鐵磁性石墨烯的制備與研究.pdf

1、自從2004年機(jī)械剝離制備出單層石墨烯的開(kāi)創(chuàng)性工作以來(lái)，石墨烯由于其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、光學(xué)和熱學(xué)等性能吸引了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯擁有高的載流子遷移率、長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間、弱的自旋-軌道超精細(xì)作用，使得石墨烯在自旋電子學(xué)應(yīng)用方面成為一個(gè)理想的候選材料。然而，在完美的石墨烯中，每個(gè)碳原子跟相鄰三個(gè)碳原子sp2雜化，貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵電子，形成大π鍵，這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它的本征抗磁性，限制它在自旋電子器件中的實(shí)際應(yīng)用。
　　傳統(tǒng)的磁性材料與3d

2、(或4f)內(nèi)殼層電子沒(méi)有被填滿(mǎn)的過(guò)渡金屬元素（例如鐵、鈷、鎳等）有關(guān)。在石墨烯相關(guān)材料中也報(bào)道了磁性，由于其只有sp電子，有別于傳統(tǒng)的磁性來(lái)源，引起了人們的廣泛關(guān)注。在石墨烯晶格中引入缺陷被認(rèn)為可以產(chǎn)生局域磁矩。這些缺陷包括局域拓?fù)鋽_動(dòng)、空位、在石墨烯晶格中的非碳原子、混合sp2-sp3雜化、zigzag類(lèi)邊界等。然而，有報(bào)道氟化石墨烯和氧化石墨烯量子點(diǎn)表現(xiàn)出典型的順磁性，而不存在鐵磁性。如何在石墨烯及其衍生物中引入高濃度缺陷，形成鐵磁

3、有序?qū)ψ孕娮訉W(xué)的應(yīng)用相當(dāng)重要。本論文主要研究通過(guò)還原氧化石墨烯（弱氧化條件下）、三維石墨烯、氮等離子體處理氧化石墨烯等相關(guān)工藝，在石墨烯中獲得了顯著的鐵磁性并進(jìn)行了細(xì)致地研究。具體內(nèi)容如下:
　　(1)我們研究了弱氧化條件下的還原氧化石墨烯(w-rGO)的磁性。w-rGO是弱氧化條件下的氧化石墨烯在高溫退火得到，我們?cè)跇悠穡-rGO中觀測(cè)到較強(qiáng)的室溫鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度（Ms）為0.24 emu/g，是強(qiáng)氧化條件下制備還原氧化石

4、墨烯的24倍。我們?cè)跇悠穡-rGO中觀測(cè)到負(fù)的磁電阻回線。當(dāng)溫度低于15K，磁電阻[R(H)-R(0)]/R(0)數(shù)值保持在-2.5％，當(dāng)溫度高于15K，磁電阻隨著溫度升高而減少，當(dāng)溫度高于50 K，磁電阻接近零，幾乎消失，這是由于鐵磁缺陷的自旋相關(guān)散射導(dǎo)致的，它證明了觀測(cè)到的本征鐵磁性，w-rGO中強(qiáng)鐵磁性來(lái)源于弱氧化條件下保留的石墨結(jié)構(gòu)。
　　(2)對(duì)于石墨烯粉體（氧化石墨烯和還原氧化石墨烯粉末）而言，由于π-π作用力和范德華

5、力的存在，石墨烯片層之間容易發(fā)生團(tuán)聚，二維材料獨(dú)有的性質(zhì)在一定程度上遭到破壞，限制了其實(shí)際應(yīng)用。三維石墨烯由二維石墨烯組裝而成，不但可以保持原來(lái)石墨烯優(yōu)異的性能，而且能夠拓寬其應(yīng)用范圍。目前，三維石墨烯磁性方面研究還沒(méi)有報(bào)道過(guò)。我們研究了三維石墨烯的磁性，它是氧化石墨烯溶液通過(guò)水熱法制備得到。在三維石墨烯樣品中，我們能夠觀測(cè)到一定的室溫鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度（Ms）為0.005 emu/g。水熱還原過(guò)程中，氧化石墨烯片修復(fù)的共軛結(jié)構(gòu)形成很

6、強(qiáng)的三維交聯(lián)石墨烯網(wǎng)絡(luò)。高濃度的sp3類(lèi)型缺陷（羥基）是三維石墨烯室溫鐵磁性的主要來(lái)源。
　　(3)作為輕質(zhì)非金屬磁體，石墨烯及其衍生物的鐵磁性在自旋電子學(xué)領(lǐng)域十分重要。然而，目前合成磁性石墨烯的方法，存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、磁性污染物（Fe、Co和Ni等）容易被引入、制備過(guò)程很復(fù)雜，這阻礙了它的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用。我們將氧化石墨烯直接放在氮等離子體（室溫條件）下處理，氧化石墨烯被還原的同時(shí)，還摻雜引入氮，得到含氮的還原氧化石墨烯(NrG

7、O)，樣品的室溫鐵磁性明顯增強(qiáng)。氮等離子體曝光時(shí)間對(duì)控制石墨烯的鐵磁性起到相當(dāng)重要的作用。氧化石墨烯在氮等離子體曝光時(shí)間從0增加到30分鐘，樣品的鐵磁磁化強(qiáng)度(Ms）從0.0006 emu/g增加到0.010 emu/g。當(dāng)曝光時(shí)間從30分鐘增加60分鐘，樣品的鐵磁磁化強(qiáng)度開(kāi)始減少，從0.010 emu/g減少到0.0010 emu/g。XPS結(jié)果顯示，pyrrolic N在NrGO30（氧化石墨烯在氮等離子體下處理30分鐘）所占比例（