石墨烯/氧化锌复合材料的制备及其场发射性能研究--《吉林大学》2013年硕士论文
石墨烯/氧化锌复合材料的制备及其场发射性能研究
【摘要】：作为第一种稳定存在的二维晶体，自2004年人们从实验上发现石墨烯以来，石墨烯基纳米材料在固体物理学、材料科学以及纳米电子学等学科领域引起了人们极大的兴趣。石墨烯是由单层碳原子排列组合而成，呈六边形网状结构，只有一个碳原子的厚度，是已知的世界上最薄的二维材料。石墨烯独特的网络结构，使其在电学、力学和光学等方面显示出了独特的性质，在超级电容器、燃料电池、光电器件以及场发射等领域有很广泛的应用前景。
石墨烯具有独特的电学性质、良好的稳定性、高的长径比、大的比表面积和尖锐的边缘，使其成为良好的场发射材料。石墨烯的制备方法主要有化学气相沉积法、机械剥离法和氧化石墨还原法等。但这些方法制备的石墨烯表面比较平整，限制了石墨烯的场发射性能，而等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）可制备垂直于基底生长的石墨烯，其表面具有很多尖锐的边缘，从而有助于石墨烯场发射性能的提高。
氧化锌是宽带隙（3.37eV）半导体，具有较大的激子结合能（60meV），其一维纳米结构，如纳米线、纳米棒等比表面积比较大，热化学稳定性好，顶端比较尖锐，使其成为场发射领域的一种良好候选材料。为了获得具有更好场发射性能的材料，可以将石墨烯与氧化锌进行复合。
基于以上研究分析，为了提高石墨烯和氧化锌的场发射性能，本论文主要采用PECVD法在Si（100）基片上制备垂直于基片生长的石墨烯，然后分别采用水热法和磁控溅射法在石墨烯上生长纳米氧化锌，以此获得场发射性能优异的石墨烯/氧化锌复合材料。论文研究了实验参数对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响，主要研究内容和结论如下：
1.利用PECVD法在S（i100）生长石墨烯纳米片，生长时间分别为20min、30min、40min，得到的石墨烯纳米片垂直于Si基底生长，其中30min的石墨烯有尖锐的边缘，开启电场最低，为4.94V/μm，场增强因子最大，β为2774。
2.采用水热法在生长时间为30min的石墨烯上生长纳米氧化锌，通过调整反应物浓度、生长时间和反应温度来制备不同的石墨烯/氧化锌复合材料，结果表明反应物浓度为5mM、生长时间为4h、反应温度为95℃时制备的石墨烯/氧化锌复合材料具有最优异的场发射性能，氧化锌在石墨烯上形成孔状的连续分布的纳米薄片，表面不平整，边缘比较薄，该复合材料的开启电场为1.24V/μm，低于单纯的石墨烯的开启电场，说明该复合材料的场发射性能较石墨烯有很大提高。
3.采用磁控溅射法在生长时间为30min的石墨烯上生长纳米氧化锌，通过控制沉积时间、溅射功率、溅射压强和氩气氧气流量比来制备不同的石墨烯/氧化锌复合材料。结果表明，沉积时间为20min、溅射功率为150W、溅射压强为2.5Pa、氩气氧气流量比为3:1时制备的石墨烯/氧化锌复合材料具有最好的场发射性能，氧化锌纳米颗粒在石墨烯上团聚，形成球岛状，表面较粗糙，其开启电场为5.15V/μm，场增强因子β为3441，该复合材料的开启电场高于石墨烯的开启电场，而相同条件下，在S（i100）基片上生长的氧化锌由于设备所限，没有测试到场发射电流，说明氧化锌的开启电场高于9.1V/μm，因此，此种方法制备的石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能比氧化锌有所提高。
【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TB383.1;TB34【目录】：
中文摘要4-6Abstract6-11第一章 绪论11-27 1.1 碳材料概述11-12 1.2 石墨烯简介12-16 1.3 氧化锌简介16-20 1.4 石墨烯/氧化锌复合材料的应用及研究进展20-23 1.5 场致电子发射概述23-26 1.6 本论文的选题意义和主要研究内容26-27第二章 实验样品的制备和表征方法27-35 2.1 实验部分27-31 2.2 样品的表征方法31-34 2.3 本章小结34-35第三章 水热法制备石墨烯/氧化锌复合材料及其场发射性能研究35-59 3.1 石墨烯/氧化锌复合物的制备35-37 3.2 石墨烯的表征与场发射性能测试37-41 3.3 反应物浓度对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响41-46 3.4 反应时间对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响46-52 3.5 反应温度对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响52-57 3.6 本章小结57-59第四章 磁控溅射法制备石墨烯/氧化锌复合材料及其场发射性能研究59-78 4.1 石墨烯/氧化锌复合材料的制备59 4.2 溅射时间对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响59-64 4.3 溅射压强对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响64-68 4.4 溅射功率对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响68-72 4.5 氩氧流量比对石墨烯/氧化锌复合材料的场发射性能的影响72-76 4.6 本章小结76-78第五章 结论78-81参考文献81-91作者简介91-92致谢92
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