石墨烯及其复合结构的等离子体技术制备、机理及激光拉曼表征的研究

摘要

石墨烯是碳的一种同素异形体，它是由碳原子在一个平面内单层排列而成的一种二维(2D)晶格结构。由于其独特的结构，石墨烯表现了许多优异的性能，例如室温下的高电子迁移率，优良的的热传导率和优异的机械性能。可广泛的应用于单分子气体检测，透明导电电极，复合材料和高能量存储装置（如超级电容器和锂离子电池）等方面。最常用的石墨烯制备方法有氧化还原法和化学气相沉积法，而利用等离子体技术制备石墨烯及其复合结构的研究相对较少。利用等离子体技术可以降低石墨烯的合成温度、提高其生长速度，因此具有极高的研究价值。
　　 本文分别采用射频溅射和微波等离子体增强化学气相沉积的方法成功的制备出了石墨烯及其复合结构。采用激光拉曼和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)对其进行了表征，最后对石墨烯的生长机理进行了分析。实验中，采用射频溅射和微波等离子体增强CVD两种方法分别在碳纳米管阵列、单晶硅和类金刚石薄膜基底上实现了石墨烯的无催化制备。分析了加热温度、输出功率（射频或微波）、碳浓度、生长时间等参数对石墨烯的形核密度、尺寸和厚度的影响;同时还研究了不同基底对石墨烯生长的影响。实验发现，随着温度和等离子体密度的升高，石墨烯的生长速率会相应的加快。当提高碳浓度时，石墨烯的厚度和尺寸都有所增加。在射频溅射法合成石墨烯的过程中，相比于碳纳米管阵列基底，石墨烯更容易在平面基底上生长。这与微波等离子体CVD中所得到的结果相反。最后利用拉曼光谱和HR-TEM对石墨烯的结构进行了表征，结果发现无催化合成的产物多为多层结构的石墨烯。在碳浓度和等离子能量密度较低的情况下，基底形貌对活性碳原子的热扩散影响很大，因此石墨烯在平面基底的生长速度远远高于碳纳米管基底。在碳浓度和等离子体能量密度较高的情况下，基底表面缺陷的多少是影响石墨烯生长的首要因素，缺陷越多，石墨烯生长越快，因此石墨烯无催化生长是碳原子在缺陷处的吸附和吸附碳受到氢等离子体刻蚀综合作用的结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 碳纳米材料的发展

1．2 石墨烯发现的历程

1．3 石墨烯的结构特点

1．4 石墨烯的制备方法

1．4．1 固相法

1．4．2 液相法

1．4．3 气相法

1．5 石墨烯的性能特点

1．5．1 电学性能

1．5．2 力学性质

1．5．3 热学性能

1．5．4 光学性能

1．5．5 化学性能

1．6 石墨烯在应用方面的研究进展

1．6．1 石墨烯太阳能电池

1．6．2 石墨烯／碳纳米管复合薄膜

1．6．3 大面积透明电极

1．6．4 石墨烯场效应晶体管

1．6．5 石墨烯储能器件

1．7 本研究的目的、意义以及研究内容

第2章 实验过程及样品表征

2．1 实验仪器的结构及工作原理

2．1．1 双室磁过滤脉冲真空弧(MEVVA)离子沉积系统

2．1．2 磁控溅射镀膜系统

2．1．3 热化学气相沉积(TCVD)管式炉

2．1．4 射频溅射设备

2．1．5 微波等离子体增强CVD (MW-PECVD)

2．2 实验过程

2．2．1 碳纳米管阵列的制备

2．2．2 类金刚石(DLC)薄膜的制备

2．2．3 射频溅射法制备石墨烯及石墨烯／碳纳米管复合结构

2．2．4 微波等离子体CVD制备石墨烯及石墨烯／碳纳米管复合结构

2．3 样品表征

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)

2．3．3 拉曼光谱(Raman Spectroscopy)

第3章 射频溅射法合成石墨烯

3．1 温度对石墨烯生长的影响

3．2 功率对石墨烯生长的影响

3．3 基底表面形态对石墨烯生长的影响

3．3．1 碳纳米管阵列上石墨烯的合成

3．3．2 平面基底上石墨烯的合成

3．4 石墨烯结构的拉曼光谱分析

3．5 时间对石墨烯生长的影响

3．6 本章小结

第4章 微波等离子体增强CVD法制备石墨烯

4．1 时间对石墨烯生长的影响

4．2 微波功率对石墨烯生长的影响

4．3 加热温度对石墨烯生长的影响

4．4 碳浓度对石墨烯生长的影响

4．5 本章小结

第5章 无催化合成石墨烯生长机理的研究

5．1 石墨烯的形核

5．2 石墨烯的二维生长

5．3 微波CVD法合成石墨烯的生长机理分析

5．4 本章小结

第6章 总结

致谢

参考文献