基底对物理法制备石墨烯形貌的影响研究

论文摘要

石墨烯是目前发现的最薄的材料,具有许多独特的物理及化学性质,有着极为广泛的应用前景。通过物理法制备石墨烯,可以最大限度地保持石墨晶格的完整性,但石墨烯产率较低。本文总结对比了几种常用的制备石墨烯的物理方法。发现将机械摩擦法制备的样品在水中超声分散,可以实现石墨样品的层间剥离,获得较薄的石墨烯样品,提高了制备效率。本文重点研究基底对石墨烯表面形貌的影响,主要使用光学显微镜和原子力显微镜做为表征手段。用光学显微镜对石墨烯厚度做出估计,然后利用原子力显微镜的高纵向分辨率特性对少层石墨烯的厚度做精确表征。我们以高定向性裂解石墨为原材料,使用胶带解离法在氧化单晶硅、氧化铝单晶、玻璃及云母基底上制备石墨烯,详细研究基底表面形貌对少层石墨烯形貌的影响。我们发现,较薄的石墨烯能很好地与基底贴合,石墨烯的形貌可反映出基底的表面形貌;但对于厚度5nm以上的较厚石墨烯,石墨烯的形貌不能反映出基底的表面形貌。此外,发现使用胶带解离法制备的少层石墨样品和基底之间有鼓包状突起,其高度起伏不随石墨烯的厚度变化。通过将石墨烯粘附在原子力显微镜探针上,首次自制石墨烯探针。通过测量石墨烯探针与石墨和不同基底间的作用力,发现石墨与石墨间的作用力小于与单晶硅、单晶氧化铝和云母间的作用力。该发现较好地解释了胶带解离法可以把石墨烯转移到这些基体上的原因;而石墨与石墨间的作用力大于与玻璃基体间的作用力,这与不同基体表面粗糙度有关:玻璃表面较粗糙,石墨烯探针与基体之间接触面积小于其它基体,导致较低的作用力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 石墨烯的概述
• 1.2.1 石墨和石墨烯的结构
• 1.2.2 石墨烯的电子结构
• 1.2.3 石墨和石墨烯中的超晶格
• 1.3 石墨烯的性质
• 1.3.1 机械特性
• 1.3.2 电学性质
• 1.3.3 光学性质
• 1.4 石墨烯的制备
• 1.4.1 物理剥离法
• 1.4.2 化学插层法
• 1.4.3 外延生长法
• 1.4.4 化学氧化法
• 1.5 石墨烯的表征
• 1.6 石墨烯的应用
• 1.7 本课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验材料及仪器设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 基底的预处理
• 2.2.2 物理法制备石墨烯的方法
• 2.3 石墨烯的表征
• 2.4 特殊探针的制备以及力曲线的测量
• 2.4.1 二氧化硅微球探针的制备
• 2.4.2 石墨探针的制备
• 2.4.3 力曲线的测量
• 第3章 不同制备方法对石墨样品形貌的影响
• 3.1 基底的清洗
• 3.2 制备方法及表征
• 3.2.1 胶带解离法
• 3.2.2 机械摩擦法
• 3.2.3 超声分散法
• 3.2.4 摩擦超声法
• 3.3 本章小结
• 第4章 不同基底对物理法制备石墨烯的影响
• 4.1 基底的预处理
• 4.2 不同基底上制备石墨烯
• 4.2.1 表面有 300 nm 氧化膜单晶硅基底
• 4.2.2 单晶氧化铝基底
• 4.2.3 玻璃基底
• 4.2.4 云母基底
• 4.3 石墨和基底之间作用力对制备石墨烯的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢