石墨烯的化学气相沉积法制备
化学气相沉积法制备石墨烯材料
化学气相沉积法新材料的制备1 化学气相沉积法化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。
从理论上来说，它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。
淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。
1.1 化学气相沉积法的原理化学气相沉积法是利用气相反应，在高温、等离子或激光辅助灯条件下，控制反应器呀、气流速率、基板材料温度等因素，从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程；或者通过薄膜后处理，控制非晶薄膜的晶化过程，从而或得纳米结构的薄膜材料。
CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。
通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，同时让高熔点物质可以在较低温度下制备。
1.2 分类用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料，包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。
采用各种反应形式，选择适当的制备条件—基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜才来。
通过反应类型或者压力来分类，可以将化学气相沉积法分为：低压CVD(LPCVD)，常压CVD(APCVD)，亚常压CVD(SACVD)，超高真空CVD(UHCVD)，等离子体增强CVD(PECVD)，高密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD)，以及金属有机物CVD(MOCVD) 化学气相沉积的化学反应形式，主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。
具体表现如下表：表1-1 化学气相沉积的各种反应形式1.3 反应参数CVD反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的：反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。
CVD生成石墨烯
化学气相沉积（CVD）法是近年来发展起来的，制备石墨烯的新方法，采用该法制备的石墨烯具有质量高尺寸大等优点，是实现工业化生产潜力最大的方法之一。
CVD法制备石墨烯的步骤石墨烯在金属催化剂表面的CVD 生长是一个复杂的多相催化反应体系。
该过程主要涉及以下几个基元步骤：(1) 烃类碳源在金属催化剂基底上的吸附与分解；(2) 表面碳原子向催化剂体相内的溶解以及在体相中的扩散；(3) 降温过程中碳原子从催化剂体相向表面的析出；(4) 碳原子在催化剂表面的成核及二维重构，生成石墨烯。
化学气相沉积生长石墨烯的基本步骤：（1）碳源在催化剂表面吸附；（2）碳源脱附；（3）碳源的脱氢分解；（4）碳原子在催化剂表面的迁移；（5）碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；（6）碳原子在高温下溶入金属体相；（7）碳原子在金属体内扩散；（8）降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成核生长石墨烯。
CVD法生成石墨烯的机理首先碳源在催化剂表层分解，形成碳原子，形成的碳原子一部分在催化剂表面直接成核形成石墨烯，另一部分碳原子渗透进入催化剂体相，并和金属形成合金。
当温度降低，碳在催化剂体相中的溶解度降低，高温时渗透进入的体相的碳原子就在催化剂表面析出，并优先在晶界、台阶等缺陷处成核形成石墨烯。
除去扩散进入金属体相的碳原子，碳源分解生成的部分碳原子会在金属表面直接形成石墨烯。
这是一个表面催化的过程，对于溶碳量较低的金属(如Cu)，其上石墨烯的生长主要遵循这种机理。
CVD生长石墨烯主要包括两个路径，一个路径是“直接生长”，催化裂解出来的碳原子直接在催化剂表面成核、进而生长成石墨烯薄膜；另一个路径则是“迂回生长”，催化裂解的表面碳原子渗透进入体相溶解后，再在表面析出，成核生长形成石墨烯薄膜。
两个平行生长路径的贡献，取决于金属催化剂的溶碳能力、金属碳化物的生成及其在生长温度下的化学稳定性。
CVD法制备石墨烯碳源的选择在金属催化基底作用下，常选用气态烃类碳源特别是甲烷(CH4)作为前驱体,用来生长单层石墨烯。
石墨烯的原理与应用
石墨烯的原理与应用1. 石墨烯的定义石墨烯是一种由碳原子组成的二维结构材料，具有独特的物理和化学性质。
它由一个由碳原子构成的平面网格形成，碳原子之间通过共价键连接，形成一个强大的稳定结构。
石墨烯拥有优异的电导率、热导率和机械强度，还具有一系列特殊的光学性质。
2. 石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法有多种，包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法等。
•机械剥离法是最早发现的一种制备石墨烯的方法，通过使用胶带或其他粘性材料将石墨大块的层层剥离，直到获得单层或少层石墨烯。
•化学气相沉积法是一种通过化学反应在金属基底上生长石墨烯的方法。
在高温和适当气氛条件下，将碳源气体（如甲烷、乙烷等）导入反应室，然后在金属表面上生长石墨烯薄膜。
•化学还原法是一种将氧化石墨还原为石墨烯的方法。
首先将氧化石墨与还原剂进行反应，然后对产物进行处理，得到石墨烯。
3. 石墨烯的性质及特点石墨烯具有许多独特的性质和特点，使其在各种领域具有广泛的应用前景。
•高电导率：石墨烯的电导率非常高，是传统导体铜的200倍以上。
•高热导率：石墨烯的热导率也非常高，是铜的比热导率高3000倍。
•机械强度：尽管石墨烯是由单层原子构成的，但其机械强度非常高，是钢铁的200倍。
•透明性：石墨烯对光的透过率非常高，几乎可以达到100%。
•柔韧性：石墨烯具有良好的柔韧性，可以弯曲和扭曲而不会断裂。
•光学性质：石墨烯对光的吸收和散射特性独特，具有很好的光学性能。
•化学稳定性：石墨烯在大多数化学环境中具有较好的稳定性。
4. 石墨烯在电子学中的应用石墨烯作为一种杰出的导电材料，在电子学领域具有广泛的应用潜力。
•晶体管：石墨烯可以制备成高速、高频率的晶体管，用于替代传统的硅材料，具有更好的电导率和更低的功耗。
•电子器件：石墨烯可以制备成各种电子器件，如传感器、超级电容器、透明导电膜等，应用于电子产品和设备中。
•柔性电子学：石墨烯的柔韧性使之可以应用于柔性电子学领域，如可穿戴设备、可折叠屏幕等领域。
石墨烯纳米片的制备及性质研究
石墨烯纳米片的制备及性质研究石墨烯是石墨的一种单层结构，它是一种新型的二维纳米材料，具有优异的物理、化学和机械性质。
石墨烯具有高的电导率、高的热导率、高强度、高的化学稳定性、透明和柔韧等特性，因此被广泛应用于化学、生物、电子、材料等领域。
本文将重点探讨石墨烯纳米片的制备及性质研究。
一、石墨烯纳米片的制备方法目前石墨烯制备的方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法和化学氧化法等。
下面我们分别介绍一下这几种方法。
1. 机械剥离法机械剥离法是一种制备石墨烯的最早方法，主要是利用图形石墨材料的机械剥离来获得单层石墨烯。
这种方法的原理是在嵌入一层胶带后，将其撕下，这样可以将石墨材料的一层单晶体剥离下来。
但是这种方法具有高成本、低产率和不利于规模化生产等缺点，因此不适用于大规模生产。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种较为成功的石墨烯制备方法，主要是通过将化学气源转化成石墨烯，在衬底上生长单层石墨烯。
这种方法的原理是在高温下将烷烃分子或其他含氢气体转化成碳源，从而生长出原子尺寸大小的石墨烯膜层。
这种方法具有成本低、量大、效率高等优点，可以用于规模化生产。
3. 化学还原法化学还原法是一种将氧化石墨烯还原成石墨烯的方法。
这种方法的原理是将氧化石墨烯在还原剂作用下还原成石墨烯，实现从红外吸收的金属氧化物到金属氧化物的转变。
4. 化学氧化法化学氧化法是一种将石墨材料在含有强氧化剂的酸性溶液中氧化成氧化石墨烯的方法。
这种方法的原理是氧化剂可以将石墨材料中的碳原子中心的轨道变成氧原子的轨道而转化成氧化石墨烯，在水溶液中形成分散的纳米片。
二、石墨烯纳米片的性质研究石墨烯具有许多优异的物理、化学和机械性质，具体如下：1. 电导率高石墨烯具有高达 1 × 10^5 S/cm 的电导率，这是金属的 100 倍以上。
这是因为石墨烯的电子能带结构与传统的半导体和金属材料有很大不同，其导带和价带相接，并呈现线性带结构，电子具有质量接近于零的状态。
石墨烯薄膜制备方法及应用
石墨烯薄膜制备方法及应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，它具有独特的物理、化学和电子性质，因此在许多领域都有广泛的应用潜力。
石墨烯薄膜制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学氧化剥离法等。
机械剥离法是制备石墨烯最早的方法之一，它通过机械剥离来获得石墨烯。
首先在晶体石墨表面涂上一层粘性的黏土或者导电的聚合物，然后使用胶带将其粘起来，再反复剥离，直到只剩下一个单层的石墨烯。
这种方法制备的石墨烯质量较高，但是效率比较低。
化学气相沉积法是目前制备石墨烯薄膜的主要方法之一。
该方法通过在金属基底上沉积碳源或者烷烃气体，在高温下控制化学反应，使得碳原子在金属基底上形成石墨烯薄膜。
化学气相沉积法具有高效、大面积制备石墨烯的优点，可以用于大规模制备。
但是这种方法所需要的高温、高真空等条件也限制了其在一些应用中的使用。
化学氧化剥离法是一种利用化学氧化将石墨材料氧化成氧化石墨烯，再通过还原将其还原成石墨烯的方法。
这种方法主要分为两步：首先是氧化石墨材料，将其氧化成氧化石墨烯；然后通过化学还原方法，将氧化石墨烯还原成石墨烯。
化学氧化剥离法制备石墨烯的过程相对简单，可以实现大面积制备，但是还原过程中可能会引入杂质，对杂质的去除需要额外的处理。
石墨烯薄膜在许多领域都有广泛的应用。
首先，由于石墨烯具有优异的电子传输性能，被广泛用于柔性电子器件的制备。
其次，石墨烯具有良好的机械性能，可以作为支撑阻挡、增强剂等材料广泛应用于复合材料领域。
此外，石墨烯还具有良好的热传导性能，可以作为导热材料在电子散热以及节能领域中应用。
此外，石墨烯还可以用于传感器、催化剂、储能材料等领域。
总之，石墨烯薄膜制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学氧化剥离法等，每种方法都有其独特的优势和适用范围。
石墨烯薄膜在柔性电子器件、复合材料、散热应用、储能材料等领域有广泛的应用前景。
然而，目前石墨烯薄膜的生产技术仍需要进一步完善，同时，石墨烯在实际应用中还面临着价格高昂、生产成本过高等问题，因此在实际应用中还需要进一步研究和改进。
石墨烯电极的制备及其电化学特性研究
石墨烯电极的制备及其电化学特性研究一、前言石墨烯，作为一种新兴的二维材料，具有优异的机械、电学、热学性能，因此引起了广泛的研究兴趣。
其中，石墨烯电极的制备及电化学特性研究则相当重要。
本文将从材料学角度探讨石墨烯电极的制备方法及其电化学特性，以期帮助读者更好的理解该材料在电化学领域的应用。
二、石墨烯电极制备方法1、机械剥离法机械剥离法是最早也是最常用的石墨烯制备方法之一。
具体方法是：在高度保护的环境中，用胶带等工具逐层剥离石墨烯单层，再将单层石墨烯移植到衬底上形成电极。
优点在于简单易行，易于控制石墨烯层数，但其缺点是操作难度高，且无法对石墨烯进行大面积的制备。
2、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种大规模生产石墨烯的方法，具体方法是：将石墨衬底放置于炉中，利用热化学反应在衬底上形成石墨烯膜。
这种方法的优点是制备简单且易于控制膜的厚度和面积，但缺点是过程中产生的废气有毒且难以处理。
3、化学还原法化学还原法是将氧化石墨烯转化为石墨烯的一种方法。
具体方法是：将氧化石墨烯与还原剂混合然后加热至一定温度，最终得到石墨烯单层。
这种方法的优点是易于控制单层数量和化学成分，但其缺点是影响物理性质且需要在高温下进行操作。
三、石墨烯电极电化学特性研究1、电催化性质石墨烯电极具有很高的电化学催化活性。
石墨烯中的电子云结构可以促进反应物或中间体的吸附，因此其在电化学催化反应中表现出优异的性能。
例如，石墨烯可用作高效的氧还原反应（ORR）催化剂，用于制备质子交换膜燃料电池（PEMFC）和金属空气电池（MFC）等能量转换系统。
2、光电性质石墨烯电极还表现出优异的光电性质，这一点得益于其优良的电子输运和光电响应性能。
石墨烯还可以用于制备柔性太阳能电池、光控开关器等器件。
3、传感性质石墨烯电极还可用于制造高灵敏度的传感器。
石墨烯的电子结构和2维的结构特性使其具有高度的灵敏度和选择性，因此可用于制备气体传感器、生物传感器等应用。
四、结语以上所述，石墨烯电极的制备及电化学特性研究至今还在不断的发展中。
石墨烯
石墨烯石墨烯声明：百科词条人人可编辑，词条创建和修改均免费，绝不存在官方及代理商付费代编，请勿上当受骗。
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石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。
英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。
[1] 由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。
极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
中文名石墨烯外文名Graphene 发现时间2004年主要制备方法机械剥离法、气相沉积法、氧化还原法、SiC外延法主要分类单层、双层、少层、多层（厚层）基本特性强度柔韧性、导热导电、光学性质应用领域物理、材料、电子信息、计算机等目录1 研究历史2 理化性质? 物理性质? 化学性质3 制备方法? 粉体生产方法? 薄膜生产方法4 主要分类? 单层石墨烯? 双层石墨烯? 少层石墨烯? 多层石墨烯5 主要应用? 基础研究? 晶体管? 柔性显示屏? 新能源电池? 航空航天? 感光元件? 复合材料6 发展前景? 中国? 美国? 欧洲? 韩国? 西班牙? 日本研究历史编辑实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。
石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。
石墨烯材料的性质及应用
石墨烯材料的性质及应用石墨烯是一种类似于石墨的二维材料，是由碳原子通过共价键连接成一个平面网络。
石墨烯的单层结构具有许多惊人的性质，如高导电性、高热导性、高强度、高柔韧性、高光学透明性等。
这些性质使得石墨烯材料在电子学、光学、能源、生物医学等领域应用极为广泛，有着巨大的潜力和市场前景。
1. 石墨烯的制备石墨烯最早是由英国的两位诺贝尔奖获得者安德里·海姆和康士坦丁·诺沃肖洛夫在2004年实验室中发现的。
目前，石墨烯的制备方法主要有以下几种：（1）机械剥离法机械剥离法是最早发现的石墨烯制备方法，其原理是通过石墨石材料的机械剥离可以获得单层石墨烯结构。
这种方法简单易行，但是有着较低的制备效率和较粗糙的表面。
（2）化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是一种典型的材料制备方法，通过在高温下将气相前体分子反应在金属基底上，可以实现石墨烯薄膜的制备。
该方法成品质量较高，但需要高成本设备和复杂操作。
（3）氧化还原法（GO/RGO）氧化还原法是用强酸处理粉末石墨制备氧化石墨（GO），再通过还原还原氧化石墨（RGO）的方法制备石墨烯的过程。
这种方法制备的石墨烯具有高度的可控性和高质量程度。
2. 石墨烯材料的性质石墨烯具有许多优异的性质和特点，使其成为当今材料科学中的新宠。
（1）高导电性石墨烯中的碳原子只有两个相邻的原子可以形成共价键，因此石墨烯的电子可以自由运动，电荷载流性能极佳。
它的电学性质趋近于一个理想的二维金属，因此在电子学、光学、能源、生物医学等领域被广泛应用。
（2）高热导性由于石墨烯中碳原子的高度紧密排列，热量可以快速传导。
与金属材料相比，石墨烯的热导率达到了非常高的数值，这种性质需要在热管理、电子冷却等应用中得到广泛应用。
（3）高强度和高柔性石墨烯具有极高的强度和柔性，在普通条件下可承受巨大的拉力和压力，同时保持材料的完整性，因此在制备微型机械、生物传感器等领域应用中具有很大的潜力。
石墨烯的分类
石墨烯的分类石墨烯的分类石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体材料，具有高度的机械强度、导电性和导热性等特殊性质。
根据其结构和制备方法的不同，可以将石墨烯分为多种类型。
本文将从不同角度出发，对石墨烯的分类进行详细介绍。
一、按结构分类1.平面型石墨烯平面型石墨烯是最基本的一种结构类型，由六角形网格组成。
它具有高度的机械强度、导电性和导热性等特殊性质，因此在纳米电子学、纳米光学、生物医学等领域都有广泛应用。
2.非平面型石墨烯非平面型石墨烯是指由多个六角形网格组成的复杂结构。
例如，曲率卷曲的“纳米薄膜”就属于非平面型结构。
这种结构可以通过化学气相沉积、机械剥离等方法制备得到。
3.多层型石墨烯多层型石墨烯是指由两层或多层平面型石墨烯叠加而成的结构，也称为石墨烯堆叠。
它具有比单层石墨烯更强的机械性能和导电性能，因此在柔性电子学、传感器等领域有广泛应用。
二、按制备方法分类1.机械剥离法机械剥离法是最早发现的一种制备单层石墨烯的方法。
其原理是利用胶带等材料将石墨材料表面上的单层石墨烯剥离下来。
这种方法简单易行，但产量低且不易控制。
2.化学气相沉积法化学气相沉积法是目前最主要的一种制备单层石墨烯的方法。
其原理是将碳源分子在高温下分解成碳原子，并通过催化剂在基底上形成单层结构。
这种方法可以实现大规模生产，并且可以控制晶格方向和尺寸。
3.液相剥离法液相剥离法是一种新兴的制备单层石墨烯的方法。
其原理是将氧化图形ene等材料溶解在溶剂中，然后通过离心、过滤等方法将单层石墨烯分离出来。
这种方法产量高，且可以制备大面积的石墨烯薄膜。
三、按应用领域分类1.电子学领域由于其优异的导电性能和机械性能，石墨烯在电子学领域有广泛应用。
例如，可以制备高性能的场效应晶体管、透明导电膜等。
2.生物医学领域由于其单层结构和生物相容性，石墨烯在生物医学领域有广泛应用。
例如，可以制备高灵敏度的生物传感器、细胞成像等。
3.能源储存与转化领域由于其高比表面积和优异的导电性能、导热性能，石墨烯在能源储存与转化领域有广泛应用。
石墨烯工艺流程
石墨烯工艺流程石墨烯作为一种新型二维材料，在材料科学领域具有广泛的应用前景。
其独特的物理和化学性质赋予其出色的导电性、热导率和机械强度，并且具有极高的表面积和高透明度。
下面将介绍石墨烯的制备工艺流程。
石墨烯的制备工艺主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学剥离法等。
其中，机械剥离法是最早被发现的制备石墨烯的方法，在实践中也得到了广泛应用。
机械剥离法的原理是，通过使用胶带或其他粘性材料，将石墨晶体中的石墨层逐层剥离，最终获得单层的石墨烯。
具体的步骤如下：1. 准备石墨晶体：首先需要准备高质量的石墨晶体，可以通过机械研磨或化学氧化还原法等方法得到。
2. 制备基底：在制备石墨烯之前，需要准备一张适宜的基底材料，常用的有硅衬底或玻璃衬底。
3. 涂敷粘性材料：将胶带或其他粘性材料粘贴在基底表面，然后以一定的角度将其撕去。
重复多次，使石墨层剥离。
4. 转移石墨烯：将胶带或其他粘性材料上的石墨烯转移到其他基底上，可以通过静电吸附或干法转移等方法实现。
除了机械剥离法，化学气相沉积法也是制备石墨烯的常用方法之一。
其工艺流程如下：1. 准备衬底：选择适当的衬底，如金属衬底或二氧化硅衬底，并进行必要的表面处理。
2. 制备催化剂：通过化学方法或物理方法，在衬底表面制备一层金属催化剂，如铜、镍或钯。
3. 进行气相沉积：将预处理过的衬底放置在化学气相沉积反应器中，然后通过加热反应器，使金属催化剂表面发生碳源气体的分解，从而实现石墨烯的生长。
4. 清洗和转移：将生长好的石墨烯进行清洗和转移，常用的方法是浸泡在酸溶液中去除催化剂，然后用胶带或其他粘性材料转移到其他基底上。
化学剥离法是制备大面积石墨烯的一种常用方法，其工艺流程如下：1. 制备石墨晶体：同机械剥离法。
2. 涂覆保护层：在石墨晶体表面涂覆一层保护剂，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
3. 酸处理：将涂覆了保护剂的石墨晶体放入浓硝酸或硫酸中，使其发生氧化剥离反应。
反应后，石墨烯层会与保护剂分离。
石墨烯及其应用前景
石墨烯及其应用前景石墨烯——一种具有广泛前景的材料石墨烯是一种具有很大潜力的新型材料，其各种优异性能引起了人们的极大兴趣。
石墨烯是由碳原子按照六边形排列方式组成的单层二维晶体结构，具有出色的力学、热学、电学性质。
它为未来的纳米科技、新能源技术等领域提供了更多可能性，加速了这些领域的发展。
本文将从石墨烯的特性、制备方法和应用前景三个方面对其进行介绍。
一、石墨烯的特性1.力学性能石墨烯是最轻、最耐用、最坚硬的材料之一，可承受很高的张力，理论上可以持续弯曲至尺寸微小的情况下。
这种石墨烯的高强度和柔性使其在纳米器件中具有广泛的应用前景。
2.热学性能石墨烯具有非常好的热传导性能，远远超过铜和铝，而且在高温下也不会熔化。
除此之外，石墨烯还可以抵御电雷击和腐蚀。
3.电学性能石墨烯是一种物理上难以想象的导体，其电阻率非常低，并且可以跟各种材料相容性极佳，可以应用在各种电子器件中，例如新型超级电池、高性能太阳能电池等。
4.光学性能石墨烯吸收近乎100%的光线，对于制造高效光电子器件、透明电子产品等具有潜在的应用价值，令人兴奋的是，石墨烯单层的透明度约为97.7%。
二、石墨烯的制备方法这里讨论两种较为成熟的制备方法：1.机械剥离法机械剥离法是石墨烯制备的一种基本方法。
该方法是通过机械剥离来获得单层的石墨烯。
机械剥离使用普通的石墨产生石墨片，在表面涂上粘性剂后，用胶带轻轻粘取，重复以上步骤数次，即可获得纯净的石墨片。
2.化学气相沉积法化学气相沉积法是石墨烯制备的另一种方法，其成本相对较低。
该方法是在铂或镍热解烷烃时，产生碳原子，随后加热，碳原子就可以沉积到基底上形成石墨烯单层。
然而，该方法还存在着重复性差、可控性差、杂质高等问题。
三、石墨烯的应用前景由于其特殊的化学、机械和电学性质，石墨烯在各种领域的应用都具有广泛的前景，这里列举一些可能的应用。
1.电子石墨烯在半导体和电子设备中是一种非常有前途的材料，其可以成为制造更快、更紧凑电子设备的材料。
石墨烯化学气相沉积法制备
石墨烯化学气相沉积法制备
石墨烯化学气相沉积法是一种制备高质量薄层石墨烯的常用方法。
该方法通常通过在高温下将气态前驱体传输到衬底上并进行化学反应来制备石墨烯。
常用的前驱体包括甲烷、乙烯、乙炔等。
在反应过程中，前驱体分子碳原子通过解离反应，形成碳原子结构，并在衬底表面形成石墨烯薄层。
石墨烯化学气相沉积法制备的薄层石墨烯具有高度的结晶性和低的杂质含量，因此在制备柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。
铜基单层石墨烯
铜基单层石墨烯一、引言铜基单层石墨烯是一种新型的二维材料，具有许多优异的物理和化学性质。
近年来，它在电子学、催化剂、传感器等领域得到了广泛的应用和研究。
本文将从铜基单层石墨烯的制备方法、结构特征、物理性质以及应用等方面进行详细介绍。
二、制备方法目前，制备铜基单层石墨烯的方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法以及化学还原法等。
1. 机械剥离法机械剥离法是一种比较简单易行的方法，其原理是利用胶带或者刮刀等工具将多层石墨片逐层剥离，直至得到单层厚度为止。
然而，这种方法存在着操作困难、产量低等问题。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是通过在高温下将含有金属铜原子和碳源分子的气体混合物反应生成铜基单层石墨烯。
该方法具有产量高、成本低等优点，但是其操作复杂，需要高温高压条件下进行。
3. 化学还原法化学还原法是将氧化铜还原为金属铜，并在还原过程中控制碳源分子的加入，使得碳源分子在铜表面上形成单层石墨烯。
该方法具有简单易行、产量高等优点，但是其制备的铜基单层石墨烯质量不稳定，需要进一步改进。
三、结构特征铜基单层石墨烯的结构特征主要包括晶格结构、电子结构和表面形貌等。
1. 晶格结构铜基单层石墨烯的晶格结构与传统的石墨烯相似，都是由六个碳原子组成一个六角形晶胞。
然而，由于铜原子与碳原子之间的相互作用力不同于碳-碳之间的作用力，在铜基单层石墨烯中会出现一些非常规的物理性质。
2. 电子结构铜基单层石墨烯的电子结构与传统的石墨烯也存在差异。
由于金属铜具有未填满的d轨道，所以在铜基单层石墨烯中，会出现一些新的电子态，如铜原子的d轨道杂化成的新能带等。
3. 表面形貌铜基单层石墨烯的表面形貌比传统的石墨烯更加复杂。
由于金属铜表面容易被氧化，所以在实验条件下，其表面会出现一些氧化物或者杂质等。
四、物理性质铜基单层石墨烯具有许多优异的物理性质，主要包括电学性质、光学性质和力学性质等。
1. 电学性质铜基单层石墨烯具有良好的导电性能。
石墨烯薄膜的制备及其电子学性质的研究
石墨烯薄膜的制备及其电子学性质的研究石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维结构，其拥有出色的导电性和热导率等物理特性，被认为是下一代电子学领域的材料。
然而，单层石墨烯在现实中极其难以制备和处理，因此人们开始研究石墨烯的薄膜。
本文将介绍现有的石墨烯薄膜制备方法以及这些薄膜的电子学性质的研究进展。
一、机械剥离法机械剥离法是一种比较早的石墨烯薄膜制备方法，它是指通过机械方式将石墨材料进行分离，从而得到单层或几层厚度的石墨烯。
这种方法的缺点是生产效率低，因为需要反复剥离，此外，其制备过程还会产生很多杂质和缺陷。
二、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种较为常用的石墨烯薄膜制备方法，它主要是在高温的反应器中使一些前驱体化合物与石墨材料反应，产生石墨烯。
通过控制反应条件和前驱体反应物的选择，可以得到高质量和大面积的石墨烯薄膜。
但是，这种方法需要高温反应，因此制备过程中需要采取一系列复杂的技术手段来确保反应的可控性和产物质量。
三、电化学剥离法电化学剥离法是一种较新的石墨烯薄膜制备方法，它利用电化学反应的原理在金属表面上制备石墨烯。
通常，金属表面被先涂覆了一层石墨烯前驱体材料，然后在电解液中进行电解，这样就可以在金属表面上得到石墨烯薄膜。
这种方法可以得到高质量、高温稳定性的石墨烯薄膜，而且还可以控制石墨烯的层数、形状和大小等。
四、石墨烯薄膜的电子学性质研究石墨烯薄膜的电子学性质是其应用于电子学领域的重要因素。
研究表明，石墨烯薄膜的电子传输是非常快速和高效的，其导电性比铜还高，这使得石墨烯薄膜成为一种很有前途的导体材料。
另外，在石墨烯薄膜中产生了一些新的电子能级，这些能级在化学传感和量子计算等领域具有潜在的应用前景。
结论总之，石墨烯薄膜的制备及其电子学性质的研究是一个有挑战性和前途的领域，不同的制备方法和处理技术为石墨烯薄膜的应用提供了丰富的可能性。
在石墨烯薄膜的研究中，人们需要进一步提高材料的生产效率，获得高品质和大尺寸的薄膜，并通过深入的物理和化学研究来深入了解石墨烯薄膜的性质和应用。
化学气相沉积法制备石墨烯的机理分析
目 化学气相沉积法制备石墨烯的机理分析
材料科学与工程学院 院（系） 材料科学与工程 专业 学 号 12009317 陈玉明 倪振华 2013 年 2 月至 2013 年 6 月 田家炳楼
学生姓名 指导教师 起止日期 设计地点
东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明
本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
Ⅱ
目录
摘 要 ............................................................................................................................................... Ⅰ Abstract ............................................................................................................................................ Ⅱ 第一章 绪论 ......................................................................................................................................1 1.1 引言 .........................................................................................................................................1 1.2 石墨烯的结构与性质 ..............................................................................................................1 1.3 石墨烯的制备 .........................................................................................................................2 1.3.1 微机械剥离法...................................................................................................................2 1.3.2 氧化还原法.......................................................................................................................2 1.3.3 SiC 外延生长法 ..................................................................................................................2 1.3.4 化学气相沉积法 ...............................................................................................................3 1.4 石墨烯的表征..........................................................................................................................4 1.5 关于石墨烯的工作 ..................................................................................................................5 1.5.1 石墨烯透明导电薄膜 ........................................................................................................5 1.5.2 石墨烯传感器....................................................................................................................5 1.5.3 石墨烯场效应晶体管 ........................................................................................................5 第二章 CVD 石墨烯生长机理分析....................................................................................................7 2.1 石墨烯生长机理分析方法 .......................................................................................................7 2.2 管道气流分析..........................................................................................................................7 2.3 形核与生长分析......................................................................................................................8 2.4 本章小结 ............................................................................................................................... 11 第三章 石墨烯的生长..................................................................................................................... 13 3.1 实验的准备及设计 ................................................................................................................. 13 3.2 石墨烯生长的影响因素 ........................................................................................................ 14 3.2.1 混气比对石墨烯生长的影响 .......................................................................................... 15
化学气相沉积制备毫米量级的单晶石墨烯
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
化学气相沉积制备毫米量级的单晶石墨烯
化学气相沉积制备毫米量级的单晶石墨烯
陈学康，郭磊，王兰喜，曹生珠，白晓航
兰州空间技术物理研究所, 表面工程技术国家级重点实验室, 甘肃兰州730000
摘要：石墨烯的发现，为开发基于新原理的纳电子器件提供了材料和技
术上的可能性。
它是迄今为止最接近理想的二维材料, 其单原子层的厚度，完美的晶格结构和超乎寻常的电子迁移率，远远超过通常薄膜技术所能够达到的水平。
石墨烯非常有可能成为今后纳电子器件发展的基础材料。
然而可以预期
的是，如同大尺寸的单晶硅成为微电子学的基础材料一样，石墨烯要真正走向
技术应用，也必须首先解决大尺寸单晶石墨烯的制备问题。
目前不同方法所制备的石墨烯通常由尺度在几十微米以下的多晶组成。
在铜基板上，大多数已报道的石墨烯平均晶粒尺寸约在10~30 mm，有报道的最大晶粒平均尺寸约为200 mm。
任文才最近报道了在Pt 基板上生长的石墨烯单晶，个别晶粒达到了1.2 mm。
复杂的实验现象表明，为了能够生长大单晶，必须首先系统地研究石墨烯的成核机理和生长动力学。
本文报道我们最近生长大晶粒石墨烯的初步研究结果。
在保证合理的生
长速率的前提下，我们已经能够以良好的重复性在铜基板上得到极低的成核密度。
这保证了相互分离的石墨烯二维单晶体的独立生长。
实验观察到的石墨烯
二维单晶体的最大尺度达到了~3 mm，平均尺度~2 mm，大致均匀分布于铜基板的表面。
进一步延长生长时间，相互分离的石墨烯单晶逐步接合，成为由毫米。
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收稿日期:2010-12-31; 修回日期:2011-02-14 基金项目:国家自然科学基金(50872136,50972147,50921004)、中国科学院知识创新项目(K J C X 2-Y W-231). 通讯作者:任文才,研究员.E -m a i l :w c r e n @i m r .a c .c n ;成会明,研究员.E -m a i l :c h e n g @i m r .a c .c n ;高力波.E -m a i l :l b g a o @i m r .a c .c n 作者简介:任文才(1973-),男,山东东营人,博士,研究员,主要研究方向为石墨烯和碳纳米管的制备、物性和应用.E -m a i l :w c r e n @i m r .a c .c n文章编号: 1007-8827(2011)01-0071-10石墨烯的化学气相沉积法制备任文才, 高力波, 马来鹏, 成会明(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳110016)摘 要: 化学气相沉积(C V D )法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。
通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、S i C 外延生长法和C V D 方法)的原理和特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了C V D 法制备石墨烯及其转移技术的研究进展,并展望了未来C V D 法制备石墨烯的可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。
关键词: 石墨烯;制备;化学气相沉积法;转移中图分类号: T Q 127.1+1文献标识码: A1 前言自从1985年富勒烯[1]和1991年碳纳米管[2]被发现以来,碳纳米材料的研究一直是材料研究领域的热点,引起了世界各国研究人员的极大兴趣。
虽然碳的三维(石墨和金刚石)、零维(富勒烯)和一维(碳纳米管)同素异形体都相继被发现,但作为二维同素异形体的石墨烯长期以来被认为由于热力学上的不稳定性而难以独立存在,在实验上难以获得足够大的高质量样品,因此石墨烯的研究一直处于理论探索阶段。
直到2004年,英国曼彻斯特大学的科学家利用胶带剥离高定向热解石墨(H O P G )获得了独立存在的高质量石墨烯[3],并提出了表征石墨烯的光学方法,对其电学性能进行了系统研究,发现石墨烯具有很高的载流子浓度、迁移率和亚微米尺度的弹道输运特性,从而掀起了石墨烯研究的热潮。
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构,是构成其他维数碳材料的基本结构单元。
石墨烯可以包覆成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨[4]。
由于独特的二维结构特征和极佳的晶体学质量,石墨烯的载流子表现出类似于光子的行为,为研究相对论量子力学现象提供了理想的实验平台[5-8],此外石墨烯还具有优异的电学[9]、光学[10]、热学[11]、力学[12]等特性,因此在场效应晶体管、集成电路、单分子探测器、透明导电薄膜、功能复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广阔的应用前景[4,7]。
关于石墨烯的能带结构以及特殊的物理性能,已经在本刊其他评述论文[13]中介绍,本文就不再重复。
材料的制备是研究其性能和探索其应用的前提和基础。
尽管目前已经有多种制备石墨烯的方法,石墨烯的产量和质量都有了很大程度的提升,极大促进了对石墨烯本征物性和应用的研究,但是如何针对不同的应用实现石墨烯的宏量控制制备,对其质量、结构进行调控仍是目前石墨烯研究领域的重要挑战。
本文首先简要介绍了石墨烯的几种主要制备方法的原理和特点,继而详细地评述了近两年发展起来的化学气相沉积(C V D )制备方法及其相应的石墨烯转移技术的研究进展,并展望了未来C V D 法制备石墨烯的可能发展方向。
2 石墨烯的主要制备方法胶带剥离法(或微机械剥离法):2004年由英国曼彻斯特大学的G e i m 研究组发展的一种制备石墨烯的方法,它利用胶带的粘合力,通过多次粘贴将H O P G 、鳞片石墨等层层剥离,然后将带有石墨薄片的胶带粘贴到硅片等目标基体上,最后用丙酮等溶剂去除胶带,从而在硅片等基体上得到单层和少层的石墨烯[3,14]。
该方法具有过程简单,产物质量高第26卷 第1期2011年2月新 型 炭 材 料N E W C A R B O NM A T E R I A L S V o l .26 N o .1F e b .2011的优点,所以被广泛用于石墨烯本征物性的研究,但产量低,难以实现石墨烯的大面积和规模化制备。
化学剥离法:利用氧化反应在石墨层的碳原子上引入官能团,使石墨的层间距增大,从而削弱其层间相互作用,然后通过超声或快速膨胀将氧化石墨层层分离得到氧化石墨烯,最后通过化学还原或高温还原等方法去除含氧官能团得到石墨烯[15-16]。
该方法是目前可以宏量制备石墨烯的有效方法,并且氧化石墨烯可很好地分散在水中、易于组装,因此被广泛用于透明导电薄膜、复合材料以及储能等宏量应用研究。
然而,氧化、超声以及后续还原往往会造成碳原子的缺失,因此化学剥离方法制备的石墨烯含有较多缺陷、导电性差。
碳化硅(S i C)外延生长法:利用硅的高蒸汽压,在高温(通常>1400℃)和超高真空(通常<10-6 P a)条件下使硅原子挥发,剩余的碳原子通过结构重排在S i C表面形成石墨烯层[17]。
采用该方法可以获得大面积的单层石墨烯,并且质量较高。
然而,由于单晶S i C的价格昂贵,生长条件苛刻,并且生长出来的石墨烯难于转移,因此该方法制备的石墨烯主要用于以S i C为衬底的石墨烯器件的研究。
C V D法:利用甲烷等含碳化合物作为碳源,通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯。
从生长机理上主要可以分为两种(图1所示)[18]:(1)渗碳析碳机制:对于镍等具有较高溶碳量的金属基体,碳源裂解产生的碳原子在高温时渗入金属基体内,在降温时再从其内部析出成核,进而生长成石墨烯;(2)表面生长机制:对于铜等具有较低溶碳量的金属基体,高温下气态碳源裂解生成的碳原子吸附于金属表面,进而成核生长成“石墨烯岛”,并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。
由于C V D方法制备石墨烯简单易行,所得石墨烯质量很高,可实现大面积生长,而且较易于转移到各种基体上使用,因此该方法被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜,目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。
3 石墨烯的C V D法制备C V D方法是上世纪60年代发展起来的一种制备高纯度、高性能固体材料的化学过程,早期主要用于合金刀具的表面改性,后来被广泛应用于半导体工业中薄膜的制备,如多晶硅和氧化硅膜的沉积。
近年来,各种纳米材料尤其是碳纳米管、氧化锌纳米结构、氮化镓纳米线等的制备,进一步推动了C V D图1 C V D法生长石墨烯的(a)渗碳析碳机制与(b)表面生长机制示意图[18]F i g.1 (a)S e g r e g a t i o na n d/o r p r e c i p i t a t i o n m e c h a n i s m a n d (b)s u r f a c ea d s o r p t i o nm e c h a n i s m o f C V Dg r o w t ho f g r a p h e n e[18]方法的发展[19]。
C V D法制备石墨烯早在20世纪70年代就有报道[20-21],当时主要采用单晶N i作为基体,但所制备出的石墨烯主要采用表面科学的方法表征,其质量和连续性等都不清楚。
随后,人们采用单晶C o、P t、P d、I r、R u等基体[22]在低压和超高真空中也实现了石墨烯的制备。
但直到2009年初,麻省理工学院的J.K o n g研究组[23]与韩国成均馆大学的B.H.H o n g研究组[24]才利用沉积有多晶N i膜的硅片作为基体制备出大面积少层石墨烯,并将石墨烯成功地从基体上完整地转移下来,从而掀起了C V D法制备石墨烯的热潮。
石墨烯的C V D生长主要涉及三个方面:碳源、生长基体和生长条件(气压、载气、温度等)。
碳源:目前生长石墨烯的碳源主要是烃类气体,如甲烷(C H4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)等。
最近,也有报道使用固体碳源S i C生长石墨烯[25]。
选择碳源需要考虑的因素主要有烃类气体的分解温度、分解速度和分解产物等。
碳源的选择在很大程度上决定了生长温度,采用等离子体辅助等方法也可降低石墨烯的生长温度。
生长基体:目前使用的生长基体主要包括金属箔或特定基体上的金属薄膜。
金属主要有N i[23-24,26-28]、C u[29-34]、R u[35-41]以及合金[42]等,选择的主要依据有金属的熔点、溶碳量以及是否有稳定的金属碳化物等。
这些因素决定了石墨烯的生长温度、生长机制和使用的载气类型。
另外,金属的晶体类型和晶体取向也会影响石墨烯的生长质量。
除金属基体外,M g O[43]等金属氧化物最近也被用来生长·72· 新 型 炭 材 料第26卷石墨烯,但所得石墨烯尺寸较小(纳米级),难以实际应用。
生长条件:从气压的角度可分为常压、低压(105P a～10-3P a)和超低压(<10-3P a);据载气类型不同可分为还原性气体(H2)、惰性气体(A r、H e)以及二者的混合气体;据生长温度不同可分为高温(>800℃)、中温(600℃～800℃)和低温(<600℃),主要取决于碳源的分解温度。
下面就上述三个方面着重分析一下目前C V D 法制备石墨烯的主要进展。
石墨烯的C V D法制备最早采用多晶N i膜作为生长基体。
麻省理工学院的J.K o n g研究组[23]通过电子束沉积的方法,在硅片表面沉积500n m的多晶N i膜作为生长基体,利用C H4为碳源、H2为载气的C V D法生长石墨烯,生长温度为900℃～1000℃。
韩国成均馆大学的B.H.H o n g研究组[24]采用类似的C V D法生长石墨烯:生长基体为电子束沉积的300n m的N i膜,碳源为C H4,生长温度为1000℃,载气为H2和A r的混合气,降温速度为10℃/s。
图2为采用该生长条件制备的石墨烯的形貌图。
由于N i生长石墨烯遵循渗碳析碳生长机制,因此所得石墨烯的层数分布很大程度上取决于降温速率。
采用N i膜作为基体生长石墨烯具有以下特点:石墨烯的晶粒尺寸较小,层数不均一且难以控制,在晶界处往往存在较厚的石墨烯,少层石墨烯呈无序堆叠。
此外,由于N i与石墨烯的热膨胀率相差较大,因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱。