立式石墨烯图案化生长机理及其场发射性能研究

作     者：孟雨辰 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李新禄

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：图案化立式石墨烯 PECVD 场发射 

摘      要：石墨烯作为一种二维材料自2004年被发现以来,具有着许多独特的物理结构,使其具有独特的物理性能,在新能源、发光器件、新材料和电子信息等领域得到广泛而深入的应用与研究。而立式石墨烯作为一种具有独特结构的石墨烯,由于其垂直取向获得了大量开放的边缘、片层之间相互交联和多样的网络形貌,使立式石墨烯获得了更加优异的物理、化学性能。尤其在场发射领域,由于立式石墨烯具有开放的石墨化边缘和较强的机械强度,已经成为场发射阴极材料的重要选择。而如何提升立式石墨烯的场发射性能成为场发射研究的重要方向,立式石墨烯的图案化是进一步提高其场发射性能的选择之一。本文中我们探索了利用PECVD法基于不同基底材料和基底处理方式的图案化立式石墨烯的生长方法,研究了基于不同材料的立式石墨烯生长机理,并探究了最佳的生长条件。主要研究内容和结论如下:以P型硅片为基底,通过电子束真空蒸镀的方法制备出具有Ni-Cr-Si结构的图案化基底,其中Ni作为催化剂,Cr作为中间层提升了催化膜与基底的结合效果,并在此基底上首次制备出图案化立式石墨烯。其中,在圆直径为60μm,圆间距为60μm的圆形阵列催化膜的P型硅基底上制备的图案化立式石墨烯具有最佳的场发射性能。此外,材料的场发射性能的变化与图案化立式石墨烯制备过程中形成的圆形凸起数量有关,当单个凸起面积相同时,场发射性能随着凸起数量的增多而提高。图案化立式石墨烯的开启电场为2.7V/μm,场增强因子β达到了2513,最大电流密度为1.37m A/cm,在电流密度为1.10m A/cm、电场强度9.8V/μm保持20min后电流密度仅下降14%。为进一步提高图案化立式石墨烯的场发射性能,我们设计了以金属镍为基底通过激光刻蚀技术制备了图案化的基底。并在该金属镍基底上制备出图案化立式石墨烯。其中,具有最优秀的场发射性能的图案化规格为点阵间距为150μm的激光刻蚀结果。图案化立式石墨烯场发射性能的变化与激光刻蚀的点阵间距有关,呈现出随着点阵间距增加先增强后减弱的变化趋势。此外,该规格在850℃生长100min制备的图案化立式石墨烯具有最好的场发射性能,此时开启电场仅为0.58V/μm,场增强因子高达30201,最大电流密度达到了17.01 m A/cm。