石墨烯边界的动力学行为研究

论文摘要

石墨烯从2004年首次在实验中制备出来,已经受到了科学界和工业界的广泛关注,这主要得益于它超高的载流子迁移率,石墨烯也因此被誉为是未来替代硅基半导体的最理想候选材料。此外,石墨烯还具有各种奇特的物理性质,如高热导率,高透光性,高机械强度等。二维石墨烯应用于半导体器件还存在着一个很大的难题,那就是它没有电子能隙。不过,对于狭长的一维石墨烯纳米带,能隙可以因为其边界效应而产生,从而能被应用于具有高开关特性的逻辑器件中。由于石墨烯纳米带的能隙大小还与其边界手性密切相关,也就意味着同一条石墨烯纳米带可以因为边界手性结构组成成分的改变而表现出截然不同的电学性能。所以,石墨烯边界在不同条件下的动力学行为研究是非常迫切且具有重要意义的。但迄今为止,人们对石墨烯的边界动力学行为的认识还非常有限,甚至可以说是空白。本人在上述背景下,通过偏振拉曼光谱对石墨烯边界结构在高温及Ar等离子体处理下的动力学行为进行了研究。首先,我们在实验中发现单层石墨烯的扶椅型边界结构在热处理过程中相对稳定,即使温度达到500℃,大部分边界扶椅结构成分依然能够稳定存在。这说明扶椅结构是一种热稳定的石墨烯边界结构。其次,对于与单层石墨烯的锯齿型边界,其在热处理过程中显得很不稳定,主要表现在它非常容易通过原子结构重组转变成更稳定的扶椅型结构。实验发现即使热处理温度仅为200℃,锯齿型边界的原子已经开始重新修正排列成新的扶椅型结构。而到了300℃,原锯齿型边界大部分原子都重新修正排列成扶椅型结构,变成相对稳定的新结构。这一结果对基于石墨烯纳米带的器件制备工艺具有重要的指导意义。另外,基于前面对单层石墨烯锯齿型和扶椅型边界热动力学行为的研究结果,我们还发现双层石墨烯扶椅型边界的热动力学行为表现形式类似于两个独立的单层扶椅型边界；但同时我们也惊奇的发现AB堆垛形式排列的双层石墨烯锯齿型边界在热处理条件下,上下两层能够形成连续的闭合结构。边界开放结构转变形成闭合结构的实验结果也非常好的与理论计算结果相符,因为新闭合结构可以大大降低整个双层石墨烯体系的系统能量。理论预测该闭合结构会产生能隙且会导致电子和空穴的空间分离。所以这种新结构的发现,对拓展石墨烯在半导体器件中的应用有深刻意义。最后,本文还研究了石墨烯边界结构在Ar等离子体处理下的变化。研究发现在等离子体环境下,扶椅型边界结构相对稳定,而锯齿型边界结构容易在处理过程中发生结构变化而形成相对稳定的扶椅型结构。这对未来研究石墨烯纳米器件的抗辐照特性提供了一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨烯的结构
• 1.3 石墨烯的性能
• 1.3.1 石墨烯的电学及输运性能
• 1.3.2 石墨烯导热性和透光性
• 1.3.3 石墨烯超强机械强度
• 1.4 石墨烯的制备
• 1.4.1 物理方法
• 1.4.2 化学方法
• 1.5 石墨烯的应用
• 1.5.1 用于柔性透明显示器开发
• 1.5.2 取代硅基集成电路
• 1.5.3 光电感应设备
• 1.5.4 基于石墨烯边界的应用
• 1.6 本课题的意义和主要创新点
• 第二章 石墨烯常用表征手段及拉曼光谱在石墨烯中的应用
• 2.1 光学显微镜（OM）分析
• 2.2 透射电子显微镜（TEM）分析
• 2.3 原子力显微镜（AFM）分析
• 2.4 电学Ⅰ-Ⅴ曲线分析
• 2.5 拉曼光谱在石墨烯中的应用
• 2.5.1 石墨烯的声子色散
• 2.5.2 典型石墨烯拉曼特征峰的介绍
• 2.5.3 拉曼光谱辨别石墨烯层数的应用
• 2.5.4 拉曼光谱判别石墨烯边界手性
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于偏振拉曼光谱对单层石墨烯边界热动力学行为的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器和样品
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 测试条件及方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 A-B堆垛方式双层石墨烯低温边界热动力学行为研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器和样品
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 测试条件及方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 双层石墨烯从AB堆垛在高温下变化成AA堆垛讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 Ar等离子体处理对石墨烯边界的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验仪器和样品
• 5.2.2 样品制备
• 5.2.3 测试条件及方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢