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 陜西 西安 710049

前言

石墨烯一直是研究的熱點，憑借獨特的性能，石墨烯被廣泛的應用于各個領域。石墨烯最成熟的制備工藝是CVD化學氣相沉積，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，使用勻膠機以低速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，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，因為石墨烯薄膜的超薄特性，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個小時，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

本實驗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射線能譜分析對轉(zhuǎn)移后的樣品的進行缺陷研究。

(1)Raman光譜分析。實驗采用波長為532nm激光器進行實驗。石墨烯的拉曼光譜一共有三個峰，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應的拉曼位移圖。

圖1 樣品上石墨烯的白光圖與其對應的拉曼光譜圖

從拉曼位移圖中，我們可以看到圖a所對應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對應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測試的點對應的Raman光譜圖I2D/IG≈2，表明轉(zhuǎn)以后石墨烯單層未被破壞。另外，從圖中所對應的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，并對其C1s峰進行了XPS分峰處理，通過分析C1s峰中C的化學鍵成分來判斷轉(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峰分峰處理結果；b)位置二處C1s峰分峰處理結果

根據(jù)分峰處理的結果，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，實驗結果出現(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)移中接觸到的化學物品，推測為PMMA的殘留，因為PMMA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為石墨烯存在大量的缺陷，某些地方甚至石墨烯被破壞；對于二氧化硅基底樣品方阻值大的主要原因為石墨烯疊層。對XPS測試結果對成分中C1s峰進行分峰處理，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。