氫氣對石墨烯CVD生長的影響機制研究.pdf

1、石墨烯以其優(yōu)異的性質(zhì)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為最熱點的研究領(lǐng)域之一。高質(zhì)量的石墨烯制備成為材料性質(zhì)研究和新應(yīng)用開發(fā)的重要基礎(chǔ)。以過渡金屬為生長基底、含碳物質(zhì)為原料、惰性氣體及氫氣為輔助氣氛的化學(xué)氣相沉積法是實現(xiàn)石墨烯的可控制備最有潛力的方法之一。其中，關(guān)于氫氣在石墨烯生長各階段的作用，尤其是對碳原子在金屬內(nèi)部的溶解和析出行為的影響規(guī)律，是石墨烯控制制備亟待解決的關(guān)鍵課題之一。此方面的系統(tǒng)研究尚少。
　　本課題的研究內(nèi)容之一是研

2、究氫氣在化學(xué)氣相沉積各單元步驟中對催化金屬及石墨烯生長的影響規(guī)律。研究首先用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）和拉曼光譜儀（Raman spectroscopy）等表征手段，比較了在生長階段引入H2與否的兩種模式下的銅箔的表面形貌和結(jié)晶取向，以及石墨烯隨CVD反應(yīng)時間的生長演變過程三個方面的差異。結(jié)果顯示：在生長階段不通入H2會使銅箔表面具有更多的皺褶、更小的銅晶粒尺寸、更多的晶界，以及更快的石

3、墨烯生長速率。在生長階段不通入H2氣體的情況下，利用常壓化學(xué)氣相沉積（CVD）在銅箔表面合成了單層石墨烯。截面TEM、HR-TEM、SAED、以及方塊電阻值710Ωsq-1都表明了石墨烯具有極高的結(jié)晶質(zhì)量。為了進一步闡明H2的作用，我們設(shè)計在CVD反應(yīng)（如升溫、退火、生長和降溫階段）的單獨階段或者多個階段分別通入H2進行石墨烯生長分析。結(jié)果表明：在生長階段H2的參與是高質(zhì)量石墨烯生長的關(guān)鍵因素。結(jié)合氫分析儀等表征手段，我們證實了CH4高

4、溫分解出的H2不能輔助生長高質(zhì)量石墨烯，而在升溫或者退火階段儲存在銅金屬內(nèi)部的H2可以在生長階段釋放出來促進石墨烯的生長。
　　本課題的研究內(nèi)容之二是研究石墨烯初期形核密度和生長速率的影響規(guī)律。利用磁控濺射技術(shù)在c-plane sapphire(0001)襯底均勻濺射了一定厚度的Cu(111)晶面的銅膜，并通過CVD法常壓合成了石墨烯，利用光學(xué)顯微鏡和拉曼光譜對退火處理后的銅膜和轉(zhuǎn)移的石墨烯進行了表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)銅膜和石墨烯質(zhì)量較高

5、。通過對石墨烯島的動力學(xué)影響研究，發(fā)現(xiàn)氫氣流量過低不利于降低石墨烯島的成核密度，而氫氣流量過多對石墨烯島的刻蝕速率快于石墨烯島的生長速率，嚴(yán)重刻蝕了石墨烯島的邊緣。設(shè)計利用“兩段法”分別控制石墨烯的形核和生長，有效降低了石墨烯島的成核密度，合成了形狀更加規(guī)則的離散石墨烯島。
　　本課題的研究內(nèi)容之三是研究氫氣對石墨烯CVD生長過程中碳的溶解和析出兩個過程的影響規(guī)律。研究選擇具有不同碳溶解度的銅和鈷兩種金屬作為生長基底，利用甲烷作為

6、碳源，在大氣壓條件下生長石墨烯。研究在退火階段預(yù)溶解的H2以及生長階段與CH4同時通入的H2對金屬表面的化學(xué)環(huán)境，以及石墨烯的厚度、結(jié)晶質(zhì)量、連續(xù)性的影響。結(jié)果表明，預(yù)先溶解的H2抑制了碳溶解進銅膜，但提高了碳原子析出量；反之，H2提高碳原子在鈷膜中的溶解量，抑制碳的析出。據(jù)此，我們發(fā)展了無需通入氫氣在銅膜上合成高質(zhì)量石墨烯的方法。
　　本課題初步闡明了氫氣在CVD合成石墨烯過程中扮演的復(fù)雜的角色，探究了氫氣對碳的溶解和析出過程的