單晶石墨烯形成機(jī)理的研究.pdf

1、單晶石墨烯擁有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，以銅箔為襯底，CVD方法是實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)量大尺寸制備最具前途的方法。然而，目前實(shí)驗(yàn)上制備的石墨烯無論在質(zhì)量還是尺寸方面都不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，因此理清其微觀生長(zhǎng)機(jī)理、改進(jìn)制備參數(shù)對(duì)于提高單晶石墨烯的品質(zhì)具有重要的意義。
　　采用基于密度泛函理論的第一原理計(jì)算方法，本文主要研究了石墨烯成核生長(zhǎng)過程中過渡態(tài)CxHy團(tuán)簇在銅襯底表面的吸附和生成行為。通過對(duì)此類碳?xì)鋱F(tuán)簇吸附能、與銅表面的距離以及結(jié)構(gòu)特征的

2、分析，得出以下結(jié)論：
　　（1）基于C、H原子的CxHy小團(tuán)簇在Cu(111)表面的形成研究表明，隨著氫原子飽和度、氫原子個(gè)數(shù)的增大，CxHy團(tuán)簇的形成能減小，碳原子與銅表面的平均距離增加，C-C鍵的平均鍵長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)。然而，當(dāng)生成的CxHy團(tuán)簇具有空間對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，在一定程度上打破了這一規(guī)律性。令人驚奇的是，形成的C3H4和 C3H5對(duì)稱團(tuán)簇具有類似石墨烯的空間結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)可能在石墨烯的形成過程中起著重要的作用。
　　（2

3、）基于C、CHx的C3H4和C3H5團(tuán)簇在Cu(111)表面的形成研究表明，當(dāng)初始粒子不含CH3基團(tuán)時(shí)，Cu(111)面上有相應(yīng)的C3H4和C3H5團(tuán)簇生成。當(dāng)初始粒子含CH3基團(tuán)時(shí)，Cu(111)面上并無相應(yīng)碳原子數(shù)的碳?xì)鋱F(tuán)簇生成，但CHx基團(tuán)之間的相互作用促進(jìn)了CH3的分解，形成CH、CH2、C2H4等小型碳?xì)鋱F(tuán)簇分別獨(dú)立吸附在銅表面的終態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)稱C3H4和C3H5團(tuán)簇分別與CH基團(tuán)結(jié)合形成C4H5和C4H6團(tuán)簇的計(jì)算結(jié)果顯

4、示，與形成的C4H5相比，C4H6團(tuán)簇的形成能更低，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，對(duì)稱性更高。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)石墨烯的實(shí)驗(yàn)制備進(jìn)行了初步探索。采用低壓條件下的微波等離子化學(xué)氣相沉積法，以 CH4為碳源，在銅箔表面上生長(zhǎng)單晶石墨烯。對(duì)銅箔的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)表明：先進(jìn)行10％的稀鹽酸超聲處理，再經(jīng)過10V、3min的電化學(xué)拋光，最后在氫氣環(huán)境下高溫退火可以有效改善銅箔表面的粗糙度。原子力顯微鏡檢測(cè)顯示，經(jīng)過以上預(yù)處理的銅箔最高凸起在10nm以下。