什么是石墨烯和CVD

新型半导体——石墨烯张圆2015年12月24日认识石墨烯（graphene)1.由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料2.高的导热系数-5300w/m.k低的电阻率——10-8Ω·m优于铜和银上万倍，纯铜的电阻率为0.017Ω·m结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当有外力作用于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料honeycombcrystallatticeGraphene的发现与研究进展2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（1958年10月出生于俄罗斯西南部城市索契）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯2010年诺贝尔物理学奖得主属于俄国人（一个透明胶带成就的诺贝尔奖）我个人却从来没有期望能获得这个奖项。我昨晚睡得很香，因为我根本没有期望能拿奖。当有些人拿到诺贝尔奖后开始停止做科研，甚至停止做很多他该去做的事，但对于我来说，我会像往常一样继续我的研究，认真工作，享受研究。”最初他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯（也叫撕胶带法获得graphene)2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布,他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路.Ajourneyofathousandmilesismadeupofsmallsteps安德烈·海姆应邀在KAUST的报告会，题目为“万里征途要一步步走过”2013，安德烈·海姆应邀在KAUST的报告会，题目为“万征途要一步步走过”Graphene的应用石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbonbond）仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。因为graphene是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂2006年3月，美国佐治亚理工学院研究员宣布,他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管.开启了石墨烯的半导体应用领域。Graphene的制备方法对于石墨烯的制备方法主要有：机械剥离、单晶金属表面外延生长、SiC外延生长、氧化还原及化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)法等。1.机械剥离虽然可以得到没有缺陷的、结构完美的单层石墨烯，但尺寸问题限制了其应用;2.在单晶金属表面外延生长石墨烯，可以得到大面积和高质量的单层石墨烯，但对设备和实验条件要求很高;3.通过SiC外延生长的石墨烯，其层数难以控制并存在较多缺陷。4.认为由于CVD方法在纳米材料制备方面具有许多独特优势，常用于半导体工业中制备薄膜。CVD法（ChemicalVaporDeposition）CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。CVD法生长graphene工艺及设备化学气相沉积（CVD）是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术CVD法生长graphene主要涉及3个方面碳源、基体和生长条件碳源：甲烷CH4、乙烯C2H4、乙炔C2H2等基体：Ni、Cu（111）、Ru钌ruthenium、MgO生长条件：105Pa–10-3Pa，温度：600-1000C、载气：选H23zonetubefurnace简易CVD石墨烯制备实验使用单温区管式高温电炉作为CVD加热装置，如图1所示。首先将铜箔的尺寸固定为1cm×1cm大小，然后放置于100mL的烧杯中，依次用适量的丙酮和无水乙醇超声清洗15min，最后用氮气吹干。将干燥后的铜箔放入石英舟中，放入石英管中并使其处于CVD电炉中心的恒温加热区段，将石英管密封。打开机械泵抽真空至1.0Pa以下后，向石英管中通入一定量的氢气和氩气后启动升温程序。在50min内将温度由室温升高到1000℃(或者60min内由室温升高到1050℃)，并在该温度下保温30min，这是为了还原铜箔表面的氧化物以及增大铜的晶粒尺寸。然后调节真空度至1.0×104Pa，通入适量的甲烷，反应30min后，自然降至室温。得到在Cu衬底上制备出了石墨烯薄膜。图1Cu表面制备石墨烯的CVD装置示意图SourceMaterialsSubstrate/catalystGasOutVLSviaDualZoneTubeFurnaceQuartzandAluminatubeTheprincipleofVLSDualZonethin-filmgrowingsystemVaporization-liquid-solidVacuumsealingflangeGasin多温区CVD石墨烯制备PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)--等离子体增强化学气相沉积法。PECVD：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)非晶硅电池材料是由气相沉积法形成的。根据离解和沉积方法的不同，可分为辉光放电分解法(GD)、溅射法(SP)、真空蒸发法、光化学气相沉积法(CVD)和热丝法（HW）等多种。其中等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是已被普遍采用的方法，其装置的示意图如图5所示。在PECVD沉积非晶硅的方法中，PECVD的原料气一般采用SiH4和H2，制备叠层电池时用SiH4和GeH4，加入B2H6和PH5可同时实现掺杂。SiH4和GeH4在低温等离子体的作用下分解产生a-Si或a-SiGe薄膜。此法具有低温工艺和大面积薄膜的生产等特点，适合于大规模生产。一般来说，pin集成型以玻璃为衬底的非晶硅电池的制造工序为：清洗并烘干玻璃衬底——生长TCO膜——激光切割TCO膜——依次生长pin非晶硅膜——激光切割a-Si膜——蒸发溅射AI电极——激光切割AI电极(或掩膜蒸发AI电极)。PECVD等离子体增强化学气相沉积法。大尺寸镀膜