本文關(guān)鍵詞：催化劑襯底對石墨烯CVD生長形狀及取向的影響

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【摘要】：化學(xué)氣相沉積法由于其制備方法簡單,價格低廉,適合大面積、高質(zhì)量石墨烯的合成等,已成為實驗室制備石墨烯的主流方法。石墨烯CVD合成中,許多實驗參數(shù)都會對石墨烯的生長產(chǎn)生影響,比如碳源濃度,溫度,壓強,H2濃度,載氣,金屬催化劑等,其中金屬催化劑襯底扮演了一個重要的角色。然而,到目前為止,盡管實驗上在金屬襯底上合成石墨烯方面已經(jīng)取得了較大的成功,但是其中的某些生長機制還不是完全清楚。如：為何Ge(110)表面能夠生長出大片的單晶石墨烯,石墨烯單晶的生長形狀受什么因素影響,為何有些金屬催化劑表面可生長三角形的石墨烯。本論文基于實驗結(jié)果及困惑,利用第一性原理的理論計算,分別研究了兩種典型催化劑襯底(半導(dǎo)體性的Ge(110)襯底和金屬性的Ni(111)襯底)上石墨烯的生長取向和形狀,取得了與實驗一致的研究結(jié)果,合理地解釋了諸多實驗現(xiàn)象。我們的理論計算發(fā)現(xiàn),在被H鈍化的Ge(110)表面上,石墨烯和襯底之間的弱范德瓦耳斯力無法固定石墨烯的生長取向。通過對Ge(110)平臺面和臺階面上石墨烯與襯底結(jié)合情況的相圖進(jìn)行分析,我們提出在實驗條件下(T～1100-1200 K,PH2～50-100Torr)平臺面上和臺階處石墨烯與襯底的相互作用存在較大差別。處在平臺面上的石墨烯晶疇,其邊界被H原子鈍化,因此與襯底之間只存在較弱的范德瓦耳斯相互作用。而處在臺階處的石墨烯晶疇,其邊界與臺階形成很強的化學(xué)相互作用。由于臺階與石墨烯晶格之間存在一個一個較為匹配的晶格方向,即Ge(110)表面的[-110]方向和石墨烯的AC方向,因此石墨烯邊界與臺階的化學(xué)相互作用存在一個優(yōu)勢的結(jié)合方向,即Ge(110)襯底的[-110]方向與石墨烯的AC方向一致時,石墨烯邊界和臺階之間的結(jié)合力最強。因此,具有較多臺階的Ge(110)表面上往往能獲得取向一致的石墨烯晶疇,而相對平整的平臺面上石墨烯晶疇的取向很難一致。這一結(jié)論完美解釋了實驗上Ge(110)表面石墨烯晶疇取向一致的本質(zhì)原因,并被我們的實驗合作團(tuán)隊所證實。我們從熱力學(xué)和動力學(xué)兩個方面考察了Ni(111)襯底上石墨烯的生長形狀。通過計算四種不同邊界(ZZ, ZZ-klein, AC, AC-klein)在Ni(111)襯底表面的熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)生長勢壘,并結(jié)合熱力學(xué)和動力學(xué)wulff Construction理論,我們得出熱力學(xué)平衡條件下,Ni(111)表面的石墨烯大都為類六邊形的形狀。而考慮到不同邊界生長動力學(xué)的差異,則一定穩(wěn)定下可生長出三角形的石墨烯。這些研究結(jié)果合理地解釋了之前的實驗現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 CVD生長機理 金屬催化襯底 生長動力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 石墨烯簡介11-13
• 1.2 石墨烯的制備方法13-14
• 1.3 CVD法中的催化劑襯底14-15
• 1.4 石墨烯CVD生長的機制研究現(xiàn)狀15-18
• 1.5 本論文的研究意義18-21
• 第二章 理論基礎(chǔ)與研究方法21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 單電子近似理論21-24
• 2.2.1 絕熱近似21-23
• 2.2.2 Hartree-Fock近似23-24
• 2.3 密度泛函理論24-26
• 2.3.1 Kohn-Sham方程24-25
• 2.3.2 LDA和GGA近似25-26
• 2.4 平面波贗勢法26-29
• 2.5 過渡態(tài)理論29-31
• 第三章 Ge(110)襯底上石墨烯的取向一致性的研究31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 模型建立及計算方法32
• 3.3 范德瓦耳斯力對石墨烯取向的影響32-34
• 3.4 石墨烯的邊界成鍵研究34-37
• 3.5 石墨烯在不同臺階處的化學(xué)鍵計算37-41
• 3.6 實驗佐證41-43
• 3.7 小結(jié)43-45
• 第四章 Ni(111)襯底上石墨烯生長形狀的研究45-61
• 4.1 引言45-47
• 4.2 理論模型及計算方法47-48
• 4.3 邊界和襯底之間相互作用48-51
• 4.4 石墨烯邊界生長的動力學(xué)分析51-60
• 4.4.1 平臺面上邊界的生長動力學(xué)51-55
• 4.4.2 嵌入生長模式下邊界的生長動力學(xué)55-57
• 4.4.3 石墨烯生長過程的動力學(xué)Wulff Construction分析57-60
• 4.5 小結(jié)60-61
• 第五章 總結(jié)與展望61-63
• 5.1 主要工作61-62
• 5.2 工作展望62-63
• 參考文獻(xiàn)63-71
• 科研成果71-73
• 致謝73

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