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.     

化学气相沉积法制备h-BN

六方氮化硼是一种与石墨烯结构类似的二维层状宽带隙绝缘材料,具有各种优异的物理性质.例如,它具有优异的力学性质和化学、热稳定性,在非线性光学领域、紫外激光器以及保护层材料方面具有潜在的应用.另外,由于其表面具有原子级平整,不存在悬挂键和陷阱电荷,使其成为石墨烯电学器件的一种优异的介电材料.它还可与其他二维材料组成平面/垂直结构的异质结,展现出各种新奇的性能和在电子器件方面的潜在应用.如何可控制备大面积、高质量的六方氮化硼是目前研究的核心科学问题.本文主要综述了通过化学气相沉积法制备六方氮化硼的一系列工作,其中包括最新的研究进展,对反应前驱体和基底的选择做了详细的介绍和讨论,并展望了该领域的发展前景.     

铜表面化学气相沉积石墨烯的研究进展:生长行为与控制制备

以铜作为基体的化学气相沉积法(CVD)是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、层数均一等优点,已成为制备大面积、单层石墨烯的主要方法.本文围绕铜表面CVD控制生长石墨烯,结合对石墨烯的结构和生长行为的初步认识,介绍了质量提高、层数控制以及无转移生长等控制制备方面的最新研究进展,并展望了该方法制备石墨烯的可能发展方向,包括大尺寸石墨烯单晶以及不同堆垛方式的双层石墨烯的控制生长等.     

基于低温化学气相沉积法的碳化硅纤维表面氮化硼涂层制备及表征

以硼氨烷络合物为前驱体,采用低温化学气相沉积(CVD)工艺,在碳化硅纤维表面制备了氮化硼(BN)涂层.采用扫描电子显微镜(SEM)、俄歇电子能谱(AES)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和掠入射X射线衍射(GIAXRD)对涂层进行了表征,采用单纤维电子强力仪测试了碳化硅纤维沉积BN涂层前后的拉伸强度.结果表明BN涂层无孔洞裂纹等缺陷,且表面均一致密,B,N元素比例接近为1:1,纤维与涂层之间相互渗透,结合良好.在较低的沉积温度下可以得到成分单一的BN涂层,涂层微观结构随温度升高更加理想.综合考虑结晶性与纤维强度保留率的情况下,800~1000℃可作为碳化硅纤维BN涂层的最佳沉积温度.在沉积温度为900℃时,随涂层厚度的增加至0.28,0.51和0.82?m,纤维强度保留率分别为92.7%,83.6%,77.7%.     

等离子体化学气相法沉积金刚石的进展

本文评述了化学相沉积法制备人造金刚石薄膜的进展情况。重点评述反应机理,发展历史,沉积方法,衬底材料,检测手段。讨论了有利于形成立方晶系金刚石材料的沉积条件。     

采用巴基管涂层化学气相沉积金刚石

关于热丝法气相沉积金刚石的研究已经进行了多年,迟滞这种工艺进一步发展的主要技术障碍是沉积速度低,如何提高热丝法沉积金刚石的速率,成为合成金刚石薄膜领域中的一个迫切需要解决的课题.富勒烯族分子(C_(60),C_(70),巴基管)均是由碳原子构成的大分子.近年来,在能够合成这些分子之后,它们即被用于合成金刚石的研究,但是以富勒烯族分子为涂层材料的化学气相     

超长单壁碳纳米管的化学气相沉积生长

自单壁碳纳米管被发现以来, 由于其独特的结构、优越的性能和广阔的应用前景而备受关注. 超长单壁碳纳米管的制备对单壁碳纳米管基本性质的研究和实际应用都具有重要意义. 人们在超长单壁碳纳米管的定点、定向生长和构筑各种结构方面做了很多工作并取得很大进步, 但目前仍存在一些挑战性的问题. 本文就在基底表面上利用化学气相沉积法生长超长单壁碳纳米管的生长条件、各种表面结 构的构筑、生长机理等方面的问题做一综述.     

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.     

非晶形铁的氧化物薄膜的激光化学气相沉积

激光化学气相沉积(LCVD)是通过激光光分解气相有机化合物分子,分解出金属原子沉积在基片表面的一种新型的薄膜制备技术,与传统制备薄膜方法相比,这种方法可在室温下一步完成制备过程,不需要掩膜版,便于对沉积过程进行控制。用这种方法,沉积速率高,膜层的纯度高,并且目前已实现了0.2微米量级的空间分辨率和3.5微米量级大小的光斑。所以LCVD作为一种新的手段,在微电子学工业上将有重要的应用价值。     

电晕放电等离子体增强化学气相沉积合成碳纳米管阵列

发展了具有常压、低温特点的电晕放电等离子体增强化学气相沉积合成碳纳米管阵列的技术路线. 以甲烷和氢气为原料, 在含钴多孔阳极氧化铝模板中合成了碳纳米管阵列. 扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量弥散X射线谱(EDS)和拉曼光谱(Raman)分析表明, 该阵列由直径约40 nm的碳纳米管构成, 长度大于4 mm. 碳纳米管主要限制生长在模板孔道中.     

基于石墨烯开发的高分子复合材料在电磁屏蔽领域中的应用

电子与通讯设备广泛地应用于工业、商业、科学研究以及军事等领域,电磁辐射对人体健康造成不良的影响,使得电磁屏蔽一直是现代社会需要重视的一大问题,因此也催生了对不同类型的电磁屏蔽材料的制备与性能的研究.与传统的金属电磁屏蔽材料相比,以碳材料作为填料的高分子复合材料在电磁屏蔽领域有着自己独特的优势,包括重量轻、耐腐蚀、易加工、具有柔性以及可吸收频率范围广.石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,具有极其优异的电学、力学和热力学性能,这些优异的性能使得石墨烯在与高分子材料形成复合材料后具有极佳的作为电磁屏蔽材料的潜质.此外,在航空航天、武器装备、军事防护、汽车工业以及微电子业中,对所使用的电磁屏蔽材料的热稳定性、力学性能也都有更高的要求.石墨烯-高分子复合材料比其他的含碳复合材料具有更大的优势来满足这些挑战.本文对应用于电磁屏蔽领域的石墨烯-高分子复合材料中石墨烯的制备方式进行分类,总结了目前此类复合材料的电磁屏蔽效能.     

石墨烯的化学研究进展

评述了近3年来在石墨烯(graphene)制备化学、石墨烯化学改性、石墨烯表面化学和催化等方面取得的重要进展. 阐述了通过化学方法实现非支撑(freestanding)或准非支撑(quasifree- standing)石墨烯结构的可控和规模制备; 通过表面反应对石墨烯进行掺杂和官能化, 制备了石墨烷、石墨烯氧化物等具有特殊结构和性质的石墨烯相关化合物; 这些石墨烯及石墨烯相关材料(graphene and related materials)在催化、储氢等领域展现出非常重要的应用前景.     

在超微金刚石涂层上化学气相沉积金刚石薄膜的研究

爆轰法合成的超微金刚石在化学气相沉积金刚石薄膜的过程中可以起到类似“晶籽”的促进成核的作用,在直流电弧等离子体喷射装置上进行了实验结果显示,在有ＵＦＤ涂层的衬底上进行沉积可以使成核率提高了２－３倍,薄膜的形貌也与正常工艺得到的薄膜有所不同。较高的衬底温度可能会使部分ＵＦＤ发生氧化或无定形化。进一步的研究应着眼于改善ＵＦＤ的性质和降低基底温度。     

异相光催化技术在能源与环境及有机合成领域的研究进展

光催化技术由于其简单、有效和环保等特点,在能源、环境及化学合成领域受到广泛关注.近年来,随着原位表征技术的飞速发展,学术界对光催化过程的理解逐步加深,并提出了多种理性设计光催化剂的策略.此外,物理、化学、材料、医学等学科的高度交叉进一步推动了光催化技术的应用前景.本文总结了近年光催化技术机理方面的深度认识及光催化技术在能源、环境及有机合成领域的研究进展,包括光解水制氢、小分子活化等能源领域的研究,以及选择性氧化还原、偶联、氘代化等有机合成领域的研究;还分析总结了光催化技术在应用领域亟需解决的关键问题.     

仿生石墨烯纳米复合材料及其在电子器件领域的应用

日益流行的柔性电子器件要求在反复变形状态下,材料仍能保持优异的力学和电学性能.而石墨烯作为一种二维(two dimensional,2D)碳纳米片,具有独特的力学和电学性能,成为构筑此类柔性电子器件的首选基元材料.然而,如何将石墨烯纳米片组装成高性能的石墨烯纳米复合材料,仍然存在巨大挑战.天然鲍鱼壳因其内部有序规整的层状结构和丰富的界面相互作用,而具有综合优异的力学性能.这种独特的界面结构设计,为2D纳米片仿生组装提供了新的思想源泉.本文按照"有所发现,有所发明,有所创造"的学术研究思路,总结了最近几年国内外课题组关于仿生石墨烯纳米复合材料(bioinspired graphene-based nanocomposites,BGBNs)的研究进展;分析了石墨烯层间不同的界面相互作用;详细讨论了基于协同效应,仿生构筑强韧一体化石墨烯纳米复合材料的策略;重点阐述了BGBNs的拉伸强度、韧性以及电导率等基本物理性能.最后,本文也简单概括了BGBNs在柔性电子器件领域的应用和潜在的挑战,并展望了BGBNs未来的发展方向.     

纳米金刚石涂层上化学气相沉积金刚石薄膜的场电子发射

在爆炸法合成的纳米金刚石粉涂层上, 用微波等离子体化学气相沉积法制备了含有大量纳米晶的金刚石薄膜. 应用XRD, Raman和SEM对其结构进行了分析. 应用平面薄膜二极式结构研究了它的场电子发射特性, 结果表明: 这种含有纳米金刚石的薄膜具有更低的开启电压(1.8 V/mm)和更高的场发射电流密度(50 mA/cm²). 应用纳米金刚石晶粒的量子尺寸效应对这种实验结果给予了理论说明.     

石墨烯导电墨水研究进展:制备方法、印刷技术及应用

传统印刷技术与微电子制造的交叉技术——印刷电子技术的发展得益于微纳米材料制备技术的成熟.二维纳米碳材料石墨烯由于其独特的结构和突出的性能,可与传统金属或高聚物材料共同作为导电墨水主要导电组分.本文讨论了目前石墨烯导电墨水制备中的关键问题、不同制备方案及其优劣之处;评述了石墨烯导电墨水印刷工艺的研究进展,包括传统印刷技术和新型印刷技术中的应用与难点.最后,总结了石墨烯导电墨水在柔性功能器件(基本电路元件、能量存储和力学/化学传感器件等)中的应用现状.     

三维垂直定向石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

电极的结构设计是影响其反应动力学与离子传质能力,进而影响电化学储能系统性能的重要因素之一.为了追求较好的电极动力学以及传质速率,三维有序石墨烯基电极已吸引越来越多的研究兴趣.与其他类型的三维石墨烯结构不同,通过定向冷冻法、等离子体增强化学气相沉积法、KOH辅助水热法等制备的三维垂直定向石墨烯(3DVAG)具有垂直开放通道以及低孔隙弯曲度,可以有效增强离子的输运和电子的传导,提高活性物质的负载,从而实现电极材料的高能量密度及倍率性能.本文对三维垂直定向石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用进行了综述,并对其未来的发展前景进行了展望.     

化学的前沿领域

化学合成是为社会服务的大多数新材料的最终源泉。化学合成的进展取决于在其它化学分支方面所取得的相应进展,例如分析、测定化学结构和反应机理内在细节的方法、化学结构和化学反应的理论等化学分支。本文叙述了在这些花学领域的某些部分最近所取得的进展。