石墨烯/铜体系中氧的诱导成核及气体渗透行为研究

摘要

利用铜基底上化学气相沉积法已经可以获得高质量大尺寸的石墨烯薄膜，但是对于其成核生长的影响因素的研究，依然停留在对实验结果的反馈上。即使在相似的实验条件下，各个实验室合成的石墨烯差异依然非常巨大，说明真正影响石墨烯成核和生长动力学和热力学的因素依然没有被发现。另外一方面，已经有初步的研究证明反应体系中的微量氧元素对于石墨烯的合成会产生重大的影响，因此有必要重点考察氧元素对于石墨烯合成各个步骤的影响，建立石墨烯合成机理与氧分布及浓度的关联。
　　石墨烯的抗渗透性能是石墨烯应用的一个重要方面。但是与理想的蜂窝状碳原子的平面排列相比，实际合成的石墨烯的抗渗透性能要下降很多。之前的工作会将其原因笼统地归结为石墨烯中缺陷的存在。但事实上，即使在合成的最高质量的石墨烯薄膜中其抗渗透性能也不是十分完美的。因此，有必要继续研究导致石墨烯抗渗透性能下降的因素。
　　本论文首先制备了单晶石墨烯晶粒和连续的石墨烯薄膜。在石墨烯成核和生长过程中，重点考察了氧的作用。利用铜基底上石墨烯这个体系，接着考察了以氧为代表的气体渗透石墨烯的过程。
　　论文的第一章简要介绍了石墨烯的基本概念及表征，制备方法，系统总结了铜基底上石墨烯合成过程及其影响因素，综述了石墨烯作为抗渗透层的研究进展。论文的第二章考察了石墨烯在铜表面成核的过程。通过俄歇电子能谱的表征和密度泛函理论计算，建立了石墨烯优先在富氧区域成核的结论。通过对比实验确定了氧的来源，为通过调节氧元素来控制成核提供了基础。在第三章中，我们考察了铜表面山丘的成因，及其与氧的分布的关系，对石墨烯在这种铜箔表面的生长过程进行了研究。通过抑制山丘的形成合成了连续的大面积的石墨烯薄膜并对其进行了系统的表征，为石墨烯的透明导电薄膜应用铺平道路。第四章考察了铜山丘上石墨烯的结构变化，通过对氧化初始位点的研究及其和石墨烯结构的联系，以及推拉弹性带的理论计算，建立了石墨烯的抗渗透性与其褶皱的联系，确定了气体渗透石墨烯的具体方式，为文献中石墨烯抗渗透性能下降的实验提供了重要依据。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 石墨烯概述

1．1．1 石墨烯的结构，性质及其表征

1．1．2 石墨烯的制备

1．1．3 石墨烯的应用

1．2 铜基底上化学气相沉积法制备石墨烯

1．2．1 化学气相沉积法制备石墨烯概述

1．2．2 氢对石墨烯制备的影响

1．2．3 氧对石墨烯制备的影响

1．3 石墨烯渗透性质研究

1．4 课题的提出与意义

第二章 氧在石墨烯成核中的作用

2．1 研究背景及目的

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 石墨烯的合成

2．2．3 石墨烯的转移

2．2．4 表征方法

2．2．5 密度泛函理论计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 无石墨烯生长铜箔表面氧元素分布

2．3．2 石墨烯在氧元素分布不均匀的铜表面成核

2．3．3 石墨烯在氧元素分布不均匀的铜表面生长

2．3．4 石墨烯晶粒的表征

2．3．5 密度泛函理论计算石墨烯在富氧的区域成核过程

2．4 本章小结

第三章 铜表面形貌和元素调控实现石墨烯可控成核和生长

3．1 研究背景及目的

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 石墨烯制备与转移

3．2．3 仪器与测试条件

3．3 结果与讨论

3．3．1 铜山丘形成中压强的作用

3．3．2 氧在铜表面山丘形成中的作用及其对石墨烯生长的影响

3．3．3 反应条件对于石墨烯合成的影响

3．3．4 石墨烯晶粒的表征

3．3．5 完整石墨烯薄膜的制备及性能

3．3 本章小结

第四章 化学气相沉积石墨烯的渗透性能研究

4．1 研究背景及目的

4．2 实验步骤

4．2．1 试剂

4．2．2 石墨烯的制备和转移

4．2．3 气体渗透石墨烯

4．2．4 仪器及测试

4．2．5 密度泛函理论计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 铜基底上生长石墨烯及其表征

4．3．2 石墨烯中的褶皱

4．3．3 气体穿透石墨烯褶皱的研究

4．3．4 氧原子穿透石墨烯褶皱的理论计算

4．4 本章小结

第五章 主要结论与创新点

5．1 主要结论

5．2 创新点

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间科研成果