石墨烯在硅衬底上的低温生长及其光学特性的研究

摘要

碳是自然界中最具魅力的元素。尤其是在近30年的时间里，对碳材料的研究一直是科技创新的前沿领域。其中，石墨烯的发现和研究进展在近几年里一直引人注目。石墨烯是一种二维晶体，它是由单层碳原子构成，具有极其特殊的量子效应和电学光学特性。单层的石墨烯厚度仅为0.4nm左右。石墨烯目前被看作是替代硅最完美的材料，在超微型晶体管上的应用前景被广泛关注，可以用来设计出未来的超计算机，它的处理器运行速度将会比现在的计算机快数百倍。这无疑将大大提高人类的信息传播和信息处理能力。
　　本研究主要内容包括：⑴石墨烯的低温生长。在铜箔上初步制备石墨烯，优化参数，如CH4流量，生长时间，生长温度等，初步探究石墨烯的生长工艺。在Si/SiO2基底上镀Cu，Ni，Cu-Ni合金，分别在不同温度下生长石墨烯，主要通过Raman表征，SEM表征，比较不同温度，不同催化剂下石墨烯结晶质量，层状效果，平整度等，获得实验室制备的最优参数。同时根据石墨烯在磁场作用下发生的霍尔效应来测试其载流子迁移率，发现略低于理论值，考虑是由于产物中的少量缺陷导致的。⑵石墨烯光学特性的软件仿真。运用Comsol Multiphysics仿真软件的波动光学模块对石墨烯材料在光照射下的光学特性进行仿真。单层的石墨烯材料几乎是透明的，对光的吸收也很小，大概只有2.3％左右。为了提高光吸收效率，我们设计成谐振的结构，把单层石墨烯作为介质层，上下被特殊形状的金膜覆盖。我们主要获取入射光照下，这种特殊结构对光的吸收效果，发现这种结构可以大大提高材料的光吸收效率。在此基础上了解石墨烯相关器件，尝试石墨烯光探测器，太赫兹探测器等器件的改进设计。

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第一章 绪论

1.1 石墨烯材料的概念和特征

1.2 石墨烯应用和器件

1.3 石墨烯的研究进展

1.4 Comsol Multiphysics简介

1.5 光探测器的发展

1.6 石墨烯太赫兹探测器

1.7 本文的主要内容及创新点

第二章 石墨烯生长工艺简介

2.1 引言

2.2 石墨烯主流生长工艺简介

2.3 本章小结

第三章 低温生长石墨烯工艺及其载流子迁移率测试

3.1 引言

3.2 主要实验器材及试剂介绍

3.3 石墨烯生长工艺描述

3.4 对比试验描述

3.5 Raman表征简述

3.6 实验室制备的石墨烯质量分析

3.7 制取的石墨烯表面形貌观测

3.8 石墨烯载流子迁移率测试

3.9 本章小结

第四章 石墨烯光吸收仿真及相关器件改进方案

4.1 引言

4.2 Comsol Multiphysics软件一般求解过程

4.3 石墨烯的本征光吸收仿真

4.4 以石墨烯为主要介质的吸波体结构仿真

4.5石墨烯光电探测器改进方案

4.6太赫兹探测器改进方案

4.7 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果