基于超快激光的石墨烯刻蚀及改性研究

发布时间：2020-07-08 17:50

【摘要】：石墨烯具有诸多优异的性能,比如高透光率、高柔韧性、高电子迁移率和高导热性等,在发光显示、太阳能电池和晶体管等领域都有着非常广泛的应用。但是石墨烯的图案化比较困难。此外,在制备晶体管时,由于石墨烯缺少悬挂键,不利于原子层沉积技术制备栅介质层(氧化铝)。本论文的工作针对石墨烯的这两个问题开展研究,主要成果如下:(1)研究了不同能量密度(26.88 mJ/cm2-81.35mJ/cm2)的532 nm的纳秒激光对石墨烯进行刻蚀,实现图案化的可能性。实验结果表明,当激光能量密度为41.73mJ/cm2-65.43 mJ/cm2时,可完全把石墨烯刻蚀掉而又不损伤衬底。但实际完成的图案边界模糊,不够理想。(2)为提高石墨烯的质量,采用化学气相沉积法(CVD),利用甲烷在铜箔表面高温分解制备了石墨烯。同时,为提高图案化的质量,我们又尝试了皮秒激光,研究了不同激光能量密度(0.5 J/cm2-1.0 J/cm2)和激光扫描速度(100cm/s-300 cm/s)刻蚀石墨烯的效果,优化后的刻蚀条件为,激光的能量密度0.8 J/cm2,扫描速度100cm/s,刻蚀后的图案边界清晰,图案化质量明显提高。(3)采用低能量密度皮秒激光对石墨烯进行处理后,其表面生长氧化铝薄膜的质量明显提高。经过对不同激光密度处理后石墨烯表面生长氧化铝的测试分析发现,皮秒激光的能量密度为0.5 J/cm2时氧化铝薄膜质量最优。然后经拉曼光谱仪和X射线光电子能谱对改性后的石墨烯进行了机理研究。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249;TN305.7
【图文】：

说石墨烯是一种单原子层的二维晶格材料，其结构如图卜１（幻。单层石墨烯厚度仅逡逑为０．３４邋ｎｍ左右，是己知世界上最薄的材料，并且石墨烯可以说是其它维度碳基材逡逑料的母体，如图１－１0＞）。石墨稀通过包覆可以形成零维度的Ｃｍ邋（富勒烯），卷曲起逡逑来形成一维度的碳纳米管，堆积起来可以形成三维度的石墨［３］。逡逑－邋１逡逑

逡逑图１－１逦（ａ）石墨烯结构图；（ｂ）石墨烯是构建其它维度碳材料的母体⑶逡逑Ｆｉｇ邋１－１逦（ａ）邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ；邋（ｂ）邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋ｐａｒｅｎｔ邋ｆｏｒ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ逡逑ｏｔｈｅｒ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌ丨”逡逑１．２．１石墨烯的性能逡逑（１）电学性能逡逑石墨烯是由ｓｐ２杂化的碳原子组成，成键的方式为２ｓ轨道的一个电子通过激逡逑发，进入空的２ｐｚ轨道上，其中的两个２ｐ轨道和一个２ｓ轨道混合成３个ｓｐ轨道，逡逑ｓｐ轨道与三个相邻的碳原子组成共享电子对，形成刚性的0键，键长约为１．４２人，逡逑键角为１２０＇构成了稳定的六角形平面结构［３］。剩余的一个２ｐｚ轨道中的电子，逡逑垂直碳平面，正六边形中的２ｐｚ轨道中的电子构成大ｎ键，并且电子能够在ｌｘ键逡逑中自由移动［４－５］。石墨烯的低能准粒子谱是狄拉克型的，遵循狄拉克相对论方程，逡逑载流子的静止有效质量在狄拉克点为零因此石墨烯的电子迁移率非常高，其逡逑移动速率能到达光速的三十分之一［ｕ］

逦＾逡逑图１－３邋Ｂａｌａｎｄｉｎ小组测定石墨烯热导性的实验示意图⑷］逡逑Ｆｉｇｌ－３邋Ｂａｌａｎｄｉｎ邋ｔｅａｍ＇ｓ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｆｏｒ邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｍｅ１３０］逡逑１．２．２石墨烯的制备逡逑石墨烯发现以来，经过了迅猛的发展，到现在已经出现了较多的制作方法，逡逑但是科研人员仍然致力于研究制备大尺寸、无缺陷、层数可控且结构完整的石墨逡逑烯，以便更好的研究和利用石墨烯。较多的制备方法中，以机械剥离法⑴、碳化硅逡逑热裂解法［３２］、化学气相沉积法％印卩氧化还原法１３４＿３５］最为常见。逡逑（１）机械剥离法逡逑机械剥离法是发现石墨烯采用的一种方法。２００４年英国曼彻斯特大学的Ｇｅｉｍ逡逑和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ采用机械剥离法成功制备出单原子层厚度的石墨片状即是石墨烯。逡逑其方法特别简单

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 吴凌远;李阳龙;刘国栋;王伟平;;1064nm纳秒激光对石墨烯的损伤效应研究[J];强激光与粒子束;2015年08期

2 吴娟霞;徐华;张锦;;拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J];化学学报;2014年03期

相关博士学位论文 前1条

1 林U

本文编号：2746850