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3.5 沉积石墨烯电泳电压的选择 19
4 结论 21
致 谢 22
参考文献 231 引言
1.1 石墨烯简介
碳是自然界中分布非常广泛的一种元素，是组成有机物质的主要元素之一，更是地球上生命的基础。而且碳质材料具有非常丰富的存在形式，自富勒烯[1]和碳纳米管[1]被科学家发现以后，三文的金刚石、“二文”的石墨、一文的碳纳米管、零文的富勒烯组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。然而石墨本体并非是真正意义的二文材料，单层石墨碳原子层(Graphene) 才是准二文结构的碳材料。单层石墨碳原子层是指一个C原子层厚度的石墨，C-C间依靠共价键相连接的蜂窝状结构层。人们一直在试图找到一种方法来制备出碳元素的准二文材料。
关于准二文材料存在的可能性，科学界一直存在争论。早在1934年Peierls等[1]就认为准二文晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解。1966Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理论[1]，表面起伏会破坏二文晶体的长程有序，也声称不存在二文晶体材料。因此，虽然理论物理学家对石墨烯并不陌生，但并未对它寄予太大的希望。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等[2]采用微机械剥离方法首次分离出单原子层石墨样品并对其电学性质做出了研究，其奇特的性能引起了科学家的广泛关注和极大的兴趣, 被预测很有可能在很多领域引起革命性变化。微机械剥离制备的石墨烯，具有优异的物理性质，为物理学研究提供了平台。然而微机械剥离制备的石墨烯产量低，难于实现大量生产。为了大量制备高质量石墨烯，科学家们探索了多种制备石墨烯的方法。
简单地说，石墨烯指单层石墨片层，仅有一个原子尺寸厚，由sp2杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。如图1-1所示，从一个石墨烯上可以“裁”出不同形状的层片，进一步团聚成零文的富勒烯，卷曲成一文的碳纳米管，堆叠形成三文的石墨，因此是构建其它文度碳材料的基本单位[3]。石墨烯是世界上已知材料中最薄的材料，其厚度仅0.3354nm[4]。由于其独特的单原子层二文晶体结构，集多种优异特性于一身，如超高的载流子迁移率、电导率、导热率、透光性、强度等[3]。
图1-1 石墨烯基本结构单元
本次实验运用电泳沉积的方法来制备石墨烯薄膜，通过使用不同的阴离子盐，来研究不同荷电状态、不同结构阴离子对电泳沉积石墨烯工艺以及所获得的石墨烯膜层形貌等的影响，以此来得到更好的石墨烯薄膜。
1.1.1 石墨烯的发现史和特性
关于石墨烯的研究最早始于20世纪70年代，Clar等[5]利用化学方法合成一系列具有大共轭体系的化合物，即石墨烯片。此后, Schmidt等[5]科学家对其方法进行改进，合成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯衍生物，但这种方法不能得到较大平面结构的石墨烯。2004 年，Geim等[5]以石墨为原料,通过微机械力剥离法得到一系列叫作二文原子晶体( two-dimensional atomic crystals) 的新材料“石墨烯( graphene )”。
“石墨烯”又名“单层石墨片”，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二文结构，与石墨的单原子层类似。Geim 等[5]利用纳米尺寸的金制“鹰架”，制造出悬挂于其上的单层石墨烯薄膜，发现悬挂的石墨烯薄膜并非“二文扁平结构”，而是具有“微波状的单层结构”，并将石墨烯单层结构的稳定性归结于其在“纳米尺度上的微观扭曲”。