石墨烯及其与zno复合结构的制备和性能研究

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1、东南大学硕士学位论文锌薄膜复合的等离子体增强光致发光效应【18】，石墨烯与一维氧化锌纳米材料复合优异的光电性能【191使得石墨烯与znO复合结构的研究非常有应用价值。1．2石墨烯1．2．1石墨烯的性质(1)电学性能石墨烯的出现轰动世界，几年来人们对其研究的热度依然未减。在石墨烯领域，研究的最深入的就是石墨烯的电学性质，这是由于石墨烯具有无与伦比的高电子迁移率。研究表明石墨稀价带与电子带部分重叠，是一种零间隙二维半金属材料。石墨烯中的电子利用狄拉克方程描述，在布里渊区，将电子近似为光狄拉克费米子，有效质量为零，传输速度大约是光速的1／300[201。石墨烯电

2、子迁移率的另一个优异性质是它的迁移率的大小几乎不随温度的变化而变化。电子迁移率之所以受温度影响，是由于电子在传递过程中受晶体晶格震动的散射作用，导致电子迁移率降低。晶格震动的强度与温度成正比，即温度越高电子迁移率越低。然而石墨烯的晶格震动对电子散射影响很小，几乎不受温度变化影响，从而使得在室温下石墨烯在Si02上载荷子的迁移率可达15000cm2／(v·s)【211，这一数值要高于碳纳米管，更是硅晶的10倍以上。另外，在利用电场效应改变化学电势的条件下，在石墨稀的电子和空穴中出现了非常罕见的分数量子霍尔效应，并且在低温下也可以观察到这种效应【16】。(2)

3、光学性能单层石墨烯的透光率能达到98％，并且随着层数的增加透过率呈线性的递减，每层递减2．3％。研究表明石墨烯的透过率仅仅由精细结构常数决定，精细结构常数的含义是超快运动电荷与光线的耦合程度，或者说是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量【221。可以通过分光光度计研究石墨烯的透光率，一方面表征石墨烯对不同波长光的透过率；另一方面可以研究石墨烯层数(厚度)与透光率的关系。另外，在300～1loo衄波长范围内，石墨烯的透光性随着光波波长的增大而增大。具有如此高的透光率是由于石墨稀具有独特的电子结构造成的，石墨烯的高透光性能在透明导电电极领域具有广阔的应用前

4、景。Dawla哆等人研究发现在SiC上生长的石墨稀观察到弛豫过程起初较快而后变慢，同时伴随有载流子．载流子带间、载流子一声子带间的扩散过程。通过红外光谱对单层石墨稀与双层石墨稀研究发现，带间转换和光学转换均与石墨稀的层数有关[231。(3)力学性能石墨烯是目前人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，可以通过原子力显微镜(AFM)来测量单层石墨稀薄膜的力学性能。P00t等人通过原子力纳米压痕实验研究石墨烯的应力特性及弯曲刚度，并研究石墨烯厚度对二者的影响，发现石墨烯的薄膜张力及弯曲刚度随着薄膜的厚度增加而增大【24】。另

5、外石2第一章绪论墨烯的边界表现出不稳定性，石墨烯的边界会产生翘曲现象且多层石墨烯边界的翘曲程度要比单层的翘曲程度小。石墨烯的边界产生翘曲的原因可能在于孤立的石墨烯边缘存在大量的悬键，从而使得石墨烯的边缘处的能量较高，通过变形降低其边缘处的能量[251。1．2．2石墨烯的制备石墨烯的制备方法主要分为两大类：一种是自上而下，另一种是自下而上。第一种主要是以石墨为原料剥离出石墨烯，具体的有机械剥离法和化学法。第二种是指由碳原子在基体上构成新的石墨烯片层，主要有外延生长法和化学气相沉积法。(1)微机械剥离法石墨烯最早是通过微机械剥离法得到的。2004年曼彻斯特大学

6、Geim等用胶带从石墨上剥下少量单层石墨烯片。具体步骤为：首先用光刻胶将高定向热解石墨转移到玻璃衬底上，然后用透明胶带反复粘贴从而将高定向热解石墨剥离出石墨烯片，随后将粘有光刻胶的石墨烯片放入丙酮溶液中超声振荡，利用硅片及石墨烯片之间的范德华力或毛细管作用力将石墨烯吸附在单晶硅片上分离出来，从而成功地制备了二维的石墨单层。该法虽然可以获得质量较好的单层和双层石墨烯，能部分满足实验室的研究需要，但产量和效率过低。(2)氧化石墨还原法化学法是一种较普遍的制备石墨烯的方法，石墨稀的氧化还原法又称为化学液相还原法。通过氧化还原法可以实现批量生产石墨烯，并且容易实现

7、对石墨烯的改性和功能化，此外，这种方法制得的石墨烯尺寸较大，因此该方法被广泛应用到复合结构、光伏电器、储能器件等研究中。氧化石墨是带有大量羟基、羧基等含氧基团的功能化石墨，拉大了石墨的层间距，因此其层与层之间分子间作用力远低于石墨。然后通过超声振荡使得氧化石墨层与层之间分离，得到氧化石墨烯，然后还原得到石墨烯。图1．1是石墨氧化还原成石墨烯示意图，氧化还原法制备的石墨烯边缘始终存在含氧基团，导致还原后的石墨烯导电性不如机械剥离法制备的石墨烯，这是氧化还原法的缺点【26‘。氧化还原法最大的优点是可以大规模生产并且成本低廉。但是这种方法制备的石墨烯存在含氧官能

8、团，物理和化学性能都会受到一定的影响。另外，各种还原方法并不能完全