插层石墨烯的基本性质及分子结构的热动力学演变

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分子插层石墨烯作为一种新颖的二维系统,其将插入分子和石墨烯相关的物理和化学特性有机结合,给多个应用领域及基础物理学领域提供了一个全新的研究窗口。本文通过选取鳞片石墨作为石墨基体,无水氯化铁粉末作为插层剂,使用真空双温区法成功制备了一阶三氯化铁-石墨插层化合物(FeCl3-GIC),并研究其基本物理特性以及不同热环境下的结构分子动力学演变,发现其在5K的温度下会出现超顺磁性转变,此外以FeCl3-GIC为母体材料进行机械剥离,得到少层三氯化铁-石墨烯插层化合物(FeCl3-FLGIC)。对FeCl3-GIC和FeCl3-FLGIC在不同化学环境中进行不同温度的热退火处理,以拉曼光谱作为监测工具研究其结构演变过程。FeCl3-GIC在空气中500℃和600℃退火会发生层间的FeCl3半数脱嵌从而实现一阶结构到二阶结构的转变,同时伴随着未知物质的生成,在700℃退火之后,其会完全转变为未知物质,该物质的拉曼光谱仅在~1300cm-1出现一个特征峰,脱嵌过程及未知物质的生成首先从边缘位置开始。FeCl3-GIC在氩气中500℃退火同样会发生一阶结构到二阶结构的转变,但更高退火的温度则会造成石墨基体被刻蚀以及FeCl3脱嵌的加剧,最终700℃退火产物会变成掺杂的少层石墨烯;FeCl3-GIC在氢气环境中退火,其层间的FeCl3被还原成FeCl2伴随着脱嵌的发生,但氢气中退火并不会造成石墨的刻蚀,最终退火产物为空穴掺杂石墨。FeCl3-FLGIC在空气中500℃退火即会发生严重刻蚀,更高的退火温度则会被完全刻蚀。FeCl3-FLGIC在氩气中500℃和600℃退火其结构演变与其母体材料呈现类似趋势,但退火温度达到700℃时会发生严重刻蚀。FeCl3-FLGIC在氢气中退火会发生强烈的衬底反应效应,拉曼光谱中出现“鼓包状”的D峰,该效应随退火温度升高而增强。最后对两种方法(自上而下法和自下而上法)制备的双层三氯化铁-石墨插层烯化合物(FeCl3-2LGIC)引入激光辐照诱导其层间的分子动态演变,发现插入的FeCl3在相对较小的激光剂量下可以稳定存在,当激光剂量超过0.3J/μm2时开始发生结构转变。经过整个辐照过程后,自上而下法制备的FeCl3-2LGIC大部分脱嵌并引入明显的缺陷,而自上而下法制备的FeCl3-2LGIC辐照区域变成掺杂双层石墨烯。
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