催化剂衬底对石墨烯CVD生长形状及取向的影响

发布时间：2017-07-31 17:25

  本文关键词：催化剂衬底对石墨烯CVD生长形状及取向的影响

  更多相关文章： 石墨烯 CVD生长机理 金属催化衬底 生长动力学

【摘要】：化学气相沉积法由于其制备方法简单,价格低廉,适合大面积、高质量石墨烯的合成等,已成为实验室制备石墨烯的主流方法。石墨烯CVD合成中,许多实验参数都会对石墨烯的生长产生影响,比如碳源浓度,温度,压强,H2浓度,载气,金属催化剂等,其中金属催化剂衬底扮演了一个重要的角色。然而,到目前为止,尽管实验上在金属衬底上合成石墨烯方面已经取得了较大的成功,但是其中的某些生长机制还不是完全清楚。如：为何Ge(110)表面能够生长出大片的单晶石墨烯,石墨烯单晶的生长形状受什么因素影响,为何有些金属催化剂表面可生长三角形的石墨烯。本论文基于实验结果及困惑,利用第一性原理的理论计算,分别研究了两种典型催化剂衬底(半导体性的Ge(110)衬底和金属性的Ni(111)衬底)上石墨烯的生长取向和形状,取得了与实验一致的研究结果,合理地解释了诸多实验现象。我们的理论计算发现,在被H钝化的Ge(110)表面上,石墨烯和衬底之间的弱范德瓦耳斯力无法固定石墨烯的生长取向。通过对Ge(110)平台面和台阶面上石墨烯与衬底结合情况的相图进行分析,我们提出在实验条件下(T～1100-1200 K,PH2～50-100Torr)平台面上和台阶处石墨烯与衬底的相互作用存在较大差别。处在平台面上的石墨烯晶畴,其边界被H原子钝化,因此与衬底之间只存在较弱的范德瓦耳斯相互作用。而处在台阶处的石墨烯晶畴,其边界与台阶形成很强的化学相互作用。由于台阶与石墨烯晶格之间存在一个一个较为匹配的晶格方向,即Ge(110)表面的[-110]方向和石墨烯的AC方向,因此石墨烯边界与台阶的化学相互作用存在一个优势的结合方向,即Ge(110)衬底的[-110]方向与石墨烯的AC方向一致时,石墨烯边界和台阶之间的结合力最强。因此,具有较多台阶的Ge(110)表面上往往能获得取向一致的石墨烯晶畴,而相对平整的平台面上石墨烯晶畴的取向很难一致。这一结论完美解释了实验上Ge(110)表面石墨烯晶畴取向一致的本质原因,并被我们的实验合作团队所证实。我们从热力学和动力学两个方面考察了Ni(111)衬底上石墨烯的生长形状。通过计算四种不同边界(ZZ, ZZ-klein, AC, AC-klein)在Ni(111)衬底表面的热力学稳定性和动力学生长势垒,并结合热力学和动力学wulff Construction理论,我们得出热力学平衡条件下,Ni(111)表面的石墨烯大都为类六边形的形状。而考虑到不同边界生长动力学的差异,则一定稳定下可生长出三角形的石墨烯。这些研究结果合理地解释了之前的实验现象。
【关键词】：石墨烯 CVD生长机理 金属催化衬底 生长动力学
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 石墨烯简介11-13
• 1.2 石墨烯的制备方法13-14
• 1.3 CVD法中的催化剂衬底14-15
• 1.4 石墨烯CVD生长的机制研究现状15-18
• 1.5 本论文的研究意义18-21
• 第二章 理论基础与研究方法21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 单电子近似理论21-24
• 2.2.1 绝热近似21-23
• 2.2.2 Hartree-Fock近似23-24
• 2.3 密度泛函理论24-26
• 2.3.1 Kohn-Sham方程24-25
• 2.3.2 LDA和GGA近似25-26
• 2.4 平面波赝势法26-29
• 2.5 过渡态理论29-31
• 第三章 Ge(110)衬底上石墨烯的取向一致性的研究31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 模型建立及计算方法32
• 3.3 范德瓦耳斯力对石墨烯取向的影响32-34
• 3.4 石墨烯的边界成键研究34-37
• 3.5 石墨烯在不同台阶处的化学键计算37-41
• 3.6 实验佐证41-43
• 3.7 小结43-45
• 第四章 Ni(111)衬底上石墨烯生长形状的研究45-61
• 4.1 引言45-47
• 4.2 理论模型及计算方法47-48
• 4.3 边界和衬底之间相互作用48-51
• 4.4 石墨烯边界生长的动力学分析51-60
• 4.4.1 平台面上边界的生长动力学51-55
• 4.4.2 嵌入生长模式下边界的生长动力学55-57
• 4.4.3 石墨烯生长过程的动力学Wulff Construction分析57-60
• 4.5 小结60-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 5.1 主要工作61-62
• 5.2 工作展望62-63
• 参考文献63-71
• 科研成果71-73
• 致谢73

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10 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期

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2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

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2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年

3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年

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5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年

6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年

7 记者 谢荣　通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年

8 本报记者 纪爱玲;石墨烯：市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年

9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年

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1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年

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本文编号：600281