石墨烯微结构制备研究
科学技术的发展进步对光电功能器件提出了更高的要求，如响应速度更快、工作频段更宽、信息密度更大、单位能耗更小，而以硅材料为基础的传统器件越来越无法满足日益增长的需求。石墨烯是碳原子以sp2杂化形成的单原子层二维平面材料，在狄拉克点附近能量与动量呈简单的线性关系，电子运动有效质量等于零，具有极高的迁移率极低的电阻率，电子和空穴能带面相接于费米面，使得石墨烯成为零带隙材料，而且石墨烯对几乎所有频段光的吸收率都在2.3％上下，同时有研究表明石墨烯是已知导热性能最好、机械强度最高的纳米材料，这些独特的力、热、光、电性质使得石墨烯被公认为可取代硅成为下一代超高频晶体管材料。目前研究热点主要包括石墨烯基本性质特别是光电性质的研究，大面积高质量石墨烯薄膜的制备工艺的研究，新型石墨烯功能器件的设计和加工技术的研究，相关工作对于推动科技进步和社会发展具有重要的意义。石墨烯微结构加工是实现石墨烯实际应用的关键点之一，目前仍有许多科学问题和技术难题没有解决，如边缘光滑石墨烯窄带的获得，超短激光脉冲与石墨烯的作用机制，加工线宽的控制，加工边界平整度的控制等。本论文实验研究了飞秒激光直写和偶氮聚合物定向光流技术用于石墨烯微结构加工，主要内容如下：
1.综述了石墨烯的力、热、光、电性质以及生长制备方法，简单介绍了石墨烯功能器件的设计和加工制造手段，重点介绍了飞秒激光微加工技术。
2.研究飞秒激光加工多层还原氧化石墨烯薄膜。生成的石墨烯纳米带宽度与入射激光的波长、脉冲能量、聚焦性质相关，通过优化参数，可以实现从492nm到14μm的连续可控的加工。同时加工过程实现图形化，自动化，灵活简洁可以高分辨地加工任意复杂结构。使用的样品为化学剥离法制备的多层还原氧化石墨烯薄膜，在与金属电极一起加工时，可以通过控制加工参数实现石墨烯薄膜的全部或部分刻蚀。
3.研究飞秒激光加工化学气相沉积(CVD)法制备得的单层、少层石墨烯薄膜。发现基底对于加工过程具有重要影响，在金属基底上刻蚀比在硅或二氧化硅基底上刻蚀的界面更光滑整齐，同时由于石墨烯对光的吸收率很低，在加工过程中容易损伤基底，而通过刻蚀后再转移的方式，可实现基底无损伤，且加工残留物被很好地去除。
4.研究了偶氮聚合物(PDO3)定向光流技术加工石墨烯微结构。介绍了PDO3聚合物的合成方法、光学性质，利用处于吸收峰附近的488nm激光照射，实现对PDO3空间构型的控制，通过优化激光的偏振态、照射功率和曝光时间，进一步压缩采用常规手段制备的掩膜板的尺寸，进一步降低微结构线宽。使用的PDO3聚合物价格低廉易于合成，理论上整个加工过程一次成像完成，速度快、精度高，可运用于其他领域的微结构加工。
石墨烯;微结构;飞秒微加工;定向光流
南开大学
硕士
光学
刘智波
2012
中文
TN249;TB383
67
2013-06-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）