石墨烯及其復合結構的設計、制備和性能研究.pdf

1、石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型晶格單原子層二維晶體。石墨烯有許多獨特的性質，它是零帶隙的半金屬半導體材料，具有超高的費米速度（光速的1/300）、載流子遷移率（達到200，000 cm2V-1s-1）和熱導率(～5000 W/mK)，良好的透光特性（單層石墨烯的吸收～2.3％）和優(yōu)異的力學性能(彈性模量和抗拉強度分別達到1.1TPa和125GPa)，因此在透明電極、晶體管、傳感器、能源存儲、高強度復合材料等方面存在廣泛

2、的應用前景。
　　 另一方面，石墨烯具有原子級的平整度、良好的生物兼容性、去局域化的π鍵以及良好的化學惰性，為研究表面增強拉曼及其機理提供了一個全新的平臺;同時，它豐富的表面有利于石墨烯-半導體復合結構的設計、集成和制備。本文基于石墨烯的上述特性，側重開展石墨烯及其新型納米復合結構在表面增強拉曼光譜以及光電探測方面的應用基礎研究。本論文共有五章，各章內容簡述如下:
　　 在第一章中，我們首先簡要回顧了石墨烯的發(fā)現(xiàn)歷史、主

3、要制備方法和性質，以及石墨烯各種潛在的應用前景。接著介紹了表面增強拉曼光譜和光電探測器的基本原理、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以及石墨烯在表面增強拉曼光譜和光電探測器研究中的應用前景。最后，概述了本論文的選題背景和科學意義。
　　 在第二章中，我們設計和制備了金屬/石墨烯/金屬三明治納米結構的新型表面增強拉曼襯底，解決了表面增強拉曼效應研究中精確構筑“熱點”和放置分子這些長期存在的問題。在金屬/石墨烯/金屬納米結構中，通過改變石墨烯、金

4、屬納米顆粒大小以及金屬納米顆粒的種類實現(xiàn)了對電磁場“熱點”的調節(jié);通過石墨烯對分子的吸附，實現(xiàn)了將分子精確放置于復合納米結構的等離子體激元“熱點”處。此外，我們發(fā)現(xiàn)金屬/石墨烯/金屬納米結構的表面增強拉曼效應還與激發(fā)光的入射傾角相關，在合適的角度下，能夠進一步增強拉曼信號。該結構有超高的靈敏度，能夠探測到50nM溶液濃度的RhB分子信號。
　　 在第三章中，我們發(fā)展了一種通過金屬納米顆粒局域催化分解碳制備多孔石墨烯的新方法，并將

5、之應用于表面增強拉曼光譜。該方法中，通過調節(jié)Cu薄膜的厚度可以調節(jié)多孔石墨烯中孔的大小、密度以及邊緣長度。以RhB為檢測分子，我們發(fā)現(xiàn)多孔石墨烯有比純石墨烯襯底更強的拉曼化學增強特性，同時發(fā)現(xiàn)其化學增強能力同多孔結構中的邊緣長度相關。通過拉曼光譜表征和電輸運測量，我們推斷多孔石墨烯中大量的邊緣結構可實現(xiàn)自發(fā)的p型摻雜，從而導致顯著的拉曼化學增強。此外，多孔石墨烯的孔洞邊緣還可以高效吸附待測分子，實現(xiàn)對分子拉曼增強的快速檢測。這些結果表明

6、，多孔石墨烯可以用作一種快速、高效拉曼增強檢測的優(yōu)質襯底。
　　 在第四章中，我們利用水熱反應制備出無表面活性劑的氧化鋅納米顆粒/還原石墨烯復合結構，并研究了其光電響應特性。研究發(fā)現(xiàn)復合結構中氧化鋅單晶納米顆粒的平均直徑為5納米，這些顆粒均勻分布在還原石墨烯表面，其密度可以通過反應物的濃度進行有效調節(jié)。我們進一步構建了基于這種復合結構的光電探測器，該探測器對紫外光的響應很快，光電流響應變化可達四個量級，表明該復合結構特別適合作為