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石墨烯及其相关结构的生长和性质研究

廖清  
【摘要】:因为其独特的结构和电子性质,比如半整数量子霍尔效应,电阻的量子化,和室温下长弹道的平均自由程等,石墨烯吸引了很多理论研究和实验研究的关注。极高的载流子迁移率和化学掺杂的可能性使它成为未来电子器件的潜在的结构单元。在密排金属晶格上外延生长的石墨烯,有着均匀的周期性超结构,而且在高温下也很稳定,这使其成为纳米结构工程的很好的候选模板。可以在石墨烯衬底上生长有序的单分散的金属的纳米结构,这在超高密度信息存储,催化作用,传感等方面有着巨大的应用前景。 论文首先利用扫描隧道电镜(STM)技术对石墨烯在Ru(0001)衬底上的CVD(直接把热的样品Ru曝露在乙炔气体中)生长和HTS(体溶解碳的偏析)生长两种方法进行了比较性研究。在CVD过程中,生长参数,热Ru(0001)表面在乙炔中的曝露时间,在石墨烯形成中起到了重要的作用。在HTS中,更小的超结构在石墨烯岛的边缘区域被普遍观察到。我们认为这些超结构是石墨烯生长过程中的中间态。 其次,利用扫描隧道电镜,研究了Ru(0001)衬底上石墨烯的生长和随后的氧化过程。当样品温度为1000 K时,乙炔可以在Ru(0001)上分解形成石墨烯覆盖层。石墨烯层和衬底的晶格失配导致了周期为30A摩尔条纹的形成。石墨烯的氧化通过823 K下把样品曝露氧气中来实现。初始阶段,在台阶边缘氧插入到石墨烯层和衬底之间,且在低台阶边缘扩展。结果,摩尔条纹在graphene/O/Ru(0001)区域消失。氧的插层导致石墨烯层从衬底的分离。氧进一步地插层,在石墨烯表面产生了皱褶的隆起。石墨烯的氧化或者说碳原子的移除,是在碳原子和氧原子结合形成挥发性产物的基础上发生的。最后,当整个石墨烯层都被气化,观察到Ru(0001)-(2×1)O相。 另外,通过石墨烯在Ru(0001)上的模板效应,生长了尺寸规则的Co纳米团簇,并对其形态和性质进行了研究。在室温下,在低覆盖度时,Co纳米团簇同时在石墨烯摩尔条纹的fcc区域和hcp区域成核。Co在石墨烯上形成分散的3D团簇,增加覆盖度时没有观察到明显的有序的Co纳米团簇。Co纳米团簇的尺寸是可以调制的。473 K时Co/graphene/Ru(0001)退火导致Co插入到石墨烯层和Ru(0001)衬底之间。 当样品温度保持在873 K时,Co原子插层到石墨烯层下面,形成了大片的平面的不规则岛。Co的插层可以归因于Co在台阶边缘和晶格位错处的扩散。graphene/Co/Ru(0001)在形貌上具有摩尔条纹结构,和在graphene/Ru(0001)上的一致。覆盖在Co岛上的最亮区域是graphene/Ru(0001)上的hcp区域。Co在Ru(0001)上形成赝晶结构,占据Ru(0001)上的hcp空位。


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