化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)石墨烯的CFD模擬研究.pdf

1、石墨烯是碳材料家族中一種明星材料，因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理特性一直備受關(guān)注。石墨烯有望在高性能納米電子器件、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射器、傳感器和能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今主要制備石墨烯的方法有:微機(jī)械剝離法，外延生長(zhǎng)法，氧化還原法和化學(xué)氣相沉積法。其中在金屬表面化學(xué)氣相沉積法有望成為一種理想的大規(guī)模制備大面積，價(jià)格低廉的，高質(zhì)量的石墨烯。銅金屬由于其具有低碳溶解度，是一種很優(yōu)良的生長(zhǎng)襯底材料，而且在生長(zhǎng)過程中比較容易控制石墨烯樣品的

2、層數(shù)。
　　近來，對(duì)于在銅襯底上制備石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)制由很多理論研究工作。但是研究主要集中在銅襯底上的生長(zhǎng)反應(yīng)機(jī)制。關(guān)于氣相動(dòng)作用也只是從熱力學(xué)角度進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。很少有關(guān)于氣相動(dòng)力學(xué)因素對(duì)石墨烯在銅襯底上生長(zhǎng)影響的研究。但是在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)表明氣相動(dòng)力學(xué)也是石墨烯生長(zhǎng)的一個(gè)很重要的影響因素。以甲烷作為碳源在銅襯底上CVD生長(zhǎng)石墨烯實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)室壓強(qiáng)是影響石墨烯樣品平整性的重要因素。理論分析甲烷的氣相熱分解反應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)室中各種活性組分處于

3、非平衡狀態(tài)，從氣體流動(dòng)上游到下游方向，活性組分濃度逐漸升高，因此在實(shí)驗(yàn)上觀察到銅襯底處于下游相比銅襯底處于上游獲得石墨烯樣品的厚度較厚。基于這些結(jié)果，我們利用計(jì)算流體力學(xué)方法來研究氣相動(dòng)力學(xué)對(duì)在臥式管式爐中CVD生長(zhǎng)石墨烯的影響。
　　本工作利用計(jì)算流體力學(xué)軟件包FLUENT仿真模擬以甲烷作為碳源在銅襯底上CVD生長(zhǎng)石墨烯過程。從模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)室的壓強(qiáng)為低壓(83Pa)時(shí)，甲烷的組分輸運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)大于表面化學(xué)反應(yīng)常數(shù)，反應(yīng)面上

4、縱向沒有濃度梯度，甲烷的表面濃度和主氣流濃度差不多，表面沉積速率隨溫度變大呈指數(shù)增長(zhǎng);反應(yīng)室的壓強(qiáng)為常壓(101325Pa)時(shí)，甲烷的化學(xué)反應(yīng)常數(shù)大于組分輸運(yùn)系數(shù)，反應(yīng)面上縱方向有明顯濃度梯度，表面濃度最低，表面沉積速率隨溫度變大只是稍微增長(zhǎng)。因此分析推出，反應(yīng)室壓強(qiáng)為低壓時(shí)，石墨烯生長(zhǎng)受限于表面化學(xué)反應(yīng);反應(yīng)室壓強(qiáng)為常壓時(shí)，石墨烯生長(zhǎng)受限于組分輸運(yùn)過程。在常壓(101325Pa)、中等壓強(qiáng)(2666Pa)和低壓(83 Pa)三種不同壓