绝缘衬底上石墨烯的化学气相沉积制备与器件应用

石墨烯作为一种拥有优异性能的二维晶体材料,其制备方法与潜在应用在最近几年内得到了广泛研究.与现有半导体硅工艺相匹配的化学气相沉积方法因其能够以低成本大规模制备高质量石墨烯,逐渐成为工业化大规模制备石墨烯的首选技术.然而,金属上通过化学气相沉积生长的石墨烯需要转移到绝缘衬底上才可以用于器件制备、电学性能表征等后期工作,而目前的转移技术无法避免对石墨烯的质量造成影响.如果在绝缘衬底表面直接生长石墨烯将有效避免石墨烯的转移工艺,从而有望在目标绝缘衬底上直接获得大面积高质量石墨烯.本文系统性介绍了近几年来绝缘衬底上生长石墨烯的相关研究进展,总结并展望了绝缘衬底上石墨烯生长、应用的发展前景与需要攻克的难题.     

金属衬底上石墨烯生长机理研究进展

石墨烯作为一种新型的二维碳材料,在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有非常重要的应用前景.然而,大规模可控合成高质量的石墨烯仍然面临巨大的挑战,其中比较有效的方法之一是在金属衬底上生长石墨烯.本文总结了近年来在金属衬底上生长石墨烯的机理研究方面取得的重要进展,从初始阶段、成核阶段、长大过程3个方面进行了介绍,最后还介绍了氢气在石墨烯生长过程中所起的重要作用,以期对石墨烯生长机理的深入研究及大规模可控制备提供帮助.     

MgO/α-Al_2O_3单晶衬底上磁控溅射Pt外延薄膜微结构观测分析

采用射频磁控溅射方法在Mg O和α-Al_2O_3单晶基片上沉积制备Pt外延薄膜,研究了衬底晶格结构和沉积氛围对薄膜外延生长晶向和表面形貌的影响.实验研究表明,Pt薄膜外延生长晶向主要受衬底表面晶格结构的影响,沉积氛围主要影响薄膜表面形貌.X射线衍射分析证明了Pt(100)//Mg O(100),Pt(111)//Mg O(111),Pt(111)//α-Al_2O_3(0001)和Pt(111)//α-Al_2O_3(01 12)的晶面外延关系.扫描电子显微镜观测发现15%氧分压氛围沉积在Mg O(111)和α-Al_2O_3(01 12)衬底上的Pt(111)外延薄膜以三角形晶粒密排堆叠形成平整致密的膜面,但膜内存在旋转畴缺陷;而15%氧分压氛围沉积在Mg O(100)衬底上的Pt(100)外延薄膜无旋转畴缺陷,但薄膜表面出现大小不一的微孔.     

多晶金刚石薄膜的晶粒散射吸收与红外光学增透

一、引言 自Derjaguim等人首次人工合成Si衬底金刚石薄膜以来,金刚石薄膜的研究特别是其功能特性的研究,倍受重视而得到迅速发展。金刚石薄膜良好的光学性质使其有希望成为应用广泛的光学窗口材料。热解化学气相沉积方法可以获得400mm~2以上的大面积金刚石薄膜,这种薄膜是一种多晶薄膜,可以在Si、Ge和石英等光学窗口材料衬底上生长。生长过     

用热解化学气沉积法选择性生长金刚石薄膜的研究

一、引言 金刚石薄膜作为一种新型多功能材料,其制备和应用研究在近几年内取得了飞速的发展.目前,用各种化学气相沉积方法(CVD)合成的金刚石薄膜在一些领域内已取得了初步的应用.金刚石薄膜的选择性生长就是在衬底表面上按照所需图形生长金刚石薄膜,因此选择     

金刚石薄膜与Si衬底间界面状态的研究

近十多年来,气相法合成金刚石薄膜的研究已取得了很大的进展.金刚石薄膜的应用已处于商业化的初期阶段,但金刚石薄膜的生长机理还不清楚,薄膜的结构与合成条件间的相互关系研究还有待深入.尽管能在多种衬底上合成出金刚石薄膜,但薄膜与衬底间的结合强度在一些情况下还是非常弱的.因此,了解金刚石薄膜与衬底间的界面结构,分析早期在衬底上     

基于PECVD技术的石墨烯可控制备与应用:现状与展望

石墨烯因其优异的物理/化学特性,在众多领域有着广泛的应用前景.为了推动石墨烯材料的实际应用,需要寻找稳定可靠、可扩展和低成本的石墨烯材料制备方法.等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)技术是一种借助外加能量辅助反应前驱体裂解产生等离子体,进而实现石墨烯制备的方法. PECVD技术在沿袭了传统化学气相沉积法工艺产物设计性强、反应途径灵活、可批量化、高品质制备石墨烯等优点的基础上,可以实现石墨烯在更低的生长温度、更多样化的生长衬底上以更快的生长速度制备合成,从而能够有效降低能耗,提高制备效率,拓展石墨烯的应用场景.本文综述了近年来利用不同等离子体源(射频、直流和微波)PECVD技术制备石墨烯的研究进展,讨论了其生长机理,以及PECVD制备石墨烯在储能、器件散热和光热转化等相关领域的应用,进一步对PECVD技术在石墨烯制备和应用中面临的挑战和未来的发展前景进行了总结.     

X射线衍射研究(001)MgO单晶上外延生长GdBa_2Cu_3O_(7-x)超导薄膜的晶格相互关系

磁控溅射法在SrTiO_3单晶衬底上外延生长的YBa_2Cu_3O_(7-x)超导薄膜有很好的轴向晶格匹配。Zr(Y)O_2单晶衬底上YBa_2Cu_3O_(7-x)超导薄膜,由于膜和衬底的晶格常数失配较大,外延生长不是轴向晶格匹配,而是膜晶体绕c轴旋转45°后,实现与衬底的[110]方向晶格     

负偏置沉积法可控制备Cu_2O多孔纳米结构薄膜

由于具有低成本、无毒、铜源丰富等优点,以及在气敏传感器、太阳能电池、光催化等领域的潜在应用前景,Cu_2O薄膜引起了人们的广泛关注.采用射频平衡磁控溅射镀膜系统,在薄膜沉积过程中通过施加不同衬底负偏压可控制备了Cu_2O多孔纳米结构薄膜.研究发现,所得Cu_2O薄膜具有灵活可调的孔隙度和纳米构筑单元形貌特征,并且它们与衬底负偏压的大小密切相关;薄膜沿衬底法线方向呈柱状生长且具有显著的(111)择优取向;禁带宽度在2.0~2.35 eV之间可调.很明显地,传统的溅射离子轰击、再溅射理论并不适合用来解释上述负偏压效应,因此在此基础上提出了一种负偏置沉积过程中材料原子或分子在薄膜表面选择性优先沉积机制.     

构筑晶格匹配牺牲层:制备高质量自支撑薄膜材料的有效途径

<正>自支撑型薄膜材料因其脱离衬底束缚而展现出物化性质均一、便于成型组装、避免界面缺陷等优异特性,在柔性电子器件、智能传感系统、能量储存转换、化学分离等领域表现出巨大应用潜力.目前已开发出的自支撑型薄膜的制备方法包括化学刻蚀、物理/机械剥离、界面合成、原位转化等.作为自支撑型薄膜材料的重要成员,自支撑型氧化物薄膜材料的主要制备方法为湿法制备,即基于水溶性牺牲层的外延生长、剥离和转移技术.     

金刚石在C60薄膜表面的气相成核

金刚石薄膜是一种性能优异的功能薄膜,比颗粒状金刚石材料有着更为广泛的应用领域,尤其是在光学和微电子学方面,因此近年来受到极大的关注。然而,在气相沉积金刚石薄膜中,金刚石在光滑非金刚石衬底表面难以成核。为了提高金刚石在光滑衬底上的成核密度,一般需要破坏衬底表面,使之布满宏观缺陷,如划痕、蚀坑等以提供成核点,或在衬底表面预沉积有助于金刚石成核的过渡层如DLC,β-SiC等。因此,寻找增强金刚石在光滑非金刚石衬底上成核的有效方法一直是近年来气相沉积金刚石研究的重要内容。最近,Meilunas等人发现Fuller烯中的C_(60),C_(70)作为过渡层可以显著提高金刚石在光滑Si衬底表面的成核密度。由于Fuller烯是一种新型的光学和半导体材料,因此,研究Fuller烯表面气相生长金刚石薄膜不仅为增强光滑衬底表面上的成核提供了一种新方法,更为重要的是有可能为金刚石薄膜和Fuller烯提供新的应用领域。     

RTCVD沉积在石英衬底上的多晶硅薄膜的生长习性

使用快速热化学气相沉积(RTCVD)系统在石英衬底上制备了多晶硅薄膜, 并利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等对其微结构进行了研究. XRD谱显示单个很强的(220)衍射峰, 说明多晶硅薄膜表面具有<110>择优取向. 表面SEM照片表明多晶硅薄膜的表面由大量尺寸不等的多边棱锥形晶粒组成, 断面SEM照片则说明多晶硅薄膜内的晶粒沿垂直于衬底的方向柱状生长. TEM结果进一步揭示了多晶硅薄膜内存在包括一次孪晶、二次孪晶以及三次以上的高次孪晶在内的大量孪晶. 以上实验结果无法用对常压化学气相沉积(APCVD)法制备多晶硅薄膜的生长习性的传统观点解释, 但是却可以由Ino等人提出的关于面心立方金属薄膜中高次孪晶形成和发展的模型很好的解释. 根据以上实验结果和Ino的模型, 认为RTCVD在石英衬底上沉积多晶硅薄膜的成核、生长是以形成高次孪晶粒子为基础的, 然后这些高次孪晶粒子以岛状生长的模式连成薄膜.     

热厚衬底上薄膜材料热导率测量

热导率是表征材料热学性能的重要参数之一.为了测量材料的热导率,人们发展了多种测量方法,光热偏转技术便是其中重要的一种.该方法已被成功地用于测量体材料和无衬底的薄膜材料的热导率,但在测量带有衬底的薄膜材料时,同其他方法一样,遇到了困难,目前尚未很好解决.本文报道应用光热偏转技术,测量了导热较差的热厚衬底(热波长小于本身厚度)上铜膜和金刚石膜的热导率.l 样品和实验方法     

利用“热壁扩散”法在金属衬底上生长C60单晶薄膜

自从石墨电弧放电制备克量级C_(60)的方法发现以来,研究不同衬底上C_(60)薄膜的生长行为就一直是科学家关注的热点之一.制备高质量的C_(60)薄膜,不仅在基础研究方面,而且在应用方面都具有重要的意义.例如,对于碱金属掺杂的C_(60)超导体,利用高质量的C_(60)单晶薄膜可以获得较窄的超导转变温区和较高的转变温度.此外高质量的C_(60)单晶薄膜对于研究由C_(60)和金属或半导体组成的双层膜或多层膜的非线性光学性能也具有重要的意义.C_(60)薄膜在不同衬底上的生长行为与许多因素有关,其中最重要的是衬底表面的原子排布是否与C_(60)的晶格相匹配,C_(60)与衬底之间是否存在电荷转移和是否存在键合.迄今为止,许多研究工作报     

外围全氟取代的1, 3, 5-三苯乙烯基苯: 真空沉积膜的表面形貌与疏水性能

报道了全反式-1, 3, 5-三(2′, 3′, 4′, 5′, 6′-五氟苯乙烯基)-苯(TPFSB)的合成及其真空沉积膜的性能. 原子力显微镜(AFM)观测发现, 真空沉积在石英衬底上的TPFSB薄膜的表面形貌依赖于薄膜厚度, 厚度小于30 nm时, 薄膜呈现孤岛状生长模式; 当厚度大于30 nm时, 衬底表面大部分被覆盖, 表面形貌呈现微纳米镶嵌的等级结构. 当薄膜厚度从40 nm增大到100 nm, 衬底温度从30℃升高到70℃时, 这种等级结构保持不变, 表现出良好的形态稳定性. 在50 nm厚的薄膜表面, 10 mg水滴的接触角为149°, 证明薄膜具有优良的疏水性能.     

硅衬底上制备4H-SiC择优取向膜的一种新方法

碳化硅（SiC）作为一种化学性能稳定的宽带隙半导体,是高温、抗辐射电子器件和短波长光电子器件的优选材料,倍受各国重视。在SiC常见多型中,4H-SiC比其它多型（6H或3C-SiC）有更宽的带隙,更高的电子迁移率和低的电子迁移率各向异性,所以更受青睐。 外延生长SiC薄膜,通常采用化学气相沉积,激光溅射法或分子束外延等方法。4H-SiC单晶薄膜一般在1500℃以上的温度下同质外延生长在4H-SiC单晶衬底上,所用设备复杂,产品成本很高。故探索在较低温度下生长优质4H-SiC薄膜的新途径具有重要意义。 我们曾利用短程结构与4H-SiC相似的非晶纳米氮化硅粒子的有机复合膜,经高温热解在单晶硅衬底上生长了4H-SiC多晶薄膜。在本文的工作中,我们利用LB膜技术,在单晶Si（111）衬底上对非晶氮化硅纳米微粒进行有序组装,形成氮化硅纳米微粒与聚酰亚胺复合的LB膜,经950℃真空热解,制得了以单晶硅为衬底,具有择优取向的4H-SiC晶态膜。用这种     

a-SiN:H薄膜的对靶溅射沉积及微结构特性研究

采用对靶磁控反应溅射技术以N₂和H₂为反应气体在硅(100)和石英衬底上制备了氢化非晶氮化硅(a-SiN:H)薄膜. 利用台阶仪、原子力显微镜、紫外-可见(UV-VIS)光吸收和傅里叶红外透射光谱(FTIR)对薄膜沉积速率、微观结构及键合特性进行了分析. 结果表明, 利用等离子反应溅射可在较低衬底温度条件下(T_s<250℃)实现低表面粗糙度和高光学透过率的a-SiN:H薄膜制备. 增加衬底温度可使薄膜厚度减小, 薄膜光学带隙Eg提高, 薄膜无序度减小. FTIR分析结果表明, 薄膜主要以Si-N, Si-H和N-H键合结构存在, 随衬底温度增加, 薄膜中的键合氢含量减小, 而整体键密度和Si-N键密度增加. 该微观结构和光学特性的调整可归因衬底温度升高所引起的衬底表面原子迁移率和反应速率的增加.     

转移过程对CVD生长的石墨烯质量的影响

利用化学气象沉淀法(CVD)在金属衬底上生长的石墨烯制备电子器件需要先把石墨烯转移到绝缘基底上,转移过程对器件制备的成功率和性能的均匀性有重要影响.转移过程中导致的石墨烯破损和金属生长基底残余颗粒污染受到普遍重视,然而由金属基底腐蚀液导致的石墨烯表面污染还没有引起足够的重视.本文利用拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)证明了转移过程中金属基底腐蚀液会在石墨烯表面引入污染,利用我们发展的"改良的RCA(radio corporation of America)清洗(modified RCA clean)"转移工艺能够有效地去除这种污染.这对提高后续制备的电子器件的性能有重要意义.     

湿度驱动的石墨烯智能仿生机器人问世

<正>近期,吉林大学电子科学与工程学院孙洪波教授和张永来副教授的研究团队创新性地提出一种利用光学手段制备石墨烯智能薄膜,进而开发石墨烯智能响应机器人的新方法.他们利用紫外光可控还原石墨烯氧化物薄膜,得到了氧化程度不同的石墨烯双层结构,该石墨烯薄膜对环境湿度具有敏感的响应特性.利用这一新技术,团队研究成员提出利用紫外光单侧大面积图案化制备石墨烯智能薄膜的新方法,实现了湿度驱动的石墨烯智能仿生机器人.该     

非晶态SiO2过渡层上高C轴取向LiNbO3薄膜及生长机制探讨

利用脉冲激光沉积(PLD)技术在单晶硅衬底的非晶态SiO₂过渡层上外延生长了具有优良结晶品质和高度C轴取向性的LiNbO₃光波导薄膜. 利用X射线衍射、高分辨电子显微镜和原子力显微镜等手段对LiNbO₃薄膜的结晶品质和C轴取向性等进行了系统的分析, 基本确定了薄膜C轴外延生长的最佳沉积参数. 非晶态SiO₂过渡层上的LiNbO₃薄膜由尺度约为150 nm×150 nm的四方柱状C轴取向的单晶畴紧密排列而成, 并且具有陡峭的界面结构. 棱镜耦合技术测量表明, 激光可以被耦合到LiNbO₃薄膜中, 形成TE和TM模式的光波导. 此外, 对于LiNbO₃薄膜在非晶过渡层上择优取向生长的物理机制和薄膜基底效应进行了初步探讨, 提出其生长机制很可能符合光滑晶面上三维岛状成核生长的Volmer模式.