化學氣相沉積法生長石墨烯的CFD模擬研究.pdf

1、石墨烯是碳材料家族中一種明星材料，因其獨特的電子結構和優(yōu)異的物理特性一直備受關注。石墨烯有望在高性能納米電子器件、復合材料、場發(fā)射器、傳感器和能量儲存等領域獲得廣泛應用?，F(xiàn)今主要制備石墨烯的方法有:微機械剝離法，外延生長法，氧化還原法和化學氣相沉積法。其中在金屬表面化學氣相沉積法有望成為一種理想的大規(guī)模制備大面積，價格低廉的，高質量的石墨烯。銅金屬由于其具有低碳溶解度，是一種很優(yōu)良的生長襯底材料，而且在生長過程中比較容易控制石墨烯樣品的

2、層數(shù)。
　　近來，對于在銅襯底上制備石墨烯的生長機制由很多理論研究工作。但是研究主要集中在銅襯底上的生長反應機制。關于氣相動作用也只是從熱力學角度進行簡單分析。很少有關于氣相動力學因素對石墨烯在銅襯底上生長影響的研究。但是在實驗上已經表明氣相動力學也是石墨烯生長的一個很重要的影響因素。以甲烷作為碳源在銅襯底上CVD生長石墨烯實驗中，反應室壓強是影響石墨烯樣品平整性的重要因素。理論分析甲烷的氣相熱分解反應導致反應室中各種活性組分處于

3、非平衡狀態(tài)，從氣體流動上游到下游方向，活性組分濃度逐漸升高，因此在實驗上觀察到銅襯底處于下游相比銅襯底處于上游獲得石墨烯樣品的厚度較厚?；谶@些結果，我們利用計算流體力學方法來研究氣相動力學對在臥式管式爐中CVD生長石墨烯的影響。
　　本工作利用計算流體力學軟件包FLUENT仿真模擬以甲烷作為碳源在銅襯底上CVD生長石墨烯過程。從模擬結果可以發(fā)現(xiàn)，反應室的壓強為低壓(83Pa)時，甲烷的組分輸運系數(shù)遠大于表面化學反應常數(shù)，反應面上

4、縱向沒有濃度梯度，甲烷的表面濃度和主氣流濃度差不多，表面沉積速率隨溫度變大呈指數(shù)增長;反應室的壓強為常壓(101325Pa)時，甲烷的化學反應常數(shù)大于組分輸運系數(shù)，反應面上縱方向有明顯濃度梯度，表面濃度最低，表面沉積速率隨溫度變大只是稍微增長。因此分析推出，反應室壓強為低壓時，石墨烯生長受限于表面化學反應;反應室壓強為常壓時，石墨烯生長受限于組分輸運過程。在常壓(101325Pa)、中等壓強(2666Pa)和低壓(83 Pa)三種不同壓