氮&硫(N&S)共掺石墨烯的可控制备及其光电应用

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石墨烯(Graphene)是碳原子以sp2杂化轨道组成六边形呈蜂窝状排列的最薄二维单原子层晶体材料,性能和应用前景在诸多已知的二维纳米材料中是最为理想的。它的发现弥补了碳材料家族在二维世界的缺陷,谱写了家族的又一个传奇,推翻了早期理论和实验都认为二维材料不可能在自由状态下稳定存在的错误观点;而且,它的发现在新型纳米材料界正在引发一场全球性的技术革命,这场革命在不断升温,并将持续发展,至今仍无降温的迹象。它的力学、电学及导热性能在众多纳米材料中脱颖而出,同时还具有二维晶格结构的柔韧稳定性和单原子层的极高透光性,在新材料、新能源、微电子、智能、医药及航空航天等多个领域具有重大的实际应用。在过去的十几年里,石墨烯的制备已具有机械剥离法、石墨氧化还原法、碳化硅(SiC)外延生长法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等多种各具特色的技术方法。在众多的方法中,CVD法被赋予了一种独特的优势,已成为石墨烯的主流制备方法,通过CVD法在具有催化能力的金属基底可以实现大面积、层数可控的均匀高质量石墨烯的制备,并具有对任意基底的转移能力而呈现出巨大的应用前景。然而,本征石墨烯是一种零带隙的半导体材料,极大限制了其在诸多领域上的应用。为了提高石墨烯的性能和增强应用,国内外研究学者尝试对石墨烯进行改性,试图打开石墨烯的带隙。杂原子掺杂是一种有效的改性方法,既能打开石墨烯的带隙,也能调控本征石墨烯材料的电学、化学、光学和磁性等性能。本论文基于当前科研界报道的关于掺杂石墨烯材料的相关研究背景,针对在制备技术上所面临的挑战,着重在掺杂石墨烯的制备上展开研究,利用石墨烯量子点形核辅助的CVD法可控制备掺杂的石墨烯材料,主要的研究内容如下:利用氮&硫共掺杂的石墨烯量子点(N&S-GQDs)作为单一的掺杂源和形核点,将其旋涂至退火后的Cu箔上;再将含有N&S-GQDs的Cu片放置CVD管式炉中进行生长,制备出氮&硫共掺杂的石墨烯(N&S-G)薄膜;随后将其转移至二氧化硅(SiO2)基底上,应用到场效应晶体管和光电探测器上,运用多种手段进行N&S-G的结构和性能表征;并且可以通过调节旋涂的转速进而调节石墨烯中氮和硫的掺杂浓度,实现一种绿色可控制备、均匀掺杂和大面积石墨烯的CVD制备方法,突破了掺杂石墨烯的高温制备限制。本论文中利用N&S-G薄膜应用于光电探测器上,在1550 nm处实现了高灵敏的响应,并且这种形核点辅助生长的方法在掺杂石墨烯制备上有较广的应用前景。
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