镍箔上MEVVA离子注入法合成石墨烯机理研究

摘要

石墨烯是单层二维蜂窝状晶格结构的碳材料，其高导电、高的电子迁移率、高机械强度及高光透过率等优异的物理特性，吸引各行业专家学者的研究。厚度可控、可重复生产的大面积高质量石墨烯合成方法一直是研究人员的目标。目前石墨烯常见的合成方法有机械剥离法、SiC外延生长法、氧化还原石墨方法、化学气相沉积法及离子注入法。离子注入是一种表面材料改性及掺杂的技术，已成熟应用在电子工业生产中，此技术可以精确控制碳离子注入剂量，不受基底固溶度及扩散系数的影响，是最有前景的石墨烯合成方法之一。2010年以来，人们利用离子注入技术成功在金属表面合成石墨烯，特别是在镍薄膜上合成石墨烯取得到较大的进展，能成功合成高质量单层石墨烯，但是大面积均匀性还有待提升。因此，深入理解离子注入法合成机理对合成大面积均匀的高质量石墨烯具有重要意义。随着金属蒸发真空弧离子源（MEVVA）的问世，带来了强金属离子源，该离子源不仅能够产生所有固态金属的离子，还能够产生少数能导电的非金属元素的离子，此源的离子束纯度非常好，束斑大且相当均匀。本文利用 MEVVA离子注入法成功在多晶镍箔上合成出石墨烯。通过抛光镍箔表面，研究了实验参数：碳离子注入剂量，退火温度，N2/H2气体流量等的影响，得到合成石墨烯的优化参数。微观形貌观察结合微区拉曼分析显示，镍箔表面石墨烯的合成是不均匀的，具有晶粒选择性。EDX测试结果排除了不同取向晶粒碳离子注入量的差异。XRD表征结果证明石墨烯的合成与镍箔晶粒表面晶向有关，再通过EBSD测试表明只有镍箔表面的（101）晶面出现石墨烯。结合晶体学知识，通过计算分析（101）晶面的面致密度最小，结合 SEM表征出的样品表面形貌，石墨烯分散在晶面，由于（101）面碳原子偏析路径中阻力最小，镍箔中的碳原子直接从面致密度最小的晶面偏析，而不是单纯从镍箔晶界偏析。
　　本研究对各种实验现象及测试表征结果对镍箔上离子注入法合成石墨烯有新的解释：通过晶界蔓延至表面形成石墨烯不是唯一的形成石墨烯的方式；碳原子会直接从镍箔晶面析出；不同晶面取向的晶粒对石墨烯的形成有影响，且碳原子会从面致密度最小的晶面偏析。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的结构及性质

1.3 石墨烯的应用前景

1.4 石墨烯的制备方法

第2章 MEVVA离子注入技术

2.1 引言

2.2 离子注入技术

2.3 MEVVA离子注入机

2.4 管式退火炉

2.5 其他实验仪器及药品

第3章 MEVVA离子注入合成石墨烯

3.1 引言

3.2 MEVVA离子注入法实验初步工艺流程

3.3 拉曼光谱对离子注入法机理的初步探究

3.4 结论

第4章 实验表征对离子注入法合成石墨烯机理探究

4.1 引言

4.2 MEVVA离子注入法制备实验对比样品

4.3 扫描电子显微镜（SEM）表征

4.4 激光显微拉曼面扫描（Mro-Raman）表征

4.5 电子能谱仪（EDX）表征

4.6 X射线衍射仪（XRD）表征

4.7 电子背散射衍射（EBSD）表征

4.8 离子注入合成石墨烯机理探究

4.9 结论

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献