MPCVD工艺参数对石墨烯性能影响的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉工程大学 作者:柳国松

  实验采用MPCVD装置,以氢气和甲烷为主要气源,氮气和氩气为辅助气源在镍片上生长石墨烯薄膜,并对不同条件下制备样品进行拉曼光谱仪表征,通过拉曼光谱图中D峰和D′峰峰强来分析石墨烯缺陷含量;2D峰峰强和半高宽来分析薄膜层数。结果显示氮气等离子体离解率低,会增加成膜缺陷不利于成膜;氩气离解率较高,适量的氩气会减少缺陷含量提高膜层质量;较低功率会加速石墨的沉积,较高功率会增加sp3杂化的碳碳键的形成。

  引言

  自曼彻施特大学Geim 等首次采用机械剥离法制备出石墨烯以来,由于其独特的二维单原子层排列,使其拥有其他材料无法比拟的物理和化学性质,得到了科学界的广泛关注,科学家通过寻求不同的方法制备出性能、质量优异的石墨烯。石墨烯的制备方法有很多,包括机械剥离法、化学气相沉积(CVD)法、氧化还原法以及外延。其中CVD管式炉烧结法由于其工艺的成熟,韩国三星已经在铜片上制备出76.2 cm的单层石墨烯。

  石墨烯的表征成为研究过程中重要的部分,分析石墨烯的缺陷(如体缺陷、边缘缺陷、晶粒缺陷和晶粒尺寸)已成为实验继续的重要环节,光学显微镜只能简单观察石墨烯的存在,很难分析层数和缺陷。其中拉曼光谱分析由于具有高空间分辨率能够观察出石墨烯的缺陷,以及能表征薄膜的晶体结构、电子能带、声子能量色散等,已成为分析石墨烯质量最常用的手段。石墨烯拉曼光谱图中主要包含了2个主峰:反应薄膜对称性的G峰(1580 cm-1附近)和双声子共振拉曼峰2D峰(2700 cm-1附近),其中G峰为石墨烯的主要特征峰,是由碳原子的面内震动引起的峰,此峰对薄膜应力影响敏感,并能有效的反应出石墨烯薄膜的层数,层数的增加G峰会往小波数方向移动,同时由于sp2形态的非晶碳或者类金刚石的出现又会使G峰右移;2D峰通常指双声子拉曼共振峰为区域边界声子的二级拉曼散射峰,通常对石墨烯层数有直观反映,易受激光光波长的影响,石墨烯层数的增加会使2D峰往大波数方向移动。实验结果通常包括多个缺陷峰包括D峰(1350 cm-1附近),通常认为是石墨烯的无序震荡峰,由远离布里渊区的晶格振动引起的;D′峰(G峰附近)、D+D′峰(2 935 cm-1附近),实验过程中由于各方面的原因会引入缺陷峰。研究目的是通过反复实验寻求最佳的生长条件,找缺陷峰最低的试验参数。

  1、实验原理及过程

  实验采用微波等离子体化学气相沉积法(MP⁃CVD)低温条件下在镍基底上沉积的石墨烯,并对不同条件下生长石墨烯的拉曼光谱图进行分析。实验原理为微波电源放电裂解气源产生等离子体,再将裂解后的气源沉积到基片上形成薄膜的过程。这种方法优于普通CVD法于两个方面:

  (1)不需要高温加热裂解碳源气体,在较低温度下即可裂解甲烷形成碳源;

  (2)沉积时间较短,通常在30~120 s即可完成成膜。

  实验中采用韩国Woosin公司制造的MPECVDR2.0系统装置,最大输出功率为2 000 W,工作频率2.45 GHz,功率转换模式TM020,装置基底下有一个自带的碳氮复合材料制成的加热盘,能够加热最高温度为900 ℃。沉积基片采用纯度为99.99%的镍片,沉积石墨烯之前先将基片表面用等离子体刻蚀清洁,刻蚀参数如表1。

表1 表面处理工艺参数

表面处理工艺参数

  实验中采用632 nm波长的拉曼光谱仪直接在镍片上进行表征,并对氩气比例、微波功率以及气源的不同对薄膜质量的影响做了简单分析。

  3、实验结论

  采用微波等离子体化学气相沉积法在不同条件下制备石墨烯薄膜,分析薄膜质量和层数的影响因数得到:氮气的通入会减少碳源的离解、降低膜层的质量,适量氩气的通入加速碳源离解、提高薄膜的质量;微波功率较低时易形成非晶碳,随着功率的升高有助于石墨烯的生成,同时也加速类金刚石的形成。

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