碳纳米管/石墨烯与纳米结构CeO2新型复合材料的制备与物性研究

• 作 者: 李恒
• 机 构: 北京师范大学
• 出 处: 北京师范大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 自组装CeO2薄膜 选择性图样 形貌依赖 碳纳米管 石墨烯

纳米碳材料(例如碳纳米管,石墨烯)由于其独特的结构和优异的性能被认为是最有希望在未来实现纳米电子器件的材料之一。然而,在纳米尺度上,如何实现纳米碳材料在指定区域内形状、方向和密度可控的选择性沉积一直是制备碳基纳米器件的主要困难。以纳米结构薄膜为基底模板,利用液相外延(LPE)方法沉积碳纳米管/石墨烯,成本低廉,制备方便,有望实现大面积的碳纳米管/石墨烯选择性沉积,并进一步制备相应的纳米器件。本文利用LPE方法在纳米结构薄膜表面制备了碳纳米管/石墨烯与纳米结构CeO2新型复合材料即大面积的碳纳米管/石墨烯纳米选择性图样,并研究了其吸附与拉曼特性对基底薄膜形貌的依赖。　　
首先,研究了碳纳米管在溶液中的双体化,结果显示经过乙醇刻蚀处理的羟基功能化多壁碳纳米管的乙腈溶液中至少存在三种碳纳米管溶液畴,通过控制溶液温度,可以控制不同的碳纳米管溶液畴在溶液中的比例。双体的发光峰位显著依赖于激发波长,且热参量计算表明双体化过程中的熵减小量较大(-29.9 J/K mol)。298 K下,溶液中碳纳米管双体的浓度达到87％。双体化过程中较大的熵减小可以令碳纳米管在表面的吸附变得更加容易,从而提高碳纳米管在表面的覆盖率。　　
其次,选择一批不同形貌的CeO2薄膜作为LPE沉积碳纳米管/石墨烯的基底模板,研究发现碳纳米管在薄膜表面的吸附特性显著地依赖于薄膜表面的形貌。理论计算表明在CeO2纳米岛的平均间距取值在与碳纳米管内沿长轴方向振动的驻波波长相近的时候,由于吸附过程中熵变大大减小,吸附最易发生,同时由于此时长轴方向的驻波振动模式与C-CSP2振动的耦合,实验上可以观察到拉曼谱的G峰有显著的下移。　　
最后,研究了多层石墨烯纳米缎带(MLGNR)的选择性沉积。进一步加长乙醇处理的时间,升高处理温度,碳纳米管在纵向和径向都更易被打开和切断,即成为MLGNR。利用LPE法将经过处理的碳纳米管沉积到特定形貌的薄膜表面,可以获得大面积的MLGNR选择性纳米图样,其吸附以及缺陷特性也可通过控制基底薄膜的表面形貌加以调制,实验结果与理论计算符合的很好。