石墨烯研究背景

开题报告一，课题的研究背景和意义碳元素（Carbon）可以说是世界上存在最为广泛的元素之一，有着多种多样的存在形式。自纳米材料兴起以来，纳米碳材料一直是科学家所研究的热点。继1985年发现富勒烯、1991年发现碳纳米管之后，两位英国科学家Andre·Geim和KonstanitinNovoselov[1]于2004年采用微机械法得到单层石墨烯，并以此得到了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维碳材料。这种碳材料仅有一个碳原子的厚度，有着良好的结晶度，且异常稳定，由于其特殊的结构而产生了许多优异的性能，其巨大的应用潜力引起了人们的强烈关注，也引发了一股研究热潮。由于其独特的单原子结构，石墨烯具有许多特异的光、电、热、力学性能。石墨烯密度低，是一种超轻材料；石墨烯具有优异的光学性能，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%，是一种高度透明的材料；π电子在石墨烯片内传输时不易发生散射，迁移率可达200000cm2/（V·s），电导率可达106S/m，面电阻约31Ω/sq，是室温下导电性最佳的材料；石墨烯的抗拉强度为125GPa，弹性模量为1.1TPa，强度极限为42N/㎡，理想的石墨烯强度是钢的100倍，可作为一中典型的填料相应用于复合材料领域；室温下，石墨烯的导热率约为5000W/m·K，石墨烯的比表面积高达2630m2/g，将其制成-1-微型传感器之后，可用于感应单个原子或分子。同时，石墨烯也是一种高吸附材料。石墨烯的性能优异，可应用于多种领域，具有巨大的应用潜力。但目前石墨烯的质量和尺寸制约了其在应用中的发展，高质量，大面积，低成本的制备工艺仍是横亘在石墨烯广泛应用之前的一块巨石。目前石墨烯的制备方法[9-12]主要有微机械剥离法，氧化石墨还原法，SiC外延生长法，化学气相沉积法等方法。微机械剥离法通过胶带连续剥离高定向热解石墨来获得石墨烯，制得的石墨烯面积和产量都有限，不具备大规模生产的要求；氧化石墨还原法以石墨为原料通过氧化处理，超声分离，再将分离后的氧化石墨烯还原得到石墨烯，但在剧烈的氧化还原过程中会导致石墨烯的一些物理化学性能的缺失，所制得的石墨烯尺寸也很小；SiC外延生长法通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层。其厚度取决于加热温度，制备大面积且厚度均匀的石墨烯较困难；化学气相沉积法通过将碳氢气体吸附与具有催化活性的非金属或金属表面，通过加热使碳氢气体在衬底表面形成石墨烯。此方法在制作大面积石墨烯方面颇具潜力，也是最有希望应用于微电子技术的方法。二，研究的基本内容，方法及存在的问题CVD方法[14,15,16]是上世纪60年代发展起来的一种制备高纯度、高性能固体材料的化学过程,早期主要用于合金刀具的表面改性,后来被广泛应用于半导体工业中薄膜的制备,如多晶硅和氧化硅膜的沉积。CVD法制备石墨烯早在20世纪70年代就有报道,但直至2008-2-年才首次真正意义上制备出大面积少层数石墨烯[2]。最早人们在Ni衬底表面制备石墨烯，后来发现Ni对碳氢气体的催化能力和碳的固溶比较高，所生长的石墨烯尺寸较小，层数无法控制，厚度也不均匀等诸多问题。于是Ruoff等人[3]提出了利用Cu作为衬底生长大面积石墨烯，取得了较好的成果。也有学者提出利用氧化物如氧化锌，氧化镁等作为衬底制备石墨烯[17,18]，以避免石墨烯的转移所造成的问题，但始终没有较好的结果。目前以Cu作为衬底制备石墨烯是最有可能实现工业化生产的方法，本实验采用Cu衬底进行CVD生长石墨烯。由于碳在铜中的溶解度比碳在Ni中的溶解度低很多，这使得碳不会大量溶解在铜中而是在铜表面就能形成石墨烯。高温下铜箔上生长石墨烯的过程就是一个类似于单纯的催化过程。在铜表面的催化作用下，甲烷（CH4）分子遇到高温的铜表面就会分解成碳原子和氢原子，碳原子以sp2杂化键的方式构成了石墨烯网络。当石墨烯完全覆盖整个铜的表面时，石墨烯就会屏蔽铜的催化作用，此时铜催化分解气体碳源分子的能力就会消失。这样铜表面最终生长的石墨烯就是单层石墨烯而不是多层石墨烯，这种石墨烯的生长方式成为表面自限制生长机制[19]。目前采用CVD生长石墨烯的基底主要有Ni，Cu以及其他一些氧化物如MgO等，人们已经做了相应的研究，发现以铜为基底生长石墨烯具有较好的结果，但主要生长单层石墨烯，对多层石墨烯的生长铜基底存在问题。本实验拟采用铜基合金为基底生长石墨烯，在保留-3-铜基底生长石墨烯优势的基础上改进，使得其也适用于生长多层石墨烯。本次实验研究内容归纳如下：利用化学气相沉积装置在铜基合金上沉积生长石墨烯，研究铜基合金上石墨烯的生长情况。三，研究方法，实验步骤以及实验设备。实验设备：管式炉及相应的真空系统和供气系统；实验原料：铜基合金箔片（成分待定，厚度25微米）；氢气（纯度99.999%）；甲烷（纯度99.99%）；实验过程：1，箔片的处理由于使用的箔片非常容易变形，表面并不平整，因此需要对其进行平整清洁处理。首先将箔片剪裁成规则的形状（20*50mm的条带状），然后将其压平整。为避免箔片上的杂质对实验造成影响，需用丙酮超声清洗箔片三遍，再用异丙醇及去离子水，超纯水依次超声清洗三遍，最后用N2吹干。2，管式炉去除气杂质正式开始实验之前要将管式炉及相关气流通道内部的杂质气体清-4-除，避免其对实验造成影响。即在正式实验之前连续抽真空，排放氢气再抽真空三次以确保杂质气体清除干净。3，实验过程①杂质气体清除干净之后将铜箔放入管式炉中央，确保铜箔受热均匀，然后将管式炉抽真空至本底真空，通入H2100sccm。②通入H2后开始加热。加热过程分为几个阶段：第一阶段在通入一定量H2保持管式炉气压恒定在一定值之后缓慢加热至600°C，然后快速加热到800°C，并保持此温度30min。接下来通入50sccm甲烷，并在此过程中持续通入30sccm氢气，在此温度保持一段时间，确保将箔片表面可能残余的氧化物还原，以有利于石墨烯的生长。③在此温度保持一段时间使石墨烯得到生长，随后以一定的速率将温度降低，过程中通入适量的氢气和甲烷，直至降到室温，冷却，取出样品。实验安排：起讫日期工作内容和要求备注2013.11.1-2013.12.1课题设计及开题2013.12.1-2014.1.1阅读文献，确定实验方案，设计实验过程2014.1.1-2014.1.10实验前期准备，样品购买2014.1.11-2014.3.1试探性实验，确认实验可行性，修正实验方案，优化实验过程2014.3.1-2014.10.1正式实验开始，制备石墨烯，表征石-5-墨烯（XRD，SEM，拉曼散射，AFM等）2014.10.1-2014.11.1后期实验数据整理，补充完善实验参考文献：[1]NovoselovK.S,GeimAK,MorozovS.V,etalElectricfieldinatomicallythincarbonfilms[J].Science,2004,306(5696):666-669;[2]MorozovSV,NovoselovKS,KatsnelsonMI,etalGiantintrinsiccarriermobilitiesingrapheneanditsbilayer[J].PhysicalReviewLetters,2008,100(1):016602.[3]LiXS,CaiWW,AnJH,etal.Large-AreaSynthesisofHigh-QualityandUniformGrapheneFilmsonCopperFoils[J].Science,2009,324(5932):1312-1314[4]顾正彬,季根华,卢明辉;二维碳材料———石墨烯研究进展;南京工业大学学报(自然科学版),2010.03.21[5]王文荣，周文修，李铁等；高质量大面积石墨烯的化学气相沉积制备方案研究；物理学报，2012，038712[6]黄毅，陈永胜；石墨烯的功能化及其相关应用；中国科学（B辑化学），2009，39.09，887-896[7]任文才，高力波等；石墨烯的化学气相沉积制备；新型碳材料，2011，26.1[8]杨勇辉，孙红娟，彭同江；石墨烯的氧化还原法制备及结构表征；无机化学学报，2010，26.11，2083-2090[9]李兴鳌，王博琳，刘忠儒；石墨烯的制备表征与特性研究进展；材料导报，2012[10]张伟娜，何伟，张新荔；石墨烯的制备方法及其应用特性；化工新型材料，2010，38.4[11]马文石，周俊文，程顺喜；石墨烯的制备与表征；高校化学工程学报，2010，24.4[12]LiuWei,ChungChoongheui，etal．ChemicalvapordepositionoflargeareafewlayergrapheneonSicatalyzedwithnickelfilms[j].ThinSolidFilms,2010,518:S128[13]ArielIsmach,ClaraDruzgalski,SamuelPenwell,etal,Directchemicalvapordepositionofgrapheneondielectricsurfaces[J].NanoLett,2010,10:1542[14]ObraztsovAN,ObraztsovaEA,TyurninaAV,etal,Chemicalvapordepositionofthingraphitefilmsofnanometerthickness[J].Carbon,2007,45:2017[15]ReinaA,JiaXT,HoJ,etal.Largearea,few-layergraphemefilmsonarbitrarysubstratesbychemicalvapordeposition[J].NanoLett,2009,9:30[16]KimKS,ZhaoY,JangH,etal,Large-scalepatterngrowthofgraphenefilmsforstretchabletransparentelectrodes[J].Nature,2009,457(7230):706[17]Shih-FongLee,Yung-PingChang,andLi-YingLee,J.Vac.Sci.Technol.B.2008,26,1765[18]MarkH.Rummeli,AlicjaBachmatiuk,AndrewScott,FelixBorrnert,JamieH.Warner,VolkerHoffman,Jarrn-HorongLin,GianaurelioCunibert,andBerndBuchner,ACS.Nano.2010,4,4206[19]XuesongLi,WeiweiCai,LuigiColombo,andRodneyS.Ruoff,Nano.Lett.2009,9,4267