第一章 緒論
石墨烯介紹
碳，具有許多同素異形體，例如石墨(graphite)、鑽石(diamond)，
也有依碳原子排列成不同維度下產生的異形體，如圖(1-1)所示。
圖 1-1 碳家族成員，零維的富勒烯(C60)、一維的奈米碳管、二維的石 墨烯以及三維的石墨
2 年被英國曼徹斯特大學(University of Manchester)的A.K.Geim與 K.S.Novoselov 研究團隊發現，他們成功利用機械剝(mechanical exfoliation)的方式，從高定向熱裂解石墨(Highly Orientated Pyrolytic Graphite , HOPG)塊材上將單層石墨剝離並轉移到氧化矽基板上[1]。這
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定的存在，打破了既有的物理觀念，所以在2004年發現時立即產生了 一股研究熱潮，A.K.Geim 和K.S.Novoselov 也因此在2010年獲得了 諾貝爾物理獎。
現今石墨烯的製作方式除了機械式剝除法之外，還有化學氧化還 原石墨烯法(reduced graphene oxide,rGO)[3,4]、超高真空退火單晶碳化 矽(SiC)[5,6]以及在過渡金屬基板上使用化學氣相沉積法(thermal
chemical vapor deposition, thermal-CVD)製備等等，製備工具漸漸完善，
石墨烯的取得也越加方便，但是要取得品質佳、快速簡便又可以大面 積製造的方法為現今所追求的目標。其中，剝除法是最好可以得到完 整、電性最佳的時墨烯，但是所取得的石墨烯面積卻很小，而且需要 運氣才能在很多個樣品中找到適合的石墨層區塊；碳化矽磊晶法通常 以6H-或4H-SiC在<10-9 Torr超高真空下加熱到1300-1900⁰C，待表面矽 原子蒸發後而留下磊晶石墨烯(epitaxial graphene)，這樣的製程可以得
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就有相關報導被發表出來[7]，雖然不是第一個成功的製備出石墨烯但 是開啟了研究CVD-石墨烯的熱潮。漸漸的在往後的日子，研究者朝 著調控石墨烯成長的環境參數去研究，像是需要什麼適合氣源還有流 速壓力、以及成長溫度和時間、什麼樣的過渡金屬基板成長石墨烯會 有最好的品質等等。2007年就有研究人員使用80 Torr 的氫氣和甲烷 混合氣體(92:8)在950⁰C下成功成長石墨烯於鎳基板上[8]，如圖(1-2)所 示。
圖(1-2) (a)在矽基板上形成球狀非結晶碳之 SEM 影像(b,c)在鎳上形成 連續的數層石墨烯之 SEM 影像(c)樣品傾斜 75˚的 SEM 影像[8]
2008年有關化學沉積法成長機制被報導出來[9]，研究人員發現成長過 程中，降溫速率會影響成長石墨烯的品質，確認石墨烯在鎳金屬表面 成長時不是直接沉積，而是碳原子會先溶入鎳金屬裡面，等到冷卻時 才會被析出於表面上，如圖(1-3)所示。
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圖(1-3) 以鎳為催化金屬，其成長石墨烯機制為析出成長，成長層數、
品質與降溫速率有關[9]
在解決了成長過程中會面臨的問題後，進而就是如何成長大面積石墨 烯，2009年，許多研究提出了成長大面積石墨烯的方式[10,11,12]，並且 研發了轉印的方法可以轉印長在鎳金屬面上的石墨烯至任何基板上，
CVD石墨烯在此時可以說是蓬勃發展。同年，美國德州大學奧斯丁分 校的Rodney S. Ruoff 研究團隊，發表了以銅箔做為催化金屬，成長 出大片面積且高達95%的單層石墨[13]，如圖(1-4)所示，並且討論銅箔 的成長機制，發現它和鎳不同[14]。以銅為催化金屬成長時，碳原子會 在銅的表面沉積，不同於在鎳基板時會從內部析出於表面，因此所得 到的石墨烯會比鎳金屬成長時來的完整與層數較為整齊。之後在2010 年，韓國三星公司基於這樣的方法研發，以roll-to-roll的方式成功轉 印了30吋的石墨烯層[15]，並且研製了第一個石墨烯透明觸控面板。
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圖(1-4) 以銅箔成長單層石墨同區塊之(A)SEM 影像，皺褶有二或三 層(B)OM 影像(C)對應拉曼譜線(D-F)二維掃瞄分析結果[13]
石墨烯發展至今，以成為四處可見的物質，而且它的應用備受關 注，如何控制層數，像是電晶體的應用以1-2層是必須的，透明電極 的電性和穿透度要佳，以3-5層最理想，所以在控制石墨烯的層數下 又要兼顧其電性是我們現今研究的課題之一。此外，關於石墨烯轉印 的方法也是大家所關注的，如何開發一個方法是最理想將最完美不受 汙染的石墨烯轉印至任何的基板，亦是現在所面臨的難題之一。因此 本實驗室的研究目標即為找到以上解決的方法使石墨烯表現更佳 化。
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