石墨烯的光電性質(zhì)畢業(yè)論文

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：石墨烯的光電性質(zhì)I石墨烯的光電性質(zhì)摘要石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體。其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)性能，是當(dāng)前納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文綜述了石墨烯的制備方法，介紹了其光學(xué)、電學(xué)性能及在光電應(yīng)用中的研究進(jìn)展。同時(shí)，對(duì)目前石墨烯在光電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。采用聚苯乙烯作為固體碳源，通過化學(xué)氣相沉積法制備大面積石墨烯。相對(duì)于傳統(tǒng)的氣態(tài)碳源，聚苯乙烯的結(jié)構(gòu)本身具備鍵能較弱的C-H鍵。聚苯乙烯分解后產(chǎn)生的氣態(tài)含苯環(huán)活性小分子在相對(duì)較低的溫度下很容易脫氫形成活性化的碳基團(tuán)。這一優(yōu)異性質(zhì)有助于

2、在低溫條件下催化生長石墨烯。研究表明，聚苯乙烯的加熱溫度是控制石墨烯層數(shù)和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。聚苯乙烯分解后得到的碳基團(tuán)的濃度在整個(gè)石墨烯的化學(xué)氣相生長過程中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。石墨烯是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成的六角型晶格單原子層二維晶體。石墨烯有許多獨(dú)特的性質(zhì)，它是零帶隙的半金屬半導(dǎo)體材料，具和熱導(dǎo)率 (-5000 WmK), 良好的透光特性（單層石墨烯的吸收 2.3%) 和優(yōu)異的力學(xué)性能（彈性模量和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到 l.lTPa 和 125GPa)，因此在透明電極、晶體管、傳感器、能源存儲(chǔ)、高強(qiáng)度復(fù)合材料等方面存在廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 石墨烯，光電性能，合成， 應(yīng)用； 固態(tài)碳源，

3、聚苯乙烯，單層石墨烯，毫米級(jí)石墨烯晶疇，光電性能，形核控制，人工籽晶，摻雜；納米結(jié)構(gòu)，表面增強(qiáng)拉曼光譜，多孔石墨烯，氧化鋅，光電探測(cè)器IIPhotoelectric Properties and Applications ofGrapheneAbstractGraphene is a two-dimensional atomically thick crystal with carbonatoms arranged in a this review， different methods for preparing graphene were compared，the electric and

4、optical properties of it were introduced， and the applications of graphene in electric and optical fieldswere summarized At last ， problems and tendency of graphene development of electric and optical in the future were also discussedGraphene was synthesized by chemical vapor deposition using polyst

5、yrene as a solid carbon source. C-H bonds on polystyrene arerelatively weak compared with the widely used gaseous carbon sources. The molecules decomposedfrom polystyrene could be easily dehydrogenated into activated sp2structured carbon related radicals, which were ofgraphene at low temperature. Th

6、is result also indicates that thetheoverall synthesis of the monolayer graphene.Keywords graphene， photoelectric properties， synthesis，application； solid carbon source， polystyrene，monolayer grapheme，millimeter-sizedgraphene ，optical，electricalproperties， nucleation control， artificial seed， doping；

7、nanostructure， SERS ，graphene nanomesh， ZnO ，photodectorIII目錄摘要 .I IAbstract .III第 1 章 緒論 .11.1課題背景 .11.1.1石墨烯的光電性能及其應(yīng)用 .11.1.2化學(xué)氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性能研究.11.1.3石墨嫌及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備和性能研究.1第 2 章 石墨烯的光電性能及其應(yīng)用 .22.1石墨烯的制備方法 .22.1.1微機(jī)械剝離法 .22.1.2晶體外延生長法 .22.1.3膠體懸浮液法 .22.2石墨烯的光電性質(zhì) .22.3石墨烯光電應(yīng)用領(lǐng)域 .32.3.1光電探測(cè)器 .32

8、.3.2透明導(dǎo)體 .32.3.3顯示器和光線發(fā)射器 .32.3.4觸摸屏 .42.3.5光學(xué)調(diào)制器 .42.4本章小結(jié) .5第 3 章 化學(xué)氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性質(zhì)研究.63.1石墨烯簡介 .63.1.1石墨烯的發(fā)現(xiàn) .63.1.2石墨烯的結(jié)構(gòu)形態(tài) .63.1.3石墨烯力學(xué)特性 .錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1.4超大的比表面積 .63.1.5熱學(xué)性能 .錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2石墨烯的 CVD 法制備、性能和結(jié)構(gòu)表征 .73.2.1主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原材料 .73.2.2固態(tài)源 CVD 法生長石墨烯設(shè)備的改造 .73.2.3金屬襯底表面預(yù)處理工藝 .83.2.4化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的

9、工藝 .93.3本章小結(jié) .9第 4 章 石墨嫌及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備和性能研究.104.1 金屬石墨嫌金屬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備及其表面增強(qiáng)拉曼光譜10研究背景104.2 多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備及表面增強(qiáng)拉曼研究10多孔石墨烯的研究現(xiàn)狀104.3 本章小結(jié)11結(jié)論12參考文獻(xiàn)13第1章 緒論1.1 課題背景石墨烯的光電性能及其應(yīng)用2004 年，英國曼徹斯特大學(xué) Geim 等通過機(jī)械力從石墨晶體表面剝離出石墨烯片層。由 sp2 雜化的碳原子以六邊形排列形成蜂窩狀二維碳質(zhì)材料，為單原子層厚度的石墨材料。同時(shí)，石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有完美的量子隧道效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)等特殊的性質(zhì)。由于石墨烯新

10、奇的光電性質(zhì)，不斷吸引著物理、化學(xué)、材料等相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家極大的注目，尤其是半導(dǎo)體納米材料前沿領(lǐng)域。本文綜述了石墨烯的制備方法、光電性能以及在光電方面的應(yīng)用評(píng)價(jià)?；瘜W(xué)氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性能研究在采用含苯環(huán)碳源制備高質(zhì)量大面積石墨烯的基礎(chǔ)上，本論文采用檸檬酸鈉還原法實(shí)現(xiàn)了石墨烯層間的銀納米粒子摻雜。 1-4 層 AgNO3 層間摻雜的石墨烯的光電性能已經(jīng)高于透明導(dǎo)電薄膜工業(yè)化應(yīng)用最小值?；谶@種廉價(jià)的碳源和工藝簡單且低成本的摻雜工藝，有望在高效低成本的化學(xué)氣相沉積法的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步促進(jìn)廉價(jià)和高品質(zhì)大面積石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。石墨嫌及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備和性能研究我們發(fā)展了一種通過

11、金屬納米顆粒局域催化分解碳制備多孔石墨烯的新方法，并將之應(yīng)用于表面增強(qiáng)拉曼光譜。通過拉曼光譜表征和電輸運(yùn)測(cè)量，我們推斷多孔石墨烯中大量的邊緣結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自發(fā)的型摻雜，從而導(dǎo)致顯著的拉曼化學(xué)增強(qiáng)。此外，多孔石墨烯的孔洞邊緣還可以高效吸附待測(cè)分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子拉曼增強(qiáng)的快速檢測(cè)。這些結(jié)果表明，多孔石墨烯可以用作一種快速、高效拉曼增強(qiáng)檢測(cè)的優(yōu)質(zhì)襯底。第2章 石墨烯的光電性能及其應(yīng)用2.1 石墨烯的制備方法石墨烯制備研究已取得豐碩成果，發(fā)展了微機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積、晶體外延生長、膠體懸浮液法等多種制備方法。在下面我們總結(jié)了各種合成方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及其應(yīng)用前景。微機(jī)械剝離法2004 年，首次制

12、得的石墨烯就是通過機(jī)械剝離法。這種方法是借助摩擦石墨表面獲得的片層，最終通過篩選，獲得單層的石墨烯薄片。該方法工藝簡單、成本低廉。但是機(jī)械剝離制得的石墨烯在結(jié)構(gòu)上不完整，對(duì)石墨烯的屬性研究是無價(jià)值的，并且這種方法獲得石墨烯尺寸不易控制，無法滿足應(yīng)用要求。石墨烯優(yōu)越的電子遷移性質(zhì)需要較大規(guī)模的石墨烯。此方法利用摩擦石墨表面獲得的片層來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨烯薄片。晶體外延生長法外延生長法是在晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出另一種晶體的方法。在二十世紀(jì)九十年代中期，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn) SiC 單晶加熱至一定溫度會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象。因此 SiC 外延生長可制得

13、單層和多層的石墨烯。 SiC 單晶外延生長石墨烯的基本工藝如下 : 首先把經(jīng)過氧化或 H2 刻蝕處理過的 SiC 單晶片置于超高真空和高溫環(huán)境下，利用電子束轟擊 SiC 單晶片除去表面氧化物，然后在高溫條件下將其表面層中的 Si 原子蒸發(fā)，使其表面的碳原子發(fā)生重構(gòu)。膠體懸浮液法膠體懸浮液法是利用擁有大量的羥基、環(huán)氧基和羧基等基團(tuán)的氧化石墨為前驅(qū)體，超聲剝離制得石墨烯。最后過濾、洗滌、真空干燥得到氧化石墨。然后再通過化學(xué)法將氧化石墨烯還原為石墨烯。該法原料來源豐富、價(jià)格低廉，為石墨烯的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)提供了可能。但是，該法經(jīng)氧化石墨還原后得到的石墨烯存在缺陷，即還原后的石墨烯仍含有部分含氧官能

14、團(tuán)，從而降低了石墨烯的電導(dǎo)率。2.2 石墨烯的光電性質(zhì)在可見光區(qū)，單原子層厚度的石墨烯所反射的光小于入射光的 0.1% ，當(dāng)達(dá)到數(shù)十層時(shí)，會(huì)上升到 2% 左右。在可見光區(qū)，其對(duì)可見光的吸收大約為 2.3% 。在正常情況下，大部分電子占據(jù)低能量狀態(tài)，只有少數(shù)會(huì)填充高能量狀態(tài)。而在粒子數(shù)倒轉(zhuǎn)狀態(tài)下情況正好相反。2.3 石墨烯光電應(yīng)用領(lǐng)域光電探測(cè)器光電探測(cè)器是將光信號(hào)或光能轉(zhuǎn)化為電流。傳統(tǒng)的光電探測(cè)器大多基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，它們的性能會(huì)受到材料固有屬性的限制。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，石墨烯沒有能帶隙，可吸收較大波長范圍的光。此外，異常高的載流子遷移率使石墨烯成為超快光電探測(cè)器的理想材料。這是由于等離子體

15、共振提高了納米結(jié)構(gòu)的性能，單原子層厚度的石墨烯可以充分地受到等離子體增強(qiáng)效應(yīng)的影響。此外，泵探針測(cè)量證明石墨烯光電探測(cè)器表現(xiàn)出較高的響應(yīng)速度。透明導(dǎo)體透明導(dǎo)體是觸摸屏、發(fā)光二極管和太陽能電池等對(duì)表面電阻和高透明度要求較高器件的核心部分。當(dāng)作為電極時(shí)，設(shè)備必須滿足光的傳入或傳出的條件。傳統(tǒng)的透明導(dǎo)體由高度摻雜的半導(dǎo)體氧化物組成，例如氧化銦錫 ( ITO) 。但是，傳統(tǒng)的透明導(dǎo)體的應(yīng)用受到以下幾個(gè)因素的限制 : 機(jī)械的脆性不利于它們作為有彈性的顯示器 ; 銦元素的短缺使得這樣的顯示器價(jià)格居高不下 ; 銦原子的擴(kuò)散會(huì)污染周圍的薄片，并降低設(shè)備的性能。為了滿足對(duì)透明導(dǎo)體日益增長的需求，研發(fā)新技術(shù)變的尤

16、為迫切。顯示器和光線發(fā)射器液晶顯示器 ( Liquid crystal display，LCD) 利用載玻片上剝離的石墨烯作為陰極透明導(dǎo)體，如圖 2 所示。這種單層石墨烯阻值較低，電子傳輸率高達(dá) 98% 。而相同阻值下， ITO 薄膜的傳輸率為 95% 。發(fā)光二極管 ( Light emitting diodes， LEDs) 同其它的光電設(shè)備一樣，都利用了石墨烯作為透明和靈活的電極。有機(jī)發(fā)光二極管是一種顯示器最新商業(yè)化技術(shù)，包含有電致發(fā)光聚合物質(zhì)活性區(qū)域，可用于超薄和有彈性的顯示屏。許多發(fā)光裝置利用了碳基透明導(dǎo)體薄膜和碳納米管。并且，石墨烯作為陽極或陰極。石墨烯在經(jīng)過氧等離子體處理或被還原氧

17、化石墨修飾之后，可以進(jìn)行光致發(fā)光。觸摸屏目前，觸摸屏被廣泛應(yīng)用于手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備中，并要求具有快速、直觀和準(zhǔn)確的反應(yīng)。觸摸屏主要有兩種形式，分別為電阻式和電容式。圖 3 為電容式觸摸屏的設(shè)計(jì)原理圖和石墨烯基電阻式觸摸屏產(chǎn)品。電阻式觸摸屏包括導(dǎo)電襯底、液晶裝置面板和透明導(dǎo)體薄膜。光學(xué)調(diào)制器光學(xué)調(diào)制器是利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。它們常常用于芯片上光學(xué)互聯(lián)，并且在針對(duì)電氣連接的局限性如高損耗、串?dāng)_和有限速度方面變得越來越重要。光學(xué)調(diào)制器和集成芯片需要高速、較大的光學(xué)帶寬和小腳位。硅基光學(xué)調(diào)制器的場(chǎng)效應(yīng)很弱，產(chǎn)生毫米大小的腳位。這增加了插入損耗和妨礙了高速性能。2.4 本章小結(jié)石墨

18、烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及潛在的應(yīng)用，自發(fā)現(xiàn)以來已成為化學(xué)、材料、物理等眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。綜上所述，目前制備技術(shù)存在石墨烯尺寸分布不均、難以批量生產(chǎn)以及性能難以精確控制等瓶頸問題。由于石墨烯是單原子層厚度，所以石墨烯的本質(zhì)物理屬性在物質(zhì)結(jié)合、設(shè)備制造和加工過程中很容易受到影響。因此，石墨烯在光電領(lǐng)域的應(yīng)用存在最大的挑戰(zhàn)就是如何改善石墨烯的可控性、可伸縮性、質(zhì)地以及持久性。這些研究可以使我們更加深入地了解石墨烯及其復(fù)合材料的光電性質(zhì)，促進(jìn)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛的應(yīng)用。第3章 化學(xué)氣相沉積法生長高質(zhì)量石墨烯及其光電性質(zhì)研究3.1 石墨烯簡介石墨烯的發(fā)現(xiàn)在石墨烯制備出來前，絕大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為

19、熱力學(xué)漲落導(dǎo)致任何二維晶體均不能在非絕對(duì)零度條件下存在。雖然之前利用碳的蜂窩狀結(jié)構(gòu)來描述各種碳結(jié)構(gòu)物理化學(xué)性質(zhì)的理論研究持續(xù)了幾十年，但是人們普遍認(rèn)為碳的二維材料是難以穩(wěn)定地單獨(dú)存在的，除非依附在三維的襯底表面或者在像石墨、云母等物質(zhì)內(nèi)部才有可能存在。石墨烯的結(jié)構(gòu)形態(tài)石墨烯是繼碳納米管和富勒烯被發(fā)現(xiàn)后，首度被發(fā)現(xiàn)的一種能夠在自然界中穩(wěn)定存在的碳二維晶體。石墨烯是一種碳原子按照 sp2 雜化排布，并相互連接形成蜂窩狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它具有高透過率、高導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度和大比表面積等優(yōu)異性能，使其在能源、新材料、微電子以及航空航天領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。超大的比表面積石墨烯因?yàn)槠洫?dú)特的二維結(jié)構(gòu)使其

20、具備非常大的比表面積，單層石墨烯的厚度理論值僅為 0.335 nm。一般來說比表面積較高的多孔活性碳的比能源領(lǐng)域、和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。3.2 石墨烯的CVD法制備、性能和結(jié)構(gòu)表征主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原材料固態(tài)源 CVD 法生長石墨烯設(shè)備的改造固態(tài)源法生長石墨烯及其B、 N 摻雜石墨烯設(shè)備改造在深入掌握CVD 法生長的工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)室原有的化學(xué)氣相沉積設(shè)備進(jìn)行了改造，使其滿足固態(tài)碳源CVD 法生長大面積石墨烯的工藝需要。將固態(tài)碳源聚苯乙烯放置于管式爐的大石英管的進(jìn)氣端口處，將Cu 箔置于大石英管的中部，抽真空后通入Ar (300 sccm)、H2(30 sccm)并對(duì)C

21、VD爐進(jìn)行加熱，兩種氣體保持此速率直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。先將石英管加熱到 1050oC 保持 30-60 min 使 Cu 箔表面 Cu 晶粒長大，然后降溫至 1000oC，同時(shí)加熱固態(tài)碳源聚苯乙烯至 280oC，保持30 min，最后停止加熱將石英管降至室溫。氣路控制與抽真空系統(tǒng)作為一種 CVD 法生長石墨烯設(shè)備，其氣路系統(tǒng)、流量計(jì)以及腔室真空度對(duì)制備得到石墨烯的最終質(zhì)量有顯著影響。其中流量控制器采用七星華創(chuàng)公司的質(zhì)量流量控制器，所有控制器均用 Ar 進(jìn)行標(biāo)定，最小量程為 0.1 sccm 以確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中各反應(yīng)氣體流量的穩(wěn)定度和精確度。固態(tài)源加熱系統(tǒng)在固態(tài)碳源 CVD 法制備石墨烯工藝中，碳源

22、的加熱方式和精度對(duì)石墨烯生長至關(guān)重要，加熱溫度的精確度和穩(wěn)定性均會(huì)影響最終制備得到石墨烯的厚度和結(jié)晶質(zhì)量。本論文根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了鹵鎢燈加熱的方式對(duì)固態(tài)碳源進(jìn)行加熱。固態(tài)源支撐架采用耐熱性較好的高純石英材料，同時(shí)選用廈門宇電 AI518P 型控溫器對(duì)固態(tài)碳源的加熱進(jìn)行精確的溫度控制(精度± 0.1oC)，以方便我們很好地控制腔室中含碳基團(tuán)的濃度，從而大大提高了效率。金屬襯底表面預(yù)處理工藝電化學(xué)拋光以 85% 磷酸和聚乙二醇 (PEG) 體積比為 3:1 的溶液做拋光液，攪拌均勻。選取一大塊 Cu 箔做陰極，需要拋光的 Cu 箔作為正極，正負(fù)極距離為 5-6 cm。拋光時(shí)，電化學(xué)工作

23、站選擇恒壓模式，工作電壓選擇1.5-1.8 V ，拋光時(shí)間為1800 s。拋光結(jié)束后，取出并用大量水沖洗干凈表面殘余的拋光液。隨后丙酮超聲清洗 10 min，再用酒精超聲清洗 10 min，用氮?dú)獯蹈珊蠓藕脗溆?。后期熱退火將拋光并清洗完畢的Cu 箔放入 CVD 腔室，抽真空后通入Ar (300sccm)、 H2(30 sccm)并將石英管加熱到1050 保持30-60 min。使 Cu箔再結(jié)晶長大，同時(shí)去除 Cu 箔表面的位錯(cuò)、應(yīng)力、雜質(zhì)等缺陷。最終得到表面缺陷很少， Cu 晶粒大小為 0.2-2 mm 的平整多晶 Cu 表面?；瘜W(xué)氣相沉積法制備石墨烯的工藝3.2.4.1 襯底清洗金屬襯底清洗

24、工藝如下：(1)將金屬襯底浸沒于丙酮中加熱至50oC 超聲清洗 10 min；(2)用酒精將襯底上殘留丙酮沖洗干凈，隨后在酒精中加熱至50oC超聲清洗兩次共10 min；(3) 取出襯底，采用去離子水將襯底沖洗干凈，離子水沖洗，然后高純氮?dú)獯蹈蓚溆谩Ｊ┑闹苽?1) 稱取一定重量的聚苯乙烯，將聚苯乙烯放置于管式爐的石英管的進(jìn)氣端口處 (碳源加熱溫區(qū)位置 )。(2) 將清洗后的Cu 箔置于大石英管的中部，抽真空后通入Ar (300sccm)、 H2(30 sccm)并升溫至1050 保持30-60 min 使 Cu 箔表面Cu晶粒長大。(3) 降溫至石墨烯生長所需溫度，同時(shí)加熱固態(tài)碳源聚苯乙烯

25、。生長時(shí)間保持 30-120 min。(4) 生長結(jié)束后停止加熱碳源，同時(shí)停止腔室加熱，在還原性氣氛保護(hù)將腔室溫度降至室溫，取出樣品。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，采用純度為99% 的普通 N2 氣對(duì)尾氣進(jìn)行吹掃和稀釋處理，以防止有毒或者易燃易爆氣體泄漏到空氣中對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成傷害，最后尾氣流經(jīng)化學(xué)處理溶液和高溫分解爐后排放。歐姆接觸電極的制備對(duì)于最終轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上的石墨烯，電學(xué)測(cè)試所必須的歐姆接觸電極制備方法如下。首先采用ArO2 等離子體刻蝕的方法刻蝕出石墨烯帶，隨后在石墨烯帶上采用電子束蒸發(fā)的方法分別沉積Cr 和Au 構(gòu)成CrAu 復(fù)合電極，最終制備得到石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管。隨后將樣品放入CVD退火爐本章

26、小結(jié)探討了不同金屬襯底上 CVD 法沉積石墨的不同生長機(jī)制。溶碳量高的金屬在生長過程中主要遵循溶解析出機(jī)制，其制備的關(guān)鍵階段在于后段的快速降溫階段引起的碳過飽和以及后期大面積石墨烯在金屬襯底表面析出。而催化生長機(jī)制的代表是一些溶碳量較小的金屬，碳源在高溫金屬襯底的催化作用下脫氫并以二維蜂窩結(jié)構(gòu)在襯底表面形核長大，最終排列成大面積的二維石墨烯。第4章 石墨嫌及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備和性能研究4.1 金屬石墨嫌金屬復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備及其表面增強(qiáng)拉曼光譜研究背景表面增強(qiáng)拉曼光譜簡介伴隨人們生活水平的提髙和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展高靈敏度、髙可重復(fù)性以及操作簡單的分析技術(shù)是人們孜孜以求的目標(biāo)。近年來

27、，基于熒光、紅外吸收和拉曼散射的光譜分析技術(shù)在物質(zhì)探測(cè)與成像應(yīng)用中的地位顯得越來越重要。但是，拉曼散射是一種非彈性散射，其散射截面比熒光的散射截面和瑞利散射的散射截面小很多，因此，通常測(cè)量中拉曼散射信號(hào)弱、靈敏度不高，從而限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。石墨烯及其復(fù)合結(jié)構(gòu)在表面增強(qiáng)拉曼光譜中的應(yīng)用石墨烯，作為碳的一種同素異形體，是一種完美的單原子層二維晶體材料。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，除了在透明電極、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器、能源存儲(chǔ)、射頻晶體管、存儲(chǔ)器、高強(qiáng)度復(fù)合材料等方面的應(yīng)用外，在表面增強(qiáng)拉曼光譜研究中也有廣泛的應(yīng)用。石墨烯除了用于研究表面增強(qiáng)拉曼光譜的化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制外，基于石墨烯與金屬納米材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面增

28、強(qiáng)拉。金屬納米顆粒形貌分析為了得到無表面包裹劑、分布均勻的單層金屬納米顆粒，本實(shí)驗(yàn)釆用在襯底上熱蒸發(fā)金屬的方法。首先，我們用掃描電子顯微鏡（ SEM) 對(duì)金屬納米顆粒進(jìn)行形貌表征。為進(jìn)一步研究 Ag 納米顆粒隨銀沉積厚度的變化，我們?cè)诙鄠€(gè)區(qū)域?qū)︺y納米顆粒的大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示：在Si02 上沉積 4nm、 8 nm 和 16nm 銀所得到銀納米顆粒平均直徑分別為 14.8 nm、25.7 nm 和 61.2 nm;在 CVD-graphene 上沉積 4 nm、 8 nm 和 16nm 銀所得到銀納米顆粒平均直徑分別為 17.1 nm, 30.0nm 和 69.3 nm。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，

29、隨著銀沉積厚度的增加，銀納米顆粒的大小逐漸增加。4.2 多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備及表面增強(qiáng)拉曼研究多孔石墨烯的研究現(xiàn)狀作為新型二維材料，石墨烯具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，特別是優(yōu)異的電學(xué)性能，有望在新一代電子器件中得到廣泛應(yīng)用。然而，常溫下石墨烯是零帶隙的半金屬半導(dǎo)體材料，由石墨烯制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管不能得到很高的幵關(guān)比，無法在實(shí)踐中得到的應(yīng)用，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。因此，尋找一種能夠改變石墨烯電子結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生滿足實(shí)際需求性能的新方法顯得尤為迫切。近年來，科研工作者不斷嘗試各種新方法來調(diào)節(jié)石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。電子束曝光技術(shù)制備多孔石墨烯電子束曝光技術(shù)制備多孔石墨烯的原理是：電子束按照?qǐng)D像發(fā)生器設(shè)計(jì)好的圖形

30、路徑與曝光襯底上的光刻膠相互作用，使得其長鏈聚合物分子截?cái)喑啥替湻肿?，而短鏈分子聚合物易溶于顯影液，這樣圖形發(fā)生器中所設(shè)計(jì)圖形就轉(zhuǎn)移至光刻膠上，形成我們所需要的各種圖形。復(fù)合共聚物模板法制備多孔石墨烯由于利用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)無法得到孔 - 孔間距很小的多孔石墨烯，所以發(fā)展成本低、技術(shù)簡單的制備多孔石墨烯的新方法顯得尤為迫切。利用復(fù)合共聚高分子材料在加熱條件下能夠自發(fā)相分離的特性，就可制備出多孔石墨稀。多孔氧化鋁模板法除了在石墨烯表面通過一定技術(shù)形成多孔薄膜作為掩膜版來制備多孔石墨烯，也可以直接利用已經(jīng)制備好的多孔薄膜作為掩膜版制備多孔石墨烯。例如， Zhang 研究組 3(3 直接利用超薄多孔氧化鋁模板制備多孔石墨烯。實(shí)驗(yàn)過程如圖 3.7 所示。首先利用剝離法在 Si02 襯底上制備石墨烯，然后在襯底上旋涂一層超薄的PMMA 膠，接著把超薄多孔氧化鋁模板平02鋪在襯底表面并施加壓力使得多孔氧化鋁模板與襯底緊密接觸，利用反應(yīng)離子刻蝕把未被保護(hù)的石墨烯刻蝕掉，這樣就形成多孔石墨烯。4.3 本章小結(jié)綜上所述，已經(jīng)發(fā)展了很多方法制備多孔石墨烯，然而，形成納米尺度的多孔掩膜版并非易事。電子束曝光技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，成本高；復(fù)合共聚物模