石墨烯及石墨烯基铜/碳核壳结构材料的制备和场发射性能的研究

【摘要】：石墨烯是由一个sp~2杂化碳原子层构成的二维蜂窝状晶格结构材料，由于其特殊的结构和优异的物理性能，如大的比表面积、高的电子迁移率、好的化学稳定性及良好的柔韧性等，使石墨烯及石墨烯基复合材料在电子及光电子器件、化学传感器和能量储存器件等领域具有广泛的应用前景。 在众多的制备石墨烯的方法中，化学气相沉积（CVD）方法是制备大面积、高品质石墨烯的最有效方法之一，然而，这种方法需要极高的反应温度和较多的碳源。对于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法来说，它是目前用于沉积各种碳材料、半导体材料的较为普遍使用的方法，这种沉积技术借助于辉光放电使碳源气体发生分解，最终含有薄膜组分的活性基团发生化学反应，从而实现薄膜材料的生长。可见，利用PECVD方法可以在反应温度相对较低、沉积时间较短、所需碳源较少的条件下制备石墨烯，大大地降低了石墨烯的制备成本。本论文采用射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）设备，以多晶钴薄膜为生长基底，通过合理地控制钴薄膜的厚度、基底的温度和沉积的时间，制备了高品质的石墨烯，同时，结合第一性原理密度泛函理论计算探讨了石墨烯的生长机制。 石墨烯具有极好的化学稳定性，可以作为金属颗粒（如：钴、镍和铜等）的保护壳层，因此，近些年越来越多的科研工作者致力于寻找一种简单而有效的方法来制备金属/碳的核壳结构材料。本论文使用RF-PECVD设备，通过合理的控制沉积时间成功地获得了一种新型的石墨烯基铜/碳核壳结构材料，并详细地探讨了其生长机制。 石墨烯由于其具有优异的电子输运性质和良好的导热性能，有望应用于场发射器件的电极材料。本论文系统地研究了铜颗粒的尺寸及颗粒之间的距离对新型核壳结构材料的场发射性能的影响，并重点探讨了该核壳结构材料的场发射增强机制，为石墨烯基材料作为场发射器件的电极材料奠定了研究基础。