碳化硅、藍(lán)寶石和銅箔表面石墨烯的生長(zhǎng)和表征研究.pdf

1、石墨烯是一種新型碳單質(zhì)新材料，因其獨(dú)特的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)及奇特的能帶結(jié)構(gòu)引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)特性，光學(xué)特性，熱學(xué)特性與電學(xué)特性，可廣泛應(yīng)用在微電子學(xué)器件，超級(jí)電容器，光電器件及能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域。在有關(guān)石墨烯的研究中，高質(zhì)量石墨烯的制備仍然是一關(guān)鍵問(wèn)題，獲得大尺寸，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，層數(shù)可控的石墨烯是石墨烯器件制作的前提。在目前的制備方法中，利用α-SiC單晶高溫退火制備石墨烯、直接在合適的襯底上制備石墨烯與在非晶Cu箔

2、上制備石墨烯引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，而目前這些方法制備的石墨烯晶體質(zhì)量還比較低，其中的一些物理問(wèn)題尚未得到解決。本論文利用SRPES、Raman與NEXAFS等手段研究了在SiC單晶、藍(lán)寶石與Cu箔襯底上石墨烯的優(yōu)化生長(zhǎng)及形成機(jī)制。
　　 基于SiC單晶生長(zhǎng)高質(zhì)量石墨烯的需要，對(duì)在6H-SiC兩個(gè)極性面形成石墨烯的機(jī)制進(jìn)行深入探討，并發(fā)展了一些在6H-SiC襯底上優(yōu)化生長(zhǎng)石墨烯的方法，分別為輔助C束流與輔助非晶Ni;發(fā)展了幾種

3、在藍(lán)寶石絕緣襯底上直接制備石墨烯的方法，分別為在生長(zhǎng)SiC緩沖層并高溫退火、生長(zhǎng)SiC和非晶Ni快速退火、高溫下直接沉積C原子；利用提供固態(tài)C源的方式在銅箔上制備高質(zhì)量的石墨烯，并優(yōu)化了其中的生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的層數(shù)可控生長(zhǎng)及在襯底間的轉(zhuǎn)移。
　　 主要的研究工作及其結(jié)果如下：
　　 1.6H-SiC單晶襯底上石墨烯的生長(zhǎng)
　　 1)利用SRPES和LEED技術(shù)對(duì)具有不同極性面的6H-SiC(0001)與6H

4、-SiC(0001)表面高溫退火生長(zhǎng)石墨烯的形成過(guò)程進(jìn)行了原位研究。結(jié)果表明在兩種極性面均制備出了外延石墨烯(EG)。對(duì)兩種極性面形成的石墨烯對(duì)比性研究表明：Si面EG面內(nèi)晶格呈各向同性而C面EG呈各向異性；Si面EG與襯底存在較強(qiáng)的界面相互作用，受到襯底的影響較大，而C面EG與襯底相互作用較弱，受到襯底影響較小。Si面EG的形成溫度比C面EG的形成溫度高150℃左右，C面更易生長(zhǎng)石墨烯且形成速度較快。Si面EG的平整度和均勻度要好于C

5、面EG。
　　 2)研究了輔助C束流對(duì)6H-SiC的兩極性面高溫退火生長(zhǎng)石墨烯的影響，結(jié)果表明輔助C束流對(duì)在6H-SiC兩極性面上生長(zhǎng)石墨烯的質(zhì)量均具有改善作用，而且也能達(dá)到控制石墨烯層數(shù)的作用。在6H-SiC(0001)面輔助C束流的結(jié)果表明：輔助C束流降低了石墨烯的形成溫度，在較低溫度(800℃)下已經(jīng)生長(zhǎng)出了石墨烯，且石墨烯的晶體質(zhì)量隨著襯底溫度的升高而升高。6H-SiC(0001)面輔助C束流的結(jié)果表明：輔助C束流需要合

6、適的蒸發(fā)速率，蒸發(fā)速率太小或者太大都對(duì)石墨烯的質(zhì)量改善作用不大。
　　 3)在覆蓋有非晶Ni層的6H-SiC(0001)襯底上通過(guò)快速升溫及快速降溫的方法制備石墨烯，并研究了不同退火溫度對(duì)石墨烯結(jié)晶質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，利用這種方法制備的石墨烯比直接高溫退火的方法制備的石墨烯不但所需溫度較低，而且晶體質(zhì)量也得到提高，隨著退火溫度的增加，石墨烯的晶體質(zhì)量先升高后降低，在800℃時(shí)獲得了晶體質(zhì)量最好的石墨烯。
　　 2．藍(lán)寶

7、石襯底上石墨烯的制備
　　 1)利用固源分子束外延(SSMBE)的方法在α-Al2O3(0001)襯底上外延生長(zhǎng)出了結(jié)晶性能良好的6H-SiC薄膜，然后通過(guò)對(duì)之高溫退火制備出了石墨烯。這種石墨烯具有和6H-SiC襯底單晶Si端面高溫退火制備的石墨烯一樣的AB堆垛結(jié)構(gòu)。
　　 2)先在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)SiC緩沖層，然后再沉積非晶Ni，之后利用快速退火快速降溫的方法制備石墨烯，并研究了SiC緩沖層的結(jié)晶質(zhì)量對(duì)石墨烯的影響。結(jié)

8、果表明我們利用這種方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出了石墨烯，沉積非晶Ni對(duì)石墨烯的形成具有促進(jìn)作用，而且先前在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的SiC緩沖層的晶體質(zhì)量對(duì)后面形成的石墨烯的晶體質(zhì)量有重要影響，在藍(lán)寶石襯底上形成的SiC晶體質(zhì)量越好，形成的石墨烯質(zhì)量也越高。
　　 3)利用直接沉積C原子的方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)石墨烯，結(jié)果表明我們利用這種方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出了石墨烯。石墨烯的晶粒尺寸為12.2nm，層數(shù)約為2-3層。所生長(zhǎng)的石墨烯和α-

9、SiC的C極性面通過(guò)高溫?zé)嵬嘶鸱椒ㄖ苽涞氖┮粯泳哂衼y層堆垛結(jié)構(gòu)。
　　 3．Cu箔上石墨烯的制備
　　 1)在Cu箔襯底上通過(guò)直接沉積C原子的方法生長(zhǎng)石墨烯。結(jié)果表明我們?cè)贑u箔上生長(zhǎng)出了結(jié)晶性能良好且而有序的石墨烯，其質(zhì)量比利用此方法在藍(lán)寶石與Si單晶上生長(zhǎng)的石墨烯的質(zhì)量更優(yōu)異。
　　 2)研究了襯底溫度對(duì)在Cu箔上利用沉積C原子的方法制備石墨烯的影響。結(jié)果表明襯底溫度是在Cu箔上形成石墨烯的重要因素，石墨