厦门工学院本科生毕业设计（论文） 题 目：利用CVD化学气象沉积法制备石墨烯的研究 姓 名： 闫建林 学 号： 1205101033 系 别： 材料科学与工程系 专 业： 材料专业 年 级： 2012级 指导教师： 杨凤娟 2016 年 月 日独创性声明本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。论文作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明本人完全了解厦门工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 利用CVD化学气象沉积法制备石墨烯的研究摘要 石墨烯是最新被研发出来的具有单层二维结构的纳米材料,石墨烯具有许多独特的性质,例如室温下体现出来的反常量子效应、高电子迁移速率、抗热传导率以及良好的机械性能,使其具有广泛的应用空间,2010年诺贝尔物理学奖说明曾指出，由石墨烯这种新型碳材料所引发的全球性的材料革命正在发生着。这就是石墨烯为什么被称为材料界未来之星的原因。但是我们要研究新材料的应用前景就必须从怎样制备出高质量的石墨烯入手，只有制备出具有较高质量的石墨烯，我们才能够对于他的特性进行分析。现在使用的制备石墨烯的主要方法，就是CVD化学气相沉积法，这种方法所生产出来的石墨烯有极大的质量和极大地生长面积。本文内容主要介绍了制备石墨烯的化学气象沉积法，并且通过改变载气氮气和甲烷的浓度，总结出了对于制备出具有质量高、面积大的石墨烯所需要达到的工艺条件和工艺要求，又利用氧化还原法做了对比试验，比较了两种工艺的优点和缺点。并且设想了以后石墨烯的发展方向。关键词：石墨烯，化学气象沉积，红外光谱，制备，氧化还原法，拉曼光谱，扫描电子显微镜Preparation of graphene by CVD (chemical vapor deposition method)AbstractGraphene is the latest to be developed by the two-dimensional nanomaterials have a single layer structure, graphene has many unique properties, such as room temperature manifested anomalous quantum effects, a high electron mobility rate, thermal conductivity and good mechanical properties, it has a broad application space, the 2010 Nobel Prize in Neo-bit instructions has pointed out, by the materials revolution of this new carbon material graphene caused a global taking place. That is why the graphene is called the materials sector rising stars of reasons. But we need to study prospects of new materials must start from how to prepare high-quality graphene, graphene prepared only with higher quality, we will be able to analyze his characteristics. As the main method for the preparation of graphene, CVD chemical vapor deposition method have the attention of the scientific community, because this method produced graphene sentence has great quality and growing area. This paper mainly describes the chemical vapor deposition method for preparing graphene, and by changing the concentration of the carrier gas of nitrogen and methane, as well as different growth substrate to compare the out for the preparation of a high quality, large area liter graphene needed achieve process conditions and requirements, and we have a bold vision for the future use of the graphene prepared by CVD may be the direction of development.Keywords: graphene, chemical vapor deposition, infrared spectroscopy, preparation, oxidation-reduction method, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy目 录第一章 绪论5 1.1 研究背景6 1.2 石墨烯的结构与性质6 1.2.1 石墨烯的结构6 1.2.2石墨烯的性质8 1.3 制备石墨烯的常用方法11 1.3.1化学及液相剥离法11 1.3.2氧化还原法11 1.3.3 SiC外延生长法12 1.4 对制备出石墨烯的转移12 1.4.1 理想的石墨烯转移技术的特点12 1.4.2 典型的石墨烯转移技术13 1.5 研究内容13第二章 石墨烯的CVD化学气相沉积法制备实验15 2.1 化学气相沉积法制备石墨烯的研究历程15 2.2 CVD工作原理16 2.3 实验药品和设备16 2.4 对衬底的预处理19 2.5 石墨烯的生长过程19 2.6 比较实验利用Hummer法氧化还原石墨烯21 2.7 总结24第三章 对石墨烯样品的主要性能表征25 3.1 原子力显微镜（AFM）25 3.2 扫描电子显微镜28 3.3 XRD表征30第四章 关于本次实验及论文的总结32参考文献33致谢辞36第一章 绪论1.1 研究背景众所周知，在自然界中碳是一种很常见的元素，它以各种各样的形式存在于我们生活之中，因此，碳被称为有机物的生命之基。我国从上世纪就开始了对石墨的开采，只是由于以前的开采方式比较落后，开采规模也不是太大，但是近几年来，随着我国经济的发展和科学的进步，对于石墨的产业链产生了巨大的影响和质的提升。我们称石墨烯就是碳的同素异形体，虽然石墨很早就被发现出来，但是对石墨烯的研究基本上停留在一个孤立的单原子平面。每一新科技发现的背后都不是一蹴而就的，而石墨烯的发现之路也是一路曲折，从20世纪四十年代开始就有许多科学家在研究石墨烯，直到20世纪六七十年代科学家才发现了石墨层间化合物具有较高的导电性能。然而在80年代后期，对于石墨烯的研究基本上处于停滞不前的阶段,这是由于科学界普遍认为从理论和实验层面获得石墨烯是几乎不可能完成的任务，最严重的原因是大家都错误的认为如果一种材料没有三维结构，那么他的二维平面也不可能存在1。事情的转机出现于2004年，英国曼彻斯特大学的科学家Andergeim和Konstantin利用机械剥离高定向的被热解后的石墨（通俗来说就是用普通的胶带在石墨经过高定向热解之后，多此剥离），偶然的发现了石墨烯。虽然这样的方法看起来很幼稚，但是在当时能够找到大小约为几百微米的高质量石墨稀,对石墨烯特殊性能的研究具有非常重要的意义，因此他们利用这种方法打开了石墨烯研究的大门，掀起了一波石墨烯研究的高潮。他们凭借对石墨烯的发现而获得了2004年诺贝尔奖。在2007年的时候，Meyer等人报道了石墨烯单片层是能够在真空环境或者空气中完全附着在金属支架上，但是，石墨烯单片层的碳原子层的厚度是非常的小只有0.35纳米。然而，该发现却证实了在特定的环境中，自由态的石墨烯是可以稳定地存在的。它也推翻了被大家认为很久的完美二维晶体结构是不能够在非绝对零度下稳定存在的这一错误结论，引领了石墨烯研究的新潮流2。1.2 石墨烯的结构与性质 1.2.1 石墨烯的结构石墨烯跟石墨单原子层具有一样的原子排列方式，石墨烯的结构是碳原子经过sp2杂化后按照蜂巢晶格，密密排列形成的六角晶格点阵，它是具有二维晶体的材料。通俗来讲,石墨烯就是一个在二维空间内延伸扩展的苯环而形成的。下图1-1即为石墨烯的结构示意图。石墨化碳电子组态为1s22s22p2，也就是每个碳原子的周围都会有3个碳原子能够成键，键角是120度，并且每个碳原子都以3个sp2杂化轨道和邻近的3个碳原子形成了3个键，剩下的一个p轨道能够与相近的碳原子形成共轭体系，那么每一个碳原子将会贡献出一个p电子。因而，石墨烯的C-C骨架就是由键的参与下所形成的，在这样的骨架上，上下均分布有成对的电子云，这样的成键方式和苯环的成键方式几乎完全相同，这就是石墨烯可以看成一个巨大的稠环芳烃的原因所在。但是，即便石墨烯是碳的同素异形体的构成单元，可它与富勒烯的成键方式仍然大不相同，富勒烯的化学活性要大于石墨烯。如图 1-2所示，石墨烯可以有不同的方式形成碳的同素异形体。图1-1 石墨烯结构示意图 （a） （b）