鎳箔上MEVVA離子注入法合成石墨烯機理研究.pdf

1、石墨烯是單層二維蜂窩狀晶格結構的碳材料，其高導電、高的電子遷移率、高機械強度及高光透過率等優(yōu)異的物理特性，吸引各行業(yè)專家學者的研究。厚度可控、可重復生產的大面積高質量石墨烯合成方法一直是研究人員的目標。目前石墨烯常見的合成方法有機械剝離法、SiC外延生長法、氧化還原石墨方法、化學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，已成熟應用在電子工業(yè)生產中，此技術可以精確控制碳離子注入劑量，不受基底固溶度及擴散系數的影響，是

2、最有前景的石墨烯合成方法之一。2010年以來，人們利用離子注入技術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展，能成功合成高質量單層石墨烯，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理對合成大面積均勻的高質量石墨烯具有重要意義。隨著金屬蒸發(fā)真空弧離子源（MEVVA）的問世，帶來了強金屬離子源，該離子源不僅能夠產生所有固態(tài)金屬的離子，還能夠產生少數能導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。通過拋光鎳箔表面，研究了實驗參數：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。微觀形貌觀察結合微區(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測試結果排除了不同取向晶粒碳離子注入量的差異。XRD表征結果證明石墨烯的合成與鎳箔晶粒表面晶向有關，再通過EBSD測試表明只有鎳箔表面的（101）晶面出現石墨烯。

4、結合晶體學知識，通過計算分析（101）晶面的面致密度最小，結合 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。
　　本研究對各種實驗現象及測試表征結果對鎳箔上離子注入法合成石墨烯有新的解釋：通過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；碳原子會直接從鎳箔晶面析出；不同晶面取向的晶粒對石墨烯的形成有影響，且碳原子