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.
石墨烯具有優異的光學/ 電學/ 力學特性, 在材料學/ 微納加工/ 能源/ 生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景, 被認為是一種未來革命性的材料.
石墨烯的奇特的物理性質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/ 極優的力學性能以及電子自旋輸運/ 超導電性等, 使其在納米電子學和自旋電子學元器件方面擁有非常廣闊的發展前景.
材料的制備是實現其功能化應用的基礎, 大面積高質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很多種生長方式獲得, 如機械剝離法, 以單晶金屬為襯底的CVD法化學氧化還原法等, 但是碳化硅外延生長法被普通認為是實現工業化制備和生產石墨烯的最有效途徑之一.
外延法制備石墨烯
所謂的外延法, 即在一個晶格結構上通過晶格匹配生長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/ 高質量石墨烯的制備方法.
金屬催化外延生長法
金屬催化外延生長法是在超高真空條件下將碳氫化合物通入到具有催化活性的過渡金屬基底如Pt/ Ir/ Ru/ Cu等表面, 通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯. 氣體在吸附過程中可以長滿整個金屬基底, 并且其生長過程為一個自限過程, 即基底吸附氣體后不會重復吸收, 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外延生長法
基本原理是：以SiC單晶為襯底, 首先利用氫氣在高溫下對SiC的刻蝕效應對襯底表面進行平整化處理, 使之形成具有原子級平整度的臺階陣列形貌的表面; 然后, 在超高真空的環境下, 將SiC襯底表面加熱到1400℃以上, 使襯底表面的碳硅鍵發生斷裂, Si原子會先于C原子升華而從表面脫附, 而表面富集的C原子發生重構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提供清潔的工作環境,減少樣品的污染
而石墨烯的外延生長后的表面結構分析多使用STM設備.
掃描隧道顯微鏡 STM 是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器, STM 技術的最大優勢在于可獲得原子級的分辨率.
分子束外延 MBE 與掃描隧道顯微鏡 STM 聯用: 可以成功分析 MBE 生長晶體表面結構, 這種聯用現已廣泛應用于各大院校和研究院應用表面物理實驗中. 分子束外延 MBE 與掃描隧道顯微鏡 STM 系統都需要在超高真空環境中進行, 對真空度要求及其高, 需要伯東 Pfeiffer 真空泵系列分子泵低振動, 低噪音, 清潔無油確保超高真空的穩定性已保證晶格的生長和后期的探測分析.
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