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大面积、高质量石墨烯化学气相沉积法制备

作　者: 王晨曦
导　师: 曾长淦
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 石墨烯化学气象沉积法拉曼光谱扫描电子显微镜固态、液态
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

石墨烯是一种新型的碳纳米结构,其结构为以正六角形为原胞的蜂巢状二维晶格,每个格点均为sp2杂化后的碳原子,厚度仅为一个碳原子,是第一种真正意义上的二维材料。2004年, Novoselov和Geim首次将其从石墨中分离,并通过大量研究,揭示了其独特的性质,引起了人们广泛的观注和研究。石墨烯的一个最重要的性质是其电子的运输性质,实验中,不仅能在室温下观测到整数量子霍尔效应,在低温下更可以观测到分数量子霍尔效应。正是由于诸多独特性质,石墨烯具备广泛的潜在应用价值,如下一代高速晶体管,透明电极,光电、压力传感器等。然而,现有机械剥离的石墨烯面积小、产量低,所以不适合大规模应用。于是如何制备大面积高质量的石墨烯便成为目前的研究热点,最有可能实用化的方法是用气态碳源在Cu和Ni底上生长石墨烯的化学气相沉积法(CVD)。不过,现有的气态源CVD制备石墨烯的方法,仍存在许多问题使其无法与现有的半导体工业中的技术相兼容。在这篇文章中,主要讨论了制备大尺度、高质量石墨烯的实验方法,尤其是讨论了对于温度变化和碳源对于实验结果的影响。并提出了我们对上述的踢的解决方案,这篇论文可分为五章。首先在第一章简要介绍了一下石墨烯的研究历史,尤其是回顾了人们对石墨烯制备方法的研究历史,由此引出目前遇到的问题。作为衡量制备样品的质量标准,石墨烯的本征物理性质不得不提。为此第二段中用基本的固体物理知识较详细地描述了石墨烯的能带结构和性质,提出了几项电性能的关键指标。并简要叙述了其特殊的输运性质。第三章介绍了石墨烯的两种主要表征手段,即拉曼光谱和扫面电子显微镜。这对于样品质量的确定起了重要的作用。在第四章中阐述了我们的CVD制备石墨烯的方法,并通过对样品表征获得的数据进行分析,对实验中遇到的困难提供了解决之道,最后证明了制备出的样品质量较高,并研究了改变多种参数的改变对于样品中的影响,其后根据这种较流行方法的缺点,做出了改进。我们采用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚苯乙烯,以及苯作为碳源,在更低的温度下生长出了石墨烯样品。第五章,作出总结并展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
攻读硕士期间发表的学术论文及专利  7-10
第1章石墨烯研究简史  10-21
  1.1 石墨烯的早期研究  11-12
  1.2 石墨烯的首次分离及物性研究  12-14
  1.3 CVD 石墨烯制备的研究历史  14-16
  1.4 石墨烯的应用前景  16-18
  参考文献  18-21
第2章石墨烯的基本性质  21-29
  2.1 石墨烯的电子性质  21-28
    2.1.1 基本能带结构---紧束缚近似  21-23
    2.1.2 独特的输运性质---反常量子霍尔效应  23-28
  参考文献  28-29
第3章石墨烯样品的研究与表征方法  29-38
  3.1.拉曼光谱简介及在石墨烯中的应用  29-34
  3.2 扫描电子显微镜测量  34-37
  参考文献  37-38
第4章石墨烯样品的 CVD 制备  38-66
  4.1 实验用的仪器设备及原料  39-40
  4.2 实验过程  40-42
  4.3 对生长过程内部机理的讨论  42-47
  4.4 我们的实验结果  47-60
    4.4.1 背景信号的说明  48-49
    4.4.2 试探性制备的样品  49
    4.4.3 制备单层石墨烯  49-51
    4.4.4 气体中杂质对实验结果的影响  51-53
    4.4.5 最优生长过程  53-55
    4.4.6 对降温过程的研究  55-57
    4.4.7 其他气体的尝试  57
    4.4.8 变温实验  57-60
  4.5 固态源、及液态源的生长  60-64
  参考文献  64-66
第5章总结和展望  66-67

大面积、高质量石墨烯化学气相沉积法制备

内容摘要

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