微波等离子体化学气相沉积法制备高质量石墨烯的研究

摘要

石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构，因其独特的单原子层二维晶体结构而集众多优异特性于一身。微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）因沉积温度低、基底选择广泛、沉积时间短而在现有的石墨烯制备方法中脱颖而出。但采用MPCVD法大规模制备石墨烯仍存在一些问题，还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺。本研究采用课题组自行设计的功率为10kW大面积环形不锈钢腔体微波等离子体化学气相沉积装置，以甲烷为碳源，氢气和氩气为辅助气体，研究在铜、镍、硅衬底上沉积石墨烯的工艺。采用光学显微镜、拉曼光谱（Raman）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和能量色散谱（EDS）表征实验样品，分析不同工艺参数对石墨烯质量的影响及相应的原理，从而获得高质量、层数可控的石墨烯制备工艺。主要研究工作如下：
　　1、系统研究100 sccm H2和200 sccm Ar气氛中不同热处理时间对铜箔基底表面形貌和晶面取向的影响。X射线衍射（XRD）和SEM检测结果表明：经过30min热处理，铜箔晶面取向一致、表面平整洁净且铜晶粒尺寸较大。
　　2、采用Raman研究工艺参数（温度、压力、功率、生长时间、气源比例）对石墨烯微观结构（层数和缺陷密度）的影响。结合TEM、SEM、EDS以及光学显微镜测试结果综合分析：5.5kW、7.4kPa和650℃分别为最佳的微波功率、沉积压力和生长温度。通过改变石墨烯的沉积时间可制备均匀性好、层数可控的石墨烯。
　　3、系统研究原位氢等离子体后处理对石墨烯样品层数、缺陷密度和表面形貌的影响，原位氢等离子体在整个后处理过程中扮演两种角色：少于150s的前期阶段，提供环境促进MPCVD腔体内残余的碳源继续沉积生长；150s至300s的后期阶段，氢气作为去除顶层石墨烯的刻蚀剂。
　　4、采用MPCVD法研究不同热处理气氛对镍箔形貌的影响，从而获得表面洁净、晶粒尺寸较大的镍箔，通入CH4作为碳源沉积石墨烯，局部（晶界处）层数不均。
　　5、在铜基底上以石墨烯为过渡层制备金刚石薄膜的研究。石墨烯的质量对金刚石的形核起到决定性的作用。
　　6、在单晶硅基底上改变碳源浓度和生长温度制备不同形式的碳材料，经SEM和Raman检测：在100 sccm CH4和200 sccm H2气氛中，850℃生长温度制备出类碳纳米墙结构的纳米材料。