【摘 要】
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石墨烯以其优异的光学、电学以及热学性能在众多领域有着潜在的应用,但是目前常用的化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜中存在着大量的晶界且生长效率较低,难以满足商业化应用的需求。针对这两个问题,本论文利用不同的氧包括固态氧化物、铜箔预氧化等对石墨烯的生长过程进行调控,结合扫描电子显微镜、拉曼光谱、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、四探针方阻测试仪、紫外-可见分光光度计等测试手段对石墨烯的形貌、品质和性能进行
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石墨烯以其优异的光学、电学以及热学性能在众多领域有着潜在的应用,但是目前常用的化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜中存在着大量的晶界且生长效率较低,难以满足商业化应用的需求。针对这两个问题,本论文利用不同的氧包括固态氧化物、铜箔预氧化等对石墨烯的生长过程进行调控,结合扫描电子显微镜、拉曼光谱、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、四探针方阻测试仪、紫外-可见分光光度计等测试手段对石墨烯的形貌、品质和性能进行表征,得到的主要结论如下:(1)常压化学气相沉积法(APCVD)制备石墨烯时铜箔下方的氧化物对提高铜箔反面石墨烯颗粒尺寸有着积极作用,SiO2、Al2O3、MgO在高温下氧平衡分压逐渐减小,对应的铜箔反面上石墨烯颗粒密度逐渐减少,颗粒尺寸逐渐增加。氧化物在高温下释放的氧存在一定的作用范围,铜箔直接放置在氧化物表面形成的狭窄间隙是其发挥作用的关键。当铜箔与氧化物之间的间隙增加到500μm左右,氧化物衬底释放氧的促进作用减弱。(2)在空气中对铜箔预氧化,其表面形成的氧化层能够抑制石墨烯核心的形成,当预氧化时间由0 min逐渐增加到60 min,铜箔表面刻蚀5 nm处的氧原子浓度从0逐渐增加到33.91 at.%,石墨烯颗粒密度由2600个/mm~2降低到40个/mm~2。同时石墨烯的I2D/IG值均在2附近,2D峰的半高宽均处于30 cm-1左右,且D峰几乎不可见说明了石墨烯层数和缺陷均较少。延长生长时间至1 h在铜箔表面获得完全覆盖的石墨烯薄膜,当铜箔预氧化时间由0 min增加到60 min,薄膜的方阻均值由2.84 kΩ·□-1降低到0.74kΩ·□-1,透光率也由87.9%增加到94.2%。(3)在纯氩气中升温时,铜箔表面的氧化层可以得到维持,在后续可以发挥抑制形核的作用,石墨烯颗粒密度不超过10~3个/mm~2数量级。在氩气和氢气混合气氛中升温,氧化层被还原导致颗粒密度高达10~5个/mm~2数量级。而退火气氛无论是纯氩气还是混合气氛,在本实验中对颗粒密度的调节作用均小于升温气氛。(4)在纯氩气中升温最终得到的石墨烯多为六边形,且层数和缺陷较少,而在氩气和氢气混合气氛中升温的石墨烯形状不规则,层数较多且不均匀。此外,相同时间内,混合气氛中升温时铜箔表面石墨烯的覆盖率高于在纯氩气中升温时。
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