高質(zhì)量石墨烯的制備及其應用研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)異的物理性能，包括納米級別的厚度、超高的室溫電子遷移率、良好的透光性能，使其在電子器件、觸摸屏等領(lǐng)域有著巨大的應用價值。自從2004年Geim課題組通過微機械剝離法制備出石墨烯以來，引起了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。隨后各種各樣的制備方法也相繼發(fā)展出來。目前，以銅箔為催化基底的化學氣相沉積法(CVD)是最有希望實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯薄膜工業(yè)化生產(chǎn)的方法?；瘜W氣相沉積法涉及到復雜的影響因素，包括基底質(zhì)量、混氣比、生長溫度、生長時間、生

2、長壓強等等，深入理解這些因素的作用對于制備高質(zhì)量石墨烯薄膜具有非常重要的意義。
　　本文從構(gòu)成石墨烯薄膜的晶疇入手，深入研究了常壓和低壓下各種因素對石墨烯晶疇尺寸和形貌的影響，系統(tǒng)探討了常壓和低壓下石墨烯晶疇的生長機理。進一步將低壓制備的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至硅片和BZT-0.5BCT鐵電薄膜基底上制備了場效應晶體管并測試了其電學性能。具體研究內(nèi)容和成果如下:
　　常壓下:首先，研究了銅箔基底對石墨烯晶疇質(zhì)量的影響，經(jīng)過機械拋光和

3、電化學拋光的銅箔表面生長的石墨烯晶疇形貌大多為六邊形且分布均勻;其次，研究了不同CH4/H2混氣比下石墨烯晶疇的尺寸、形貌變化情況，當CH4/H2混氣比范圍在1∶75到1∶100時可以得到均勻分布的六邊形石墨烯晶疇;延長石墨烯生長時間，六邊形石墨烯晶疇的尺寸逐步變大，不同六邊形石墨烯晶疇其成核時間不一致。在甲烷濃度為500ppm、生長時間60min、生長溫度1030℃下，成功制備出了尺寸達到百微米級別的石墨烯晶疇，拉曼光譜表明晶疇的質(zhì)量

4、與微機械剝離法制備的石墨烯質(zhì)量非常接近?；趯嶒灲Y(jié)果，我們認為常壓下很難制備出厚度均一的石墨烯薄膜，生長氣氛壓力對石墨烯的層數(shù)起到非常重要的調(diào)控作用。
　　低壓下:研究了不同CH4/H2混氣比對石墨烯晶疇的影響，CH4/H2混氣比越小，石墨烯晶疇的成核密度越低，越容易制得大尺寸石墨烯晶疇;生長溫度對石墨烯晶疇的尺寸與成核密度影響較大，溫度越高，石墨烯晶疇的尺寸越大，而成核密度則先升高后降低，溫度為1000℃時成核密度最高;隨著生長

5、時間延長，石墨烯晶疇的形貌逐漸由四枝狀變?yōu)榉叫?，石墨烯晶疇的面積增長率大于橫向尺寸增長率;不同銅箔位置處石墨烯晶疇的成核密度與覆蓋率也不同，銅箔正面的石墨烯成核密度為236個/mm2，覆蓋率為69.1％，反面僅為86個/mm2，覆蓋率為10.4％;石墨烯晶疇多為四枝狀單層結(jié)構(gòu)，說明其生長動力學與常壓不同;低壓下制備的石墨烯薄膜為單層結(jié)構(gòu)，透光率達97.1％。
　　將低壓制備的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至300nmSiO2/Si基板上制備了背柵