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独特的二维结构赋予石墨烯优异的热学性能,单层石墨烯理论热导率可达5300W/(m·K)。但当层数达到十层及以上时,其热导率会降到1000W/(m·K)以下。因此,高质量单层石墨烯的制备尤为重要。化学气相沉积(CVD)法被认为是最理想的能获得高品质单层石墨烯的制备方法。本课题采用铜箔作为生长基底,以CVD法生长制备高质量单层石墨烯薄膜为目标,系统研究了铜箔基底的电化学抛光参数和常规CVD法生长石墨烯的工艺参数;通过优化石墨烯生长参数,进一步探索了生长工艺参数对石墨烯薄膜结构的影响规律;最后结合最优的CVD法石墨烯生长参数,开展原位生长石墨烯无转移技术的探索研究。所获的主要结论如下:1.铜基底表面预处理研究(1)对比研究了盐酸酸洗、钝化膏酸洗、电化学抛光及其协同处理对Cu基底状态的影响,发现钝化膏酸洗和电化学抛光协同处理的铜箔基底表面更光滑平整,缺陷更少,经过预处理的铜箔生长的石墨烯质量更高。(2)探索了电化学抛光电压和抛光时间对铜箔基底的影响,研究结果表明抛光电压为8V,抛光时间为8min时可以达到镜面的抛光效果。(3)退火工艺(退火温度、退火时间)对铜箔基底表面状态有重要影响。随着退火温度升高和退火时间延长,铜箔表面得到很大改善,1060℃保温退火30min即可得到晶粒尺寸较大,且分布较均匀的铜箔基底表面。2.石墨烯生长工艺研究(1)系统研究了CVD法生长石墨烯工艺参数,包括成核温度、成核时间、生长温度、生长时间、气氛压力、碳源浓度等,对石墨烯薄膜结构与性能的影响规律,实验表明成核密度直接影响石墨烯的晶界数量,进而对石墨烯的性能造成影响,通过对生长条件的控制可以实现石墨烯层数的有效调控。(2)在工艺参数研究基础上,为降低晶界数量,通过对温度、时间以及气氛的控制成功获得了单一晶相的铜箔,使制备高质量的石墨烯成为可能。3.无转移CVD法制备石墨烯薄膜研究(1)通过对基底的润湿性处理,利用PVD法在石英玻璃基底上制备不同厚度铜膜催化剂,探究不同的膜厚对石墨烯生长的影响规律;研究表明厚度在25~100nm最适合后续石墨烯的生长和转移。(2)在高温熔融下,可以使铜箔自发的形成“凸结构”;并借助上述优化的最佳生长条件下进行生长,最后采用化学刻蚀铜催化剂在目标基体上成功获得了高质量的石墨烯。