石墨烯功能結(jié)構(gòu)的制備和性能及傳感應(yīng)用.pdf

1、石墨烯是由sp2碳原子緊密堆積形成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。由于石墨烯的原子級厚度以及二維結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和吸附等性能。以具有這些優(yōu)異性能的二維石墨烯片層結(jié)構(gòu)為單元，構(gòu)筑石墨烯功能結(jié)構(gòu)材料，使得微觀二維石墨烯性質(zhì)宏量化，對于開發(fā)石墨烯的應(yīng)用具有重要的意義。然而由于缺乏有效的制備方法使石墨烯功能結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)有的性能和應(yīng)用方面難以突破?；诖耍疚陌l(fā)展有效的制備技術(shù)合成或構(gòu)筑具有新型結(jié)構(gòu)的石墨烯功能材料并在光學(xué)、電學(xué)性能以及傳感應(yīng)

2、用方面取得一系列重要進(jìn)展：
　　不同于傳統(tǒng)的甲烷（CH4）等氣態(tài)碳源的高溫（~1000oC）制備方法，發(fā)展出采用液態(tài)碳源乙醇在相對低溫（800oC）條件下制備大尺寸單層的石墨烯薄膜的方法。與通常的碳源CH4相比，乙醇具有更低的裂解溫度，能夠在相對低溫條件下獲得大尺寸層數(shù)均一的石墨烯薄膜。探討了不同工藝條件（催化金屬、碳源濃度、生長溫度、生長時間等）對所生長石墨烯的厚度、質(zhì)量的影響規(guī)律。通過調(diào)控反應(yīng)條件制備的石墨烯薄膜在紫外–可見光

3、區(qū)具有高的透過率（88.1％–97.5%）和低的薄膜電阻（127–384Ω/sq）。
　　設(shè)計(jì)并批量制備新型一維石墨烯功能結(jié)構(gòu)——具有核殼結(jié)構(gòu)的石墨烯/PVA纖維，并研究其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械性能，探討了其在柔性力學(xué)傳感器方面的應(yīng)用。具體成果有：研發(fā)出可以批量制備超長高質(zhì)量石墨烯纖維的化學(xué)氣相沉積方法（CVD），解決了之前因產(chǎn)量低，不能用CVD石墨烯為原料批量制備高性能纖維的問題；不同于以前報(bào)道的裸露的石墨烯纖維，這種核殼石墨烯纖維能

4、夠被應(yīng)用作為安全的導(dǎo)體及微納米器件；與傳統(tǒng)的以氧化石墨烯為原料的纖維相比，CVD石墨烯核殼纖維的電導(dǎo)率（9.6×103S/m）和機(jī)械性能（590Mpa）有了顯著的提高。這種具有優(yōu)異的機(jī)械和導(dǎo)電性能的CVD石墨烯核殼纖維力學(xué)傳感器對彎曲和拉伸變形顯示出靈敏的電學(xué)信號響應(yīng)。有效的彎曲半徑響應(yīng)范圍為4–9mm，有效的形變響應(yīng)范圍為0–6.39%；經(jīng)過200次彎曲和拉伸循環(huán)測試，石墨烯核殼纖維力學(xué)傳感器顯示出優(yōu)異的抗疲勞能力和穩(wěn)定性。在0–6.

5、39%應(yīng)變范圍內(nèi)平均的應(yīng)變因子（GF）達(dá)到5.02，表明該新型力學(xué)傳感器具有更高的靈敏度。最后通過斷面形貌分析揭示了核殼結(jié)構(gòu)石墨烯纖維的微觀斷裂過程和拉伸斷裂機(jī)制。
　　制備出一種新型的二維石墨烯功能結(jié)構(gòu)——具有網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯薄膜，并探討其紅外透明導(dǎo)電及電磁屏蔽性能。通過化學(xué)氣相沉積法，以金屬網(wǎng)柵膜作為生長模板，制備了具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二維石墨烯薄膜。通過改變格子參數(shù)（τ），周期（p）和線寬（τp），可以調(diào)控該石墨烯網(wǎng)柵的結(jié)構(gòu)。揭示

6、了石墨烯網(wǎng)柵的中紅外（2500–6500nm）透過率、電導(dǎo)率和電磁屏蔽性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)τ之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)紅外透過率和電導(dǎo)率、電磁屏蔽效能之間具有相反的變化趨勢。隨著格子參數(shù)τ的變小，其紅外光透過率減小，而電導(dǎo)率增大，電磁屏蔽效能增大。當(dāng)參數(shù)τ為0.7時，得到了最高的紅外透過率為87.85%，而電磁屏蔽效能為4dB，電導(dǎo)率為66.7S/cm。當(dāng)參數(shù)τ為0.54時，紅外透過率為70.85%，電磁屏蔽效能為12.86dB,相應(yīng)的電導(dǎo)率為127S

7、/cm。根據(jù)金屬網(wǎng)柵透過率公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了石墨烯網(wǎng)柵薄膜在2500–6500nm范圍內(nèi)的中紅外光譜區(qū)的透過機(jī)理。根據(jù)理論計(jì)算說明了石墨烯網(wǎng)柵薄膜是以吸收電磁波為主要屏蔽機(jī)制的材料。
　　制備出一種新型的三維石墨烯功能結(jié)構(gòu)——具有層狀次級結(jié)構(gòu)的石墨烯/聚丁二炔薄膜，并由此發(fā)展一種便攜式、高靈敏性的揮發(fā)性有機(jī)氣體色變傳感器。利用石墨烯原子級別的平整面及與聚丁二炔分子之間較強(qiáng)的π–π相互作用，實(shí)現(xiàn)了聚丁二炔分子在石墨烯表面上的有效組

8、裝，進(jìn)而發(fā)展一種新型三維石墨烯功能結(jié)構(gòu)及其制備方法；采用掃描探針表征技術(shù)，揭示了聚丁二炔分子在石墨烯表面上能夠形成有序的單分子層的組裝特性。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯/聚丁二炔薄膜與有機(jī)氣體之間作用后表現(xiàn)出較靈敏的色變響應(yīng)，響應(yīng)毒性有機(jī)氣體的濃度范圍較大（0.01%–20%）。并且該薄膜傳感器對有機(jī)氣體具有一定的選擇性，例如與甲醇和二甲基甲酰胺氣體比較，傳感器對四氫呋喃和氯仿比對表現(xiàn)出更高的辨識度。通過顏色卡片可以直接用肉眼分辨?zhèn)鞲衅鲗τ诓煌瑲怏w表

9、現(xiàn)出不同的色變響應(yīng)。推導(dǎo)出該色變傳感器的顏色響應(yīng)值（CR）與被檢測毒性有機(jī)氣體濃度（N）之間的定量關(guān)系為CR=ClnN+D，（其中C和D是依賴氣體類型的常數(shù)，N的范圍在0.01%–10%之間），這個公式為這種新型的三維石墨烯傳感器定量化檢測有機(jī)氣體奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。通過掃描隧道顯微鏡在分子尺度上揭示了石墨烯/聚丁二炔復(fù)合薄膜的色變傳感機(jī)理。
　　本論文的研究工作豐富了石墨烯功能結(jié)構(gòu)材料的制備領(lǐng)域。使石墨烯功能材料在光學(xué)、電學(xué)、