新型二維材料電子輻照效應(yīng)研究.pdf

1、新型二維材料的性能及應(yīng)用受到其自身結(jié)構(gòu)的重要影響。因此，研究新型二維材料的結(jié)構(gòu)演變及規(guī)律，有利于深入了解其結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性，進(jìn)而可推動其在相關(guān)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。本論文利用透射電子顯微鏡中的高能電子束作為探索結(jié)構(gòu)變化的工具，原位研究了石墨烯、氮化硼、二硫化鉬等新型二維材料在電子束輻照作用下的微觀結(jié)構(gòu)演變行為及相關(guān)機(jī)制，通過對輻照機(jī)理的分析和電子輻照參數(shù)的控制，實現(xiàn)了二維材料原子尺度上的按需構(gòu)筑。借助這些構(gòu)筑機(jī)理，還嘗試研究了二維材料在液態(tài)

2、環(huán)境中的輻照效應(yīng)。主要內(nèi)容包括:
　　1.在石墨烯方面，研究了會聚電子束輻照導(dǎo)致的沉積現(xiàn)象、刻蝕現(xiàn)象及兩者之間的關(guān)系，并探討了熱處理對沉積、刻蝕效果的影響。(1)實驗結(jié)果表明會聚電子束的電流密度存在一個臨界值，當(dāng)電流密度小于臨界值時，電子束誘導(dǎo)的沉積效應(yīng)更加明顯;當(dāng)電流密度大于臨界值時，刻蝕效應(yīng)更加顯著。定量分析表明，電流密度臨界值和材料狀態(tài)有關(guān)，例如，對于液相超聲剝離的石墨烯樣品，電流密度臨界值約為300A/cm2。(2)熱處理

3、能夠修復(fù)石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷，因此高溫條件下刻蝕石墨烯獲得納米孔的過程相對緩慢，但制備的納米孔擁有較好的結(jié)晶度。此外，熱激勵對石墨烯納米孔的尺寸也具有調(diào)控作用。當(dāng)納米孔初始孔徑小于石墨烯薄膜厚度時，納米孔在熱激勵下趨向于縮孔;反之，當(dāng)初始孔徑大于薄膜厚度時，納米孔在熱激勵下傾向于擴(kuò)孔。這一現(xiàn)象是由表面自由能驅(qū)動孔邊緣非飽和碳原子的擴(kuò)散所引起。
　　2.研究了氮化硼在電子束輻照下的結(jié)構(gòu)演變行為。(1)在80keV能量的電子束輻照下，單層

4、氮化硼上會形成大量的硼空位及三角狀結(jié)構(gòu)缺陷，三角狀缺陷邊界是以氮原子為終端的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。(2) AA'堆垛的雙層氮化硼在80keV能量的電子束輻照下可形成擠壓的單壁扶手椅型納米管，其最小管徑約為0.45 nm。分析表明，最小管徑納米管為(3，3)納米管，是迄今實驗上觀察到的最小單壁氮化硼納米管。
　　3.研究了單層二硫化鉬在電子束輻照下的結(jié)構(gòu)演變行為。(1)結(jié)構(gòu)表征證實撕膠帶法制備的單層二硫化鉬中存在大量的單硫空位，密度在1013

5、/cm2量級。原位輻照實驗表明，在80keV能量的電子束輻照下硫原子的離位截面約為(1.7±0.2)×10-28 m2。(2)單層二硫化鉬在大劑量80keV能量的電子束輻照下形成寬度為0.35 nm的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同于MoS2的原子結(jié)構(gòu)特征，分析推斷該結(jié)構(gòu)相為Mo5S4。該實驗結(jié)果表明電子束輻照有望成為一種由上而下制備亞納米結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段。
　　4.構(gòu)建了用于研究二維材料在液態(tài)環(huán)境中輻照效應(yīng)的原位系統(tǒng)。(1)通過傳