單晶石墨烯形成機理的研究.pdf

1、單晶石墨烯擁有優(yōu)良的物理和化學性質，以銅箔為襯底，CVD方法是實現其高質量大尺寸制備最具前途的方法。然而，目前實驗上制備的石墨烯無論在質量還是尺寸方面都不能滿足實際應用的需求，因此理清其微觀生長機理、改進制備參數對于提高單晶石墨烯的品質具有重要的意義。
　　采用基于密度泛函理論的第一原理計算方法，本文主要研究了石墨烯成核生長過程中過渡態(tài)CxHy團簇在銅襯底表面的吸附和生成行為。通過對此類碳氫團簇吸附能、與銅表面的距離以及結構特征的

2、分析，得出以下結論：
　?。?）基于C、H原子的CxHy小團簇在Cu(111)表面的形成研究表明，隨著氫原子飽和度、氫原子個數的增大，CxHy團簇的形成能減小，碳原子與銅表面的平均距離增加，C-C鍵的平均鍵長呈增大趨勢。然而，當生成的CxHy團簇具有空間對稱結構時，在一定程度上打破了這一規(guī)律性。令人驚奇的是，形成的C3H4和 C3H5對稱團簇具有類似石墨烯的空間結構，這類結構可能在石墨烯的形成過程中起著重要的作用。
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3、）基于C、CHx的C3H4和C3H5團簇在Cu(111)表面的形成研究表明，當初始粒子不含CH3基團時，Cu(111)面上有相應的C3H4和C3H5團簇生成。當初始粒子含CH3基團時，Cu(111)面上并無相應碳原子數的碳氫團簇生成，但CHx基團之間的相互作用促進了CH3的分解，形成CH、CH2、C2H4等小型碳氫團簇分別獨立吸附在銅表面的終態(tài)結構。此外，對稱C3H4和C3H5團簇分別與CH基團結合形成C4H5和C4H6團簇的計算結果顯

4、示，與形成的C4H5相比，C4H6團簇的形成能更低，結構更穩(wěn)定，對稱性更高。
　　在理論研究的基礎上，對石墨烯的實驗制備進行了初步探索。采用低壓條件下的微波等離子化學氣相沉積法，以 CH4為碳源，在銅箔表面上生長單晶石墨烯。對銅箔的預處理實驗表明：先進行10％的稀鹽酸超聲處理，再經過10V、3min的電化學拋光，最后在氫氣環(huán)境下高溫退火可以有效改善銅箔表面的粗糙度。原子力顯微鏡檢測顯示，經過以上預處理的銅箔最高凸起在10nm以下。