大晶粒单层石墨烯薄膜的等离子体制备关键技术及机理研究

Production of large area, large-grain-size, single-layer graphene film has become a key problem and research focus to be resolved. This project is to investigate the growth approach and the mechanism influencing crystal size and layer of graphene by adopting the technique of remote microwave linear plasma enhanced chemical vapor deposition assisted by pulsed bias. Utilizing diagnostic tools including the Langmuir probe, ion energy analyzer and combining the Fluid/Monte Carlo model, the ion characteristics in pulsed bias assisted microwave linear plasma will be analyzed. Utilizing the apparatus including TEM, AFM and Raman etc. and combining the First Principle, the growth mechanism of graphene film will be studied; Establishing the model of inverse problem, the experimental condition and modulation method will be optimized, and the growth mechanism of large-crystal-size, single-layer graphene film will be verified. Through the investigation of this project, the characteristics of the granphene film deposited by pulsed bias assisted microwave linear plasma will be revealed; the growth mechanism of large-crystal-size and single-layer graphene film will be clarified; the production conditions and optimization methods for large-crystal-size and single-layer graphene film will be radicated. The fundamental basic for low-temperature producing large area, large crystal size and single layer graphene film will be established.

大面积、大晶粒、单层石墨烯的低温制备是近年来亟待解决的关键问题和研究热点。本项目拟采用脉冲偏压辅助微波线形等离子体远程沉积技术，研究脉冲偏压对离子行为及石墨烯薄膜特性的影响机制；结合第一性原理，探索微波等离子体远程沉积大晶粒、单层石墨烯薄膜的物化机理；建立反问题模型，优化实验条件和调控方法，修正石墨烯薄膜性能与实验参数的关联机制。通过本项目的研究，明晰脉冲偏压辅助微波线形等离子体远程沉积石墨烯薄膜的特性；阐明大晶粒单层石墨烯薄膜的形成机制；建立高质量石墨烯薄膜的生长条件和优化方法，为实现大面积、大晶粒、单层石墨烯薄膜的低温制备提供理论和实验基础。

单层石墨烯具备优异的光、电、机械性能，比表面积大、化学稳定性高，随着现代工业的快速发展，石墨烯材料的需求量越来越大，特别是电子、储能、光电、生物等高技术行业，石墨烯材料体现出日益突出的应用前景和研究价值。本项目拟采用微波线形等离子体源制备高质量石墨烯材料，以期解决大规模、低成本、高质量石墨烯材料制备的难题。项目组从微波线形源的性能改进入手，通过建立二维数值模型，探索了微波线性源在外部磁场作用下的变化规律：（1）微波激励线形等离子体在较高功率、较高气压下更容易得到一维均匀的等离子体密度分布；（2）双源微波激励利于获得均匀的等离子体密度分布；（3）在外部施加径向磁场时，适当的轴向磁场可以增加等离子体密度的数值及均匀性；（4）在适当强度轴向磁场作用下等离子体向介质管附近靠近，靠近介质管附近的等离子体密度值增加更为明显；（5）通过轴向电场分布在有无磁场作用下的对比发现，有磁场情况下的电场衰减更小，这也是等离子体密度延伸更远的原因。在考虑永磁钢阵列和微波反射器的共同作用下，项目组建立了三维数值模型，分析并讨论了由永磁钢阵列与微波反射器共同作用下等离子体密度与均匀性的变化规律：（1）适当充磁强度永磁铁可以提高平均电子密度36.7%，而均匀度可以在100-300mm（腔体长400mm）区域达到-3%~1%（2）半圆柱型天线对等离子体密度增幅不大，在均匀度方面略有提高（3）阵列永磁钢与天线的耦合作用在等离子体密度的提高上略低于仅存在永磁钢的影响，但高于天线的影响，在均匀度上略有降低。通过常压等离子体还原获得87.43%高含碳量的少层石墨烯，比表面积约145m2/g，多孔尺寸3nm-4nm。.通过本项目的研究，明晰了磁场与同轴天线共同作用下微波线形等离子体的产生与优化机理，理论上基本掌握了高密度微波等离子体的产生条件和优化方法，为实现高密度、大面积均匀稳定等离子体源及其应用提供重要参考。项目执行期间，项目组发表学术论文8篇，申请国家专利7项，培养在读研究生2名。