氧化性气体调控石墨烯的化学气相沉积生长研究

摘要

二维材料由于其优异的性能与应用前景吸引了广泛的关注。过去的几年内，大量具有丰富价值的关于石墨烯的研究工作无疑让石墨烯成为最具代表性的二维材料。精确控制石墨烯制备的方法对于调控材料的特性与相关理化性质是非常重要的问题。其中，化学气相沉积（CVD）法兼具高质量和低成本的特点，是最有望实现这一目的石墨烯制备方法。另一方面，该方法为研究二维晶体材料的制备与相关基础问题的研究提供了良好的平台，同时也为调控材料制备及后续相关处理工艺从而实现特殊的应用提供了广阔的空间。因此，石墨烯的CVD生长不仅是一项材料制备技术问题，同时还能为后续应用的相关工艺提供良好的条件。理解石墨烯的内在生长机理，是实现调控材料的合成工艺与相关应用的前提和基础。本文主要讨论了石墨烯CVD法制备的两个主要问题：大面积单晶的可控制备与晶界的形成机制。
　　本文的主要内容如下：
　　（1）石墨烯中的晶畴与晶界的分布是影响其性质的关键因素。在生长过程中控制石墨烯晶界的形成是极其重要的问题。首先，本文结合石墨烯的刻蚀、空气微弱氧化和透射电子显微技术研究了CVD石墨烯片中的晶畴与晶界。通过将晶畴、晶界、石墨烯片的各种几何形貌、石墨烯刻蚀的形貌与生长工艺联系起来，提出了一种可以通过石墨烯片外部几何形貌与刻蚀的图案来预测所有情形下晶界分布特征的方法。通过判断得出结论，石墨烯晶界是连续的直线，并且是石墨烯片边界所构成的角的角平分线。此外，电学测量表明晶界能够阻碍载流子的传输。本工作在调控石墨烯晶界生长的问题上取得了重大进展。
　　（2）控制石墨烯 CVD制备过程中的生长行为是制备高质量石墨烯的重要问题。抑制成核密度是控制大面积单晶石墨烯生长的重要问题之一。本文发现氧化性气体对石墨烯有较强的刻蚀作用，并能极大影响石墨烯的成核与生长速度。通过精确控制体系中氧气的含量，实现了尺寸达到1 cm的六边形单晶石墨烯晶畴的制备。
　　（3）大面积单晶石墨烯的快速制备是实现石墨烯低成本制造与应用的关键。较快的生长速度和低成核密度是大面积单晶石墨烯制备的两个主要问题。然而，通过调节生长参数不能同时满足这两个条件。本文提出了简单的一步生长法，同时兼顾了快生长速度和低成核密度两个条件。极微量的氧化性气体（<100 ppm）会促进铜表面甲烷的分解与活性碳原子的吸附，从而增加了石墨烯成核密度。通过去除氧化性气体杂质，在不影响生长速度的条件下抑制了成核密度，实现了大面积石墨烯的快速生长，最快生长速度达到了190μm min?1。

目录

声明

第一章 绪论

1. 课题研究的背景与意义

2. 单晶石墨烯的生长及晶界的形成

3. 大面积单晶石墨烯的制备方法

4. 石墨烯的晶界

5. 本论文主要内容和研究目标

6. 参考文献

第二章 石墨烯的CVD制备与表征

1. 石墨烯的制备

2石墨烯的表征

第三章 石墨烯晶界的动力学形成规律

1. 引言

2. 实验结果与表征

3.石墨烯晶界的形成机制

4. 超长石墨烯晶界的制备与器件

5. 本章小结

6. 参考文献

第四章 氧化性刻蚀辅助法生长厘米级单晶石墨烯

1. 引言

2. 实验方法与步骤

3. 实验结果与讨论

4. 石墨烯的表征

5. 本章小结

6. 参考文献

第五章 抑制氧化性杂质的促进成核效应快速生长单晶石墨烯

1. 引言

2. 实验方法与步骤

3. 实验结果与讨论

4. 石墨烯的表征

5. 本章小结

6. 参考文献

总结与展望

1. 总结

2. 展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文