摘要
石墨烯是一种由sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维层状材料。自从2004年石墨烯被发现以来，诸多新奇的物性被科学家们用实验揭示。2010年，诺贝尔物理学奖授予了使用机械剥离法发现石墨烯的AndreGeim和KonstantinNovoselov，随即引起了全球研究石墨烯的热潮。高比表面积、导电性、稳定性和载流子迁移率等特性使石墨烯在储能、催化和半导体器件等领域有着广阔的应用前景。因此，为了石墨烯能够更好地服务于特定的应用领域，对石墨烯进行结构的调控就显得十分有意义。多晶石墨烯成本低，更适合作为透明导电极，单晶石墨烯载流子迁移率高，更适合应用于半导体器件。另一方面，石墨烯的层数也会使它的性质发生变化。单层石墨烯和ABA堆叠的三层石墨烯是0带隙的半金属材料，双层石墨烯和ABC堆叠的三层石墨烯则是带隙可调的半导体材料。 化学气相沉积(CVD)法制备石墨烯是目前公认的最有可能工业化的方法之一。尽管CVD石墨烯的技术在近些年已经得到了长足的发展，但石墨烯结构调控和生长机理的研究还存在一些待解决的问题。例如：多晶石墨烯的结构调控、单晶石墨烯的层数调控及其生长机理等。本文围绕这一内容，研究了非金属基底上石墨烯薄膜和大尺寸单晶石墨烯的结构调控(尤其是层数的控制)及生长机理。本文的主要研究内容和结果如下： 以金属薄膜沉积中的副产物碳作为石墨烯的碳源，在非金属基底上生长出厚度可控的高质量石墨烯薄膜，避免了转移工艺劣化石墨烯的性能。当沉积温度为350℃，压强为5000Pa，生长时间为60min时，Al2O3(0001)基底上生长的铜/碳薄膜具有良好的外延特性。然后将铜/碳薄膜进行热处理并刻蚀金属层，就可以在Al2O3(0001)基底上得到ID∶IG≈0.86的高质量少层石墨烯薄膜。进一步通过调控铜/碳薄膜中碳层的厚度，可以在Al2O3(0001)和SiO2等基底生长出3、5、8和10层的石墨烯薄膜，透过率最高为93.5%，方阻最低为0.8kΩ·sq-1，并以3层石墨烯薄膜作为电极组装了高性能电致变色器件。 采用电镀的方法得到了高质量电镀铜薄膜，并以电镀铜为基板生长出了单晶尺寸约为400μm的单层石墨烯。电镀温度和电流密度主要影响电镀铜的粗糙度和晶界数量进而影响石墨烯的成核密度。当铜薄膜的电镀温度由20℃提高至65℃时，石墨烯的成核密度由124mm-2提高至448mm-2。当铜薄膜的电流密度由0.03A/cm2提高至0.07A/cm2时，石墨烯的成核密度由124mm-2提高至192mm-2。最终，使用预氧化的方法在优化后的电镀铜薄膜上生长出单晶尺寸约为400μm的单层石墨烯，并组装了场效应晶体管器件，载流子迁移率约为4040cm2V-1s-1。 自限制机制的束缚使得单晶石墨烯的层数控制变得十分困难。以预熔铜作为基底，生长出尺寸为80μm的单晶三层石墨烯。当沉积温度为1080℃时，铜表面会形成一层厚度约为0.9~1.4nm(相当于4~6个铜原子层)的预熔铜层。这层预熔铜可以隔绝石墨烯和下层的固态铜，加速碳原子的扩散，最终得到尺寸约为80μm的单晶三层石墨烯。以熔融铜作为基底，制备出了单晶尺寸约为600μm的伞状石墨烯。伞状石墨烯由伞面和伞脊两部分组成，伞面的厚度最薄，约为10层，伞脊的厚度呈梯度分布，最厚可达30层。伞状石墨烯的生长遵循浸没生长理论。伞状石墨烯部分浸没在液态铜中，碳原子可以扩散至伞状石墨烯的每一层，确保伞状石墨烯可以持续生长至0.6mm。伞状石墨烯与单层石墨烯存在竞争生长的关系，大的氢气流量更有利于伞状石墨烯的生长。
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