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鳞片石墨介绍以及应用领域蒸发铜对石墨烯制备系统可靠性的影响
作者: admin 时间:2018-03-01 来源:未知

生长于不同石英管体系的石墨烯光镜照片(a)严重铜污染的石英管,(b)干净的新石英管和(c)重污染的石英管和优化的反应氢气流量;(d)相对应的拉曼光谱表征。例如,在铜箔的制造过程中可能会引入过饱和的碳富集在铜的表面。

成都电子科技大学的李雪松团队发现,在没有任何其它碳源引入的情况下,一个低压CVD系统配备的机械真空泵蒸发出的泵油中的碳足以促使石墨烯的形核和生长[1]。他们还发现,当有堆积的铜污染存在于石英管壁上,石墨烯的生长速率降低,需要更高的碳源分压和更长的生长时间来实现连续的石墨烯薄膜的制备。如图1所示,使用严重铜污染的石英管制备得到的石墨烯中的缺陷明显高于使用干净的新石英管制备的石墨烯。近期,他们还意识到蒸发的铜会向反应体系中引入不可持续的氧,导致石墨烯生长过程的不稳定,并有可能降低反应体系的可依赖性[2]。但当优化氢气流量,减少反应体系中氧(水)的引入,同样使用铜污染的石英管,却可以减少制备的石墨烯中缺陷浓度。[2]

石墨烯的生长温度一般在1000℃,非常接近铜的熔点,大量的铜会蒸发并沉积在石英管壁上,并不可避免地被氧化成氧化铜或氧化亚铜,会增加反应体系中氧或水(通过氢气或甲烷对氧化物的还原)的引入。在早期,人们的关注点主要在于温度、压强、气氛等理想状态下的参数。人们在石墨烯的生长机理的探究和制备工艺的优化上都进行了大量的研究。

现如今,以铜为基底和催化剂通过CVD法制备石墨烯已经成为一种重要的大面积石墨烯制备方法。氧对石墨烯生长的作用具有多面性,一方面氧可以有效去除杂质碳从而降低形核密度提升石墨烯质量;另一方面氧可以在增加石墨烯形核能的同时降低其长大势垒从而加快石墨烯生长的速度以得到大尺寸单晶石墨烯,同时氧的存在还对少数层石墨烯的生长有一定的作用。但是近来,越来越多的研究发现,实际生产过程中引入的杂质和反应体系的污染,即便是微乎其微,也会对石墨烯的生长产生重大影响。但在常压CVD中,降低石墨烯的生长温度也可以有效的减小该因素的影响。这些碳杂质可能会导致石墨烯的形核密度增加,从而使晶畴的尺寸减小。不过通过对铜基底的抛光,或者是氢、氧的刻蚀就可以抑制杂质碳的作用。

和可控而持续的引入氧作用不同,这种通过还原铜的氧化物依赖于还原气体的流量、温度等,这样即便其他参数稳定,也会导致石墨烯生长的非平衡态,是一个全新的影响石墨烯的因素。



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