CVD石墨烯的生長、應變及對Cu箔的抗氧化保護研究.pdf

1、石墨烯，是一種二維平面材料，碳原子間以sp2雜化相結(jié)合，并以蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列，構(gòu)成了平面內(nèi)的σ鍵和垂直于平面的π鍵。這一獨特的結(jié)構(gòu)使石墨烯擁有許多奇特的性質(zhì)，并在光電器件、FET、透明導電電極、傳感器、SERS、儲能方面有很大的應用前景。
　　石墨烯可以通過機械剝離、化學還原、CVD、SiC熱解等方法得到，其中CVD方法是目前制備單層和少層石墨烯最為有效的途徑。同時它和半導體工藝兼容，有望實現(xiàn)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)，因而成為當今最受關注

2、的制備方法。通過對生長的調(diào)控和襯底的不同方式處理，可以在金屬襯底上得到大尺寸的石墨烯單晶。絕緣襯底上石墨烯的直接生長由于碳原子與襯底較強的相互作用仍存在很多困難與挑戰(zhàn)，對其生長機理進行研究可以為石墨烯在半導體器件中的真正應用提供更多的可行性。因此，本文主要針對石墨烯在金屬和絕緣襯底上的生長展開系統(tǒng)研究，并就石墨烯對金屬的抗氧化保護進行了討論。具體內(nèi)容如下:
　　在第一章中，簡要介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及制備方法，并給出了本論文的選

3、題背景、擬解決的問題和研究內(nèi)容。
　　在第二章中，通過多孔Cu箔輔助，用CVD方法成功地在SiO2/Si襯底上制備了石墨烯，并用拉曼光譜對石墨烯的質(zhì)量進行表征。筆者發(fā)現(xiàn)由于石墨烯與襯底熱膨脹系數(shù)的差異，其拉曼譜的2D峰存在明顯藍移，藍移量隨石墨烯片尺寸的增大而增加。針對這一現(xiàn)象，提出了應變的“核-殼”模型，對缺陷和邊緣處應變的釋放也分別作了討論。擬合結(jié)果說明，缺陷是主要的應變釋放途徑，占到75％以上。而隨著生長時間的延長，邊緣釋放

4、區(qū)域會從～50nm增加至～100nm。這一結(jié)果表明，對于SiO2/Si襯底上生長的石墨烯，應變會不可避免的存在。為獲得高質(zhì)量的石墨烯，需要通過降低生長溫度或采用與石墨烯熱膨脹系數(shù)相近的絕緣襯底進行生長。最后，針對SiO2/Si襯底上生長的石墨烯缺陷密度大的問題，嘗試了減少碳源、兩步生長等一系列的生長調(diào)控，實現(xiàn)了缺陷的明顯減少，并提出了絕緣襯底上石墨烯生長的自修復機理。
　　在第三章中，首先在Cu襯底上制備單層、多層共存的石墨烯。之

5、后，將其置于微量氧氣中退火，研究石墨烯包覆Cu箔的抗氧化作用。發(fā)現(xiàn)氧化過程中，單層和雙層石墨烯呈現(xiàn)了不同的氧化條紋和氧化速率。分析表明:由于石墨烯中壓應變的存在，使垂直于應變的方向易于被氧化，形成了氧氣穿透石墨烯的通道。對于雙層，通道為兩層易氧化方向的交點。通道數(shù)量的多少導致了不同層數(shù)石墨烯保護的Cu箔抗氧化能力的不同。用阿倫尼烏斯公式對不同層數(shù)保護下，Cu箔氧化速率與溫度倒數(shù)的關系進行擬合，證明了這一結(jié)論。最后，通過Ar+轟擊制造缺陷

6、，證實了在石墨烯抗氧化保護中減少缺陷的重要性。本文的研究結(jié)果表明，在不影響金屬本身性質(zhì)的前提下，相比于單純地提高石墨烯的結(jié)晶質(zhì)量，采用多層石墨烯包覆抗氧化是更為簡單有效的選擇。
　　在第四章中，針對石墨烯生長過程中新核不斷形成的問題，在Cu襯底上采用二次生長的方法有效地減小了成核密度。結(jié)果表明，要得到大尺寸的單晶石墨烯，對其成核密度的抑制不應僅僅停留在成核初期，生長過程中仍需要進行調(diào)控。為制備大尺寸的石墨烯單晶，用氧化的銅襯底生長