高質(zhì)量石墨烯的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)異的物理性能，包括納米級(jí)別的厚度、超高的室溫電子遷移率、良好的透光性能，使其在電子器件、觸摸屏等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。自從2004年Geim課題組通過微機(jī)械剝離法制備出石墨烯以來，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。隨后各種各樣的制備方法也相繼發(fā)展出來。目前，以銅箔為催化基底的化學(xué)氣相沉積法(CVD)是最有希望實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯薄膜工業(yè)化生產(chǎn)的方法。化學(xué)氣相沉積法涉及到復(fù)雜的影響因素，包括基底質(zhì)量、混氣比、生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)時(shí)間、生

2、長(zhǎng)壓強(qiáng)等等，深入理解這些因素的作用對(duì)于制備高質(zhì)量石墨烯薄膜具有非常重要的意義。
　　本文從構(gòu)成石墨烯薄膜的晶疇入手，深入研究了常壓和低壓下各種因素對(duì)石墨烯晶疇尺寸和形貌的影響，系統(tǒng)探討了常壓和低壓下石墨烯晶疇的生長(zhǎng)機(jī)理。進(jìn)一步將低壓制備的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至硅片和BZT-0.5BCT鐵電薄膜基底上制備了場(chǎng)效應(yīng)晶體管并測(cè)試了其電學(xué)性能。具體研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　常壓下:首先，研究了銅箔基底對(duì)石墨烯晶疇質(zhì)量的影響，經(jīng)過機(jī)械拋光和

3、電化學(xué)拋光的銅箔表面生長(zhǎng)的石墨烯晶疇形貌大多為六邊形且分布均勻;其次，研究了不同CH4/H2混氣比下石墨烯晶疇的尺寸、形貌變化情況，當(dāng)CH4/H2混氣比范圍在1∶75到1∶100時(shí)可以得到均勻分布的六邊形石墨烯晶疇;延長(zhǎng)石墨烯生長(zhǎng)時(shí)間，六邊形石墨烯晶疇的尺寸逐步變大，不同六邊形石墨烯晶疇其成核時(shí)間不一致。在甲烷濃度為500ppm、生長(zhǎng)時(shí)間60min、生長(zhǎng)溫度1030℃下，成功制備出了尺寸達(dá)到百微米級(jí)別的石墨烯晶疇，拉曼光譜表明晶疇的質(zhì)量

4、與微機(jī)械剝離法制備的石墨烯質(zhì)量非常接近?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為常壓下很難制備出厚度均一的石墨烯薄膜，生長(zhǎng)氣氛壓力對(duì)石墨烯的層數(shù)起到非常重要的調(diào)控作用。
　　低壓下:研究了不同CH4/H2混氣比對(duì)石墨烯晶疇的影響，CH4/H2混氣比越小，石墨烯晶疇的成核密度越低，越容易制得大尺寸石墨烯晶疇;生長(zhǎng)溫度對(duì)石墨烯晶疇的尺寸與成核密度影響較大，溫度越高，石墨烯晶疇的尺寸越大，而成核密度則先升高后降低，溫度為1000℃時(shí)成核密度最高;隨著生長(zhǎng)

5、時(shí)間延長(zhǎng)，石墨烯晶疇的形貌逐漸由四枝狀變?yōu)榉叫?，石墨烯晶疇的面積增長(zhǎng)率大于橫向尺寸增長(zhǎng)率;不同銅箔位置處石墨烯晶疇的成核密度與覆蓋率也不同，銅箔正面的石墨烯成核密度為236個(gè)/mm2，覆蓋率為69.1％，反面僅為86個(gè)/mm2，覆蓋率為10.4％;石墨烯晶疇多為四枝狀單層結(jié)構(gòu)，說明其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與常壓不同;低壓下制備的石墨烯薄膜為單層結(jié)構(gòu)，透光率達(dá)97.1％。
　　將低壓制備的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至300nmSiO2/Si基板上制備了背柵