PDF《化学气相沉积法制备的石墨烯晶畴的氢气刻蚀》

1 引言由于石墨烯具有非常高的透光率和电子迁 移率, 使它在透明电极 [1] 、纳米电子器件 [2?4] 以 及太赫兹器件 [5?7] 中有着非常大的应用潜力. 目前, 利用化学气相沉积法 (CVD), 已经在 Cu [8,9] , Ni [10] , Mo [11,12] 和Ru 等[13] 过渡金属, 甚至贵金 属如Au [14] , Pt [15] 以及化合物GaN [16] 上合成了石 墨烯薄膜. 在这些金属衬底上, 多晶 Cu 衬底上制 备出的石墨烯薄膜显示出了它的优越性, 如生长出 的石墨烯晶畴尺寸比较大 [17] 、 石墨烯薄膜厚度均 匀、 导电性比其他金属上制备的石墨烯好, 并且 Cu 上制备的石墨烯容易被转移到绝缘衬底上. 研究人 员通过改进生长参数制备出毫米级尺寸的石墨烯 晶畴, 利用两步生长法 [9] 制备的石墨烯薄膜, 减弱 了石墨烯薄膜的晶界对其电学性质的影响, 改善了 Cu 上制备的石墨烯的质量, 提高了石墨烯薄膜的 电学性质. Li 等[18] 报道了利用两步生长法制备的 石墨烯薄膜制成的场效应晶体管的电子迁移率达 到了4000 cm2 ・V?1 ・s?1 . 尽管如此, 在Cu上制备出 的石墨烯薄膜经过电学性质测试, 其迁移率还是比 理论计算的要低, 甚至低于手撕石墨烯. Zhu等[19] 报道了连续石墨烯薄膜上的褶皱对石墨烯电学性 质的影响. 我们推断在大的石墨烯晶畴中, 也同样 存在大量的点缺陷和褶皱, 并且点缺陷和褶皱对石 墨烯的电学性质也有较大的影响.

2 实验过程 为了提高制备石墨烯的质量, 实验所用的 Cu 衬底首先经过机械、 化学抛光, 降低了 Cu表面的粗 ? 国家自然科学基金 (批准号: 61136005) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 098101-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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098101 糙度 [20] , 然后将Cu衬底剪裁成2 cm *

2 cm, 进行 标准的超声清洗. 将清洗后的 Cu 衬底放入石英管 内, 在1000 sccm (1 sccm =

1 mL/min) Ar气氛下 加热至

1050 ? C, 然后通入

200 sccm H2 对Cu 衬底 进行退火, 退火时间为

60 min. 退火完成后, 进行 石墨烯晶畴制备, 制备条件为: Ar,

500 sccm, H2,

200 sccm, 混合 CH4,

1 sccm (CH4 与Ar混合气体, CH4 含量为 0.5%), 制备时间为

60 min. 制备完成 后, 关闭 H2 与混合 CH4, 在Ar 气氛下自然降温至 室温.

3 结果与讨论 将覆盖了石墨烯的 Cu 衬底从石英管中取出, 利用光学显微镜观察样品的表面形貌, 图1(a) 为在Cu 衬底上制备的六角形石墨烯晶畴的光学显 微镜图像, 石墨烯晶畴大小为

50 ?m 左右. 将观察 表面形貌后的样品再次放入石英管, 开启机械泵 抽真空, 在管内真空度低于

1 Pa 时, 关闭机械泵, 通入 Ar 至1个大气压, 开启尾气阀, 然后在流量为

500 sccm 的Ar 气氛下加热至

950 ? C 后, 再通入流 量为

200 sccm 的H2 对样品进行刻蚀, 刻蚀时间为

20 min. 图1(b) 是在 Cu 衬底上制备的六角形石墨烯 晶畴在 H2 气氛下刻蚀

20 min 后的光学显微镜图 像, 从图中可以看出, 在六角形石墨烯晶畴表面出 现了清晰的刻蚀条纹, 石墨烯晶畴被刻蚀条纹分成 了一个个岛状结构, 但是整体的六角形形状没有变 化, 边缘也没有被刻蚀, 石墨烯晶畴的尺寸没有发 生变化. 图2(a) 是Cu 衬底上制备的石墨烯晶畴在950 ? C 时被 H2 刻蚀

20 min 后的扫描电子显微镜 (SEM) 图像. 通过观察 SEM 图片, 发现在石墨烯 晶畴的表面刻蚀条纹有着不同的形貌和密度. 如图2(a) 中, 在红色虚线上半部分的 Cu 晶粒上刻蚀 条纹主要为网络状形貌, 刻蚀条纹密度较大, 而在 红色虚线下半部分的 Cu 晶粒上刻蚀条纹为平行线 形貌, 密度较小. 为了确定石墨烯晶畴表面刻蚀条纹形貌和密 度不同的原因, 我们利用电子背散射衍射 (EBSD) 测量了不同刻蚀条纹区域Cu 的晶向. 图2(b) 是与 图2(a)相对应的Cu 衬底的 EBSD图像. 在图