化學氣相淀積石墨烯在不同襯底上的表征以及多層石墨烯在有機太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：由于石墨烯具有不同尋常的物理性質(zhì)，它的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了物理學界的廣泛關(guān)注。這種特殊的二維材料已被用于各種量子實驗。不僅如此，石墨烯還具有獨特的機械、光學、電學性質(zhì)，使得石墨烯可以被用來制作各類新型器件。在室溫下，石墨烯的電子遷移率高達200000cm2/V·s。如此高的載流子遷移率使得石墨烯有希望被用來制作高頻高速晶體管。除此以外，石墨烯還有可能在其他方面得到應(yīng)用，比如微機電系統(tǒng)MEMS、電池以及各類探測器。 均勻大面積的石墨烯材料是確保石墨烯器件的高性能和推進該器件走向應(yīng)用的關(guān)鍵。在目前的石墨烯制備方法中，化學氣相沉積（CVD）法被認為是制備均勻大面積石墨烯的最佳制備方法之一。在CVD法制備石墨烯時，已經(jīng)有多種不同的金屬被用來作襯底，如銅、鎳等。得益于銅箔表面的自限制作用，銅箔襯底上可以生長出大面積的單層石墨烯，因此銅箔已經(jīng)成為CVD法制備石墨烯的最常用襯底。為了盡量增大石墨烯單晶的晶疇面積，本文提出電化學拋光的方法對銅箔進行預(yù)處理。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過電化學拋光處理后的銅箔表面更加光亮干凈，這有利于降低石墨烯的成核密度。 為了制作石墨烯器件，生長結(jié)束后需要進行石墨烯轉(zhuǎn)移。然而，在此轉(zhuǎn)移過程中石墨烯容易受到有機物的污染。光刻膠雜質(zhì)是測量石墨烯本征物理性質(zhì)和制作石墨烯器件的障礙。為了去除石墨烯表面的有機物殘留，通常在高溫下對石墨烯進行退火。研究表明高溫退火確實可以有效的去除光刻膠殘留，可是高溫退火對石墨烯本身的物理性質(zhì)影響并沒有深入的研究。本文把CVD制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到藍寶石襯底上并且將其在不同的溫度進行退火實驗。利用AFM、拉曼光譜表征等手段，探究了高溫退火工藝與襯底間殘余應(yīng)力的關(guān)系。通過分析Raman光譜，研究了石墨烯上殘余應(yīng)力的積累。并且在實驗的基礎(chǔ)上，本文進一步建立了退火殘余應(yīng)力的應(yīng)力積累模型，獲得是應(yīng)力積累系數(shù)為0.35，由此模型導(dǎo)出的應(yīng)力殘余系數(shù)與實驗結(jié)果取得了很好的吻合。 銦錫氧化物ITO常用于制作有機太陽能電池的電極，然而其高昂的價格制約著太陽能電池的普及。不僅如此，銦錫氧化物十分易碎，而且對酸十分敏感，使得可靠性下降。銦錫氧化物中本身化學性質(zhì)較活潑，其中的離子容易滲入太陽能電池的有效層，造成有機太陽能電池性能下降，因此尋找到ITO的替代材料很有意義。石墨烯具有很高的透光率，單層石墨烯透光率高達97.7%，折射率小于0.1%，幾乎可以忽略。雖然具有很高的透光率，但是未經(jīng)摻雜的單層石墨烯方阻太高，不適合制作透明電極，而隨著層數(shù)的增加，石墨烯的方阻會逐漸降低。所以為了制作透明電極，本文研究了疊層石墨烯轉(zhuǎn)移工藝。 這里提出了一種免于退火的疊層石墨烯轉(zhuǎn)移方法，利用這種方法轉(zhuǎn)移獲得的疊層石墨烯同時具有較高的透光率和電導(dǎo)率。Raman測試表明，盡管隨著疊層層數(shù)的增加，轉(zhuǎn)移步驟增多，但是疊層轉(zhuǎn)移工藝并沒有破壞石墨烯以及引入非故意摻雜。實驗獲得是4層石墨烯電極的透光率超過86%，方阻小于100。本文在此基礎(chǔ)上進一步制作了有機太陽能電池，得到的開路電壓為0.62V，短路電流密度為0.51mA/cm2。證明這種轉(zhuǎn)移工藝制備的疊層石墨烯電極，有潛力在有機太陽能電池中用來替代ITO。 總之，本文主要在石墨烯生長、石墨烯與襯底間的相互作用、退火工藝在石墨烯中引入的殘余應(yīng)力、以及疊層石墨烯電極的制備和應(yīng)用等方面進行了探索研究。 【關(guān)鍵詞】：化學氣相淀積 石墨烯 殘余應(yīng)力 透明電極
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN304.055;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 石墨烯概述11-13
• 1.2 石墨烯的主要研究方向與進展13-15
• 1.3 本文主要工作與安排15-17
• 第二章 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)以及主要測試手段17-29
• 2.1 石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)和能帶特點17-21
• 2.1.1 軌道雜化，晶格結(jié)構(gòu)17-19
• 2.1.2 單層石墨烯的 E-k 關(guān)系19-20
• 2.1.3 多層石墨烯的 E-k 關(guān)系20-21
• 2.2 主要的測試表征手段21-28
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡 SEM21-23
• 2.2.2 原子力顯微鏡 AFM23
• 2.2.3 光學顯微鏡 OM23-24
• 2.2.4 X 射線光電子能譜分析 XPS24-25
• 2.2.5 非接觸 hall 方阻遷移率測試25-26
• 2.2.6 拉曼 Raman 光譜檢測26-28
• 2.3 本章小結(jié)28-29
• 第三章 化學氣相沉積 CVD 法生長石墨烯29-37
• 3.1 石墨烯的主要制備手段29-30
• 3.1.1 機械剝離29-30
• 3.1.2 SiC 制備大面積石墨烯30
• 3.2 石墨烯 CVD 生長30-36
• 3.2.1 CVD 概述以及優(yōu)勢30-31
• 3.2.2 銅預(yù)處理31-32
• 3.2.3 生長條件32-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第四章 不同襯底和退火工藝對石墨烯性質(zhì)的影響37-49
• 4.1 石墨烯向任意襯底的轉(zhuǎn)移工藝37-38
• 4.2 不同襯底對石墨烯電學性質(zhì)的影響38-39
• 4.3 退火去除殘留光刻膠39-42
• 4.4 退火對石墨烯性質(zhì)的影響42-48
• 4.5 本章小結(jié)48-49
• 第五章 多層石墨烯電極在有機太陽能電池中的應(yīng)用49-57
• 5.1 電池透明電極概述和 ITO 電極的劣勢49-50
• 5.2 疊層石墨烯的轉(zhuǎn)移方法研究50-51
• 5.3 疊層石墨烯電極的 Raman 表征51-53
• 5.4 層數(shù)對透光率和方阻的影響53-54
• 5.5 基于石墨烯電極的太陽能電池器件性能分析54-55
• 5.6 本章小結(jié)55-57
• 第六章 結(jié)束語57-59
• 致謝59-61
• 參考文獻61-69
• 攻讀碩士期間研究成果與獲獎情況69-71

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