《化學氣相沉積製備石墨烯過程中的熱物理問題研究》是依託上海交通大學，由胡國新擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：化學氣相沉積製備石墨烯過程中的熱物理問題研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：胡國新
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
石墨烯有望替代矽成為下一代半導體材料。化學氣相沉積是製備石墨烯的最佳方法,但目前石墨烯的生長過程涉及到許多熱科學問題急需解決。本課題將圍繞金屬襯底上高溫催化裂解甲烷製備石墨烯中的一系列工程熱物理問題，研究石墨烯生長過程中複雜的傳熱傳質行為；揭示氫氣對抑制氣相成核的熱物理作用機制；最佳化獲得最佳的反應場流速、溫度、停留時間和氣氛比例等參數；尋找防止冷卻過程中石墨烯在襯底表面產生褶皺的熱匹配條件；探索襯底上熱質傳遞現象對石墨烯高溫自組裝生長的熱影響規律。採用掃描電子顯微鏡，高分辨透射電子顯微鏡，原子力顯微鏡， 拉曼光譜對石墨烯產物進行形貌、厚度和質量表征。建立一個包含甲烷高溫吸附、定向裂解、熱質傳遞和高溫自組裝的綜合理論模型,為高質量石墨烯的製備提供可靠的理論基礎和實驗數據。
結題摘要
採用管式爐化學氣相沉積裝置製備石墨烯，針對銅襯底表面二維平面石墨烯的生長過程，考察了甲烷在襯底表面的高溫吸附規律；澄清了銅襯底對石墨烯生長發揮的作用；獲得了沉積過程中氣相反應對石墨烯生長的影響；確定了氣相反應產物與襯底表面石墨烯生長的先後順序；探索了高溫下石墨烯的反應活性；揭示了不同沉積條件對石墨烯生長的影響。在沉積溫度條件下，甲烷在銅表面的覆蓋率只有常溫時的~0.7%；氣氛中的氫氣會和甲烷爭奪襯底表面的活性吸附位，降低甲烷的覆蓋率。銅襯底的電子結構對石墨烯的生長發揮重要作用，銅原子d軌道的未配對電子對襯底表面吸附的甲烷具有催化脫氫作用，造成碳原子在襯底表面進行自組裝形成石墨烯。銅表面石墨烯的生長速率比氣相產物（稠環芳香烴）的生長速率更快，同時石墨烯具有高反應惰性，因此其將銅襯底與氣相產物隔離，避免了在襯底表面上生長無定型碳。研究了泡沫鎳襯底表面3DGNs的沉積過程，確定了甲烷在泡沫鎳多孔介質中的擴散規律及擴散係數，以及不同溫度時甲烷在襯底表面的覆蓋率；討論了3DGNs生長的動力學控制因素；提出了“準擴散係數”概念，研究了3DGNs的生長規律。沉積過程中甲烷在泡沫鎳中的擴散遵守Fick定律；甲烷在襯底表面的覆蓋率隨溫度的升高而下降，氣氛中的氫氣對甲烷在泡沫鎳表面的吸附具有抑制作用。甲烷擴散是3DGNs生長的動力學控制因素。獲得了3DGNs的尺寸與生長時間的關係，擬合了3DGNs的厚度與其生長位置的關係。“準擴散係數”可以較好地描述3DGNs的生長規律，並且可以進一步預測3DGNs的尺寸隨沉積溫度的變化規律。針對石墨烯在熱界面材料中的套用，採用3DGNs和RGO石墨烯對環氧樹脂進行改性，揭示了RGO表面官能團對提高複合熱界面材料熱導率的作用；闡明了高溫條件下，複合熱界面材料的熱導性能的穩定性及存在差異的原因。針對石墨烯在染料敏化太陽能電池中的套用，提出了具有三層結構的光陽極，詳細解釋了每層結構的作用機理，最佳化了RGO在染料敏化太陽能電池中的套用。針對石墨烯在催化劑領域的套用，建立了關於複合光催化劑在可見光照射下的工作模型，確立了電子從石墨烯注入鈦酸納米管的輸運途徑及機率。
