SiC上垂直站立石墨烯的制备及物性研究

《SiC上垂直站立石墨烯的制备及物性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、囵中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文SiC上垂直站立石墨烯的制备及物性研究作者姓名指导教师学位类别：学科专业：研究所陈莲莲郭丽伟研究员中国科学院物理研究所理学博士凝聚态物理中国科学院物理研究所2013年5月Fabricationandpropertiesofverticallyafignedgraphenesheets—————o——————n—————————S——————i——．C．．．．．．．．．．．s．．．．u．．．．．．b．．．．．．．s．．．．t．．．．r．．．．．a．．．．．t．．．

2、．e．．．—s—ByLianHanChenADissertation／ThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulf'fllmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofscienceInstituteofPhysics，ChineseAcademyofSciences5，2013摘要于2004年被发现的石墨烯是碳元素同素异构体中的一种二维结构。正是这种蜂窝状的二维结构，使得石墨烯表现出许多新奇的物理特性，并迅速成为凝聚态物理的前沿

3、研究领域。垂直站立石墨烯，作为石墨烯纳米结构中的一种特有形态，具有大的表面积、比表面积及优异的导电能力，使其在许多领域如：冷阴极场发射、锂离子电池、超级电容器等领域有广泛的应用前景。实现石墨烯的广泛应用，必须揭示和深入理解石墨烯的本征物理特性。而石墨烯是仅有单原子层厚的二维材料，其支撑衬底或其它接触物对其本征物性的影响不可忽略。所以制备自由、无支撑的石墨烯成为石墨烯本征物理特性研究的必要前提。本文正是基于这样的迫切需求，发展了在SiC衬底上制备、生长垂直站立石墨烯的方法。基于不同取向的SiC衬底，制备了具有不同形态的自由站立石墨烯。并基于所制备的石墨烯材料进行

4、了站立石墨烯的生长机理、本征磁性和场发射等特性的研究，取得了如下的研究成果：(1)基于不同取向的SiC衬底，制备出了具有不同形态的垂直站立石墨烯。基于非极性的(10．10)和(11—20)SiC衬底成功制备出了具有高取向的垂直站立石墨烯。这种石墨烯的晶面平行于SiC的{oool}面，具有很高的结晶取向性。而在C面SiC衬底生长的垂直站立石墨烯其晶面间夹角多为60。或120。，表明其晶面近于平行SiC的f10．10}面。实验发现，在(11-20)SiC衬底上生长站立石墨烯的生长机制与在(10．IO)SiC衬底上生长站立石墨烯的生长机制相同。而在C面的生长机制与前

5、两种衬底不同。本文对三种SiC衬底生长垂直站立石墨烯的生长机理进行了详细的分析和讨论。拉曼散射结果表明站立石墨烯的层间耦合很弱，具有类似单层石墨烯的特征。本工作发展的生长站立石墨烯的方法简单易行，重复性好，可以获得克量级的高纯石墨烯，为研究石墨烯的各种内禀性质(包括各向异性)提供了很好的平台，并为石墨烯器件的研制提供了更多的衬底类型的选择。(2)基于非极性SiC衬底上高纯、有序站立的石墨烯材料，对石墨烯的本征磁性进行了研究。完美的石墨烯因没有半满的占据态，所以没有宏观的磁性。而随着石墨烯尺寸的减小，其边缘所占据的比例不容忽视。特别是这些不规则的zigzag边界

6、的半占据态，将产生不可忽略的宏观磁性。实验发现，zigzag边缘态所表现的宏观磁性迭加在石墨烯中自由载流子产生的朗道抗磁性背底上。抗磁背底随温度的变化规律与具有确定尺寸的石墨的抗磁性相似。减去抗磁背底后，石墨烯中基本磁有序单元(FMOU)所表现的本征磁性被揭示出来。实验发现：I)属于不同子格子的FMOU的反铁磁有序的尼尔温度在50K；II)在低温(50K以下)、低场下(小于4000Oe)，属于不同子格子的磁有序单元间表现为反铁磁有序；III)在低温(50K以下)、高场下(大于4000Oe)，这些反铁磁有序的磁单元向外场的方向翻转，类似铁磁有序，其有序度随着外场

7、的增加而增加；IV)在高温(75K以上)，属于不同子格子的磁有序单元间表现为铁磁有序：V)在室温下，磁有序单元的平均磁矩约为5-6烛，是由大约5个．6个zigzag边界态构成一个基本磁有序单元，单元自身是铁磁有序的，其矫顽场约为160Oe；VI)在50K-75K之间，由于反铁磁相互作用与热无序作用的竞争，存在一个反铁磁向铁磁转变的过渡区域。基于对实验结果的分析，总结出了石墨烯边缘态磁性的相图。这一相图对于澄清和理解目前所报道的石墨烯的磁性现象具有重要意义。更重要的是，它为深入理解石墨烯的磁现象以及石墨烯边缘态本征磁性的应用奠定了重要的实验基础。(3)研究了不同

8、SiC衬底上制各的不同形态的站立石墨烯