實驗采用MPCVD裝置，以氫氣和甲烷為主要氣源，氮氣和氬氣為輔助氣源在鎳片上生長石墨烯薄膜，并對不同條件下制備樣品進(jìn)行拉曼光譜儀表征，通過拉曼光譜圖中D峰和D′峰峰強(qiáng)來分析石墨烯缺陷含量；2D峰峰強(qiáng)和半高寬來分析薄膜層數(shù)。結(jié)果顯示氮氣等離子體離解率低，會增加成膜缺陷不利于成膜；氬氣離解率較高，適量的氬氣會減少缺陷含量提高膜層質(zhì)量；較低功率會加速石墨的沉積，較高功率會增加sp3雜化的碳碳鍵的形成。

　　引言

　　自曼徹施特大學(xué)Geim 等首次采用機(jī)械剝離法制備出石墨烯以來，由于其獨特的二維單原子層排列，使其擁有其他材料無法比擬的物理和化學(xué)性質(zhì)，得到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，科學(xué)家通過尋求不同的方法制備出性能、質(zhì)量優(yōu)異的石墨烯。石墨烯的制備方法有很多，包括機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法、氧化還原法以及外延。其中CVD管式爐燒結(jié)法由于其工藝的成熟，韓國三星已經(jīng)在銅片上制備出76.2 cm的單層石墨烯。

　　石墨烯的表征成為研究過程中重要的部分，分析石墨烯的缺陷(如體缺陷、邊緣缺陷、晶粒缺陷和晶粒尺寸)已成為實驗繼續(xù)的重要環(huán)節(jié)，光學(xué)顯微鏡只能簡單觀察石墨烯的存在，很難分析層數(shù)和缺陷。其中拉曼光譜分析由于具有高空間分辨率能夠觀察出石墨烯的缺陷，以及能表征薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶、聲子能量色散等，已成為分析石墨烯質(zhì)量最常用的手段。石墨烯拉曼光譜圖中主要包含了2個主峰：反應(yīng)薄膜對稱性的G峰(1580 cm^-1附近)和雙聲子共振拉曼峰2D峰(2700 cm^-1附近)，其中G峰為石墨烯的主要特征峰，是由碳原子的面內(nèi)震動引起的峰，此峰對薄膜應(yīng)力影響敏感，并能有效的反應(yīng)出石墨烯薄膜的層數(shù)，層數(shù)的增加G峰會往小波數(shù)方向移動，同時由于sp2形態(tài)的非晶碳或者類金剛石的出現(xiàn)又會使G峰右移；2D峰通常指雙聲子拉曼共振峰為區(qū)域邊界聲子的二級拉曼散射峰，通常對石墨烯層數(shù)有直觀反映，易受激光光波長的影響，石墨烯層數(shù)的增加會使2D峰往大波數(shù)方向移動。實驗結(jié)果通常包括多個缺陷峰包括D峰(1350 cm^-1附近)，通常認(rèn)為是石墨烯的無序震蕩峰，由遠(yuǎn)離布里淵區(qū)的晶格振動引起的；D′峰(G峰附近)、D+D′峰(2 935 cm^-1附近)，實驗過程中由于各方面的原因會引入缺陷峰。研究目的是通過反復(fù)實驗尋求最佳的生長條件，找缺陷峰最低的試驗參數(shù)。

　　1、實驗原理及過程

　　實驗采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MP⁃CVD)低溫條件下在鎳基底上沉積的石墨烯，并對不同條件下生長石墨烯的拉曼光譜圖進(jìn)行分析。實驗原理為微波電源放電裂解氣源產(chǎn)生等離子體，再將裂解后的氣源沉積到基片上形成薄膜的過程。這種方法優(yōu)于普通CVD法于兩個方面：

　　(1)不需要高溫加熱裂解碳源氣體，在較低溫度下即可裂解甲烷形成碳源；

　　(2)沉積時間較短，通常在30～120 s即可完成成膜。

　　實驗中采用韓國Woosin公司制造的MPECVDR2.0系統(tǒng)裝置，最大輸出功率為2 000 W，工作頻率2.45 GHz，功率轉(zhuǎn)換模式TM020，裝置基底下有一個自帶的碳氮復(fù)合材料制成的加熱盤，能夠加熱最高溫度為900 ℃。沉積基片采用純度為99.99%的鎳片，沉積石墨烯之前先將基片表面用等離子體刻蝕清潔，刻蝕參數(shù)如表1。

表1 表面處理工藝參數(shù)

　　實驗中采用632 nm波長的拉曼光譜儀直接在鎳片上進(jìn)行表征，并對氬氣比例、微波功率以及氣源的不同對薄膜質(zhì)量的影響做了簡單分析。

　　3、實驗結(jié)論

　　采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法在不同條件下制備石墨烯薄膜，分析薄膜質(zhì)量和層數(shù)的影響因數(shù)得到：氮氣的通入會減少碳源的離解、降低膜層的質(zhì)量，適量氬氣的通入加速碳源離解、提高薄膜的質(zhì)量；微波功率較低時易形成非晶碳，隨著功率的升高有助于石墨烯的生成，同時也加速類金剛石的形成。