石墨烯制备技术及屏蔽性能研究

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石墨烯是由一层碳原子构成的周期六方点阵蜂窝状二维晶体,拥有非常优异和独特的光、电、磁、力等物理和化学性能,其硬度、导电、导热等性能已经超过了目前已知的绝大部分材料,这些优异的性能致使石墨烯材料在高性能复合材料、智能材料、电子器件、太阳能电池、能量存储装置和药物载体等领域具有极其广阔的应用前景,并可能促使这些相关行业发生革命性的进步。由于石墨烯在基体中分散性与导电性的问题,导致其电磁屏蔽性能不高。采用CVD法制备石墨烯尽管能提高其电磁屏蔽性能,但是相关研究仍在探索阶段,实验数据离散性较大,没有形成可靠的应用方案。本文以铜箔为生长衬底,采用CVD法制备石墨烯薄膜,对比不同工艺参数下石墨烯薄膜的生长变化情况,通过工艺参数正交优化,制备出了高质量的单层石墨烯薄膜,并研究了其电磁屏蔽性能;由于单层石墨烯薄膜屏蔽性能的局限性,提出了一种通过层数叠加提升其电磁屏蔽性能的方法,并通过实验进行实证验证。本论文主要开展了以下具体研究工作:利用化学气相沉积法在铜箔上进行石墨烯薄膜生长与转移,通过寻优的方法在不同生长工艺参数下对石墨烯薄膜的质量进行优化。实验探究了不同甲烷流量、生长温度和生长时间对石墨烯薄膜质量的影响,并对石墨烯薄膜的转移方法进行了优化,最终找到了石墨烯薄膜生长与转移的最优工艺。结果表明,在一定范围内,提高甲烷流量,提高生长温度,增加生长时间都可以提高石墨烯成膜质量。当甲烷流量为15sccm、生长温度为1030℃、生长时间为30min时,制备的单层石墨烯薄膜的性能较好。对单层石墨烯薄膜的电磁屏蔽理论和光学透过率进行研究,并设计实验使用透明的石英基底作为对照组,对不同工艺下制备的石墨烯薄膜样品的电磁屏蔽性能及透过率进行测试。通过测试找到最优的工艺参数,最终得到单层石墨烯薄膜样品的电磁屏蔽性能平均值为1.2dB,在400-800nm波段的平均透过率为96%。由于单层石墨烯薄膜电磁屏蔽性能不能达到预期效果,提出了一种通过单层石墨烯薄膜叠加的方法进行多层石墨烯薄膜样品的制备,并对石墨烯薄膜样品的层数和电磁屏蔽效能的关系进行了分析研究。随着石墨烯薄膜样品层数的增加,其电磁屏蔽效能是不断增加的,当叠加至四层时,其屏蔽性能在12-18GHz的平均值为4.39dB。全文对石墨烯的制备和转移工艺开展了系统实验,探索研究了石墨烯薄膜材料实现电磁屏蔽功效的可行性。研究表明:在优化的工艺方案下制备的石墨烯薄膜,通过叠加后实现了预期的电磁屏蔽功效,为进一步拓展石墨烯薄膜的应用奠定了基础。
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