄膜电化学性能优异，是一种极具应用潜力的电化学储能和检测材料。

目录

声明

1 绪论

1.1金刚石概述

1.2 掺氮超纳米金刚石薄膜（N-UNCD）

1.3研究背景、意义及内容

2 实验

2.1 实验原料、仪器

2.2 N-UNCD薄膜制备

2.3 N-UNCD的结构表征方法

2.4 电化学性能测试

3 N-UNCD薄膜结构与成分分析

3.1 SEM表征

3.2 Raman表征

3.3 XRD表征

3.4本章小结

4.1电化学活性

4.2电容性质

4.3 交流阻抗

4.4本章小结

5 N-UNCD薄膜电化学检测应用

5.1 N-UNCD 检测DA

5.2 N-UNCD检测AA

5.3 N-UNCD检测铜离子（Cu2+）

5.4本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果