單晶石墨烯形成機理的研究.pdf

1、單晶石墨烯擁有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，以銅箔為襯底，CVD方法是實現(xiàn)其高質(zhì)量大尺寸制備最具前途的方法。然而，目前實驗上制備的石墨烯無論在質(zhì)量還是尺寸方面都不能滿足實際應(yīng)用的需求，因此理清其微觀生長機理、改進制備參數(shù)對于提高單晶石墨烯的品質(zhì)具有重要的意義。
　　采用基于密度泛函理論的第一原理計算方法，本文主要研究了石墨烯成核生長過程中過渡態(tài)CxHy團簇在銅襯底表面的吸附和生成行為。通過對此類碳氫團簇吸附能、與銅表面的距離以及結(jié)構(gòu)特征的

2、分析，得出以下結(jié)論：
　?。?）基于C、H原子的CxHy小團簇在Cu(111)表面的形成研究表明，隨著氫原子飽和度、氫原子個數(shù)的增大，CxHy團簇的形成能減小，碳原子與銅表面的平均距離增加，C-C鍵的平均鍵長呈增大趨勢。然而，當(dāng)生成的CxHy團簇具有空間對稱結(jié)構(gòu)時，在一定程度上打破了這一規(guī)律性。令人驚奇的是，形成的C3H4和 C3H5對稱團簇具有類似石墨烯的空間結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)可能在石墨烯的形成過程中起著重要的作用。
　?。?

3、）基于C、CHx的C3H4和C3H5團簇在Cu(111)表面的形成研究表明，當(dāng)初始粒子不含CH3基團時，Cu(111)面上有相應(yīng)的C3H4和C3H5團簇生成。當(dāng)初始粒子含CH3基團時，Cu(111)面上并無相應(yīng)碳原子數(shù)的碳氫團簇生成，但CHx基團之間的相互作用促進了CH3的分解，形成CH、CH2、C2H4等小型碳氫團簇分別獨立吸附在銅表面的終態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，對稱C3H4和C3H5團簇分別與CH基團結(jié)合形成C4H5和C4H6團簇的計算結(jié)果顯

4、示，與形成的C4H5相比，C4H6團簇的形成能更低，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，對稱性更高。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，對石墨烯的實驗制備進行了初步探索。采用低壓條件下的微波等離子化學(xué)氣相沉積法，以 CH4為碳源，在銅箔表面上生長單晶石墨烯。對銅箔的預(yù)處理實驗表明：先進行10％的稀鹽酸超聲處理，再經(jīng)過10V、3min的電化學(xué)拋光，最后在氫氣環(huán)境下高溫退火可以有效改善銅箔表面的粗糙度。原子力顯微鏡檢測顯示，經(jīng)過以上預(yù)處理的銅箔最高凸起在10nm以下。