以聚苯乙烯為固態(tài)碳源，拋光銅箔為襯底，通過(guò)改變固態(tài)碳源的溫度探索了固態(tài)碳源溫度對(duì)雙溫區(qū)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)石墨烯的影響。樣品采用拉曼散射光譜、紫外-可見分光光度計(jì)和掃描電子顯微鏡進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，固態(tài)碳源溫度的變化直接影響了氣相碳源濃度，通過(guò)控制固態(tài)碳源溫度，可以控制所得石墨烯的層數(shù)。固態(tài)碳源動(dòng)態(tài)變溫生長(zhǎng)能夠在生長(zhǎng)的起始階段降低石墨烯形核密度，同時(shí)打破晶粒長(zhǎng)大時(shí)氫氣刻蝕速率與石墨烯生長(zhǎng)速率的動(dòng)態(tài)平衡，可以有效地提升石墨烯的覆蓋率。最終在襯底溫度為1000 ℃條件下使用固態(tài)碳源動(dòng)態(tài)變溫制備了I2D /IG達(dá)到2. 91，透過(guò)率為97.6% 的高質(zhì)量單層石墨烯薄膜。

　　石墨烯是由碳原子緊密堆垛而成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有十分優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，自其被人類所發(fā)現(xiàn)以來(lái)便受到了廣泛的關(guān)注。石墨烯具有高載流子遷移率、高比表面積、高透過(guò)率及高熱導(dǎo)率等有應(yīng)用前景的特性，現(xiàn)在已成功將其應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、傳感器、復(fù)合材料、光催化等領(lǐng)域。

　　近年來(lái)化學(xué)氣相沉積(CVD) 法制備石墨烯已發(fā)展為制備大面積高質(zhì)量石墨烯的主要方法。反應(yīng)過(guò)程中主要為含碳化合物被輸送至襯底表面后被襯底高溫分解后通過(guò)催化生長(zhǎng)機(jī)制以及溶解析出機(jī)制得到石墨烯。目前石墨烯的研究中常利用的生長(zhǎng)機(jī)制主要有襯底催化機(jī)制以及襯底溶解析出機(jī)制。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為其中表面催化機(jī)制以廉價(jià)Cu 襯底為代表，主要機(jī)理為碳源高溫分解并在襯底催化作用下脫氫形成含碳活性基團(tuán)，當(dāng)含碳活性基團(tuán)在襯底上累計(jì)到達(dá)一定濃度后便在襯底表面形核生長(zhǎng)，形成石墨烯薄膜。表面催化機(jī)制憑借其可控性強(qiáng)、制得石墨烯質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)在CVD 法生長(zhǎng)石墨烯的過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。但如何提高石墨烯的覆蓋率和晶粒大小一直是石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)面臨的一大問(wèn)題。本文主要探索了固態(tài)源溫度變化對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的影響，并采用固態(tài)源動(dòng)態(tài)變溫的方法生長(zhǎng)了石墨烯，有效提高了所得石墨烯薄膜的覆蓋率。

1、實(shí)驗(yàn)

　　本實(shí)驗(yàn)采用雙溫度區(qū)間的CVD 管式爐進(jìn)行石墨烯的生長(zhǎng)，采用的襯底為銅箔，銅襯底先經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光及電化學(xué)拋光雙重拋光，使銅箔表面缺陷減少并在生長(zhǎng)石墨烯前在襯底溫度1000℃下退火30 min，使銅晶粒長(zhǎng)大，減少晶界等石墨烯易于形核的區(qū)域，降低生長(zhǎng)石墨烯過(guò)程中的形核密度。之后在襯底溫度1000℃條件下，在拋光后的銅襯底上制備石墨烯。實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示，碳源為質(zhì)量為15 mg 的聚苯乙烯，生長(zhǎng)氣氛中氫氣流量為100 mL/min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ，氬氣流量為300 mL/min，生長(zhǎng)氣壓為100 Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為30 min，固態(tài)碳源溫度為190 ～240℃。其中管內(nèi)徑為64 mm，襯底所處恒溫度長(zhǎng)度為150 mm，加熱區(qū)440 mm，固態(tài)源距離襯底420 mm。

圖1 雙溫區(qū)石墨烯生長(zhǎng)設(shè)備示意圖

　　實(shí)驗(yàn)得到的樣品采用拉曼散射光譜( ISA/JOBIN-YVON RMS T64000，Ar + 激光，波長(zhǎng)514.5 nm)分析其薄膜結(jié)構(gòu)性能；采用分光光度計(jì)( 島津UV-2550) 對(duì)轉(zhuǎn)移至玻璃襯底上的石墨烯樣品進(jìn)行透過(guò)率測(cè)試；采用掃描電子顯微鏡( SEM，島津S-4800)觀察石墨烯的覆蓋率。

3、總結(jié)

　　本文采用聚苯乙烯作為固態(tài)碳源，在銅襯底上采用雙溫區(qū)CVD 法生長(zhǎng)了石墨烯。通過(guò)改變固態(tài)碳源溫度，研究了固態(tài)碳源溫度變化對(duì)所得石墨烯薄膜的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固態(tài)碳源溫度的變化直接影響到氣態(tài)碳源濃度，通過(guò)控制固態(tài)碳源溫度，可以有效控制所得石墨烯的層數(shù)。在襯底溫度為1000℃，聚苯乙烯的質(zhì)量為15 mg，生長(zhǎng)氣氛中氫氣流量為100 mL /min，氬氣流量為300 mL /min，生長(zhǎng)氣壓為100 Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為30 min，固態(tài)碳源溫度為210 ℃的條件下得到了質(zhì)量較好的單層石墨烯。當(dāng)固態(tài)碳源溫度提升到220℃和230℃時(shí)分別得到了2 層和3 層的石墨烯。采用固態(tài)碳源動(dòng)態(tài)變溫生長(zhǎng)能夠在生長(zhǎng)的起始階段降低石墨烯形核密度，同時(shí)打破晶粒長(zhǎng)大時(shí)氫氣刻蝕速率與石墨烯生長(zhǎng)速率的動(dòng)態(tài)平衡，可以有效地提升石墨烯的覆蓋率。通過(guò)優(yōu)化溫度區(qū)間，在其它條件相同，固態(tài)碳源溫度改為200 ～240℃動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的條件下，制得了I2D/IG達(dá)到2.91，2D 峰半高寬為22.7 cm^-1，透過(guò)率為97.6%的高質(zhì)量單層石墨烯薄膜。