文档介绍：CVD法制备石墨烯研究概况与机制剖析于志远摘要:石墨烯具有独特结构与优异性能,近年来在化学、物理与材料学界引起了广泛研究兴趣,并且在石墨烯制备上已取得了不少进展。化学气相沉积(CVD)法是近年来发展起来制备石墨烯新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯主要方法。通过简要剖析石墨烯几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法与CVD方法)原理与特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了CVD法制备石墨烯及其转移技术研究进展,并展望了未来CVD法制备石墨烯可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带与石墨烯宏观体制备与无损转移等。关键词:,是人类已知强度最高物质。石墨烯是单原子层石墨薄膜,其晶格是由碳原子构成二维蜂窝结构。该材料具有许多新奇物理特性,它是目前已知在常温下导电性能最好材料,电子在其中运动速度达到了光速1/300,远远超过了一般导体。此外,还可用石墨烯制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料、超灵敏传感器等图1CVD法生长石墨烯渗碳烯碳机制与表面生长机制示意图材料制备是研究其性能与剖析其应用前提与基础。目前已经有多种制备石墨烯方法,石墨烯产量与质量都有了很大程度提升,极大促进了对石墨烯本征物性与应用研究,但是如何针对不同应用实现石墨烯宏量控制制备,对其质量、结构进行调控仍是目前石墨烯研究领域重要挑战。本文首先简要介绍了石墨烯几种主要制备方法原理与特点,继而详细地评述了近两年发展起来化学气相沉积(CVD)制备方法及其相应石墨烯转移技术研究进展,并展望了未来CVD法制备石墨烯可能发展方向。2石墨烯主要制备方法机械剥离法或微机械剥离法是最简单一种方法,即直接将石墨烯薄片从较大晶体上剥离下来。Novoselovt等[1]于2004年用一种极为简单微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯,验证了单层石墨烯独立存在。具体工艺如下:首先利用氧等离子在1mm厚高定向热解石墨表面进行离子刻蚀,当在表面刻蚀出宽20μm—2mm、深5μm微槽后,用光刻胶将其粘到玻璃衬底上,再用透明胶带反复撕揭,然后将多余高定向热解石墨去除并将粘有微片玻璃衬底放入***溶液中进行超声,最后将单晶硅片放入***溶剂中,利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。但是这种方法存在一些缺点,如所获得产物尺寸不易控制,无法可靠地制备出长度足够石墨烯,因此不能满足工业化需求。化学剥离法:目前实验室用石墨烯主要通过化学方法来制备,该法最早以苯环或其它芳香体系为核,通过多步偶联反应使苯环或大芳香环上6个C均被取代,循环往复,使芳香体系变大,得到一定尺寸平面结构石墨烯。在此基础上人们不断加以改进,使得氧化石墨还原法成为最具有潜力与发展前途合成石墨烯及其材料方法。除此之外,化学气相沉积法与晶体外延生长法也可用于大规模制备高纯度石墨烯。碳化硅(SiC)外延生长法:ClarieBerger等利用此种方法制备出单层[7]与多层[8]石墨烯薄片并研究了其性能。通过加热,在单晶6H-SiCSi-terminated(00001)面上脱除Si制取石墨烯。将表面经过氧化或H2蚀刻后样品在高真空下通过电子轰击加热到1000°C以除掉表面氧化物(多次去除氧化物以改善表面质量),用俄歇电子能谱确定氧化物被完全去除后,升温至1250-1450°C,恒温1-20min。在Si表面石墨薄片生长缓慢并且在达到高温后很快终止生长,而在C表面石墨薄片并不受限,其厚度可达5到100层。形成石墨烯薄片厚度由加热温度决定。CVD法:利用甲烷等含碳化合物作为碳源,通过其在基体表而高温分解生长石墨烯。从生长机理上主要可以分为两种(图1所示)渗碳析碳机制:对于镍等具有较高溶碳量金属基体,碳源裂解产生碳原子在高温时渗入金属基体内,在降温时再从其内部析出成核,进而生长成石墨烯;(2)表而生长机制:对于铜等具有较低溶碳量金属基体,高温下气态碳源裂解生成碳原子吸附于金属表而,进而成核生长成“石墨烯岛”,并通过“石墨烯岛”二维长大合并得到连续石墨烯薄膜。由于cvv方法制备石墨烯简单易行,所得石墨烯质量很高,可实现大而积生长,而目_较易于转移到各种基体上使用,因此该方法被广泛用于制备石墨烯晶体管与透明导电薄膜,目前已逐渐成为制备高质量石墨烯主要方法。3石墨烯CVD法制备化学气相沉积法原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应,生成一种新材料沉积在衬底表面。它是目前应用最广泛一种大规模工业化制备半导体薄膜材料技术。Srivastava等[5]采用微波增强化学气相沉积法在包裹有NiSi衬底上生长出来20nm左右厚度花瓣状石墨片,并研究了微波功率大小对石墨片形貌影响。获得了比之前制备方