石墨烯单晶制备及其光电特性研究
发布时间：2020-08-28 11:58
半导体材料与器件的发展推动了信息技术的进步,最近新发现以石墨烯为代表的二维材料,为新型电子和光电子器件提供了新的思路。作为一种二维材料,石墨烯以其高迁移率的电学特性、良好的导热性、优异的机械强度、良好的透光性和柔性等优势,在学术领域和工业界受到了广泛的关注。目前,高品质单层石墨烯材料已可通过化学气相沉积法进行制备,然而,高质量单晶石墨烯材料的制备仍处于探索阶段。为了解决这一难题,本研究从金属衬底出发,通过改进衬底热处理工艺,首先制备出符合要求的金属衬底;将符合要求的金属衬底用于生长石墨烯,制备出单晶石墨烯薄膜。在此过程中,采用各种常用的材料表征手段以及表面物理分析用的低能电子显微镜,对实验过程做了直观的解释;为了评估石墨烯样品质量,采用半导体加工工艺制备出各种测试器件来验证石墨烯单晶的优异特性。最后,比较了单晶与多晶石墨烯光电探测性能的差异。在本研究中,主要解决了四个科学问题:(1)成功制备出石墨烯化学气相沉积(CVD)法生长所需的大面积孪晶铜衬底。传统的处理方法,并不能实现大面积孪晶铜制备,本研究采用施加局部应力的方式,在多晶铜衬底上产生特定方向、角度的形变,并置于合适的退火环境中,实现了从工业用无氧多晶铜衬底到大面积孪晶铜衬底的转变。(2)解决了高品质单晶石墨烯CVD可控制备工艺稳定性和重复性问题,制备出高质量单晶石墨烯薄膜。目前,科研界普遍认为减少石墨烯成核密度是实现高品质单晶石墨烯制备的关键。然而,本研究中并没有从减少成核密度出发,而是从多晶铜衬底上出现石墨烯晶粒定向生长现象出发。选用合适的晶体结构的孪晶铜衬底,在衬底上制备出大量定向生长的石墨烯晶粒。进一步增加生长时间,定向生长的石墨烯晶粒会无缝拼接在一起,从而形成高品质单晶石墨烯薄膜。(3)改进了单晶石墨烯薄膜高质量湿法转移工艺。传统的湿法转移工艺,其转移质量较差,石墨烯上残胶较多且容易出现破碎、褶皱。本研究在多晶石墨烯转移工艺基础上,分析了石墨烯残胶、破损及褶皱出现的原因,为满足单晶石墨烯薄膜转移,优化了湿法转移流程,从而解决了单晶石墨烯薄膜高质量转移难题。(4)解决了石墨烯器件制备稳定性难题。石墨烯相关器件总会出现器件性能不稳定的情况,从而影响器件的测试重复性。本研究基于高质量的单晶石墨烯转移工艺,开发出一套符合单晶石墨烯器件的制造工艺,并首次采用控制石墨烯条带宽度并逐渐增加条带长度的电学表征方法,用以验证石墨烯的品质。最后,基于上述石墨烯转移与器件工艺,制作出石墨烯基光电导型探测器,对比分析了单晶石墨烯与多晶石墨烯的光电性能差异。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：
２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逦２０１７逡逑年份逡逑图１．３中国石墨烯薄膜的专利数量年度趋势逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ａｎｎｕａｌ邋ｔｒｅｎｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｆｉｌｍｓ邋ｐａｔｅｎｔ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ逡逑图１．３所示，近年来国内石墨烯薄膜专利数也增长稳健。国内石墨烯薄膜逡逑专利也从２００９年开始快速增长。通过以上分析可知，化学气相沉积制备方法在逡逑石墨烯研究领域起着举足轻重的作用。逡逑１．３化学气相沉积（ＣＶＤ）石墨烯研究现状逡逑６逡逑
图２．１邋ＣＶＤ系统逡逑Ｆｉｕｒｅ邋２．１邋ＣＶＤ邋ｓｓｔｅｍ逡逑
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本文编号：2807549
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：
２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逦２０１７逡逑年份逡逑图１．３中国石墨烯薄膜的专利数量年度趋势逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ａｎｎｕａｌ邋ｔｒｅｎｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｆｉｌｍｓ邋ｐａｔｅｎｔ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ逡逑图１．３所示，近年来国内石墨烯薄膜专利数也增长稳健。国内石墨烯薄膜逡逑专利也从２００９年开始快速增长。通过以上分析可知，化学气相沉积制备方法在逡逑石墨烯研究领域起着举足轻重的作用。逡逑１．３化学气相沉积（ＣＶＤ）石墨烯研究现状逡逑６逡逑
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