石墨烯的合成與轉(zhuǎn)移

1、大面積石墨烯的合成與轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)石墨烯（graphene）是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個(gè)碳 原子厚度的二維材料。它的出現(xiàn)引起了全世界的研究熱潮，并且以驚人的速度在發(fā)展。它不 但對物理化學(xué)方面的納米技術(shù)產(chǎn)生了重大影響，而且對材料科學(xué)和工程以及各個(gè)學(xué)科之間的納米技術(shù)也產(chǎn)生了重大的影響。本實(shí)驗(yàn)中，大面積石墨烯的合成是通過化學(xué)氣相沉積法（cvd）來合成，石墨烯的轉(zhuǎn)移主要采用濕法轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、理解利用化學(xué)氣相沉積法合成納米材料的方法；2、熟悉雙溫區(qū)管式爐的操作；3、掌握大面積石墨烯合成的過程；4、掌握大面積石墨烯的濕法轉(zhuǎn)移過程?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、化學(xué)氣相沉積（cvd）的

2、基本原理化學(xué)氣相沉積是一種化學(xué)氣相生長法，簡稱cvd （chemical vapor deposition ）技術(shù)。這種方法是把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或者幾種化合物的單質(zhì)氣體提供給基片，利用加熱、等離子體、紫外線乃至激光等能源，借助氣相作用或者基片表面的化學(xué)反應(yīng)（熱分解或化學(xué)合成）生成要求的薄膜。由于 cvd法是一種化學(xué)合成的方法，所以可以制備多種物質(zhì)的薄膜。如各種單品、多相或非晶態(tài)無機(jī)薄膜。cvd法制備薄膜的過程，可分為以下幾個(gè)主要階段：（1）反應(yīng)氣體向基片表面擴(kuò)散；（2）反應(yīng)氣體吸附于表面；（3）在基片表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（4）在基片表面產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離表面而擴(kuò)散掉或被真空泵抽走，在基

3、片上留下 不會發(fā)的固體反應(yīng)物一薄膜。2、大面積石墨烯在銅箔上的生長機(jī)理對于石墨烯這一新型的二維納米材料在銅箔上生長的機(jī)理來說，暫時(shí)還沒有確切的理論sp2來解釋，但目前比較流行的說法是：表面催化作用是石墨烯在銅箔上生長的主要機(jī)制（在鍥 箔上主要是析出機(jī)制），甲烷在銅箔的催化下被分解，碳原子鍵斷裂并在銅箔的表面以 雜化鍵重新形成并連接生成石墨烯（如圖 1所示為石墨烯制備過程圖）。上述過程發(fā)生在圖 1中所示的甲烷分解階段，而不是在降溫階段。如果在銅的表面覆蓋上一層石墨烯，銅箔的催化作用將會基本喪失，這樣銅的表面在生長完單層的石墨烯后便很難再生長更多層得石墨烯，這種生長過程被稱為自限制生長，所以在銅箔

4、上更容易得到均一單層的石墨烯。t/rf 1015cc甲烷分解銅箔退火200 c負(fù)壓退火o圖1:ch:h2=100：p90105 time (minf3、大面積石墨烯的濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)該技術(shù)主要是運(yùn)用“基體刻蝕”法實(shí)現(xiàn)cvd法合成石墨烯的轉(zhuǎn)移。在生長過的石墨烯的銅箔的表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）后，用酸刻蝕掉銅，然后將其轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基底上，最后用丙酮除去聚甲基丙烯酸甲酯。不過，這種方法所得到的石墨烯容易破裂，這可能是由于平整度的不同導(dǎo)致石墨烯與基底不能夠完全接觸所致。目前為止，在銅箔上生長的石 墨烯很多都是采用濕法轉(zhuǎn)移法的【實(shí)驗(yàn)裝置】雙溫區(qū)管式爐主要由爐腔、溫度控制面板、加熱絲、熱電偶、石英

5、管、減壓閥、進(jìn)氣閥、出氣閥、放氣閥、保溫磚等組成。如圖 2所示。【實(shí)驗(yàn)步驟】1、大面積石墨烯的合成(1) 放樣：將25叩厚的銅箔裁剪成7cmcm大小，放入管式爐的石英管中熱電 偶中心處，封閉好管式爐，上緊螺絲。打開機(jī)械泵開關(guān)，打開進(jìn)氣閥，打開出氣閥至最大， 將管內(nèi)壓強(qiáng)抽到最小后關(guān)閉出氣閥。(2) 洗氣：將h2和甲烷氣體瓶的閥打開，打開真空流量計(jì)，將氫氣的流量控制閥打 到閥控檔，灌入氫氣，減壓閥指針大概在 0.6pa左右，氫氣流量控制閥打到關(guān)閉檔，打開出氣閥至最大，將管內(nèi)的氣體抽調(diào)至最小。將氫氣的流量控制閥打到通氣檔，數(shù)值調(diào)到10sccm 。（ 3 ） 設(shè)置程序：按照圖一設(shè)置好程序即可。（4）

6、取樣：待溫度降到室溫后，關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，關(guān)閉機(jī)械泵，打開石英管螺絲，打開放氣閥，取出表面長有石墨烯的銅箔 。2、大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移將表面長有石墨烯的銅箔裁剪成所需要的大小，用勻膠機(jī)在3600rad/s 的轉(zhuǎn)速下，旋涂上6%聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）的溶液。然后放入刻蝕液（硫酸銅：鹽酸：水 =1:5:5）中 刻蝕半個(gè)小時(shí)，銅刻蝕完畢后即可轉(zhuǎn)移到任意襯底上。3、大面積石墨烯質(zhì)量的初步檢測將1cmmcm大小、刻蝕完畢的石墨烯轉(zhuǎn)移到石英玻璃襯底上，放入烘箱中60c烘20min后，放入丙酮中浸泡，去掉 pmma ，用萬用表測量其電阻，兩表筆的距離為 1mm 左右，得 出電阻數(shù)值，即可初步判斷合成石墨烯的質(zhì)量?！舅伎碱}】1、 轉(zhuǎn)移石墨烯時(shí)，采用的刻蝕