Fe-Ni-Cr膜上石墨烯的制备、生长过程及其场发射特性研究

摘要

本文利用微波等离子体化学气相沉积方法制备了石墨烯薄膜。通过对不同种类和结构的催化剂膜上制备出不同结构的碳膜,并对不同结构的碳膜的生长过程进行了研究;对石墨烯薄膜进行场发射特性探讨分析,找到场发射特性较好的石墨烯薄膜。通过研究,获得的结论如下:
　　 1、Ni膜上碳膜结构的研究:通过对Ni膜厚度及不同沉积温度分别对Ni膜上碳膜结构的影响研究发现,Ni膜的厚度越小,同样温度下形成的颗粒尺寸也越小,较小的颗粒尺寸有利于纳米碳结构的生成,但碳结构的类型差别不大;500℃制备的样品主要是包裹在Ni颗粒上的纳米石墨片,而400℃制备的样品是纳米石墨片和碳纳米管复合物;可以得出结论:在Ni膜上没有制备出石墨烯薄膜。
　　 2、Fe-Ni-Cr膜上碳膜结构的研究:通过多次实验在Fe-Ni-Cr膜沉积碳膜并进行扫描电子显微镜(SEM),Raman光谱和透射电子显微镜(TEM)进行表征,得出结论:在一定的PECVD条件下可以制备出少层石墨烯结构。
　　 3、Fe-Ni-Cr膜厚度和不同衬底对石墨烯薄膜结构的影响:通过对催化剂膜的不同厚度和三种不同衬底对石墨烯结构的影响研究发现,用Fe-Ni-Cr膜在一定的厚度范围内作为催化剂可以制备石墨烯。10 min时的Fe-Ni-Cr膜较适宜碳膜的生长;不同衬底上均制备出质量较好的石墨烯薄膜。
　　 4、Fe-Ni-Cr对石墨烯催化生长过程的探讨:催化剂颗粒的大小影响石墨烯的生长速度和结构特征,粒度越小,生长速度越快,越有利于石墨烯的生长。Fe-Ni-Cr膜在CVD生长过程会由于高温会再结晶成更大的颗粒。硅衬底的粗糙度约为0.9 nm,陶瓷衬底的粗糙度约为2μm,粗糙的表面阻碍了Fe-Ni-Cr颗粒的长大。两种衬底上催化剂的粒度分别约为20 nm和100 nm,相应的硅衬底上10min后石墨烯才停止生长,而陶瓷衬底上生长1min后石墨烯片基本上就不再长大,并且由于催化剂粒度小,石墨烯的密度更大,层数更少。
　　 5、石墨烯薄膜场发射性能:对在单晶硅衬底、陶瓷衬底和不锈钢片衬底上制备出的石墨烯薄膜,进行场发射测试。稳定后,单晶硅衬底上石墨烯薄膜的开启电场为1.2V/μm,在2.4 V/μm时电流密度达到900μA/cm2;陶瓷衬底上石墨烯薄膜的开启电场为1.26 V/μm,当电场强度为2.2 V/μm时电流密度为2.1mA/cm2;不锈钢片衬底上石墨烯薄膜的开启电场为2.17 V/μm,在电场为3.67V/μm时,电流密度为6.11 mA/cm2。