应力对石墨烯电学性能影响的研究

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本文分别从理论和实验两个方面研究了应力对石墨烯电学性能的影响。理论方面本文用紧束缚近似法推导了石墨烯的能带结构表达式,并在此基础上分别给出了拉力作用于锯齿边型和扶手椅型石墨烯纳米带时,石墨烯的键角、键长、碳原子跳跃能及能带结构与拉力的关系。结果表明,当拉力作用于锯齿边型石墨烯纳米带时石墨烯的键角随拉力增大而明显减小,键长随拉力增大而明显增大且呈线性变化;与此相反,当拉力作用于扶手边型石墨烯纳米带时石墨烯的键角随拉力增大而明显增大,键长随拉力增大而明显减小且呈非线性变化。由石墨烯能带结构与拉力的解析关系式表明,理论上可以通过拉力调控石墨烯的能带结构,从而改变石墨烯的导电性能。此外,本文用材料力学的相关知识推导了悬浮于矩形空腔上的薄膜受力时压差和形变之间的解析关系,并在此基础上设计了一种悬浮石墨烯薄膜压力传感器。  在实验方面本文用化学气相沉积法在泡沫镍模板上生长石墨烯,获得三维石墨烯泡沫(GF),并用PDMS填充石墨烯泡沫,制备出三维石墨烯/PDMS复合材料,用其研究了应力对这种复合材料电学性能的影响。结果表明,该复合材料在弯曲情形下,其电阻相对变化率随弯曲曲率增加而增加,且曲率较小时,电阻的相对变化率增幅较大,曲率较大时,电阻的相对变化率增幅较小。对复合材料加一层PET衬底构成双层介质时,将样品向石墨烯一侧弯曲,其电阻的相对变化率随弯曲曲率的增加而减小;将样品向PET一侧弯曲,其电阻的相对变化率随弯曲曲率的增加而增加,且其电阻相对变化率的绝对值与单层材料相比最高可达7倍。在拉伸情形下,其电阻相对变化率随拉伸应变增大而增大,其平均应变灵敏度约为6;在95%的拉力作用下样品断裂。
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