碳纳米材料的磷掺杂
碳纳米材料的磷掺杂[20191223142008]
摘 要
正如大家所知，磷是正五价原子，碳是正四价原子，他们在尺寸上是非常相近的。磷很可能插入石墨的结构中去，从而改变碳的性能，如化学性能，力学性能，电学性能。因此，掺杂磷的碳纳米管逐渐成为人们研究的热点。
其独特的电学性质，在石墨烯中掺杂（例如，N，B，S掺杂的）可调节其电学和化学性能，以便它在燃料电池，锂离子电池和场效应晶体管应用中表现出更优异的性能。
本论文拟在石墨烯和碳纳米管材料中进磷掺杂并研究其光学和磁学性能。我们通过实验方法制备Ｐ－ＧＯ和Ｐ－ＣＮＴ，再进行表征。从而分析磷掺杂所带来的优异性能以及当前所遇到的困难。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:磷掺杂石墨烯碳纳米管
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2结构 1
1.3特性 2
1.4合成和应用之间的关系 2
1.4.1合成 3
1.4.2自上而下的方法 4
1.4.3自下而上的方法 6
2.表征方法 10
2.1材料的制备 10
2.1.1 溶胶凝胶 10
2.1.2化学气相沉积 10
2.2 材料表征 11
2.2.1描电子显微镜（SEM） 11
2.2.2振动样品磁强计（VSM） 11
2.2.3 x射线光电子能谱仪(XPS) 14
3.研究物质的制备与表征 15
3.1掺磷石墨烯的制备 15
3.2掺磷碳纳米管的制备 15
3.3磷掺杂在石墨烯和碳纳米管的表征 16
3.3.1 磷掺杂在石墨烯的表征 16
3.3.2 磷掺杂在碳纳米管的表征 18
结论.................................................................................20参考文献.......................................... .......................21
致谢...... ................................................................22
1 绪论
石墨烯是一种很神奇的材料，它可以运用在很多领域，如电子器件，超级电容器，电池，复合材料，弹性透明显示器和传感器等。[1]本文综述了磷元素的不同掺杂方法，并讨论通过这些方法掺杂后材料的性能和特点。
1.1引言
石墨烯方面有丰富科研的主题，自从海姆和诺沃肖洛夫在2004年制备出石墨烯并获得2010年诺贝尔物理学奖之后媒体也非常关注这个课题。[2]催化剂可以用来测定石墨的特殊的物理性能，包括巨大的力量，非常高的热以及电传导性的测定。优良的导电性加上片材的透明性和柔软性，能激发出许多的石墨烯的将来的应用，如穿戴式电子产品。除了许多实际的应用，石墨烯可能有另外的应用，如储能材料，高分子复合材料，透明电极。在本文中，将通过合成材料的生存能力和该材料的实用性对石墨烯的不同合成方法进行讨论。
1.2结构
石墨烯是由碳六元环组成的而为周期蜂窝状点阵，它的形状是多变的，既可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene)也可以卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube,更为奇特的是，它也可以变为堆垛成三维(3D)的石墨(graphite)。正因为有这些特性，石墨烯是其他石墨材料的基本单元。[3]有机材料中最稳定上午苯六元环其实是石墨烯的基本单元。目前，最理想的二维纳米材料就是这种苯六元环。我们可以将石墨烯想象成平面六边形上的点阵，这样我们就可以将石墨烯看做是一层被剥离的石墨分子，其中，每个碳原子均为SP2杂化，并提供其他电子，只留下一个P轨道上的电子形成大π键，π电子可以在轨道上能够自由的移动，这样的结构才具有良好的导电性。在这种情况下，二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。[4]
图1-1 扶手型（蓝色）和锯齿型（红色）在单层石墨烯边缘。
1.3特性
当看到石墨烯物理性质的测量结果时就很容易明白为什么称石墨烯为“奇迹材料”。作为单一层的碳原子，石墨烯最薄并且不透气，其硬度比钢强。此外石墨烯的室温下的热导率（高达5000 W·m-1·K-1）。作为单层碳，石墨烯具有理论值高达2630 m2g-1的高表面积，并且几乎透明，可吸收白光约2.3%。石墨烯还表现出良好的“可折叠性”，可以在它弯曲或伸直后恢复它的电气性能。石墨烯其他方面的性能还将进行详细的审查。[5]
石墨烯的电子性质或许是最受关注的。石墨烯已经显示出具有极其高的电荷载体迁移率，报道出的自由悬浮石墨烯具有超过2000000 cm2V-1 S-1，使其能成为电的优良导体。此导电性的产生是由于在石墨烯中传播着有异常行为的电子，可以说其充当着无质量费米子；通过狄拉克方程可以最好的描述，而用于常规系统的薛定谔方程则不可以体现这个性质。
然而，应该被指出的是这些令人惊异的性能只是记录在单层石墨烯的样品上，而不是可实际运用的石墨烯。石墨烯的电子散射是由石墨烯片内杂质缺陷和拓扑晶格缺陷引起的，粒子再通过界面声子，表面电荷陷阱和制备时的残留物进一步与底物相互作用碰撞。据报道，不同厚度的石墨烯具有不同的硬度和弹性模量，这两种特性线性下降。
1.4合成和应用之间的关系
基于上述众多优异性能的讨论，石墨烯的应用也相当广泛。特定应用及重要性能总结于表1中。石墨烯的量和形式根据应用需求而变化;而一些应用，如透明电极和传感器要求薄膜的石墨烯，其他应用，如能量存储装置（如电池和超级电容器）和高分子复合材料需要相对大量的石墨烯纳米片。[6]
表1-1 石墨烯的性能对石墨烯不同的应用的重要性
表1-1 总结石墨烯的性能对石墨烯不同的应用的重要性，其中打勾表示的重要，叉表示相对不重要，一个正方形表示该属性是有事重要。
为了让石墨烯的潜力得到充分实现,需要开发出质量好并且可重复使用的合成材料。尽管这还是个挑战，但在近几年也有许多不同的合成方法，在第三节中有讨论。各种合成方法都会由于本身的性质而更好的应用。相比之下，用于场发射的材料需要良好的欧姆接触，从而是石墨烯在金属下生长适合很明智的选择。[7]
石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。
1.4.1合成
自顶向下和自底向上是石墨烯合成的两种不同类型。自上而下的方法是从分裂开石墨的堆积层中得到单层石墨烯片，而自下而上的方法是用人工合成碳替代石墨烯源（图2）。[8]
图1-2 “自下而上”和“自上而下”的石墨烯合成示意图
用自上而下的方法分离叠层意味着范德华力必须克服层间的结合能，这并不是一个简单的任务。这个挑战的关键在于如何在分离时不破坏片材并且防止各层再次凝聚。自上而下的方法通常产量低，步骤多，而且有一个共同的缺点就是天然石墨的资源有限，难以取得。[9]石墨棒可以在高温条件下合成，但由于较差的石墨化水平和不规则的形态通常很难用于石墨烯的生产。在自下而上的方法中，高质量的石墨要成为优质的材料必须在高温中进行。这种方法所涉及的步骤通常很简单，生产材料的缺陷也比自上而下的水平高。除了形成石墨烯纳米片，自下而上的方法也可以通过对某些底物的生长，形成大面积的石墨烯薄膜。
图1-3 图显示通过李的方法形成石墨烯片步骤中插层 - 膨胀 - 微爆的过程
1.4.2自上而下的方法
用胶带使石墨各层分开的方法是第一个用于实验分离石墨烯方法。反复粘贴会产生的单层，双层和少层石墨烯，通过光学显微镜来确认。该方法下制备的石墨烯还需要进行石墨处理，因此该方法还没有在商业里广泛运用。[10]
图1-4 石墨烯由蠕虫状膨胀石墨（WEG）到液相剥脱
图1-4（a）WEG的图片，图1-4（b）WEG的SEM图像，1-4（C，左）超声均匀分散图和图1-4（C，右）离心分散，图1-4（d）单层石墨烯片的AFM图像，图1-4（e）透射电子显微镜照片，图1-4（f）单层石墨烯片的TEM图像，1-4（e）（g）电子衍射是白色标记图，1-4（f）(h)石墨烯片EDX光谱图。
摘 要
正如大家所知，磷是正五价原子，碳是正四价原子，他们在尺寸上是非常相近的。磷很可能插入石墨的结构中去，从而改变碳的性能，如化学性能，力学性能，电学性能。因此，掺杂磷的碳纳米管逐渐成为人们研究的热点。
其独特的电学性质，在石墨烯中掺杂（例如，N，B，S掺杂的）可调节其电学和化学性能，以便它在燃料电池，锂离子电池和场效应晶体管应用中表现出更优异的性能。
本论文拟在石墨烯和碳纳米管材料中进磷掺杂并研究其光学和磁学性能。我们通过实验方法制备Ｐ－ＧＯ和Ｐ－ＣＮＴ，再进行表征。从而分析磷掺杂所带来的优异性能以及当前所遇到的困难。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:磷掺杂石墨烯碳纳米管
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2结构 1
1.3特性 2
1.4合成和应用之间的关系 2
1.4.1合成 3
1.4.2自上而下的方法 4
1.4.3自下而上的方法 6
2.表征方法 10
2.1材料的制备 10
2.1.1 溶胶凝胶 10
2.1.2化学气相沉积 10
2.2 材料表征 11
2.2.1描电子显微镜（SEM） 11
2.2.2振动样品磁强计（VSM） 11
2.2.3 x射线光电子能谱仪(XPS) 14
3.研究物质的制备与表征 15
3.1掺磷石墨烯的制备 15
3.2掺磷碳纳米管的制备 15
3.3磷掺杂在石墨烯和碳纳米管的表征 16
3.3.1 磷掺杂在石墨烯的表征 16
3.3.2 磷掺杂在碳纳米管的表征 18
结论.................................................................................20参考文献.......................................... .......................21
致谢...... ................................................................22
1 绪论
石墨烯是一种很神奇的材料，它可以运用在很多领域，如电子器件，超级电容器，电池，复合材料，弹性透明显示器和传感器等。[1]本文综述了磷元素的不同掺杂方法，并讨论通过这些方法掺杂后材料的性能和特点。
1.1引言
石墨烯方面有丰富科研的主题，自从海姆和诺沃肖洛夫在2004年制备出石墨烯并获得2010年诺贝尔物理学奖之后媒体也非常关注这个课题。[2]催化剂可以用来测定石墨的特殊的物理性能，包括巨大的力量，非常高的热以及电传导性的测定。优良的导电性加上片材的透明性和柔软性，能激发出许多的石墨烯的将来的应用，如穿戴式电子产品。除了许多实际的应用，石墨烯可能有另外的应用，如储能材料，高分子复合材料，透明电极。在本文中，将通过合成材料的生存能力和该材料的实用性对石墨烯的不同合成方法进行讨论。
1.2结构
石墨烯是由碳六元环组成的而为周期蜂窝状点阵，它的形状是多变的，既可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene)也可以卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube,更为奇特的是，它也可以变为堆垛成三维(3D)的石墨(graphite)。正因为有这些特性，石墨烯是其他石墨材料的基本单元。[3]有机材料中最稳定上午苯六元环其实是石墨烯的基本单元。目前，最理想的二维纳米材料就是这种苯六元环。我们可以将石墨烯想象成平面六边形上的点阵，这样我们就可以将石墨烯看做是一层被剥离的石墨分子，其中，每个碳原子均为SP2杂化，并提供其他电子，只留下一个P轨道上的电子形成大π键，π电子可以在轨道上能够自由的移动，这样的结构才具有良好的导电性。在这种情况下，二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。[4]
图1-1 扶手型（蓝色）和锯齿型（红色）在单层石墨烯边缘。
1.3特性
当看到石墨烯物理性质的测量结果时就很容易明白为什么称石墨烯为“奇迹材料”。作为单一层的碳原子，石墨烯最薄并且不透气，其硬度比钢强。此外石墨烯的室温下的热导率（高达5000 W·m-1·K-1）。作为单层碳，石墨烯具有理论值高达2630 m2g-1的高表面积，并且几乎透明，可吸收白光约2.3%。石墨烯还表现出良好的“可折叠性”，可以在它弯曲或伸直后恢复它的电气性能。石墨烯其他方面的性能还将进行详细的审查。[5]
石墨烯的电子性质或许是最受关注的。石墨烯已经显示出具有极其高的电荷载体迁移率，报道出的自由悬浮石墨烯具有超过2000000 cm2V-1 S-1，使其能成为电的优良导体。此导电性的产生是由于在石墨烯中传播着有异常行为的电子，可以说其充当着无质量费米子；通过狄拉克方程可以最好的描述，而用于常规系统的薛定谔方程则不可以体现这个性质。
然而，应该被指出的是这些令人惊异的性能只是记录在单层石墨烯的样品上，而不是可实际运用的石墨烯。石墨烯的电子散射是由石墨烯片内杂质缺陷和拓扑晶格缺陷引起的，粒子再通过界面声子，表面电荷陷阱和制备时的残留物进一步与底物相互作用碰撞。据报道，不同厚度的石墨烯具有不同的硬度和弹性模量，这两种特性线性下降。
1.4合成和应用之间的关系
基于上述众多优异性能的讨论，石墨烯的应用也相当广泛。特定应用及重要性能总结于表1中。石墨烯的量和形式根据应用需求而变化;而一些应用，如透明电极和传感器要求薄膜的石墨烯，其他应用，如能量存储装置（如电池和超级电容器）和高分子复合材料需要相对大量的石墨烯纳米片。[6]
表1-1 石墨烯的性能对石墨烯不同的应用的重要性
表1-1 总结石墨烯的性能对石墨烯不同的应用的重要性，其中打勾表示的重要，叉表示相对不重要，一个正方形表示该属性是有事重要。
为了让石墨烯的潜力得到充分实现,需要开发出质量好并且可重复使用的合成材料。尽管这还是个挑战，但在近几年也有许多不同的合成方法，在第三节中有讨论。各种合成方法都会由于本身的性质而更好的应用。相比之下，用于场发射的材料需要良好的欧姆接触，从而是石墨烯在金属下生长适合很明智的选择。[7]
石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。
1.4.1合成
自顶向下和自底向上是石墨烯合成的两种不同类型。自上而下的方法是从分裂开石墨的堆积层中得到单层石墨烯片，而自下而上的方法是用人工合成碳替代石墨烯源（图2）。[8]
图1-2 “自下而上”和“自上而下”的石墨烯合成示意图
用自上而下的方法分离叠层意味着范德华力必须克服层间的结合能，这并不是一个简单的任务。这个挑战的关键在于如何在分离时不破坏片材并且防止各层再次凝聚。自上而下的方法通常产量低，步骤多，而且有一个共同的缺点就是天然石墨的资源有限，难以取得。[9]石墨棒可以在高温条件下合成，但由于较差的石墨化水平和不规则的形态通常很难用于石墨烯的生产。在自下而上的方法中，高质量的石墨要成为优质的材料必须在高温中进行。这种方法所涉及的步骤通常很简单，生产材料的缺陷也比自上而下的水平高。除了形成石墨烯纳米片，自下而上的方法也可以通过对某些底物的生长，形成大面积的石墨烯薄膜。
图1-3 图显示通过李的方法形成石墨烯片步骤中插层 - 膨胀 - 微爆的过程
1.4.2自上而下的方法
用胶带使石墨各层分开的方法是第一个用于实验分离石墨烯方法。反复粘贴会产生的单层，双层和少层石墨烯，通过光学显微镜来确认。该方法下制备的石墨烯还需要进行石墨处理，因此该方法还没有在商业里广泛运用。[10]
图1-4 石墨烯由蠕虫状膨胀石墨（WEG）到液相剥脱
图1-4（a）WEG的图片，图1-4（b）WEG的SEM图像，1-4（C，左）超声均匀分散图和图1-4（C，右）离心分散，图1-4（d）单层石墨烯片的AFM图像，图1-4（e）透射电子显微镜照片，图1-4（f）单层石墨烯片的TEM图像，1-4（e）（g）电子衍射是白色标记图，1-4（f）(h)石墨烯片EDX光谱图。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/445.html
