铜镍合金为衬底化学气相沉积法制备石墨烯研究

摘要

石墨烯是碳材料的最新成员，其完美的二维结构和许多奇特的性质，引起了全世界研究人员的极大兴趣。现有的石墨烯制备方法很多，大多受到掺杂、催化、衬底、温度等因素的制约，限制了石墨烯的应用。本文以苯为碳源，在铜镍合金衬底上制备石墨烯，探索CVD法制备石墨烯的新途径。
　　利用双靶磁控共溅射法制备了三个铜镍合金薄膜作为衬底，其中，镍靶的溅射功率保持100W不变，铜靶的溅射功率分别为50W、100W、150W。对样品进行X射线能谱表征后，精确测定了合金薄膜中铜镍元素的配比。作为对照，还制备了铜、镍两个纯金属薄膜衬底。对薄膜衬底进行了XRD表征。
　　选择相同的衬底在800℃、600℃、400℃的温度下进行变温实验，研究温度对石墨烯生长的影响。实验结果表明:以苯为碳源、铜镍合金为衬底，在400℃的低温下可以生长出石墨烯。继续降低温度，200℃以下，彻底观察不到石墨烯的任何信息，变温实验为石墨烯在低温下的制备提供了参考。
　　变温实验后，在400℃下进行衬底比对实验，研究衬底中铜镍元素不同配比对石墨烯生长的影响。实验结果表明:合金衬底中铜元素的质量分数越大，石墨烯生长速度越快。这是由于石墨烯在镍表面主要以析出机制生长，铜表面主要以吸附机制生长。在400℃的低温下，碳原子很难“大量”溶解在镍中，析出机制很难发挥作用，而碳对铜的固溶比原本就很低，温度的降低对石墨烯在铜表面的生长影响并不显著。所以低温下，石墨烯在铜镍合金薄膜衬底上主要以表面吸附机制生长。接着以纯铜膜为衬底在相同的条件下进行了实验，石墨烯生长效果并不好，究其原因，这主要与铜、镍的催化活性有关。衬底中铜元素质量分数越大，催化活性越低，苯脱氢裂解的速率也越低，从而降低了石墨烯的生长速率。

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第一章 绪论

1.1 石墨烯的结构

1.2 石墨烯的性质

1.3 石墨烯的制备方法

1.4 石墨烯的应用

1.5 本论文的研究目的及研究内容

第二章 石墨烯及衬底的表征方法

2.1 拉曼光谱

2.2 扫描电子显微镜

2.3 X 射线衍射

2.4 透射电子显微镜

2.5 原子力显微镜

2.6 X 射线能谱仪

2.7 本章小结

第三章 铜镍合金薄膜的制备及表征

3.1 实验设备

3.2 实验方案设计

3.3 实验过程

3.4 样品表征及分析

3.5 本章小结

第四章 铜镍合金为衬底 CVD 法制备石墨烯及表征

4.1 实验设备及原料

4.2 实验方案设计

4.3 石墨烯制备过程

4.4 石墨烯的转移

4.5 温度对石墨烯生长的影响

4.6 合金中铜镍元素不同配比对石墨烯生长的影响

4.7 铜镍合金衬底的催化活性分析

4.8 生长机制与降温过程讨论

4.9 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文及参与的科研项目