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(duì)物理化學(xué)方面的納米技術(shù)產(chǎn)生了重大影響，而且對(duì)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(guò)化學(xué)氣相沉積法（cvd）來(lái)合成，石墨烯的轉(zhuǎn)移主要采用濕法轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)。【實(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(guò)程；4、掌握大面積石墨烯的濕法轉(zhuǎn)移過(guò)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(zhǎng)法，簡(jiǎn)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(wú)機(jī)薄膜。cvd法制備薄膜的過(guò)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(huì)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(zhǎng)機(jī)理對(duì)于石墨烯這一新型的二維納米材料在銅箔上生長(zhǎng)的機(jī)理來(lái)說(shuō)，暫時(shí)還沒(méi)有確切的理論sp2來(lái)解釋，但目前比較流行的說(shuō)法是：表面催化作用是石墨烯在銅箔上生長(zhǎng)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(guò)程圖）。上述過(guò)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(huì)基本喪失，這樣銅的表面在生長(zhǎng)完單層的石墨烯后便很難再生長(zhǎng)更多層得石墨烯，這種生長(zhǎng)過(guò)程被稱為自限制生長(zhǎng)，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(zhǎng)過(guò)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(guò)，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(zhǎng)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(kāi)機(jī)械泵開(kāi)關(guān)，打開(kāi)進(jìn)氣閥，打開(kāi)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(kāi)，打開(kāi)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(kāi)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?qǐng)D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(kāi)石英管螺絲，打開(kāi)放氣閥，取出表面長(zhǎng)有石墨烯的銅箔 。2、大面積石墨烯的轉(zhuǎn)移將表面長(zhǎng)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(cè)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(wàn)用表測(cè)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。【思考題】1、 轉(zhuǎn)移石墨烯時(shí)，采用的刻蝕