液态铜上快速化学气相沉积高质量石墨烯

发布时间：2017-06-07 08:34

  本文关键词：液态铜上快速化学气相沉积高质量石墨烯，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨烯作为一种新型的二维单层碳原子纳米材料,自2004年以机械剥离的方法制备出来后,以其独特的各种电学、光学、热学等性能引起了广泛的研究热潮。目前石墨烯的制备方法多种多样,主要有机械剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法、化学还原法等,其中化学气相沉积法是一种可控制备大面积高质量石墨烯的有效方法,而且该方法便捷易操作,并能与下一步石墨烯的转移和应用相结合,目前已成为石墨烯生长领域的主流方法。但利用传统化学气相沉积法来制备石墨烯的时间从升温、生长到降温大多都需要几个小时,限制了石墨烯的进一步应用,因此寻找一种快速生长高质量石墨烯的方法迫在眉睫。本论文中的石墨烯生长采用的是冷壁垂直式CVD系统,该系统可以快速的升降温,从而缩短石墨烯的生长时间,但是采用该系统在铜箔上快速生长的石墨烯单晶面积比较小、缺陷密度比较高,为了解决这个问题,本文研究在融化的液态铜上快速生长石墨烯以提高石墨烯单晶面积和降低石墨烯中的缺陷密度,由于液态铜消除了固态铜上存在的晶界,因此在液态铜上生长石墨烯具有均匀、低密度、自排列对准的成核分布,同时略微改进铜箔上石墨烯的转移方法以使其更加适用于液态铜上生长的石墨烯。本论文主要工作如下:(1)研究了不同甲烷流量和不同生长时间下的液态铜上石墨烯生长情况,利用光学显微镜、扫描电子显微镜SEM来分析不同条件下液态铜上所生长的石墨烯样品的形貌特征,利用拉曼光谱来分析液态铜上所生长的石墨烯的缺陷密度和质量,同时和铜箔上快速化学气相沉积的石墨烯进行了对比。本文的创新性成果是将液态铜和快速生长系统相结合制备高质量石墨烯,与在铜箔上快速生长的石墨烯相比较,在制备所需时间大致相同(40分钟左右)的情况下最终不仅制备出了大面积的石墨烯单晶(直径大于100μm)以及均匀的连续单层石墨烯,同时拉曼测试结果表明,这种方法也大大地降低了所制备石墨烯中的缺陷密度,该研究成果对于高质量石墨烯的大规模快速生产应用有着重要的研究意义。(2)制备背栅石墨烯场效应器件是研究石墨烯电学性能(方阻、迁移率)的重要方法,本文同时对背栅石墨烯场效应管的制备和测试进行了研究。在制备背栅石墨烯场效应管时采用石墨烯搭在电极上的结构,一是可以降低制备过程中对石墨烯的损伤,二是易于制备可以提高器件成功率。由于空气中的水分子和气体分子会吸附在石墨烯表面,从而影响石墨烯的电学性能,为了解决这个问题,在测试背栅石墨烯场效应管时,采用加热的方法能够脱吸附石墨烯表面吸附的水分子和气体分子,从而降低对石墨烯电学性能的影响,该研究成果对于高性能石墨烯器件的研究制备有着重要的意义。
【关键词】：石墨烯 液态铜 冷壁垂直式CVD系统 背栅石墨烯场效应管
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-30
• 1.1 石墨烯的发现10-11
• 1.2 石墨烯的基本机构和独特性质11-14
• 1.2.1 石墨烯的基本结构11
• 1.2.2 石墨烯的电学性质11-13
• 1.2.3 石墨烯的光学特性13
• 1.2.4 石墨烯的热学和力学特性13-14
• 1.3 石墨烯的制备方法14-17
• 1.3.1 机械剥离法14-15
• 1.3.2 化学气相沉积法CVD15
• 1.3.3 碳化硅（SiC）外延生长法15-16
• 1.3.4 化学氧化还原法16-17
• 1.4 石墨烯的表征方法17-22
• 1.4.1 光学显微镜17-19
• 1.4.2 扫描电子显微镜SEM19
• 1.4.3 透射电子显微镜TEM19-20
• 1.4.4 拉曼光谱20-21
• 1.4.5 场效应器件和霍尔器件21-22
• 1.5 石墨烯的应用22-27
• 1.5.1 石墨烯场效应器件22-23
• 1.5.2 石墨烯透明电极23-25
• 1.5.3 石墨烯探测器25-26
• 1.5.4 石墨烯太阳能电池26-27
• 1.6 本文的主要研究内容和创新点27-30
• 第2章液态铜上石墨烯的制备原理和转移30-38
• 2.1 化学气相沉积石墨烯的原理30-31
• 2.2 液态铜上化学气相沉积石墨烯的原理与优点31-33
• 2.3 冷壁垂直式化学气相沉积系统33-34
• 2.4 石墨烯的转移34-37
• 2.4.1 铜箔上石墨烯的转移方法34-37
• 2.4.2 液态铜上石墨烯的转移方法37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 液态铜上快速化学气相沉积石墨烯及表征38-50
• 3.1 石墨烯生长前铜箔和钨箔的处理38-39
• 3.2 快速化学气相沉积石墨烯的具体步骤39-41
• 3.2.1 铜箔上快速制备石墨烯步骤39
• 3.2.2 液态铜快速制备石墨烯步骤39-41
• 3.3 石墨烯的表征41-48
• 3.3.1 液态铜上生长石墨烯的光学显微镜图片分析41-46
• 3.3.2 液态铜上生长石墨烯的扫描电镜图片分析46
• 3.3.3 液态铜上石墨烯的拉曼光谱图分析46-47
• 3.3.4 液态铜与铜箔上生长的石墨烯相比较47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 背栅石墨烯场效应管的制备与测试分析50-58
• 4.1 背栅石墨烯场效应管的制备50-52
• 4.2 背栅石墨烯场效应管的测试与分析52-56
• 4.3 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-66
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文66-68
• 致谢68

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