等离子体气相沉积法制备纳米石墨烯及其性能研究

论文摘要

由于其独特的结构和电子性质,如高迁移率、常温量子霍尔效应等,石墨烯吸引了许多理论和实验研究者的关注。相对于硅高数万倍的载流子迁移率使其极有可能替代硅成为未来纳电子电路的主要材料。石墨烯的制备可以通过多种不同的手段实现,包括机械剥离法、外延生长、化学气相沉积法和还原氧化石墨法等。其中一些方法,如化学气相沉积和还原氧化石墨法均可实现大规模制备,尤其是化学气相沉积可以制备得到大面积高质量的石墨烯材料。然而,化学气相沉积的制备条件与当前成熟的微电子工艺流程存在兼容性问题,寻找适合与硅工艺兼容的制备手段就成为石墨烯产业发展的一个重要因素。等离子体化学气相沉积法是微电子工艺常用的手段之一,可用于薄膜制备、刻蚀、掺杂等。本文采用等离子体气相沉积的方法进行了石墨烯的低温制备。并对制备参数对薄膜的影响进行了系统研究,主要内容包括:1.探索电容耦合射频等离子体化学气相沉积制备石墨烯薄膜的方法,分别在铜和硅基底上沉积纳米石墨烯,探索催化剂及基底的影响。通过扫描电子显微镜和拉曼光谱仪等对制备薄膜的形貌和结构特性进行表征,对包括等离子体功率、气体构成、制备时间等因素在内的制备参数对于薄膜形貌、结构的影响进行了分析。2.制备了简单的两端器件,并对纳米石墨烯薄膜的电学性能进行了测试。在暴露大气的条件下发现薄膜的阻值变化效应,并对此进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳电子学的兴起
• 1.2 石墨烯的性质及应用
• 1.3 石墨烯的制备方法
• 1.3.1 机械剥离法
• 1.3.2 还原氧化石墨法
• 1.3.3 碳化硅外延生长法
• 1.3.4 化学气相沉积法
• 1.3.5 等离子体气相沉积法制备纳米石墨烯
• 1.4 本文的选题依据与研究内容
• 第二章 纳米石墨烯及表征技术
• 2.1 等离子体化学气相沉积原理
• 2.1.1 等离子放电与低温等离子体
• 2.1.2 等离子体气相沉积过程中形核及生长过程
• 2.1.3 等离子体化学气相沉积法在纳米石墨烯薄膜制备方面的应用
• 2.2 纳米石墨烯表征技术
• 2.2.1 扫描电子显微镜形貌及成分分析
• 2.2.2 拉曼光谱结构分析
• 2.2.3 透射电子显微镜结构分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳米石墨烯制备与表征
• 3.1 纳米石墨烯的制备
• 3.1.1 铜箔的电化学抛光
• 3.1.2 纳米石墨烯沉积流程
• 3.1.3 纳米石墨烯转移流程
• 3.2 制备参数对纳米石墨烯的影响
• 3.2.1 压强对纳米石墨烯的影响
• 3.2.2 气体成分对于纳米石墨烯的影响
• 3.2.3 基底类型对纳米石墨烯的影响
• 3.2.4 温度和等离子体功率对纳米石墨烯的影响
• 3.2.5 电场对纳米石墨烯的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 纳米石墨烯的阻值变化效应
• 4.1 器件制备流程
• 4.2 电学性能测试
• 4.2.1 电阻转变性质的发现
• 4.2.2 小电压特性分析
• 4.2.3 可靠性测试
• 4.3 电阻转变机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 纳米石墨烯的制备、表征及测试设备