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物理学报 2022年第19期71卷 328-337页

作者：蒋梅燕王平陈爱盛陈成克李晓鲁少华胡晓君浙江工业大学材料科学与工程学院杭州310014

金刚石/石墨烯复合电极因能发挥金刚石组分的低背景电流和宽电势窗口,且兼具石墨组分的高电化学活性,引起了人们的广泛关注.本文采用热丝化学气相沉积方法,通过调控短时生长时间,在纳米金刚石单颗粒层表面的竖立石墨烯片中嵌入纳米金刚... 详细信息

金刚石/石墨烯复合电极因能发挥金刚石组分的低背景电流和宽电势窗口,且兼具石墨组分的高电化学活性,引起了人们的广泛关注.本文采用热丝化学气相沉积方法,通过调控短时生长时间,在纳米金刚石单颗粒层表面的竖立石墨烯片中嵌入纳米金刚石,形成复合三维电极.结果表明,当竖立石墨烯片顶部生长了纳米金刚石时,电极显示较宽的电势窗口(3.59 V)和极低的背景电流(1.27 mA/cm^(2)),片层顶部少层石墨包覆纳米金刚石晶粒的复合结构是拓宽电势窗口和降低背景电流的关键.随着生长时间延长,竖立片层长大,纳米金刚石晶粒嵌入到片层中,构建了新型的纳米金刚石/石墨烯复合竖立片层结构;有序的石墨结构使得电化学活性面积增大为677.19μC/cm^(2)和比电容增至627.34μF/cm^(2),石墨组分增多使得电势窗口变窄,嵌入片层中的纳米金刚石有效地降低背景电流.本研究提供了一种热丝化学气相沉积方法制备纳米金刚石/石墨烯复合三维电极的新方法,并为充分发挥金刚石/石墨烯复合薄膜的协同效应提供了一种新思路.

关键词：纳米金刚石竖立石墨烯电极电化学性能

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竖立石墨烯在纳米金刚石薄膜上的生长机制研究

竖立石墨烯在纳米金刚石薄膜上的生长机制研究

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作者：韩斯佳浙江工业大学

学位级别：硕士

作为新型碳材料,石墨烯具有许多优异的力学与电化学性能。但这些性能容易受到石墨烯放置状态与基底的影响。因此石墨烯的放置状态与基底选择对于有效利用其巨大的表面积和非凡的电学、化学、光学和机械性能十分关键。竖立石墨烯的独特... 详细信息

作为新型碳材料,石墨烯具有许多优异的力学与电化学性能。但这些性能容易受到石墨烯放置状态与基底的影响。因此石墨烯的放置状态与基底选择对于有效利用其巨大的表面积和非凡的电学、化学、光学和机械性能十分关键。竖立石墨烯的独特取向使石墨烯既能保持其固有特性,并具有其它优异的附加特性,在电容器、电化学电极等方面具有广阔应用前景,而使用金刚石作为基底能够最大程度上保留石墨烯电子特性。然而,目前金刚石基底上生长竖立石墨烯的机制仍未阐明,难以有效控制竖直石墨烯的生长形态、片层厚度等,是实现其应用的主要挑战。为了解决以上问题,提出以纳米金刚石薄膜作为基底,通过控制生长气源流量与生长功率在其上生长竖立石墨烯。通过控制生长时间研究竖立石墨烯的生长过程,以此探究竖立石墨烯的生长机制。本文研究的具体结果如下:通过热丝化学气相沉积法(HFCVD)系统调控生长气源流量与生长功率以制备得到竖立石墨烯。系统探究了生长气源流量与生长功率对生长竖立石墨烯的影响。结果表明,氢气流量对竖立石墨烯的生长与否起着决定性作用。当氢气流量过大时,由于氢气对石墨相的优先刻蚀作用,竖立石墨烯无法生长。碳源流量对竖立石墨烯的生长也起着重要作用。当氢气流量为0 sccm,碳源流量大于25 sccm时,竖立石墨烯开始生成,且随着碳源流量的进一步增加,其上生长的竖立石墨烯数量增多。而当提供了充分碳源(100 sccm)后,片层结构大部分停止生长。生长功率影响着竖立石墨烯的结构形态。当生长功率过低时,由于气源无法解离,无法生成竖立石墨烯。当生长功率过高(大于1800 W)时,竖立石墨烯生长数量大幅度增加,但由于数量过多,片层间的挤压会使其形态变成波纹状。由此得出竖立石墨烯在纳米金刚石薄膜上生长的最佳工艺为碳源流量100 sccm,生长功率1800 W。通过HFCVD系统调控生长时间以研究竖立石墨烯的生长过程。结果表明,在纳米金刚石薄膜基底上生长的竖立石墨烯具有周期性形貌变化。首先内部金刚石小颗粒成核生长出柔软的石墨结构,即形成竖立石墨烯结构。随着时间增长,该石墨结构逐渐变得刚直,变成针状的石墨结构。而此期间,石墨针状结构周围形成了石墨包裹着金刚石小颗粒的结构(NCD-G)。随着该结构的增多,片层结构消失,在其上可能发生了石墨-金刚石相变。而进一步延长时间,金刚石小颗粒上再次成核生长柔软的石墨结构,循环往复,形成周期性变化。该结果首次发现了金刚石上生长竖立石墨烯的成核机制,为竖立石墨烯成核机制提供了新的解释。通过HFCVD系统降低生长功率并延长生长时间来减缓相变过程,以期观察到石墨-金刚石相变过程。结果表明,当生长时间延长至8 min时,石墨针状结构的不同位置处均观察到了石墨与金刚石的共同存在状态,且随着位置的变化,石墨上的金刚石结构变得明显,说明石墨在往金刚石转变。EELS光谱进一步验证了其上相变,说明在一定生长条件下,石墨能在低温低压的情况下转变形成金刚石。这一发现,为低温低压条件下制备金刚石的方式提供了新思路。

关键词：竖立石墨烯纳米金刚石薄膜生长机制相变

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