mpcvd法制作石墨烯概述

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1、MPCVD法制作石墨烯概述第一章绪论1.1石墨烯的结构与性能石墨烯为sp2杂化形成的二维碳六元环蜂窝状点阵结构，每个碳原子与旁边3个碳原子相连，碳碳键之间的距离为0.142nm，每个晶胞包含两个碳原子、面积约为0.052nm2，单层石墨烯厚度约为0.35nm，它可以翘曲成为零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管以及层堆积为三维的石墨（如图1-1[6]），是典型的二维晶体材料。石墨烯结构为最稳定的笨六元环单元，因此完整的石墨烯是最理想的二维纳米材料，结构中碳原子之间通过相当强的σ键连接，每个碳原子又与旁边三个碳原子通过碳碳键

2、相连就使得石墨烯片层具有很强的稳定性结构。石墨烯的层间碳原子都会贡献出一个与平面垂直的π电子形成π轨道，且π电子可以在二维晶体中无阻碍的自由移动，这就是石墨烯具有良好导电性的原因。从层数的增加来命名石墨烯依次为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯以及3D石墨相，小于10层称为石墨烯，当层数在10层以上的3D结构时，普遍称为是石墨相结构。由于层数的增加表面的石墨烯性质与内部性质存在明显差异[4-5]，从制备来看单层石墨烯的性质要优于多层石墨烯。除了从碳原子层数和堆积方式来分析二维石墨烯结构时，还有对二维晶体的边缘着

3、手分析其结构，石墨烯边缘结构通过饱和氢原子相连的碳原子来判断其结构，包括扶手椅型和锯齿型两种如图1-2所示，由于边缘碳的非饱和原子结构不同会造成石墨烯的性质差异较大。通常情况下锯齿型结构的碳原子二维晶体结构表现出金属性，相反扶手椅型的边缘结构使石墨烯纳米带表现出非金属性或者导体性[6]。1.2石墨烯的制备方法自石墨烯被证实可以稳定存在以来，引发了科学家的广泛关注，出现了研究的热潮，由于其优异的物理化学性质，使得人们对其制备进行无休止的探索。石墨烯制备方法主要分为物理法和化学法两大类。在成功制备出石墨烯的十来年间，研究者们通过对其

4、沉积机理的分析已经探索出多种不同的制备方法，目前主要制备方法包括：微机械剥离法、化学气相沉积法（CVD）、氧化还原法和加热碳化硅法。机械剥离法是目前制备独立石墨烯最简单的方法，2004年英国曼切斯特大学Novoselov和Geim等人最先制备出石墨烯就是通过此种方法用胶带反复粘贴石墨片得到单层石墨烯如图1-3[3]。制备过程为：首先用氧气等离子体在厚度为1mm左右的高定向热解石墨（HOPG）上刻蚀深度为5um、宽度为2um的槽，将其固定在光滑基底上，然后采用透明胶带粘下高定向石墨，反复粘贴直至表面多余的热解石墨被除去、表面光滑为

5、止，再将硅片紧贴表面挤压，最后将硅基底薄层放入丙酮溶液中超声震荡、分散，并将硅片从溶液中打捞出来（由于受到范德华力和毛细的作用，单层石墨烯会紧贴硅基底表面），并用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜观察证明多层和单层石墨烯的存在。.第二章实验装置及表征2.1实验药品实验过程中样品主要包括用于生长的基底材料、碳源及辅助气体和清洗用的化学清洗药品三大类。（1）基底材料包括单晶硅片、镍片和镍靶，实验中采用两种不同的基片进行沉积：一种是镀镍基片，厚度在10~20um之间，镍靶纯度为99.9%，镀镍基片采用多弧离子镀膜设备进行离子镀，

6、通过调节沉积时间来调节镍层的厚度；另一种为方形镍片，纯度为99.95%、厚度为100um，表面需要进行打磨抛光，在无水乙醇中多次超声直至洗净。（2）反应气体包括氢气、甲烷、氩气和氮气；（3）化学药品主要有：无水乙醇、丙酮、稀盐酸和去离子水等。主要原料及药品具体参数如表2-1。..2.2实验装置及过程2.2.1多弧磁控溅射装置多弧离子中频磁控溅射镀膜技术已被广泛应用于PVD镀膜工艺中，原理为在高真空条件下，引燃阴极靶材的蒸发源，与阳极电极间形成自持放电，激发过程中：阴极物质离子从阴极弧光点放出，电流局部集中产生热量激发出等离子体，

7、通过氩气等离子体沉积到基片表面。装置将多种技术结合起来包括等离子体工艺、弧光放电技术和蒸发镀结合起来。实验中镀镍设备采用的是北京泰科诺科技有限公司制造的多弧磁控溅射装置，中频电源最大输出电流150A、工作电流在70A~85A之间，通过调节沉积的电流和氩气流量能够调节薄膜的沉积速率和表面均匀性。在硅片镀镍之前，先将抛光后的单晶硅片放入无水乙醇溶液中超声震荡2次，每次15min除去表面的油渍污垢，然后吹干；实验过程中，将预处理过后的硅片放入基片台上后，对腔体用机械泵进行初抽真空至1Pa以下，预热油扩散泵半个小时后对腔体进行精抽真空至

8、10-3Pa以下，通入20sccm的氩气，2~3min待腔体内氩气分布均匀之后打开电源至130A左右，待激发出氩气等离子体后调节电流至80A对基片进行镀镍，沉积时间分别为为3min、4min、5min三种规格，沉积厚度在10~20um之间，沉积完成后放入无水乙醇