石墨烯外國(guó)文獻(xiàn)翻譯

1、摘要石墨烯基礎(chǔ)材料的光電特性Inhwa Jung在這研究報(bào)告中，石墨烯基礎(chǔ)材料的光電性能被調(diào)查，特別是研究具有氧化石墨單層的石墨烯氧化物的物理和化學(xué)性質(zhì)和它的化學(xué)簡(jiǎn)式與石墨的不同。盡管氧化石墨在一百多年前就被Brodie（在1859年）合成，但直到現(xiàn)在特殊層還沒被深入研究，與我們正在研究的石墨烯氧化物比較，物理學(xué)家在原始石墨烯(石墨的一個(gè)層)發(fā)現(xiàn)了卓越的物理輸送特性同時(shí)也顯示石墨烯在納米電子方面的潛力;這提高我們對(duì)包括石墨烯氧化物在內(nèi)的化學(xué)法改變石墨性質(zhì)的興趣。從石墨烯的光學(xué)性質(zhì)方面來看，為了識(shí)別和測(cè)量石墨烯基底的有效光學(xué)性質(zhì)，由于由硅上的薄介電層組成的基底的作用，一個(gè)直截了當(dāng)?shù)姆椒ū惶岢?。?/p>

2、過這個(gè)方法和優(yōu)化介電層的厚度，獲得石墨烯基底獨(dú)特晶片和基底的的巨大差別。選擇合適的光學(xué)性能和介電層的厚度，氧化石墨的有效折射率和光學(xué)吸收系數(shù)可以減少氧化石墨，通過對(duì)比預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)量的差別可以獲得石墨烯。橢圓光度法成像是一種為光學(xué)成像和表征超薄材料（1nm）例如特殊化學(xué)法改變的石墨烯晶片和少層氧化石墨烯晶片保持電勢(shì)的方法，單獨(dú)使用橢圓光度法成像無論能否確定它的光學(xué)性質(zhì)和厚度都是非常有趣的，傳統(tǒng)的光譜橢圓光度法也可以應(yīng)用到比特殊晶片寬數(shù)毫米的多層疊加的氧化石墨上。利用兩種成像方法得到的結(jié)果對(duì)比最大的區(qū)別在于光學(xué)性質(zhì)的差異。觀察熱處理過的單體和多層疊加，多層疊加和單層的區(qū)別類似氧化石墨（無論是特殊晶

3、片還是多層疊加）的對(duì)比結(jié)果。分別從輪廓儀和AFM得到厚度，解釋厚度和光學(xué)性質(zhì)在熱處理時(shí)會(huì)改變的模型被提出。電學(xué)特征是前面提及的異常原始石墨性能基本的技術(shù)領(lǐng)域，通過在真空中加熱單層石墨氧化物(沉積于基體)對(duì)材料的電阻率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)隨時(shí)間和溫度響應(yīng)的電導(dǎo)率能夠表明,導(dǎo)電率的變化可能與一個(gè)激活的化學(xué)過程有關(guān), 并由此可以獲得活化能(勢(shì)壘高度)。通過高達(dá)85 S/m的時(shí)間溫度曝光可以知道單層的氧化石墨的導(dǎo)電率，其次在真空中加熱并與氣相肼發(fā)生化學(xué)還原可以成倍地得到更高的導(dǎo)電率，如原始石墨一樣，氧化石墨導(dǎo)電率對(duì)電場(chǎng)方向很敏感，伏安測(cè)量還表明，氧化石墨的電氣性能與石墨烯存在差別。在特殊氣體中對(duì)石墨氧

4、化物進(jìn)行初步的靈敏度的測(cè)量，結(jié)果表明石墨氧化物可以作為傳感器的材料，于是用以測(cè)量靈敏度和特殊氣體濃度的方案被提出和討論，該方法建立在光學(xué)檢測(cè)上，因此這篇論文會(huì)涉及光學(xué)特性在實(shí)際生活中的潛在應(yīng)用。目錄摘要-3感謝-6目錄-81.介紹-182.理論及文獻(xiàn)探討2.1石墨的結(jié)構(gòu)和其電氣性能-212.2石墨烯作為傳感材料的應(yīng)用-242.3石墨烯的光學(xué)可視化和表征-262.4幾種獲得石墨烯基底材料的技巧-282.5石墨烯氧化物的結(jié)構(gòu)和制備方法-292.6石墨烯氧化物的獨(dú)特性-313.石墨烯基底材料的光學(xué)特性3.1概述-333.2高對(duì)比度成像和描述石墨烯基底的簡(jiǎn)單方法-35介紹-35實(shí)驗(yàn)-38結(jié)果和討論-4

5、3深入討論和提供信息-59總結(jié)-723.3熱處理減少石墨烯氧化物基底材料的橢偏儀特征-73介紹-73實(shí)驗(yàn)-75結(jié)果和討論-83總結(jié)-984.單層石墨烯氧化物的電學(xué)特性4.1概述-994.2石墨烯氧化物的電子輸送測(cè)量-101介紹-101熱還原研究-103比較化學(xué)還原和氣體環(huán)境的影響-113實(shí)驗(yàn)和分析細(xì)節(jié)-119深入討論和提供信息-137總結(jié)-1405.潛在應(yīng)用及對(duì)未來工作的建議5.1在特殊氣體中靈敏度的定量測(cè)量-1415.2圖案還原-1426.總結(jié)-1447.參考文獻(xiàn)-1451.介紹石墨是碳的一種同素異形體，它具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和良好的導(dǎo)電性。由于儲(chǔ)量豐富，通常被用作填料和導(dǎo)電材料。眾所周知，碳

6、納米管由單層石墨烯（單層石墨）組成（概念上）。好像單壁碳納米管,石墨烯(從平面內(nèi)石墨的性能)被認(rèn)為有優(yōu)異的物理性能,使其成為填充材料、復(fù)合材料的潛在候選人。據(jù)目前報(bào)道石墨烯有很強(qiáng)的雙極性電氣場(chǎng)效應(yīng)，這使其用于電氣設(shè)備和傳感器潛在應(yīng)用提供保證。對(duì)石墨烯研究的越來越熱。在圖1 1，可以看出關(guān)于石墨烯已出版的論文數(shù)量今年超過10。 石墨不能剝離成大量單層石墨烯，這使之前的文獻(xiàn)沒有提及的。到目前為止最成功獲得單層或者多層薄層是通過摩擦膨脹石墨的機(jī)械表面或者通過帶有膠帶的高導(dǎo)向熱解石墨搓到另一個(gè)硅晶片。然而得到一層或者非常薄得多層疊合物的幾率很低，通常疊合物的橫向尺寸很?。ㄉ儆趲缀撩椎膯螌訖M向尺寸）。為

7、了通過實(shí)際設(shè)備制造基礎(chǔ)石墨烯底層，需要大量單層底層和可再生制造方法。 為了實(shí)現(xiàn)大量相對(duì)大的側(cè)面尺寸的剝離石墨，我們使用一個(gè)眾所周知的化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)石墨轉(zhuǎn)換成石墨氧化物，然而這種轉(zhuǎn)換會(huì)使原始石墨的特性發(fā)生改變，石墨氧化物是不導(dǎo)電的，氧化石墨如果不剝落可以通過溶液化學(xué)還原轉(zhuǎn)化成石墨，一旦在水中進(jìn)行氧化石墨的水相分散，單層底片可以減少。在這個(gè)報(bào)告中，我們主要關(guān)注石墨烯氧化物和減少石墨烯氧化物薄片（我們指單層石墨氧化物為石墨烯氧化物）。在這些研究中，為識(shí)別單層石墨烯氧化物薄片而發(fā)展了一個(gè)系統(tǒng)，基于這個(gè)系統(tǒng)和方法，單層石墨烯氧化物薄片的光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量和配置電子的測(cè)量可以做到，通過四探針測(cè)量器對(duì)石墨烯氧化物

8、薄片進(jìn)行電氣測(cè)量可以顯示導(dǎo)電材料的還原效果。我們的最終目標(biāo)是制作對(duì)特殊氣體敏感的傳感器。2.理論及文獻(xiàn)探討2.1石墨的結(jié)構(gòu)和其電氣性能石墨完全由碳原子組成，圖表2-1顯示了三維碳堆積結(jié)構(gòu)的例子。如石墨架構(gòu)圖所示，每個(gè)碳原子通過共價(jià)鍵與其他三個(gè)碳原子形成一個(gè)完全的兩空間層，每一層通過范德華力鍵合，因?yàn)榉兜氯A力作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比共價(jià)鍵弱得多，所以石墨在每一層的每個(gè)方向上都可以裂開。為了得到一個(gè)單層的石墨烯，很多人嘗試剝離大塊石墨。據(jù)目前報(bào)道石墨可以通過簡(jiǎn)單的微機(jī)械分裂技術(shù)剝離成一層或者少數(shù)層。這開辟了關(guān)于石墨烯的凝聚態(tài)物理學(xué)研究新領(lǐng)域。有趣的是石墨烯這種材料展現(xiàn)電場(chǎng)效應(yīng)，它說明石墨烯可以作為晶體管，圖表

9、2-2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）可以由石墨烯實(shí)現(xiàn)，根據(jù)石墨烯FET的電流結(jié)果可知，材料的導(dǎo)電率以獨(dú)特柵極電壓函數(shù)的方式改變。石墨烯的柵極依賴關(guān)系總結(jié)在圖表2-3，在圖中可以看出，電阻率的變化取決于提供的柵極電壓。通過提供一個(gè)高的柵極電壓電阻率被大大地減少（無論是積極的還是消極的）。對(duì)比單壁的碳納米管的柵極依賴關(guān)系，石墨烯柵極依賴關(guān)系是十分特殊的。如2-4所示，通過增加?xùn)艠O電壓，單壁碳納米管的導(dǎo)電率被減少，由于只含有空穴載流子，所以石墨烯被誤認(rèn)為P型半導(dǎo)體。順便說，石墨烯同時(shí)表現(xiàn)出P型和S型半導(dǎo)體的特征，這被理解為材料同時(shí)帶有空穴和電子，這些可以被提供的柵極電壓控制，當(dāng)溫度降低時(shí)，柵極電壓的影響變

10、得越來越明顯。圖表2-5還總結(jié)了石墨烯的其他的方面性質(zhì)，如圖2-5（a）所示，薄片的厚度增加，柵極偏置效果消失，大塊石墨只是簡(jiǎn)單導(dǎo)電而沒有依賴于柵極。石墨烯應(yīng)用電流和電壓之間呈線性關(guān)系。此外，電場(chǎng)影響在低溫下（4K）提供一個(gè)磁場(chǎng)的情況下可以量子化（量子霍爾效應(yīng)）（QHE）。一系列結(jié)果表明石墨烯具有有趣的電子性質(zhì)。實(shí)際上物理是如此迷人，許多人認(rèn)為這是一個(gè)凝聚物質(zhì)物理學(xué)的新分支，在過去的幾年里，世界各地的研究石墨烯的人員已經(jīng)暴漲。2.2石墨烯作為傳感材料的應(yīng)用利用石墨烯板材的電氣性能，你可以考慮把它們作為測(cè)量待定氣體分子的傳感器的材料，單壁碳納米管已經(jīng)應(yīng)用在這方面了。在圖表2-6（a）中，柵極效果

11、暴露了半導(dǎo)電單壁碳納米管對(duì)兩種氣體過分依賴這個(gè)缺點(diǎn)。所依賴的氣體如NO和NH，表格中的曲線分別向正向或者反向運(yùn)行，我相信空隙載流子的數(shù)量的改變由氣體分子的約束力決定。減小吸附的NH的數(shù)量理應(yīng)會(huì)減少電導(dǎo)率，相比之下，減少吸附的NO的空穴載流子的數(shù)量，電導(dǎo)率反而增大。結(jié)果表明即使小氣體量（一個(gè)很低濃度）也可以被單壁碳納米管檢測(cè)到。（圖表2-6（b）如圖表2-7（a）所示，石墨烯表現(xiàn)出一個(gè)相似的行為，當(dāng)暴露在NO氣體中，柵極依賴關(guān)系會(huì)漂移向積極一邊。以單壁碳納米管為例，這可以理解為對(duì)材料摻雜額外的空穴載流子，所以兩種載流子的均衡被改變。而且，石墨烯器件能檢測(cè)表面單分子的剝離或者附著狀態(tài)，電阻的變化步

12、驟在圖表2-6（c）中顯示，表示電阻變化的量化，電阻的變化被認(rèn)為由單分子的附著或者剝離狀態(tài)決定。2.3石墨烯的光學(xué)可視化和表征考慮到石墨烯的厚度理想值是3.4A，你很難認(rèn)為這種材料可以被光學(xué)顯微鏡視像化，但是，是可以看見的當(dāng)單層石墨烯放在在硅表面生長(zhǎng)的電介質(zhì)膜表面上是可以看見的。通過控制介電薄膜的厚度可以增加石墨烯的可見性。在圖表2-8（a）中,顯示不同層的石墨烯的對(duì)比。能見度低的原因是因?yàn)楸砻娉练e區(qū)的光路徑和介電薄膜的裸露面不同的,這為一定值的介電層厚度對(duì)比提供理由。當(dāng)單層的光學(xué)性質(zhì)符合，它表示數(shù)值比大部分性質(zhì)數(shù)值小，研究人員把這個(gè)現(xiàn)象歸結(jié)于當(dāng)材料極薄(小于3 4nm)時(shí)，夾層的相互作用減小

13、。對(duì)比是通過減去來自材料的反射率的電介質(zhì)膜反射率和劃分與介電膜的反射率來進(jìn)行的?？紤]到一個(gè)單層的最大值是-0.1，材料和介電層的反射率只有10%的不同。2.4幾種獲得石墨烯基底材料的技巧雖然石墨烯展示了很有應(yīng)用前景的電氣性能，目前物理學(xué)家使用的方法是非常乏味的，用微米級(jí)改變剝離的方法，他們用透明膠帶磨擦在石墨上生長(zhǎng)基質(zhì)的介電層，用這種方法，可以得到幾層甚至單層厚度的石墨烯，但是會(huì)在基底出現(xiàn)很多很厚的晶片，所以把它做成穩(wěn)定的器件是不合實(shí)際的。由于石墨烯的尺寸問題，制造工序包括緩慢而昂貴e-波束圖形模式，因?yàn)檫@兩個(gè)原因，陣列中每個(gè)要素是一個(gè)單薄片，所以制造陣列是不可能的。為了克服這些缺點(diǎn)，石墨烯的

14、外延生長(zhǎng)被提出，現(xiàn)在的工作已經(jīng)沿著這個(gè)方向進(jìn)行，應(yīng)該指出的是，這種外延生長(zhǎng)要求UHV真空條件和SIC單晶。在2-1表格中，幾種獲得石墨烯基底材料的方法已經(jīng)列出，化學(xué)剝離是很有前途的，因?yàn)樗堑统杀竞涂僧a(chǎn)量化的，雖然用這種方法石墨烯的原始結(jié)構(gòu)不能被保存下來，但是，石墨烯的不同特征可以被研究和利用。2.5石墨烯氧化物的結(jié)構(gòu)和制備方法大塊氧化石墨的化學(xué)法剝離是克服微米級(jí)剝離缺點(diǎn)的一種選擇，通過化學(xué)法剝離可以用一種簡(jiǎn)單的途徑獲得大量的剝離的單層石墨烯氧化物片。石墨烯氧化物包括各式各樣的官能團(tuán)，最時(shí)興的是C-O-C模型,對(duì)其結(jié)構(gòu)中調(diào)用(環(huán)氧化合物)和C-OH(羥基)聚合物除了出現(xiàn)在基片邊緣的羰基和羧基聚

15、合物。被提出的石墨烯氧化物的模型在圖2-9（a）中顯示出來了，由于氧化過度，我們小組制備出來的石墨烯氧化物是不導(dǎo)電的，所以把它作為元素應(yīng)用到電子器件是不太可能的。石墨烯氧化物通過一些減少處理方法如化學(xué)法或者熱還原可以被縮減部分，通過這些處理方法材料可以恢復(fù)導(dǎo)電。在表格2-9(b)中，經(jīng)過處理的石墨烯氧化物的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型被顯示出來，雖然經(jīng)過熱處理可以大大降低氧氣的比例，但它的結(jié)構(gòu)也和石墨烯不同。無論如何，經(jīng)熱處理的石墨烯氧化物從光學(xué)和電氣性能角度來說是非常接近石墨烯的，最近石墨烯氧化物模型展示了一個(gè)三維瓦楞結(jié)構(gòu)，如圖表2-9（c）。2.6石墨烯氧化物的獨(dú)特性石墨烯氧化物和石墨烯的不同處在于表面的

16、許多化學(xué)官能團(tuán)。首先，石墨烯氧化物是一種由氧和碳組成的整比化合物，元素分析表明，石墨烯氧化物的碳氧比接近C:O(2:1)。通過化學(xué)法和熱處理可以降低氧氣的比例，最低值可以達(dá)到C:O(20:1).材料的唯一性在于范圍內(nèi)可以控制比例，材料的碳氧比不同，它們的電學(xué)性能和光學(xué)性能也會(huì)不同。其次，在石墨烯氧化物表面的化學(xué)官能團(tuán)是具有化學(xué)活性的而且很容易被功能化，這是材料的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是水蒸氣和液體傳感器的潛在材料。最后，石墨烯氧化物是親水性的。考慮到石墨烯由于具有高疏水性而不可能作為填料，石墨烯氧化物可以很好地分散開來。由于它的高溶解性，石墨烯氧化物在制備新型材料特別是制備納米復(fù)合材料（僅僅通過

17、和其他材料混合）具有很大應(yīng)用前景。3.石墨烯基底材料的光學(xué)特性3.1概述在這光學(xué)特性部分，為研制石墨烯基底材料的光學(xué)方法出現(xiàn)了。本研究和其他小組合作完成，其他小組的工作會(huì)得到介紹的，我們工作的主要優(yōu)勢(shì)是我們可以更徹底地研究絕緣材料的影響。例如，我們改變絕緣材料的光學(xué)性質(zhì)和厚度一樣，所以材料和介電膜的高度對(duì)比就可以得到，我們獲得比介電層反射率高12倍的單層石墨烯氧化層（-1nm）反射率。使用優(yōu)化的基底，光學(xué)性質(zhì)估計(jì)有實(shí)質(zhì)性的意義，使用這方法的擬合值和橢圓光度法得到的值比較會(huì)提高。 光學(xué)方法依據(jù)經(jīng)典薄膜光學(xué)給出這個(gè)論點(diǎn)。在圖表3.1-1，簡(jiǎn)單的圖表顯示了我們研究用的兩種計(jì)算方法的差異，第一種方法利用通過計(jì)算材料和介電層表面的反射率來獲得材料和基底的對(duì)比，橢偏儀更傳統(tǒng)。在該方法中，兩束偏振光會(huì)被使用，并且兩束光的比例會(huì)被計(jì)算和測(cè)量。在我們的研究中，成像和薄材料的表征都使用了成像橢偏儀。3.2高對(duì)比度成像和描述石墨烯基底的簡(jiǎn)單方法介紹 識(shí)別和描述一種材料如石墨、或任何數(shù)量的粘土、或金屬硫化物如二硫化鎢的單層納米規(guī)模層或者少量層是具有挑戰(zhàn)性的，使用掃描探針顯微鏡如原子力顯微鏡（AFM）能識(shí)別薄片的存在和判定它們側(cè)面和垂直尺寸，但這方法是有點(diǎn)耗