基于拉曼光谱的光子晶体光纤孔内生长石墨烯层数控制方法的研究

摘要

石墨烯和光子晶体光纤(PCF)都拥有良好的光学特性,但是通过湿法转移只能将石墨烯薄膜转移/涂覆在光纤表面或端面,内部的空气孔因为直径太小无法转移.因此,利用化学气相沉积法(CVD)将碳源分解为碳原子,使其在光纤空气孔中形成形核点,在PCF内孔生长石墨烯薄膜.重点研究了通过控制生长条件,使石墨烯直接在光子晶体光纤空气孔中生长出完整的石墨烯薄膜并且层数可控的技术.通过扫描电镜表征生长后的石墨烯,可以清楚的看到石墨烯薄膜的存在并且与光子晶体光纤空气孔紧密结合在一起,形成石墨烯光纤材料;通过拉曼光谱表征生长后的石墨烯,可以看到石墨烯3个特征峰均存在.改变生长条件比如:温度、生长时间、甲烷气体浓度等发现光子晶体光纤空气孔中的石墨烯D峰与G峰的比值明显减小,有效降低了石墨烯的缺陷.结果表明生长时间对石墨烯缺陷降低最为有效,D峰与G峰的比值可以降到0.5左右.生长时间为5h时石墨烯生长层数为双层,通过延长生长时间可以继续降低石墨烯的缺陷程度和增加石墨烯的层数;温度可以快速分解甲烷进而增加碳原子的形核点,加快石墨烯薄膜的形成,但是过高的温度会对石墨烯产生较大的缺陷,在1050℃之后D峰与G峰的比值不再快速降低.研究表明石墨烯层数则因为碳原子形核点的增多而不断变厚;甲烷浓度的增加,导致气体流速加快,而空气孔直径太小受到流速影响较大,导致空气孔内石墨烯的层数波动式增大.此研究为后续设计基于石墨烯光纤的器件、探究石墨烯光纤在光学的应用提供了基础.