大面積石墨烯生長、摻雜研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，自2004年成功分離以來，它成為繼富勒烯、碳納米管等碳基材料之后的明星材料，在材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注，展現(xiàn)出豐富的物理現(xiàn)象及廣闊應(yīng)用前景。同時，石墨烯的發(fā)現(xiàn)也打破了之前二維材料無法單獨存在的理論預(yù)言，引領(lǐng)了二硫化鉬、六方氮化硼、單層錫、黑磷、硅烯、鍺烯等二維材料的研究熱潮。
　　化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長石墨烯具有生長面積大、結(jié)晶質(zhì)量好、成本低廉、容易轉(zhuǎn)移到其他基底材料上等優(yōu)點，而備

2、受關(guān)注。本論文利用自制CVD系統(tǒng)，以銅箔為基底生長石墨烯及摻雜（同位素?fù)诫s、氮摻雜）石墨烯，通過同位素標(biāo)定技術(shù)研究其生長機(jī)理，并利用微區(qū)拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜(XPS)等對其性質(zhì)進(jìn)行表征。
　　在石墨烯的生長方面，本文首先在表面自限制成核生長單層石墨烯以及微腔CVD生長雙層石墨烯等生長機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)了銅箔生長石墨烯成核過程中碳擴(kuò)散的第三種方式，即碳在銅襯底上的穿透式擴(kuò)散。這種擴(kuò)散方式是形成多層石墨烯的

3、主要原因。通過同位素標(biāo)定技術(shù)和拉曼光譜儀詳細(xì)表征了多層石墨烯的形成機(jī)理。
　　其次，單晶石墨烯的生長對制備以石墨烯為基礎(chǔ)的電子元器件具有重要意義。本文利用氧化石墨烯為晶種，通過合理設(shè)置合成工序，成功實現(xiàn)了石墨烯晶向可控生長。
　　同時，在生長得到的銅基石墨烯基礎(chǔ)上，本文針對石墨烯的防腐蝕性，研究了石墨烯的抗氧化性能。發(fā)現(xiàn)石墨烯邊緣和銅箔間的原電池效應(yīng)導(dǎo)致這部分覆蓋的銅箔氧化腐蝕的更快。隨著邊緣的逐步氧化，最后石墨烯覆蓋的銅箔

4、被嚴(yán)重氧化，且氧化程度比未被石墨烯覆蓋的區(qū)域更嚴(yán)重。
　　在摻雜石墨烯生長與表征方面，本文首先研究了同位素?fù)诫s石墨烯的聲子行為。發(fā)現(xiàn)13C的出現(xiàn)導(dǎo)致石墨烯的拉曼譜峰位置發(fā)生紅移，并且紅移的大小和拉曼模的頻率有關(guān)，頻率越高則頻移越大。同時，我們也發(fā)現(xiàn)隨著13C濃度從1％升到50％，半高寬會增大;而相反，隨著13C濃度繼續(xù)從50％增大99％，半高寬會減小。摻雜過程中，同位素濃度的變化導(dǎo)致，聲子散射概率發(fā)生變化，聲子的壽命受到影響。根據(jù)

5、半高寬數(shù)值我們估算得到自然豐度情況下及同位素濃度為50％時，iTO聲子的壽命分別為15.3 ps和0.72 ps，在誤差范圍內(nèi)，與理論計算值符合的很好。
　　化學(xué)摻雜也是調(diào)控石墨烯電子性質(zhì)的重要手段，不僅能使石墨烯表現(xiàn)為p型或n型導(dǎo)電，還能改變其能帶結(jié)構(gòu)，從而將其由半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體。本文首次提出使用尿素(urea:CH4N20)和甲烷(CH4)分別作為氮源和碳源，利用CVD系統(tǒng)生長大面積氮摻雜石墨烯的方法。這種方法成本低廉，技術(shù)

6、成熟具有很好的擴(kuò)展應(yīng)用前景。掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征結(jié)果表明生產(chǎn)得到的石墨烯為連續(xù)均勻單層石墨烯。摻雜氮含量約為3.72atom％，為已報道固態(tài)氮源摻雜方法中較高含量。XPS結(jié)果顯示氮摻雜類型主要為吡咯型摻雜。由于摻雜效應(yīng)和應(yīng)力的改變，拉曼光譜譜峰位置隨著摻雜濃度的增加發(fā)生藍(lán)移，同時聲子的散射概率增加，降低了聲子的壽命，使得拉曼譜峰半高寬增寬。且ID/ID'約為1.2。表明缺陷類型為邊界缺陷。電學(xué)測試結(jié)果表明氮摻雜石墨烯為n型導(dǎo)