协同组装MnO_(2)/石墨烯薄膜材料及其电化学性能

通过电化学剥离制备石墨烯,同时协同组装制备了3D MnO_(2)/石墨烯电极薄膜材料,电化学性能测试表明,它具有较高的电容量、倍率性能和较好的循环稳定性,在1 A/g的电流密度下具有607 F/g的较高电容量,在循环10 000圈后仍保持94.1%的容量值,未来可以应用到新型电极材料等领域。

协同组装3D Ni(OH)_(2)/石墨烯薄膜电性能研究

通过电化学剥离协同制备了3D Ni(OH)_(2)/石墨烯复合电极薄膜材料,高品质石墨烯均匀地生长在三维Ni(OH)_(2)表面,电化学性能测试表明,在2 m A/cm^(2)电流密度条件下,该电极薄膜具有优异的比电容(266 m F/cm^(2)),经过1万次的连续充放电循环测试仍然保留94.1%的容量性能。该方法为大规模生产新型高性能电极薄膜材料提供了一个简单的制备策略。

石墨烯薄膜修饰TiO_2纳米管光电极制备及性能

为提高TiO2光催化剂的可见光催化活性,采用阳极氧化法制备了高度有序的TiO2纳米管,利用阳极电化学沉积构筑了石墨烯薄膜修饰的TiO2纳米管光电极,并利用扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱及紫外-可见漫反射光谱对其表观形貌、组成结构及光吸收性能进行表征.结果表明:石墨烯有效地修饰在TiO2纳米管表面,且以透明薄膜形式存在.此外,石墨烯薄膜修饰显著拓展了TiO2纳米管的可见光响应范围.以甲基蓝为探针分子,考察了阳极沉积电压及沉积时间对所制备石墨烯薄膜/TiO2纳米管光电极光催化性能的影响.结果表明:阳极沉积电压为+0.8V、沉积时间为10min时,制备的石墨烯薄膜/TiO2纳米管光电极对甲基蓝的光催化降解效果最佳.模拟太阳光下光照120 min对甲基蓝的降解率为65.9%,是纯TiO2纳米管光电极的1.35倍.

电沉积法制备PANI/MnO_2/石墨烯复合材料及其电化学性能研究

采用简便的脉冲电沉积方法一步合成了呈现层-层分布的三维立体结构的PANI/MnO_2/石墨烯三元复合材料,利用XRD和FT-IR等研究了复合物的结构和组成,SEM和TEM表征了复合物的形貌。同时,通过恒流充放电和循环伏安测试研究了该复合物的电化学性能。结果表明,0.5 A·g^(–1)电流密度下的比容量可达1 120 F·g^(–1),且1 000次循环的稳定性高达99%。出色的超电容性能主要源于石墨烯作为基体,其上均匀分布棒状结构的PANI,MnO_2纳米粒子均匀分布于PANI纳米棒上,形成了一种分级的特殊结构。

氮掺杂型石墨烯薄膜光学性质研究

以葡萄糖为碳源,2、4、6-三胺基嘧啶为氮源,制备掺杂前驱体后通过真空高温退火,生长得到氮掺杂型石墨烯薄膜,并对生长得到的氮掺杂型石墨烯薄膜进行了各类光电性能表征。通过拉曼表征证实该薄膜是多层石墨烯薄膜,有一定的缺陷,但结晶度较好。XPS表征也证实氮元素成功地掺杂进石墨烯晶格结构中,并以共价键结合。通过透射电镜表征,薄膜表面附着许多∅20~30 nm量子点,薄膜形态比较致密。UV-Vis吸收光谱测试证实,该掺杂的石墨烯薄膜吸收峰产生一定程度的蓝移,掺杂氮元素后薄膜对可见光整体吸收能力加强。

采用水基原子层沉积工艺在石墨烯上沉积Al_2O_3介质薄膜研究

采用水基原子层沉积(H2O-based ALD)方法在石墨烯上直接生长Al2O3介质薄膜,研究了Al2O3成核机理.原子力显微镜(AFM)对Al2O3薄膜微观形态分析表明,沉积温度决定着Al2O3在石墨烯表面的成核生长情况,物理吸附在石墨烯表面的水分子是Al2O3成核的关键,物理吸附水分子的均匀性直接影响Al2O3薄膜的均匀性.在适当的温度窗口(100～130℃),Al2O3可以均匀沉积在石墨烯上,AFM测得Al2O3薄膜表面均方根粗糙度(RMS)为0.26 nm,X射线光电子能谱(XPS)表面分析与元素深度剖析表明,120℃下在石墨烯表面沉积的Al2O3薄膜中O和Al元素的含量比约为1.5.拉曼光谱分析表明,采用H2O-based ALD工艺沉积栅介质薄膜不会降低石墨烯晶体质量.

δ⁃MnO_(2)改性石墨烯气凝胶的制备及电化学性能

通过对还原石墨烯气凝胶(RGOA)进行δ⁃MnO_(2)纳米颗粒改性制备出锂离子电池负极,并获得了良好的电化学性能。同时研究了δ⁃MnO_(2)的负载量对三维复合RGOA/δ⁃MnO_(2)负极材料电化学性能的影响,发现随着δ⁃MnO_(2)负载量的增加,锂离子电池性能先增后减,在δ⁃MnO_(2)负载量合适时(160 mg)比容量达到最大值(1701.9 mAh·g^(-1)),该值明显高于δ⁃MnO_(2)负极的理论容量1230 mAh·g^(-1)。此外,该RGOA/δ⁃MnO_(2)⁃160 mg负极即便在5 A·g^(-1)的大电流下经历600次循环后仍能保持210.5 mAh·g^(-1)的比容量。如此优异的电化学性能归因于RGOA的大比表面积和高导电性,以及δ⁃MnO_(2)颗粒的高比容量和高催化活性。此外,三维石墨烯气凝胶中大量的孔洞有利于提供足够的空间负载超细δ⁃MnO_(2)颗粒,避免了δ⁃MnO_(2)在嵌锂过程中的体积膨胀以及抑制了固液界面保护膜(SEM)的加厚。通过计算赝电容对锂离子电池比容量的贡献,证实RGOA/δ⁃MnO_(2)电极的充放电过程为赝电容行为所主导,这也是取得良好比容量和循环性能的另一重要原因。

石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜的制备及其摩擦学性能研究

采用溶胶-凝胶技术制备石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜,用场发射扫描电镜(FESEM)对其表面形貌进行表征,用X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-vis)对其组成成分进行分析,利用高速往复式摩擦磨损试验仪考察石墨烯/TiO_2陶瓷薄膜的表面摩擦学性能.试验表明:石墨烯存在于陶瓷膜表面及层间;陶瓷薄膜经过热处理后,石墨烯并未发生氧化.陶瓷薄膜具有良好的减摩特性,其摩擦系数可低于0.1;随石墨烯含量上升,摩擦系数呈降低趋势;同时其耐磨性良好,36 000次往复摩擦后,陶瓷薄膜保持其完整性.

H_(2)对HfO_(2)衬底上等离子体增强化学气相沉积石墨烯的影响

HfO_(2)薄膜和石墨烯是用于制作石墨烯场效应晶体管的主要材料,而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在HfO_(2)衬底上原位生长石墨烯是极具潜力的一种石墨烯制备方法,这种方法有助于降低石墨烯转移过程对石墨烯质量的影响,从而提高石墨烯场效应晶体管的性能。使用真空电子束蒸镀方法在重掺杂单抛硅片衬底上分别于50、150、250℃下沉积了100 nm厚的HfO_(2)薄膜样品;随后选用最优质量的HfO_(2)薄膜作为生长石墨烯的衬底,采用PECVD方法在温度为600℃、CH4流速为4 sccm的条件下,以不同的H2流速(0、5、10、15、20 sccm)原位生成石墨烯薄膜。结果显示,150℃下蒸镀的HfO_(2)薄膜粗糙度最低,表面最平整,同时也拥有最佳的介电性能。当H2流速为10 sccm时,可获得少层石墨烯薄膜,此时的石墨烯薄膜缺陷最小,表面平整且连续性好。通过对HfO_(2)衬底上石墨烯的生长机理进行分析发现,HfO_(2)衬底的低表面能导致含碳物种难以吸附到衬底上,石墨烯不易生长,但适当的H2参与可以有效降低CH4裂解反应的活化能,促进CH4的裂解,有利于生长出大面积的连续型石墨烯薄膜。

MnO_(2)/碳纳米管/石墨烯/泡沫镍复合材料制备及储锂性能评价综合实验设计

针对锂离子电池负极材料的实际应用问题,设计了MnO_(2)/碳纳米管/石墨烯/泡沫镍复合材料的制备及储锂性能评价综合实验。实验先采用化学气相沉积法制备碳基底,再经水热反应沉积二氧化锰制备自组装电极;通过X射线衍射、扫描电镜、氮吸脱附法等技术和电化学手段对其结构、微观形貌、储锂性能进行表征和评价。该实验涉及纳米材料制备、微观结构表征、电池装配工艺、储能性能评价等多个环节,涵盖了电化学、固态物理学、材料学等多个学科领域,以热点应用问题为切入点,结合实际科研成果,能够多维度地提高学生的科研动手能力和解决实际问题的能力,激发学生的科研热情。

氧化石墨烯诱导高织构Mo掺杂Bi_(2)Te_(3)薄膜的热电性能

为提高Bi_(2)Te_(3)薄膜的热电性能,采用磁控溅射技术在旋涂有氧化石墨烯(GO)缓冲层的玻璃衬底上共溅制备的Mo掺杂的n型Bi_(2)Te_(3)薄膜.通过对其形貌、组成及热电特性的表征,研究了(00 l)择优取向的不同Mo溅射功率(P=0,15,25,35,45 W)对Bi_(2)Te_(3)的热电性能的影响.结果表明:GO缓冲层的存在可以实现高度取向(00 l)的Bi_(2)Te_(3)薄膜制备,室温下薄膜迁移率为48 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1);Mo掺杂有效提高了Bi_(2)Te_(3)薄膜的载流子浓度,使得P_(Mo)=25 W时的Bi_(2)Te_(3)薄膜在室温下最大电导率为944S·cm^(-1),其在400 K时最大功率因子达到2074.6μW·m^(-1)·K^(-2).表明氧化石墨烯诱导高织构Mo掺杂可以优化n型Bi_(2)Te_(3)薄膜的热电性能.

HfO_(2)介质薄膜表面原位低温沉积石墨烯研究

研究了高k介质HfO_(2)薄膜制备工艺和石墨烯原位沉积工艺的结合。采用真空电子束蒸镀在重掺杂Si衬底上室温沉积HfO2薄膜,并对薄膜样品分别进行400、450、500℃的恒温90 s快速退火处理。AFM测试结果表明,退火处理后HfO2薄膜表面的均方根粗糙度均未高于0.30 nm,处于较低水平;XRD测试结果表明,不同温度的退火处理并未使HfO2薄膜结构发生改变,样品均为无定形结构;阻抗测试结果显示,三组薄膜样品的相对介电常数均大于21且介电损耗水平均较低,介电性能良好。以室温电子束蒸镀制备的HfO_(2)薄膜为基底,利用PECVD在400、450、500℃低温条件下原位生长石墨烯。AFM和拉曼测试结果表明,500℃下沉积的石墨烯样品表面平坦度最高且层数在10层以内,实现了石墨烯器件绝缘介质层与有源层制备工艺的良好结合。

HfO_(2)薄膜的亲疏水性对石墨烯沉积的影响

研究了在不同表面润湿性的HfO_(2)薄膜上沉积石墨烯的质量,判断了不同表面能大小碳原子的沉积方向。采用电子束工艺制备不同生长时间的HfO_(2)薄膜,经过静态接触角测量可知,所有HfO_(2)薄膜均为疏水性,且随着薄膜厚度的增加,表面疏水性加强。再通过等离子体化学气相沉积工艺在HfO_(2)样品表面制备石墨烯薄膜。通过拉曼测试得出,表面中性润湿性基底对于碳沉积密度贡献不大;表面微疏水性基底对于碳原子总沉积量增益不大,但是对于形成sp2轨道的碳碳双键则增强明显,原因主要是由于碳原子在表面横向迁移的作用增强,从而形成大面积石墨烯薄膜。

硒/氧化石墨烯/二氧化钛复合薄膜的制备及光电转换性质

将氧化石墨烯(GO)掺入钛酸溶胶中,以导电玻璃(ITO)为基底,经浸渍-涂覆-煅烧得到GO/TiO2复合薄膜;采用电沉积技术在GO/TiO2薄膜表面沉积Se纳米微粒,得到Se/GO/TiO2复合薄膜;利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了复合薄膜的形貌和晶体结构,采用紫外可见光谱仪测定了其光谱学性质,利用光电转换实验测定了其光电转换性质.结果表明,所制备的Se/GO/TiO2复合薄膜各组分分布均匀,具有锐钛矿相结构的TiO2颗粒粒径为20nm,与TiO2结合的GO具有分散片层结构,薄膜中的Se颗粒粒径为60～80nm.与此同时,在Se和GO的共同作用下,Se/GO/TiO2复合薄膜对可见光有很好的光电转换效应.

还原氧化石墨烯/TiO_(2)纳米线复合膜的制备及对Cu^(2+)吸附性的影响

以石墨烯和自制TiO_(2)粉末为原料,通过两步水热法联合真空抽滤法制备还原氧化石墨烯/TiO_(2)纳米线(rGO/TiO_(2) NWs)复合膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱对rGO/TiO_(2) NWs复合膜的形貌、结构进行表征。研究结果表明,还原氧化石墨烯和TiO_(2) NWs成功地复合在一起,复合材料中TiO_(2) NWs分散性较好。Cu^(2+)吸附实验结果表明,复合材料中TiO_(2) NWs所占比例、pH值是影响Cu^(2+)吸附效果的重要因素,研究复合材料对Cu^(2+)的吸附效果应该在pH值为6.0的近中性环境。其中TiO_(2) NWs含量为50%时,复合膜对Cu^(2+)的吸附量最高,达到rGO薄膜的4倍。复合薄膜有较好的吸附稳定性,重复使用5次后,吸附率是原吸附量的91%。

衬底材料对石墨烯薄膜生长影响研究

石墨烯薄膜在集成电路领域有着光明的前景,为提高石墨烯原位生长质量,研究了石墨烯薄膜分别在Ni、SiO_(2)以及HfO_(2)衬底上的生长情况与成膜机理。采用电子束蒸镀制备了金属Ni与HfO_(2)高K介质薄膜,利用等离子体化学气相淀积(PECVD)法在温度为450℃、衬底偏压为100 V、射频功率为100 W的条件下,分别以Ni、SiO_(2)和HfO_(2)薄膜为衬底制备石墨烯薄膜。测试表明,Ni、SiO_(2)和HfO_(2)衬底均沉积了石墨烯薄膜,其中Ni衬底石墨烯薄膜样品最厚、缺陷最高;SiO_(2)和HfO_(2)石墨烯样品缺陷低,但石墨烯薄膜在HfO_(2)衬底的覆盖率低;通过Ni、SiO_(2)和HfO_(2)薄膜的表面能入手分析得出,碳原子在Ni表面以溶解-析出方式形成连续薄膜,以直接沉积模式在绝缘衬底上生长,高表面能导致石墨烯薄膜在HfO_(2)表面覆盖率低。

基于抛光基材的热蒸镀铜箔生长高平整单层石墨烯薄膜

在石墨烯的化学气相沉积工艺中,铜箔是决定石墨烯薄膜质量的重要因素。传统铜箔由于制备工艺的限制,存在大量的缺陷,导致石墨烯薄膜的成核密度较高。本工作选用抛光铝板、抛光不锈钢板、微晶玻璃和SiO_(2)/Si作为基材,用热蒸镀法制备了不同粗糙度的铜箔,并详细讨论了以该系列铜箔生长高平整度石墨烯薄膜的条件及铜箔对石墨烯薄膜品质的影响。实验结果表明,铜箔以(111)取向为主,与基材分离后,表面具有纳米级平整度。在生长石墨烯后,从SiO_(2)/Si剥离的铜箔成核密度是4种基材中最小的。同时,从SiO_(2)/Si剥离的铜箔晶体结构变化最不明显,具有良好的结晶性,表面几乎不存在铜晶界缺陷。当压强为3000 Pa,氢气和甲烷流速分别为300 mL/min和0.5 mL/min时,可以获得约1 mm横向尺寸的石墨烯单晶晶畴。

TiO_2-石墨烯电极光电催化处理罗丹明B的研究

通过溶胶凝胶法制备介孔TiO_2-石墨烯复合薄膜,对该薄膜做扫描电镜,紫外-可见漫发射透射光谱,X-射线光谱等表征.结果表明:制备的介孔TiO_2-石墨烯复合薄膜中TiO_2以锐钛矿晶型存在,石墨烯的掺杂使其对光的吸收增强.对该薄膜的光电流密度测试结果表明石墨烯掺杂后光电流密度显著提高.在光电催化降解罗丹明B的实验中,由于掺杂其中的石墨烯起到了分离光生电子和空穴的作用,与单纯的介孔TiO_2薄膜相比,反应动力学常数提高了1. 6倍.

二维MoS2/石墨烯异质结对圆偏振光的光电响应

使用化学气相沉积法在石墨烯/SiO2/Si基底上沉积二维MoS2薄膜制备MoS2/石墨烯异质结,探究该异质结在不同偏振态圆偏振光照射下的光电响应。研究MoS2/石墨烯异质结在不同角度圆偏振光照射下Ⅰ-Ⅴ特性曲线和开路电压的变化规律。结果表明:MoS2/石墨烯异质结电流随圆偏振光偏振角的变化周期为π,开路电压随圆偏振光偏振角的变化周期为π/2。实验揭示了在圆偏振光激发下,MoS2/石墨烯异质结的光电响应呈现出周期性变化。

rGO改性TiO_2薄膜的制备及光催化性能

氧化石墨烯-二氧化钛(GO-TiO_2)前驱体溶胶经浸渍-提拉成薄膜,再经热处理、紫外辐照还原得到还原氧化石墨烯-二氧化钛(rGO-TiO_2)薄膜.利用XRD、Raman、SEM对薄膜进行表征分析.通过光催化还原Ag+以及光催化降解甲基橙研究GO加入量对rGO-TiO_2薄膜光催化性能的影响;并将光催化还原Ag+后的薄膜直接用于降解甲基橙.结果表明:薄膜中TiO_2的晶相为锐钛矿相与金红石相的混合晶相,GO部分被还原为rGO;薄膜表面平整,片状rGO均匀镶嵌其中;当GO质量分数为1.0%和1.5%时,rGO-TiO_2薄膜的光催化性能接近,光催化还原Ag+的效率为93%左右,光催化降解甲基橙的效率为92%左右;光催化还原Ag+后的薄膜直接用来降解甲基橙,其降解效率明显提高.