研究目的
在硅片和剥离石墨烯上采用气相传输法生长形貌可控的二氧化钒(VO2)纳米结构,并研究基于衬底和压力条件下的生长机制及差异。
研究成果
在低压(0.4千帕)和常压(101千帕)条件下,厚多晶VO2片状物均成功生长于石墨烯纳米片上,而一维VO2纳米线仅在低压下于SiO2/Si衬底上生长。这种在石墨烯上的选择性生长归因于羰基等功能基团上的优先成核作用,这些基团会提高表面能。该发现可用于制备二次电池的高性能电极材料和气体传感器的高灵敏度材料。
研究不足
该研究仅限于特定生长条件(压力为0.4千帕和101千帕,衬底温度最高达800摄氏度),且使用剥离石墨烯,其层数和质量可能存在差异。气相传输法可能无法扩展至大面积应用,且相关机制是通过形貌和光谱分析推断得出,未进行原位监测。
1:实验设计与方法选择:
采用水平管式炉系统的蒸汽输运法,在SiO2(300 nm)/Si和剥离石墨烯衬底上生长晶体VO2纳米结构。该方法因其能制备晶体纳米结构而被选用。
2:样品选择与数据来源:
使用带有300 nm SiO2层的硅片(1 cm x 1 cm或2 cm x 2 cm)。通过3M思高胶带从高取向热解石墨(HOPG)剥离石墨烯纳米片并转移至硅片。石墨烯层数通过拉曼光谱确认。
3:实验设备与材料清单:
设备包括水平管式炉、氧化铝坩埚、电容压力计(MKS仪器626B11TQE)、场发射扫描电镜(FEI Sirion)、光学显微镜(Leica DM500)、拉曼光谱仪(Renishaw inVia Qontor和NOST FEX)、透射电镜(JEOL JEM-2100F HR)、聚焦离子束(FEI Helios NanoLab)和X射线光电子能谱仪(ThermoFisher Scientific K-Alpha)。材料包括四氧化二钒粉末(V2O4,99.9%,Sigma-Aldrich 215821)、高纯氩气(99.999%)、丙酮、乙醇、去离子水和3M思高胶带。
4:0)、拉曼光谱仪(Renishaw inVia Qontor和NOST FEX)、透射电镜(JEOL JEM-2100F HR)、聚焦离子束(FEI Helios NanoLab)和X射线光电子能谱仪(ThermoFisher Scientific K-Alpha)。材料包括四氧化二钒粉末(V2O4,9%,Sigma-Aldrich 215821)、高纯氩气(999%)、丙酮、乙醇、去离子水和3M思高胶带。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:衬底依次经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗后氮气吹干。将石墨烯转移至硅片。源材料(V2O4粉末)在炉中1000°C蒸发。衬底置于下游500°C至800°C区间。腔室基础压强低于5×10^-2 Pa,通入氩气。载气流速50-1000 sccm,通过闸阀维持生长压强0.4 kPa或101 kPa。生长时间5小时。利用场发射扫描电镜、光学显微镜、拉曼光谱、透射电镜和X射线光电子能谱分析形貌与晶体结构。
5:4 kPa或101 kPa。生长时间5小时。利用场发射扫描电镜、光学显微镜、拉曼光谱、透射电镜和X射线光电子能谱分析形貌与晶体结构。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:通过拉曼光谱鉴定VO2物相和石墨烯质量。分析透射电镜和场发射扫描电镜图像获取形貌与晶体结构。采用Avantage软件进行XPS峰拟合分析衬底官能团。
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获取完整内容-
capacitance manometer
626B11TQE
MKS Instruments
Measuring growth pressure during the experiment
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FE-SEM
Sirion
FEI
Investigating surface morphology of as-grown VO2 nanostructures
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optical microscopy
DM500
Leica
Observing and imaging the grown nanostructures
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TEM
JEM-2100F HR
JEOL
Analyzing crystal structure and cross-sectional properties of VO2 nanostructures
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FIB
Helios NanoLab
FEI
Preparing cross-sectional TEM samples by milling
-
XPS
K-Alpha
ThermoFisher Scientific
Analyzing functional groups on substrate surfaces
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vanadium(IV) oxide powder
No. 215821
Sigma-Aldrich
Source material for vapor transport growth of VO2 nanostructures
-
Raman spectroscopy
inVia Qontor
Renishaw
Checking quality and number of layers of graphene nanosheets
-
Raman spectroscopy
FEX
NOST
Characterizing crystallographic properties of VO2 nanostructures
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HOPG
No. 43834
Alfa Aesar
Source for exfoliating graphene nanosheets
-
3M Scotch tape
3M
Mechanically exfoliating graphene from HOPG
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