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文檔簡介
1、六方氮化硼(h-BN)面內(nèi)晶格結(jié)構(gòu)和石墨烯相同(失配度僅1.7%)、表面平整度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,用機械剝離的方法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到h-BN襯底相比SiO2基底石墨烯中的電子遷移率要高出一個數(shù)量級,因而研究h-BN襯底上的石墨烯的直接制備及其物理性質(zhì)具有重要意義。
本文利用化學(xué)氣相沉積方法(CVD)研究了h-BN襯底上石墨烯的制備工藝,采用拉曼光譜(Raman)、原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微
2、鏡(SEM)等方法對制備的石墨烯進(jìn)行了綜合表征;研究了h-BN/石墨烯復(fù)合材料的低溫磁學(xué)特性,對材料的低溫順磁特性,特別是在20K~50K附近觀察到的順磁加強效應(yīng)進(jìn)行了深入分析并提出了相應(yīng)的模型;使用光致發(fā)光譜(PL)對不同厚度和不同尺寸的石墨烯量子點的光致發(fā)光特性進(jìn)行了初步研究。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:從溫度、時間、壓強、碳源、載氣和h-BN襯底的質(zhì)量等因素對制備的石墨烯質(zhì)量進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)在較寬的實驗窗口內(nèi)皆可以實現(xiàn)石墨烯
3、的生長。h-BN表面上制備的石墨烯主要為石墨烯的納米島,典型尺寸為~100納米,厚度為一層至數(shù)層。實驗發(fā)現(xiàn)提高碳源(甲烷)濃度或延長生長時間,石墨烯島變大變厚;提高氫氣濃度,石墨烯納米島變得更加平整;和常壓相比,低壓下制備的石墨烯質(zhì)量更佳。這部分工作是國際上在h-BN襯底上直接制備石墨烯的最早也是最可靠的報道之一。
我們測量了石墨烯/h-BN(gra/h-BN)在不同溫度和磁場下的磁學(xué)特性。發(fā)現(xiàn)gra/h-BN復(fù)合體系在室
4、溫下呈現(xiàn)抗磁性(典型磁化率為-0.9×10-6emu/g.Oe),而在低溫下表現(xiàn)出復(fù)雜的順磁特性。在磁化率隨溫度變化的曲線中,20K~50K的溫度區(qū)間會出現(xiàn)一個磁化平臺。20K以下的順磁效應(yīng)遵從居里定律,通過對數(shù)據(jù)的分析擬合,可以得出樣品中的缺陷主要是點缺陷,角動量量子數(shù)J=1/2,第一次從理論上解釋了為什么樣品中的J是1/2。對20K~50K之間的異常順磁加強現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析,我們試圖用幾個理論模型來解釋此現(xiàn)象,如RKKY相互作用中
5、的反鐵磁、自旋玻璃態(tài)以及巡游電子順磁加強效應(yīng),發(fā)現(xiàn)我們的實驗結(jié)果與反鐵磁及自旋玻璃態(tài)理論都存在一定程度的矛盾,而只有巡游電子順磁加強效應(yīng)理論能夠和我們所有的實驗結(jié)果相一致。最后,我們猜測gra/h-BN系統(tǒng)在低溫下的異常的順磁行為來源于石墨烯和h-BN界面或靠近兩者界面中的巡游電子產(chǎn)生的順磁加強效應(yīng)。我們的gra/h-BN樣品在低溫下的(20~50K)非居里型的異常的順磁行為很可能提供另一個關(guān)于極化巡游電子態(tài)存在于C-BN系統(tǒng)中的證據(jù)。
6、當(dāng)然要最終確認(rèn)該機理,還需要更多的實驗和理論分析。
本文對六方氮化硼襯底上石墨烯量子點的光致發(fā)光特性進(jìn)行了初步研究。實驗發(fā)現(xiàn)量子點的大小、厚度以及面密度都會影響量子點的光致發(fā)光行為。光致發(fā)光的強度與單位面積的量子點的數(shù)量有關(guān),量子點的面密度越大,發(fā)光強度越強。光致發(fā)光峰的半高寬與量子點的厚度有關(guān),厚度越大發(fā)光譜的半高寬越小。一般認(rèn)為光致發(fā)光的根源是石墨烯表面或邊緣的局域態(tài)。帶隙的大小主要取決于sp2團(tuán)簇的大小,光致發(fā)光的強
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