外延法制备石墨烯
石墨烯 外延关系-概述说明以及解释
石墨烯外延关系-概述说明以及解释1.引言1.1 概述石墨烯作为一种新型材料，在科学界引起了广泛的关注和研究。
它是由碳原子通过特殊排列形成的二维晶体结构，具有独特的电子输运性质和力学性能。
石墨烯的发现开启了碳基材料的全新领域，被誉为“21世纪的材料之王”。
本文将通过介绍石墨烯的定义与特性、制备方法以及在各领域的应用，探讨石墨烯的外延关系，展示出其在未来科技发展中的巨大潜力。
文章结构部分内容如下：文章结构部分将详细介绍整篇文章的章节安排和内容安排，帮助读者更好地理解文章的组织结构和主要内容。
具体而言，本文按照以下章节结构展开讨论：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 石墨烯的定义与特性2.2 石墨烯的制备方法2.3 石墨烯在各领域的应用3. 结论3.1 总结石墨烯的重要性3.2 展望石墨烯的未来发展3.3 结束语通过以上章节结构，本文将系统地介绍石墨烯的定义、特性、制备方法和应用领域，并总结石墨烯的重要性，展望其未来发展，以期为读者提供全面深入的了解和启发。
1.3 目的：本文旨在通过对石墨烯的定义、特性、制备方法以及在各领域的应用进行全面介绍，深入探讨石墨烯在科学研究和工业生产中的重要性。
同时，通过展望石墨烯的未来发展，探讨其在革新材料科学、能源领域和生物医学领域等方面的潜力。
本文旨在激发读者对石墨烯的兴趣，促进对石墨烯的进一步研究和应用。
.3 目的部分的内容2.正文2.1 石墨烯的定义与特性：石墨烯是由碳原子通过特定排列形成的单层薄片，具有二维晶格结构。
每个碳原子通过sp2杂化形成六边形结构，使得石墨烯具有许多独特的性质。
其中最引人注目的特性之一是石墨烯的高导电性和高热导率。
碳原子之间的σ键和π键结构使得电子在石墨烯中的移动非常容易，因此石墨烯具有极佳的导电性能。
另外，石墨烯还表现出极高的机械强度和柔韧性。
由于其二维结构和碳原子之间的紧密结合，石墨烯可以承受很大的应力而不会出现破损，同时还能够在微观层面上进行弯曲和拉伸而不变形。
碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备
摘要
Ｘ射线①扫描显示出薄膜的六次对称衍射峰，表明生长的ＳｉＣ薄膜接近单晶水 平。
２）在优化的衬底温度下（１１００℃）生长的薄膜质量较好，在较低温度（１０００ ℃）和较高温度（１２００℃）条件下生长的薄膜质量较差。
３）同步辐射掠入射Ｘ射线衍射（ＧＩＤ）研究表明，ＳｉＣ／Ａ１２０３薄膜内受 到压应变，它来源于界面处ＳｉＣ薄膜和蓝宝石衬底热膨胀系数的失配。薄膜 远离界面后，压应变减小，单晶质量变好。ＧＩＤ和ＸＲＤ的研究表明，薄膜内 存在倾斜（ｔｉｌｔ）和扭转（ｔｗｉｓｔ）畸变，且扭转大于倾斜。
３ ６Ｈ．ＳｉＣ表面的同质外延及量子阱结构的制备
ｊ
１）预沉积Ｓｉ原子后，ＳｉＣ（０００１）表面结构随温度的改变而变化。随着温 度的升高，ＳｉＣ表面的Ｓｉ原子反蒸发，表面的Ｓｉ原子减少并先后出现３×３和 √３×√３重构。
２）利用不同重构表面的迁移系数的差异，调节Ｓｉ束流，在衬底温度１０８０ ℃下，分别在６Ｈ—ｓｉｃ（ｏ００１）的√３×√３和３×３重构面成功地上实现了３ｃ－ｓｉｃ 和６Ｈ．ＳｉＣ晶型薄膜的外延生长。
ｐｅｏｐｌｅ ｔｏ ｂｅ ｉｎｔｅｒｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ，ｗｅ ｒｅｐｏｒｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＳｉＣ
石墨烯功能半导体
石墨烯功能半导体
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有优异的物理和化学性能，包括高导电性、高热导率、高强度、高化学稳定性等。
这些特性使得石墨烯成为制造功能半导体的理想材料。
石墨烯功能半导体的制备方法主要包括化学气相沉积法、剥离法、外延生长法等。
其中，化学气相沉积法是最常用的方法，可以在大面积的衬底上制备高质量的石墨烯。
剥离法则是将石墨烯从天然石墨上剥离下来，这种方法虽然简单，但是难以制备大面积的石墨烯。
外延生长法是在半导体衬底上生长石墨烯，这种方法可以制备高质量的石墨烯，但是需要严格控制生长条件。
石墨烯功能半导体的应用非常广泛，包括电子器件、传感器、储能、环保等领域。
在电子器件方面，石墨烯可以用来制造晶体管、场效应管、集成电路等，具有高速度、低功耗、小尺寸等优点。
在传感器方面，石墨烯可以用来制造气体传感器、湿度传感器、压力传感器等，具有高灵敏度、快速响应等特点。
在储能方面，石墨烯可以用来制造电池、超级电容器等，具有高能量密度、快速充电等特点。
在环保方面，石墨烯可以用来处理水污染、空气污染等，具有高吸附性能、易于分离等特点。
总之，石墨烯功能半导体的制备和应用是当前和未来研究的热点之一，其发展前景广阔。
碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯
一、概述碳化硅（SiC）是一种具有优异物理性能的广泛应用于半导体领域的材料，而在碳化硅上生长的外延石墨烯因其超高迁移率而备受瞩目。
随着半导体材料的研究与应用领域的不断拓展，碳化硅外延石墨烯的研究逐渐受到了学术界和产业界的关注。
本文将从碳化硅外延石墨烯的生长机理、物理性能以及应用前景等方面进行探讨。
二、碳化硅外延石墨烯的生长机理1. 碳化硅外延石墨烯的生长方法碳化硅外延石墨烯的生长方法主要包括热解法、化学气相沉积法和分子束外延法等。
其中，热解法是将碳源沉积在碳化硅衬底上，通过高温热解的方法使得碳原子在碳化硅表面形成石墨烯；化学气相沉积法是利用化学气相沉积的方法，在碳化硅表面形成石墨烯层；而分子束外延法则是通过束流蒸发碳原子在碳化硅表面沉积形成石墨烯。
2. 生长机理碳化硅外延石墨烯的生长机理与生长方法密切相关。
在热解法中，碳原子在碳化硅表面会形成大面积的石墨烯结构，而在化学气相沉积法和分子束外延法中，碳原子在碳化硅表面逐层扩散形成石墨烯。
生长过程中的温度、压力和碳源浓度等参数都会对碳化硅外延石墨烯的生长起到重要的影响。
三、碳化硅外延石墨烯的物理性能1. 超高迁移率碳化硅外延石墨烯作为一种二维材料，具有优异的电学性能。
其超高迁移率使得碳化硅外延石墨烯在高频器件、光学器件以及微纳电子学领域具有广泛的应用前景。
2. 热稳定性碳化硅外延石墨烯具有优秀的热稳定性，能够在高温、高能量环境下保持其稳定的结构和性能。
这使得碳化硅外延石墨烯在高温器件、航空航天领域具有潜在的应用价值。
3. 光学性能碳化硅外延石墨烯的光学性能优异，其在光电器件、传感器等领域都有着广泛的应用前景。
四、碳化硅外延石墨烯的应用前景1. 微电子学领域碳化硅外延石墨烯在微电子学领域有着广阔的应用前景，可以用于制备高频器件、高速逻辑门等。
2. 光电子学领域由于碳化硅外延石墨烯的优异光学性能，其在光电子器件、光学传感器等领域的应用也备受期待。
3. 能源领域碳化硅外延石墨烯在能源领域的应用也具有潜在的前景，可以用于太阳能电池、储能设备等方面。
石墨烯的制备方法
石墨烯的制备方法1.1.1石墨烯的制备方法目前以石墨为原料制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、SiC热解外延生长法、化学气相沉积法、化学氧化还原法等。
1.3.1.1微机械剥离法微机械剥离法是最初用于获得石墨烯片的一种简单的物理方法，该法是通过透明光刻胶反复的从较大的高定向热解石墨（HOPG）上分离出石墨烯片，接着将留在光刻胶上的石墨烯溶解在丙酮中，然后利用硅片与石墨烯片之间的范德华力和毛细管作用力将石墨烯吸附在硅片上分离出来。
Geim等[33]通过微机械剥离法制备出只有几个原子层厚度大小为10 μm的石墨烯片，当厚度＞3 nm时，制得的石墨烯片达到100 μm，可以达到用肉眼观察的范围。
通过微机械剥离法可以制得晶格完好的高质量的石墨烯片，但该法存在着产量低，不易精确控制，重复性差等缺点。
1.3.1.2 SiC热解外延生长法该方法首先将样品的表面通过氧化或H2刻蚀，然后在高真空下（1.32×10-8 Pa ）电子轰击加热到1000 ℃以去除氧化物，并用俄歇电子能谱检测表面氧化物的℃℃，即可形成石墨去除情况，氧化物被完全去除后将样品加热至1250 ~1450烯层。
Berger等[34, 35]通过热解脱除单晶6H-SiC的（00001）面上的Si而得到了单层和多层的石墨烯片。
通过SiC热解外延生长法可以制备出大面积的石墨烯，且质量较高，但是制备条件比较苛刻，要在高温高真空条件下进行，SiC的价格也比较昂贵，且制得的石墨烯片不易从SiC转移下来。
1.3.1.3化学气相沉积法（CVD）用CVD法制备石墨烯的研究早在上世纪70年代就已有报道，直到2009年Reina研究组及Kim研究组通过CVD法成功制备出石墨烯才掀起了石墨烯的CVD制备法的热潮[36-38]。
CVD法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍、铜等具有溶碳量的金属基体上通过将碳源高温分解然后采用强迫冷却的方式而在基体表面形成石墨烯。
CVD法制备石墨烯简单易行，可以得到大面积的质量较高的石墨烯，且易于从基体上分离，主要被用于石墨烯透明导电薄膜和晶体管的制备[39]。
基于分子束外延生长的石墨烯量子点制备及其应用研究
基于分子束外延生长的石墨烯量子点制备及
其应用研究
1.前言
石墨烯是一种新兴的二维材料，拥有许多优异的物理和化学特性，已经成为材料科学领域的研究热点。
石墨烯量子点是一种亚微米的零维纳米材料，具有量子尺寸效应，具有很高的应用潜力。
2.石墨烯量子点的制备
石墨烯量子点通常是通过化学方法制备的，但这种方法需要使用有机溶剂和毒性化学品，导致极度危险，不利于环境保护。
因此，人们开始考虑其他方法制备石墨烯量子点。
分子束外延是一种新兴的石墨烯量子点制备方法。
分子束外延技术可以直接在基底上生长被称为量子阱的纳米结构，而石墨烯是一种二维的自组装材料，可以在量子阱上长成石墨烯量子点。
这种方法相比于化学合成法来说，更加环保，不使用有机溶剂和毒性化学品，更加安全。
3.石墨烯量子点的应用
石墨烯量子点具有许多优异的物理和化学特性，因此在能源、电子、光学、生物医学等领域有着广泛的应用。
在电子器件方面，石墨烯量子点可以作为高效的电致发光器件的光致发光层。
在光学器件方面，石墨烯量子点可以制备高效的太阳能电池，其光电转换效率比普通的太阳能电池更高。
此外，石墨烯量子点还可以作为高效的荧光探针用于生物医学成像和治疗。
4.结论
石墨烯量子点的制备和应用已经成为当前材料科学领域的研究热点之一。
分子束外延技术具有环保、安全等优势，是制备石墨烯量子点的一种优异方法。
石墨烯量子点在电子、光学、生物医学等方面有着广泛的应用前景，将为人们带来更多的科技进步与发展。
石墨烯的制备
石墨烯的制备
石墨烯的制备如下：
1、微机械剥离法
方法：用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。
缺点：产物尺寸不易控制，无法可靠地制备出长度足够的石墨烯，不能满足工业化需求。
2、外延生长法
方法：在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。
缺点：对制备所需的sic晶面要求极高，而且在sic上生长的石墨烯难以剥离。
3、化学气相沉积法（CVD法）
方法：将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入到高温加热的金属基底表面，反应持续一定时间后进行冷却，冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯。
缺点：制备所需条件苛刻，需要高温高真空。
成本高，生长完成后需要腐蚀铜箔的到石墨烯。
4、氧化还原法
方法：先用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。
缺点：化学反应程度很难控制，反应不完全的情况下会有大量杂质。
石墨烯外延生长法
石墨烯外延生长法
石墨烯是一种新型的纳米材料，具有极高的导电性、热导性和机械强度等特点，被广泛应用于电子、能源、生物医学等领域。
石墨烯的制备方法有多种，其中外延生长法是一种较为有效的方法。
石墨烯外延生长法是指在金属衬底上通过化学气相沉积方法，将碳源分子分解并沉积在衬底表面，形成石墨烯晶体的过程。
这种方法可以制备出大面积、高质量的石墨烯，且具有可控性、晶格匹配性好等优点。
石墨烯外延生长法的关键技术包括衬底选择、衬底表面处理、碳源选择、沉积参数控制等。
目前，金属衬底的选择主要包括铜、镍、铂等，其中铜是最常用的衬底材料。
衬底表面处理可以通过化学处理、物理处理等方法进行。
碳源选择主要包括甲烷、乙烯等。
石墨烯外延生长法的研究和应用已经取得了很大进展，但是仍然存在一些问题，如晶格缺陷、控制方法不够成熟等。
未来，需要进一步完善石墨烯外延生长法的相关技术，以推动其在各个领域的广泛应用。
- 1 -。
石墨烯的制备方法
石墨烯的制备方法来源：厦门烯成目前，石墨烯材料的制备方法主要有四种：微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法。
2004年英国Manchester大学的Geim和Novoselov等人利用微机械剥离法，也就是用胶带撕石墨[1]获得了单层石墨烯，并验证了二维晶体的独立存在。
他们利用氧等离子束在1mm厚的高定向热解石墨(HOPG)表面刻蚀出20微米见方、深5微米的微槽，并将其用光刻胶压制在SiO2/Si衬底上，然后用透明胶带反复撕揭，剥离出多余的石墨片。
随后将粘有剩余微片的SiO2/Si衬底浸入丙酮溶液中，超声去除样品表面残余的胶和大多数较厚的片层。
所得到的厚度小于10nm片层主要依靠范德华力吸附在硅片上。
最后通过光学显微镜和原子力显微镜挑选出单层石墨烯薄片。
利用该方法可以获得高质量的石墨烯，但缺点是所获得石墨烯尺寸太小，仅几十或者上百微米。
且制备过程不易控制，产率低，不适合大规模的生产和应用。
同年美国佐治亚理工学院W.A. de Heer等人通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶SiC (0001) 面上外延生长石墨烯[2]。
具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的SiC在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。
用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后保持1分钟到20分钟，以形成极薄的石墨层。
相比微机械剥离法，外延生长法可以实现较大尺寸，高质量石墨烯制备，是一种对实现石墨烯器件的实际应用非常重要的制备方法，然而石墨烯的厚度由加热温度决定，大面积制备单一厚度的样品比较困难，且SiC过于昂贵，得到的石墨烯难以转移到其它衬底上。
然而，不管机械剥离法还是外延生长法都不适合大规模的工业应用。
2006年，Ruoff 课题组提出制备石墨烯基化合物“氧化石墨烯”的化学方法，又称为氧化还原法[3]，其核心是通过剥离氧化石墨形成单层氧化石墨烯。
氧化石墨是石墨在H2SO4、HNO3、HClO4等强氧化剂的作用下，或电化学过氧化作用下，经水解后形成的。
石墨烯的SiC外延生长及应用
武汉大学物理学院材料专业2012级 葛东旭 2014年12月24日
一、石墨烯简介
结构
• 石墨烯是由碳原子构 成的具有蜂窝状结构 的单原子层二维平面 晶体，于2004年由英 国曼彻斯特大学的安 德烈·K·海姆等利用胶 带黏附法成功制备， 他们也凭借这一发明 于2010年被授予诺贝 尔物理学奖。
性质
常用制备方法
应用
前景
二、碳化硅外延生长法制备石墨烯
碳化硅的晶胞结构
碳化硅外延生长的反应过程
• 碳化硅外延生长制备 石墨烯的过程大致可 分为两个阶段，一是 sp3杂化的Si—C键断裂， 游离态的硅原子优先 升华，二是sp2杂化形 式的C—C键在衬底经 历石墨化过程生成石 墨烯。
硅面生长与碳面生长
• 2、《SiC基石墨烯材料制备及表征技术研究》王党朝（西 安电子科技大学 2012年9月）
• 3、《石墨烯的SiC外延生长及应用（并续）》陆冬梅等 （《半导体技术》37卷第9、10期）
• 4、《SiC衬底上石墨烯的性质、改性及应用研究》方楠等 （《化学学报》2012年11月刊）
中期处理
目前常用的中期处理方法 1、超高真空条件下加热碳化硅 2、高压氩气条件下加热碳化硅
改进方案 在气态硅环境下加热碳化硅
后期处理
目前常用的后期处理方法 氢插入法
改进方案 利用其它非金属或金属原子，改变缓冲层
性质
参考资料
• 1、《石墨烯应用研究进展》张文毓 （《传感器世界》 2014年第5期）
改良思路
1、前期处理 主要是对衬底的处理，以消除衬底的结构瑕
疵对石墨烯生长过程的影响。 2、中期处理
主要是通过对Si升华速率的调节，控制石墨 烯结构的重组过程。 3、后期处理
sic外延生长法 石墨烯 工艺流程
sic外延生长法石墨烯工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!SIC外延生长法是一种用于制备石墨烯等碳材料的技术。
石墨烯纳米带的制备与性质研究
石墨烯纳米带的制备与性质研究石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维材料，由于其独特的物理和化学性质，在能源、电子学、生物学等领域有广泛的应用前景。
而石墨烯纳米带，则被认为是石墨烯的一种重要衍生物，具有更多的应用潜力。
本文将介绍石墨烯纳米带的制备方法和相关研究进展。
一、石墨烯纳米带的制备方法石墨烯纳米带的制备方法通常可以分为自下而上的原子沉积法和自上而下的刻蚀法两种。
原子沉积法是利用分子束外延法通过沉积金属原子或碳原子来制备石墨烯纳米带。
具体方法是将石墨烯基片放在真空室内，用原子束照射基片表面，使金属原子或碳原子在基片表面沉积形成石墨烯纳米带。
这种方法制备的石墨烯纳米带可以实现精确的尺寸和形状控制，但是制备成本较高，只适合小批量生产。
刻蚀法是利用等离子刻蚀或电子束刻蚀的方法来制备石墨烯纳米带。
具体方法是将石墨烯基片放在刻蚀室内，利用刻蚀气体的化学反应将基片表面的石墨烯刻蚀形成石墨烯纳米带。
这种方法制备成本较低，适合大规模生产，但是制备的石墨烯纳米带存在着尺寸、形状和粗糙度方面的不确定性。
二、石墨烯纳米带的电学性质研究由于石墨烯纳米带的尺寸在纳米级别，其电学性质与石墨烯相比具有更大的差异。
以下是目前有关石墨烯纳米带电学性质的研究进展：1. 电导性：石墨烯纳米带的电导性与其宽度和长度有关。
当石墨烯纳米带宽度大于10 nm时，其电导率呈现出与石墨烯相当的特性；当宽度小于10 nm时，电导率呈现出明显的量子限制效应。
2. 能带结构：石墨烯纳米带的能带结构与其宽度和边缘形状有关。
当石墨烯纳米带的宽度小于10 nm时，其能带结构随着带宽的缩小而出现量子禁戒和磁性量子霍尔效应等新的物理现象。
3. 量子点效应：石墨烯纳米带的大小介于石墨烯和量子点之间，因此具有介于两者之间的物理性质。
当石墨烯纳米带的宽度小于5 nm时，由于量子限制效应，其电学性质与量子点较为相似，呈现出半导体性质。
三、石墨烯纳米带的应用前景石墨烯纳米带具有很多潜在的应用前景，以下列举几个：1. 晶体管：石墨烯纳米带可以作为晶体管的替代材料。
石墨烯的制备及其电化学性能
石墨烯的制备及其电化学性能一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列构成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功制备以来，便因其独特的结构和优异的性能引发了全球范围内的研究热潮。
石墨烯以其高导电性、高热导率、高强度以及良好的化学稳定性等特性，在材料科学、电子学、能源科学等多个领域展现出巨大的应用潜力。
特别是在电化学领域，石墨烯因其高比表面积、优良的电子传输性能和化学稳定性，被广泛应用于电极材料、储能器件以及电化学传感器等方面。
本文旨在全面介绍石墨烯的制备方法及其电化学性能。
我们将概述石墨烯的基本结构和性质，以及其在电化学领域的应用背景。
随后，我们将详细介绍石墨烯的几种主要制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等，并分析各方法的优缺点及适用范围。
接着，我们将重点探讨石墨烯在电化学领域的应用，包括其在锂离子电池、超级电容器、燃料电池等储能器件中的性能表现，以及其在电化学传感器中的应用。
我们将对石墨烯的电化学性能进行综合分析，展望其在未来电化学领域的发展趋势和应用前景。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法多种多样，根据其制备原理，主要可以分为物理法和化学法两大类。
物理法：物理法主要包括机械剥离法、取向附生法和碳纳米管切割法等。
机械剥离法是最早用来制备石墨烯的方法，其原理是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料。
取向附生法则是在一定条件下，使碳原子在金属单晶（如Ru）表面生长出单层碳原子，然后利用金属与石墨烯之间的弱相互作用，将石墨烯与金属基底分离。
碳纳米管切割法则是通过切割碳纳米管得到石墨烯纳米带。
化学法：化学法主要包括氧化还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积法（CVD）等。
氧化还原法是通过将天然石墨与氧化剂反应，得到氧化石墨，再将其进行热还原或化学还原，从而制备出石墨烯。
SiC外延生长法是在高温条件下，使SiC中的Si原子升华，剩余的C 原子在基底表面重新排列，形成石墨烯。
碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备
碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备一、本文概述本文旨在深入探讨碳化硅薄膜的外延生长技术、结构表征方法，以及石墨烯的制备方法。
我们将首先概述碳化硅薄膜的外延生长过程，包括生长机制、生长条件以及生长过程中可能遇到的问题和解决方案。
接着，我们将详细介绍碳化硅薄膜的结构表征方法，包括各种显微技术、光谱技术和电子结构分析等，以揭示其独特的物理和化学性质。
我们将探讨石墨烯的制备方法，特别是以碳化硅薄膜为基底的石墨烯制备技术，包括高温退火、氢刻蚀等步骤，并讨论这些方法的优缺点以及未来可能的发展方向。
通过本文的研究，我们期望能够更深入地理解碳化硅薄膜和石墨烯的制备技术，为新型电子器件、传感器、光电子器件等领域的应用提供理论基础和技术支持。
我们也希望通过研究，能够为碳化硅和石墨烯材料的基础科学研究做出贡献，推动材料科学的发展。
二、碳化硅薄膜的外延生长碳化硅（SiC）薄膜的外延生长是一种先进的制造技术，广泛应用于电子、光电子和微机械系统等领域。
外延生长是指在单晶衬底上生长一层与衬底晶格结构相同或相近的新晶体，以实现单晶薄膜的制备。
在碳化硅薄膜的外延生长过程中，通常采用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等方法。
化学气相沉积（CVD）是一种常用的碳化硅薄膜外延生长技术。
在CVD 过程中，碳源和硅源在反应室中高温下发生化学反应，生成碳化硅气体分子，这些气体分子随后在衬底表面沉积并结晶形成碳化硅薄膜。
常用的碳源包括甲烷、乙炔等，而硅源则可以是硅烷或四氯化硅等。
通过精确控制反应条件，如温度、压力、气体流量等，可以实现高质量的碳化硅薄膜外延生长。
物理气相沉积（PVD）是另一种重要的碳化硅薄膜外延生长技术。
在PVD过程中，碳化硅靶材在高能粒子束（如离子束或电子束）的轰击下发生溅射，溅射出的碳化硅原子或分子沉积在衬底表面并结晶形成碳化硅薄膜。
PVD方法具有生长速率快、薄膜纯度高等优点，因此在碳化硅薄膜的外延生长中也得到了广泛应用。
外延法制备石墨烯
外延法制备石墨烯近些年随着微电子工业的迅速发展，硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的物理极限，科学家预言石墨烯有望替代硅材料称为后摩尔时代电子器件发展的重要角色。
瑞典皇家科学院在A. K. Geim和K. S. Novoselov因为发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖时列出的石墨烯潜在应用产业。
石墨烯的奇特的物理性质如极高的载流子迁移率（约250,000 cm2V-1·s-1）、室温下亚微米尺度的弹道传输特性、反常量子霍尔效应、极优的力学性能（杨氏模量~5000W·m-1·K-1，断裂强度125GPa）以及电子自旋输运、超导电性等，使其在纳米电子学和自旋电子学元器件方面拥有非常广阔的发展前景。
同时，平面的石墨烯片很容易使用常规技术加工，甚至可能在一层石墨烯单片上直接加工出各种半导体器件和互联线，从而获得具有重大应用价值的拳坛集成电路。
材料的制备是实现其功能化应用的基础，大面积高质量石墨烯的制备仍然是困扰科研人员的一大难题。
石墨烯虽然可以通过很多种生长方式获得，如机械剥离法，以单晶金属为衬底的CVD法化学氧化还原法等，但是碳化硅外延生长法被普通认为是实现工业化制备和生产石墨烯的最有效途径之一。
所谓的外延法，即在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体的方法。
与其它制备方法比较，外延法是最有可能获得大面积、高质量石墨烯的制备方法。
所获得的石墨烯具有较好的均一性，且与当前的集成电路技术有很好的兼容性。
根据所选基底材料的不同，外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。
金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。
气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
外延法制备石墨烯近些年随着微电子工业的迅速发展，硅基集成电路芯片技术正在逼近摩尔定律的物理极限，科学家预言石墨烯有望替代硅材料称为后摩尔时代电子器件发展的重要角色。
瑞典皇家科学院在A. K. Geim和K. S. Novoselov因为发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖时列出的石墨烯潜在应用产业。
石墨烯的奇特的物理性质如极高的载流子迁移率（约250,000 cm2V-1·s-1）、室温下亚微米尺度的弹道传输特性、反常量子霍尔效应、极优的力学性能（杨氏模量~5000W·m-1·K-1，断裂强度125GPa）以及电子自旋输运、超导电性等，使其在纳米电子学和自旋电子学元器件方面拥有非常广阔的发展前景。
同时，平面的石墨烯片很容易使用常规技术加工，甚至可能在一层石墨烯单片上直接加工出各种半导体器件和互联线，从而获得具有重大应用价值的拳坛集成电路。
材料的制备是实现其功能化应用的基础，大面积高质量石墨烯的制备仍然是困扰科研人员的一大难题。
石墨烯虽然可以通过很多种生长方式获得，如机械剥离法，以单晶金属为衬底的CVD法化学氧化还原法等，但是碳化硅外延生长法被普通认为是实现工业化制备和生产石墨烯的最有效途径之一。
所谓的外延法，即在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体的方法。
与其它制备方法比较，外延法是最有可能获得大面积、高质量石墨烯的制备方法。
所获得的石墨烯具有较好的均一性，且与当前的集成电路技术有很好的兼容性。
根据所选基底材料的不同，外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。
金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。
气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。
金属外延法基本特点是：所制备的石墨烯大多具有单层结构，能够生长连续、均匀、大面积的单层石墨烯。
较之SiC外延法，金属外延石墨烯还具有易于转移的优点（通过化学腐蚀去掉金属基底）。
其基本生长机理是：在高真空/H2气氛条件下，C和金属的亲和力比Si、N、H 和O等元素的高，因而Si和H元素均可被脱除，而溶解在金属表面中的C则在其表面重新析出结晶重构生长出石墨烯。
在石墨烯生长过程中，当地一层石墨烯覆盖金属表面大约80%时，第二层石墨烯才开始生长，底层石墨烯会与衬底产生强烈的相互作用，而第二层与衬底之间只受到弱电耦合的作用，可以与金属衬底完全分离，得到的单层石墨烯具有较好的电学性质。
一旦当其表面被石墨烯完全覆盖后，石墨烯的生长立即停止，表现出自限制生长模式。
因此，通过选择合适的金属衬底和工艺参数，即可实现大面积、高质量的石墨烯可控制备，但金属外延法制备的石墨烯的形貌和性能受到金属衬底的影响较大，在晶格失配的过渡金属基底上，石墨烯的起皱程度由界面处的化学键强度决定，强化学键和晶格失配将导致石墨烯的高皱折度，据文献报道，金属和石墨烯界面处的轨道杂化程度为：Pt（111）<Ir（111）<Rh（111）<Ru （001）。
SiC外延法早在20世纪90年代中，人们就已发现SiC单晶加热至一定温度后，会发生石墨化现象。
SiC单晶热裂解法制备外延石墨烯是由乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的Walter de Heer教授研究小组于2004年首次提出的。
其原理是:以SiC单晶为衬底，首先利用氢气在高温下对SiC的刻蚀效应对衬底表面进行平整化处理，使之形成具有原子级平整度的台阶阵列形貌的表面;然后，在超高真空的环境下，将SiC衬底表面加热到1400℃以上，使衬底表面的碳硅键发生断裂，Si原子会先于C原子升华而从表面脱附，而表面富集的C原子发生重构从而形成六方蜂窝状的石墨烯薄膜。
然而在真空下进行的石墨化存在一系列未解决的问题：Si原子很容易发生升华，石墨烯在1300 ℃就开始生长，较低的生长温度和较快的生长速度会造成石墨烯晶体质的下降，如果提高生长温度又会使石墨烯的厚度大大增加;同时为了防止高温下氧化，设备需要在高温下保持超高真空，这为设备的设计制造带来了极大的难度。
目前，国内外有很多课题组利用高温热解碳化硅制备石墨烯，但他们之间的工艺步骤和条件却不尽相同。
初期直接利用超高真空在碳化硅表面进行外延，但是由于硅原子升华速率很快，导致外延石墨烯的层数波动很大且表面质量较差，随着研究进一步的加深，人们认为控制石墨烯过快的生长速率是生长出高品质石墨烯的关键。
到目前为止，减小石墨烯生长速率的方法主要有三种:1、在高温下通入氢气作为保护气体热解处理碳化硅[26];2、在高温下通入乙硅烷作为保护气体热解处理碳化硅[[29].、在封闭的石墨腔中，超高真空下，高温处理碳化硅[30]。
高温外延SiC 法制备石墨烯主要包括衬底材料、温度、气压和载气等方面的内容。
其中，对温度的控制是整个实验的工艺关键。
衬底目前，利用高温外延SiC法制备石墨烯所采用的衬底材料基本上就是4H-SiC、6H-SiC、和3C-SiC等单晶体。
SiC衬底材料可以提供石墨烯制备所需的C源。
由于选用的是SiC晶体，因此决定了石墨烯必须在高温条件下进行。
气压和载气高温外延SiC 法制备石墨烯的生长条件从气压和载气的角度可以分为常压即氩气环境和超低压即高真空环境，不同条件下得到的石墨烯质量相差非常大。
在高真空下，当退火温度逐渐升高时，会使SiC衬底的台阶.缘和平台中央处的Si原子蒸发的阈值接近，导致Si原子的蒸发速度和石墨烯的生长速率加快，会促进表面粗糙度的增大和石墨烯片的成核。
另外，温度过高，会使SiC表面的Si原子的分散，扩散，再吸收的进程加快，不利于生长石墨烯的均匀性和一致性的控制。
在高真空下制备的石墨烯，尽管在SiC衬底的Si面上缓冲层自组装过程中晶格匹配性好，但自组装的石墨烯是不连续的，形成的是很粗糙，高低不平的褶皱结构，且层数均匀性不好。
相反，在Ar气氛围下对SiC衬底片进行升温，在给定的温度下，Ar气密集的分子云会使得从SiC衬底表面蒸发出的Si原子和Ar原子有一定几率的碰撞，并被反射回SiC衬底表面，这样就限制了Si原子的蒸发，减少SiC表面的转化速率，减慢石墨烯Z轴的生长速度。
同时，该气氛又相应的提高了反应坩埚内的温度，使SiC衬底表面石墨化的温度提高几百度。
增加了加热温度和加热时间，从而提高了C原子的活性，进而提高了石墨烯径向生长的速率，使得C 原子的自组装过程进行的更加充分，可制得大面积且均匀的石墨烯薄膜。
再者，通过氩气的对流作用，可以使温度分布更加均匀，生成的石墨烯均匀性和一致性得到很大提高。
但是，氩气的气压不能太高，因为氩气气压过高，会导致无法使Si原子从SiC片上蒸发出去，从而影响C原子的自组装过程。
因此，目前研究者普遍认为在Ar气气氛下制备的石墨烯质量要比高真空下制备的要好。
初始SiC衬底的表面形态随着研究者对高温裂解SiC 外延法制备石墨烯的研究，他们发现初始SiC 衬底的表面形态和结构对制备成的石墨烯层数的均匀性。
一致性有很大影响。
因此，他们提出使用H2的刻蚀能够祛除SiC 表面研磨抛光过程中带来的机械损伤和划痕等，使SiC 表面呈现出规则的台阶形状。
在高温下H2与SiC 反应会生成气态的碳氢化合物如C2H2等，另外还会生成一些基本的Si 基副产物等杂志。
抽真空后的再次升温中，SiC 样品表面的氧化物会受热分解成SiO 气体从表面蒸发出去，剩余的C 原子就在SiC 衬底表面尤其在缺陷附近或台阶边缘聚在一起进行自组装，然后逐渐的延伸至整个SiC 台阶表面均匀分布形成连续的石墨烯片层。
然而由于CH4和C2H2的蒸气压高于硅的蒸汽压，因此反应的最初期硅并不能形成蒸汽，而是以液态的形式凝聚在SiC 表面。
随着Si 原子数量的增加会优先在缺陷或者台阶边沿处聚集形成Si 液滴。
随着反应的进行，表层C 原子逐渐被反应耗尽，而此时Si 液滴开始与氢气发生反应而形成气态的S iH4，被氢气流带离SiC 表面，从而达到刻蚀的效果。
过快的刻蚀速度会使SiC 表面粗糙化，所以为了减慢刻蚀速度，提高刻蚀质量，应该在刻蚀过程中保持较高的氢气压。
SiC 具有Si 面和C 面两个极性面，二者的石墨化机制有所差别。
SiC 衬底暴露在大气下，其表面会氧化形成一层氧化层。
对于Si 面S1C,在超高真空或者惰性气体的保护下当温度上升到1000℃， SiC 衬底表面的氧化层会消失，SiC 表面会发生重构，使得SiC 表面会有硅原子富集。
当温度升高到1100℃，SiC 表面重构为3*3R30º形态。
当温度继续升高更多的硅原子会升华，从而形成为36*36R30º重构，也就是界面缓冲层结构。
当温度继续升高且保持足够的时间，SiC 表面富集的的硅原子会脱离衬底表面，最上面三层的碳原子开始坍缩重构形成具有六方蜂窝状结构的石墨烯晶体。
而对于C 面SiC ，当温度从1100℃升高至1150℃以上，3*3R30º重构会逐渐变为SiC 1x1和3x3重构，并且随着温度的升高重构层消失，多层石墨烯开始生长。
C 面SiC 的石墨化过程并没有出现36*36R30º重构过程，因此在C 面SiC 上生长的石墨烯并没有界面缓冲层结构存在。
经过石墨化后两种极性面的SiC 呈现出完全不同的表面形貌。
对于Si 面SiC 石墨化后的典型表面形貌为台阶状;而对于C 面SiC ，石墨化后的表面形成多个石墨烯畴，畴与畴之间被石墨烯褶皱形成脊线所隔开，脊线的高度通常为数纳米至十几纳米。
目前，SiC 热裂解法制备石墨烯通常采用两类设备:EPIGRESS 公司热壁式低压SiC 外延系统和自行设计的石墨烯外延制备系统。
对于前者，由于依赖进口，价格极其昂贵;而对于后者，由于知识产权的保护和技术禁运的限制我国无法购买到商业化产品。
目前国内通常采用分子束外延系统(MBE)替代专用的SiC 热裂解系统进行外延石墨烯的制备，但存在以下缺陷:(1)由于MBE 系统的固有特性，必须保持在超高真空的环境下工作，无法在氢气保护下制备外延石墨烯。
(2) SiC 衬底在热裂解前需要用氢气进行刻蚀处理，去除其表面抛光所留下的划痕，使其显现出台阶状的原子级平整度表面，从而为外延石墨烯的制备提供良好的生长表面;然而MBE 系统却无法实现原位的刻蚀和生长，并且很难解决在非原位生长的过程中SiC 表面的污染问题。
以上原因使得MBE 系统很难制备出高质量的外延石墨烯。
而自行设计的SiC 热裂解法制备外延石墨烯设备系统一般包括真空系统，感应加热及保温系统，温度探测及控制系统和气体流量计分压控制系统。