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1、毕业设计题目： 石墨烯的光电性质石墨烯的光电性质摘要 石墨烯是目前发现唯一存在的二维自由态原子晶体。其独特的二维结构和优异的电学、光学、力学以及热学性能,是当前纳米材料领域的研究热点之一。本文综述了石墨烯的制备方法,介绍了其光学、电学性能及在光电应用中的研究进展。同时,对目前石墨烯在光电领域的发展趋势进行了展望。采用聚苯乙烯作为固体碳源,通过化学气相沉积法制备大面积石墨烯。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
2、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200,000 cmVs1和热导率,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
3、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Photoelectric Properties and Applications of GrapheneAbstractGraphene is a two-dimensional atomically thick crystal with carbon atoms arranged in a honeycomb latticeIt is regarded as one of the most promising candidates for future nanoelectronic
4、s due to its novel two-dimensional structure and excellent electrical and optical propertiesIn this review,different methods for preparing graphene were compared,the electric and optical properties of it were introduced,and the applications of graphene in electric and optical fields were summarized
5、At last,problems and tendency of graphene development of electric and optical in the future were also discussedGraphene was synthesized by chemical vapor deposition usingpolystyrene as a solid carbon source. C-H bonds on polystyrene are relatively weakcompared with the widely used gaseous carbon sou
6、rces. The molecules decomposedfrom polystyrene could be easily dehydrogenated into activated sp2structured carbonrelated radicals, which were helpful for promoting the formation of graphene at lowtemperature. This result also indicates that the heating temperature of solid precursor is acritical fac
7、tor to control the number of graphene layers. The densities and motions of theactive radicals play a critical role in the overall synthesis of the monolayer graphene.Keywordsgraphene,photoelectric properties,synthesis,application；solidcarbon source,polystyrene,monolayer grapheme,millimeter-sizedgrap
8、hene,optical , electrical properties,nucleation control,artificial seed,doping； nanostructure,SERS, graphene nanomesh,ZnO,photodector / 目录摘要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 石墨烯的光电性能及其应用11.1.2 化学气相沉积法生长高质量石墨烯及其光电性能研究11.1.3 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22.1 石墨烯的制备方法22.1.1 微机械剥离法22.1.2 晶体外延生长
9、法22.1.3 胶体悬浮液法22.2 石墨烯的光电性质22.3 石墨烯光电应用领域32.3.1 光电探测器32.3.2 透明导体32.3.3 显示器和光线发射器32.3.4 触摸屏42.3.5 光学调制器42.4 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63.1 石墨烯简介63.1.1 石墨烯的发现63.1.2 石墨烯的结构形态63.1.3 石墨烯力学特性63.1.4 超大的比表面积73.1.5 热学性能73.2 石墨烯的 CVD 法制备、性能和结构表征83.2.1 主要实验设备及原材料83.2.2 固态源 CVD 法生长石墨烯设备的改造83.2.3 金属衬底表面预处理
10、工艺93.2.4 化学气相沉积法制备石墨烯的工艺103.3 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124.1 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124.1.1 研究背景124.2 多孔石墨烯纳米结构的制备及表面增强拉曼研究124.2.1 多孔石墨烯的研究现状124.3 本章小结13结论14参考文献15千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键更新域,然后更新整个目录。打印前,不要忘记把上面Abstract这一行后加一空行第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
11、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
12、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
13、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20XX,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
14、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
15、,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等对表面电阻和高透明度要求较高器件的核
