化学气相沉积制备三维石墨烯的扩散沉积机理_胡国新
化学气相沉积法制备石墨烯材料
化学气相沉积法新材料的制备1 化学气相沉积法化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。
从理论上来说，它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。
淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。
1.1 化学气相沉积法的原理化学气相沉积法是利用气相反应，在高温、等离子或激光辅助灯条件下，控制反应器呀、气流速率、基板材料温度等因素，从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程；或者通过薄膜后处理，控制非晶薄膜的晶化过程，从而或得纳米结构的薄膜材料。
CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。
通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，同时让高熔点物质可以在较低温度下制备。
1.2 分类用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料，包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。
采用各种反应形式，选择适当的制备条件—基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜才来。
通过反应类型或者压力来分类，可以将化学气相沉积法分为：低压CVD(LPCVD)，常压CVD(APCVD)，亚常压CVD(SACVD)，超高真空CVD(UHCVD)，等离子体增强CVD(PECVD)，高密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD)，以及金属有机物CVD(MOCVD) 化学气相沉积的化学反应形式，主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。
具体表现如下表：表1-1 化学气相沉积的各种反应形式1.3 反应参数CVD反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的：反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。
CVD生成石墨烯
化学气相沉积（CVD）法是近年来发展起来的，制备石墨烯的新方法，采用该法制备的石墨烯具有质量高尺寸大等优点，是实现工业化生产潜力最大的方法之一。
CVD法制备石墨烯的步骤石墨烯在金属催化剂表面的CVD 生长是一个复杂的多相催化反应体系。
该过程主要涉及以下几个基元步骤：(1) 烃类碳源在金属催化剂基底上的吸附与分解；(2) 表面碳原子向催化剂体相内的溶解以及在体相中的扩散；(3) 降温过程中碳原子从催化剂体相向表面的析出；(4) 碳原子在催化剂表面的成核及二维重构，生成石墨烯。
化学气相沉积生长石墨烯的基本步骤：（1）碳源在催化剂表面吸附；（2）碳源脱附；（3）碳源的脱氢分解；（4）碳原子在催化剂表面的迁移；（5）碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；（6）碳原子在高温下溶入金属体相；（7）碳原子在金属体内扩散；（8）降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面成核生长石墨烯。
CVD法生成石墨烯的机理首先碳源在催化剂表层分解，形成碳原子，形成的碳原子一部分在催化剂表面直接成核形成石墨烯，另一部分碳原子渗透进入催化剂体相，并和金属形成合金。
当温度降低，碳在催化剂体相中的溶解度降低，高温时渗透进入的体相的碳原子就在催化剂表面析出，并优先在晶界、台阶等缺陷处成核形成石墨烯。
除去扩散进入金属体相的碳原子，碳源分解生成的部分碳原子会在金属表面直接形成石墨烯。
这是一个表面催化的过程，对于溶碳量较低的金属(如Cu)，其上石墨烯的生长主要遵循这种机理。
CVD生长石墨烯主要包括两个路径，一个路径是“直接生长”，催化裂解出来的碳原子直接在催化剂表面成核、进而生长成石墨烯薄膜；另一个路径则是“迂回生长”，催化裂解的表面碳原子渗透进入体相溶解后，再在表面析出，成核生长形成石墨烯薄膜。
两个平行生长路径的贡献，取决于金属催化剂的溶碳能力、金属碳化物的生成及其在生长温度下的化学稳定性。
CVD法制备石墨烯碳源的选择在金属催化基底作用下，常选用气态烃类碳源特别是甲烷(CH4)作为前驱体,用来生长单层石墨烯。
化学气相沉积技术制备石墨烯
化学气相沉积技术制备石墨烯石墨烯是由一层厚度不超过0.34纳米的碳原子构成的二维材料，其独特的电子结构使其具有出色的导电和导热性能，以及高度的机械强度和化学稳定性。
随着对石墨烯特性深入研究，其在电子器件、光电器件、传感器等领域的应用已经得到了广泛的关注。
然而，由于石墨烯的薄膜结构和高度的化学不活性，其制备过程相对困难，直接从大块石墨材料中剥离制备的单层石墨烯技术及其它制备方法均存在一定的限制。
化学气相沉积(CVD)技术是目前制备石墨烯的主流方法之一，该方法采用化学气相反应在晶体表面生长出石墨烯薄膜。
CVD法制备石墨烯的基本流程包括三个步骤: 供气、反应和退火。
在供气阶段，通过流量控制进行等量且准确的混气。
在反应过程中，分解的烃类分子在催化剂的作用下发生裂解反应生成碳原子。
最后，在退火过程中，石墨烯薄膜进行结晶，并在同步的气氛中去除溶胶和杂质，使石墨烯晶体化。
CVD技术制备石墨烯的主要优点是可以大面积、高效率地制备石墨烯，并且可以调控其厚度、晶格结构和形态等性质。
同时，该方法可以利用超薄石墨烯薄膜的传感性能，通过对气体、化学物质的敏感性进行研究来实现高侦测灵敏度的传感器。
然而，CVD技术也存在一些缺陷。
首先，该方法需要使用成本较高的催化剂，以及高温、大气压等条件，而这些设备的购买和维护成本较高。
其次，CVD方法制备出的石墨烯薄膜一般需要后续的化学、物理处理才能得到所需要的特性，同时其制备过程中可能会出现少量的缺陷和折叠，并影响其性能。
目前，CVD制备石墨烯技术的研究已经趋于成熟，不断提高其生产效率和质量，同时探索其更广泛的应用也是科学家们关注的焦点之一。
通过CVD制备的石墨烯薄膜的特性及其应用已经成为国际上的研究热点之一，特别是在新型光电器件、传感器、生物医学等领域，其应用前景十分广阔，未来还将重点关注CVD制备石墨烯技术在材料分析方面的应用，因为石墨烯材料的精细结构以及其表面化学反应的区别，石墨烯在材料性能分析和精细结构调控方面具有很大的潜力，这将进一步推动石墨烯的应用和发展。
化学气相沉积法制备石墨烯材料
化学气相沉积法制备石墨烯材料CVD法的基本过程如下：1.准备基底：选择合适的基底材料，例如金属箔（铜、镍等）或硅衬底。
2.清洗基底：使用适当的化学方法去除基底表面的杂质和氧化物，以确保表面干净。
3.加热基底：将基底放置在热处理炉中，使其达到适当的温度。
温度取决于所用的前体气体以及所需的石墨烯形成条件。
4.供应前体气体：将含有碳源的气体（例如甲烷、乙炔等）通过气流或者进料管道送入炉内，并与热基底表面上的金属发生反应。
5.反应过程：碳源气体在基底表面上分解，生成碳原子，并在热基底上扩散。
生成的碳原子随后通过化学反应在基底上重新组合，形成石墨烯结构。
6.石墨烯形成：在适当的条件下，石墨烯会开始在金属基底表面上生长。
通常，石墨烯以多层形式开始，并随后通过控制反应条件使其转变为单层石墨烯。
7.冷却和收集：待石墨烯生长完成后，慢慢降低温度，使基底和石墨烯冷却至室温。
如果需要分离石墨烯层，可以使用化学方法或机械方法分离。
CVD法制备石墨烯的优势在于具有较高的控制性和可扩展性。
通过调节反应温度、反应时间和气氛的成分，可以实现对石墨烯的厚度、结晶度和晶粒大小的控制。
此外，CVD法也可以在大面积基底上实现石墨烯的合成，具备工业化生产的潜力。
然而，CVD法也存在一些挑战和限制。
首先，CVD法需要昂贵的设备和复杂的操作，因此成本较高。
另外，CVD法制备的石墨烯通常需要通过化学方法或机械方法与基底分离，这可能会导致石墨烯的质量下降或损坏。
此外，CVD法制备的石墨烯往往在基底上存在大面积缺陷，对于一些应用，如柔性电子器件，缺陷的存在可能会造成问题。
尽管如此，CVD法仍然是制备石墨烯的重要方法之一，其在石墨烯研究领域和应用领域中具有广泛的应用前景。
通过进一步改进和优化CVD过程，并提高石墨烯的质量、控制性和成产率，可以推动石墨烯技术的发展和商业化应用。
石墨烯的化学气相沉积法制备 2
石墨烯的化学气相沉积法制备摘要:化学气相沉积(CVD)法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、生长面积大等优点，逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。
通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法和CVD方法)的原理和特点，重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等发面评述了CVD法制备石墨烯及其转移技术的研究进展，并展望了未来CVD法制备石墨烯的可能发展方向，如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。
关键词:石墨烯制备化学气相沉积法转移Abstract chemical vapor deposition(CVD) is an effective way for the preparation of preparation of graphene with large area and high quality.In this review,the echanism and characteristics of the four main preparation methods of graphene are briefly introduced ,including microm echanical Cleavage,chemical exfoliation,SiC epitaxial growth and CVD. The recent advances in the CVD growth of graphene and the related transfer techniques in term of structure contral, quality improvement and large area graphene synthesis were discussed .Other possible methods single crystallinegraphene ,graohene nanoribbons and graphene avrostructures. Keywords : Graphene,Preparation, Chemical vapor deposition;transfe1.前言自从1985年富勒烯和1991年碳纳米管被发现以来，碳纳米材料的研究一直是材料研究领域的热点，引起了世界各国研究人员的极大兴趣。
三维石墨烯制备方法
三维石墨烯制备方法一、前言三维石墨烯是一种新型的碳材料，具有优异的电导性、导热性和力学性能，被广泛应用于传感器、储能器件等领域。
本文将介绍三维石墨烯的制备方法。
二、化学气相沉积法化学气相沉积法是制备三维石墨烯的一种常用方法。
其步骤如下：1. 准备材料：金属基板（如镍、铜等）、碳源（如甲苯）和气体（如氢气）。
2. 清洗基板：将金属基板放入去离子水中清洗，然后用乙醇和丙酮混合液再次清洗，最后用干氮吹干。
3. 热处理基板：将清洗干净的金属基板放入高温炉中，在氢气流中加热至800℃以上，保持1小时以上。
4. 气相沉积：将碳源注入反应室中，在高温下分解生成碳原子，并在金属基板表面沉积形成三维结构的石墨烯。
5. 冷却处理：停止碳源注入，继续在氢气流中加热5分钟，然后将反应室冷却至室温。
6. 取下样品：用去离子水将金属基板浸泡，然后用乙醇和丙酮混合液清洗，最后用干氮吹干即可得到三维石墨烯样品。
三、化学还原法化学还原法是另一种制备三维石墨烯的方法。
其步骤如下：1. 准备材料：氧化石墨、还原剂（如氢气）、溶剂（如N-甲基吡咯烷酮）。
2. 制备混合物：将适量的氧化石墨和还原剂混合均匀，并加入适量的溶剂搅拌均匀。
3. 还原反应：在惰性气体保护下，在高温高压条件下进行还原反应，使氧化石墨被还原成三维结构的石墨烯。
4. 水洗处理：用去离子水将样品浸泡，并用超声波震荡1小时以上，然后反复使用纯水洗涤多次，直到pH值为7左右。
5. 干燥处理：将样品放入真空干燥箱中，在60℃下干燥至完全干燥。
四、电化学沉积法电化学沉积法是另一种制备三维石墨烯的方法。
其步骤如下：1. 准备材料：金属基板（如铜）、电解液（如硫酸铜溶液）、阳极（如铂）。
2. 清洗基板：将金属基板放入去离子水中清洗，然后用乙醇和丙酮混合液再次清洗，最后用干氮吹干。
3. 电解液处理：将硫酸铜溶液倒入电解槽中，并加入适量的阳极。
4. 电化学沉积：在恒定电位下，将金属基板浸泡在电解槽中，通过氧化还原反应使金属表面沉积形成三维结构的石墨烯。
石墨烯化学气相沉积法
石墨烯化学气相沉积法石墨烯化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition，CVD)，是一种在高温的条件下利用化学气相反应形成薄膜的生产工艺。
该方法利用一定比例的气态有机物和富含碳的气态材料，在真空或减压环境下受热，进行化学气相反应得到所需要的薄膜材料。
石墨烯由于具有高强度、低摩擦系数、高导热和电阻率等优异性能，在电子、高性能固体燃料电池、光发射器件和储能方面受到了广泛的关注。
在这方面，CVD作为生产石墨烯的最常用方法，已经成为石墨烯制备的第一选择。
CVD的基本原理是在高温的条件下，将有机物分解和重新组合以形成由若干单元组成的碳链结构，通过扩散、吸附和后处理等步骤使其封闭形成膜型石墨烯。
因此，在CVD过程中，重要的参数包括反应物浓度、反应气体流量、反应温度等，他们不仅决定CVD反应时间，而且影响石墨烯质量。
根据CVD过程中反应条件的不同，CVD方法可以大致分为常温和加热两种，其中常温CVD是指在室温下利用有机物的气相还原反应形成碳化合物的方法，这种方法属于物理CVD，适用于制备厚膜石墨烯。
而加热CVD是指在高温条件下利用有机物的气相重整及其衍生物以及碳氢化物的还原反应形成碳化合物的方法，其原理为化学CVD，适用于制备薄膜石墨烯。
CVD的优点在于，无需像保护性气相法(PECVD)那样使用复杂的活性剂和添加剂，而且反应过程温和，不会造成表面层结构的改变，可以有效地解决石墨烯结构不完整和不稳定的问题，且制备的碳膜具有良好的结构和电子性质。
但是，CVD法也存在弊端，如高温条件下易发生火灾，原料消耗量大，因此石墨烯CVD方法的发展还存在某些不足之处。
化学气相沉积法石墨烯
化学气相沉积法石墨烯化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常用的制备石墨烯的方法。
它通过在高温下将碳源气体在基底表面进行热解，使碳原子沉积形成石墨烯薄膜。
这种方法具有制备大面积、高质量石墨烯的优势，因此在石墨烯研究和应用中得到广泛应用。
化学气相沉积法的基本原理是在高温下，将含有碳源的气体通过反应室，使其与基底表面发生反应。
常用的碳源气体有甲烷、乙烯等。
在反应室中，碳源气体会被加热至高温，使其分解生成碳原子。
这些碳原子会在基底表面进行扩散，并在表面重新组合形成石墨烯结构。
在化学气相沉积法中，反应室的温度是一个关键参数。
高温有助于碳源气体的分解和碳原子的扩散，但过高的温度可能导致石墨烯的结构破坏。
因此，需要根据具体的实验条件选择适当的温度。
除了温度，反应室的压力也是一个重要的参数。
较高的压力可以增加碳源气体与基底表面的接触机会，有利于石墨烯的生长。
同时，压力还可以调节石墨烯的层数，从单层到多层的转变。
在实际操作中，还可以通过控制反应时间和碳源气体的流量来调节石墨烯的生长速率和质量。
较长的反应时间和较高的碳源气体流量可以增加石墨烯的生长量，但也可能导致石墨烯的结构不完整。
化学气相沉积法制备的石墨烯可以应用于多个领域。
在电子学领域，石墨烯具有优异的电子传输性能，可以用于制备高性能的晶体管和传感器。
在能源领域，石墨烯可以用于制备高效的锂离子电池和超级电容器。
此外，石墨烯还具有优异的机械性能和热导性能，可以应用于材料强化和热管理等方面。
化学气相沉积法是一种重要的石墨烯制备方法。
通过控制反应条件和参数，可以制备出大面积、高质量的石墨烯薄膜。
石墨烯在各个领域具有广泛的应用前景，将为科学研究和工业应用带来新的突破和发展。
石墨烯的化学气相沉积法制备
·７２·新型炭材料第２６卷的优点，所以被广泛用于石墨烯本征物性的研究，但产量低，难以实现石墨烯的大面积和规模化制备。
化学剥离法：利用氧化反应在石墨层的碳原子上引入官能团，使石墨的层间距增大，从而削弱其层间相互作用，然后通过超声或快速膨胀将氧化石墨层层分离得到氧化石墨烯，最后通过化学还原或高温还原等方法去除含氧官能团得到石墨烯１１５－１６］。
该方法是目前可以宏量制备石墨烯的有效方法，并且氧化石墨烯可很好地分散在水中、易于组装，因此被广泛用于透明导电薄膜、复合材料以及储能等宏量应用研究。
然而，氧化、超声以及后续还原往往会造成碳原子的缺失，因此化学剥离方法制备的石墨烯含有较多缺陷、导电性差。
碳化硅（ＳｉＣ）外延生长法：利用硅的高蒸汽压，在高温（通常＞１４００ｏＣ）和超高真空（通常＜１０。
６Ｐａ）条件下使硅原子挥发，剩余的碳原子通过结构重排在ＳｉＣ表面形成石墨烯层Ⅲ１。
采用该方法可以获得大面积的单层石墨烯，并且质量较高。
然而，由于单晶ＳｉＣ的价格昂贵，生长条件苛刻，并且生长出来的石墨烯难于转移，因此该方法制备的石墨烯主要用于以ＳｉＣ为衬底的石墨烯器件的研究。
ＣＶＤ法：利用甲烷等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表ｌ白ｉ的高温分解生长石墨烯。
从生长机理上主要可以分为两种（图ｌ所示）¨８。
：（１）渗碳析碳机制：对于镍等具有较高溶碳量的金属基体，碳源裂解产生的碳原子在高温时渗入金属基体内，在降温时再从其内部析出成核，进而生长成石墨烯；（２）表面生长机制：对于铜等具有较低溶碳量的金属基体，高温下气态碳源裂解生成的碳原子吸附于金属表面，进而成核生长成“石墨烯岛”，并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。
由于ＣＶＤ方法制备石墨烯简单易行，所得石墨烯质量很高，可实现大面积生长，而且较易于转移到各种基体上使用，因此该方法被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜，目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。
化学气相沉积法在cu和ni上生长石墨烯的机理及其应用
化学气相沉积法在cu和ni上生长石墨烯的机理及其
应用
化学气相沉积（CVD）法是制备石墨烯的重要方法之一。
在Cu和Ni表面生长石墨烯的机理主要涉及到碳源气体在高温下的分解和在基底表面的扩散与再组合。
在Cu上生长石墨烯的机理如下：
1. 碳源气体（如甲烷）在高温下被分解成碳原子。
2. 这些碳原子在铜基底表面扩散，并重新组合形成石墨烯结构。
3. 由于铜的催化作用，碳原子更容易在基底表面形成稳定的石墨烯结构。
而在Ni上生长石墨烯的机理则有所不同：
1. 当使用高溶碳量的金属（如Ni）作为生长衬底时，经碳源高温裂解产生的碳原子会渗入到体相并扩散。
2. 降温时，溶解的碳由于过饱和而在金属表面偏析形成石墨烯，这一过程被称为偏析生长机制。
3. 由于不同金属基底的熔点、溶碳量和催化活性等特性不同，显著影响着石墨烯的生长条件和生长机制，从而导致石墨烯质量和均匀性的差异。
在应用方面，化学气相沉积法制备的石墨烯具有广泛的应用前景。
例如，石墨烯在电子器件、传感器、透明导电薄膜等领域具有重要应用价值。
其出色的电学、热学和机械性能使石墨烯成为未来科技领域的重要材料之一。
请注意，尽管化学气相沉积法制备的石墨烯具有许多优点，但其制备过程需要较高的温度和复杂的工艺条件，因此在实际应用中仍需进一步优化和改进。