探究石墨石墨烯大面积生长以及转移

论文导读：
摘 要 作为一种新型的材料，石墨烯收到了人们的高度关注，不仅因为石墨烯的六角晶格结构，还包括石墨烯的特殊性质。在进行大量的实验研究，我们在一步步的解开石墨烯的神秘面纱。石墨烯拥有非常好的发展前景，以及其潜在的应用价值，在工业技术中有很好的可替代性。笔者根据石墨烯的一些发展历史，基本性质，以及石墨烯的制作，还有石墨烯的转移来进行阐述。
关键词 石墨烯；拉曼反射；拉曼光谱； PDMS；PMMA
A 文章编号 1674-6708（2013）92-0121-02
1石墨烯的发展历史
1.1碳
在自然界中有一种元素拥有它独特的重要地位，世界上最硬的物质，与世界上最软的固体石墨，都是有这种元素构成的，它就是碳。碳元素的形成是由于在恒星中融合三个α粒子所导致的，在宇宙中重元素就是通过这个奇妙的过程形成的，也就奠定了它至今的重要地位。有机化学的基础是碳原子之间互相接连构成网络构型的能力。与此同时，也是我们生命形成的根源。

1.2 石墨烯

石墨烯是当今所知的材料中最薄的，并且石墨烯非常的牢固坚硬。石墨烯作为一种单质，它在室内的常温下传递电子比任何已知德尔导体速度都快。 石墨烯拥有非常特别的导电性能、透光性等。这也是它能够在科学界引起广泛关注的主要原因。石墨烯的发现将会激起现代电子科技的一场前所未有的革命历史。
2 石墨烯的基本特征
我们都知道在碳原子的周围是有六个电子轨道的。电子的转移是导致化学反应的根源。原子轨道之间的夹角不同，也就形成了不同的网络结构。石墨烯的结构就是一个六角晶格的形状。这样的结构和石墨烯的碳原子的成键方式一起决定了石墨烯的特殊化学性质。
拥有电子性质的石墨烯，石墨烯是具有良好的导电性质的。这样良好性质是因为石墨烯具有独特的二维晶体结构。这种极为特殊的导电性质拥有非常好的发展价带顶与导带底的性质一同决定了石墨烯的电子性质。这种电子性质最终是由电子态的附近的色散谱的性质来决定的。仅对于石墨烯这种体系来讲，基于紧束缚近似这样的模型会是一个非常好的模型。石墨烯还有一种非常特殊的运输性质，叫做反常量子霍尔效应。指数是对反常量子霍尔效应的根源的最为深刻的一个理解。这中定力占据了当今量子场论与超弦理论中的极为重要的地位。
3石墨烯的研究工具

3.1扫描电子显微镜测量

这是一种经常会用到的表征手段，因为阿贝原理对传统的光学显微镜有一定的限制，致使这种光学显微镜的分辨率不够准确，是不能够满足石墨烯这种纳米尺度材料的研究需求的。而且这种传统的光学显微镜也不能够对其进行化学分析。所以扫描电子显微镜成为了人们进行研究这种纳米尺度石墨烯材料的表征需求。我们在进行石墨烯的样例扫描时用在铜箔上制作的石墨烯作为研究案例。并把这种反应的形式用SEM图来进行反应。

3.2拉曼光谱测量

这种测量方法是由印度科学家发现的，他是在拉曼散射效应的基础之上逐渐发展过来的。拉曼散射现象是因为光在进行穿过透明介质的时候被分子散射的光，其频率会随之发生一定的变化，也是因为这一发现成就了拉曼的诺贝尔物理学奖。分子的转动能级信息以及分子的振动信息是在拉曼光谱上反应出来的。及时拉曼反射很早就被发现了，但是真正的得到研究和应用确实在四十年之后，伴随着激光器的产生才让拉曼光谱技术得到蓬勃的发展。
4石墨烯的样品制作
人们从发现石墨烯开始，就在寻找可以制作石墨烯的方法。2004年发现了机械剥离方法可以制作石墨烯，随后各种各样的制作石墨烯的方法多涌现出来了。但是至今为止并没有一种很好的方法是可以高质量，大面积的对石墨烯进行制作的。所以石墨烯的纳米电子学器件仍然处在科学研究的实验时期。为了今后的大规模生产以及工业化生产和应用，大量的制作石墨烯已经成为势在必行一个研究课题了。

4.1制作石墨烯的材料以及使用的仪器

我们在制作石墨烯的时候，仍然是在传统方法上加以改善的，首先我们需要一个管式炉以及其对应的供气系统与真空系统。在选择管式炉的时候，我们要着重考虑这个管式炉的温度界限，我们需要一个最好温度可以达到1200℃的管式炉，这样的设备是为了达到我们试验所需要的高温环境的。在具体进行试验时，管式炉并不能一直维持在一个稳定的恒温状态下，我们可以采用管式炉自身热电偶这一特点，在炉内进行一个区域的划分，大约为8厘米左右的范围，将这个范围进行标定，作为我们实验的一个恒温论文导读：控制石墨烯生长过程中供气流量问题。在生产的过程中，我们多采用的气体是氢气，这个氢气的纯度要达到99.99%，另外还需要甲烷气体和乙烯气体，同样纯度要求达到99.99%。我们实验过程还需要用到铜箔，铜箔的纯度需要达到99.88%，铜箔的厚度大概需要25um。我们选择铜箔来作为制备石墨烯的原因是因为源于：论文格式范文{#GetFullDomain
恒定的区域。在我们进行试验的过程中，这段温度是可以维持恒定的，并且可以与管式炉的自己热电偶读书差异控制在1摄氏度内。另外在供气系统的采用上，我们采用数字式的流量计进行精确的控制石墨烯生长过程中供气流量问题。在生产的过程中，我们多采用的气体是氢气，这个氢气的纯度要达到99.99%，另外还需要甲烷气体和乙烯气体，同样纯度要求达到99.99%。我们实验过程还需要用到铜箔，铜箔的纯度需要达到99.88%，铜箔的厚度大概需要25um。我们选择铜箔来作为制备石墨烯的原因是因为源于：论文格式范文www.7ctime.com
碳的固溶比在铜中要相比较其他材质低很多，例如镍这种材质。这样的环境更利于石墨烯的生长，也更利于生长出较为优秀的石墨烯。除此之外在制作过程时我们还要考虑气流气压等的影响，都控制在一个合理的范围之内。为制作石墨烯提供一个良好的环境。

4.2制作过程

我们依然运用铜箔来作为辅助，首先要先将铜箔放在管式炉路进行加温的处理，这个过程需要维持一段时间，我们要让铜箔快速升温，达到处理铜箔所需要的温度。在加温是我们要向管式炉里通入一定量的氢气。这么做的原因是为了处理铜箔的表面，使其变得更加平整一些。在经过一些洗涤剂的清洗后还有一定的酸腐蚀过后，铜箔的表面会有一定量的氧化铜。这就是我们持续通入氢气的里一个更重要的原因，为了去除铜箔在加温过程中，在其表面产生的氧化铜。为了更加利于下一步实验反应的进行，我们得到了具有催化作用的活性铜。再经过一段时间，我们将管式炉内的温度调整到我们所需要的制作石墨烯的温度，这种样品的温度处理和之前我们处理铜箔的温度过程是一致的，所有在这里省略此步，不在做过多的重复。如果此刻我们的杨文温度和我们加热处理的氧化铜的温度是一致的，就可以省略这个步骤。
下面我们就该通入定量的甲烷气体和氢气，这个时候更要严格的维持我们实验的恒定温度。对铜箔进行一定时间的处理后，这个过程是石墨烯生长的必要过程。这个步骤的目的是在铜的催化作用下，我们将甲烷气体中的甲烷分子分解，分离塔的碳氢键。并将氢气中的氢原子再一次结合成新的氢分子离开，最后在铜的表面留下了碳原子的沉积。他们之间形成键。这就形成里石墨烯。
还有最后一步我们需要按照一定的速度将温度降下来直至室温，在这个降温的过程中我们仍需要通入一定量的甲烷气体和氢气。
5石墨烯的转移
我们还需要进一步的对石墨烯进行其他性质的研究，所以我们要对石墨烯制作好的样品进行转移。至今为止，在学术界中用来转移石墨烯的方法是各种各样的，当然转移之后的效果也是良莠不齐的。在这些方法中我们选择两种来进行说明。
PDMS或者是一种特质的胶带这样的材料来对石墨烯进行转移。石墨烯可以很好的粘附在PDMS的表面上，这也是我们利用PDMS进行转移石墨烯的主要原因。这样可以避免在转移的过程中对样品有所污染。
另外一种方法就是利用PMMA。我们在铜箔上面要先涂一层PMMA，然后再将粘附有石墨烯的PMMA放入水溶液当中去，最后再转移到我们的目标衬底上面去。这种转移石墨烯的方法具有很大的转移效率，也同样是可以达到最好的转移效果的。但是还是会存在一定的缺陷。PMMA方法的缺陷是因为这种材质的本身就是很柔软的，而当我们用镊子碰触的时候很容易就会发皱，造成对石墨烯的破坏。会在一定程度上影响石墨烯的质量状态的。
6石墨烯的应用与对未来的展望
石墨烯仍会是现今科学研究领域里很是炙手可热的研究，尤其突出于凝聚态物理以及材料科学领域中。并且石墨烯还是具有很好的导电性能以及电子传输效率。是可以代替硅基半导体工业的。石墨烯还在很多领域里有着很好的发展情景，例如电池电极出材料、超导材料这样研究领域。石墨烯毫无疑问的荣登现今的明星材料的宝座。对于石墨烯的各种研究都还处在一个初级阶段，未来是发展空间是补课预测的。
参考文献
杨全红，吕伟，杨永岗，等.自由态二维碳原子晶体一单层石墨烯[J].新型炭材料，2008，23（2）：97.103.（Yang Q H，LU W，Yang论文导读：irApplicationsInNanoeleetromechanicalSwitches，J.Am.Chem.Soc.，131（2009）11147.刘首鹏，周锋，金爱子，等.人工裁剪制备石墨纳米结构.物理学报，2005，54（9）：3425

1.摘自：硕士论文格式www.7ctime.com上一页123

Y G，et a1.Free two-dimensionalcarbon crystal—single layer graphene[J].New Carbon Materials，2008，23（2）：97—103.）
陈成猛，杨永岗，温月芳，等.有序石墨烯导电炭薄膜的制备[J].新型炭材料，2008，23（4）：345-350.（Ellen C M，Yang Y G，Wen Y F，ot a1.Preparation of orderedgraphene—based conductive membrane[J].New CarbonMaterials.2008，23（4）：345-350.）
[3]Chong—an Di，Dacheng Wei，Gui Yu，Yunqi Liu，Yunlong Guo，Daoben Zhu，Patterned Graphene as Source/Drain Electrodes for Bottom—ContactOrganic Field—Effect Transistors，Advanced Materials，0（2008）3289.
[4]Daeheng Wei，Yunqi Liu，Hongliang Zhang，et a1.Scalable Synthesis of Few·-Layer GrapheneRibbons with Controlled Mo--rphologies by a Template Method and Their Applications In Nanoeleetromechanical Switches，J.Am.Chem.Soc.，1 3 1（2009）1 1 147.
[5]刘首鹏，周锋，金爱子，等.人工裁剪制备石墨纳米结构.物理学报，2005，54（9）：3425

1.摘自：硕士论文格式www.7ctime.com