【摘要】：薄膜材料是二維尺度的、具有特定性能和用途的材料，相關的薄膜技術是制備新型功能材料的有效手段。近年來，石墨烯、石墨烯基復合薄膜和氧化鋅（ZnO）基復合薄膜在電極材料、太陽能電池、電子器件、儲能器件、傳感器和催化劑等領域展現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，具有非常廣闊的應用前景。 本論文采用等離子體增強化學氣相沉積和物理氣相沉積（磁控濺射）技術制備了石墨烯、石墨烯-TiO2多層復合薄膜和ZnO/Cu/ZnO三明治結構薄膜。利用拉曼（Raman）光譜、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）、光纖光譜儀和四探針等測試手段，對薄膜的微結構、表面形貌、光電等性能進行了測試和分析，主要研究內(nèi)容如下： （1）以Cu箔為催化基底，探索了PECVD制備石墨烯薄膜的條件，成功地在800oC下獲得了高質(zhì)量的單層石墨烯。主要研究了生長溫度、甲烷（CH4）流量和氫氣（H2）流量對石墨烯質(zhì)量和層數(shù)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著生長溫度的降低，石墨烯的缺陷以及層數(shù)逐漸增多，導電性迅速下降；較低的CH4流量（1sccm）有利于生成高質(zhì)量的石墨烯，CH4流量的增加會造成石墨烯缺陷的增大；少量或者過量的H2都會給石墨烯的生長引入大量的缺陷，本實驗中當H2流量為10sccm時石墨烯質(zhì)量最優(yōu)。 （2）利用PECVD技術制備高質(zhì)量的石墨烯薄膜，并將TiO2通過磁控濺射法直接沉積在石墨烯上制備了石墨烯-TiO2多層薄膜。通過比較沉積TiO2前后石墨烯的Raman光譜，，研究了石墨烯與TiO2之間的電荷轉(zhuǎn)移情況。通過AFM研究了石墨烯的引入對TiO2形貌的影響，我們發(fā)現(xiàn)生長在石墨烯上的TiO2比表面積明顯增大。通過甲基橙的光催化降解實驗研究了石墨烯-TiO2復合膜的光催化性能，發(fā)現(xiàn)石墨烯薄膜的引入顯著提高了TiO2降解甲基橙的效率。一方面是由于石墨烯作為電子接收材料能有效抑制TiO2中光生載流子的復合，另一方面則是由于石墨烯上生長的TiO2具有更大的比表面積，為光催化降解反應提供了更多的反應點，加快了催化進程。 （3）采用磁控濺射技術在室溫下制備了ZnO/Cu/ZnO三明治結構薄膜。先利用MATLAB編寫程序模擬了ZnO/Cu/ZnO多層膜的透過率曲線來從理論上優(yōu)化膜系結構從而指導實驗。在實驗中分別改變了ZnO層厚度、Cu層厚度和制備ZnO的O2/Ar流量比率，研究了它們對多層膜結構以及光電性能的影響。實驗結果表明：隨著ZnO層厚度的增加，膜系的方塊電阻和可見光透過率逐漸增大；當ZnO厚度在40-70nm范圍內(nèi)時，多層膜表現(xiàn)出較好的透光性能，透過率曲線在整個可見光區(qū)域內(nèi)較為平坦。在Cu層連續(xù)之前，隨著Cu層厚度的增加，方塊電阻逐漸減小，但紫外和可見光區(qū)的透過率都逐漸降低。O2/Ar流量比率為1:4時，多層膜的方塊電阻最高，之后隨著O2/Ar流量比率的繼續(xù)升高，方塊電阻又逐漸下降，這可能是由界面效應造成的。
[Abstract]:Thin film materials are two-dimensional scale materials with specific properties and applications. The related thin film technology is an effective method to fabricate new functional materials. In recent years, graphene-based composite film and zinc oxide (ZnO)-based composite film have shown excellent performance in the fields of electrode materials, solar cells, electronic devices, energy storage devices, sensors and catalysts, etc. It has a very broad application prospect. In this paper, graphene, graphene-TiO2 multilayer composite films and ZnO/Cu/ZnO sandwich films were prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition and physical vapor deposition (magnetron sputtering). Raman (Raman) spectra, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (XRD), transmission electron microscope (TEM), atomic force microscope (AFM) (AFM), optical fiber spectrometer and four probes were used to characterize the microstructure of the thin films. The surface morphology and photoelectric properties were tested and analyzed. The main contents are as follows: (1) using Cu foil as catalyst substrate, the conditions of preparing graphene films by PECVD were explored, and high-quality monolayer graphene was successfully obtained under 800oC. The effects of growth temperature, flow rate of methane (CH4) and hydrogen (H _ 2) on the quality and layer number of graphene were studied. It was found that with the decrease of growth temperature, the defects and layers of graphene gradually increased and the conductivity decreased rapidly, and the low CH4 flow rate (1sccm) was beneficial to the formation of high quality graphene, and the increase of CH4 flow rate resulted in the increase of graphene defects. A small amount of H _ 2 or excess H _ 2 will lead to a lot of defects in the growth of graphene. In this experiment, the mass of graphene is the best when the flow rate of H _ 2 is 10sccm. (2) High quality graphene films were prepared by PECVD, and TiO2 was deposited on graphene by magnetron sputtering. Graphene-TiO2 multilayer films were prepared by magnetron sputtering. By comparing the Raman spectra of graphene before and after TiO2 deposition, the charge transfer between graphene and TiO2 was studied. The effect of graphene introduction on the morphology of TiO2 was studied by AFM. It was found that the specific surface area of TiO2 grown on graphene increased obviously. The photocatalytic performance of graphene-TiO2 composite film was studied by photocatalytic degradation of methyl orange. It was found that the effect of graphene film on the degradation of methyl orange by TiO2 was significantly improved. On the one hand, graphene can effectively inhibit the recombination of photogenerated carriers in TiO2 as an electron receiving material, on the other hand, the TiO2 grown on graphene has a larger specific surface area, which provides more reaction points for photocatalytic degradation reaction. The catalytic process has been accelerated. (3) ZnO/Cu/ZnO sandwich films were prepared by magnetron sputtering at room temperature. Firstly, the transmission curve of ZnO/Cu/ZnO multilayer film is simulated by MATLAB program to optimize the structure of the film system in theory so as to guide the experiment. The thickness of ZnO layer, the thickness of Cu layer and the O2/Ar flow ratio of ZnO were changed in the experiment, and their effects on the structure and photoelectric properties of multilayer films were studied. The experimental results show that the block resistance and visible light transmittance of the film increase with the increase of the thickness of the ZnO layer. When the thickness of ZnO is in the range of 40-70nm, the multilayer film exhibits better transmittance, and the transmittance curve is flat in the whole visible light region. Before the Cu layer is continuous, the block resistance decreases with the increase of the thickness of Cu layer, but the transmittance of ultraviolet and visible light decreases gradually. When the flow ratio of O2 / Ar is 1: 4, the block resistance of multilayer film is the highest. After that, as the O2/Ar flow ratio continues to increase, the block resistance gradually decreases, which may be caused by the interface effect.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2438498