单层单晶石墨烯与柔性基底界面性能的实验研究

单晶石墨烯具有更优异的力学及电学性能,有望成为新一代柔性电子器件的核心材料.因此,有必要从实验的角度精细分析化学气相沉积法制得的大尺度单晶石墨烯与柔性基底复合结构的界面力学行为.本文通过显微拉曼光谱实验方法测量了不同长度的单层单晶石墨烯/PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底的界面力学性能参数及其在长度方向上界面边缘的尺度效应.实验给出了石墨烯在PET基底加载过程中与基底间黏附、滑移、脱黏三个界面状态的演化过程与应力分布规律.实验发现,单晶石墨烯与柔性基底间由范德瓦耳斯力控制的界面应变传递过程存在明显的边缘效应,并且与石墨烯的长度有关.界面的切应力具有尺度效应,其值随石墨烯长度的增加而减小,而石墨烯界面传递最大应变以及界面脱黏极限则不受试件尺度的影响.

铜基板上CVD法生长单晶石墨烯及研究现状

石墨烯是一种以SP2键结合的二维碳的同素异形体,其独一无二的优异性能,使得其在过去几十年里受到了石墨烯研究工作者的极大兴趣。但石墨烯不同于自然界的石墨,并且受限于小尺寸和低产率。化学气相沉积法(CVD)的出现解决了这些问题,并逐渐发展为一种规模生产大面积、大尺寸、多应用石墨烯的重要方法。但化学气相沉积法生长石墨烯是多晶石墨烯并且由于晶界会产生降解性能。因此,石墨烯生长研究的下一个关键问题是如何让大晶粒单晶石墨烯生长。本文主要叙述了4种代表性预处理铜基板来生长毫米级单层石墨烯的方法:电化学抛光后高温退火、盒状铜箔基板、融化再结晶成新的铜基板、让铜基板富氧。以及现在发展的石墨烯晶粒的特殊空间结构,这些特殊晶粒包括雪花、六瓣鲜花、金字塔和六角形的石墨烯洋葱圈形状。综述了利用不同预处理铜基板的工艺得到毫米级单晶石墨烯的方法。尽管CVD生长单晶石墨烯已经有了空前的进步,但仍然有潜在的挑战,例如,晶元尺寸单晶石墨烯的生长和器件的制作,以及对石墨烯生长机制和生长动力学的进一步了解。

化学气相沉积制备毫米级单晶石墨烯的生长条件调控研究

石墨烯的形核和生长动力学过程的控制对于单晶石墨烯的制备有着至关重要的影响。采用低压化学气相沉积(CVD)方法,通过优化生长条件参数,在铜箔衬底上生长出4mm左右的大尺寸单晶石墨烯。通过一系列形貌和结构的表征,证明了样品为高质量的单层单晶石墨烯。同时观察到CVD生长的亚毫米级、A-B型堆垛的多层单晶石墨烯畴,以及由单晶石墨烯共生形成的叠层结构。此外通过采用3种类型的铜箔衬底生长石墨烯,发现铜箔特性如体氧含量等对石墨烯成核密度和单晶石墨烯形貌有重要的影响,并观察到不同类型铜箔的晶面择优取向在CVD生长前后发生不同的转变。最后,利用所生长的大尺度单晶石墨烯制备场效应晶体管,实现高的载流子迁移率。

化学气相沉积技术制备亚厘米尺寸单晶石墨烯的工艺研究

本实验以多晶铜为基底,研究了利用化学气相沉积(CVD)技术制备不同尺寸的单晶石墨烯的工艺。对比了铜基底预处理方法、气体流量、压强和生长时间对单晶石墨烯尺寸及表面形貌的影响,结果表明,Ar和O2预处理可以降低石墨烯的成核密度,适当的CH4浓度便于单晶石墨烯的生长,压强的大小影响单晶的形貌,生长时间决定了单晶的尺寸。通过对预处理气体及流量、生长压强和时间等参数的调节,获得了0. 01~6 mm单晶石墨烯的可靠制备工艺。在常压101. 325 k Pa、铜基底经Ar和O2预处理、生长温度1 068℃、600 sccm H2和25 sccm CH4的气体条件下,制备出6 mm的单晶石墨烯。此外,本实验还对石墨烯制备过程中杂质颗粒的形成机理进行了研究,发现引入的杂质颗粒可能是基底Cu氧化后的结晶颗粒以及石英管在高温条件下硅的脱落。本研究所得不同尺寸单晶石墨烯的可靠制备方法为新型电子器件的发展提供了有力的支撑。

不同降温方式对单晶石墨烯氢气刻蚀的改善

以化学气相沉积(CVD)的方法在铜衬底上制备了大尺寸的单晶石墨烯。研究了在3种不同降温方式下,石墨烯受氢气刻蚀程度的变化,以及在降温过程中通入甲烷后,对刻蚀的影响与改善,并对刻蚀机理进行了探讨。结果表明:经开盖降温的石墨烯受刻蚀最轻,随炉降温的样品受刻蚀次之,缓慢降温的样品受刻蚀最为严重。在降温过程中通入甲烷之后,3种样品的刻蚀都得到了进一步的改善,且开盖降温样品的结晶质量有大幅提升;随炉降温样品的结晶质量有小幅提升;缓慢降温样品的结晶质量有所下降。

基于毫米级单晶石墨烯的倍频器性能研究

石墨烯作为一种拥有高电子迁移率和高饱和速度的二维材料,在射频电子学领域具有很大的应用潜力,引起了人们广泛的研究兴趣.近些年随着化学气相沉积制备石墨烯技术的发展,高质量大尺寸的单晶石墨烯生长技术也愈加成熟.本文基于化学气相沉积生长的毫米级单晶石墨烯,在高介电常数介质上制备出高性能的石墨烯倍频器,并且对其倍频特性做了系统的研究.研究结果表明:在输入信号频率为1 GHz时,倍频增益可以达到-23.4 dB,频谱纯度可以达到94%.研究了不同漏极偏压以及输入信号功率下倍频增益的变化特性,随着漏极偏压以及输入信号功率的增加,倍频增益增加.对具有不同跨导和电子空穴电导对称性的器件的倍频增益和频谱纯度随输入信号频率f_(in)的变化关系进行了研究.结果表明,跨导对于倍频增益影响显著,在f_(in)=1 GHz时器件的频谱纯度差别不大,均大于90%,但是随着f_(in)增加至4 GHz,电子空穴电导对称性较差的器件频谱纯度下降至42%,电子空穴电导对称性较好的器件仍能保持85%的频谱纯度.这是电子空穴电导对称性和电子空穴响应速度共同作用的结果.本文的研究结果对于高性能石墨烯倍频器设计具有一定的指导意义.

面向集成电路的大尺寸单晶石墨烯的可控制备方法

近些年来,由于人们生活水平在不断提高,电子产品已经被人们广泛应用到实际生活中。在集成电路中,大尺寸单晶石墨烯的制备具有至关重要的作用。因此,本文主要研究集成电路中大尺寸单晶石墨烯的可控制备方法。

单晶石墨烯薄膜生产速度提高150倍

中国科学家在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称,他们在单晶石墨烯制备上取得了一项突破。通过对化学气相沉积法（CVD）的调整和改进,他们将石墨烯薄膜生产的速度提高了150倍。新研究为石墨烯的大规模应用奠定了基础。

用X射线衍射法研究无烟煤的石墨化转变

以无烟煤做原料,经2种不同的前期处理和相同的石墨化条件加工,获得了2种样品。用X射线衍射法分析发现1种样品是纯的多晶石墨,它们的微晶结构参数La值平均为29.0nm、Lc值平均为23.1nm,Dx平均为2.253g/cm3,石墨化度平均为88.5%;另外1种样品是纯的单晶石墨,它们的微晶结构参数La估计在1μm以上,Lc值平均为17.3nm,Dx值接近于石墨的理论密度,石墨化度平均为91.0%。初步掌握了用无烟煤分别合成多晶石墨和单晶石墨的方法。

石墨烯形核初期Cu(111)面上C_xH_y团簇生成的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,我们研究了Cu(111)表面上石墨烯成核生长过程中CxHy小团簇的吸附和生成行为.计算结果表明:随着氢原子饱和度、氢原子个数的增大,CxHy团簇的形成能减小,碳原子与铜表面的平均距离增加,C-C键的平均键长呈增大趋势.然而,当生成的CxHy团簇具有空间对称结构时,在一定程度上打破了上述规律性.令人惊奇的是,形成的C3H4和C3H5对称团簇具有类似石墨烯的空间结构,这类结构可能在石墨烯的形成过程中起着重要的作用.

应用于石墨平晶单色化光源的多毛细管光学器件

用实验室X射线光管结合石墨平晶搭建了Cu靶Kα射线单色化光源,根据其光束特性研制出应用于光源的一种无前焦的多毛细管光学器件,测量了有无多毛细管光学器件条件下距石墨平晶中心245mm位置处X射线面积光强计数比.结果表明,本实验所研制的2支多毛细管光学器件均可使距石墨平晶中心245mm位置处的X射线光强增益10倍以上.

高质量石墨的新制法

受新技术开发企业集团的委托,松下电子零件方面正在着手研究“高质量石墨制造技术”的实用化,研究期三年,经费三亿日元。新技术采用具有特殊结构的聚氧二氮茂等缩合型高分子系列,灼烧碳化后,使其多层重合并于高温下加压处理,以求石墨形成与厚膜化,从而制得大面积、板状、具有与单晶石墨同样物理性能的高质量石墨。

石墨烯单晶的可控生长

化学气相沉积(CVD)法作为合成石墨烯的主流方法之一,已在大面积、高质量石墨烯的可控制备领域获得了广泛应用.但由于生长基底形貌和生长过程动力学因素的影响,采用该方法获得的石墨烯一般是由小晶畴石墨烯拼接而成的多晶膜,晶畴之间的晶界会导致其物理化学性质与本征石墨烯有很大差别.完美的单晶内没有晶界,因此石墨烯单晶的性质与其理论预期接近,近年来石墨烯单晶的可控生长已成为一个重要的研究方向.石墨烯单晶的尺寸和形状是影响其性质的2个主要因素,此外,研究石墨烯单晶的大小及形状成因还有助于了解石墨烯单晶的生长机理.本文将介绍CVD法可控制备石墨烯单晶的一些代表性成果,探讨石墨烯单晶的大小和形状成因,简述石墨烯单晶在电子器件上的应用,展望石墨烯单晶可控生长的机遇与挑战.

利用表面等离激元成像检测化学气相沉积法生长石墨烯

提出一种对化学气相沉积法生长石墨烯缺陷的快速检测方法。利用化学气相沉积法制备石墨烯并将其转移到目标基底上,制备出应用于表面等离激元(SPP)成像的石墨烯-金基底。SPP对界面处折射率变化具有高灵敏度,可以实现石墨烯边缘检测,并且石墨烯表面缺陷会引起SPP作用场的变化,利用SPP泄漏辐射效应将界面处SPP作用场变化传输至远场,使用CCD进行快速成像,可实现对转移后石墨烯的快速成像与检测。该方法检测到石墨烯边缘与表面的形貌信息,并且检测到颗粒污染物,避免了传统的检测方法灵敏度低、速度慢、有损检测等弊端,实现了对石墨烯缺陷的快速、无损检测。