脈沖激光沉積制備石墨烯薄膜的工藝研究
二維結構的石墨烯擁有的優(yōu)異性能，使之成為近年來化學，物理，材料科學等領域的研究熱點。本文以熱解石墨為碳源，采用脈沖激光沉積方法，在單晶Cu (111) 基片上沉積石墨烯薄膜，并對比了高真空氣氛和氫氣氣氛對石墨烯薄膜沉積的影響。薄膜沉積的實驗條件由基片溫度、氫氣分壓和脈寬決定。通過原子力顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡、選區(qū)電子衍射和拉曼光譜研究了薄膜的微觀形貌和結晶度，并發(fā)現(xiàn)基片溫度和氫氣壓強主要決定了石墨烯薄膜的結晶度，其中在氫氣氣氛中400℃時獲得了高質量的石墨烯薄膜。
石墨烯是具有密排蜂窩結構的碳原子，是一種典型的二維材料。自從被發(fā)現(xiàn)以來，因其優(yōu)異的性質而獲得越來越多的關注。理論上石墨烯的比表面積高達2600m2Pg，具有突出的導熱性能(3000W·m-1·K-1 ) 和力學性能(1060 GPa) ，以及室溫下較高的電子遷移率(15000 cm2·V -1·s-1 ) ，使其在單分子探測器、儲氫材料、場效應晶體管等量子器件、功能性復合材料等領域具有巨大的發(fā)展空間。最初發(fā)現(xiàn)石墨烯是通過膠帶剝離石墨得到的，現(xiàn)今石墨烯的主要制備方法有：微機械剝離法，取向附生法，外延生長法，氧化石墨還原法，過渡族金屬襯底化學氣相沉積(CVD) 法。
目前，有關用脈沖激光沉積方法生長石墨烯薄膜的報道還比較少。脈沖激光沉積是高功率脈沖激光被聚焦于靶材表面，使靶材表面瞬間產(chǎn)生高溫高壓等離子體。等離子體定向局域膨脹發(fā)射，并在襯底上沉積而形成薄膜。E. Cappelli 等研究了脈沖激光沉積中基片溫度對碳薄膜生長的影響，研究表明在高溫時碳原子更傾向于形成sp2結構，因其有利于石墨烯薄膜的形成。M. Liu 等研究了不同襯底對薄膜沉積的影響，結果表明在SiC/Al2O3(0001) 和Ni/Al2O3(0001) 襯底上成功生長出了石墨烯薄膜。AngelT. T. Koh 等[19]研究了在不同的金屬襯底上制備缺陷低的多層石墨烯的生長機制，結果表明，石墨烯晶格常數(shù)最接近的金屬襯底(Ni，Cu) 更有利于制備出質量好、缺陷低的石墨烯薄膜。
借鑒CVD方法在制備石墨烯中通入氫氣，本文采用脈沖激光沉積方法探索了在不同氣氛下制備石墨烯合適的工藝條件，研究了氫氣氣氛對石墨烯生長的影響，并與之與真空氣氛下制備石墨烯相對比。為物理氣相沉積(PVD) 方法制備石墨烯提供了新途徑。
1、實驗
本實驗采用熱解石墨作為靶材，以KrF準分子激光器作為激光光源。實驗的具體參數(shù)見表1。在高真空和氫氣氣氛條件下，基片溫度以400，450，500，550，600℃ 生長薄膜。通過原子力顯微鏡(AFM) 對比了表面形貌，采用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM) 、選區(qū)電子衍射( selected area electrondiffraction，SAED) 和拉曼光譜(Raman) 判斷了石墨烯薄膜的形成。
表1 薄膜制備的實驗參數(shù)
2、結論
本文采用脈沖激光沉積方法，對比了高真空氣氛和氫氣氣氛兩種不同條件下對薄膜沉積的影響。通過原子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡和拉曼光譜進行分析比較。結果表明，生長溫度在400～600℃范圍內時，在高真空氣氛中，升高溫度有利于薄膜表面質量的提高。相反地，在氫氣氣氛中，溫度降低有利于薄膜表面質量的提高。并且發(fā)現(xiàn)在氫氣氣氛中，高質量石墨烯薄膜的合適沉積溫度是400℃。
