石墨烯的制备综述.ppt

,石墨烯的制备,2016.12.23,汇报人：XX,目录,石墨烯概述,1,这是一种各项性能极其优异的新材料,石墨烯概述,1,2,3,4,单层二维晶体,同素异形体构成单元,物理性能优异,应用前景广泛,1,传感器,石墨烯概述,2,石墨烯制备方法概述,2,实验室制备石墨烯方法简介,微机械剥离法,碳纳米管横向切割法,微波法,电弧放电法,光照还原法,石墨氧化还原法,电化学还原法,溶剂热法,液相剥离石墨法,碳化硅裂解法,外延生长法,化学气相沉积法,石墨烯的制备方法,石墨烯制备方法概述,4,石墨烯制备,制备方法的分类,5,6,石墨烯制备,外延生长法,石墨烯制备,7,原理,1、清洗2、浸泡3、蚀刻4、吹干,衬底处理,制备步骤,原理,准备工作,制备步骤,外延法,碳化硅外延法,金属外延法,SiC加热蒸掉Si,C重构生成石墨烯,1.衬底升温除水蒸气2.750蒸Si3.1300退火重构得石墨烯,在晶格匹配的金属上高真空热解含碳化合物,UHV生长室衬底粗糙度800)、中温(600800)和低温(600)。,从气压的角度可分为常压、低压(105Pa10-3Pa)和超低压(10-3Pa)。,CVD制备石墨烯生长条件,烯,CVD生长条件,17,CVD生长步骤,18,CVD机制,化学气相沉积生长石墨烯的机制,表面自限制机制（Cu）：吸附（碳氢化合物在催化剂表面吸附与脱附）分解（碳氢化合物分解为碳原子）形核（碳原子聚集形核）长大（碳原子扩散到新核周围成键）,机制一,过饱和析出机制（Ni）:分解（碳氢化合物分解为碳原子）扩散（碳原子扩散到金属内部形成固溶体）过饱和析出（降温后碳原子从固溶体中析出）生长（金属表面聚集形成石墨烯）,机制二,其他机制（Cu/Ni合金）：互补效应一种元素可以有效地催化分解碳源，使碳原子重构形成石墨烯，；另一种元素与融入合金体相的碳原子生成金属碳化物，通过控制碳的偏析就可以控制石墨烯的厚度,机制三,19,SchematicdiagramsofthepossibledistributionofCisotopesingraphenefilmsbasedondifferentgrowthmechanismsforsequentialexposureofCubyCisotopes(12Cand13C):a,b)surfacesegregationand/orprecipitation(a);surfaceadsorption(b),Adv.Mater.2016,28,62476252,两种机制对比,20,金属基底,21,在Ni膜上的SEM照片,不同层数的TEM照片,转移到二氧化硅/硅上的光学照片,以镍为基底生长石墨烯,金属基底,22,以铜为基底生长石墨烯,铜箔上低倍SEM照片,铜箔上高倍SEM照片,合金基底,NATUREMATERIALS,2016,1,No.1543-48,23,以铜镍合金为基底生长石墨烯,a)Cu-Ni合金的形成及石墨烯成核和生长示意图b)Cu85Ni15合金在不同的温度下石墨烯生长速率的比较c)多晶石墨烯在Cu85Ni15的CVD过程,右为在1100Cu85Ni15衬底上生长15分钟的石墨烯光学图像d)单晶石墨烯的CVD过程,右为1100下生长150分钟获得的石墨烯的光学图像,合金基底,NATUREMATERIALS,2016,1,No.1543-48,24,以铜镍合金为基底生长石墨烯,a,EnergyprofilesofaCH4moleculedecompositionontheCu(100)surfacewithandwithoutasubstitutedNiatom.TheHreleasedinthepreviousdecompositionstepisnotshownforclarity.b,EnergyprofilesofCdiffusionfromsurfacetothebulkinpureCu(blackline),alongacontinuouschainembeddedintheCu(redline),andbetweentwoNi-richsites(greenline)insidetheCubulk.ThelabelsI,II,:,Vinthetoppanelrefertothestablestatesduringeachdiffusionpathmarkedinthebottompaneloftheenergycurve.Thelargeblue,redandgreyballsrepresentNi,CuandCatoms,化合物基底,small2015,11,No.47,63026308,以NaCl为基底生长石墨烯示意图a)石墨烯在NaCl上生长示意图b)石墨烯生长前（左）和生长后（右）的NaCl晶体c)NaCl晶体的溶解过程d.e)NaCl上生长的石墨烯SEM图f)NaCl上生长的石墨烯拉曼光谱图,25,以NaCl为基底生长石墨烯,化合物基底,small2015,11,No.47,63026308,26,以NaCl为基底生长石墨烯,Determinationofgraphenelayernumber:a)high-resolutionTEMimagesofgraphenesheetswithdifferentlayernumbers.b)Layernumberdistributionofgraphenesheets.30sheetswererandomlyselectedforHRTEMcharacterizations.c)AFMimageofgraphenesheetdispersedonSiO2/Sisubstrateandthecorrespondingheightmeasurement.d)LVAC-HRTEMimageofgraphenesheet.e)Zoom-inimageofthemarkedareain(d).Scalebars:a)5nm,c)500nm,d)1nm,ande)0.2nm.,半导体基底,ACSAppl.Mater.Interfaces2016,8,3378633793,(a)Graphenegrownon200mmGe/Siwaferand(b)Ramanspectraattheindicatedplaces.Thehistogramofthe2D/Gratioovertheentirewafer(100measuredpoints)isdepictedintheinsetofpanelb.,27,以半导体晶元为基底生长石墨烯,ACSAppl.Mater.Interfaces2016,8,3378633793,半导体基底,Ramananalysis.(a)fwhmmapof2Dmode.(b)Histogramofthe2Dmode.,28,以半导体晶元为基底生长石墨烯,玻璃基底,ActaPhys.-Chim.Sin.2016,32(1),1427,29,以白浮玻璃为基底生长石墨烯,(a)在玻璃上的进行PECVD的石墨烯生长示意图;(b)石墨烯生长在不同类型玻璃上;(c)在相同条件下，不同类型玻璃基底上的石墨烯拉曼光谱分析(f)合成的石墨烯玻璃样品的薄层电阻与前驱体浓度的关系(g)直接在玻璃上PECVD的石墨烯薄膜SEM图像(h)转移到二氧化硅/硅衬底上的石墨烯的光学图像(i)直接PECVD的石墨烯/白浮玻璃样品的接触角和光学透射率。插图是疏水的石墨烯/玻璃(左)和亲水的普通玻璃表面。,玻璃基底,NanoResearch2016,9(10):30483055,30,以白浮玻璃为基底生长石墨烯限制碳源气体流动,小结,该法有望满足透明导电薄膜等方面的应用需求,但制备的石墨烯以多晶为主，达不到电子器件级的要求。因此,减少CVD法制中石墨烯岛的数量，备大面积高质量单晶石墨烯是目前的一个研究热点。此外，如何实现石墨烯带以及石墨烯宏观体的制备,进而扩展石墨烯的性能和应用;如何实现石墨烯在聚合物等基体上的低温生长等,也是CVD方法的未来发展方向,CVD石墨烯,31,总结与展望,4,石墨烯将开创21世纪的新材料纪元,1,2,3,从发现至今，关于石墨烯及其相关应用的研究已经取得了很大的进展,从数量上讲，中国大陆申请石墨烯技术的专利占到了全球的50%以上,可能在薄膜材料、电子器件、复合材料和储能器件等诸多领域带来变革,4,大多数研究还处于实验室阶段，石墨烯产业化还有一段很长的路要走,总结与展望,33,结论,工业制备方面未来的重要方向有：大面积单晶石墨烯的制备掺杂石墨烯的可控制备石墨烯宏观体的制备更多复合材料的可控制备,石墨烯的总结,34,10m,1nm,100nm,10m,1km,100km,10000km,1mm,10cm,尺寸,两极性晶体管,接触面板用透明导电薄膜,超级电容器电极材料,钓鱼竿/球拍