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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳俊宏
研究生(外文):Jyun-Hong Chen
論文名稱:少數層石墨烯的製作與在二氧化矽基底上的光學鑑別
論文名稱(外文):Fabrication of few layers graphene and optical visibility of few layers graphene on SiO2
指導教授:鐘元良
指導教授(外文):Yuan-Liang Zhong
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:應用物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:光學鑑別石墨烯
外文關鍵詞:grapheneoptical visibility of few layer graphene
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單層石墨烯是近年熱門的奈米材料。它擁有特殊的能帶結構和異常的量子霍爾效應。量測單層或多層的石墨烯的電性是本實驗的目標。從參考文獻中,知道已有許多製作石墨烯的方法,最後我們選擇使用膠帶來製作結構完整的石墨烯。起初我們使用3M的Scotch 膠帶製作石墨時,出現殘膠過多、石墨的數量不足、石墨過厚等問題。換成氟樹脂膠時,發現製作的石墨數量很少且容易破損。我們加長氟樹脂膠帶壓在基底的時間,以此增加石墨的量。並降低環境溫度,減少殘膠,成功製造出單層、雙層的石墨烯。另外我們計算在二氧化矽/矽基底上石墨的反射率光譜,選擇石墨烯能見度較高的二氧化矽厚度。我們選擇了300nm、230nm、90nm三種厚度,分析每種厚度的基底在不同波段光源的影像,預測單層石墨烯在不同光源的影像,方便我們尋找單層石墨烯。我們以找到的石墨做微拉曼光譜分析。由G band和D' band的強度積分比值來判斷石墨烯的層數。證實我們製做出單層石墨烯,也驗證石墨烯的光學影像和理論是一致。
Monolayer Graphene is a new novel material of carbon based materials. The two-dimensional graphene have special band structure and unconvertional quantum Hall effect. We would like to fabricate the graphite sheets (single or few layers graphene) and to made devices for studying quantum transport. There are many methods can be fabricate graphene in references, we fabricated the graphite sheets on a SiO2/Si substrate using the method of micromechanical cleavage by 3M Scotch tapes.
We also used fluorine-gum tape to fabricate the graphite. The tape after lowering the temperature is good for making graphene and reducing the remnants of glue. Finally we make a single layer、few layer graphene. Otherwise, we calculate reflection spectrum of graphite on SiO2/Si substrate to choose the optimal thickness of SiO2 and to find the graphene. We chosen 300nm、230nm、90nm three thickness of SiO2 and analyzed reflection spectrum of graphite on difference wavelength of light and difference thickness of SiO2 substrate to take the image of graphene in difference wavelength of light. It can be easy to find the single layer graphene. We have analyzed the Raman spectrum of graphene sample for determining the number of layer of graphene by the number of G/D' (ratio of the integrated intensities of the G band and D' band). Finally we fabricate single layer graphene and proofed the optical image to agree with theory.
目 錄
頁次
中文摘要 ............................................ i
英文摘要 ............................................ ii
致謝 ............................................ iii
目錄 ............................................ iv
圖目錄 ............................................ vii
表目錄 ............................................ ix
第一章 緒論........................................ 1
1-1 石墨烯的物理性質............................ 1
1-2 研究動機.................................... 4
第二章 文獻回顧.................................... 5
2-1 石墨烯的製作方法............................ 5
2-1-1 化學還原法.................................. 5
2-1-2 化學剝離法.................................. 6
2-1-3 觸媒化學氣相沉積法.......................... 7
2-1-4 微機械劈裂法................................ 8
2-1-5 膠帶剝離法.................................. 8
2-2 石墨烯光學能見度分析........................ 11
2-2-1 石墨的反射率光譜分析........................ 11
2-2-2 石墨的能見度分析............................ 12
2-3 石墨烯的微拉曼光譜分析...................... 14
2-3-1 拉曼散射簡介................................ 14
2-3-2 文獻實驗的結果.............................. 15
v
第三章 實驗方法................................... 17
3-1 石墨烯的製作............................... 17
3-2 石墨烯的能見度分析......................... 20
3-2-1 石墨反射率的計算........................... 21
3-2-2 石墨反射率差光譜的介紹..................... 24
第四章 實驗結果................................... 26
4-1 製作結果................................... 26
4-1-1 膠帶法製作石墨的困難....................... 26
4-1-2 製作初步結果............................... 28
4-1-3 膠帶製作法的改良........................... 29
4-2 石墨的能見度分析........................... 30
4-2-1 基底的選擇................................. 30
4-2-2 計算石墨的反射率差光譜..................... 32
4-3 微拉曼光譜辨別石墨烯的層數................. 36
4-4 結果與討論................................. 46
4-4-1 石墨烯的製作............................... 46
4-4-2 光學影像分析............................... 46
第五章 總結....................................... 47
5-1 石墨製作實驗總結........................... 47
5-2 光學能見度分析總結......................... 47
5-3 未來工作................................... 47
參考文獻 .......................................... 49
附錄 附錄A 反射率的推導............................... 50
附錄B 二氧化矽與矽的折射係數..................... 46
附錄C 石墨的介電常數............................. 47
vi
附錄D 石墨的原子力顯微影像....................... 59
附錄E 低溫量測系統的介紹........................ 65
附錄F 電性量測和低溫系統儀器架設圖.............. 71
附錄G 初步量測石墨電性.......................... 72
附錄H 使用網格製作電極.......................... 73
vii
圖 目 錄
圖1-1 石墨烯與同素異形體的關係示意圖 ................................ 1
圖1-2 單層石墨烯的能量分布圖 ........................................ 2
圖1-3 單層石墨烯的霍爾電阻............................................ 3
圖2-1 化學還原石墨烯示意圖............................................ 5
圖2-2 化學剝離法製作石墨烯示意圖...................................... 6
圖2-3 觸媒化學氣相沉積法製作的石墨烯光學影............................ 7
圖2-4 微機械劈理製作石墨烯示意圖...................................... 8
圖2-5 膠帶製作石墨烯示意圖............................................ 9
圖2-6 S.Roddaro研究團計算的石墨的反射率光譜圖......................... 11
圖2-7 P.Blake研究團隊的文獻中石墨在二氧化矽300nm和200nm厚的光學影像
圖..................................................................... 12
圖2-8 P. Blake研究團隊的文獻中對比度光譜.............................. 13
圖2-9 石墨振動模式的示意圖........................................... 14
圖2-10 A. C. Ferrari研究團隊的文獻中從多層到單層的微拉曼光譜............. 15
圖2-11 單層、雙層到數層的G/D'強度積分比值統計表...................... 16
圖3-1 高純度石墨塊材(Highly oriented pyrolytic graphite)影像................. 17
圖3-2 標準晶片的實際影像和剖面示意義圖................................ 17
圖3-3 由摩擦法製作的石墨的影像........................................ 18
圖3-4 膠帶法製作石墨示意圖............................................ 19
圖3-5 對撕法的示意圖.................................................. 19
圖3-6 膠帶法製作石墨過程中石墨在膠帶上的實際影像...................... 19
圖3-7 入射光與反射光的示意圖.......................................... 20
圖3-8 多層介質結構示意圖.............................................. 21
viii
圖3-9 光在穿透介質時所產生的相位移示意圖和光在穿過兩介質之間的界面時會產生穿透和反射的示意圖..................................................... 21
圖3-10 石墨反射率光譜示意圖........................................... 22
圖3-11 石墨反射率光譜的介紹圖......................................... 23
圖3-12 石墨反射率差值低之光學影像示意圖和石墨反射率差值高之光學影像示意圖 ................................................................... 24
圖3-13 石墨反射率差光譜示意圖......................................... 25
圖4-1 普通膠帶法的嚴重殘膠情況; 使用對撕法改善的情況................. 26
圖4-2 使用膠帶剝離法製作的石墨影像圖................................. 27
圖4-3 石墨的子力顯微影像和光學影像................................... 28
圖4-4 氟樹脂膠帶影像圖; 氟樹脂膠帶的結構示意圖....................... 29
圖4-5 使用3M的scotch膠帶來蓋住沒有石墨部分的影像和示意圖........... 29
圖4-6 單層石墨烯的反射率差光譜....................................... 30
圖4-7 單層石墨烯的反射率差光譜(二氧化矽厚300nm的矽基底)............. 31
圖4-8 單層石墨烯的反射率差光譜(二氧化矽厚90nm的矽基底).............. 31
圖4-9 單層石墨烯的反射率差光譜(二氧化矽厚230nm的矽基底) ............ 32
圖4-10 石墨在二氧化矽厚300nm的矽基底上的反射率差光譜................. 33
圖4-11 石墨在二氧化矽厚90nm的矽基底上的反射率差光譜.................. 34
圖4-12 石墨在二氧化矽厚230nm的矽基底上的反射率差光譜................. 35
圖4-13 樣品300nm-1在二氧化矽厚300nm的矽基底上的光學影像圖........... 36
圖4-14 微拉曼儀的雷射聚焦在樣品300nm-1的位置......................... 37
圖4-15 樣品300nm-1的微拉曼光譜和文獻的 G/D' 的比值統計表............. 37
圖4-16 擬合G bnad和D' band的羅倫茲曲線,峰值位置和強度積分表......... 37
圖4-17 樣品300nm-2在二氧化矽厚300nm的矽基底上的光學影像圖........... 38
ix
圖4-18 微拉曼儀的雷射聚焦在樣品300nm-2的位置......................... 39
圖4-19 樣品300nm-2的微拉曼光譜和文獻的G/D'的比值統計表。擬合G bnad和D’ band的羅倫茲曲線,其峰值位置和強度積分表 ................................. 39
圖4-20 樣品230nm-1在二氧化矽厚230nm的矽基底上的光學影像圖............ 40
圖4-21 微拉曼儀的雷射聚焦在樣品230nm-1的位置......................... 41
圖4-22 樣品230nm-1的微拉曼光譜和文獻的 G/D' 的比值統計表。擬合G bnad和D'
band的羅倫茲曲線,其峰值位置和強度積分表.............................. 41
圖 4-23 石墨在二氧化矽厚90nm/矽基底上的光學影像圖..................... 42
圖4-24 微拉曼儀的雷射聚焦在樣品90nm-1的位置.......................... 43
圖4-25樣品90nm-1的微拉曼光譜和文獻的 G/D' 的比值統計表............... 43
圖4-26 樣品90nm-1的微拉曼光譜和文獻的G/D'的比值統計表。擬合G bnad和D' band
的羅倫茲曲線,其峰值位置和強度積分表................................... 43
圖4-27 樣品90nm-2在二氧化矽厚90nm的矽基底上的光學影像圖.............. 44
圖4-28 微拉曼儀的雷射聚焦在樣品90nm-2的位置.......................... 45
圖4-29 樣品90nm-2的微拉曼光譜和文獻的G/D'的比值統計表。擬合G bnad和D' band
的羅倫茲曲線,其峰值位置和強度積分表................................... 45
表 目 錄
表2-1 各種石墨製作方法比較表.......................................... 10
表3-1 理論預測單層石墨烯的光學影像.................................... 32
表3-2 單層或數層層石墨烯在三種基底上的光學影像........................ 46
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