APCVD制備大面積石墨烯薄膜的研究.pdf

1、透明導電薄膜是現(xiàn)今世界上使用最普遍的電器部件之一。透明導電薄膜作為電極材料廣泛應用于LCD控制器、平板電視、太陽能電池和觸摸屏幕等領域。自透明導電薄膜被研發(fā)出來后迅速成為我們生活中電子顯示設備的一個重要構成部分。由于優(yōu)異的電學和光學性能氧化銦錫（ITO）迅速占據(jù)了大部分市場。商用的ITO膜具有低電阻性以滿足節(jié)能的要求和高透光性來滿足透明的需求。但是隨著用量的增加銦礦越來越少，其價格受市場的影響也越來越大；同時由于氧化銦錫本身較脆不適用于

2、柔性屏幕的應用；再者氧化銦錫會擴散到有機層中，在酸性環(huán)境中不穩(wěn)定。鑒于此，很有必要研發(fā)出一種新的材料來取代或是部分取代ITO。
　　石墨烯作為近年來的一個研究熱點，具備單原子層厚度，高達97.7％的透光率，超高的載流子遷移率和良好的化學穩(wěn)定性，同時還具備優(yōu)異的機械性能可以實現(xiàn)柔性導電透明材料的應用。因此成為取代ITO的理想材料。傳統(tǒng)的機械剝離法雖然可以得到高質量的單層石墨烯但是其產率和形貌不易得到控制，石墨烯的高通量制備成為限制石

3、墨烯作為透明導電材料應用的環(huán)節(jié)。化學氣相沉積法（CVD）可以實現(xiàn)大面積高質量石墨烯薄膜的制備。然而在整個制備過程中需要引入較高的溫度，超純氣體，真空或超高真空等苛刻條件。同時整個操作過程復雜且要求精細對操作人員提出了很高的要求不利于工業(yè)化的實現(xiàn)。鑒于此有必要摸索一條與現(xiàn)在半導體工業(yè)相匹配的工業(yè)路線來實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化應用。
　　本文以石墨烯薄膜在電學器件上面的應用為目標，討論了常壓化學氣相沉積法（APCVD）制備大面積，高質量石墨

4、烯薄膜和無定形石墨烯薄膜的過程，通過調節(jié)制備環(huán)節(jié)的關鍵參數(shù)可以獲得高質量大面積的石墨烯薄膜和無定形石墨烯薄膜，同時討論了溫度、氫氣占比對石墨烯的電學和光學性能的影響，為石墨烯工業(yè)化應用提供實驗和理論依據(jù)。本論文的主要結論如下：
　?。?）銅箔的預處理是制備高質量、單層率高的石墨烯薄膜的關鍵。通過使用腐蝕劑對商用銅箔預腐蝕處理，然后在1000℃， Ar：H2=400sccm：100sccm條件下退火處理可以獲得更為平整的銅箔表面，制

5、備中使石墨烯的形核密度相對較低，最終獲得高質量的單層石墨烯薄膜。
　?。?）氧含量和溫度對石墨烯薄膜制備過程影響很大。隨著溫度的降低甲苯的揮發(fā)速度和分解速率均降低，制備過程可控性增強。通過多次洗爐獲得近乎無氧的環(huán)境下，可在150℃條件下獲得以單層為主的石墨烯薄膜，但是薄膜覆蓋率不高僅發(fā)現(xiàn)直徑為20-37μm的區(qū)域。連續(xù)成膜溫度在280℃，制得的石墨烯薄膜厚度為0.49nm，展現(xiàn)出較高的單層率。
　　（3）氫氣分壓同樣是影響石

6、墨烯質量的重要因素。隨著制備過程氫分壓的增大石墨烯的綜合質量下降，低氫分壓有利于高質量石墨烯薄膜的制備，在低氫分壓下獲得的石墨烯薄膜的透過率為97.3%，薄膜方阻為435?/□，展現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能。
　?。?）首次使用金屬鎂箔作為生長基體進行石墨烯薄膜的生長。金屬鎂的化學性質非?；顫?，使用0.025mol/L的草酸溶液預清洗，并在490℃，Ar：H2=400sccm：100sccm的條件下退火處理，處理后獲得的晶粒尺寸在80-2

7、00μm區(qū)間，宏觀狀態(tài)良好。
　?。?）制備氣氛組成和溫度對無定形石墨烯薄膜的制備影響較大。在沒有氫氣的參與下可以制得無定形石墨烯薄膜，并且通過溫度的變化可以控制樣品的層數(shù)。在400℃，Ar：Ar載=400sccm：5sccm條件下可以制得單層率高的無定形石墨烯薄膜。
　?。?）制得的無定形石墨烯樣品缺陷程度高，ID/IG≈1.0并且隨著溫度的降低略有增加，計算的晶疇尺寸較小在16.2nm左右，在400℃條件下制得的樣品呈現(xiàn)