石墨烯化学气相沉积法制备与DNA传感器应用研究

摘要

石墨烯是一种由sp2杂化的单层碳原子组成的二维纳米材料，其独特的晶格结构赋予了石墨烯众多的优异性能，自从2004年被发现以来掀起了一股研究热潮，石墨烯被广泛应用于高频器件、透明电极和生物传感器。本论文主要工作是石墨烯的生长及转移技术和等离子体处理对于石墨烯表面润湿特性的研究及在DNA传感器方面的应用，主要内容如下：
　　（1）利用化学气相沉积法在铜箔上生长大面积、高质量的单层石墨烯薄膜。在实验过程中，研究了铜箔的前期处理，生长温度、甲烷的流量对石墨烯质量的影响，通过光学显微镜、扫描电子显微镜表征了不同条件下生长的石墨烯形貌，通过拉曼光谱仪判定了石墨烯的缺陷及层数。综合比较生长工艺参数的结果，获得了本实验中铜箔上生长石墨烯的最佳条件。
　　（2）在转移工作中，我们改善了利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高分子作为转移石墨烯介质的方法，实现了石墨烯表面洁净、无损、大面积转移到任意基板上。为了拓展石墨烯的应用，我们创造性的利用金膜作为转移介质，也成功实现了石墨烯干净无损转移。研究表明，以金膜作为转移介质的石墨烯薄膜在表面粗糙度、结构完整性、电性能等方面均可比拟于以PMMA转移介质的石墨烯。
　　（3）利用低温等离子体处理石墨烯的表面，运用接触角、拉曼（Raman）光谱仪、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）和原子力显微镜（Atomic force microscope，AFM）表征了处理前后石墨烯的形貌及缺陷和含氧官能基团的变化。探究了石墨烯传感器在液相环境工作时，经过表面等离子体处理的石墨烯对于传感器灵敏度的影响。
　　（4）基于高质量石墨烯薄膜的生长与转移，我们设计了两种石墨烯 DNA传感器件，一种是基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器，一种是基于石墨烯场效应管传感器，均实现了DNA无标记、高灵敏度、反应快、再现性高的检测。石墨烯的空穴载流子浓度随着互补DNA浓度的增加而减小，石墨烯场效应管的狄拉克点电压随着互补DNA浓度的增加左移。两种DNA传感器均可实现1pM（10-12M）检测限。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 石墨烯的发现

1.2 石墨烯的晶体结构

1.3 石墨烯的基本性能

1.4 石墨烯的四大主流制备方法

1.5 石墨烯的转移

1.6 等离子体处理对石墨烯影响的研究进展

1.7 石墨烯生物传感器的应用

第二章 石墨烯的主要表征手段

2.1 光学显微镜技术

2.2 拉曼光谱仪

2.3 原子力显微镜

第三章 化学气相沉积法生长石墨烯工艺

3.1 引言

3.2 CVD法制备石墨烯的仪器设备

3.3 实验流程

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 石墨烯的转移

4.1 引言

4.2 聚甲基丙烯酸辅助基底刻蚀法（PMMA转移法）

4.3 金辅助转移法

4.4 本章小结

第五章 石墨烯表面等离子处理及pH传感器

5.1 引言

5.2 实验设备及处理过程

5.3 等离子体处理对石墨烯微观结构的影响

5.4 等离子体处理石墨烯对pH传感性能的影响

5.5 本章小结

第六章 石墨烯DNA传感器

6.1 引言

6.2 石墨烯霍尔效应传感器

6.3 液栅型石墨烯场效应管传感器

6.4 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论

致谢

个人简历