石墨烯及纳米银/石墨烯复合薄膜的制备及性能研究

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石墨烯,一种由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料,自从2004年发现以来,已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。由于具有特殊的纳米结构以及优异的光学、电学性能,机械强度和化学稳定性,石墨烯及石墨烯基材料在电子学、光学、传感器、催化等诸多领域展现出了巨大的应用潜能。本论文主要以化学修饰后的氧化石墨烯为前驱体,通过静电自组装工艺制备石墨烯薄膜,并对薄膜的结构和性能进行表征,获得制备结构和性能良好薄膜的最佳工艺条件;同时以纳米银粒子对薄膜进行修饰,探究纳米银粒子对薄膜的结构及性能的影响规律;此外,通过原位还原法制备纳米银/石墨烯复合材料并研究其拉曼增强效应。主要内容如下:   1.静电自组装制备石墨烯薄膜。首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯。该氧化石墨烯具有较高的氧化程度,可以均匀分散在水中形成稳定的悬浮液。通过静电自组装工艺,交替沉积氧化石墨烯和聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)获得氧化石墨烯/PDDA薄膜。经过高温热处理还原即可获得石墨烯薄膜。结果显示采用该工艺可以制备出均匀生长的石墨烯薄膜,并且薄膜的光学和电学性能与薄膜的层数有关,并可以通过控制沉积次数来调控。   2.交替沉积氧化石墨烯与硝酸银制备纳米银/石墨烯复合薄膜。依托于静电自组装工艺,利用硝酸银溶液替代PDDA可以获得银离子/氧化石墨烯薄膜。利用热处理还原同时将银离子和氧化石墨烯分别还原为纳米银和石墨烯。与纯的石墨烯薄膜相比,该复合薄膜的光学和电学性能同时得到提高。由于纳米银不仅可以存在于石墨烯薄膜上,也可以存在于两层石墨烯片层之间,因此纳米银一方面可以阻止石墨烯片层的团聚或重新堆砌,减少薄膜的缺陷,提供更多电子传输的通道,增强石墨烯薄膜的电学性能;另一方面该纳米银在片层上形成半岛状结构,平均尺寸约140nm,这样的纳米银具有出色的减反射作用,可以提高石墨烯薄膜的光学性能。   3.交替沉积纳米银溶胶与氧化石墨烯制备纳米银/石墨烯复合薄膜。为了引入更多的纳米银粒子于石墨烯薄膜中,改变原料,首先制备出带正电荷的纳米银/PDDA溶胶,替代硝酸银溶液制备纳米银/石墨烯复合薄膜。结果显示,半岛状,平均颗粒尺寸为85nm的纳米银粒子均匀的分散在石墨烯片层上。对比于用硝酸银制备的薄膜,纳米银在复合薄膜中的含量得到显著的提高。同时复合薄膜的光学和电学性能也得到明显的提高。   4.柔性纳米银/石墨烯复合薄膜的制备及拉曼增强效应的研究。以氧化石墨烯和硝酸银为前驱体,乙二醇为还原剂,利用水热法原位还原制备纳米银/石墨烯复合材料。该复合材料具有很好的灵活性,能够在水中分散形成稳定的悬浮液。利用真空抽滤工艺将这种稳定悬浮液进行堆砌组装,可以形成柔性、无支撑的纳米银/石墨烯复合薄膜。以罗丹明6G为目标分子研究该复合薄膜的拉曼增强效应,结果显示,该薄膜具有优异的拉曼增强效应。
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