化学气相淀积石墨烯在不同衬底上的表征以及多层石墨烯在有机太阳能电池中的应用

【摘要】：由于石墨烯具有不同寻常的物理性质，它的发现引发了物理学界的广泛关注。这种特殊的二维材料已被用于各种量子实验。不仅如此，石墨烯还具有独特的机械、光学、电学性质，使得石墨烯可以被用来制作各类新型器件。在室温下，石墨烯的电子迁移率高达200000cm2/V·s。如此高的载流子迁移率使得石墨烯有希望被用来制作高频高速晶体管。除此以外，石墨烯还有可能在其他方面得到应用，比如微机电系统MEMS、电池以及各类探测器。 均匀大面积的石墨烯材料是确保石墨烯器件的高性能和推进该器件走向应用的关键。在目前的石墨烯制备方法中，化学气相沉积（CVD）法被认为是制备均匀大面积石墨烯的最佳制备方法之一。在CVD法制备石墨烯时，已经有多种不同的金属被用来作衬底，如铜、镍等。得益于铜箔表面的自限制作用，铜箔衬底上可以生长出大面积的单层石墨烯，因此铜箔已经成为CVD法制备石墨烯的最常用衬底。为了尽量增大石墨烯单晶的晶畴面积，本文提出电化学抛光的方法对铜箔进行预处理。实验结果表明，经过电化学抛光处理后的铜箔表面更加光亮干净，这有利于降低石墨烯的成核密度。 为了制作石墨烯器件，生长结束后需要进行石墨烯转移。然而，在此转移过程中石墨烯容易受到有机物的污染。光刻胶杂质是测量石墨烯本征物理性质和制作石墨烯器件的障碍。为了去除石墨烯表面的有机物残留，通常在高温下对石墨烯进行退火。研究表明高温退火确实可以有效的去除光刻胶残留，可是高温退火对石墨烯本身的物理性质影响并没有深入的研究。本文把CVD制备的石墨烯转移到蓝宝石衬底上并且将其在不同的温度进行退火实验。利用AFM、拉曼光谱表征等手段，探究了高温退火工艺与衬底间残余应力的关系。通过分析Raman光谱，研究了石墨烯上残余应力的积累。并且在实验的基础上，本文进一步建立了退火残余应力的应力积累模型，获得是应力积累系数为0.35，由此模型导出的应力残余系数与实验结果取得了很好的吻合。 铟锡氧化物ITO常用于制作有机太阳能电池的电极，然而其高昂的价格制约着太阳能电池的普及。不仅如此，铟锡氧化物十分易碎，而且对酸十分敏感，使得可靠性下降。铟锡氧化物中本身化学性质较活泼，其中的离子容易渗入太阳能电池的有效层，造成有机太阳能电池性能下降，因此寻找到ITO的替代材料很有意义。石墨烯具有很高的透光率，单层石墨烯透光率高达97.7%，折射率小于0.1%，几乎可以忽略。虽然具有很高的透光率，但是未经掺杂的单层石墨烯方阻太高，不适合制作透明电极，而随着层数的增加，石墨烯的方阻会逐渐降低。所以为了制作透明电极，本文研究了叠层石墨烯转移工艺。 这里提出了一种免于退火的叠层石墨烯转移方法，利用这种方法转移获得的叠层石墨烯同时具有较高的透光率和电导率。Raman测试表明，尽管随着叠层层数的增加，转移步骤增多，但是叠层转移工艺并没有破坏石墨烯以及引入非故意掺杂。实验获得是4层石墨烯电极的透光率超过86%，方阻小于100。本文在此基础上进一步制作了有机太阳能电池，得到的开路电压为0.62V，短路电流密度为0.51mA/cm2。证明这种转移工艺制备的叠层石墨烯电极，有潜力在有机太阳能电池中用来替代ITO。 总之，本文主要在石墨烯生长、石墨烯与衬底间的相互作用、退火工艺在石墨烯中引入的残余应力、以及叠层石墨烯电极的制备和应用等方面进行了探索研究。 【关键词】：化学气相淀积 石墨烯 残余应力 透明电极
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN304.055;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 石墨烯概述11-13
• 1.2 石墨烯的主要研究方向与进展13-15
• 1.3 本文主要工作与安排15-17
• 第二章 石墨烯的能带结构以及主要测试手段17-29
• 2.1 石墨烯的晶格结构和能带特点17-21
• 2.1.1 轨道杂化，晶格结构17-19
• 2.1.2 单层石墨烯的 E-k 关系19-20
• 2.1.3 多层石墨烯的 E-k 关系20-21
• 2.2 主要的测试表征手段21-28
• 2.2.1 扫描电子显微镜 SEM21-23
• 2.2.2 原子力显微镜 AFM23
• 2.2.3 光学显微镜 OM23-24
• 2.2.4 X 射线光电子能谱分析 XPS24-25
• 2.2.5 非接触 hall 方阻迁移率测试25-26
• 2.2.6 拉曼 Raman 光谱检测26-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第三章 化学气相沉积 CVD 法生长石墨烯29-37
• 3.1 石墨烯的主要制备手段29-30
• 3.1.1 机械剥离29-30
• 3.1.2 SiC 制备大面积石墨烯30
• 3.2 石墨烯 CVD 生长30-36
• 3.2.1 CVD 概述以及优势30-31
• 3.2.2 铜预处理31-32
• 3.2.3 生长条件32-36
• 3.3 本章小结36-37
• 第四章 不同衬底和退火工艺对石墨烯性质的影响37-49
• 4.1 石墨烯向任意衬底的转移工艺37-38
• 4.2 不同衬底对石墨烯电学性质的影响38-39
• 4.3 退火去除残留光刻胶39-42
• 4.4 退火对石墨烯性质的影响42-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 多层石墨烯电极在有机太阳能电池中的应用49-57
• 5.1 电池透明电极概述和 ITO 电极的劣势49-50
• 5.2 叠层石墨烯的转移方法研究50-51
• 5.3 叠层石墨烯电极的 Raman 表征51-53
• 5.4 层数对透光率和方阻的影响53-54
• 5.5 基于石墨烯电极的太阳能电池器件性能分析54-55
• 5.6 本章小结55-57
• 第六章 结束语57-59
• 致谢59-61
• 参考文献61-69
• 攻读硕士期间研究成果与获奖情况69-71

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