石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料.

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)/ 電學(xué)/ 力學(xué)特性, 在材料學(xué)/ 微納加工/ 能源/ 生物醫(yī)學(xué)和傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景, 被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料.

石墨烯的奇特的物理性質(zhì)如極高的載流子遷移率/ 室溫下亞微米尺度的彈道傳輸特性/ 反常量子霍爾效應(yīng)/ 極優(yōu)的力學(xué)性能以及電子自旋輸運(yùn)/ 超導(dǎo)電性等, 使其在納米電子學(xué)和自旋電子學(xué)元器件方面擁有非常廣闊的發(fā)展前景.

材料的制備是實(shí)現(xiàn)其功能化應(yīng)用的基礎(chǔ), 大面積高質(zhì)量石墨烯的制備仍然是困擾科研人員的一大難題. 石墨烯雖然可以通過(guò)很多種生長(zhǎng)方式獲得, 如機(jī)械剝離法, 以單晶金屬為襯底的CVD法化學(xué)氧化還原法等, 但是碳化硅外延生長(zhǎng)法被普通認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備和生產(chǎn)石墨烯的有效途徑之一.

外延法制備石墨烯

所謂的外延法, 即在一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)上通過(guò)晶格匹配生長(zhǎng)出另外一種晶體的方法. 與其它制備方法比較, 外延法是最有可能獲得大面積/ 高質(zhì)量石墨烯的制備方法.

金屬催化外延生長(zhǎng)法

金屬催化外延生長(zhǎng)法是在超高真空條件下將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^(guò)渡金屬基底如Pt/ Ir/ Ru/ Cu等表面, 通過(guò)加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯. 氣體在吸附過(guò)程中可以長(zhǎng)滿(mǎn)整個(gè)金屬基底, 并且其生長(zhǎng)過(guò)程為一個(gè)自限過(guò)程, 即基底吸附氣體后不會(huì)重復(fù)吸收, 因此, 所制備出的石墨烯多為單層, 且可以大面積地制備出均勻的石墨烯.

SiC外延生長(zhǎng)法

基本原理是：以SiC單晶為襯底, 首先利用氫氣在高溫下對(duì)SiC的刻蝕效應(yīng)對(duì)襯底表面進(jìn)行平整化處理, 使之形成具有原子級(jí)平整度的臺(tái)階陣列形貌的表面; 然后, 在超高真空的環(huán)境下, 將SiC襯底表面加熱到1400℃以上, 使襯底表面的碳硅鍵發(fā)生斷裂, Si原子會(huì)先于C原子升華而從表面脫附, 而表面富集的C原子發(fā)生重構(gòu)從而形成六方蜂窩狀的石墨烯薄膜.

超高真空的樣品室可以為石墨烯的生長(zhǎng)提供清潔的工作環(huán)境,減少樣品的污染

而石墨烯的外延生長(zhǎng)后的表面結(jié)構(gòu)分析多使用STM設(shè)備.

掃描隧道顯微鏡 STM 是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器, STM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可獲得原子級(jí)的分辨率.

分子束外延 MBE 與掃描隧道顯微鏡 STM 聯(lián)用: 可以成功分析 MBE 生長(zhǎng)晶體表面結(jié)構(gòu), 這種聯(lián)用現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各大院校和研究院應(yīng)用表面物理實(shí)驗(yàn)中. 分子束外延 MBE 與掃描隧道顯微鏡 STM 系統(tǒng)都需要在超高真空環(huán)境中進(jìn)行, 對(duì)真空度要求及其高, 需要伯東 Pfeiffer 系列低振動(dòng), 低噪音, 清潔無(wú)油確保超高真空的穩(wěn)定性已保證晶格的生長(zhǎng)和后期的探測(cè)分析.

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