石墨烯的合成與轉(zhuǎn)移

1、大面積石墨烯的合成與轉(zhuǎn)移實驗石墨烯（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)和工程以及各個學(xué)科之間的納米技術(shù)也產(chǎn)生了重大的影響。本實驗中，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)移來實現(xiàn)?！緦嶒?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?！緦嶒炘怼?、化學(xué)氣相沉積（CVD的基本

2、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。如各種單晶、多相或非晶態(tài)無機薄膜。CVD法制備薄膜的過程，可分為以下幾個主要階段：（1）反應(yīng)氣體向基片表面擴散；（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)物脫離表面而擴散掉或被真空泵抽走，在

3、基片上 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理來說，暫時還沒有確切的理論 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制（在鎳 箔上主要是析出機制），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sp2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，所以在銅箔上

4、更容易得到均一單層的石墨烯1015 r-Time銅箔退火甲烷分解200 r3、大面積石墨烯的濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)該技術(shù)主要是運用“基體刻蝕”法實現(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（PMM）后，用酸刻蝕掉銅，然后將其轉(zhuǎn)移至目標基底 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?！緦嶒炑b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、石英管、減壓閥、進氣 閥、出氣閥、放氣閥、保溫磚等組成。如圖2所示。圖

5、2【實驗步驟】1、大面積石墨烯的合成（1）放樣：將25卩m厚的銅箔裁剪成7cmx 7cm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。打開機械泵開關(guān)，打開進氣閥，打開出氣閥至最大，將 管內(nèi)壓強抽到最小后關(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，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）取樣：待溫度降到室溫后，關(guān)閉進氣閥和出氣閥，關(guān)閉機械泵，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，用勻膠機在 3600rad/s的轉(zhuǎn)速下，旋涂 上6嘛甲基丙烯酸甲酯（PMM）的溶液。然后放入刻蝕液（硫酸銅：鹽酸：水 =1:5:5 ）中刻 蝕半個小時，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1cmx 1cm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60E烘20min后，放入丙酮中浸泡，去掉 PMM，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