铜基底上生长石墨烯单晶的研究

摘    要

作为一种新型的二维材料，在近十年中石墨烯因其各种独特的性质吸引了全世界科学家的目光。超高的电子迁移率，良好的透光性能以及很高的机械强度使其在电子及光学器件的制备领域具有广阔的应用前景。近来出现的化学气相沉积法（CVD）更是为大规模制备大面积、高质量的石墨烯铺平了道路。然而，CVD法制备的石墨烯往往是多晶的，其性质受晶界影响很大。因此接下来面临的挑战之一就是大晶畴石墨烯单晶的生长。

本文对铜基底上生长石墨烯单晶的最新进展进行了总结。在结合前人之成果的基础上，采用铜基底（包括固态铜和液态铜）催化剂尝试生长较大晶畴的石墨烯单晶。实验着重于生长窗口的探索，生长参数优化和结果表征。通过对所获得的石墨烯单晶进行光学显微镜（Optical Microscope, OM）、拉曼光谱（Raman Spectra）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）的表征，对石墨烯的生长机理进行了研究，并对影响生长结果的诸多因素给予了解释。

关键词：石墨烯单晶；化学气相沉积法；铜基底；生长机理

ABSTRACT

....

Key words:  single-crystal graphene；CVD； copper substrate； growth mechanism

目    录

第一章 绪论 1

1.1 石墨烯简介 1

1.1.1 石墨烯的结构和性质简介 1

1.1.2 石墨烯的表征方法 1

1.1.3 石墨烯的制备方法 2

1.2 石墨烯单晶 3

1.2.1 石墨烯单晶简介 3

1.2.2 石墨烯单晶生长的现状 4

1.2.2.1 使用电抛光和高压退火铜生长毫米级单晶 5

1.2.2.2 使用铜卷生长毫米级单晶 7

1.2.2.3 使用再固化铜生长毫米级单晶 8

1.2.2.4 使用富氧铜生长毫米级单晶 10

1.3 范文选题与研究思路 11

第二章 铜基底上生长石墨烯单晶 13

2.1 实验设备及CVD法生长石墨烯原理简介 13

2.1.1 实验设备和材料 13

2.1.2 CVD原理简介 13

2.2 实验方案设计 14

2.3 固态铜基底上CVD法制备石墨烯单晶 15

2.3.1 实验过程 15

2.3.1.1 基底的前处理 15

2.3.1.2 CVD处理过程 16

2.3.2 固态铜生长石墨烯单晶生长窗口的探索 17

2.3.2.1 温度的优化 17

2.3.2.2 退火时间的优化 18

2.3.2.3 生长气体流量的优化 18

2.3.2.4 生长时间的优化 20

2.3.2.5 最优条件下的生长结果 20

2.4 液态铜基底上CVD法制备石墨烯单晶 21

2.4.1 实验过程 21

2.4.1.1 基底控制 21

2.4.1.2 CVD处理过程 22

2.4.2 液态铜生长石墨烯单晶生长窗口的探索 22

2.4.2.1 生长气体流量的优化 22

2.4.2.2 生长时间的优化 23

2.4.2.3 最优条件下的生长结果 23

第三章 铜基底生长石墨烯单晶的机理探讨 25

3.1 铜基底生长石墨烯单晶的机理 25

3.1.1 甲烷的高温催化分解 25

3.1.2 石墨烯单晶的成核与生长 26

3.1.3 氢的作用 27

3.2 降温过程对石墨烯单晶生长的影响 29

3.2.1 降温速率对单晶生长的影响 29

3.2.2 降温时保护性气氛的影响 30

第四章 总结与展望 33

参考文献 35

致谢 40