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石墨烯阵列场发射性能的研究

石墨烯阵列场发射性能的研究

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作者：冯艳梅东南大学

学位级别：硕士

石墨烯是一种由碳原子以Sp2杂化轨道组成的六角型晶格单原子层二维晶体。有许多独特的性质,它是零带隙的半金属半导体材料,具有优异的电导率、良好的载流子迁移率、很高的热导率、超高的比表面积以及优异的力学性能,这些独特的优势使得... 详细信息

石墨烯是一种由碳原子以Sp2杂化轨道组成的六角型晶格单原子层二维晶体。有许多独特的性质,它是零带隙的半金属半导体材料,具有优异的电导率、良好的载流子迁移率、很高的热导率、超高的比表面积以及优异的力学性能,这些独特的优势使得石墨烯具有良好的场发射性质。场致发射是冷阴极电子发射。场发射阴极具有大电流、低功耗和冷发射的特点,有着广阔的应用前景。石墨烯具有众多独特的优势,使其成为理想的场发射阴极材料。但是,目前石墨烯作为场发射阴极一般都是成片随机堆叠分布,局部场发射电子方向、电流密度随机分布,发射稳定性和均匀性较差,制约了其在场发射方面的应用。本论文针对上述的特点,以石墨烯为研究对象,在深入分析石墨烯场发射阴极基础上,对石墨烯阴极结构及其制备工艺作了创新性和探索性研究。提出了一种基于直立石墨烯环阵列的场发射阴极结构和制造工艺。主要工作内容有：(1)利用COMSOL和自行设计的电子轨迹计算软件对直立石墨烯阵列的场发射性能进行仿真。研究了阴极间距和阴极周围介质对场发射性能的影响。仿真结果表明阴极周围介质对其场发射性能影响甚微,但是阴极间距的影响比较显著。综合考虑阴极电压的调制作用和制作工艺的局限,阴极间距取5-10μm较为合适。(2)设计了凸起和凹洞两种Ti-Cu-Ti的基底结构,采用磁控溅射镀膜、光刻及蚀刻等工艺制备了两种基底,对制备过程中的工艺参数进行了优化,得到了能够在凸起和凹洞侧壁生长石墨烯的基底。(3)采用乙炔作为碳源,采用LPCVD法在两种基底上生长出直立环状石墨烯,并对工艺参数进行了研究。利用拉曼图谱和扫描电镜对石墨烯的特性和形貌进行分析,证明了工艺的可行性,为直立石墨烯作为场发射器件中的阴极结构的应用奠定了研究基础。

关键词：石墨烯场发射直立石墨烯 Ti-Cu-Ti基底 LPCVD

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电化学方法研究石墨烯为载体的药物释放及石墨烯形态对电子转移速率、电化学发光的影响

电化学方法研究石墨烯为载体的药物释放及石墨烯形态对电子转移速...

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作者：曹孟梅青岛大学

学位级别：硕士

石墨烯的二维平面超共轭结构使其具有独一无二的优异性能,在储能、生物、传感等领域都得到了广泛的研究和应用。然而,这种结构特点使石墨烯片层易发生聚集,在很大程度上限制了石墨烯的进一步应用。所以在使用过程中需要对石墨烯进行改性... 详细信息

石墨烯的二维平面超共轭结构使其具有独一无二的优异性能,在储能、生物、传感等领域都得到了广泛的研究和应用。然而,这种结构特点使石墨烯片层易发生聚集,在很大程度上限制了石墨烯的进一步应用。所以在使用过程中需要对石墨烯进行改性,改性方法可分为共价键改性和非共价键改性。共价键改性主要包括原子/分子掺杂或者与石墨烯上的残留官能团进行化学反应;非共价键改性主要包括范德华力、静电作用、氢键、配位键和π-π叠加作用等。与前者相比,非共价键改性更能保持石墨烯的原始结构,尤其是π-π叠加产生的作用力高于上述其他非共价键改性,所以被广泛应用于石墨烯的改性。本文介绍了我们利用电化学的方法研究石墨烯的相关性质和应用。首先介绍了我们结合石墨烯的结构特点和π-π叠加作用的优势,第一次提出了利用电化学方法来调整以石墨烯为载体的药物的可控释放。我们将表面结构与石墨烯相近的各向异性的石墨电极为工作电极,利用π-π叠加作用将含有大π环结构的药物修饰到石墨电极的表面。利用计时电流法对电极施加一定的电压,通过改变施压电压的大小、时间和电解液的pH对电极表面的药物进行可控释放。考虑到石墨电极的表面面积有限,不足以体现石墨烯比表面积大的优势,所以我们以导电玻璃为基底,金、铝和石墨烯为靶材,用离子束溅射的方法得到一个表面结构均匀的电极,用酸将铝除去便得到我们想要的多孔石墨烯/金电极。将上述电极作为工作电极进行石墨烯载体药物的电化学可控释放的实验。金的加入增加了导电性;多孔结构增大了石墨烯的比表面积。通过测试静电排斥前后电解液的荧光强度,更直接得显示药物释放的效果。其次,我们以玻碳电极为基底,分别用电化学还原和溶液浸泡的方法将石墨烯长到电极表面。扫描电镜测试结果显示前者所产生的石墨烯以直立状态长到电极表面,后者是平铺的状态。不同扫描速率下的循环伏安曲线测试和计算结果表明直立生长的石墨烯电子转移速率比平铺生长的大9倍。电化学发光测试表明直立生长在电极表面的石墨烯更加稳定。因此,直立生长的石墨烯在传感器方面的应用更有优势。

关键词：石墨烯 π-π叠加作用电化学排斥直立石墨烯电化学发光

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三维结构硅负极在锂离子电池中的应用

三维结构硅负极在锂离子电池中的应用

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作者：张铭扬桂林电子科技大学

学位级别：硕士

锂离子电池能量密度高、对环境友好、无记忆以及充/放电次数多等优点,而成为电池家族的新宠。硅基材料由于其具有嵌锂电压低、高理论比容量、分布广以及环境友好等优点,成为锂离子电池负极材料的最佳选择。但是,硅基材料嵌锂过程中体积... 详细信息

锂离子电池能量密度高、对环境友好、无记忆以及充/放电次数多等优点,而成为电池家族的新宠。硅基材料由于其具有嵌锂电压低、高理论比容量、分布广以及环境友好等优点,成为锂离子电池负极材料的最佳选择。但是,硅基材料嵌锂过程中体积膨胀大,使活性硅从集流体表面脱落,这种膨胀也会使电极表面的固体电解质相界面膜(SEI)破裂,而且会额外消耗Li,使电池容量随着循环周期增加而迅速下降。此外,硅基材料的导电性能相较于商业化使用石墨负极材料更低,使其具有更差的倍率性能,这些缺点使硅基负极材料在商业化过程中遭遇巨大的阻力。因此,硅基负极材料的性能改善研究具有重大意义。本论文以改善微米结构的硅负极材料以及微米尺寸三维结构在锂离子电池中的应用为目标,研究以直立石墨烯包覆硅负极的三维微结构对锂离子电池性能改善。同时,研究铝金属膜对厚度为1微米的硅基薄膜负极材料的影响。具体研究工作如下:(1)制备了晶体取向的硅微米柱阵列,用于筛选电解质添加剂。通过充放电循环、电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)对LiPF碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DMC)(1:1)体系中分别添加了氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、亚硫酸乙烯酯(ES)和碳酸亚乙烯酯(VC)电解质添加剂进行了测试。电解液添加剂的使用改善了锂离子电池的SEI膜的性能,其主要受膜成分的影响,而电解液添加剂的引入改良了SEI膜的成分,提高了锂离子电池的性能。含添加剂的电极表面的固体电解质相界面膜比较致密,十次循环后没有出现裂纹。因为表面膜的成分中含有聚锂盐,进一步提高了固体电解质相界面膜的性能。该工作为分析电解质添加剂的性能提供了一种快速有效的测试方法,为新型电解质添加剂的开发提供了指导。(2)制备了一种阵列结构的硅微米方柱-石墨烯复合三维结构,并研究了直立石墨烯包覆层对硅微米柱电极的电化学性能以及结构稳定性的改善作用。实验结果表明,直立石墨烯的包覆使首周库伦效率提升至90%以上,硅微米柱-石墨烯复合三维电极在50周循环后电极表面结构完整,表面覆盖一层薄的固体电解质相界面膜,而无直立石墨烯包覆的硅微米柱电极则从集流体表面脱落。同时,在长周期循环测试中,硅微米柱-石墨烯复合三维电极的库伦效率及容量保持率均优于未包覆石墨烯的电极。(3)在镍基底表面制备了非晶硅-铝薄膜复合结构,并研究了其性能。在镍集流体表面沉积厚度为1μm的硅薄膜电极材料,对单层50 nm铝薄膜结构和50nm/50nm以及25nm/25nm双层薄膜结构进行研究。结果表明,单层铝薄膜金属的复合电极使电池首周库伦效率得到提升,循环稳定性从380个循环提升至600个循环,寿命得到极大的提升。同时在双层膜结构的探索中,25nm/25nm双层薄膜结构的首周库伦效率最高,为87%,相较于单层膜结构的库伦效率提升4.6%。本论文研究成果为降低锂离子电池电解液添加剂的研发成本和微米尺寸硅负极电池材料的研制提供了新的方法与思路。

关键词：硅微米柱直立石墨烯低温刻蚀锂离子电池硅负极材料

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