以聚苯乙烯為固態(tài)碳源，拋光銅箔為襯底，通過改變固態(tài)碳源的溫度探索了固態(tài)碳源溫度對雙溫區(qū)化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯的影響。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)碳源動態(tài)變溫生長能夠在生長的起始階段降低石墨烯形核密度，同時(shí)打破晶粒長大時(shí)氫氣刻蝕速率與石墨烯生長速率的動態(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)碳源動態(tài)變溫制備了I2D /IG達(dá)到2. 91，透過率為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)用于太陽能電池、傳感器、復(fù)合材料、光催化等領(lǐng)域。

　　近年來化學(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催化生長機(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://m.203scouts.com/)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，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)勢在CVD 法生長石墨烯的過程中得到了廣泛應(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)面臨的一大問題。本文主要探索了固態(tài)源溫度變化對石墨烯生長的影響，并采用固態(tài)源動態(tài)變溫的方法生長了石墨烯，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，采用的襯底為銅箔，銅襯底先經(jīng)過機(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石墨烯前在襯底溫度1000℃下退火30 min，使銅晶粒長大，減少晶界等石墨烯易于形核的區(qū)域，降低生長石墨烯過程中的形核密度。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，生長氣壓為100 Pa，生長時(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) 對轉(zhuǎn)移至玻璃襯底上的石墨烯樣品進(jìn)行透過率測試；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 法生長了石墨烯。通過改變固態(tài)碳源溫度，研究了固態(tài)碳源溫度變化對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，生長氣氛中氫氣流量為100 mL /min，氬氣流量為300 mL /min，生長氣壓為100 Pa，生長時(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)碳源動態(tài)變溫生長能夠在生長的起始階段降低石墨烯形核密度，同時(shí)打破晶粒長大時(shí)氫氣刻蝕速率與石墨烯生長速率的動態(tài)平衡，可以有效地提升石墨烯的覆蓋率。通過優(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℃動態(tài)生長的條件下，制得了I2D/IG達(dá)到2.91，2D 峰半高寬為22.7 cm^-1，透過率為97.6%的高質(zhì)量單層石墨烯薄膜。