石墨烯的光电性质论文设计Word文件下载.docx

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相对于传统的气态碳源，聚苯乙烯的结构本身具备键能较弱的C-H键。

聚苯乙烯分解后产生的气态含苯环活性小分子在相对较低的温度下很容易脱氢形成活性化的碳基团。

这一优异性质有助于在低温条件下催化生长石墨烯。

研究表明，聚苯乙烯的加热温度是控制石墨烯层数和质量的关键因素。

聚苯乙烯分解后得到的碳基团的浓度在整个石墨烯的化学气相生长过程中发挥了关键性的作用。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型晶格单原子层二维晶体。

石墨烯有许多独特的性质，它是零带隙的半金属半导体材料，具有超高的费米速度（光速的1/300）、载流子迁移率（达到200,000cmV'

s"

1）和热导率（-5000W/mK）,良好的透光特性（单层石墨烯的吸收~2.3%）和优异的力学性能（弹性模量和抗拉强度分别达到l.lTPa和125GPa），因此在透明电极、晶体管、传感器、能源存储、高强度复合材料等方面存在广泛的应用前景。

关键词　石墨烯，光电性能，合成，应用；

固态碳源，聚苯乙烯，单层石墨烯，毫米级石墨烯晶畴，光电性能，形核控制，人工籽晶，掺杂；

纳米结构，表面增强拉曼光谱，多孔石墨烯，氧化锌，光电探测器

PhotoelectricPropertiesandApplicationsofGraphene

Abstract

Grapheneisatwo-dimensionalatomicallythickcrystalwithcarbonatomsarrangedinahoneycomblattice．Itisregardedasoneofthemostpromisingcandidatesforfuturenanoelectronicsduetoitsnoveltwo-dimensionalstructureandexcellentelectricalandopticalproperties．Inthisreview，differentmethodsforpreparinggraphenewerecompared，theelectricandopticalpropertiesofitwereintroduced，andtheapplicationsofgrapheneinelectricandopticalfieldsweresummarized．Atlast，problemsandtendencyofgraphenedevelopmentofelectricandopticalinthefuturewerealsodiscussed．

Graphenewassynthesizedbychemicalvapordepositionusingpolystyreneasasolidcarbonsource.C-Hbondsonpolystyrenearerelativelyweakcomparedwiththewidelyusedgaseouscarbonsources.Themoleculesdecomposedfrompolystyrenecouldbeeasilydehydrogenatedintoactivatedsp2structuredcarbonrelatedradicals,whichwerehelpfulforpromotingtheformationofgrapheneatlowtemperature.Thisresultalsoindicatesthattheheatingtemperatureofsolidprecursorisacriticalfactortocontrolthenumberofgraphenelayers.Thedensitiesandmotionsoftheactiveradicalsplayacriticalroleintheoverallsynthesisofthemonolayergraphene.

Keywords　graphene，photoelectricproperties，synthesis，application；

solidcarbonsource，polystyrene，monolayergrapheme，millimeter-sizedgraphene，optical，electricalproperties，nucleationcontrol，artificialseed，doping；

nanostructure，SERS，graphenenanomesh，ZnO，photodector

目录

摘要I

AbstractI

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.1.1石墨烯的光电性能及其应用1

1.1.2化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性能研究1

1.1.3石墨嫌及其复合结构的设计、制备和性能研究1

第2章石墨烯的光电性能及其应用2

2.1石墨烯的制备方法2

2.1.1微机械剥离法2

2.1.2晶体外延生长法2

2.1.3胶体悬浮液法2

2.2石墨烯的光电性质2

2.3石墨烯光电应用领域3

2.3.1光电探测器3

2.3.2透明导体3

2.3.3显示器和光线发射器3

2.3.4触摸屏4

2.3.5光学调制器4

2.4本章小结5

第3章化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性质研究6

3.1石墨烯简介6

3.1.1石墨烯的发现6

3.1.2石墨烯的结构形态6

3.1.3石墨烯力学特性6

3.1.4超大的比表面积7

3.1.5热学性能7

3.2石墨烯的CVD法制备、性能和结构表征8

3.2.1主要实验设备及原材料8

3.2.2固态源CVD法生长石墨烯设备的改造8

3.2.3金属衬底表面预处理工艺9

3.2.4化学气相沉积法制备石墨烯的工艺10

3.3本章小结10

第4章石墨嫌及其复合结构的设计、制备和性能研究12

4.1金属/石墨嫌/金属复合纳米结构的设计、制备及其表面增强拉曼光谱12

4.1.1研究背景12

4.2多孔石墨烯纳米结构的制备及表面增强拉曼研究12

4.2.1多孔石墨烯的研究现状12

4.3本章小结13

结论14

参考文献15

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第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1石墨烯的光电性能及其应用

2004年，英国曼彻斯特大学Geim等通过机械力从石墨晶体表面剥离出石墨烯片层。

由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成蜂窝状二维碳质材料，为单原子层厚度的石墨材料。

同时，石墨烯独特的结构使其具有完美的量子隧道效应和量子霍尔效应等特殊的性质。

由于石墨烯新奇的光电性质，不断吸引着物理、化学、材料等相关领域科学家极大的注目，尤其是半导体纳米材料前沿领域。

本文综述了石墨烯的制备方法、光电性能以及在光电方面的应用评价。

1.1.2化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性能研究

在采用含苯环碳源制备高质量大面积石墨烯的基础上，本论文采用柠檬酸钠还原法实现了石墨烯层间的银纳米粒子掺杂。

1-4层AgNO3层间掺杂的石墨烯的光电性能已经高于透明导电薄膜工业化应用最小值。

基于这种廉价的碳源和工艺简单且低成本的掺杂工艺，有望在高效低成本的化学气相沉积法的基础上可以进一步促进廉价和高品质大面积石墨烯的产业化应用。

1.1.3石墨嫌及其复合结构的设计、制备和性能研究

我们发展了一种通过金属纳米颗粒局域催化分解碳制备多孔石墨烯的新方法，并将之应用于表面增强拉曼光谱。

通过拉曼光谱表征和电输运测量，我们推断多孔石墨烯中大量的边缘结构可实现自发的型掺杂，从而导致显著的拉曼化学增强。

此外，多孔石墨烯的孔洞边缘还可以高效吸附待测分子，实现对分子拉曼增强的快速检测。

这些结果表明，多孔石墨烯可以用作一种快速、高效拉曼增强检测的优质衬底。

第2章石墨烯的光电性能及其应用

2.1石墨烯的制备方法

石墨烯制备研究已取得丰硕成果，发展了微机械剥离、化学气相沉积、晶体外延生长、胶体悬浮液法等多种制备方法。

在下面我们总结了各种合成方法，并讨论了它们的优缺点以及其应用前景。

2.1.1微机械剥离法

2004年，首次制得的石墨烯就是通过机械剥离法。

这种方法是借助摩擦石墨表面获得的片层，最终通过筛选，获得单层的石墨烯薄片。

该方法工艺简单、成本低廉。

但是机械剥离制得的石墨烯在结构上不完整，对石墨烯的属性研究是无价值的，并且这种方法获得石墨烯尺寸不易控制，无法满足应用要求。

石墨烯优越的电子迁移性质需要较大规模的石墨烯。

此方法利用摩擦石墨表面获得的片层来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨烯薄片。

2.1.2晶体外延生长法

外延生长法是在晶体结构上通过晶格匹配生长出另一种晶体的方法。

在二十世纪九十年代中期，人们就已经发现SiC单晶加热至一定温度会发生石墨化现象。

因此SiC外延生长可制得单层和多层的石墨烯。

SiC单晶外延生长石墨烯的基本工艺如下:

首先把经过氧化或H2刻蚀处理过的SiC单晶片置于超高真空和高温环境下，利用电子束轰击SiC单晶片除去表面氧化物，然后在高温条件下将其表面层中的Si原子蒸发，使其表面的碳原子发生重构。

2.1.3胶体悬浮液法

胶体悬浮液法是利用拥有大量的羟基、环氧基和羧基等基团的氧化石墨为前驱体，超声剥离制得石墨烯。

最后过滤、洗涤、真空干燥得到氧化石墨。

然后再通过化学法将氧化石墨烯还原为石墨烯。

该法原料来源丰富、价格低廉，为石墨烯的大规模、低成本生产提供了可能。

但是，该法经氧化石墨还原后得到的石墨烯存在缺陷，即还原后的石墨烯仍含有部分含氧官能团，从而降低了石墨烯的电导率。

2.2石墨烯的光电性质

在可见光区，单原子层厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的0.1%，当达到数十层时，会上升到2%左右。

在可见光区，其对可见光的吸收大约为2.3%。

在正常情况下，大部分电子占据低能量状态，只有少数会填充高能量状态。

而在粒子数倒转状态下情况正好相反。

2.3石墨烯光电应用领域

2.3.1光电探测器

光电探测器是将光信号或光能转化为电流。

传统的光电探测器大多基于传统的半导体材料，它们的性能会受到材料固有属性的限制。

与传统半导体相比，石墨烯没有能带隙，可吸收较大波长范围的光。

此外，异常高的载流子迁移率使石墨烯成为超快光电探测器的理想材料。

这是由于等离子体共振提高了纳米结构的性能，单原子层厚度的石墨烯可以充分地受到等离子体增强效应的影响。

此外，泵探针测量证明石墨烯光电探测器表现出较高的响应速度。

2.3.2透明导体

透明导体是触摸屏、发光二极管和太阳能电池