CVD石墨烯的生長(zhǎng)、應(yīng)變及對(duì)Cu箔的抗氧化保護(hù)研究.pdf

1、石墨烯，是一種二維平面材料，碳原子間以sp2雜化相結(jié)合，并以蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列，構(gòu)成了平面內(nèi)的σ鍵和垂直于平面的π鍵。這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使石墨烯擁有許多奇特的性質(zhì)，并在光電器件、FET、透明導(dǎo)電電極、傳感器、SERS、儲(chǔ)能方面有很大的應(yīng)用前景。
　　石墨烯可以通過機(jī)械剝離、化學(xué)還原、CVD、SiC熱解等方法得到，其中CVD方法是目前制備單層和少層石墨烯最為有效的途徑。同時(shí)它和半導(dǎo)體工藝兼容，有望實(shí)現(xiàn)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)，因而成為當(dāng)今最受關(guān)注

2、的制備方法。通過對(duì)生長(zhǎng)的調(diào)控和襯底的不同方式處理，可以在金屬襯底上得到大尺寸的石墨烯單晶。絕緣襯底上石墨烯的直接生長(zhǎng)由于碳原子與襯底較強(qiáng)的相互作用仍存在很多困難與挑戰(zhàn)，對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行研究可以為石墨烯在半導(dǎo)體器件中的真正應(yīng)用提供更多的可行性。因此，本文主要針對(duì)石墨烯在金屬和絕緣襯底上的生長(zhǎng)展開系統(tǒng)研究，并就石墨烯對(duì)金屬的抗氧化保護(hù)進(jìn)行了討論。具體內(nèi)容如下:
　　在第一章中，簡(jiǎn)要介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及制備方法，并給出了本論文的選

3、題背景、擬解決的問題和研究?jī)?nèi)容。
　　在第二章中，通過多孔Cu箔輔助，用CVD方法成功地在SiO2/Si襯底上制備了石墨烯，并用拉曼光譜對(duì)石墨烯的質(zhì)量進(jìn)行表征。筆者發(fā)現(xiàn)由于石墨烯與襯底熱膨脹系數(shù)的差異，其拉曼譜的2D峰存在明顯藍(lán)移，藍(lán)移量隨石墨烯片尺寸的增大而增加。針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了應(yīng)變的“核-殼”模型，對(duì)缺陷和邊緣處應(yīng)變的釋放也分別作了討論。擬合結(jié)果說明，缺陷是主要的應(yīng)變釋放途徑，占到75％以上。而隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，邊緣釋放

4、區(qū)域會(huì)從～50nm增加至～100nm。這一結(jié)果表明，對(duì)于SiO2/Si襯底上生長(zhǎng)的石墨烯，應(yīng)變會(huì)不可避免的存在。為獲得高質(zhì)量的石墨烯，需要通過降低生長(zhǎng)溫度或采用與石墨烯熱膨脹系數(shù)相近的絕緣襯底進(jìn)行生長(zhǎng)。最后，針對(duì)SiO2/Si襯底上生長(zhǎng)的石墨烯缺陷密度大的問題，嘗試了減少碳源、兩步生長(zhǎng)等一系列的生長(zhǎng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了缺陷的明顯減少，并提出了絕緣襯底上石墨烯生長(zhǎng)的自修復(fù)機(jī)理。
　　在第三章中，首先在Cu襯底上制備單層、多層共存的石墨烯。之

5、后，將其置于微量氧氣中退火，研究石墨烯包覆Cu箔的抗氧化作用。發(fā)現(xiàn)氧化過程中，單層和雙層石墨烯呈現(xiàn)了不同的氧化條紋和氧化速率。分析表明:由于石墨烯中壓應(yīng)變的存在，使垂直于應(yīng)變的方向易于被氧化，形成了氧氣穿透石墨烯的通道。對(duì)于雙層，通道為兩層易氧化方向的交點(diǎn)。通道數(shù)量的多少導(dǎo)致了不同層數(shù)石墨烯保護(hù)的Cu箔抗氧化能力的不同。用阿倫尼烏斯公式對(duì)不同層數(shù)保護(hù)下，Cu箔氧化速率與溫度倒數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合，證明了這一結(jié)論。最后，通過Ar+轟擊制造缺陷

6、，證實(shí)了在石墨烯抗氧化保護(hù)中減少缺陷的重要性。本文的研究結(jié)果表明，在不影響金屬本身性質(zhì)的前提下，相比于單純地提高石墨烯的結(jié)晶質(zhì)量，采用多層石墨烯包覆抗氧化是更為簡(jiǎn)單有效的選擇。
　　在第四章中，針對(duì)石墨烯生長(zhǎng)過程中新核不斷形成的問題，在Cu襯底上采用二次生長(zhǎng)的方法有效地減小了成核密度。結(jié)果表明，要得到大尺寸的單晶石墨烯，對(duì)其成核密度的抑制不應(yīng)僅僅停留在成核初期，生長(zhǎng)過程中仍需要進(jìn)行調(diào)控。為制備大尺寸的石墨烯單晶，用氧化的銅襯底生長(zhǎng)