铜表面化学气相沉积石墨烯的研究

摘要

石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层的二维膜材料，因其独特的电学性能、良好的柔韧性和透光性在显示器件、电子器件、光电器件等领域具有广阔的应用前景。
　　 实现石墨烯的有效制备是其众多优异性能得以应用的前提。化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯因其具有层数均一、结构完整、透光性好、适合规模生产等诸多优点，而成为一种重要的制备方法。目前对于石墨烯的低压生长研究较多，对其生长机理也有一定认识，然而石墨烯的低压生长条件要求苛刻、对设备要求高。相对而言，石墨烯的常压制备工艺简单、对设备要求低，能够有效降低生产成本，因而具有良好的应用前景。当前，对常压制备石墨烯方法的研究尚不充分，对其工艺参数、影响因素、生长机理等方面还有待深入了解。
　　 本文研究CVD法在常压条件下，以CH4为碳源，Ar为载气，在铜箔基底上生长石墨烯，并实现转移，通过拉曼光谱、光学显微镜、扫描电子显微镜、四探针电导率仪对产物进行表征。重点考察了生长过程中的氢气流量、温度因素变化对石墨烯结构和电学性能的影响，以期得到优化的工艺参数，以及对其生长机理的了解。
　　 实验结果表明:石墨烯能够跨越铜基底表面的晶界、台阶生长，形成连续分布的石墨烯薄膜，在铜箔表面的晶界、加工痕迹处，石墨烯的形核率高并且多层倾向明显;温度对石墨烯的质量有较大影响，温度较低时甲烷的催化裂解速度以及在铜表面的扩散的速度低，使得铜箔表面碳浓度较低利于单层的石墨烯形成，但是较低温度不利于碳的石墨化，使得石墨烯缺陷倾向增大;温度较高时甲烷的催化裂解的速度以及在铜表面的扩散速度大，碳的供给超过石墨烯生长的需求，石墨烯多层性倾向增大，同时缺陷增多;1000℃利于生长出缺陷较小的层数较少的石墨烯;氢气能够催化石墨烯六元环结构的形成，抑制无定形碳生成，但是氢气流量的增大能降低石墨烯的生长速度，随着生长阶段通入氢气流量的增大，石墨烯膜的方块电阻也会越来越大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 石墨烯的基本结构与性质

1．2 石墨烯的制备方法

1．2．1 剥离石墨法

1．2．2 加热SiC法

1．2．3 化学气相沉积法

1．3 CVD石墨烯的结构及其拉曼光谱

1．4 石墨烯的应用

1．5 研究内容与目的

第二章 实验部分

2．1 实验药品

2．2 实验设备与仪器

2．3 铜箔基底处理

2．4 石墨烯的CVD制备

2．4．1 不同温度条件下石墨烯的CVD制备

2．4．2 不同氢气流量下石墨烯的CVD制备

2．5 石墨烯的转移

2．6 实验器皿的处理

2．7 分析与测试方法

2．7．1 X-射线衍射

2．7．2 扫描电子显微镜

2．7．3 拉曼光谱分析

2．7．4 光学显微镜

2．7．5 电导率分析

第三章 石墨烯的结构表征

3．1 对铜箔基底的表征与分析

3．2 不同温度条件下石墨烯的表征与分析

3．3 不同氢气流量下石墨烯的表征与分析

3．3．1 不同氢气流量下石墨烯的SEM与光学表征

3．3．2 不同氢气流量下石墨烯的Raman表征

3．3．3 不同氢气流量下石墨烯的导电性能表征

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 课题展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及研究成果

致谢