化学气相沉积分析
化学气相沉积法制备石墨烯的机理分析
目 化学气相沉积法制备石墨烯的机理分析
材料科学与工程学院 院（系） 材料科学与工程 专业 学 号 12009317 陈玉明 倪振华 2013 年 2 月至 2013 年 6 月 田家炳楼
学生姓名 指导教师 起止日期 设计地点
东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明
本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
Ⅱ
目录
摘 要 ............................................................................................................................................... Ⅰ Abstract ............................................................................................................................................ Ⅱ 第一章 绪论 ......................................................................................................................................1 1.1 引言 .........................................................................................................................................1 1.2 石墨烯的结构与性质 ..............................................................................................................1 1.3 石墨烯的制备 .........................................................................................................................2 1.3.1 微机械剥离法...................................................................................................................2 1.3.2 氧化还原法.......................................................................................................................2 1.3.3 SiC 外延生长法 ..................................................................................................................2 1.3.4 化学气相沉积法 ...............................................................................................................3 1.4 石墨烯的表征..........................................................................................................................4 1.5 关于石墨烯的工作 ..................................................................................................................5 1.5.1 石墨烯透明导电薄膜 ........................................................................................................5 1.5.2 石墨烯传感器....................................................................................................................5 1.5.3 石墨烯场效应晶体管 ........................................................................................................5 第二章 CVD 石墨烯生长机理分析....................................................................................................7 2.1 石墨烯生长机理分析方法 .......................................................................................................7 2.2 管道气流分析..........................................................................................................................7 2.3 形核与生长分析......................................................................................................................8 2.4 本章小结 ............................................................................................................................... 11 第三章 石墨烯的生长..................................................................................................................... 13 3.1 实验的准备及设计 ................................................................................................................. 13 3.2 石墨烯生长的影响因素 ........................................................................................................ 14 3.2.1 混气比对石墨烯生长的影响 .......................................................................................... 15
化学气相沉积技术的研究与应用进展
化学气相沉积技术的研究与应用进展化学气相沉积技术（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种重要的化学气相生长技术，广泛应用于薄膜材料合成、表面涂层、纳米材料制备等领域。
随着科学技术的不断进步，CVD技术在功能材料、能源材料、电子材料等领域的应用前景更加广阔。
本文将介绍CVD技术的基本原理、发展历程以及最新研究进展，并探讨其在各领域中的应用前景。
一、CVD技术的基本原理CVD技术是一种通过将气态前驱体转化为固体薄膜的方法。
其基本原理是：气相前驱体在恰当的条件下分解或反应，生成固相产物并沉积在基底表面，形成一层薄膜材料。
CVD技术可分为热CVD、等离子CVD、光CVD 等几种类型，分别适用于不同的材料制备过程。
二、CVD技术的发展历程CVD技术起源于20世纪60年代，最初用于半导体材料的制备。
随着科学技术的不断进步，CVD技术不断完善和拓展，应用领域也从半导体材料扩展到功能材料、生物材料、光学涂层等多个领域。
特别是近年来，随着纳米材料、二维材料等新兴材料的发展，CVD技术的应用越来越广泛。
三、CVD技术的最新研究进展1.碳纳米管的制备：CVD技术在碳纳米管的制备中表现出色，可以实现高质量、大面积的碳纳米管制备。
研究人员通过调控CVD过程中的气相组分和反应条件，可以实现碳纳米管的控制生长和结构调控。
2.二维材料的合成：CVD技术也被广泛应用于二维材料的制备，如石墨烯、硼氮化物等。
研究人员利用CVD技术可以实现大面积、高质量的二维材料生长，为其在电子器件、传感器等领域的应用提供了新的可能性。
3.光催化材料的合成：利用CVD技术可以实现多种光催化材料的合成，如TiO2、ZnO等。
这些光催化材料在环境净化、水处理等领域具有重要应用前景，利用CVD技术可以控制其结构和性能，提高其光催化性能。
四、CVD技术在各领域中的应用前景1.电子器件领域：CVD技术可以实现高质量、大面积的半导体薄膜的制备，为电子器件的制备提供了基础材料。
化学气相沉积
集成电路芯片工艺化学气相沉积（CVD）化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。
CVD膜的结构可以是单晶、多晶或非晶态，淀积单晶硅薄膜的CVD过程通常被称为外延。
CVD技术具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。
利用CVD方这几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO：、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等。
一：化学气相沉积方法常用的CVD方法主要有三种：常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVIi~)和等离子增强化学汽相淀积(PECVD)．APCVD反应器的结构与氧化炉类似，如图1-1所示，该系统中的压强约为一个大气压，因此被称为常压CVD。
气相外延单晶硅所采用的方法就是APCVD。
图1-1APCVD反应器的结构示意图，LPCVD反应器的结构如图1-2所示，石英管采用三温区管状炉加热，气体由一端引入，另一端抽出，半导体晶片垂直插在石英舟上。
由于石英管壁靠近炉管，温度很高，因此也称它为热壁CVD装置，这与利用射频加热的冷壁反应器如卧式外延炉不同．这种反应器的最大特点就是薄膜厚度的均匀性非常好、装片量大，一炉可以加工几百片，但淀积速度较慢．它与APCVD的最大区别是压强由原来的1X10SPa降低到1X102Pa左右。
图1-2LPCVD反应器的结构示意图图1-3平行板型PECVD反应器的结构示意图PECVD是一种能量增强的CVD方法，这是因为在通常CVD系统中热能的基础上又增加了等离子体的能量．图1-3给出了平行板型等离子体增强CVD反应器，反应室由两块平行的金属电极板组成，射频电压施加在上电极上，下电极接地。
射频电压使平板电极之间的气体发生等离子放电。
工作气体由位于下电极附近的进气口进入，并流过放电区。
半导体片放在下电极上，并被加热到100—400；C左右．这种反应器的最大优点是淀积温度低。
化学气相沉积解读
由上图分析可知： 高温：扩散控制 低温：表面反应控制 反应导致的沉积速率为：
其中 N0 为表面原子密度。 沉积速率随温度的变化规律取决于Ks,D,δ 等随温度的变化情况。 因此，一般而言，化学反应或化学气相沉积的速度将随温度的升 高而加快。 但有时并非如此，化学气相沉积的速率随温度的升高 出现先升高后降低的情况。 这是什么原因呢？
第四章 化学气相沉积
(Chemical vapor deposition)
•
•
4.4 薄膜生长动力学 4.5 化学气相沉积装置
4.4 薄膜生长动力学
在CVD过程中，薄膜生长过程取决于气体与衬底间界面
的相互作用，具体过程如下： 1. 反应气体扩散通过界面 层 2. 气体分子在薄膜或衬底 表面的吸附 3. 原子表面的扩散、反应 和溶入薄膜晶格之中 4. 反应产物扩散离开衬底 表面并通过界面层
此式表明：Si的沉积速度将随着距离的增加呈指数 趋势下降，即反应物将随着距离的增加逐渐贫化。
•
轴向生长速率的均匀性:
•
扩散速度小于气流速度
•
沉积速率随距离的增加呈指数下降! 倾斜基片使薄膜生长的均匀性得以改善 ;
提高气体流速v和装置的尺寸b 调整装置内温度分布，影响扩散系数D的分布
因此，提高沉积均匀性可以采取如下措施：
我们用CVD方法共同的典型式子来说明: 设这一反应正向进行时为放热反应，则
aA( g ) bB( g ) cC (s) dD( g )
ΔH<0, U0<U
上式描述的正向和逆向反应速率如下页图a所示，均随 温度上升而提高。同时，正向反应的激活能低于逆向反应 的激活能。而净反应速率应是正反向反应速率之差，而他 随温度升高时会出现一个最大值。因此温度持续升高将会 导致逆反应速度超过正向的，薄膜的沉积过程变为薄膜的 刻蚀过程。
化学气相沉积与物理气相沉积的差异
化学气相沉积与物理气相沉积的差异一、化学气相沉积用化学方法使气体在基体材料表面发生化学反应并形成覆盖层的方法。
化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层；可以控制涂层的密度和涂层纯度；绕镀件好。
可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜；可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
平均自由程在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值。
用符号l表示，单位为米。
在气体分子的碰撞理论的刚球模型中，认为分子只在碰撞的一刹那发生相互作用，而在其他时间内，分子作直线运动。
相继两次碰撞间所走的路程叫分子的自由程。
由于气体分子的数目很大，碰撞频繁，运动的变化剧烈，故其自由程只有统计意义。
这个概念对研究气体的特性（如扩散）和电子或中子之类的粒子穿过固体的运动很重要。
真空在指定空间内，低于一个大气压力的气体状态。
在真空技术里，真空系针对大气而言，一特定空间内部之部份物质被排出，使其压力小于一个标准大气压，则我们通称此空间为真空或真空状态。
1真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单位思考： PbI2做成膜用什么方法最合适?PbI2多晶膜并用于室温核辐射探测器和X射线成像器件。
研究表明，PbI2膜的结晶质量、致密度及厚度是影响器件性能的关键因素。
提高PbI2膜对X光子或γ光子的光谱响应是提高器件探测性能的重要前提，而光谱响应性能受到材料微结构的影响。
我觉得PbI2做成膜用真空蒸发镀膜最合适，用真空蒸发镀膜做成的薄膜的纯度很高，易于在线检测和控制薄膜的厚度与成分，厚度控制精度最高可达单分子层量级。
也可得到不同显微结构和结晶形态（单晶、多晶或非晶等）的薄膜而且PbI2 的熔沸点也不高。
化学气相沉积中的化学反应类型与特点
化学气相沉积中的化学反应类型与特点
一、反应类型
化学气相沉积（CVD）是一种通过化学反应将气体转化为固态薄膜的过程。
在CVD中，主要的反应类型包括：
1.热分解反应：通过加热使气体或蒸汽分解，生成固态物质。
例如，加热四氯化硅（SiCl4）可生成硅（Si）。
2.还原反应：使用还原剂将气体或蒸汽还原为更简单的物质。
例如，氢气（H2）可以还原氧化铝（Al2O3）为铝（Al）。
3.化学气相沉积反应：通过两种或多种气态物质的化学反应生成固态物质。
例如，二硫化碳（CS2）和氢气（H2）反应可以生成硫化氢（H2S），然后硫化氢再与硅（Si）反应生成硫化硅（SiS）。
4.离子辅助化学气相沉积：在电场的作用下，气体分子被离子化并加速到基底表面，通过物理碰撞和化学反应在基底表面形成薄膜。
二、特点
化学气相沉积的主要特点包括：
1.适用性广：化学气相沉积可用于各种材料，包括金属、非金属、化合物等。
2.薄膜质量高：由于化学气相沉积是在高温和纯净的环境下进行的，因此生成的薄膜具有高纯度、高致密性、高附着性等特点。
3.易于控制：通过调整反应温度、气体流量等参数，可以精确控制薄膜的厚度、成分和结构。
4.适合大规模生产：化学气相沉积是一种大规模、连续的生产过
程，适合于大规模生产和工业化生产。
5.环境影响小：与传统的物理气相沉积相比，化学气相沉积使用的气体较少，对环境的影响较小。
化学气相沉积特点
化学气相沉积特点
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种制备薄膜材料的技术。
它通过在气相中传输气体分子的方式沉积在物质表面上。
此技术的特点如下：
一、沉积速率高
化学气相沉积具有较高的沉积速率，且可保证薄膜均匀，均一。
沉积的速率可以调整，可以根据所需的沉积速度调整配方和条件，使得沉积速率更加精密。
二、沉积温度低
化学气相沉积不需要高的温度，对于一些高熔点的物质甚至可以在较低的温度下进行沉积，同样，高温条件下过度的热解和氧化也不会导致结构的损坏，从而更加稳定地保证了材料的性能。
三、高精度的制备
化学气相沉积具有高度的精密度，可形成非常薄的沉积物，可达到十分精细的要求。
材料的加工更加可控，可以保证形成准确的膜厚和组分。
四、匀质性好
化学气相沉积沉积的薄膜具有较好的均匀性，厚度不变性好，沉积形成的纯度也较高。
在化学气相沉积过程中，原子或分子要经过严格的反应条件才可以获取足够的能量激发，保持了物理和化学的均匀性，从热力学角度及化学途径上，可保证薄膜准确性和稳定性。
五、材料多样性
化学气相沉积的原理比较简单，同时可以取到比较好效果，因此可以制备多种材料。
通过选择不同的反应气体和沉积条件，可以制备不同的金属，半导体，绝缘体，有机材料等等。
材料的形态也可以很自由定制。
总之，化学气相沉积技术不仅应用广泛，而且具有成本低，精密度高等优势，并被广泛应用于电子、备件，航空航天等领域。
准确的
制备和可控的反应可以在保持化学和物理结构的同时，获得较高的性能。
气相法沉积
气相法沉积气相法沉积，即化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种以气体化学反应形成固态材料的方法。
它以气体前驱体在高温和低压条件下分解或反应，生成所需的材料，并在基底表面上沉积出薄膜或纳米颗粒。
气相法沉积被广泛应用于各个领域，包括半导体制造、涂层技术、能源存储与转换、纳米材料合成等。
气相法沉积分为热CVD和化学CVD两种主要类型。
热CVD是一种常见的气相法沉积技术。
在热CVD过程中，前驱体气体通入反应室，通过热传导或对流传热的方式使其达到适当的温度，然后在基底表面上发生化学反应形成所需的材料薄膜。
这种沉积方式通常需要高温，可以达到几百到一千摄氏度。
热CVD通常适用于高温稳定的材料，如金属、氧化物、碳化物等。
化学CVD是一种较为复杂的气相沉积技术，它通过在低温热解气体前驱体或在化学反应中引入能量来合成材料。
化学CVD通常需要较低的温度，可以达到几十到几百摄氏度。
这种沉积方式适用于需要较低沉积温度或对材料制备条件较为严格的情况，如硅薄膜、碳纳米管等。
在气相法沉积过程中，前驱体的选择和气氛控制是非常重要的。
前驱体可以是气体、液体或固体，它需要在相应的条件下分解或反应形成所需的材料。
同时，沉积过程中的气氛也会影响沉积物的性质和结构。
常用的气氛包括惰性气体（如氮气、氩气）、还原气氛（如氢气）或氧化气氛（如氧气）。
此外，气相法沉积还需要对反应与扩散的过程进行控制，以获得期望的沉积薄膜。
反应过程包括前驱体分解或反应、生成物的扩散和在基底表面的吸附等。
这些过程的速率和平衡会受到温度、压力和反应气氛的影响。
因此，对沉积条件的精确控制是实现沉积薄膜的均匀性、纯度和结构的关键。
最后，气相法沉积还可以通过调节反应条件和利用辅助技术实现材料薄膜的控制生长。
例如，可以采用过程中的催化剂、助剂或外加电场来调节材料的成分和结构，以获得特定的性能和应用。
总之，气相法沉积是一种重要的材料制备方法，广泛应用于各个领域。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Image
II. 金属有机化合物分解 ,沉积
No Image
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
反应过程: Nb3 Sn
III.羰基氯化物分解,沉积贵金属及其他过渡族金属
反应过程：
2As3 C 3 H l2 8 5 0 C 0 1 2A4 s6 HCl
②化学合成反应 主要用于绝缘膜的沉积，如沉积 GaAs1xPx
1 n2I (g)2S
e 2(g)
Z
n
S e I2(g) T 1Z
1 n2I (g)2S
e 2(g)
No Image
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
0CAsCl3 图1 砷化镓气相外延装置示意图 Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
由上述分析，可以归纳出开管法的优点： I.式样容易放进和取出 II.同一装置可以反复多次使用 III.沉积条件易于控制，结果易于重现
气相沉积
物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition，简称PVD）
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition，简称 CVD)
气相沉积
一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利 用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积 单层或多层膜，从而使材料或制品获得所需的各 种优异性能。
化学气相沉积分析
LOGO 化学气相沉积内容总览
➢ 气相沉积的分类、解释 ➢化学气相沉积的含义、基本原理、技术、生长
机制及制备材料的一般步骤 ➢化学气相沉积与无机材料的制备 ➢化学气相沉积的5种新技术 ➢化学气相沉积技术在其他领域的应用
Your site here
LOGO 一、气相沉积技术分类及解释
以ZnSe为例进行说明该方法，其中涉及到的反应过程
3Si4C4Nl3H859000C0S3Ni41H2Cl
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
ZnSe
2
1
H2 SiHCl3 2(AO3H7)3lC40C20A2O3l6C3H63H2O (a) 装料和封管 （b） 炉温分布和晶体生长
反应过程：Ti、 C Ti和 N A2 O l3
③化学传输反应
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
主要用于稀有金属的提纯和单晶生长，如ZnSe单晶生长
反应过程：N b 3 G a 、 V 3 G a 、 N b 3 G a
3.CVD技术
CVD 技术分为开管气流法和封管气流法两种基本类型。 ①开管气流法
同时，反应器的类型多种多样，按照不同划分标准可 以有不同的类型： I.开管法的反应器分为三种，分别为水平式、立式和筒式 II.由反应过程的要求不同，反应器可分为单温区、双温区 和多温区
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
②封管气流法
这种反应系统是把一定量的反应物和适当的基体分别 放在反应器的两端 ,管内抽真空后充入一定量的输运气体 , 然后密封 ,再将反应器置于双温区内 ,使反应管内形成一温 度梯度。
质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上 的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方 法。
化学气相沉积法主要包括常压化学气相沉积 低压化学气相沉积和兼有CVD和PVD两者特点的
等 离子化学气相沉积等。
Your site here
LOGO 气相沉积技术分类及解释
如今，CVD 的趋向是向低温和高真空两个方 向发展，出现了新方法包括：
Your site here
LOGO 气相沉积技术分类及解释
物理气相沉积 在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料
气化成原子、分子，直接沉积基体表面上的方 法。
物理气相沉积主要包括真空蒸镀、溅射镀 膜、离子镀膜等。
Your site here
LOGO 气相沉积技术分类及解释
化学气相沉积 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单
1.金属有机化学气相沉积技术 (Metalorganic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD) 2.等离子增强化学气相沉积 （Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition，简称PECVD） 3.激光化学气相沉积 (Laser Chemical Vapor Deposition，简称 LCVD)
LOGO 二、化学气相沉积基本理论
1. CVD含义
2. CVD基本原理
CVD 是利用气态物质在固体表面进行化学SiH反Cl3H2 应,生成 固态沉积物的工艺过程。
最常见的化学气相沉积反应有:热分解反应、化学合成 反应和化学传输反应。举例如下：
① 热分解反应：
I. 氢化物分解 ,沉积硅
反物能够连续补充,同时废弃的反应 产物不断排出沉积室。
其主要由双温区开启式电阻炉及控温设备、反应管、 载气净化及载带导入系统三大部分构成。
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
以砷化镓的气相外延为例，说明开管法的工作流程 ，该例子涉及的化学反应：
Z
n
S e I2(g) T2 Z
图2 碘封管化学输运生长晶体硒化锌单晶
Your site here
LOGO 化学气相沉积基本理论
由上述分析，可以归纳出封管法的优点： I. 可降低来自外界的污染 II.不必连续抽气即可保持真空 III.原料转化率高
封官法也有其自身的局限性，有如下几点： I. 材料生长速率慢,不利于大批量生产 II.有时反应管只能使用一次,沉积成本较高 III.管内压力测定困难,具有一定的危险性
Your site here
LOGO 气相沉积技术分类及解释
4.真空化学气相沉积 (Ultraviolet High Void/Chemical Vapor Deposition，简称 UHV/ CVD)
5.低压化学气相沉积 (Low Press Chemical Vapor Deposition简称 LPCVD)
6.射频加热化学气相沉积 (Radio Frequency /Chemical Vapor Deposition ,简称 RF/ CVD)
7.紫外光能量辅助化学气相沉积 (Ultraviolet Void/ Chemical Vapor Deposition ,简称 UV/ CVD)
Your site here