论文总字数：17510字

摘 要

石墨具有二维层状结构，表现出独特的物理、化学和光学性能，在众多领域具有应用潜力。本文设计了一种可调节角度的静磁场装置和一种翻转磁场装置，以用于平面电极上修饰物的磁定向。使用石墨鳞片修饰金电极，分别在静磁场和翻转磁场下制备了石墨片定向排列的电极，对其进行了循环伏安、电化学阻抗谱等基本电化学性能测试并与无磁场修饰的电极进行对比。结果表明，在其他修饰条件相同的情况下，电极性能排列如下：翻转磁场gt;静磁场gt;无磁场定向。

关键词：二维材料 磁场定向 平面电极

The influence of macroscopic directional arrangement of two - dimensional modification materials on electrode performance

Abstract

Graphite, with its two-dimensional layered structure and unique physical, chemical and optical properties, has potential applications in many fields. In this paper, a static magnetic field device with adjustable Angle and a reversing magnetic field device are designed for the magnetic orientation of the decorations on the planar electrode. Graphite flake modified gold electrode was used to prepare graphite flake aligned electrode under static magnetic field and reversed magnetic field respectively. The basic electrochemical properties of the electrode were tested by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, and compared with the electrode without magnetic field modification. The results show that under other conditions of the same modification, the performance of the electrodes is arranged as follows: the inverted magnetic field gt; orientation in the static magnetic fieldgt;has no field orientation in the static magnetic field.

Keywords：Two-dimensional material；Field orientation；Planar electrode

目录

摘要 2

Abstract 3

第一章 综述 5

1.1 二维材料现状及发展概况 5

1.1.1 石墨烯 5

1.1.2 过渡金属硫化物（TMDs） 5

1.1.3 其他二维材料 5

1.1.4 磁性二维材料 6

1.2 微纳结构的操控 6

1.2.1 介电泳操控微纳结构 6

1.2.2 磁场操控微纳结构 6

1.3 研究内容及意义 7

第二章 实验部分 9

2.1 实验原理 9

2.2 实验内容 10

2.2.1 药品与仪器 10

2.2.2 实验装置的设计 10

2.2.3 实验方法 12

第三章 结果与讨论 14

第四章 结论 17

参考文献 18

致 谢 23

第一章 综述

1.1 二维材料现状及发展概况

自21世纪初科学家通过机械剥离法成功将石墨烯从石墨中分离出来之后，二维材料便获得了广泛关注。近年来，石墨烯因在诸多物理和化学方面具有的优异特性而在传感器、锂离子电池、太阳能电池等方面获得广泛应用，表现极为出色的性能。

经过20多年的发展，二维材料已经成为了一个庞大的家族，它们具有与超薄厚度和2D形态相关的不寻常特性。除了石墨烯之外，其他类型的二维材料，如六方氮化硼，过渡金属二硫化物（TMDs），石墨氮化碳，层状金属氧化物和层状双氢氧化物（LDH），这些二维材料也已经被广泛研究并应用于各领域。

1.1.1 石墨烯

石墨烯是一种只有单原子层薄厚的新型二维纳米结构，它是一种碳的同素异形体。碳原子间是通过SP²杂化相互连接组成的。不同类型的碳原子杂化形成大π键，而面内是由三个夹角为120°的σ键组成。它具有超高的载流子迁移率，室温下最大的迁移率可达2.5×10⁵ cm²V^-1s^-1，而在低温下迁移率更是可以达到6×10⁶ cm²V^-1s^-1。石墨烯是一类真正意义上名副其实的二维电子气系统，因此石墨烯能够表现出量子霍尔效应。石墨烯的研究热潮也为其他二维材料的发展奠定了坚实的基础，利用类似的制备方法合成其他很多新型二维材料将不再是空想。

1.1.2 过渡金属硫化物（TMDs）

自石墨烯使人们聚焦到二维材料上以来，人们一直潜心于寻找其他的二维材料。TMDs材料则是脱颖而出，掀起了研究的热潮。TMDs材料的性质是多种多样的，其中包括半导体性、半金属性、超导性等。因为TMDs材料与块状材料相比比表面积更大，这样就可以拥有更多灵活位点，所以在催化方面，TMDs材料也体现出了非常好的发展前景。

1.1.3 其他二维材料

除了上述所说的石墨烯、过渡金属硫化物这两类二维材料之外，还有一些二维材料包括氮化硼、过渡金属磷化物、黑磷等也引起了科研工作者的探究与学习。这些材料也同样表现出独特的电子结构以及其独有的特性值得我们去深入探究。

1.1.4 磁性二维材料

二维材料的磁性一直不为人们所广泛研究，，因此研究该类课题的科研人员利用磁性元素掺杂的方式在二维材料中引入磁性。然而，掺杂的方法一般都是通过加入微量元素来得以实现，这就注定了掺杂石墨烯中的磁性是微量的并且难以控制的。所以我们可以自然而然的认为基于磁性二维材料的自旋电子学研究一直处于无人问津的状态。然而，自发现了二维材料Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃的本征磁性之后，科学家们就从实验上证实了二维材料本征磁性的存在。从此为二维材料的发展开辟了新的道路，也使得自旋电子学的发展得到提高。

1.2 微纳结构的操控

1.2.1 介电泳操控微纳结构

要将纳米结构作为功能元件得以应用，首先要解决该类材料的定位操作问题。采用介电泳技术对微纳结构进行操控是一种可行的办法，它可以实现材料沿电场方向排布以及电极间的跨接。该种操控方法是通过电极两端施加适当频率和幅度的交流电信号，在电极之间产生非均匀电场，让其间的微粒都受到介电泳力的作用，从而能够呈现出比较严谨的电场线方向排布，实现电极之间的微纳结构的定位操作，所以，介电泳操控技术是一种非常有发展前景的纳米操控技术，它可以使得纳米结构在微电极之间排布以及跨接等定位操作变成现实。这种操控不会局限于材料本身导电特性以及材料形状等，理论上是适用于所有微纳结构的。

1.2.2 磁场操控微纳结构

除了1.2.1中所描述的介电泳技术之外，磁场操控也是一种有效方法，本文所研究的就是磁场操控微纳结构。为了掌握微米级和纳米级的运动，人们想到了由外部磁场引起微结构和纳米结构的推进和操纵，由此可以利用不同的概念并且具有多个优点。可以通过以下方式改变响应：首先，选择材料的磁性类型，从铁磁性，顺磁性到反磁性。其次，对于这些磁性材料中的每一种，在空间、时间或两者上，可以改变或保持恒定的强度和取向。我们可以区分均匀的磁场（磁场强度和方向在时间和空间上恒定），不均匀的磁场（强度随位置而变化，而不随时间变化），旋转的磁场（方向随时间变化）和振荡的磁场（强度随时间变化）。时间）。第三，磁场是操纵物质的一种非侵入性方式，因为磁力是非接触的，体积力并且不会引起化学变化。第四，当使用磁场来操控时，不会发生燃料消耗。例如，微结构和纳米结构可以沿着预定路径移动，可通过控制微结构和纳米结构来实现将其沿着外部矢量场（例如磁场和电场）对齐，由于绝大多数微观材料都是反磁性的，这为操纵微结构和纳米结构的运动的许多新的应用铺平了道路。 2D纳米材料由于其优异的电子、光学、机械、热等性能而受到人们的广泛关注。 应该注意的是，这些性质本质上是各向异性的，并且局限于二维材料的平面。对于需要数千或数百万个单个二维纳米结构的大规模宏观器件，控制单个单元的取向并使它们的平面相互平行是非常重要的，只有这种二维纳米材料的平面排列才能将其独特的微观性能转移到大规模器件中。顺磁铁和反磁铁的操纵可以在均匀或不均匀的磁场中进行，有两种机制可以实现顺磁性和反磁性粒子的磁性取向。第一个是由于材料的磁化率的固有各向异性，这种各向异性在至少两个轴之间的磁化率χ不同时发生，这里需要说明的是磁化率是磁化强度与磁场强度的比值，对于顺磁质大于0，对于抗磁质小于0，，它的大小决定于磁化强度和磁场强度。最简单的情况是单轴材料，两个轴方向的磁化系数差△χ显著；对齐顺磁性和反磁性材料的第二种方法是通过所谓的形状各向异性，感应的磁矩（磁化强度在体积上的积分）不仅取决于磁化率，还取决于物体的形状，这归因于所谓的消磁效应。我们的研究拟采取第一种方法对石墨鳞片进行磁对齐，以提升其电化学性能。

1.3 研究内容及意义

本文以石墨为例，探讨了利用磁对准技术获得有效的垂直定向电极。石墨片容易堆叠在一起，形成曲线扩散路径，阻碍了载流子的输运，本文采用磁场调节法制备了垂直定向石墨电极，研究了实验参数对电极定向结构的影响，探讨了石墨电极的有序度与电化学性能之间的关系。本课题实验将石墨芯片置于不同的磁场条件中探究其性能的影响。通过制备出的石墨金电极，通过测试其循环伏安和阻抗，检测不同磁场下芯片电极CV曲线和阻抗谱，并通过光学显微镜表征石墨鳞片的定向程度，最后对结果进行分析，为探究二维材料在运动磁场中的性能提供了一些新思路。本研究不仅有助于我们了解磁对准技术的机理，而且为磁对准技术作为构建各种电极材料结构的通用方法的应用提供了可靠的实验依据。

第二章 实验部分

2.1 实验原理

石墨作为2D材料,由于其优异的电子、光学、机械、热等性能而受到人们的广泛关注。值得注意的是，这些性质本质上是各向异性的，并且局限于二维材料的平面，对于需要数千或数百万个单个二维结构的大规模宏观器件，控制单个单元的取向并使它们的平面相互平行是非常重要的。只有这种单个二维材料的平面排列互相平行才能将其独特的微观性能转移到大规模器件中。因此，已经开发了许多技术，其中非接触式磁场操控平面对准是非常有效的一个方法，磁场操纵微纳结构可以在均匀或不均匀的磁场中进行，均相磁场通常用于对齐这些磁性材料，有两种机制可以实现顺磁性和反磁性粒子的磁性取向。磁化率χ是材料在单位磁场强度下的磁化强度，其正负号代表材料内部磁矩方向。由于材料的磁化率χ的固有各向异性，最简单的情况是单轴材料，两个轴方向的磁化系数差显著，这就导致了磁能依赖于角度的情况。

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