電拋光及退火有效降低了銅箔表面的雜質(zhì)及缺陷，將石墨烯成核密度降至約50 個(gè)/cm²，制備了毫米尺寸晶疇的石墨烯連續(xù)膜。石墨烯連續(xù)膜中大部分區(qū)域是單層的，但有約20%的雙/多層區(qū)域。電性能的測(cè)量結(jié)果表明，通過增大石墨烯晶疇尺寸提高石墨烯連續(xù)膜的電性能是可行的。

引言

　　石墨烯是碳原子以sp2雜化形式構(gòu)成的單原子層二維材料，具有優(yōu)異的載流子輸運(yùn)性質(zhì)，被認(rèn)為是未來碳電子學(xué)的基礎(chǔ)材料。銅基底上化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法制備的石墨烯由于具有面積大、質(zhì)量較高、層數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)，獲得了研究者的重視。目前銅基底CVD法制備的石墨烯是多晶膜，晶疇尺寸一般僅為數(shù)微米至數(shù)十微米，存在大量晶界缺陷。研究表明，晶界對(duì)載流子的散射是造成石墨烯電性能下降的主要原因。增大石墨烯晶疇尺寸是降低晶界散射提高石墨烯質(zhì)量的重要途徑。

　　銅基底上CVD法石墨烯的生長(zhǎng)過程為表面成核生長(zhǎng)，因此增大石墨烯晶疇尺寸的關(guān)鍵是抑制成核，降低成核密度。石墨烯成核的影響因素可分為兩個(gè)方面，一是氣源因素；二是基底因素。氣源因素包括反應(yīng)氣體(常用反應(yīng)氣體為甲烷和氫氣)比例、氣壓等。目前氣源對(duì)石墨烯成核的影響研究工作較多，抑制石墨烯成核所采用的手段主要為較高的氫氣/甲烷比例。相較氣源因素，基底對(duì)石墨烯成核影響的研究較少。石墨烯的成核和生長(zhǎng)過程發(fā)生在基底表面，基底除了催化甲烷裂解，促進(jìn)石墨烯生長(zhǎng)外，很可能會(huì)影響石墨烯的成核。銅基底上CVD法石墨烯成核生長(zhǎng)過程類似于薄膜成核生長(zhǎng)模型，根據(jù)薄膜的成核生長(zhǎng)理論，成核一般發(fā)生在基底的雜質(zhì)和缺陷等位置。銅基底上CVD法生長(zhǎng)石墨烯也遵從表面雜質(zhì)缺陷成核理論.

　　因此，減少銅箔表面的雜質(zhì)和缺陷是抑制石墨烯成核降低成核密度獲得大尺寸晶疇石墨烯的關(guān)鍵。從缺陷與雜質(zhì)成核理論的角度研究基底缺陷與雜質(zhì)對(duì)石墨烯成核的影響，對(duì)銅基底拋光處理，并結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間退火的方法，研究降低銅箔雜質(zhì)及缺陷密度，從而降低石墨烯的成核密度上的作用。在獲得較低的石墨烯成核密度的基礎(chǔ)上，制備毫米晶疇的石墨烯連續(xù)膜。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、石墨烯的制備

　　采用純度為99.9%、厚度為127 μm的銅箔，經(jīng)過電化學(xué)拋光去除表面雜質(zhì)和清洗之后，放入管式爐中，在Ar和H2的混合氣體(Ar:H2=50:1)保護(hù)溫度下降到1 070 ℃，保持溫度退火1 h，關(guān)閉Ar，通入CH4和H2混合氣體，比例為70:0.15，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)氣壓為2×10³ Pa。石墨烯分離晶疇的生長(zhǎng)時(shí)間為3 h，連續(xù)膜的生長(zhǎng)時(shí)間為7 h。

1.2、石墨烯的轉(zhuǎn)移

　　選用有300 nm氧化硅層的硅片(Si/SiO2)作為絕緣基底。轉(zhuǎn)移過程的步驟：(1)在銅箔表面的石墨烯上甩涂一層PMMA，80 ℃烘干；(2)放入銅腐蝕液中3 h腐蝕掉銅箔，將石墨烯/PMMA膜放入去離子水中反復(fù)清洗3次；(3)將石墨烯/PMMA 膜撈到Si/SiO2 片上晾干；(4)將Si/SiO2/石墨烯/PMMA 片放入管式爐中，抽真空后在H2保護(hù)下加熱至425 ℃維持30 min，表面的PMMA蒸發(fā)完畢，降至室溫取出。

1.3、電性能表征

　　用磁控濺射法在轉(zhuǎn)移后的石墨烯表面鍍上電極(Ti/Cu:10 nm/30 nm)，用248 nm紫外激光把石墨烯切成方形，實(shí)驗(yàn)中采用的樣品尺寸為7.6 mm×7.6 mm，然后用范德堡法測(cè)量電性能。

2、結(jié)論

　　通過對(duì)于銅箔電拋光和退火對(duì)于石墨烯成核密度影響的研究，電拋光和退火降低銅箔表面的缺陷，明顯的降低石墨烯成核的密度。在通過基底處理抑制成核的基礎(chǔ)上，獲得了毫米晶疇的石墨烯連續(xù)薄膜。把石墨烯轉(zhuǎn)移到SiO2表面發(fā)現(xiàn)，表面有約20%為雙/多層結(jié)構(gòu)。對(duì)毫米晶疇的石墨烯連續(xù)薄膜和微晶石墨烯連續(xù)薄膜電性能測(cè)試結(jié)果表明，增大晶疇的方法提高石墨烯連續(xù)薄膜電性能是可行的。