CVD法制备石墨烯及其在有机薄膜晶体管中的应用

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石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层二维薄膜材料。特别地,石墨烯因具有超高的载流子迁移率、合适的功函数、超高的透明度和优异的化学稳定性等因素,使其在显示器件、电子器件、光电器件等领域具有广阔的应用前景。目前,制备高质量大面积的石墨烯仍是石墨烯研究的重点。本文采用化学气相沉积(CVD)法,在铜箔上面生长高质量单层的石墨烯,将其转移到SiO2/Si和PET衬底上。用layer-by-layer (LBL)的方法获得了具有不同表面性质的多层石墨烯,并制备了基于石墨烯电极的场效应薄膜晶体管(OTFT)。主要的研究内容和工作如下:(1)对单层石墨烯的CVD生长条件进行了优化,成功制备出高质量的石墨烯。实验结果表明,铜箔经过机械抛光和高温退火处理后,表面变得整洁、晶粒变大,有利于形成高质量的石墨烯;甲烷的浓度决定着石墨烯的层数;氢气不仅可以促进甲烷的分解又可以对石墨烯起到刻蚀效果,能帮助提升石墨烯的质量。结合上述的分析和实验我们确定了适于我们设备的生长参数。(2)在石墨烯的转移实验中,我们研究了衬底的处理以及石墨烯的预处理对转移结果的影响,发现紫外臭氧处理的衬底能增加石墨烯与衬底的粘附力,有利于完整石墨烯膜的转移;用氧等离子体体处理铜箔背面能够获得洁净度高的石墨烯。通过紫外光刻的方法制备了石墨烯电极。(3)成功制备了基于石墨烯电极的OTFTs器件,并与金电极的OTFTs器件作对比,单层石墨烯器件的最大迁移率达到0.56 cm2V-1s-1,要比金电极的OTFT大很多,证明我们制备的单层石墨烯在微电子领域具有很好的应用价值。(4)研究了电极/有机半导体界面对基于石墨烯做电极的OTFTs器件性能的影响,通过LBL的方法制备了不同表面性质的多层石墨烯。实验发现,随着层数的增加石墨烯的表面粗糙度、导电性、功函数也随之增加。尽管多层石墨烯的导电性和功函数都有利于器件性能的提高,但是粗糙的界面扰乱了并五苯的生长,破坏了半导体薄膜在石墨烯电极/有机半导体界面处的连续性,不利于电荷在界面处的注入与传输。因此,界面粗糙度越大OTFTs器件性能就越差。石墨烯的粗糙度成为了决定石墨烯器件性能的主要因素。因此,在今后的实验中获得平坦、均一的石墨烯是非常必要的。
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