石墨烯在硅衬底上的低温生长及其光学特性的研究

发布时间：2017-11-01 04:10

  本文关键词：石墨烯在硅衬底上的低温生长及其光学特性的研究

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【摘要】：碳是自然界中最具魅力的元素。尤其是在近30年的时间里,对碳材料的研究一直是科技创新的前沿领域。其中,石墨烯的发现和研究进展在近几年里一直引人注目。石墨烯是一种二维晶体,它是由单层碳原子构成,具有极其特殊的量子效应和电学光学特性。单层的石墨烯厚度仅为0.4nm左右。石墨烯目前被看作是替代硅最完美的材料,在超微型晶体管上的应用前景被广泛关注,可以用来设计出未来的超计算机,它的处理器运行速度将会比现在的计算机快数百倍。这无疑将大大提高人类的信息传播和信息处理能力。本文主要针对石墨烯的生长工艺和光学特性进行研究。具体内容及结论分析如下:1.石墨烯的低温生长。在铜箔上初步制备石墨烯,优化参数,如CH4流量,生长时间,生长温度等,初步探究石墨烯的生长工艺。在Si/SiO2基底上镀Cu,Ni,Cu-Ni合金,分别在不同温度下生长石墨烯,主要通过Raman表征,SEM表征,比较不同温度,不同催化剂下石墨烯结晶质量,层状效果,平整度等,获得实验室制备的最优参数。同时根据石墨烯在磁场作用下发生的霍尔效应来测试其载流子迁移率,发现略低于理论值,考虑是由于产物中的少量缺陷导致的。2.石墨烯光学特性的软件仿真。运用Comsol Multiphysics仿真软件的波动光学模块对石墨烯材料在光照射下的光学特性进行仿真。单层的石墨烯材料几乎是透明的,对光的吸收也很小,大概只有2.3%左右。为了提高光吸收效率,我们设计成谐振的结构,把单层石墨烯作为介质层,上下被特殊形状的金膜覆盖。我们主要获取入射光照下,这种特殊结构对光的吸收效果,发现这种结构可以大大提高材料的光吸收效率。在此基础上了解石墨烯相关器件,尝试石墨烯光探测器,太赫兹探测器等器件的改进设计。
【关键词】：石墨烯 制备工艺 Comsol Multiphysics 光吸收
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 石墨烯材料的概念和特征10-13
• 1.1.1 概述10-11
• 1.1.2 石墨烯特性11-13
• 1.2 石墨烯应用和器件13-14
• 1.3 石墨烯的研究进展14-15
• 1.4 Comsol Multiphysics简介15
• 1.5 光探测器的发展15-17
• 1.5.1 金属接触型光电探测器16
• 1.5.2 等离子体光电探测器16-17
• 1.5.3 量子点石墨烯混合光电探测器17
• 1.6 石墨烯太赫兹探测器17-18
• 1.6.1 太赫兹探测器的原理及简介17-18
• 1.6.2 石墨烯和太赫兹探测器18
• 1.7 本文的主要内容及创新点18-19
• 第二章 石墨烯生长工艺简介19-23
• 2.1 引言19
• 2.2 石墨烯主流生长工艺简介19-22
• 2.2.1 微机械剥离法19-20
• 2.2.2 外延生长法20
• 2.2.3 氧化石墨还原法20-21
• 2.2.4 化学气相淀积CVD法21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章 低温生长石墨烯工艺及其载流子迁移率测试23-54
• 3.1 引言23
• 3.2 主要实验器材及试剂介绍23-24
• 3.3 石墨烯生长工艺描述24-28
• 3.3.1 衬底的清洗24-25
• 3.3.2 衬底上催化剂的蒸镀25-26
• 3.3.3 微波等离子体化学气相沉积设备生长石墨烯的一般步骤26-28
• 3.4 对比试验描述28
• 3.4.1 铜箔上生长石墨烯的参数28
• 3.4.2 Si/SiO_2衬底上镀Cu生长石墨烯28
• 3.4.3 Si/SiO_2衬底上镀Ni生长石墨烯28
• 3.4.4 Si/SiO_2衬底上镀Ni-Cu催化剂生长石墨烯28
• 3.5 Raman表征简述28-30
• 3.6 实验室制备的石墨烯质量分析30-47
• 3.6.1 Cu作为催化剂的各组实验参数及对应的Raman测试结果31-36
• 3.6.2 Ni作为催化剂的各组实验参数及对应的Raman测试结果36-42
• 3.6.3 Ni-Cu作为催化剂的各组实验参数及对应的Raman测试结果42-47
• 3.7 制取的石墨烯表面形貌观测47-48
• 3.8 石墨烯载流子迁移率测试48-52
• 3.8.1 载流子迁移率测试方法48-50
• 3.8.2 霍尔效应测石墨烯迁移率基片制作50
• 3.8.3 方阻的测量方法50-51
• 3.8.4 迁移率的测试51-52
• 3.9 本章小结52-54
• 第四章 石墨烯光吸收仿真及相关器件改进方案54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 Comsol Multiphysics软件一般求解过程54-55
• 4.3 石墨烯的本征光吸收仿真55-59
• 4.3.1 结构描述55-56
• 4.3.2 软件仿真56-58
• 4.3.3 结果分析58-59
• 4.4 以石墨烯为主要介质的吸波体结构仿真59-63
• 4.4.1 结构描述59
• 4.4.2 软件仿真59-62
• 4.4.3 结果分析62-63
• 4.5 石墨烯光电探测器改进方案63-64
• 4.6 太赫兹探测器改进方案64-65
• 4.7 本章小结65-66
• 第五章 全文总结与展望66-68
• 5.1 全文总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间取得的成果73-74

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