石墨烯-氧化锌材料制作及其场发射特性研究

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1、石墨烯/氧化锌材料制作及其场发射特性研究第一章绪论1.1碳材料概述碳元素在自然界中广泛存在，是构成生物有机体的重要元素，其存在多种杂化形式－sp，sp2，sp3，构成了多彩绚丽的碳材料世界。碳单质很早就被人们发现并利用，碳材料种类繁多，天然的碳材料，如金刚石，石墨等早已被人们发现且其用途得到了很好的开发。随着科技的进步和人类的需求，越来越多的碳纳米材料被人们相继发现，其中典型的发现是1985年发现的富勒烯和1992年发现的碳纳米管[1]，如图1.1所示，从而掀起了科学界对碳纳米材料的研究热潮，获得最少层的石墨成为了科学家们的目标。但

2、是，早在1934年，Peierls和Landau就提出准二维晶体由于其本身的热力学不稳定性，不可能稳定存在于自然环境中[2]，这一理论得到了大量理论和实验的证实，但是科学家们从未放弃过获得稳定的单层石墨片，一直孜孜不倦的追求着梦想，进行着追梦之旅。直到2004年[3]，英国曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov首次用机械剥离法分离出单层的石墨片，他们把石墨薄片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开，这样石墨薄片就一分为二，通过不断的重复这个过程，最终得到单层的石墨片。这一发现彻底推翻了Peie

3、rls和Landau的理论。至此开始，自然界中除了金刚石、石墨、碳纳米管和富勒烯之外，有了一种新的二维的碳的同素异形体石墨烯，从而激发了新一轮碳材料的研究热潮。AndreGeim和KonstantinNovoselov当之无愧的成为了2010年诺贝尔物理学奖获得者，石墨烯作为材料界的新星也正在冉冉升起。1.2石墨烯简介石墨烯（graphene）是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，可以看做是具有一个碳原子厚度（0.335nm）的石墨片，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移

4、动。二维石墨烯结构是构成所有sp2杂化碳材料（如富勒烯、碳纳米管）的基本单元，如图1.2所示[3]，石墨烯可以通过多个五元环和六元环的排列形成零维的富勒烯，可以卷成圆筒状形成一维的碳纳米管，也可以多层石墨烯进行堆垛形成石墨。1.2.1石墨烯的性质1.电学性质石墨烯独特的结构使其具有很多优异的性质，其中最独特的则是它的电学性质。石墨烯由sp2轨道杂化而成，一个s轨道和两个p轨道形成了一个三角平面结构，从而在碳原子之间形成了一个σ键。剩余的p轨道上的电子形成大π键，π键垂直于三角形平面。π电子可以在晶体中移

5、动，因此石墨烯具有优异的导电性。石墨烯是零带隙半导体，具有很低的载流子有效质量，电子在石墨烯中的运动速率接近106m/s，常温下，石墨烯的电子迁移率可达到200000cm2V-1s-1,电阻率为10-6ohm•cm，低于银的电阻率，是常温下电阻率最低的物质[3]。此外，石墨烯还具有量子霍尔效应（QuantumHallEffect.QHE）整数量子霍尔效应和半整数量子霍尔效应[4]。石墨烯优异的电学性能使其在电子器件、储能（锂电池、超级电容器、太阳能电池）、储氢等方面有很大应用前景。2.力学性质自从石墨烯问世以来，它独特的力

6、学性质一直备受瞩目。杨氏模量E、剪切模量G、泊松比μ是衡量石墨烯力学性能的三个参数[5]。Lee[6]等人对单层石墨烯进行力学性质测试，表明石墨烯是世界上已知的最硬的材料，其杨氏模量达1.0TPa。理论和实验证明，单层石墨烯的杨氏模量可达1000GPa，断裂强度为125GPa，弹性模量为0.25TPa[3]。石墨烯的力学性能之所以如此优异，与碳原子之间的电子结构和化学键有很大关系，石墨烯面内全部由σ键构成，碳原子全都在同一平面内，因而石墨烯的强度高，刚度和韧性好，变形机制比较独特。此外，石墨烯的力学性能在小应变范围

7、内对手性的依赖性不强烈。第二章实验样品的制备和表征方法石墨烯/氧化锌复合材料的制备方法多种多样，其中等离子体增强化学气相沉积法和水热法或磁控溅射法相结合的制备方法是主要的制备手段。等离子体增强化学气相沉积法沉积速度快、基底温度低、成膜质量好，薄膜与基底结合性好，逐渐成为制备碳纳米材料的重要方法。水热法工艺简单，可通过调整反应温度、时间和反应物浓度等来实现晶体尺寸、形貌等的控制，是氧化锌纳米晶体的重要生长方法。磁控溅射法溅射温度低、薄膜的均匀性和结合性好。本论文采用的表征方法主要有X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电

8、子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman），场发射性能测试仪器为场发射测试仪。本论文首先采用射频等离子体增强化学气相沉积法（RF-PECVD）在Si(100)基底上生长石墨烯，然后采用两种方法制备石墨烯/氧化锌复合材料：（1）用水热法