石墨烯的化学气相沉积法制备、光学表征与裁剪研究

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	石墨烯的化学气相沉积法制备、光学表征与裁剪研究
	高力波
学位类型	博士
导师	成会明 ; 任文才
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料学
关键词	石墨烯化学气相沉积法制备表征裁剪 Graphene Chemical Vapor Deposition Preparation Characterization Tailoring
摘要	"石墨烯是一种新型二维碳材料，具有独特的晶体结构特征，呈现出优异的电学、光学、热学、力学等物理化学性质，被认为在集成电路、晶体管、射频器件、高灵敏传感器、透明导电薄膜、功能复合材料、储能、催化等领域有广阔的应用前景。但对石墨烯结构的表征仍不完善，高质量石墨烯以及石墨烯带等的制备仍有很多问题亟待解决，这都限制了对石墨烯物性的深入研究和应用探索。本论文以石墨烯在电子器件方面的应用为目标，重点研究了高质量石墨烯的化学气相沉积（CVD）法制备、石墨烯的边界选择性裁剪以及石墨烯层数等结构信息的光学和拉曼光谱表征方法。一、提出了常压CVD方法制备出高质量石墨烯，以多晶铂作为基体实现了大尺寸单晶石墨烯的制备率先提出以铜为基体的常压CVD方法，制备出高质量的石墨烯薄膜。对比研究发现，反应体系中氢气含量是影响常压CVD法石墨烯质量的关键因素。氢气含量越低，生长出来的石墨烯质量越高。在不添加氢气的条件下制备的石墨烯透光率为96.3%，表面电阻小于350Ω/□。进一步研究发现，氢气对铜箔生长石墨烯的主要影响在于烃类碳源在此环境中的分解速度以及铜中的溶氢量，从而导致石墨烯薄膜的晶粒尺寸和褶皱高度不同。该方法具有设备简单、成本低及适于大量制备等优点，因此有望在将来的实际应用中发挥更大作用。以镍和铜为基体的CVD法生长的石墨烯具有褶皱高和晶粒尺寸小（<10 mm）等缺点，导致其电学、力学和热学性能欠佳。为了解决上述问题，提出采用金属铂为基体的CVD方法制备出褶皱低和晶粒尺寸大的高质量石墨烯。虽然金属铂有着很高的溶碳能力，但仍能生长出单层为主的石墨烯薄膜，并且生长石墨烯的条件非常宽泛。不论单晶或者多晶铂表面生长出来的石墨烯，都是由石墨烯岛组成，这些石墨烯岛在低碳源浓度时，一般具有直线形的边界。以多晶铂为基体可以生长出没有凹角的六边形石墨烯岛，最大晶粒尺寸为600 μm，结合不同的表面表征手段，推测这种石墨烯岛为单晶的石墨烯晶粒。二、发展了可快速表征石墨烯层数的总色差光学表征方法，提出了表面干涉共增强的拉曼散射技术，极大地提高了拉曼表征的灵敏性和精度结合可见光反射谱和色度空间，建立了表征石墨烯层数的总色差方法，解释了石墨烯在衬底上的色彩变化问题，并系统研究了对比度的影响因素，提出了一种选择光学观测衬底的方法。经过理论计算与实验验证，发现带有72 nm氧化铝层的硅片更适合作为光学表征石墨烯的衬底，可显著增加石墨烯的衬度，提高了光学表征的精度。利用这种总色差光学表征方法可以准确地判断石墨烯的层数，为石墨烯的快速、准确表征提供了理论和实验依据。为了解决拉曼光谱检测石墨烯时信号强度弱的问题，在深入理解拉曼增强机制的基础上，提出了表面干涉共增强的拉曼散射方法，通过设计衬底增强了石墨烯的拉曼信号强度，为石墨烯的弱拉曼信号检测提供了很好的技术支持。该方法利用硅/金属/氧化物结构衬底，其中金属层为银、金等表面拉曼活性物质。研究发现，对于硅/银/氧化铝体系，在氧化铝层为72 nm、银层厚度>80 nm时的增强效果最佳，信号增强倍数可达103。此外，使用该衬底可以同时保证石墨烯在光学显微镜下清晰可见，为石墨烯弱拉曼光谱信号的探测及灵敏表征石墨烯的边界和表面等精细结构信息奠定了基础。三、发展了非金属的SiOx纳米粒子裁剪石墨烯制备边界规整的石墨烯纳米带和半导体量子点的方法石墨烯带是解决石墨烯漏电流、实现其在纳电子器件领域应用的直接解决方案。常用石墨烯带制备方法存在边界不规整或者金属污染等问题。提出利用非金属SiOx纳米粒子，在氢气辅助下通过高温碳氢反应，将石墨烯裁剪出具有规整边界的沟道，进而形成石墨烯带或者量子点。利用这种非金属纳米粒子裁剪出的石墨烯沟道，具有很高的边界取向选择性，而且边界呈现原子级光滑。非金属裁剪石墨烯的速度非常缓慢，仅为~4 nm/s，这为精确控制裁剪过程提供了可能。这种裁剪过程由于没有金属的参与，因此形成的石墨烯带或者半导体量子点在电学性能测试过程中可以避免金属产生的漏电或者污染。"
其他摘要	"1. Proposed ambient CVD to prepare high quality graphene using Cu foil as a substrate, and realized the preparation of graphene with low wrinkles and large domain size using polycrystalline Pt as a substrate A low pressure CVD process is usually used for graphene growth on Cu, which limits its wide use, to a certain extent, for large-scale production of graphene films at low cost. We proposed an ambient pressure CVD method for the rapid growth of high-quality graphene on Cu. Without the presence of H2, continuous graphene films were obtained with a mean sheet resistance of <350 Ω/sq and light transmittance of 96.3% at 550 nm. The quality and growth rate of graphene films were dramatically increased with decreasing H2 concentration. We suggest that the presence of H2 led to a large number of inter-island junctions and wrinkles, which were responsible for the observed low quality and large sheet resistance of graphene prepared at high H2 concentration. Because of the ambient pressure, rapid growth rate, absence of H2 and readily available Cu foils, this ambient CVD process enables inexpensive and high-throughput growth of high-quality graphene films."
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64323
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	高力波. 石墨烯的化学气相沉积法制备、光学表征与裁剪研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.