石墨烯的外延生长及性质研究

摘要

石墨烯具有优异的电学和光学性能，在电子器件、航天、能源领域有广泛的应用前景。本文以热解石墨为靶材，采用脉冲激光沉积法(PLD)研究了石墨烯较佳的制备工艺，成功在单晶 Cu(111)基片上外延生长石墨烯薄膜。最终得到了以下研究结果：
　　(1)在高真空气氛中，单一变量条件下，对比不同脉冲沉积发数的碳薄膜。发现减少沉积发数有利于石墨烯薄膜的制备，相反，增加沉积发数趋向于无序结构。当脉冲数为100发时，得到了制备石墨烯薄膜较佳的沉积发数。
　　(2)在高真空气氛中通过对比不同沉积温度下制备石墨烯薄膜，发现温度对薄膜结晶质量有很大的影响，随着温度的升高，碳薄膜由无序化向有序化转变，结晶质量逐渐增加。当生长温度为600℃时，获得了较佳的生长温度，持续升高温度会导致薄膜晶格失配产生位错，结晶质量下降。在高真空气氛中得到石墨烯的较佳生长条件为激光能量200mJ，激光频率1Hz，脉冲数100发，沉积温度600℃。
　　(3)在氢气气氛中，得到制备石墨烯薄膜合适的沉积温度是400℃。得出氢气有利于降低石墨烯薄膜的沉积温度。获得的较佳生长条件为激光能量200mJ，激光频率1Hz，脉冲数100发，沉积温度400℃。
　　(4)通过紫外可见反射光谱测试石墨烯的光学性质，反射率在近紫外波段区域约为35％左右，在红外波段区域约为90%左右，并且在可见光波段急剧上升。通过 Kubelka-Munk方程可以计算石墨烯薄膜的光学带隙，得到在高真空中制备的石墨烯薄膜的光学带隙为2.12 eV，在氢气气氛下(2×10-1 Pa)制备的石墨烯薄膜的光学带隙为2.2 eV。
　　(5)测试石墨烯薄膜电阻随温度变化曲线，发现在高真空条件下(600℃，100发)电阻最低为2.93Ω，有最好的导电率，在高真空条件下(650℃，100发)条件下制备的石墨烯有最大的电阻值为6.7Ω。计算石墨烯的电阻温度系数，结果表明，在氢气条件下(2×10-1 Pa)制备的石墨烯具有最大的TCR为26%，说明该条件下制备的石墨烯电阻随温度变化最大。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 石墨烯的基本性质和制备方法

1.4 课题主要研究内容及创新点

2 薄膜的制备与表征

2.1 实验设备

2.2 薄膜的制备过程

2.3 样品表征

3 高真空条件下石墨烯薄膜的生长

3.1 Cu(111)基片的处理

3.2 激光脉冲频率对石墨烯薄膜生长的影响

3.3 生长速率的标定

3.4 不同激光脉冲数沉积石墨烯薄膜

3.5 不同沉积温度制备石墨烯薄膜

3.6 本章小结

4 氢气气氛中石墨烯薄膜的生长

4.1 原子力(AFM)形貌分析

4.2 不同沉积温度制备石墨烯薄膜

4.3 本章小结

5 石墨烯的光学性质和电学性质研究

5.1 石墨烯的光学性质研究

5.2 石墨烯的光学带隙计算

5.3 石墨烯的电学性质研究

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果