本科毕业论文模板李虎.doc
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1、佳木斯大学大学生科技创新实习文献综述摘 要近年来,碳纳米技术的研究越来越活跃。因其优异的电学、力学、热学和光学性能,受到了人们的广泛关注,并逐渐成为材料研究 领域的研究热点之一。在众多的碳纳米材料中,石墨烯是主要的研究目标。本文中我们通过化学气相沉积的方法来制备石墨烯,通过扫描电 子显微镜和拉曼光谱分析仪等设备分析其形貌、结晶性。结果表明化学气相沉积方法制备碳纳米材料过程中温度是一个重要因素。化学气相沉积(CVD)法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法, 具有产物质量高、生长面积大等优点, 逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法的原理和特点, 重点从结构控制、
2、质量提高以及大面积生长等方面评述了CVD法制备石墨烯及其转移技术的研究进展, 并展望了未来CVD法制备石墨烯的可能发展方向, 如大面积单晶石墨。关键词:化学气相沉积;石墨烯;扫描电子显微镜;拉曼光谱;转移Abstract In recent years, carbon nano technology research more and more active. Because of their excellent electrical, mechanical, thermal and optical properties, has received the widespread attenti
3、on, and gradually become one of research hotspots in the field of materials research. In numerous carbon nanotube and graphene is the main research targets. In this article we through chemical vapor deposition method to the preparation of graphene, by scanning electric microscope and Raman spectrum
4、analyzer and other equipment analysis of the morphology, crystalline. The results show that chemical vapor deposition method of preparation of carbon nanomaterials is an important factor in the process of temperature. Chemical vapor deposition (CVD) method is developed in recent years, a new method
5、of preparation of graphene, has the advantages of product quality is high, the big growth area, has gradually become the main method of preparation of high quality graphene. Through a brief analysis of graphene, the principles and characteristics of several main preparation methods, structure of foc
6、us from control, quality improvement and growth of large area in CVD method were reviewed the research progress of graphene and its transfer technology, and prospects the possible developing direction of future CVD preparation of graphene, such as large area of single crystal graphite.Key words: Che
7、mical vapor deposition; Graphene. Scanning electron microscope (sem); Raman spectroscopy; transfer目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的目的、意义11.1.1 课题的目的11.1.2 课题的意义11.2 课题背景11.2.1 课题背景11.3 文献综述21.3.1 材料21.3.2 组织结构错误!未定义书签。1.3.3 性能21.3.4 关系21.4 本领域存在的问题31.5 主要研究内容3第2章 材料与方法62.1 实验材料62.1.1 石墨烯的制备错误!未定义书签。2.
8、1.2 石墨烯的表征错误!未定义书签。错误!未定义书签。2.2 实验方法62.2.1 化学气相沉积法错误!未定义书签。错误!未定义书签。第3章 石墨烯的偏折生长方法与可控掺杂错误!未定义书签。3.1 非贵金属基底上石墨烯的偏折生长及其普适性研究错误!未定义书签。错误!未定义书签。3.2 二元合金法偏折生长层数可控的均匀石墨烯错误!未定义书签。第4章 结论参考文献11不要删除行尾的分节符,此行不会被打印第 11 页佳木斯大学本科毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 课题的目的、意义1.1.1 课题的目的材料的制备是研究其性能和探索其应用的前提和基础。尽管目前已经有多种制备石墨烯的方法,石墨烯的产量
9、和质量都有了很大程度的提升, 极大促进了对石墨烯本征物性和应用的研究, 但是如何针对不同的应用实现石墨烯的宏量控制制备, 对其质量、结构进行调控仍是目前石墨烯研究领域的重要挑战。虽然利用CVD法在CU衬底上可以较容易的得到石墨烯,但是如何得到高质量大面积的单层石墨烯仍然是一个挑战。对此,我们提供了一种低成本的常压CVD方法,利用甲烷作为碳源,铜箔作为衬底制备单层与多层的石墨烯,在这种制备方法中,石墨烯的质量和面积主要受生长温度和生长时间和碳源的浓度,生长时间以及气体流速的影响,通过调节者四个主要因素研究探索了制备高质量大面积石墨烯的最佳条件,得到了大面积的单层石墨烯【1】,为石墨烯今后的实际应
10、用提供了一种有效低成本和简便的制备方法。1.1.2 课题的意义石墨烯由于其独特的二维晶体结构、优越的结构性能和良好的发展前景,已引起了人们的广泛关注,成为现今材料、化学、物理等诸多领域的研究热点。随着研究的不断深入,石墨烯的潜在价值正在逐步被发掘,制备方法也由最初的机械剥离法发展到现在的化学合成法,工艺过程越来越易实现,被广泛应用于众多领域,如传感器、光电功能材料、药物控制释放、储氢材料等。因此,如何大规模、高质量、低成本的制备石墨烯并且控制其生长区域从而实现石墨烯的图案化生长将是未来研究的一个重点。综上所述,从2004年被发现至今,石墨烯无论是其理论研究还是实验研究,都取得了显著的突破,体现
11、了重大的科学意义和实用价值,使得人们对这一新型碳材料的本征结构和性质得到了更为深刻的理解,制备出一系列基于石墨烯改性后性能优越的新型材料,从而为实现石墨烯的实用价值奠定了科学和技术基础。在经济社会领域都有着重大贡献。1.2 课题背景1.2.1 课题背景近年来,石墨烯作为碳纳米材料科技创新的前沿领域,凭借其特殊的晶体结构性能引起了科学界的广泛关注和研究,从1924年科学家们确定了石墨及金刚石的结构,到1985年发现的零维富勒烯以及1991年发现的一维碳纳米管,再到2004年AndreK.Geim研究小组首次成功获得的石墨烯,使得碳材料形成了从零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯到三维金刚石和石墨
12、的完整体系。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体,其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯环,理论厚度仅为0.34nm,是迄今为止发现的最薄的二维材料,被认为是构建石墨、富勒烯和碳纳米管和石墨的基本结构单元,具有优良的导热性能,力学性能,较高的电子迁移率,较高的比表面积和量子霍尔效应等性质。正是由于这些特殊而优异的物化性能,使得石墨烯在微电子、物理、能源材料、化学、生物医药等领域体现出了潜在的应用前景,引领了21世纪新的技术革命。1.3 文献综述1.3.1 材料石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈
13、蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。组织结构。1.3.2 性能石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料 ,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300 W/mK,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率*超过15000 cm/Vs,又比纳米碳管或硅晶体*高,而电阻率只约10-6 cm,比铜或银更低,为世上电阻率
14、最小的材料。因为它的电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。【2】1.3.3 关系在发现石墨烯以前,大多数(如果不是所有的话)物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e/h,6e/h,10e/h.
15、为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有静质量”。石墨烯结构非常稳定,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中
16、的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。石墨烯是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。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中,他们选取了一些直径在1020微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是把这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在11.5微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上
17、的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。研究人员发现,在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它会能承受大约两吨重的物品。利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。科学家借助了
18、美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。1.4 本领域存在的问题于石墨烯的沉积过程依然存在关键的热科学问题需要继续研究,比如甲烷在衬底中的扩散和吸附规律;高温条件下氢气对甲烷吸附及石墨烯生长的影响;沉积过程中气相反应对石墨烯生长的影响等。这些问题不仅妨碍了石墨烯制备理论的完善,并且成为大规模制备高质量石墨烯的限制因素。在石墨烯的应用研究方面,能源及热科学领域的专家和工程师巧妙地利用石墨烯独特的性能,
19、制备了各种石墨烯改性的功能材料和器件。但是目前这些研究还处于初始阶段,石墨烯改性的功能材料和器件的性能及相关理论还有巨大的提升空间。【3】1.5 主要研究内容1.5.1制备石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣,石墨烯材料的制备方法已报道的有:机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。微机械剥离法2004年,Geim等首次用微机械剥离法,成功地从高定向热裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌,揭示了石墨烯二维晶体
20、结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯,但存在产率低和成本高的不足,不满足工业化和规模化生产要求,只能作为实验室小规模制备。化学气相沉积法化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破(参考化学气相沉积法制备高质量石墨烯)。CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技术。麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉,通入含碳气体,如:碳氢化合物,它在
21、高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯,通过轻微的化学刻蚀,使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1106S/m,成为透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯,但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵,这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求,但成本较高,工艺复杂。氧化还原法氧化-还原法制备成本低廉且容易实现,成为制备石墨烯的最佳方法,而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液,解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指把天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制
22、备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和羟基,得到石墨烯。氧化-还原法被提出后,以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法,得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团,就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液,解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。氧化-还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷,例如,五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷,这些会导致石墨烯部分电学性能的损失,使石墨烯的应用受到限制
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