蓝宝石上石墨烯的近程催化生长研究
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长， 本 文提 出 了近 程 催 化 的 生长 机 理 。
关 键 词 ：石 墨 烯 生 长 ； 近 程 催化 ； 化 学 气相 沉 积 ； 蓝 宝石
中 图 分 类 号 ：０ ６ ４ ６ ； Ｔ Ｂ ３ ； Ｔ Ｇ１ １ ５ ． ２ １ ５ ． ７ 文 献标 识 码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． １ ０ ０ ０ ． ６ ２ ８ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ０ １
第 ３ ２卷 第 ５期
２ ０１ ３年 １ Ｏ月
电 子
显Βιβλιοθήκη Baidu
微
学
报
Ｖｏ ｌ ＿ ３２． Ｎｏ ． ５
２ Ｏ１ ３— １ Ｏ
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ Ｓ ｏ ｃ ｉ ｅ ｔ ｙ
它 的尺寸 趋 近 于 １ Ｉ ｘ ｍ。衬 底 上 石 墨 烯 的全 覆 盖 也
得 到 了实 现 。
作用 生长 的石 墨烯 的 影 响 。通 过 改 变 甲烷 的 流量 （ 从 １ ｓ ｃ ｃ ｍ到 ４ ｓ ｃ ｃ ｍ） ， 同时 保证 其他 的生 长 参 数不 变， 发 现单 晶蓝 宝石 表 面 石 墨 烯 的成 核 和 生 长 过 程
烯 的原 因 可 能 是 下 述 的金 属 表 面 对 生 长 的 两 个 作
过程维持 ３ ０ ａ ｒ ｉ ｎ 。低 压 阶段 结 束 后 ， 把 压 强 调 到
４ ０ ０ Ｐ ａ ， 其 他 生 长 参 数 不 变 。这 个 高 压 生 长 过 程 持
续６ ０ ｍ ｉ ｎ 。生 长结 束后 ， 关 闭管式 炉 ， 同时把 氢气 从 ０ ． ８ ｓ ｃ ｃ ｍ调 回到 ２ ０ ｓ ｃ ｃ ｍ。 自然冷却 到 室温 后关 闭管 式炉 气路 。利 用原 子力 显微 镜 的轻敲模 式来 表 征生
５ １ ４ ｎ ｍ 的拉 曼 光谱来 对 石墨烯 的 特征峰 进行 表征 。
２ 结 果 与讨 论
首先 探究 甲烷 浓度对 这 种两 步式 的铜 近程催 化
催化 作用 的优势 ， 同时 利 用 蓝 宝 石衬 底 原 子 级 平 整 的表 面来 进行 石 墨烯 的生 长 。利用 所述 的 近程催 化 方法 ， 本 文发 现 了石 墨烯 岛 的成 核 和 岛的长 大现 象 。
生长 时 ， 先把 氢 气 的流量 降到 ０ ． ８ ｓ ｃ ｃ ｎ ｌ ， 压 强 降 到
１ ０ ０ Ｐ ａ ， 然后通 入 １～ ５ ｓ ｃ ｃ ｍ 的 甲烷 。这 个低 压 生 长
学 性质 ， 石 墨烯 需 要 转 移 到其 他 衬 底 上 。虽 然 现 在 已经发 展 出 了把 金 属腐蚀 掉 并把 石墨 烯转 移到 其他 衬底 上 的方 法 ， 但 众所 周 知 转 移 过程 中 引入 的污 染 和石 墨 烯 的 折 叠 会 很 大 程 度 上 降 低 石 墨 烯 的质 量 。因此在 绝 缘 衬 底 上 制 备 石 墨 烯 就 成 了 一 个 热 门 的研 究 课题 。金 属 表 面上 ， 能 长 出 高 品质 石 墨
文章编 号 ： １ ０ ０ ０ ￣２ ８ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ － ０ ３ ６ ５ — ０ ７
蓝 宝石 上石 墨烯 的近 程 催 化 生 长研 究
施 图万， 陈建 辉 ， 吴 孝 松 ， 俞 大鹏
（ 北 京 大学 物理 学 院 ， 北京 １ ０ ０ ８ ７ １ ）
摘 要 ：在 半 导 体 或 者 绝 缘 衬 底 上 利 用 化 学 气 相 沉 积 方 法 生 长 石 墨 烯 和 在 金 属 上 生 长 石 墨 烯 相 比 具 有 很 明 显 的 优势 ， 它 克 服 了前 期 转 移 石 墨烯 时 引入 的 杂 质 污 染 和 缺 陷产 生 的 问题 。本 文提 出 了一 种 新 的 近 程 催 化 的 方 法 可 以 在 蓝 宝石 衬 底 上 直接 进 行 石 墨 烯 的 生 长 。该 方 法利 用 了金 属 作 为 催 化 剂 的 优 势 ， 又 避 免 了 转 移 石 墨 烯 的 过 程 。 该 方 法 能 制 备 出 完全 覆 盖 衬 底 的 石 墨 烯 ， 同 时 石 墨 烯 畴 的 大 小接 近 １ Ｄ ｍ。 基 于 生 长 过 程 中石 墨 烯 的 成 核 和 畴 的 生
石 墨 烯特 殊 的性 质 使 得 它 在 物 理 ， 材 料科 学 和 其 他很 多 领域 引起 了越 来越 多 的关 注 。预期 这种 材
料 可 能在 各 个 领 域 发 现 它 的 应 用 价 值 。大 规 模
１ 实 验 方 法
把 蓝宝 石 衬 底 （ ０ ０ ０ １ ） 放 到 氧 气 中退 火 以获 得 原 子级平 整 的 台 阶。然 后 把 它 正 面朝 下 盖 在 铜 箔 上， 并使 二者 紧 密接 触 。接着 把 它 们 推 入水 平 石 英 管式 炉 中 。首先把 管 式 炉 的温 度 升 到生 长 的温 度 ， 升 温过程 中通 人 １ ０ ０ ｓ ｃ ｃ ｍ 的氩 气 和 ２ ０ ｓ ｃ ｃ ｍ 的氢 气 。
长有 石墨 烯 的 蓝 宝 石 的 形 貌 。用 激 光 激 发 波 长 为
用 。一是 催 化含碳 基元 的沉 积 ， 二是 提 供 一 个 能 使
含碳 基元 结 合形 成石 墨烯 的表 面 。金 属 的催 化 剂有 包括 降低 生 长过 程 的热 阈值等 诸 多优点 。在本
文中， 让 铜箔 和衬 底 紧密 接触 ， 以此 来利 用金 属 表面
生 长 高质 量 的石墨 烯材 料是 它实 现工 业化 应用 的 重 要 步骤 。因为 在过 渡金 属表 面 能合成 出 高单 晶质 量 的大尺 寸 石墨烯 ， 因此在 过渡 金属 表 面 ， 利 用化 学气 相 沉积 方 法生 长 的石墨 烯很 有大 规模 应用 的可 能性
前 景 。但 为 了 探 究 这 种 方 法 生 长 的石 墨 烯 的 电
关 键 词 ：石 墨 烯 生 长 ； 近 程 催化 ； 化 学 气相 沉 积 ； 蓝 宝石
中 图 分 类 号 ：０ ６ ４ ６ ； Ｔ Ｂ ３ ； Ｔ Ｇ１ １ ５ ． ２ １ ５ ． ７ 文 献标 识 码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． １ ０ ０ ０ ． ６ ２ ８ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ０ １
第 ３ ２卷 第 ５期
２ ０１ ３年 １ Ｏ月
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Ｖｏ ｌ ＿ ３２． Ｎｏ ． ５
２ Ｏ１ ３— １ Ｏ
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它 的尺寸 趋 近 于 １ Ｉ ｘ ｍ。衬 底 上 石 墨 烯 的全 覆 盖 也
得 到 了实 现 。
作用 生长 的石 墨烯 的 影 响 。通 过 改 变 甲烷 的 流量 （ 从 １ ｓ ｃ ｃ ｍ到 ４ ｓ ｃ ｃ ｍ） ， 同时 保证 其他 的生 长 参 数不 变， 发 现单 晶蓝 宝石 表 面 石 墨 烯 的成 核 和 生 长 过 程
烯 的原 因 可 能 是 下 述 的金 属 表 面 对 生 长 的 两 个 作
过程维持 ３ ０ ａ ｒ ｉ ｎ 。低 压 阶段 结 束 后 ， 把 压 强 调 到
４ ０ ０ Ｐ ａ ， 其 他 生 长 参 数 不 变 。这 个 高 压 生 长 过 程 持
续６ ０ ｍ ｉ ｎ 。生 长结 束后 ， 关 闭管式 炉 ， 同时把 氢气 从 ０ ． ８ ｓ ｃ ｃ ｍ调 回到 ２ ０ ｓ ｃ ｃ ｍ。 自然冷却 到 室温 后关 闭管 式炉 气路 。利 用原 子力 显微 镜 的轻敲模 式来 表 征生
５ １ ４ ｎ ｍ 的拉 曼 光谱来 对 石墨烯 的 特征峰 进行 表征 。
２ 结 果 与讨 论
首先 探究 甲烷 浓度对 这 种两 步式 的铜 近程催 化
催化 作用 的优势 ， 同时 利 用 蓝 宝 石衬 底 原 子 级 平 整 的表 面来 进行 石 墨烯 的生 长 。利用 所述 的 近程催 化 方法 ， 本 文发 现 了石 墨烯 岛 的成 核 和 岛的长 大现 象 。
生长 时 ， 先把 氢 气 的流量 降到 ０ ． ８ ｓ ｃ ｃ ｎ ｌ ， 压 强 降 到
１ ０ ０ Ｐ ａ ， 然后通 入 １～ ５ ｓ ｃ ｃ ｍ 的 甲烷 。这 个低 压 生 长
学 性质 ， 石 墨烯 需 要 转 移 到其 他 衬 底 上 。虽 然 现 在 已经发 展 出 了把 金 属腐蚀 掉 并把 石墨 烯转 移到 其他 衬底 上 的方 法 ， 但 众所 周 知 转 移 过程 中 引入 的污 染 和石 墨 烯 的 折 叠 会 很 大 程 度 上 降 低 石 墨 烯 的质 量 。因此在 绝 缘 衬 底 上 制 备 石 墨 烯 就 成 了 一 个 热 门 的研 究 课题 。金 属 表 面上 ， 能 长 出 高 品质 石 墨
文章编 号 ： １ ０ ０ ０ ￣２ ８ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ － ０ ３ ６ ５ — ０ ７
蓝 宝石 上石 墨烯 的近 程 催 化 生 长研 究
施 图万， 陈建 辉 ， 吴 孝 松 ， 俞 大鹏
（ 北 京 大学 物理 学 院 ， 北京 １ ０ ０ ８ ７ １ ）
摘 要 ：在 半 导 体 或 者 绝 缘 衬 底 上 利 用 化 学 气 相 沉 积 方 法 生 长 石 墨 烯 和 在 金 属 上 生 长 石 墨 烯 相 比 具 有 很 明 显 的 优势 ， 它 克 服 了前 期 转 移 石 墨烯 时 引入 的 杂 质 污 染 和 缺 陷产 生 的 问题 。本 文提 出 了一 种 新 的 近 程 催 化 的 方 法 可 以 在 蓝 宝石 衬 底 上 直接 进 行 石 墨 烯 的 生 长 。该 方 法利 用 了金 属 作 为 催 化 剂 的 优 势 ， 又 避 免 了 转 移 石 墨 烯 的 过 程 。 该 方 法 能 制 备 出 完全 覆 盖 衬 底 的 石 墨 烯 ， 同 时 石 墨 烯 畴 的 大 小接 近 １ Ｄ ｍ。 基 于 生 长 过 程 中石 墨 烯 的 成 核 和 畴 的 生
石 墨 烯特 殊 的性 质 使 得 它 在 物 理 ， 材 料科 学 和 其 他很 多 领域 引起 了越 来越 多 的关 注 。预期 这种 材
料 可 能在 各 个 领 域 发 现 它 的 应 用 价 值 。大 规 模
１ 实 验 方 法
把 蓝宝 石 衬 底 （ ０ ０ ０ １ ） 放 到 氧 气 中退 火 以获 得 原 子级平 整 的 台 阶。然 后 把 它 正 面朝 下 盖 在 铜 箔 上， 并使 二者 紧 密接 触 。接着 把 它 们 推 入水 平 石 英 管式 炉 中 。首先把 管 式 炉 的温 度 升 到生 长 的温 度 ， 升 温过程 中通 人 １ ０ ０ ｓ ｃ ｃ ｍ 的氩 气 和 ２ ０ ｓ ｃ ｃ ｍ 的氢 气 。
长有 石墨 烯 的 蓝 宝 石 的 形 貌 。用 激 光 激 发 波 长 为
用 。一是 催 化含碳 基元 的沉 积 ， 二是 提 供 一 个 能 使
含碳 基元 结 合形 成石 墨烯 的表 面 。金 属 的催 化 剂有 包括 降低 生 长过 程 的热 阈值等 诸 多优点 。在本
文中， 让 铜箔 和衬 底 紧密 接触 ， 以此 来利 用金 属 表面
生 长 高质 量 的石墨 烯材 料是 它实 现工 业化 应用 的 重 要 步骤 。因为 在过 渡金 属表 面 能合成 出 高单 晶质 量 的大尺 寸 石墨烯 ， 因此在 过渡 金属 表 面 ， 利 用化 学气 相 沉积 方 法生 长 的石墨 烯很 有大 规模 应用 的可 能性
前 景 。但 为 了 探 究 这 种 方 法 生 长 的石 墨 烯 的 电