石墨烯的制备、自组装及性能研究

• 作 者: 郑健
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 石墨烯 自组装 场效应晶体管 油胺溶剂热 化学修饰

石墨烯因为其优异的电子，机械和热力学性质引起了人们的广大关注。由于这些特殊的物理性质使它在半导体材料，储能材料，高分子复合物以及传感器等众多的领域有着广泛的应用前景。但是，直到今天为止，溶液法制备高质量石墨烯，本征石墨烯的化学修饰，始终是石墨烯化学领域中的难题。本文主要研究了石墨烯的制备，自组装，化学修饰以及半导体性质。主要研究内容和结论有以下四个方面：　　
1.通过油胺溶剂热的方法，非常方便地合成了高质量大面积的石墨烯，石墨烯的尺寸最大可达300μm2。经表征石墨烯中只含有极少量的缺陷。石墨烯的分散液以单层石墨烯为主，浓度可达0.15mg/ml，油胺分子能够阻止石墨烯的聚集，分散液在常温下能长时间保存。器件研究表明，石墨烯的二维电阻小于10000Ω，接近于本征的石墨烯。　　
2.在液氮的条件下通过微波火花法剥离天然石墨，获得了高质量，高纯度的石墨烯纳米卷。这种石墨烯纳米卷是由少数层或单层石墨烯卷曲而成，并有紧密的结构。该石墨烯纳米卷的场效应器件在空气和氮气中都具有稳定的双极性行为，在氮气中最高的空穴迁移率可以达到3117cm2/Vs，电子迁移率可以达到4595cm2/Vs。石墨烯纳米卷的还具有着稳定的线性电流/电压曲线，最高电流密度可达7×107A/cm2。　　
3.发现了一种石墨诱导微波火花的高温液态退火的方法，并利用这种手段在有机溶剂溶液中，直接将氧化石墨烯高温退火自组装成石墨烯纳米球。石墨烯纳米球的直径在300-700nm，具有空心结构，壁厚为5-15nm，是由15-45层石墨烯包裹而成。这种高温退火的手段可以有效地除去氧化石墨烯上的含氧基团，修复片层上的缺陷。　　
4.利用微波火花技术首次在无溶剂的条件下合成了溴化和氯化石墨。溴化和氯化石墨可以在溶剂中通过超声分散获得单层卤化石墨烯和卤化石墨烯纳米带。在卤化石墨烯中溴元素和氯元素的重量含量可以分别达到21％和5%。溴化和氯化只是很小程度的破坏了石墨烯的结构，石墨烯的性质得到了很大程度地保留。这些卤化石墨烯可以作为中间体参与进一步的化学反应，并具有优异的电子性能。