石墨烯的生长及其插层结构的研究

发布时间：2020-10-28 19:03

　　 石墨烯作为新型二维材料,其优异的理化性质备受全世界的关注。人们研究发现石墨烯在催化、储能、微电子器件、功能复合材料、高灵敏传感器等领域有着非常广阔的应用前景。本文主要探究石墨烯在金属衬底上的生长和金属在石墨烯中的插层,主要采用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)作为实验手段,并通过密度泛函理论(Density FunctioinalTheory,DFT)模拟计算探究了石墨烯/衬底之间的作用对石墨烯生长的影响以及石墨烯/插层分子/衬底之间的相互作用。本文首先研究了 1,3,5-三(4-羧基苯基)苯分子(BTB)在Ru(0001)表面的吸附结构,及其在Ru(0001)表面的催化之下转化成石墨烯的过程。首先,BTB分子沉积在Ru(0001)表面形成团簇。而当将样品退火至400 ℃时,在样品表面会出现由脱氢后的BTB分子形成的纳米碳片,这些碳片与残留的BTB分子相互共存。之后再将样品退火至更高温度,样品表面的纳米碳片进一步转化,在某些区域外延生长出石墨烯。然后研究了钴(Co)在以6H-SiC(0001)为衬底的石墨烯上的插层。吸附后,由于Co团簇生长模式的关系,所以一开始并不能观察到有序的结构。退火到一定温度后,插层在单层(Monolayer,1L)和双层(Bilayer,2L)石墨烯中都有发生。通过比较模拟STM图和实验STM图,确定了 Co原子在1L和2L石墨烯中最稳定的插层位。将Co倾向于吸附在本征石墨烯空位上考虑在内,可以推断,在1L插层体系,插层位主要受1L石墨烯和插层Co原子之间相互作用的影响,而对于2L的情况,Co原子和上下石墨烯之间的相互作用,对插层位都有影响。基于NEB(Nudged Elastic Band)理论的进一步计算表明,在1L和2L插层过程中,Co通过一个单空位缺陷的插层的插层势垒是0.60eV和0.41 eV,表明应该有一个退火温度,使得2L插层被激活,而1L插层未开始。最后研究了在SiC(0001)衬底上制备钙(Ca)插层石墨烯的方法,就是将吸附了 Ca的石墨烯退火到900℃。用STM图像对缓冲层(Buffer Layer,BL)、1L和2L石墨烯下Ca插层结构的形态进行了表征。通过密度泛函理论(DFT)模拟,进一步研究了插层的更多细节,包括最佳插层位、能量和相应的电子结构。计算了 Ca插层在BL、1L和2L石墨烯结构中的电荷转移和相应的掺杂效应。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.71
【部分图文】：

从（１．７）中可以清楚地看出，当ｆ?＝?０时，谱线在能量０点附近是对称??的。对于ｆ取有限值，电子－空六对称性被打破，和７Ｔ这两个能带变得不再对??称。图１．２是ｔ?＝?２．７ｅｈ?ｆ?＝?０．２ｔ时，石墨烯的能带结构图。该图中，同时显??示了能带结构在布里渊区中一个Ｄｉｒａｃ点的放大图（Ｋ点或ｔ点附近）。这种色??散关系可以通过对能带结构公式（１．７）在尺点或Ｐ点附近进行展开，当石＝兗＋?ｑ??时（丨引《｜兒｜），能带色散关系可以表达为［７］：??￡±（幻《?土外间＋?（？［（｜）２］?（１．９）??上式中，夺表示相对于狄拉克点的动量，ＶＦ是费米速度，??３??

的石墨烯；（２）用于低性能有源器件和非有源器件的平面石墨烯；（３）用于??高性能电子器件的平面石墨烯。某一特定级别的石墨烯的性能在很大程度上取??决于材料的质量、缺陷类型、衬底等，同时也受制备方法的影响，如图１．３、表??１．１所示。??机械剥离法??化学气相沉积法?（研究，原型）??（透明涂料，生物，?一??导电层，电子，??光子学）??：夜鮮赚??（涂层，复合材料，??？墨水，能景储存，??＾?＾?＾?生ｔ透明导＾层）?＾??价格（对大规模生产而言）??图１．３大规模生产石墨烯的几种方法，根据特定的应用，在尺寸、质量、价格??上有较大的选择［１４］。??６??

图２．１?—维方势垒贯穿示意图［６］??
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本文编号：2860477