石墨烯单晶生长中氧元素的作用及其氮元素掺杂
发布时间：2021-02-01 16:31
石墨烯是一种仅具有单层碳原子厚度的,具有多种优异性能的二维材料,它在基础理论研究和未来电子学领域都具有非常大的潜在应用价值。石墨烯单晶薄膜缺陷少,无晶界,比多晶薄膜有更好的电学热学和力学性质。因此具有可控层数的大面积单晶石墨烯的快速生长对于石墨烯器件的大规模集成具有重要意义。研究发现,在铜基板上引入氧可以极大地提高石墨烯的生长速率并降低石墨烯成核密度,该发现有利于高质量大面积单晶石墨烯的制备。本文采用两种不同的预氧化方式氧化铜基底,之后在含氧量不同的铜基底上进行石墨烯单晶的生长,由此研究氧浓度对石墨烯生长的影响。实验发现在较高氧浓度的铜基底上生长的石墨烯单晶的晶粒尺寸远小于在较低氧浓度的铜基底上生长的石墨烯单晶。通过适当地控制铜基底的氧化程度,在1050°C的生长温度下获得毫米级石墨烯单晶。基于实验观察和理论分析,揭示了氧在石墨烯单晶CVD生长中的双重作用:i)铜基底表面的氧有助于碳氢化合物原料的分解,降低石墨烯的生长势垒,从而提高石墨烯的生长速率,单位时间内增大了石墨烯的晶粒尺寸;ii)铜基底表面过量的氧会导致石墨烯边缘的刻蚀,会减小石墨烯单晶的尺寸。本研究为选择含有合适氧浓度的催化...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯结构图
2020年华东师范大学硕士学位论文2因为石墨烯只有一个原子层的厚度，所以又可以叫做单原子层石墨。单层石墨烯的厚度大约为0.335nm，是除了金刚石以外所有碳晶体的基本结构单元（例如：零维的富勒烯C60，一维的碳纳米管，三维的石墨），如图1.2所示。目前实验室制备的石墨烯可以根据层数来进行分类，可以分为：单层、双层、少层和多层。只有一层碳原子结构的，定义为单层石墨烯；仅有两层的，定义为双层石墨烯；10层以下为少层石墨烯；10层以上为多层石墨烯。石墨烯层间的堆垛方式也不一样，可以简单分层三类：简单六角堆垛（AAA…）；Bernal堆垛（ABAB…）以及三角晶系堆垛（ABC…）[2]。单层石墨烯主要是AAA简单六角堆垛，双层石墨烯和少层石墨烯中以AB-Bernal堆垛最为常见，在双层石墨烯折叠处也会出现AAA简单六角堆垛[3,4]。ABC三角晶系堆垛方式有可能会出现在SiC外延生长法和化学气相沉积法制备的少层和多层石墨烯中[5,6]。图1.2石墨烯基本结构单元[7]。1.1.2石墨烯的性能因为石墨烯具有出色的电学性能、力学性能、光学性能和热学性能等，所以吸引了一大波科学家的研究兴趣。目前石墨烯已经成为一种新兴的二维材料，广泛用于基础电子学研究，进而开发其在未来电子产品中的潜在应用。
睦硐氩牧希?哂斜韧??银更低的电阻率，约为10-6Ω·cm，已知是目前室温下电阻值最低的材料。由于石墨烯具有非常高的密封性能，对任何气体都具有不渗透性，所以电流密度得以高效维持，和铜相比，高了一百万倍。石墨烯独特的电学性能，取决于其结构的特异性。单层石墨烯和双层石墨烯的电子能带谱图是相似的，相对来说都是比较简单的，都是具有空穴和电子的零带隙半导体。对于石墨烯能带结构领域的研究，早在1947年，P.R.Wallance利用模型计算出了单晶石墨烯的能带结构[9]。之后利用紧束缚模型对石墨烯的能带进行描述，如图1.3所示的石墨烯的能带结构图。单点的零状态，价带和导带相交，即在能态密度为零的Dirac点处相连。这种直接发生在本征费米能级上的相连，会产生零隙半导体/半金属特性。在Dirac点，DOS（收敛密度）为零，石墨烯中载流子表现为线性的能带结构，即电子能级E和动量k是线性色散关系[10]。因此，在这里载流子的有效质量为零，电子为无质量Dirac费米子，具有优良的载体流动性。据报道，石墨烯中的电子费米速度可以高达106ms-1，是光速的三百分之一，因此石墨烯具有超强的电子迁移率。图1.3石墨烯立体能带图[10]。
本文编号：3013084
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯结构图
2020年华东师范大学硕士学位论文2因为石墨烯只有一个原子层的厚度，所以又可以叫做单原子层石墨。单层石墨烯的厚度大约为0.335nm，是除了金刚石以外所有碳晶体的基本结构单元（例如：零维的富勒烯C60，一维的碳纳米管，三维的石墨），如图1.2所示。目前实验室制备的石墨烯可以根据层数来进行分类，可以分为：单层、双层、少层和多层。只有一层碳原子结构的，定义为单层石墨烯；仅有两层的，定义为双层石墨烯；10层以下为少层石墨烯；10层以上为多层石墨烯。石墨烯层间的堆垛方式也不一样，可以简单分层三类：简单六角堆垛（AAA…）；Bernal堆垛（ABAB…）以及三角晶系堆垛（ABC…）[2]。单层石墨烯主要是AAA简单六角堆垛，双层石墨烯和少层石墨烯中以AB-Bernal堆垛最为常见，在双层石墨烯折叠处也会出现AAA简单六角堆垛[3,4]。ABC三角晶系堆垛方式有可能会出现在SiC外延生长法和化学气相沉积法制备的少层和多层石墨烯中[5,6]。图1.2石墨烯基本结构单元[7]。1.1.2石墨烯的性能因为石墨烯具有出色的电学性能、力学性能、光学性能和热学性能等，所以吸引了一大波科学家的研究兴趣。目前石墨烯已经成为一种新兴的二维材料，广泛用于基础电子学研究，进而开发其在未来电子产品中的潜在应用。
睦硐氩牧希?哂斜韧??银更低的电阻率，约为10-6Ω·cm，已知是目前室温下电阻值最低的材料。由于石墨烯具有非常高的密封性能，对任何气体都具有不渗透性，所以电流密度得以高效维持，和铜相比，高了一百万倍。石墨烯独特的电学性能，取决于其结构的特异性。单层石墨烯和双层石墨烯的电子能带谱图是相似的，相对来说都是比较简单的，都是具有空穴和电子的零带隙半导体。对于石墨烯能带结构领域的研究，早在1947年，P.R.Wallance利用模型计算出了单晶石墨烯的能带结构[9]。之后利用紧束缚模型对石墨烯的能带进行描述，如图1.3所示的石墨烯的能带结构图。单点的零状态，价带和导带相交，即在能态密度为零的Dirac点处相连。这种直接发生在本征费米能级上的相连，会产生零隙半导体/半金属特性。在Dirac点，DOS（收敛密度）为零，石墨烯中载流子表现为线性的能带结构，即电子能级E和动量k是线性色散关系[10]。因此，在这里载流子的有效质量为零，电子为无质量Dirac费米子，具有优良的载体流动性。据报道，石墨烯中的电子费米速度可以高达106ms-1，是光速的三百分之一，因此石墨烯具有超强的电子迁移率。图1.3石墨烯立体能带图[10]。
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