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铜镍合金为衬底化学气相沉积法制备石墨烯研究

作　者: 王博琳
导　师: 李兴鳌
学　校: 南京邮电大学
专　业: 光学
关键词: 石墨烯 化学气相沉积法 铜镍合金 磁控溅射 苯
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


石墨烯是碳材料的最新成员,其完美的二维结构和许多奇特的性质,引起了全世界研究人员的极大兴趣。现有的石墨烯制备方法很多,大多受到掺杂、催化、衬底、温度等因素的制约,限制了石墨烯的应用。本文以苯为碳源,在铜镍合金衬底上制备石墨烯,探索CVD法制备石墨烯的新途径。利用双靶磁控共溅射法制备了三个铜镍合金薄膜作为衬底,其中,镍靶的溅射功率保持100W不变,铜靶的溅射功率分别为50W、100W、150W。对样品进行X射线能谱表征后,精确测定了合金薄膜中铜镍元素的配比。作为对照,还制备了铜、镍两个纯金属薄膜衬底。对薄膜衬底进行了XRD表征。选择相同的衬底在800℃、600℃、400℃的温度下进行变温实验,研究温度对石墨烯生长的影响。实验结果表明:以苯为碳源、铜镍合金为衬底,在400℃的低温下可以生长出石墨烯。继续降低温度,200℃以下,彻底观察不到石墨烯的任何信息,变温实验为石墨烯在低温下的制备提供了参考。变温实验后,在400℃下进行衬底比对实验,研究衬底中铜镍元素不同配比对石墨烯生长的影响。实验结果表明:合金衬底中铜元素的质量分数越大,石墨烯生长速度越快。这是由于石墨烯在镍表面主要以析出机制生长,铜表面主要以吸附机制生长。在400℃的低温下,碳原子很难“大量”溶解在镍中,析出机制很难发挥作用,而碳对铜的固溶比原本就很低,温度的降低对石墨烯在铜表面的生长影响并不显著。所以低温下,石墨烯在铜镍合金薄膜衬底上主要以表面吸附机制生长。接着以纯铜膜为衬底在相同的条件下进行了实验,石墨烯生长效果并不好,究其原因,这主要与铜、镍的催化活性有关。衬底中铜元素质量分数越大,催化活性越低,苯脱氢裂解的速率也越低,从而降低了石墨烯的生长速率。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-21
  1.1 石墨烯的结构  10-11
  1.2 石墨烯的性质  11-14
    1.2.1 电学性质  12-13
    1.2.2 非电学性质  13-14
  1.3 石墨烯的制备方法  14-18
    1.3.1 微机械剥离法  14
    1.3.2 超薄切片法  14-15
    1.3.3 表面外延生长法  15
    1.3.4 氧化还原法  15-16
    1.3.5 化学气相沉积法  16-18
  1.4 石墨烯的应用  18-20
    1.4.1 纳米电子器件  18
    1.4.2 复合材料  18-19
    1.4.3 储能材料  19
    1.4.4 其他方面的应用  19-20
  1.5 本论文的研究目的及研究内容  20-21
第二章 石墨烯及衬底的表征方法  21-28
  2.1 拉曼光谱  21-23
  2.2 扫描电子显微镜  23-24
  2.3 X 射线衍射  24-25
  2.4 透射电子显微镜  25-26
  2.5 原子力显微镜  26-27
  2.6 X 射线能谱仪  27
  2.7 本章小结  27-28
第三章 铜镍合金薄膜的制备及表征  28-36
  3.1 实验设备  28-29
  3.2 实验方案设计  29-30
  3.3 实验过程  30-32
    3.3.1 基底清洗  30-31
    3.3.2 薄膜制备过程  31-32
  3.4 样品表征及分析  32-35
    3.4.1 XRD 图谱分析  32-33
    3.4.2 X 射线能谱分析  33-35
  3.5 本章小结  35-36
第四章 铜镍合金为衬底CVD 法制备石墨烯及表征  36-49
  4.1 实验设备及原料  36-37
  4.2 实验方案设计  37
  4.3 石墨烯制备过程  37-38
  4.4 石墨烯的转移  38
  4.5 温度对石墨烯生长的影响  38-41
    4.5.1 拉曼光谱分析  39-40
    4.5.2 SEM 图像分析  40-41
    4.5.3 结果与讨论  41
  4.6 合金中铜镍元素不同配比对石墨烯生长的影响  41-45
    4.6.1 拉曼光谱分析  42-43
    4.6.2 SEM 图像分析  43-44
    4.6.3 结果与讨论  44-45
  4.7 铜镍合金衬底的催化活性分析  45-46
  4.8 生长机制与降温过程讨论  46-48
  4.9 本章小结  48-49
第五章 总结与展望  49-51
  5.1 全文总结  49
  5.2 展望  49-51
致谢  51-52
参考文献  52-58
硕士期间发表的论文及参与的科研项目  58

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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