APCVD制备大面积石墨烯薄膜的研究

摘要

透明导电薄膜是现今世界上使用最普遍的电器部件之一。透明导电薄膜作为电极材料广泛应用于LCD控制器、平板电视、太阳能电池和触摸屏幕等领域。自透明导电薄膜被研发出来后迅速成为我们生活中电子显示设备的一个重要构成部分。由于优异的电学和光学性能氧化铟锡（ITO）迅速占据了大部分市场。商用的ITO膜具有低电阻性以满足节能的要求和高透光性来满足透明的需求。但是随着用量的增加铟矿越来越少，其价格受市场的影响也越来越大；同时由于氧化铟锡本身较脆不适用于柔性屏幕的应用；再者氧化铟锡会扩散到有机层中，在酸性环境中不稳定。鉴于此，很有必要研发出一种新的材料来取代或是部分取代ITO。
　　石墨烯作为近年来的一个研究热点，具备单原子层厚度，高达97.7％的透光率，超高的载流子迁移率和良好的化学稳定性，同时还具备优异的机械性能可以实现柔性导电透明材料的应用。因此成为取代ITO的理想材料。传统的机械剥离法虽然可以得到高质量的单层石墨烯但是其产率和形貌不易得到控制，石墨烯的高通量制备成为限制石墨烯作为透明导电材料应用的环节。化学气相沉积法（CVD）可以实现大面积高质量石墨烯薄膜的制备。然而在整个制备过程中需要引入较高的温度，超纯气体，真空或超高真空等苛刻条件。同时整个操作过程复杂且要求精细对操作人员提出了很高的要求不利于工业化的实现。鉴于此有必要摸索一条与现在半导体工业相匹配的工业路线来实现石墨烯的工业化应用。
　　本文以石墨烯薄膜在电学器件上面的应用为目标，讨论了常压化学气相沉积法（APCVD）制备大面积，高质量石墨烯薄膜和无定形石墨烯薄膜的过程，通过调节制备环节的关键参数可以获得高质量大面积的石墨烯薄膜和无定形石墨烯薄膜，同时讨论了温度、氢气占比对石墨烯的电学和光学性能的影响，为石墨烯工业化应用提供实验和理论依据。本论文的主要结论如下：
　　（1）铜箔的预处理是制备高质量、单层率高的石墨烯薄膜的关键。通过使用腐蚀剂对商用铜箔预腐蚀处理，然后在1000℃， Ar：H2=400sccm：100sccm条件下退火处理可以获得更为平整的铜箔表面，制备中使石墨烯的形核密度相对较低，最终获得高质量的单层石墨烯薄膜。
　　（2）氧含量和温度对石墨烯薄膜制备过程影响很大。随着温度的降低甲苯的挥发速度和分解速率均降低，制备过程可控性增强。通过多次洗炉获得近乎无氧的环境下，可在150℃条件下获得以单层为主的石墨烯薄膜，但是薄膜覆盖率不高仅发现直径为20-37μm的区域。连续成膜温度在280℃，制得的石墨烯薄膜厚度为0.49nm，展现出较高的单层率。
　　（3）氢气分压同样是影响石墨烯质量的重要因素。随着制备过程氢分压的增大石墨烯的综合质量下降，低氢分压有利于高质量石墨烯薄膜的制备，在低氢分压下获得的石墨烯薄膜的透过率为97.3%，薄膜方阻为435?/□，展现出优异的电学性能。
　　（4）首次使用金属镁箔作为生长基体进行石墨烯薄膜的生长。金属镁的化学性质非常活泼，使用0.025mol/L的草酸溶液预清洗，并在490℃，Ar：H2=400sccm：100sccm的条件下退火处理，处理后获得的晶粒尺寸在80-200μm区间，宏观状态良好。
　　（5）制备气氛组成和温度对无定形石墨烯薄膜的制备影响较大。在没有氢气的参与下可以制得无定形石墨烯薄膜，并且通过温度的变化可以控制样品的层数。在400℃，Ar：Ar载=400sccm：5sccm条件下可以制得单层率高的无定形石墨烯薄膜。
　　（6）制得的无定形石墨烯样品缺陷程度高，ID/IG≈1.0并且随着温度的降低略有增加，计算的晶畴尺寸较小在16.2nm左右，在400℃条件下制得的样品呈现绝缘特性，在490℃条件下制得样品的薄膜方阻高达1.3×105Ω/□，远远高于铜基石墨烯的电阻值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的结构和性质

1.3 石墨烯分类及制备方法

1.4 石墨烯薄膜的化学气相沉积法（CVD）制备

1.5 石墨烯的应用

1.6 研究的意义和主要内容

第二章 实验过程及表征测试方法

2.1 引言

2.2 APCVD实验装置

2.2 实验仪器及材料

2.3 实验方法

2.4 分析和测试方法

第三章 低温APCVD铜箔表面制备石墨烯薄膜

3.1 引言

3.2 铜箔的预处理

3.3 制备参数对石墨烯薄膜质量的影响

3.4 本章小结

第四章 低温APCVD镁箔表面制备无定形石墨烯

4.1 引言

4.2 镁箔的预处理

4.3 镁箔表面制备无定形石墨烯

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及研究成果