纳米薄膜材料(石墨烯、氧化锌)的制备

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纳米薄膜和普通薄膜相比,具有许多独特的光学、力学、电磁学和气敏等特性,在军事、工业、石化等领域表现出广泛的应用前景。随着新型纳米薄膜材料的不断发展,基于这些新型纳米薄膜材料的应用越来越多,当前的薄膜制备技术往往不能满足纳米薄膜的应用需求,因此需要探索不同的纳米薄膜制备技术具有重要意义。   本文针对当前具有广泛应用前景的纳米薄膜材料——石墨烯和氧化锌,概述了这两种薄膜材料的性质,主要聚焦于这两种薄膜材料制备技术展开研究。主要内容有:   1、采用固相转移技术制备石墨烯薄膜。首次提出了表面修饰法固相转移大面积石墨烯的方法,基于该方法提出了制备石墨烯的“三步法”方案:第一步,将高定向热解石墨(HOPG)通过氧等离子体表面修饰形成含氧官能团(-OH);第二步,将SiO2/Si衬底通过化学试剂处理使其表面羟基化;第三步,将上述处理后的HOPG压印在衬底表面,通过多物理场(压力、真空等)耦合,形成纳米级复合结构,二者分离后实现石墨烯转移到衬底上,得到绝缘体上的石墨烯晶体薄膜(GOI)。对制备的石墨烯进行了光学显微镜(OM)、原子力显微镜(AFM)和Raman光谱的表征分析,分析显示制备的单层石墨烯面积高达35×20μm2,厚度大约为0.865 nm,超过前人采用同样压印转移方式制备的石墨烯尺寸,最后研究了石墨烯转移的工艺研究和机理分析。本方法直接将石墨烯沉积到SiO2衬底上,避免了转移层或者基于印章的二次转移对石墨烯性能影响,使用的化学试剂无毒或低毒,安全环保,操作工艺简单、成本低,转移到衬底上的石墨烯可以直接用于后续的表征和应用。但是由于氧等离子体的表面修饰,使得石墨烯存在晶体结构缺陷,有望通过后续的高温还原性气氛退火处理消除缺陷。   2、采用原子层沉积法制备氧化锌(ZnO)薄膜。利用原子层沉积(ALD)技术,以DEZn和H2O为原料在衬底上生长ZnO薄膜。主要研究了外加电场对ZnO薄膜生长的影响,创新性的提出了外加电场会影响ZnO(002)晶面表面极性,进而影响前驱体的吸附反应。此外,电场对前驱体分子产生了一个沿着电场梯度方向的极化力,促进前驱体分子在衬底表面的吸附。研究了DEZn的脉冲时间对ZnO薄膜生长的影响,分析显示增加DEZn的脉冲时间,促进了DEZn分子在衬底表面的覆盖率,增加了Zn原子的表面堆积密度,使得动力学控制的ZnO薄膜趋向于表面能更低的(002)晶面生长,甚至获得了(002)晶面的单晶ZnO薄膜,为ZnO的应用奠定了基础。
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