镓辅助石英基底生长石墨烯及其机理研究

摘    要

石墨烯以其优异的性能在光学、力学、热学及电学等各个领域拥有巨大的应用前景，并从发现之初就引起了广泛的关注，其中关于石墨烯研究的一个重要方面当属石墨烯的制备。目前，以Cu、Ni等过渡金属作为基底已经能够制备出质量较高的石墨烯。当石墨烯应用于电子器件等领域时，需将其从金属基底转移到绝缘的目标基底上。而石墨烯的转移过程较为复杂，且会带来褶皱、破裂及污染等问题。因此，如果能够在目标基底如绝缘基底上直接生长出石墨烯，便可避免因转移过程带来的不利影响，同时简化石墨烯从制备到实际应用的工序。本文采用化学气相沉积法，以镓蒸气作为催化剂，以石英作为基底，通过探索各生长参数对石墨烯生长情况的影响，寻找出石英基底上石墨烯生长的最优条件，包括生长时间、生长温度、Ar流量和H2流量，进而制备出拥有较高质量的少层石墨烯，并对其进行了拉曼及扫描电子显微镜表征。另外，本文针对所得到的实验结果及相关现象进行了分析与总结，并对镓—石英体系生长石墨烯的生长机理进行了初步的探讨。

关键词：石墨烯；化学气相沉积；镓；石英；生长机理

 

ABSTRACT

....

Key words: graphene; CVD; gallium; quartz; growth mechanism

 

目  录

第一章 绪论1

1.1 石墨烯简介1

1.1.1 石墨烯的发现、结构与性质1

1.1.1.1 石墨烯的发现1

1.1.1.2 石墨烯的结构与性质1

1.1.2 石墨烯的制备方法2

1.1.2.1 化学气象沉积法3

1.1.2.2 其他制备方法3

1.2 绝缘基底上生长石墨烯4

1.2.1 绝缘基底上生长石墨烯的优势4

1.2.2 绝缘基底上生长石墨烯的研究现状5

1.2.2.1 金属覆盖催化生长石墨烯5

1.2.2.2 无金属催化生长石墨烯6

1.2.2.3 金属蒸气催化生长石墨烯9

1.2.2.4 绝缘基底上生长石墨烯的其他方法10

1.2.3 绝缘基底上生长石墨烯小结10

1.3 论文选题与研究思路11

1.3.1 镓—石英体系的选择11

1.3.2 研究思路12

第二章 镓辅助石英基底上生长石墨烯13

2.1 实验仪器与材料以及实验方案设计13

2.1.1 实验仪器与材料13

2.1.2 实验方案设计13

2.2 实验部分13

2.2.1 实验操作过程14

2.2.1.1 镓球的处理14

2.2.1.2 石英基底的前处理14

2.2.1.3 CVD生长原理及操作流程14

2.2.2 生长参数的探索16

2.2.2.1 生长温度16

2.2.2.2 生长时间16

2.2.2.3 氩气流量17

2.2.2.4 氢气流量17

2.3 实验总结18

2.3.1 最优条件下石墨烯的表征19

2.3.2 实验总结19

第三章 镓—石英体系生长石墨烯的机理探讨20

3.1 镓—石英体系CVD法生长石墨烯的机理20

3.1.1 生长过程20

3.1.1.1 镓蒸气催化下的甲烷脱氢裂解20

3.1.1.2 石墨烯的成核与生长21

3.1.2 降温过程22

3.1.3 氢气对石墨烯的刻蚀作用24

3.2 石墨烯缺陷25

3.2.1 石墨烯缺陷的形成因素25

3.2.2 减少石墨烯缺陷形成的方法26

3.3 镓—石英体系生长石墨烯的机理小结27

第四章 总结与展望28

4.1 论文总结28

4.2 展望28

4.2.1 对镓—石英体系CVD法生长石墨烯的展望28

4.2.2 对绝缘基底上生长石墨烯的展望29

参考文献30

致  谢35