CVD法制备石墨烯工艺及其光电性能研究

发布时间：2017-10-04 13:00

  本文关键词：CVD法制备石墨烯工艺及其光电性能研究

  更多相关文章： CVD 石墨烯 化学气相沉积 薄膜

【摘要】：自2004年石墨烯被英国科学家发现能够以二维晶体结构存在以来,对石墨烯的研究便吸引了物理、化学、材料等领域无数科学家的目光。石墨烯具有独特的蜂巢状结构,这种结构赋予了石墨烯极为优异的性能,其厚度、硬度、导电导热性能已经超过了目前已知的任何一种材料,使石墨烯具有广阔的应用前景。石墨烯可以应用在锂电池、手机触摸屏、半导体、传感器等许多行业,并具有促使这些行业发生革命性进步的潜力。目前各个国家的研究院所和大型跨国企业都在尽全力研究石墨烯的制备技术及其应用。本文以铜箔和镍箔为衬底,采用CVD法制备石墨烯,对比研究不同工艺参数下不同衬底上石墨烯的生长变化规律,优化改进石墨烯生长工艺,制备出高质量(极弱D峰)、大面积(2×2 cm)、少层(3~4层)石墨烯,并研究了石墨烯的光电性能。铜箔衬底上CVD法制备大面积少层石墨烯的研究。通过实验,厘清了生长温度、生长时间、CH_4流量、H_2流量、降温速率对石墨烯生长的影响。研究发现,当生长时间超过一定的界限时,石墨烯的自限制生长理论并不适用,石墨烯层数会急剧增加。过慢的降温速率会阻碍铜箔上大面积高质量的石墨烯的形成。通过优化工艺参数,成功地在铜箔上制备出大面积少层(3~4层)石墨烯,并对其透光率和导电率与石墨烯层数的关系进行了研究。镍箔衬底上CVD法制备大面积少层石墨烯的研究。通过实验,厘清了生长温度、生长时间、H_2流量、降温速率对石墨烯生长的影响。缓慢的降温速率下,镍衬底上并不会形成石墨烯,H_2对石墨烯的生长起促进作用且刻蚀作用很弱。改进了镍衬底上石墨烯的制备工艺,在镍箔难以制备少层石墨烯的情况下,制备出大面积少层(3~4层)石墨烯。对其透光率进行了表征,通过透光率的变化来确定石墨烯的层数。对比研究铜箔和镍箔上石墨烯的生长,总结铜镍衬底上制备石墨烯的优劣点。铜箔上石墨烯的制备难度大于镍箔上的制备难度,但铜箔表面形成的石墨烯一般小于镍箔上石墨烯层数。H_2对铜箔上的石墨烯生长起抑制作用且有强烈的刻蚀作用,但H_2对镍箔上石墨烯的生长起促进作用且刻蚀作用很弱。石墨烯在铜箔上形成时缺陷较多,而镍箔上制备出的石墨烯往往质量很高,缺陷很少。
【关键词】：CVD 石墨烯 化学气相沉积 薄膜
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 课题研究的目的和意义8-9
• 1.2 石墨烯的结构和性能9-12
• 1.2.1 石墨烯的结构9-11
• 1.2.2 石墨烯的性能11-12
• 1.3 石墨烯的研究现状12-15
• 1.3.1 石墨烯的制备技术13-15
• 1.3.2 石墨烯的应用15
• 1.4 本文研究的主要内容15-17
• 第二章 实验方法和材料及表征17-25
• 2.1 CVD法制备石墨烯的实验方法与材料17-19
• 2.1.1 CVD化学气相沉积系统及实验过程17-18
• 2.1.2 实验材料18-19
• 2.2 石墨烯表征技术19-24
• 2.3 小结24-25
• 第三章 铜衬底上CVD制备石墨烯及其光电性能分析25-44
• 3.1 铜衬底上石墨烯的制备原理25
• 3.2 实验所用铜箔的超声清洗和退火预处理25-26
• 3.3 铜衬底上石墨烯的转移与拉曼表征26-28
• 3.4 光学显微镜初步验证铜箔上的石墨烯28
• 3.5 不同工艺参数对石墨烯生长的影响28-39
• 3.5.1 生长温度对石墨烯生长的影响29-31
• 3.5.2 生长时间对石墨烯生长的影响31-34
• 3.5.3 生长气体中CH_4流量对石墨烯生长的影响34-36
• 3.5.4 生长气体中H_2流量对石墨烯生长的影响36-38
• 3.5.5 降温速率对石墨烯生长的影响38-39
• 3.6 大面积少层石墨烯的制备表征及其光电性能的分析39-43
• 3.6.1 优化工艺制备大面积少层石墨烯及其表征39-41
• 3.6.2 铜箔衬底上石墨烯光电能性能分析41-43
• 3.7 小结43-44
• 第四章 镍衬底上CVD制备石墨烯及其光电性能分析44-63
• 4.1 镍衬底上石墨烯的制备原理44
• 4.2 镍箔的超声清洗和退火预处理44-45
• 4.3 镍衬底上石墨烯的转移45
• 4.4 镍衬底上石墨烯拉曼表征光谱说明45-46
• 4.5 不同工艺参数对石墨烯生长的影响46-55
• 4.5.1 生长温度对石墨烯生长的影响46-49
• 4.5.2 生长气体中CH_4/H_2流量比例对石墨烯生长的影响49-51
• 4.5.3 生长时间对石墨烯生长的影响51-52
• 4.5.4 降温速率对石墨烯生长的影响52-55
• 4.6 大面积少层石墨烯的制备、表征及其光电性能的分析55-59
• 4.6.1 改进工艺制备大面积少层石墨烯及其表征55-57
• 4.6.2 镍衬底上大面积少层石墨烯光电性能的分析57-59
• 4.7 对比研究铜镍衬底上石墨烯的制备及其透光性能59-62
• 4.7.1 相同条件下铜箔和镍箔上石墨烯的制备及表征59-61
• 4.7.2 铜箔和镍箔上石墨烯透光性能对比分析61-62
• 4.8 小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 致谢70

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