二維原子晶體材料的制備及流電耦合效應(yīng)研究.pdf

1、二維原子晶體材料具有的層狀平面結(jié)構(gòu)和奇特物理力學(xué)性能使其成為近年來基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿和熱點。石墨烯和六方氮化硼（亦稱白石墨烯），電學(xué)性能互補，在二維原子晶體材料家族中占據(jù)著舉足輕重的地位。石墨烯具有非常奇特的物理力學(xué)性能，但其應(yīng)用研究還仍待拓展；六方氮化硼作為理想的超薄介電材料，其可控制備還面臨巨大挑戰(zhàn)。本文著眼石墨烯的功能應(yīng)用和六方氮化硼的可控制備兩大方面內(nèi)容，利用微納電學(xué)測試、化學(xué)氣相沉積等實驗技術(shù)手段，圍繞石墨烯的傳統(tǒng)流電耦合效應(yīng)

2、、波動勢和拖曳勢以及單原子層六方氮化硼和三維六方氮化硼泡沫的可控制備及性能等方面展開了深入系統(tǒng)的研究，取得的研究成果歸納如下：
　?。?）石墨烯的傳統(tǒng)流電耦合性能研究：流電耦合效應(yīng)為流速傳感、能量轉(zhuǎn)換器件的構(gòu)筑提供了一個新的途徑。我們發(fā)現(xiàn)在伯努利效應(yīng)和熱電效應(yīng)的耦合作用下，斜吹過石墨烯表面的氣流會使石墨烯兩端產(chǎn)生和氣流速度平方成分段線性關(guān)系的電壓。石墨烯較高的熱電系數(shù)使其氣流致電壓是石墨的二十倍，通過化學(xué)摻雜改變石墨烯的熱電系數(shù)可

3、實現(xiàn)氣流致電壓的調(diào)節(jié)。然而，將石墨烯置于液流中時，石墨烯本身并不會產(chǎn)生電壓。文獻(xiàn)報道的石墨烯液流致生電現(xiàn)象是裸露的金屬電極和溶液的相互作用而產(chǎn)生的假象。一旦將金屬電極和溶液隔離，便不再會有電壓產(chǎn)生。
　　（2）石墨烯中的波動勢和拖曳勢：經(jīng)典的流動勢動電理論表明沒有壓力差就不會產(chǎn)生電壓。我們發(fā)現(xiàn)石墨烯跨過含離子的水溶液表面上下運動時，浸沒在溶液內(nèi)部的石墨烯兩端就會產(chǎn)生和運動速度、浸沒的石墨烯長度成正比，和離子種類、濃度相關(guān)的電勢差，

4、即波動勢。另外，當(dāng)溶液液滴在石墨烯表面運動時，石墨烯兩端會產(chǎn)生一和液滴運動速度、液滴數(shù)目成正比，和離子種類、濃度、液滴尺寸相關(guān)的電勢差，即拖曳勢。運動的氣-液-固界面處石墨烯表面雙電層形成和消逝的動態(tài)過程是波動勢和拖曳勢形成的物理機(jī)制?；诟髯詫?yīng)的物理機(jī)制構(gòu)建的電路模型可以很好的解釋觀察到的現(xiàn)象。我們還展示了多種基于石墨烯波動勢和拖曳勢的應(yīng)用原型器件。
　?。?）單層六方氮化硼的可控制備及晶界：高質(zhì)量六方氮化硼的可控制備是異質(zhì)二

5、維材料電子器件亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。我們發(fā)現(xiàn)在化學(xué)氣相沉積過程中，單層六方氮化硼的生長和基底材料、構(gòu)型、氣態(tài)源分壓等密切相關(guān)。在銅基底表面，氮化硼的成核密度隨著氣態(tài)源分壓的增加而增大，取向隨機(jī)。隨著銅箔間距減小，晶粒形貌從三角形漸變?yōu)榱呅?。通過對晶界的氫刻蝕實現(xiàn)了氮化硼晶界的大范圍的光學(xué)觀測。而在單晶鍺表面，氮化硼的晶體取向固定，取向的種類和基底表面對稱性相關(guān)。摩擦力顯微鏡可以清晰分辨不同取向晶粒間的晶界。第一性原理計算揭示了相反取向晶