【摘要】：石墨烯(Graphene),即石墨的單原子層(厚度約為0.34 nm),是碳原子按照sp2碳-碳(C-C)鍵形成的以蜂窩狀排列的二維晶體結(jié)構(gòu)。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫利用微機(jī)械剝離的方法發(fā)現(xiàn)了石墨烯材料,并于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯材料集多種優(yōu)異的性能于一身,其電子遷移率高于硅材料兩個(gè)數(shù)量級(jí)表明石墨烯材料有望替代半導(dǎo)體工業(yè)中的硅材料,使其擁有廣闊的應(yīng)用前景。因此,在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界備受矚目,掀起了物理學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱潮。石墨烯材料制備工藝的優(yōu)化和成熟是推動(dòng)后續(xù)應(yīng)用的前提,針對(duì)石墨烯材料不同的應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)石墨烯材料的可控制備提出了極大的挑戰(zhàn)。目前,石墨烯材料的制備方法層出不窮,但是仍有很多問題亟待解決,所以制備工藝的優(yōu)化和新方法的探索依然有著極大的發(fā)展空間,最終目標(biāo)是獲得大面積、高質(zhì)量、免轉(zhuǎn)移、易與半導(dǎo)體技術(shù)集成、層數(shù)可控以及帶隙可控的石墨烯材料。本論文圍繞石墨烯材料生長(zhǎng)方面所遇到的難題,結(jié)合半導(dǎo)體技術(shù)(即半導(dǎo)體襯底和離子注入技術(shù)),著重從如何制備大面積、高質(zhì)量、與半導(dǎo)體技術(shù)集成、層數(shù)可控以及摻雜可控的石墨烯材料等方面開展了全面的研究,主要取得如下重要的研究成果:1、在國(guó)際上首次提出了半導(dǎo)體鍺襯底上直接生長(zhǎng)石墨烯材料的方法,并采用常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)法在鍺襯底上成功地制備了大面積、高質(zhì)量、單層的石墨烯連續(xù)薄膜。鍺是一種重要的半導(dǎo)體材料,相比傳統(tǒng)的硅材料,鍺材料具有極高的載流子遷移率,被認(rèn)為是最具潛力取代硅的半導(dǎo)體材料,有望應(yīng)用于未來大規(guī)模集成電路。鍺基石墨烯的生長(zhǎng)工藝實(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體基底的集成,制備工藝與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝相兼容。此外,在半導(dǎo)體鍺材料上直接制備石墨烯薄膜,避免了繁瑣的石墨烯材料的轉(zhuǎn)移過程,減少了對(duì)石墨烯材料的破壞與污染,保證了石墨烯材料優(yōu)異的性能,為石墨烯材料在微電子器件中的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ),促進(jìn)基于石墨烯器件的大規(guī)模推廣與應(yīng)用。2、針對(duì)石墨烯材料層數(shù)難于控制這一難題,結(jié)合催化金屬鎳(Ni)和銅(Cu)在化學(xué)氣相沉積(CVD)法中制備石墨烯材料的優(yōu)點(diǎn),利用各自對(duì)碳溶解能力的不同。設(shè)計(jì)了Ni/Cu體系(即在25μm厚的Cu箔上電子束蒸發(fā)一層300 nm的Ni),利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中成熟的離子注入技術(shù)將碳原子注入到Ni/Cu體系中的Ni層中,通過控制注入碳原子的劑量(即4×1015 atoms/cm2劑量對(duì)應(yīng)單層的石墨烯;8×1015 atoms/cm2劑量對(duì)應(yīng)雙層的石墨烯),經(jīng)退火后成功實(shí)現(xiàn)了大面積、高質(zhì)量的單、雙層石墨烯材料的制備。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā),利用第一性原理(DFT)和分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)詳盡地研究了離子注入法制備層數(shù)可控石墨烯材料生長(zhǎng)的物理機(jī)制。由于離子注入技術(shù)具有低溫?fù)诫s、精確的能量和劑量控制及高均勻性等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的CVD法制備石墨烯材料工藝相比,采用離子注入法制備單、雙層石墨烯材料僅受注入碳原子劑量的影響,與各種氣體的體積比、襯底厚度以及生長(zhǎng)溫度無(wú)關(guān),制備條件易于控制。此外,離子注入技術(shù)與現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)相兼容,有助于實(shí)現(xiàn)石墨烯材料作為電子材料在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域真正的應(yīng)用。3、瞄準(zhǔn)石墨烯材料摻雜難題,結(jié)合離子注入技術(shù)和常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)法,通過“異質(zhì)原子成核-促進(jìn)石墨烯再生長(zhǎng)”兩步動(dòng)力學(xué)路徑分別制備了晶格式摻雜的P型和N型石墨烯材料。研究關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù),攻克了摻雜石墨烯材料可控制備(摻雜類型可控和摻雜含量可控)的難題。并對(duì)P型和N型石墨烯材料進(jìn)行表征與分析,掌握了摻雜石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和性能與離子注入的原子類型、劑量之間的關(guān)系。利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝在硅基襯底上制作基于摻雜石墨烯材料的晶體管(GFETs)。使用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀分析石墨烯材料的輸運(yùn)特性,研究了摻雜石墨烯材料作為傳輸層與器件匹配后的載流子遷移能力和狄拉克點(diǎn)位置。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;科學(xué)家首次用納米管制造出石墨烯帶[J];電子元件與材料;2009年06期

2 ;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[J];高科技與產(chǎn)業(yè)化;2009年06期

3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;日本開發(fā)出在藍(lán)寶石底板上制備石墨烯的技術(shù)[J];硅酸鹽通報(bào);2009年04期

5 馬圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2009年04期

6 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2009年18期

7 ;納米中心石墨烯相變研究取得新進(jìn)展[J];電子元件與材料;2009年10期

8 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2009年12期

9 張偉娜;何偉;張新荔;;石墨烯的制備方法及其應(yīng)用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

10 萬(wàn)勇;馬廷燦;馮瑞華;黃健;潘懿;;石墨烯國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J];科學(xué)觀察;2010年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 成會(huì)明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

2 錢文;郝瑞;侯仰龍;;液相剝離制備高質(zhì)量石墨烯及其功能化[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂;;石墨烯制備技術(shù)與應(yīng)用研究的最新進(jìn)展[A];第七屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第3分冊(cè)）[C];2010年

4 趙東林;白利忠;謝衛(wèi)剛;沈曾民;;石墨烯的制備及其微波吸收性能研究[A];第七屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第7分冊(cè)）[C];2010年

5 沈志剛;李金芝;易敏;;射流空化方法制備石墨烯研究[A];顆粒學(xué)最新進(jìn)展研討會(huì)——暨第十屆全國(guó)顆粒制備與處理研討會(huì)論文集[C];2011年

6 王冕;錢林茂;;石墨烯的微觀摩擦行為研究[A];2011年全國(guó)青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

7 趙福剛;李維實(shí);;樹枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];2011年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集[C];2011年

8 吳孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無(wú)機(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第4分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯光化學(xué)修飾及尺寸效應(yīng)研究[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[N];中國(guó)化工報(bào);2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

3 記者 王艷紅;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新華每日電訊;2010年

4 本報(bào)記者 李好宇 張們捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報(bào);2010年

5 證券時(shí)報(bào)記者 向南;石墨烯貴過黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時(shí)報(bào);2010年

6 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎(jiǎng)[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

7 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日?qǐng)?bào);2010年

8 本報(bào)記者 紀(jì)愛玲;石墨烯：市場(chǎng)未啟 炒作先行[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

9 周科競(jìng);再說石墨烯的是與非[N];北京商報(bào);2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 羅大超;化學(xué)修飾石墨烯的分離與評(píng)價(jià)[D];北京化工大學(xué);2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修復(fù)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2013年

5 盛凱旋;石墨烯組裝體的制備及其電化學(xué)應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2013年

6 姜麗麗;石墨烯及其復(fù)合薄膜在電極材料中的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

7 姚成立;多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯/無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料的仿生合成及機(jī)理研究[D];安徽大學(xué);2015年

8 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧還原電催化劑的理論計(jì)算研究[D];武漢大學(xué);2014年

10 王義;石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲(chǔ)能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 王晨;石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)電化學(xué)性能的影響[D];北京化工大學(xué);2011年

3 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

4 蔡宇凱;一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米器件的研究[D];南京郵電大學(xué);2012年

5 金麗玲;功能化石墨烯的酶學(xué)效應(yīng)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

6 黃凌燕;石墨烯拉伸性能與尺度效應(yīng)的研究[D];華南理工大學(xué);2012年

7 劉汝盟;石墨烯熱振動(dòng)分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

8 雷軍;碳化硅上石墨烯的制備與表征[D];西安電子科技大學(xué);2012年

9 于金海;石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及載藥系統(tǒng)研究[D];青島科技大學(xué);2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制備[D];上海交通大學(xué);2013年

，

本文編號(hào)：2541105