APCVD制備大面積石墨烯薄膜的研究.pdf

1、透明導(dǎo)電薄膜是現(xiàn)今世界上使用最普遍的電器部件之一。透明導(dǎo)電薄膜作為電極材料廣泛應(yīng)用于LCD控制器、平板電視、太陽能電池和觸摸屏幕等領(lǐng)域。自透明導(dǎo)電薄膜被研發(fā)出來后迅速成為我們生活中電子顯示設(shè)備的一個重要構(gòu)成部分。由于優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能氧化銦錫（ITO）迅速占據(jù)了大部分市場。商用的ITO膜具有低電阻性以滿足節(jié)能的要求和高透光性來滿足透明的需求。但是隨著用量的增加銦礦越來越少，其價格受市場的影響也越來越大；同時由于氧化銦錫本身較脆不適用于

2、柔性屏幕的應(yīng)用；再者氧化銦錫會擴(kuò)散到有機(jī)層中，在酸性環(huán)境中不穩(wěn)定。鑒于此，很有必要研發(fā)出一種新的材料來取代或是部分取代ITO。
　　石墨烯作為近年來的一個研究熱點(diǎn)，具備單原子層厚度，高達(dá)97.7％的透光率，超高的載流子遷移率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時還具備優(yōu)異的機(jī)械性能可以實現(xiàn)柔性導(dǎo)電透明材料的應(yīng)用。因此成為取代ITO的理想材料。傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法雖然可以得到高質(zhì)量的單層石墨烯但是其產(chǎn)率和形貌不易得到控制，石墨烯的高通量制備成為限制石

3、墨烯作為透明導(dǎo)電材料應(yīng)用的環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）可以實現(xiàn)大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜的制備。然而在整個制備過程中需要引入較高的溫度，超純氣體，真空或超高真空等苛刻條件。同時整個操作過程復(fù)雜且要求精細(xì)對操作人員提出了很高的要求不利于工業(yè)化的實現(xiàn)。鑒于此有必要摸索一條與現(xiàn)在半導(dǎo)體工業(yè)相匹配的工業(yè)路線來實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用。
　　本文以石墨烯薄膜在電學(xué)器件上面的應(yīng)用為目標(biāo)，討論了常壓化學(xué)氣相沉積法（APCVD）制備大面積，高質(zhì)量石墨

4、烯薄膜和無定形石墨烯薄膜的過程，通過調(diào)節(jié)制備環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)可以獲得高質(zhì)量大面積的石墨烯薄膜和無定形石墨烯薄膜，同時討論了溫度、氫氣占比對石墨烯的電學(xué)和光學(xué)性能的影響，為石墨烯工業(yè)化應(yīng)用提供實驗和理論依據(jù)。本論文的主要結(jié)論如下：
　?。?）銅箔的預(yù)處理是制備高質(zhì)量、單層率高的石墨烯薄膜的關(guān)鍵。通過使用腐蝕劑對商用銅箔預(yù)腐蝕處理，然后在1000℃， Ar：H2=400sccm：100sccm條件下退火處理可以獲得更為平整的銅箔表面，制

5、備中使石墨烯的形核密度相對較低，最終獲得高質(zhì)量的單層石墨烯薄膜。
　　（2）氧含量和溫度對石墨烯薄膜制備過程影響很大。隨著溫度的降低甲苯的揮發(fā)速度和分解速率均降低，制備過程可控性增強(qiáng)。通過多次洗爐獲得近乎無氧的環(huán)境下，可在150℃條件下獲得以單層為主的石墨烯薄膜，但是薄膜覆蓋率不高僅發(fā)現(xiàn)直徑為20-37μm的區(qū)域。連續(xù)成膜溫度在280℃，制得的石墨烯薄膜厚度為0.49nm，展現(xiàn)出較高的單層率。
　　（3）氫氣分壓同樣是影響石

6、墨烯質(zhì)量的重要因素。隨著制備過程氫分壓的增大石墨烯的綜合質(zhì)量下降，低氫分壓有利于高質(zhì)量石墨烯薄膜的制備，在低氫分壓下獲得的石墨烯薄膜的透過率為97.3%，薄膜方阻為435?/□，展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。
　?。?）首次使用金屬鎂箔作為生長基體進(jìn)行石墨烯薄膜的生長。金屬鎂的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，使用0.025mol/L的草酸溶液預(yù)清洗，并在490℃，Ar：H2=400sccm：100sccm的條件下退火處理，處理后獲得的晶粒尺寸在80-2

7、00μm區(qū)間，宏觀狀態(tài)良好。
　　（5）制備氣氛組成和溫度對無定形石墨烯薄膜的制備影響較大。在沒有氫氣的參與下可以制得無定形石墨烯薄膜，并且通過溫度的變化可以控制樣品的層數(shù)。在400℃，Ar：Ar載=400sccm：5sccm條件下可以制得單層率高的無定形石墨烯薄膜。
　　（6）制得的無定形石墨烯樣品缺陷程度高，ID/IG≈1.0并且隨著溫度的降低略有增加，計算的晶疇尺寸較小在16.2nm左右，在400℃條件下制得的樣品呈現(xiàn)