石墨烯轉(zhuǎn)移的缺陷研究

張棟梁 龐 星 張 琪 梁小雅 趙玉龍

西安交通大學(xué) 陜西 西安 710049

前言

石墨烯一直是研究的熱點(diǎn)，憑借獨(dú)特的性能，石墨烯被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。石墨烯最成熟的制備工藝是CVD化學(xué)氣相沉積，制備在Cu、Ni、Pd等金屬上，然后通過濕法轉(zhuǎn)移到不同基底上。因此，研究石墨烯轉(zhuǎn)移造成的缺陷尤為重要。本研究利用先進(jìn)的表征手段探究了在石墨烯轉(zhuǎn)移過程中造成的缺陷。

一、石墨烯轉(zhuǎn)移的方法

在本文中，將單層石墨烯通過濕法轉(zhuǎn)移的方式轉(zhuǎn)移到玻璃基底上。具體操作步驟為:首先稱量4g PMMA粉末，將其放在棕色廣口瓶里，量取100ml苯甲醚溶液倒入瓶中，保持50℃的水浴加熱，磁力攪拌6小時(shí)，使用勻膠機(jī)以低速600rpm，高速4000rpm的轉(zhuǎn)速在銅基石墨烯表面旋涂制備好的PMMA并將其加熱固化，以玻璃化溫度180℃加熱PMMA，加熱3分鐘。同時(shí)，配制FeCl3溶液，其濃度為1mol/L的FeCl3溶液，完成后，需要用無塵布將其表面的雜質(zhì)過濾掉，因?yàn)槭┍∧さ某√匦?，很容易吸附水溶液中的雜質(zhì)分子與顆粒，以此減少外來的雜質(zhì)對(duì)石墨烯表面的污染。在腐蝕完之后，用濃度范圍10%～20%的稀鹽酸浸泡1個(gè)小時(shí)，中和掉石墨烯薄膜上殘余的FeCl3雜質(zhì)，然后再將其用去離子水進(jìn)一步地清洗三次，每次10min。再將其轉(zhuǎn)移到基底上，靜置使其自然晾干，最后使用丙酮分三次去除PMMA，每次大約5min，即可完成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移工作。

二、石墨烯表面缺陷分析

本實(shí)驗(yàn)將單層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到硅酸鹽載玻片基底上。利用Raman光譜分析與X射線能譜分析對(duì)轉(zhuǎn)移后的樣品的進(jìn)行缺陷研究。

(1)Raman光譜分析。實(shí)驗(yàn)采用波長為532nm激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。石墨烯的拉曼光譜一共有三個(gè)峰，分別是G峰、2D峰和缺陷峰D峰。

使用Raman測量樣品拉曼光譜圖，下圖為轉(zhuǎn)移到載玻片基底上石墨烯在載玻片上的拉曼測試白光圖及其對(duì)應(yīng)的拉曼位移圖。

圖1 樣品上石墨烯的白光圖與其對(duì)應(yīng)的拉曼光譜圖

從拉曼位移圖中，我們可以看到圖a所對(duì)應(yīng)的拉曼位移圖沒有石墨烯的特征峰，表明此處的石墨烯已被破壞；此外，圖b與圖c對(duì)應(yīng)的拉曼位移圖均存在缺陷峰D峰、G’峰與PMMA特征峰，說明樣品上石墨烯存在大量的缺陷，且PMMA去除也不干凈。

從Raman位移圖中，我們可以看到b、c測試的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Raman光譜圖I2D/IG≈2，表明轉(zhuǎn)以后石墨烯單層未被破壞。另外，從圖中所對(duì)應(yīng)的Raman位移圖可以看到存在缺陷峰D峰與PMMA特征峰，表明轉(zhuǎn)以后的表面存在少量的缺陷以及PMMA在石墨烯表面有一定的殘留。

(2)X射線光電子能譜分析。本研究中用X射線能譜分析來測量轉(zhuǎn)移之后石墨烯中C、N、O元素的含量，并對(duì)其C1s峰進(jìn)行了XPS分峰處理，通過分析C1s峰中C的化學(xué)鍵成分來判斷轉(zhuǎn)移質(zhì)量的優(yōu)劣。以下在樣品上選取兩個(gè)具有代表性的位置分析。

圖2 樣品上石墨烯的C1s峰分峰處理，a)位置一處C1s峰分峰處理結(jié)果；b)位置二處C1s峰分峰處理結(jié)果

根據(jù)分峰處理的結(jié)果，可以看到在圖2中圖a出現(xiàn)了sp3雜化的C≡C峰。然而，石墨烯中C的雜化方式為sp2雜化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了sp3雜化峰，說明在石墨烯的轉(zhuǎn)移過程中引入了其他的雜質(zhì)。綜合考慮轉(zhuǎn)移中接觸到的化學(xué)物品，推測為PMMA的殘留，因?yàn)镻MMA中有大量的C≡C峰，因此推測在石墨烯的表面殘留有PMMA造成該現(xiàn)象。

結(jié)論

本研究通過濕法轉(zhuǎn)移的方式，以PMMA作為支撐將石墨烯分別轉(zhuǎn)移到不同基底上，通過Raman光譜分析可以知道，載玻片基底樣品方阻值大的原因?yàn)槭┐嬖诖罅康娜毕?，某些地方甚至石墨烯被破壞；?duì)于二氧化硅基底樣品方阻值大的主要原因?yàn)槭┋B層。對(duì)XPS測試結(jié)果對(duì)成分中C1s峰進(jìn)行分峰處理，發(fā)現(xiàn)載玻片基底的樣品表面存在PMMA特征峰。這類的缺陷石墨烯及其器件的功能受到很大的影響。