以甲烷作為碳源，采用化學(xué)氣相沉積方法低壓下在兩種不同厚度的銅箔上生長(zhǎng)出石墨烯。利用光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜、掃描電子顯微鏡對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)、形貌和層數(shù)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，可以通過(guò)調(diào)控反應(yīng)的生長(zhǎng)參數(shù)來(lái)控制石墨烯的層數(shù)，實(shí)現(xiàn)了單層石墨烯膜、雙層石墨烯島以及雙層石墨烯膜的可控制備。并對(duì)不同層數(shù)石墨烯生長(zhǎng)的機(jī)制進(jìn)行初步的分析。

　　石墨烯(Granphene) 是由碳原子間以sp2 雜化形成六角環(huán)，然后延伸形成如蜂窩狀的單層原子二維晶體結(jié)構(gòu)，是一個(gè)不同尋常的二維電子體系。石墨單層或薄層材料由英國(guó)科學(xué)家在2004 年首次報(bào)道，由于石墨烯所具有的能夠單獨(dú)穩(wěn)定存在的二維結(jié)構(gòu)及表現(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特物性已經(jīng)引起了科學(xué)家們的極大興趣。如石墨烯具有半金屬性、線性能量色散，高的本征遷移率( 約200， 000 cm2 /Vs) ) ，室溫可以觀察到量子霍爾效應(yīng)，非零最小量子電導(dǎo)率和Klein 遂穿等，使其在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、高頻電子器件、光調(diào)制器、透明導(dǎo)電薄膜、功能復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料、傳感器等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

　　目前，對(duì)于石墨烯的制備方法主要有：機(jī)械剝離、單晶金屬表面外延生長(zhǎng)、SiC 外延生長(zhǎng)、氧化還原及化學(xué)氣相沉積( Chemical Vapor Deposition，CVD) 法等。機(jī)械剝離雖然可以得到?jīng)]有缺陷的、結(jié)構(gòu)完美的單層石墨烯，但尺寸問(wèn)題限制了其應(yīng)用; 在單晶金屬表面外延生長(zhǎng)石墨烯，可以得到大面積和高質(zhì)量的單層石墨烯，但對(duì)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件要求很高; 通過(guò)SiC 外延生長(zhǎng)的石墨烯，其層數(shù)難以控制并存在較多缺陷。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為由于CVD 方法在納米材料制備方面具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，常用于半導(dǎo)體工業(yè)中制備薄膜。

　　CVD 方法制備的石墨烯，具有大尺寸、層數(shù)均一、結(jié)構(gòu)完整、透光性好、易于轉(zhuǎn)移、適合規(guī)模生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而逐漸成為一種重要的石墨烯制備方法。CVD 方法制備石墨烯的最初研究中，最早是使用多晶Ni 基底作為催化劑，生長(zhǎng)出單層的石墨烯。由于碳在Ni 中溶解度較大，導(dǎo)致石墨烯的尺寸較小，成分不均勻，層數(shù)難以控制，因此，Ni不是一種非常合適制備單層石墨烯的襯底。2009 年，美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的Ruoff 研究組利用多晶Cu作為襯底，在低壓下于Cu 表面上生長(zhǎng)出大面積的單層石墨烯。在此基礎(chǔ)上，CVD 方法的石墨烯合成研究取得飛速發(fā)展，被認(rèn)為是一種很有前途的制備石墨烯的方法。盡管單層石墨烯具有許多新穎的物理性質(zhì)，但由于單層石墨烯具有能量線性色散關(guān)系，帶隙為零，因此限制其在邏輯開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)器中的應(yīng)用。而雙層石墨烯不僅在外電場(chǎng)誘導(dǎo)下將其帶隙打開(kāi)，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其帶隙進(jìn)行調(diào)控( 最大250meV) ，可用于制備隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管和可調(diào)諧激光器二極管，因此引起人們的廣泛關(guān)注。

　　本文采用CVD方法，通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在多晶銅襯底上制備出了大面積的單層及雙層石墨烯，并用光學(xué)顯微鏡(OM) 、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 以及拉曼光譜對(duì)制備出來(lái)的石墨烯薄膜進(jìn)行了表征與分析。

1、實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1、石墨烯的制備

　　實(shí)驗(yàn)使用天津市凱恒公司生產(chǎn)的單溫區(qū)管式高溫電爐作為CVD 加熱裝置，如圖1 所示。首先將銅箔的尺寸固定為1 cm × 1 cm 大小，然后放置于100mL 的燒杯中，依次用適量的丙酮和無(wú)水乙醇超聲清洗15 min，最后用氮?dú)獯蹈�。將干燥后的銅箔放入石英舟中，放入石英管中并使其處于CVD 電爐中心的恒溫加熱區(qū)段，將石英管密封。打開(kāi)機(jī)械泵抽真空至1.0 Pa 以下后，向石英管中通入一定量的氫氣和氬氣后啟動(dòng)升溫程序。在50 min 內(nèi)將溫度由室溫升高到1000℃ ( 或者60 min 內(nèi)由室溫升高到1050 ℃) ，并在該溫度下保溫30 min，這是為了還原銅箔表面的氧化物以及增大銅的晶粒尺寸。然后調(diào)節(jié)真空度至1. 0 × 10⁴ Pa，通入適量的甲烷，反應(yīng)30min 后，自然降至室溫。得到在Cu 襯底上制備出了石墨烯薄膜。

圖1 Cu 表面制備石墨烯的CVD 裝置示意圖

　　1.2、石墨烯的轉(zhuǎn)移

　　石墨烯的轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖2 所示。在生長(zhǎng)石墨烯的銅箔表面旋涂上一層高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯( poly( methyl methacrylate) ，PMMA) 后，將樣品放在180 ℃的熱板上烘烤1 min，然后將涂有PMMA的石墨烯樣品放入0.05 mol /L 的FeCl3溶液中，大約24 h 過(guò)后，銅箔被徹底刻蝕掉。用載玻片取出漂浮在溶液表面上的樣品，用去離子水反復(fù)清洗，最后，用SiO2片將PMMA/G 薄膜撈起，自然烘干后，將樣品放入90℃的丙酮中煮三次，每次10 min，除去覆蓋在石墨烯表面上的PMMA，最后分別用酒精，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈�，得到轉(zhuǎn)移到300 nmSiO2 /Si基底上的石墨烯樣品。

圖2 石墨烯轉(zhuǎn)移流程圖

2、結(jié)論

　　通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方法在兩種不同厚度的銅箔上分別生長(zhǎng)出單層石墨烯，雙層石墨烯島和雙層石墨烯膜，并對(duì)石墨烯進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡，Raman 光譜和SEM 表征。研究結(jié)果表明通過(guò)控制生長(zhǎng)反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)單層石墨烯和雙層石墨烯的可控生長(zhǎng)。采用該方法制備的雙層石墨烯的尺寸可以達(dá)到20 ～ 30 μm，這為其將來(lái)在納電子器件、光電器件和其它可能實(shí)際應(yīng)用提供一定研究基礎(chǔ)。