鎳箔上MEVVA離子注入法合成石墨烯機(jī)理研究.pdf

1、石墨烯是單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳材料，其高導(dǎo)電、高的電子遷移率、高機(jī)械強(qiáng)度及高光透過(guò)率等優(yōu)異的物理特性，吸引各行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者的研究。厚度可控、可重復(fù)生產(chǎn)的大面積高質(zhì)量石墨烯合成方法一直是研究人員的目標(biāo)。目前石墨烯常見(jiàn)的合成方法有機(jī)械剝離法、SiC外延生長(zhǎng)法、氧化還原石墨方法、化學(xué)氣相沉積法及離子注入法。離子注入是一種表面材料改性及摻雜的技術(shù)，已成熟應(yīng)用在電子工業(yè)生產(chǎn)中，此技術(shù)可以精確控制碳離子注入劑量，不受基底固溶度及擴(kuò)散系數(shù)的影響，是

2、最有前景的石墨烯合成方法之一。2010年以來(lái)，人們利用離子注入技術(shù)成功在金屬表面合成石墨烯，特別是在鎳薄膜上合成石墨烯取得到較大的進(jìn)展，能成功合成高質(zhì)量單層石墨烯，但是大面積均勻性還有待提升。因此，深入理解離子注入法合成機(jī)理對(duì)合成大面積均勻的高質(zhì)量石墨烯具有重要意義。隨著金屬蒸發(fā)真空弧離子源（MEVVA）的問(wèn)世，帶來(lái)了強(qiáng)金屬離子源，該離子源不僅能夠產(chǎn)生所有固態(tài)金屬的離子，還能夠產(chǎn)生少數(shù)能導(dǎo)電的非金屬元素的離子，此源的離子束純度非常好，束

3、斑大且相當(dāng)均勻。本文利用 MEVVA離子注入法成功在多晶鎳箔上合成出石墨烯。通過(guò)拋光鎳箔表面，研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)：碳離子注入劑量，退火溫度，N2/H2氣體流量等的影響，得到合成石墨烯的優(yōu)化參數(shù)。微觀形貌觀察結(jié)合微區(qū)拉曼分析顯示，鎳箔表面石墨烯的合成是不均勻的，具有晶粒選擇性。EDX測(cè)試結(jié)果排除了不同取向晶粒碳離子注入量的差異。XRD表征結(jié)果證明石墨烯的合成與鎳箔晶粒表面晶向有關(guān)，再通過(guò)EBSD測(cè)試表明只有鎳箔表面的（101）晶面出現(xiàn)石墨烯。

4、結(jié)合晶體學(xué)知識(shí)，通過(guò)計(jì)算分析（101）晶面的面致密度最小，結(jié)合 SEM表征出的樣品表面形貌，石墨烯分散在晶面，由于（101）面碳原子偏析路徑中阻力最小，鎳箔中的碳原子直接從面致密度最小的晶面偏析，而不是單純從鎳箔晶界偏析。
　　本研究對(duì)各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及測(cè)試表征結(jié)果對(duì)鎳箔上離子注入法合成石墨烯有新的解釋?zhuān)和ㄟ^(guò)晶界蔓延至表面形成石墨烯不是唯一的形成石墨烯的方式；碳原子會(huì)直接從鎳箔晶面析出；不同晶面取向的晶粒對(duì)石墨烯的形成有影響，且碳原子