石墨烯畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢　業(yè)　設(shè)　計</b></p><p>　　題　　目： 《石墨烯的光電性質(zhì)》</p><p>　　院 　系： </p><p><b>　　姓　　名： </b></p><p><b>　　

2、指導教師： </b></p><p><b>　　2015年7月4日</b></p><p><b>　　石墨烯的光電性質(zhì)</b></p><p>　　摘要 </p><p>　　石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體。其獨特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電

3、學、光學、力學以及熱學性能，是當前納米材料領(lǐng)域的研究熱點之一。本文綜述了石墨烯的制備方法，介紹了其光學、電學性能及在光電應用中的研究進展。同時，對目前石墨烯在光電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進行了展望。</p><p>　　采用聚苯乙烯作為固體碳源，通過化學氣相沉積法制備大面積石墨烯。相對于傳統(tǒng)的氣態(tài)碳源，聚苯乙烯的結(jié)構(gòu)本身具備鍵能較弱的 C-H 鍵。聚苯乙烯分解后產(chǎn)生的氣態(tài)含苯環(huán)活性小分子在相對較低的溫度下很容易脫氫形成活性

4、化的碳基團。這一優(yōu)異性質(zhì)有助于在低溫條件下催化生長石墨烯。研究表明，聚苯乙烯的加熱溫度是控制石墨烯層數(shù)和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。聚苯乙烯分解后得到的碳基團的濃度在整個石墨烯的化學氣相生長過程中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。</p><p>　　石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型晶格單原子層二維晶體。石墨烯有許多獨特的性質(zhì)，它是零帶隙的半金屬半導體材料，具有超高的費米速度（光速的1/300)、載流子遷移率（達到200,

5、000 cmV's"1)和熱導率(-5000 W/mK),良好的透光特性（單層石墨烯的吸收~2.3%)和優(yōu)異的力學性能（彈性模量和抗拉強度分別達到l.lTPa和125GPa)，因此在透明電極、晶體管、傳感器、能源存儲、高強度復合材料等方面存在廣泛的應用前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞　石墨烯，光電性能，合成， 應用； 固態(tài)碳源，聚苯乙烯，單層石墨烯，毫米級石墨烯晶疇，光電性能，形核控制，人工籽

6、晶，摻雜；納米結(jié)構(gòu)，表面增強拉曼光譜，多孔石墨烯，氧化鋅，光電探測器</p><p>　　Photoelectric Properties and Applications of Graphene</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Graphene is a two-dimensional atomica

7、lly thick crystal with carbon atoms arranged in a honeycomb lattice．It is regarded as one of the most promising candidates for future nanoelectronics due to its novel two-dimensional structure and excellent electrical an

8、d optical properties．In this review，different methods for preparing graphene were compared，the electric and optical properties of it were introduced，and the applications of graphene in electric and optical fields were su

9、mmarized． At last，probl</p><p>　　Graphene was synthesized by chemical vapor deposition using polystyrene as a solid carbon source. C-H bonds on polystyrene are relatively weak compared with the widely used g

10、aseous carbon sources. The molecules decomposed from polystyrene could be easily dehydrogenated into activated sp2structured carbon related radicals, which were helpful for promoting the formation of graphene at low temp

11、erature. This result also indicates that the heating temperature of solid precursor is a critical factor t</p><p>　　Keywords　graphene，photoelectric properties，synthesis，application；solid carbon source，polyst

12、yrene，monolayer grapheme，millimeter-sized graphene，optical ， electrical properties，nucleation control，artificial seed，doping； nanostructure，SERS， graphene nanomesh，ZnO，photodector</p><p><b>　　目錄</b&

13、gt;</p><p><b>　　摘要II</b></p><p>　　AbstractIII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 石墨烯的光電性能及其應用1</p>

14、;<p>　　1.1.2 化學氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性能研究1</p><p>　　1.1.3 石墨嫌及其復合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備和性能研究1</p><p>　　第2章 石墨烯的光電性能及其應用2</p><p>　　2.1 石墨烯的制備方法2</p><p>　　2.1.1 微機械剝離法2</p>

15、;<p>　　2.1.2 晶體外延生長法2</p><p>　　2.1.3 膠體懸浮液法2</p><p>　　2.2 石墨烯的光電性質(zhì)2</p><p>　　2.3 石墨烯光電應用領(lǐng)域3</p><p>　　2.3.1 光電探測器3</p><p>　　2.3.2 透明導體3</p&g

16、t;<p>　　2.3.3 顯示器和光線發(fā)射器3</p><p>　　2.3.4 觸摸屏4</p><p>　　2.3.5 光學調(diào)制器4</p><p>　　2.4 本章小結(jié)5</p><p>　　第3章 化學氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性質(zhì)研究6</p><p>　　3.1 石墨烯簡介

17、6</p><p>　　3.1.1 石墨烯的發(fā)現(xiàn)6</p><p>　　3.1.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)形態(tài)6</p><p>　　3.1.3 石墨烯力學特性6</p><p>　　3.1.4 超大的比表面積7</p><p>　　3.1.5 熱學性能7</p><p>　　3.2 石墨烯的

18、CVD 法制備、性能和結(jié)構(gòu)表征8</p><p>　　3.2.1 主要實驗設(shè)備及原材料8</p><p>　　3.2.2 固態(tài)源 CVD 法生長石墨烯設(shè)備的改造8</p><p>　　3.2.3 金屬襯底表面預處理工藝9</p><p>　　3.2.4 化學氣相沉積法制備石墨烯的工藝10</p><p>　　

19、3.3 本章小結(jié)10</p><p>　　第4章 石墨嫌及其復合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備和性能研究12</p><p>　　4.1 金屬/石墨嫌/金屬復合納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備及其表面增強拉曼光譜12</p><p>　　4.1.1 研究背景12</p><p>　　4.2 多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備及表面增強拉曼研究12</p>

20、<p>　　4.2.1 多孔石墨烯的研究現(xiàn)狀12</p><p>　　4.3 本章小結(jié)13</p><p><b>　　結(jié)論14</b></p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后

21、“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　石墨烯的光電性能及其應用</p><p>　　2004 年，英國曼徹斯特大學 Geim 等通過機械力從石墨晶體表面

22、剝離出石墨烯片層。由 sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成蜂窩狀二維碳質(zhì)材料，為單原子層厚度的石墨材料。同時，石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)使其具有完美的量子隧道效應和量子霍爾效應等特殊的性質(zhì)。由于石墨烯新奇的光電性質(zhì)，不斷吸引著物理、化學、材料等相關(guān)領(lǐng)域科學家極大的注目，尤其是半導體納米材料前沿領(lǐng)域。本文綜述了石墨烯的制備方法、光電性能以及在光電方面的應用評價。</p><p>　　化學氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性能研

23、究</p><p>　　在采用含苯環(huán)碳源制備高質(zhì)量大面積石墨烯的基礎(chǔ)上，本論文采用檸檬酸鈉還原法實現(xiàn)了石墨烯層間的銀納米粒子摻雜。1-4 層 AgNO3層間摻雜的石墨烯的光電性能已經(jīng)高于透明導電薄膜工業(yè)化應用最小值?；谶@種廉價的碳源和工藝簡單且低成本的摻雜工藝，有望在高效低成本的化學氣相沉積法的基礎(chǔ)上可以進一步促進廉價和高品質(zhì)大面積石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用。</p><p>　　石墨嫌及其復合

24、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備和性能研究</p><p>　　我們發(fā)展了一種通過金屬納米顆粒局域催化分解碳制備多孔石墨烯的新方法，并將之應用于表面增強拉曼光譜。通過拉曼光譜表征和電輸運測量，我們推斷多孔石墨烯中大量的邊緣結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)自發(fā)的型摻雜，從而導致顯著的拉曼化學增強。此外，多孔石墨烯的孔洞邊緣還可以高效吸附待測分子，實現(xiàn)對分子拉曼增強的快速檢測。這些結(jié)果表明，多孔石墨烯可以用作一種快速、高效拉曼增強檢測的優(yōu)質(zhì)襯底。<

25、/p><p>　　石墨烯的光電性能及其應用</p><p><b>　　石墨烯的制備方法</b></p><p>　　石墨烯制備研究已取得豐碩成果，發(fā)展了微機械剝離、化學氣相沉積、晶體外延生長、膠體懸浮液法等多種制備方法。在下面我們總結(jié)了各種合成方法，并討論了它們的優(yōu)缺點以及其應用前景。</p><p><b>　

26、　微機械剝離法</b></p><p>　　2004年，首次制得的石墨烯就是通過機械剝離法。這種方法是借助摩擦石墨表面獲得的片層，最終通過篩選，獲得單層的石墨烯薄片。該方法工藝簡單、成本低廉。但是機械剝離制得的石墨烯在結(jié)構(gòu)上不完整，對石墨烯的屬性研究是無價值的，并且這種方法獲得石墨烯尺寸不易控制，無法滿足應用要求。石墨烯優(yōu)越的電子遷移性質(zhì)需要較大規(guī)模的石墨烯。此方法利用摩擦石墨表面獲得的片層來篩選出單

27、層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應用的石墨烯薄片。</p><p><b>　　晶體外延生長法</b></p><p>　　外延生長法是在晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出另一種晶體的方法。在二十世紀九十年代中期，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn) SiC 單晶加熱至一定溫度會發(fā)生石墨化現(xiàn)象。因此 SiC 外延生長可制得單層和多層的石墨烯。SiC 單晶外延生長石墨烯的基本

28、工藝如下: 首先把經(jīng)過氧化或 H2刻蝕處理過的 SiC 單晶片置于超高真空和高溫環(huán)境下，利用電子束轟擊 SiC 單晶片除去表面氧化物，然后在高溫條件下將其表面層中的 Si 原子蒸發(fā)，使其表面的碳原子發(fā)生重構(gòu)。</p><p><b>　　膠體懸浮液法</b></p><p>　　膠體懸浮液法是利用擁有大量的羥基、環(huán)氧基和羧基等基團的氧化石墨為前驅(qū)體，超聲剝離制得石墨烯

29、。最后過濾、洗滌、真空干燥得到氧化石墨。然后再通過化學法將氧化石墨烯還原為石墨烯。該法原料來源豐富、價格低廉，為石墨烯的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)提供了可能。但是，該法經(jīng)氧化石墨還原后得到的石墨烯存在缺陷，即還原后的石墨烯仍含有部分含氧官能團，從而降低了石墨烯的電導率。</p><p><b>　　石墨烯的光電性質(zhì)</b></p><p>　　在可見光區(qū)，單原子層厚度的石墨烯

30、所反射的光小于入射光的 0.1%，當達到數(shù)十層時，會上升到 2% 左右。在可見光區(qū)，其對可見光的吸收大約為 2.3%。在正常情況下，大部分電子占據(jù)低能量狀態(tài)，只有少數(shù)會填充高能量狀態(tài)。而在粒子數(shù)倒轉(zhuǎn)狀態(tài)下情況正好相反。</p><p><b>　　石墨烯光電應用領(lǐng)域</b></p><p><b>　　光電探測器</b></p>&

31、lt;p>　　光電探測器是將光信號或光能轉(zhuǎn)化為電流。傳統(tǒng)的光電探測器大多基于傳統(tǒng)的半導體材料，它們的性能會受到材料固有屬性的限制。與傳統(tǒng)半導體相比，石墨烯沒有能帶隙，可吸收較大波長范圍的光。此外，異常高的載流子遷移率使石墨烯成為超快光電探測器的理想材料。這是由于等離子體共振提高了納米結(jié)構(gòu)的性能，單原子層厚度的石墨烯可以充分地受到等離子體增強效應的影響。此外，泵探針測量證明石墨烯光電探測器表現(xiàn)出較高的響應速度。</p>

32、<p><b>　　透明導體</b></p><p>　　透明導體是觸摸屏、發(fā)光二極管和太陽能電池等對表面電阻和高透明度要求較高器件的核心部分。當作為電極時，設(shè)備必須滿足光的傳入或傳出的條件。傳統(tǒng)的透明導體由高度摻雜的半導體氧化物組成，例如氧化銦錫( ITO) 。但是，傳統(tǒng)的透明導體的應用受到以下幾個因素的限制: 機械的脆性不利于它們作為有彈性的顯示器; 銦元素的短缺使得這樣的顯

33、示器價格居高不下; 銦原子的擴散會污染周圍的薄片，并降低設(shè)備的性能。為了滿足對透明導體日益增長的需求，研發(fā)新技術(shù)變的尤為迫切。</p><p><b>　　顯示器和光線發(fā)射器</b></p><p>　　液晶顯示器( Liquid crystal display，LCD) 利用載玻片上剝離的石墨烯作為陰極透明導體，如圖2所示。這種單層石墨烯阻值較低，電子傳輸率高達 9

34、8%。而相同阻值下，ITO 薄膜的傳輸率為95%。發(fā)光二極管( Light emitting diodes，LEDs) 同其它的光電設(shè)備一樣，都利用了石墨烯作為透明和靈活的電極。有機發(fā)光二極管是一種顯示器最新商業(yè)化技術(shù)，包含有電致發(fā)光聚合物質(zhì)活性區(qū)域，可用于超薄和有彈性的顯示屏。許多發(fā)光裝置利用了碳基透明導體薄膜和碳納米管。并且，石墨烯作為陽極或陰極。石墨烯在經(jīng)過氧等離子體處理或被還原氧化石墨修飾之后，可以進行光致發(fā)光。</p&g

35、t;<p><b>　　觸摸屏</b></p><p>　　目前，觸摸屏被廣泛應用于手機和數(shù)碼相機等設(shè)備中，并要求具有快速、直觀和準確的反應。觸摸屏主要有兩種形式，分別為電阻式和電容式。圖 3 為電容式觸摸屏的設(shè)計原理圖和石墨烯基電阻式觸摸屏產(chǎn)品。電阻式觸摸屏包括導電襯底、液晶裝置面板和透明導體薄膜。</p><p><b>　　光學調(diào)制器&l

36、t;/b></p><p>　　光學調(diào)制器是利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。它們常常用于芯片上光學互聯(lián)，并且在針對電氣連接的局限性如高損耗、串擾和有限速度方面變得越來越重要。光學調(diào)制器和集成芯片需要高速、較大的光學帶寬和小腳位。硅基光學調(diào)制器的場效應很弱，產(chǎn)生毫米大小的腳位。這增加了插入損耗和妨礙了高速性能。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b>

37、;</p><p>　　石墨烯以其獨特的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及潛在的應用，自發(fā)現(xiàn)以來已成為化學、材料、物理等眾多領(lǐng)域的研究熱點。綜上所述，目前制備技術(shù)存在石墨烯尺寸分布不均、難以批量生產(chǎn)以及性能難以精確控制等瓶頸問題。由于石墨烯是單原子層厚度，所以石墨烯的本質(zhì)物理屬性在物質(zhì)結(jié)合、設(shè)備制造和加工過程中很容易受到影響。因此，石墨烯在光電領(lǐng)域的應用存在最大的挑戰(zhàn)就是如何改善石墨烯的可控性、可伸縮性、質(zhì)地以及持久性。這些研究可以

38、使我們更加深入地了解石墨烯及其復合材料的光電性質(zhì)，促進石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛的應用。</p><p>　　化學氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性質(zhì)研究</p><p><b>　　石墨烯簡介</b></p><p><b>　　石墨烯的發(fā)現(xiàn)</b></p><p>　　在石墨烯制備出來前，絕大多

39、數(shù)物理學家都認為熱力學漲落導致任何二維晶體均不能在非絕對零度條件下存在。雖然之前利用碳的蜂窩狀結(jié)構(gòu)來描述各種碳結(jié)構(gòu)物理化學性質(zhì)的理論研究持續(xù)了幾十年，但是人們普遍認為碳的二維材料是難以穩(wěn)定地單獨存在的，除非依附在三維的襯底表面或者在像石墨、云母等物質(zhì)內(nèi)部才有可能存在。</p><p><b>　　石墨烯的結(jié)構(gòu)形態(tài)</b></p><p>　　石墨烯是繼碳納米管和富勒烯

40、被發(fā)現(xiàn)后，首度被發(fā)現(xiàn)的一種能夠在自然界中穩(wěn)定存在的碳二維晶體。石墨烯是一種碳原子按照 sp2 雜化排布，并相互連接形成蜂窩狀的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。它具有高透過率、高導電性、高機械強度和大比表面積等優(yōu)異性能，使其在能源、新材料、微電子以及航空航天領(lǐng)域具有非常廣闊的應用前景。</p><p><b>　　超大的比表面積</b></p><p>　　石墨烯因為其獨特的二維結(jié)構(gòu)使其具備

41、非常大的比表面積，單層石墨烯的厚度理論值僅為0.335 nm。一般來說比表面積較高的多孔活性碳的比表面積保持在 1500-2500 m2/g 范圍內(nèi)，而石墨烯的比表面積能夠達到更加驚人的 2500-3000 m2/g。石墨烯超大的比表面積使其在光催化降解、新能源領(lǐng)域、和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中具有非常廣闊的應用前景。</p><p>　　石墨烯的 CVD 法制備、性能和結(jié)構(gòu)表征</p><p>　

42、　主要實驗設(shè)備及原材料</p><p>　　固態(tài)源 CVD 法生長石墨烯設(shè)備的改造</p><p>　　固態(tài)源法生長石墨烯及其 B、N 摻雜石墨烯設(shè)備改造</p><p>　　在深入掌握 CVD 法生長的工作原理的基礎(chǔ)上，對實驗室原有的化學氣相沉積設(shè)備進行了改造，使其滿足固態(tài)碳源 CVD 法生長大面積石墨烯的工藝需要。將固態(tài)碳源聚苯乙烯放置于管式爐的大石英管的進氣端

43、口處，將 Cu 箔置于大石英管的中部，抽真空后通入 Ar (300 sccm)、H2(30 sccm)并對 CVD 爐進行加熱，兩種氣體保持此速率直至實驗結(jié)束。先將石英管加熱到 1050oC 保持 30-60 min 使 Cu 箔表面 Cu 晶粒長大，然后降溫至 1000oC，同時加熱固態(tài)碳源聚苯乙烯至 280oC，保持 30 min，最后停止加熱將石英管降至室溫。</p><p>　　氣路控制與抽真空系統(tǒng)<

44、;/p><p>　　作為一種 CVD 法生長石墨烯設(shè)備，其氣路系統(tǒng)、流量計以及腔室真空度對制備得到石墨烯的最終質(zhì)量有顯著影響。其中流量控制器采用七星華創(chuàng)公司的質(zhì)量流量控制器，所有控制器均用 Ar 進行標定，最小量程為 0.1 sccm 以確保整個實驗過程中各反應氣體流量的穩(wěn)定度和精確度。</p><p><b>　　固態(tài)源加熱系統(tǒng)</b></p><p

45、>　　在固態(tài)碳源 CVD 法制備石墨烯工藝中，碳源的加熱方式和精度對石墨烯生長至關(guān)重要，加熱溫度的精確度和穩(wěn)定性均會影響最終制備得到石墨烯的厚度和結(jié)晶質(zhì)量。本論文根據(jù)實驗需要，設(shè)計了鹵鎢燈加熱的方式對固態(tài)碳源進行加熱。固態(tài)源支撐架采用耐熱性較好的高純石英材料，同時選用廈門宇電 AI/518P 型控溫器對固態(tài)碳源的加熱進行精確的溫度控制(精度±0.1oC)，以方便我們很好地控制腔室中含碳基團的濃度，從而大大提高了效率。&l

46、t;/p><p>　　金屬襯底表面預處理工藝</p><p><b>　　電化學拋光</b></p><p>　　以 85%磷酸和聚乙二醇 (PEG)體積比為 3:1 的溶液做拋光液，攪拌均勻。選取一大塊 Cu箔做陰極，需要拋光的 Cu 箔作為正極，正負極距離為 5-6 cm。拋光時，電化學工作站選擇恒壓模式，工作電壓選擇 1.5-1.8 V，拋光

47、時間為 1800 s。拋光結(jié)束后，取出并用大量水沖洗干凈表面殘余的拋光液。隨后丙酮超聲清洗 10 min，再用酒精超聲清洗 10 min，用氮氣吹干后放好備用。</p><p><b>　　后期熱退火</b></p><p>　　將拋光并清洗完畢的 Cu 箔放入 CVD 腔室，抽真空后通入 Ar (300 sccm)、H2(30 sccm)并將石英管加熱到 1050

48、℃保持 30-60 min。使 Cu 箔再結(jié)晶長大，同時去除 Cu 箔表面的位錯、應力、雜質(zhì)等缺陷。最終得到表面缺陷很少，Cu 晶粒大小為 0.2-2 mm 的平整多晶 Cu 表面。</p><p>　　化學氣相沉積法制備石墨烯的工藝</p><p><b>　　襯底清洗</b></p><p>　　金屬襯底清洗工藝如下：</p>

49、<p>　　(1) 將金屬襯底浸沒于丙酮中加熱至 50oC 超聲清洗 10 min；</p><p>　　(2) 用酒精將襯底上殘留丙酮沖洗干凈，隨后在酒精中加熱至 50oC 超聲清洗兩次共 10 min；</p><p>　　(3) 取出襯底，采用去離子水將襯底沖洗干凈，離子水沖洗，然后高純氮氣吹干備用。</p><p><b>　　石墨烯的

50、制備</b></p><p>　　(1) 稱取一定重量的聚苯乙烯，將聚苯乙烯放置于管式爐的石英管的進氣端口處 (碳源加熱溫區(qū)位置)。</p><p>　　(2) 將清洗后的 Cu 箔置于大石英管的中部，抽真空后通入 Ar (300 sccm)、H2(30 sccm)并升溫至 1050 ℃保持 30-60 min 使 Cu 箔表面 Cu 晶粒長大。</p><

51、p>　　(3) 降溫至石墨烯生長所需溫度，同時加熱固態(tài)碳源聚苯乙烯。生長時間保持 30-120 min。</p><p>　　(4) 生長結(jié)束后停止加熱碳源，同時停止腔室加熱，在還原性氣氛保護將腔室溫度降至室溫，取出樣品。在整個實驗過程中，采用純度為 99%的普通 N2氣對尾氣進行吹掃和稀釋處理，以防止有毒或者易燃易爆氣體泄漏到空氣中對實驗人員造成傷害，最后尾氣流經(jīng)化學處理溶液和高溫分解爐后排放。</

52、p><p><b>　　歐姆接觸電極的制備</b></p><p>　　對于最終轉(zhuǎn)移到目標襯底上的石墨烯，電學測試所必須的歐姆接觸電極制備方法如下。首先采用 Ar/O2等離子體刻蝕的方法刻蝕出石墨烯帶，隨后在石墨烯帶上采用電子束蒸發(fā)的方法分別沉積 Cr 和 Au 構(gòu)成 Cr/Au 復合電極，最終制備得到石墨烯場效應管。隨后將樣品放入 CVD 退火爐中，在保護性氣氛下退火

53、30-60 min。退火溫度 300-400oC。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　探討了不同金屬襯底上 CVD 法沉積石墨的不同生長機制。溶碳量高的金屬在生長過程中主要遵循溶解析出機制，其制備的關(guān)鍵階段在于后段的快速降溫階段引起的碳過飽和以及后期大面積石墨烯在金屬襯底表面析出。而催化生長機制的代表是一些溶碳量較小的金屬，碳源在高溫金

54、屬襯底的催化作用下脫氫并以二維蜂窩結(jié)構(gòu)在襯底表面形核長大，最終排列成大面積的二維石墨烯。</p><p>　　石墨嫌及其復合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備和性能研究</p><p>　　金屬/石墨嫌/金屬復合納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備及其表面增強拉曼光譜</p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　表面增強拉曼光譜簡介

55、</p><p>　　伴隨人們生活水平的提髙和科學技術(shù)的進步，發(fā)展高靈敏度、髙可重復性以及操作簡單的分析技術(shù)是人們孜孜以求的目標。近年來，基于熒光、紅外吸收和拉曼散射的光譜分析技術(shù)在物質(zhì)探測與成像應用中的地位顯得越來越重要。但是，拉曼散射是一種非彈性散射，其散射截面比熒光的散射截面和瑞利散射的散射截面小很多，因此，通常測量中拉曼散射信號弱、靈敏度不高，從而限制了其進一步應用。</p><p&g

56、t;　　石墨烯及其復合結(jié)構(gòu)在表面增強拉曼光譜中的應用</p><p>　　石墨烯，作為碳的一種同素異形體，是一種完美的單原子層二維晶體材料。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，除了在透明電極、場效應晶體管、傳感器、能源存儲、射頻晶體管、存儲器、高強度復合材料等方面的應用外，在表面增強拉曼光譜研究中也有廣泛的應用。石墨烯除了用于研究表面增強拉曼光譜的化學增強機制外，基于石墨烯與金屬納米材料復合結(jié)構(gòu)的表面增強拉。</p>

57、<p>　　金屬納米顆粒形貌分析</p><p>　　為了得到無表面包裹劑、分布均勻的單層金屬納米顆粒，本實驗釆用在襯底上熱蒸發(fā)金屬的方法。首先，我們用掃描電子顯微鏡（SEM)對金屬納米顆粒進行形貌表征。為進一步研究Ag納米顆粒隨銀沉積厚度的變化，我們在多個區(qū)域?qū)︺y納米顆粒的大小進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示：在Si02上沉積4nm、8 nm和16nm銀所得到銀納米顆粒平均直徑分別為 14.8 nm、25.7

58、 nm 和 61.2 nm;在 CVD-graphene 上沉積 4 nm、8 nm和16nm銀所得到銀納米顆粒平均直徑分別為17.1 nm, 30.0nm和69.3 nm。從統(tǒng)計結(jié)果可知，隨著銀沉積厚度的增加，銀納米顆粒的大小逐漸增加。</p><p>　　多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備及表面增強拉曼研究</p><p>　　多孔石墨烯的研究現(xiàn)狀</p><p>　　作

59、為新型二維材料，石墨烯具有許多獨特的性質(zhì)，特別是優(yōu)異的電學性能，有望在新一代電子器件中得到廣泛應用。然而，常溫下石墨烯是零帶隙的半金屬半導體材料，由石墨烯制備的場效應晶體管不能得到很高的幵關(guān)比，無法在實踐中得到的應用，阻礙了其進一步發(fā)展。因此，尋找一種能夠改變石墨烯電子結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生滿足實際需求性能的新方法顯得尤為迫切。近年來，科研工作者不斷嘗試各種新方法來調(diào)節(jié)石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。</p><p>　　電子束曝光技

60、術(shù)制備多孔石墨烯</p><p>　　電子束曝光技術(shù)制備多孔石墨烯的原理是：電子束按照圖像發(fā)生器設(shè)計好的圖形路徑與曝光襯底上的光刻膠相互作用，使得其長鏈聚合物分子截斷成短鏈分子，而短鏈分子聚合物易溶于顯影液，這樣圖形發(fā)生器中所設(shè)計圖形就轉(zhuǎn)移至光刻膠上，形成我們所需要的各種圖形。</p><p>　　復合共聚物模板法制備多孔石墨烯</p><p>　　由于利用電子束曝

61、光和反應離子刻蝕技術(shù)無法得到孔-孔間距很小的多孔石墨烯，所以發(fā)展成本低、技術(shù)簡單的制備多孔石墨烯的新方法顯得尤為迫切。利用復合共聚高分子材料在加熱條件下能夠自發(fā)相分離的特性，就可制備出多孔石墨稀。</p><p><b>　　多孔氧化鋁模板法</b></p><p>　　除了在石墨烯表面通過一定技術(shù)形成多孔薄膜作為掩膜版來制備多孔石墨烯，也可以直接利用已經(jīng)制備好的多孔

62、薄膜作為掩膜版制備多孔石墨烯。例如，Zhang研究組3(3直接利用超薄多孔氧化鋁模板制備多孔石墨烯。實驗過程如圖3.7所示。首先利用剝離法在Si02襯底上制備石墨烯，然后在襯底上旋涂一層超薄的PMMA膠，接著把超薄多孔氧化鋁模板平鋪在襯底表面并施加壓力使得多孔氧化鋁模板與襯底緊密接觸，利用02反應離子刻蝕把未被保護的石墨烯刻蝕掉，這樣就形成多孔石墨烯。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b&

63、gt;</p><p>　　綜上所述，已經(jīng)發(fā)展了很多方法制備多孔石墨烯，然而，形成納米尺度的多孔掩膜版并非易事。電子束曝光技術(shù)實驗設(shè)備昂貴，成本高；復合共聚物模板法實驗操作過程復雜，影響因素較多；其它方法也存在類似問題，難以大規(guī)模推廣應用。因此探索一種操作過程簡單、產(chǎn)率高、應用廣的多孔石墨烯制備方法顯得尤為必要。基于這樣的背景下，我們發(fā)展了一種通過金屬納米顆粒局域催化分解碳制備多孔石墨烯的新方法。該方法具有操作簡

64、單、產(chǎn)率高、實用性強、無聚合物污染等特點，有很強的潛在應用價值。</p><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。“結(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　我們發(fā)展了一種全新的、通過金屬局域催化分解制備多孔石墨烯的方法。該方法可以通過調(diào)節(jié)Cu薄膜的厚度來調(diào)節(jié)多孔石

65、墨烯中孔的大小、密度和邊緣長度。以RhB為檢測分子，我們發(fā)現(xiàn)多孔石墨烯有比純石墨烯襯底更強的化學拉曼增強特性，其化學增強能力同多孔結(jié)構(gòu)中的邊緣長度相關(guān)。通過拉曼光譜表征和電輸運測量，我們推斷多孔石墨烯中大量的邊緣結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)自發(fā)的p型摻雜，從而導致了顯著的拉曼化學增強。主要采用固態(tài)碳源方法生長了高質(zhì)量的大面積石墨烯并研究了其光電性能，并從化學反應動力學的角度對生長機理進行了分析，對制備石墨烯的方法進行了改進與優(yōu)化。使用作者設(shè)計組裝的專用

66、CVD 設(shè)備，研究了反應氣體流量、襯底溫度、襯底預處理與碳源溫度等工藝參數(shù)對生長的石墨烯的光學和電學性能的影響。分別實現(xiàn)了毫米級石墨烯單晶和低溫大面積石墨烯的生長。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］ Novoselov K S，Geim A K，Morozov S V，et al． Electric field effect i

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