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竖立石墨烯在纳米金刚石薄膜上的生长机制研究 竖立石墨烯在纳米金刚石薄膜上的生长机制研究 摘 要 作为新型碳材料，石墨烯具有许多优异的力学与电化学性能。但这些性能容 易受到石墨烯放置状态与基底的影响。因此石墨烯的放置状态与基底选择对于有 效利用其巨大的表面积和非凡的电学、化学、光学和机械性能十分关键。竖立石 墨烯的独特取向使石墨烯既能保持其固有特性，并具有其它优异的附加特性，在 电容器、电化学电极等方面具有广阔应用前景，而使用金刚石作为基底能够最大 程度上保留石墨烯电子特性。然而，目前金刚石基底上生长竖立石墨烯的机制仍 未阐明，难以有效控制竖直石墨烯的生长形态、片层厚度等，是实现其应用的主 要挑战。为了解决以上问题，提出以纳米金刚石薄膜作为基底，通过控制生长气 源流量与生长功率在其上生长竖立石墨烯。通过控制生长时间研究竖立石墨烯的 生长过程，以此探究竖立石墨烯的生长机制。本文研究的具体结果如下： 通过热丝化学气相沉积法(HFCVD)系统调控生长气源流量与生长功率以制 备得到竖立石墨烯。系统探究了生长气源流量与生长功率对生长竖立石墨烯的影 响。结果表明，氢气流量对竖立石墨烯的生长与否起着决定性作用。当氢气流量 过大时，由于氢气对石墨相的优先刻蚀作用，竖立石墨烯无法生长。碳源流量对 竖立石墨烯的生长也起着重要作用。当氢气流量为0 sccm，碳源流量大于25 sccm 时，竖立石墨烯开始生成，且随着碳源流量的进一步增加，其上生长的竖立石墨 烯数量增多。而当提供了充分碳源(100 sccm)后，片层结构大部分停止生长。生 长功率影响着竖立石墨烯的结构形态。当生长功率过低时，由于气源无法解离， 无法生成竖立石墨烯。当生长功率过高(大于1800 W)时，竖立石墨烯生长数量大 幅度增加，但由于数量过多，片层间的挤压会使其形态变成波纹状。由此得出竖 立石墨烯在纳米金刚石薄膜上生长的最佳工艺为碳源流量 100 sccm，生长功率 1800 W。 通过 HFCVD 系统调控生长时间以研究竖立石墨烯的生长过程。结果表明， 在纳米金刚石薄膜基底上生长的竖立石墨烯具有周期性形貌变化。首先内部金刚 I 浙江工业大学硕士学位论文 石小颗粒成核生长出柔软的石墨结构，即形成竖立石墨烯结构。随着时间增长， 该石墨结构逐渐变得刚直，变成针状的石墨结构。而此期间，石墨针状结构周围 形成了石墨包裹着金刚石小颗粒的结构(NCD-Gor) 。随着该结构的增多，片层结 构消失，在其上可能发生了石墨-金刚石相变。而进一步延长时间，金刚石小颗 粒上再次成核生长柔软的石墨结构，循环往复，形成周期性变化。该结果首次发 现了金刚石上生长竖立石墨烯的成核机制，为竖立石墨烯成核机制提供了新的解 释。 通过HFCVD 系统降低生长功率并延长生长时间来减缓相变过程，以期观察 到石墨-金刚石相变过程。结果表明，当生长时间延长至8 min 时，石墨针状结 构的不同位置处均观察到了石墨与金刚石的共同存在状态，且随着位置的变化， 石墨上的金刚石结构变得明显，说明石墨在往金刚石转变。EELS 光谱进一步验 证了其上相变，说明在一定生长条件下，石墨能在低温低压的情况下转变形成金 刚石。这一发现，为低温低压条件下制备金刚石的方式提供了新思路。 关键词：竖立石墨烯，纳米金刚石薄膜，生长机制，相变 II 竖立石墨烯在纳米金刚石薄膜上的生长机制研究 RESEARCH ON THE GROWTH MENCHANISM OF VETICALLY ORIENTED GRAPHENE ON NANOCRYSTALLINE DIAMOND FILMS ABSTRACT As a new carbon material, graphene has many excellent mechanical and electrochemical