内容发布更新时间 : 2024/12/23 9:30:06星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

和晶区尺寸，制备出来的石墨烯薄膜中石墨烯的尺寸竟达1μm。比起那些直接在二氧化硅基体上生长出来的石墨烯薄膜，性能整整提高了2倍[12]。总而言之通过CVD化学气相沉积法制备出来的石墨烯质量较高，可控性好，便于在太阳能和场发射的相关领域的使用，但是利用该方法制备的石墨烯大多数都要转移到其它的基体上，才能制备成石墨烯器件和电路，转移过程中难免会给石墨烯造成破损、褶皱、污染以及材料浪费等问题[13]。因此，能不能在介电层上直接生长石墨烯就成为了重要的科学意义和极高的实用价值。

2.2 CVD工作原理

CVD是利用气态物质在固体表面进行反应生成固态沉积物的过程，是一种在高温下利用热能进行热分解和热化合的沉积技术。它一般包括如下三个步骤： （1） 产生挥发性物质；

（2） 将挥发性物质输运到沉淀区；

（3） 在基体上发生化学反应而生成固态物质；

石墨烯的化学气相沉积主要涉及到下表2-1三个相关的因素，经查阅资料文献本次试验我们分别采用泡沫镍和碳布作为基体做对比分析，采用甲烷气体作为碳源，气压为常压105Pa，载气为氮气。

表2-1 化学气相沉积涉及的三个因素

相关因素 选取的碳源 决定体系的生长环境 温度大小 常用选取类型 烃类气体（甲烷、乙烯、乙炔等） 选取的生长基体 载气的类型 现在大部分都选择金属箔或者特定基体上的金属薄膜（镍Ni 铜Cu 铷 Ru）及合金作为生长基体 生长条件 压强的大小 常压、低压(105Pa～ 10- 3Pa)和超低压(< 10- 3Pa)

2.3 实验药品和设备

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本次实验所需要的原料有：碳布，泡沫镍，无水乙醇，盐酸，丙酮，去离子水，甲烷气体，高纯度氢气，高纯度氮气；

所需实验设备： CVD管式炉（包含石英方舟），超声清洗仪，真空干燥箱；

石英炉管 单温区滑轨炉 GLS混气系统 GZK-103G真空系统 图2-1 CVD反应炉

图2-2 2XZ(C)型旋片式真空泵

图2-1和图2-2是实验用到的CVD管式炉和2XZ(C)型旋片式真空泵的实物图，由图2-1可见，CVD管式炉包含有单温区滑轨炉、石英炉管、GLS混气系统和GZK-103G真空系统四个部分，每个部分仪器的特点位于表2-2中。图2-1管内中间红色部分即为实验的发生区域，它大概有15厘米的恒定高温区，当我们实

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验的时候就把碳布或者铜箔衬底放置于该区域中。值得引起我们注意的是由于化学气相沉积法（CVD）制备有两种气压的生长条件，常压化学气相沉积法和低压化学气相沉积法，但是我们选用的装备是相同的，不同点就是供气和抽气装置。

表2-2 实验所需仪器

实验仪器 单温区滑轨炉 仪器特点 集高温炉，控制系统，滑轨为一体，高温炉采用OTF-1200X炉体，安装有双向导轨，在移动的时候，左右拉动炉体能够保证有足够的空间使石英管的加热恒温区出炉体，满足快速降温的要求。 石英炉管 石英管具有很高的耐急冷急热性，能够满足突然降温而不破列的要求。 GLS混气系统 本配比器适用于低压小流量，多种气体单一/混合连续供气系统。方便多种气体的切换使用，不会造成大气进入加热管。在通气的时候，各种气体进入反应室之前会经过该系统进行气体的混合。 GZK-103G真空系统 该套设备集合了分子泵，机械泵，控制器和显示仪器四大部分，集合了所有系统的优点，整个系统全自动控制，操作简单。

生产厂家 合肥科晶材料技术有限公司 合肥科晶材料技术有限公司 合肥科晶材料技术科技有限公司 合肥科晶材料技术科技有限公司 本泵用来对密封容器抽出气18

临海市谭氏真空设备有限公2XZ(C)型旋片式真空泵 体从而获得真空环境并且可以抽除少量的可凝性蒸汽。 司 气体源 纯度极高（浓度≥99.99％） 林德气体厦门有限公司 2.4 对衬底的预处理

首先将基体裁剪为2cm见方的正方形，由于基体表面有些杂质，会影响石墨烯的生长，所以，刚买回来的基体材料并不能立即作为生长基体来使用，主要原因就是基体虽然在干燥的空气中稳定状态，但是只要接触到潮湿的空气后表面就会发生缓慢的化学反应[14]。在基体表面产生由多种化合物组成的氧化层，产生的氧化层能够影响基体的催化作用，因此，先除去基体表面的氧化层对于石墨烯的生长非常有利[15]，我们对基体预处理的流程依次为将衬底分别在盐酸（去除氧化物）；丙酮（去除有机物）；乙醇（去除丙酮）和去离子水中（去除乙醇）进行超声，该超声大概每次进行10分钟，超声完毕后用高纯度氮气将衬底吹干，或者放置于浓度为10％的HCl溶液中浸泡，再利用去离子水漂洗和超声，五次上述浸泡漂洗操作之后再用高纯氮气吹干。

图2-3 预处理后的碳布衬底

2.5 石墨烯的生长过程

本次试验我们采用甲烷CH4为前驱体流量为10sccm （标况毫升每分）10分钟或者50sccm（标况毫升每分） 5分钟，载气为氮气N2

（1） 首先打开仪器，设置温度，由于反应炉温度变化的极限速率为10℃/min，所以我们先以10℃/min的速率升温40分钟达到400℃以后再以3℃/min的速率升温200分钟达到1000摄氏度。

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（2） 检查炉子一切正常以后，打开N2气阀门，调整流量计速率为200sccm （3） 装样将预处理干净的正方形基体放置在SIO2石英方舟里面，如下图2-3所示。利用金属推杆将石英方舟推进管中央恒温区，放置好炉塞，最后上阀栏，在上阀栏的时候需要注意的是由于阀栏有三个螺丝，因此，上阀栏的时候不能一次性将螺丝拧紧，而需要均匀的将三个螺丝拧到最紧，目的是为了防止反应的时候受力不均匀产生应力，对实验产生严重影响。

（4） 抽真空 打开旋片式真空泵，调节气阀，使反应环境达到真空，保持压强为1000Pa.然后关闭氮气阀门。

（5） 调节甲烷CH4流量计，使甲烷流量控制为50sccm，调整好流量之后关闭甲烷进气阀，打开氮气阀。如下图2-4所示。

图2-4 反应发生图

（6） 移动管式炉体到恒温反应区，使炉体覆盖住样品，沉积时间为15分钟。 （7） 就在样品管发生沉积处的温度达到1000℃之后，关闭氮气进气阀门，打开甲烷进气阀门，这样甲烷气体就能够进入反应区，甲烷气体在高温的作用下，可以分解为C,H两种原子，而C原子通过在沉底上的吸附与迁移的过程之后，就会沉积在衬底表面，形成石墨烯薄膜。

（8） 反应10分钟后，将炉体移开。关闭甲烷气体阀，打开氮气阀。

（9） 均匀的拧开阀栏上的三个螺丝（切忌一次性拧下来），依次关掉气泵阀门，旋片式真空泵开关，气泵电源插头，是气泵放气。

（10） 待玻璃管中压强达到常压的时候，去掉阀栏，用钩子勾出炉塞后，去除石英方舟，拿出样品。下图2-5为以泡沫镍为衬底生长出的石墨烯。

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