石墨烯CVD法可控制备及应用研究

发布时间：2019-09-26 10:04

【摘要】：化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition Method,CVD)被广泛用于高质量、大面积石墨烯制备。虽然这种研究方法取得了很多成果,但是其中很多细节问题值得详细研究,比如:石墨烯层数与实验中碳源种类、气氛、气压等参数息息相关,能否控制这些参数可以直接得到不同层数的石墨烯?能否利用石墨烯在金属表面的外延生长的特性,通过改变催化剂基底类型,调控基底形貌等策略,制备出具有特定形貌和结构的石墨烯?在此设计思想下,本文首先实现了1-7层石墨烯的可控制备,并详细讨论了各实验参数对石墨烯形成的影响。利用扫描、透射电子显微镜和原子力显微镜等表征手段来研究了不同条件下制备出的石墨烯的层数、形貌、晶型结构等信息,从而比较清晰地认识到实验参数对石墨烯质量和层度的影响。利用制备出来的不同层数的石墨烯,我们探索了其在应变感应和肖特基太阳能电池等领域的应用潜力。在应变感应方面的研究发现:单层石墨烯拉曼的2D峰,可以作为表征金属相转变的一个强有力工具,通过2D峰的偏移可以定量化显示应变大小。在太阳能电池方面的研究发现:石墨烯层数的差异会造成石墨烯-硅肖特基结太阳能电池性能的差异,并且发现利用4层石墨烯构建的太阳能电池有更好的光电转化效果。本文进一步利用石墨烯在金属表面的外延生长的特性,将金属生长基底从“二维”尺度拓展到“三维”尺度,采用了一系列具有独特三维结构的金属基底,研究了金属类型和三维形貌对石墨烯生长的影响。研究发现,三维纳米孔铜片基底展现出较高的石墨烯生长活性,可将石墨烯生长温度降低到800℃,生长时间减少为30秒,同时所制备的石墨烯继承了其独特的三维纳米孔结构,该纳米孔石墨烯对低浓度罗丹明6G分子的Raman信号增强效果要远优于原基底纳米孔铜片,甚至要好于单层石墨烯。最后,本文进一步研究了金属泡沫镍和金属泡沫铜基底对三维泡沫石墨烯生长的影响,并且在三维泡沫石墨烯表面进行了结构改性,结果显示:两步法在泡沫石墨烯表面生长了竹节型的碳纳米纤维,直径在50-600 nm;两步法在超轻泡沫石墨烯表面成功地赋予了其粗糙多孔的形貌,孔径大概为几百纳米到1微米左右,这些改进的三维泡沫石墨烯,有望进一步提升并拓展其在各方面的应用。
【图文】：

照片,石墨,波纹状,表面

图 1.2 a: 悬挂在金属架上的石墨烯；b:石墨烯波纹状表面[17]（理论计算模型）Fig. 1.2 Graphene suspended on metal frame (a), theoretical forms of graphene (b)图 1.3 HRTEM 照片下石墨烯的边缘结构形态[62]，标尺 0.5 nmFig. 1.3 HRTEM images of graphene edge, scale bar 0.5 nm

形态图,边缘结构,石墨,形态

- 4 -图 1.3 HRTEM 照片下石墨烯的边缘结构形态[62]，标尺 0.5 nmFig. 1.3 HRTEM images of graphene edge, scale bar 0.5 nm的边缘结构也一直是科学家们感兴趣的话题。石墨烯的边缘形zigzag edge）和椅形（armchair edge）两种[62]，但是会存在边缘会存在稳定的边缘缺陷结构，如图 1.3 所示。Kyle A.等[20]发现 10 nm 时、边缘为锯齿型的石墨烯片有优良的电导特性，类似体，椅型边缘却没有出现类似情况。有中国研究者同样得到了他们利用石墨烯的各向异性刻蚀效应和传统微加工技术，精确原子级平整的锯齿形（zigzag）边缘结构的石墨烯。并对十纳米米带的输运性质及拉曼散射方面进行了研究，实验结果表明十
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11

【参考文献】