【摘 要】
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石墨烯是由单层碳原子组成的理想二维晶体。自2004年Geim教授领导的研究组成功剥离出石墨烯后,石墨烯拥有的优异的力学、光学和电学等性能很快被发现,包括高机械强度、高透过率以及高载流子迁移率等。因此石墨烯成为制备高性能的场效应晶体管、柔性显示器和光电器件的优良材料。这些潜在的应用推动了石墨烯各种制备技术的发展,主要的制备方法包括机械剥离法、碳化硅外延生长法、化学气相沉积法(Chemical vap
【基金项目】
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河北省自然科学基金(A2019202128);
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石墨烯是由单层碳原子组成的理想二维晶体。自2004年Geim教授领导的研究组成功剥离出石墨烯后,石墨烯拥有的优异的力学、光学和电学等性能很快被发现,包括高机械强度、高透过率以及高载流子迁移率等。因此石墨烯成为制备高性能的场效应晶体管、柔性显示器和光电器件的优良材料。这些潜在的应用推动了石墨烯各种制备技术的发展,主要的制备方法包括机械剥离法、碳化硅外延生长法、化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,CVD)、氧化还原法等等。其中CVD法制备的石墨烯层数均一,质量高且成本较低,受到了许多学者的关注。本文主要采用低压化学气相沉积法(Low-pressure chemical vapor deposition,LPCVD)在液态铜上制备石墨烯,通过探究刻蚀对附加层石墨烯生长的影响揭示了附加层石墨烯的生长机理,并对液态铜上石墨烯裂纹扩展的动力学机制进行了研究。具体内容如下:(1)采用CVD法在液态铜上制备出具有大量附加层晶畴的高质量单层石墨烯薄膜。通过调整氢气和甲烷流量相关的参数,证实了刻蚀和附加层石墨烯生长之间存在竞争关系,并且它们可以在CVD过程中达到动态平衡。通过设计合理的生长时间,更多关于附加层石墨烯生长的细节被揭示出来。刻蚀点可以做为碳注入的中心和附加层石墨烯生长的成核中心,在第一层下生长石墨烯附加层。我们的研究提出并证明了刻蚀控制附加层生长这一生长机理。(2)CVD法制备石墨烯通常伴随着一些结构缺陷的生长,其中之一就是裂纹。因此,裂纹形成机理的理解是制备高质量石墨烯薄膜的关键。我们研究了CVD法在液态铜衬底上生长的石墨烯的裂纹缺陷。然后,进一步探究了生长温度、生长时间和气压对裂纹生长动力学的影响。研究表明:裂纹出现在石墨烯的生长阶段,而不是石墨烯的冷却过程;裂纹优先在六边形刻蚀孔的顶角处扩展;裂纹倾向于沿着ziazag方向传播并且裂纹的扩展方向相互平行。最后,提出了裂纹扩展的动力学机制。我们的研究为缺陷石墨烯的撕裂机制提供了重要的见解。
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