半導(dǎo)體材料與器件的發(fā)展推動(dòng)了信息技術(shù)的進(jìn)步,最近新發(fā)現(xiàn)以石墨烯為代表的二維材料,為新型電子和光電子器件提供了新的思路。作為一種二維材料,石墨烯以其高遷移率的電學(xué)特性、良好的導(dǎo)熱性、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、良好的透光性和柔性等優(yōu)勢(shì),在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)界受到了廣泛的關(guān)注。目前,高品質(zhì)單層石墨烯材料已可通過(guò)化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行制備,然而,高質(zhì)量單晶石墨烯材料的制備仍處于探索階段。為了解決這一難題,本研究從金屬襯底出發(fā),通過(guò)改進(jìn)襯底熱處理工藝,首先制備出符合要求的金屬襯底;將符合要求的金屬襯底用于生長(zhǎng)石墨烯,制備出單晶石墨烯薄膜。在此過(guò)程中,采用各種常用的材料表征手段以及表面物理分析用的低能電子顯微鏡,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程做了直觀的解釋;為了評(píng)估石墨烯樣品質(zhì)量,采用半導(dǎo)體加工工藝制備出各種測(cè)試器件來(lái)驗(yàn)證石墨烯單晶的優(yōu)異特性。最后,比較了單晶與多晶石墨烯光電探測(cè)性能的差異。在本研究中,主要解決了四個(gè)科學(xué)問(wèn)題:(1)成功制備出石墨烯化學(xué)氣相沉積(CVD)法生長(zhǎng)所需的大面積孿晶銅襯底。傳統(tǒng)的處理方法,并不能實(shí)現(xiàn)大面積孿晶銅制備,本研究采用施加局部應(yīng)力的方式,在多晶銅襯底上產(chǎn)生特定方向、角度的形變,并置于合適的退火環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)了從工業(yè)用無(wú)氧多晶銅襯底到大面積孿晶銅襯底的轉(zhuǎn)變。(2)解決了高品質(zhì)單晶石墨烯CVD可控制備工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性問(wèn)題,制備出高質(zhì)量單晶石墨烯薄膜。目前,科研界普遍認(rèn)為減少石墨烯成核密度是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)單晶石墨烯制備的關(guān)鍵。然而,本研究中并沒(méi)有從減少成核密度出發(fā),而是從多晶銅襯底上出現(xiàn)石墨烯晶粒定向生長(zhǎng)現(xiàn)象出發(fā)。選用合適的晶體結(jié)構(gòu)的孿晶銅襯底,在襯底上制備出大量定向生長(zhǎng)的石墨烯晶粒。進(jìn)一步增加生長(zhǎng)時(shí)間,定向生長(zhǎng)的石墨烯晶粒會(huì)無(wú)縫拼接在一起,從而形成高品質(zhì)單晶石墨烯薄膜。(3)改進(jìn)了單晶石墨烯薄膜高質(zhì)量濕法轉(zhuǎn)移工藝。傳統(tǒng)的濕法轉(zhuǎn)移工藝,其轉(zhuǎn)移質(zhì)量較差,石墨烯上殘膠較多且容易出現(xiàn)破碎、褶皺。本研究在多晶石墨烯轉(zhuǎn)移工藝基礎(chǔ)上,分析了石墨烯殘膠、破損及褶皺出現(xiàn)的原因,為滿足單晶石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移,優(yōu)化了濕法轉(zhuǎn)移流程,從而解決了單晶石墨烯薄膜高質(zhì)量轉(zhuǎn)移難題。(4)解決了石墨烯器件制備穩(wěn)定性難題。石墨烯相關(guān)器件總會(huì)出現(xiàn)器件性能不穩(wěn)定的情況,從而影響器件的測(cè)試重復(fù)性。本研究基于高質(zhì)量的單晶石墨烯轉(zhuǎn)移工藝,開(kāi)發(fā)出一套符合單晶石墨烯器件的制造工藝,并首次采用控制石墨烯條帶寬度并逐漸增加條帶長(zhǎng)度的電學(xué)表征方法,用以驗(yàn)證石墨烯的品質(zhì)。最后,基于上述石墨烯轉(zhuǎn)移與器件工藝,制作出石墨烯基光電導(dǎo)型探測(cè)器,對(duì)比分析了單晶石墨烯與多晶石墨烯的光電性能差異。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11
【部分圖文】：

２００８邐２００９邐２０１０邐２０１１邐２０１２邐２０１３邐２０１４邐２０１５邐２０１６邐２０１７逡逑年份逡逑圖１．３中國(guó)石墨烯薄膜的專利數(shù)量年度趨勢(shì)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ａｎｎｕａｌ邋ｔｒｅｎｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｎｕｍｂｅｒ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｆｉｌｍｓ邋ｐａｔｅｎｔ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ逡逑圖１．３所示，近年來(lái)國(guó)內(nèi)石墨烯薄膜專利數(shù)也增長(zhǎng)穩(wěn)健。國(guó)內(nèi)石墨烯薄膜逡逑專利也從２００９年開(kāi)始快速增長(zhǎng)。通過(guò)以上分析可知，化學(xué)氣相沉積制備方法在逡逑石墨烯研究領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。逡逑１．３化學(xué)氣相沉積（ＣＶＤ）石墨烯研究現(xiàn)狀逡逑６逡逑

圖２．１邋ＣＶＤ系統(tǒng)逡逑Ｆｉｕｒｅ邋２．１邋ＣＶＤ邋ｓｓｔｅｍ逡逑

／邋＿邋ｎ邋＿邐５逡逑圖２．２邋Ｎｉｋｏｎ邋５０１邋ＰＯＬ型光學(xué)顯微鏡逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｎｉｋｏｎ邋５０１邋ＰＯＬ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ逡逑本研究采用掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）作為高分辨、納米尺度的成像表征手逡逑段。由于石墨q姹舊淼嫉縲越蝦茫玵婧停櫻椋茫鄭櫻榛┚恍枰繡義嚇緗鶇懟ｅ義稀鰣危懾澹鄭梗齲齲儒義�，，＝逦＂邋－邋—辶x希齲椋椋椋椋�！邋．邋ｍｉ辶x希停椋幔椋螅幔椋椋椋幔澹濉觶恚蓿睿戾義賢跡玻沖澹剩牛希體澹剩櫻停罰福埃埃粕璧繾酉暈⒕靛義希疲椋紓酰潁邋澹玻沖澹剩牛希體澹剩櫻停罰福埃埃疲櫻牛停牛模渝義顯恿ο暈⒕擔(dān)ǎ粒疲停┏Ｓ糜詒碚魑⒐郾礱媧植詼取⒈礱嫘蚊�、高度、梯辶x隙鵲刃畔�。利用拆}蘊(yùn)秸胗氬饈員礱嫻腦蛹渥饔昧Υ笮±捶從ρ返謀礱娓咤義隙繞鴟Ｔ誚暇嫉牟僮骺刂葡攏梢雜糜詒碚魘┑男蚊布安閌⒑穸刃佩義舷�。与雅Ｍ相饼x粒疲筒喚霾歡匝繁礱嫻嫉縲宰鲆螅一箍梢蘊(yùn)峁┤義銜上�。辶x希保插義

本文編號(hào)：2807549