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新型离子运动控制PECVD三维石墨烯形貌可控生长的理论及方法研究
结题报告
批准号:
51902190
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
马一飞
依托单位:
学科分类:
E0203.碳素材料与超硬材料
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
等离子增强化学气相沉积法(PECVD)合成的三维石墨烯具有优良的比表面积与导电性,已成功应用于储能器件等诸多领域。三维石墨烯的应用效果与其形貌结构密切相关,但目前PECVD三维石墨烯形貌结构难以控制的问题阻碍了其应用范围及效果的提升。结合文献报道和申请人前期研究可知三维石墨烯形貌的精确控制无法仅通过调节生长条件来实现。三维石墨烯形貌结构的控制需从参与生长的活性粒子(激子、带电粒子)的控制入手。本项目拟开发离子运动控制PECVD,建立磁场、离子透镜组和电场组成的离子运动控制腔,结合其他生长条件,实现对参与生长的活性粒子的相对含量、种类和运动行为的控制;研究激子、带电粒子在三维石墨烯生长过程中的作用,阐明形貌控制理论,建立形貌控制方法;进行多步骤组合生长,实现复合结构三维石墨烯的定制。本项目旨在从理论和技术上实现三维石墨烯形貌结构的按需定制,为提升石墨烯的应用效果、扩大其应用范围提供新方法。
英文摘要
Three-dimensional (3D) graphene synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method possesses a unique spatial structure, which achieves extraordinary performances in various areas such as supercapacitors and catalysis. The structure of 3D graphene determines its application performances. However, the uncontrollability of the morphology of 3D graphene has set great obstacles for its structure optimization and application expansion. According to the literature survey and our previous research, we have found that the control of growth conditions is far from enough to precisely control the morphology of 3D graphene. The control of active particles inside plasma (radicals and charged particles) is the key to realize the morphology control of 3D graphene. Therefore, this research proposed a new PECVD, ion motion control PECVD (IMC-PECVD), by installing an ion motion control chamber composed of magnetic fields, ion lens and electric fields to control the graphene growth process. During the IMC-PECVD growth process, the motion and relative contents of the active particles are synergistically controlled by the magnetic field, ion lenses, electric field and other growth conditions. In this research, we are aiming to elucidate the morphology control mechanism of 3D graphene by the IMC-PECVD, develop a process to control the structure of 3D graphene, and fabricate 3D graphene with customized morphology by a multi-step fabrication process. This research intends to realize the morphology customization of 3D graphene to fulfill the requirements of the target applications, which will provide theoretical and experimental supports for enhancing the properties and broadening the application areas of 3D graphene.
三维石墨烯在继承二维石墨烯本征性质的同时,获得了由三维结构带来的新特性。调节形貌结构对提高三维石墨烯的应用价值和灵活性极为重要,但目前三维石墨烯生长机理不明,且形貌结构调控手段单一,无法精确控制其形貌结构。本项目从改进等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备入手,实现对等离子体中活性带电粒子运动行为的控制,研究等离子体中关键活性粒子在三维石墨烯生长过程中的作用,研究三维石墨烯形貌结构控制的理论和方法,解决其形貌结构无法精确控制的问题。主要结果如下:(1)为PECVD添加多方向的磁场、电场及离子透镜,建立了离子运动控制腔,实现对等离子体中带电活性粒子的控制,获得了墙形、海绵形、线形、森林形等多种结构的三维石墨烯。另外,离子运动控制腔腔体体积小且灵活方便,可用于多种结构的PECVD。(2)进一步改造PECVD,实现了长达40cm的超长生长区,在保持其他生长条件不变的前提下,获得了连续渐变形貌的三维石墨烯,印证了C2、CH、H等激子的作用,为深入研究活性粒子的作用和生长机理提供了良好的实验手段。(3)利用氧等离子体,消除了三维竖直石墨烯顶端团聚和生长高度饱和的现象,获得了超高三维石墨烯。(4)超高三维石墨烯具有通畅的离子通道,作为超级电容器电极获得了240 mF/cm2的比电容,并在小型风力发电模型系统中展现了良好的应用效果。(5)三维石墨烯不均匀的微观结构使其在受到拉伸时,产生了应力集中效应,导致电阻对水平拉伸非常敏感。因此通过设计三维石墨烯应变传感器的结构,实现了高达万分之一的应变检测分辨率。(6)三维石墨烯特殊结构形成了光陷阱,通过微调结构可使其吸光率高达99.75%,在精密光学仪器、空间望远镜等方面有重要的应用前景。综合以上研究成果,本项目为PECVD三维石墨烯生长机理及结构控制的研究提供了有力的理论和实验依据,有助于促进三维石墨烯应用,并为其他二维材料三维化提供重要的借鉴。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1021/acsami.2c07658
发表时间:2022-07
期刊:ACS applied materials & interfaces
影响因子:9.5
作者:Yifei Ma;Zijian Li;Jiemin Han;Linhan Li;Mei Wang;Z. Tong;J. Suhr;Liantuan Xiao;Suotang Jia
通讯作者:Yifei Ma;Zijian Li;Jiemin Han;Linhan Li;Mei Wang;Z. Tong;J. Suhr;Liantuan Xiao;Suotang Jia
DOI:https://doi.org/10.3390/nano13040701
发表时间:2023
期刊:Nanomaterials
影响因子:5.3
作者:Ke Zhao;Jiemin Han;Yifei Ma;Zhaomin Tong;Jonghwan Suhr;Mei Wang;Liantuan Xiao;Suotang Jia;Xuyuan Chen
通讯作者:Xuyuan Chen
Highly Sensitive and Flexible Capacitive Pressure Sensors Based on Vertical Graphene and Micro-Pyramidal Dielectric Layer.
基于垂直石墨烯和微金字塔介电层的高灵敏度、柔性电容式压力传感器
DOI:10.3390/nano13040701
发表时间:2023-02-11
期刊:NANOMATERIALS
影响因子:5.3
作者:Zhao, Ke;Han, Jiemin;Ma, Yifei;Tong, Zhaomin;Suhr, Jonghwan;Wang, Mei;Xiao, Liantuan;Jia, Suotang;Chen, Xuyuan
通讯作者:Chen, Xuyuan
DOI:10.1016/j.ceramint.2021.06.143
发表时间:2021
期刊:Ceramics International
影响因子:5.2
作者:Yun Micun;Ma Yifei;Cai Zhuo;Ji Haomin;Han Jiemin;Wang Mei;Tong Zhaomin;Xiao Liantuan;Jia Suotang;Chen Xuyuan
通讯作者:Chen Xuyuan
Engineering of electrolyte ion channels in MXene/holey graphene electrodes for superior supercapacitive performances
MXene/多孔石墨烯电极中的电解质离子通道工程可实现卓越的超级电容性能
DOI:10.1007/s12598-021-01935-6
发表时间:2022
期刊:Rare Metals
影响因子:8.8
作者:Zhuo Cai;Yifei Ma;Mei Wang;Aniu Qian;Zhaomin Tong;Liantuan Xiao;Suotang Jia;Xuyuan Chen
通讯作者:Xuyuan Chen
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