石墨烯(graphene)為碳原子組成的二維(two-dimension)材料，碳原子之間彼此以sp2鍵結形成六角蜂窩狀平面結構。由於石墨烯擁有許多優異的特性，近年來不論是光電元件、儲能材料、觸控面板、太陽能電池等領域，皆已被廣泛的研究與應用。近期研究報導成功地利用化學氣相沉積法製備大面積單層石墨烯，以金屬基板銅箔作為催化劑，甲烷為碳源，藉由高溫(1000℃)將碳氫化合物裂解，碳原子沉積於金屬基板表面形成石墨烯，但目前不論是文獻成果或商用產品皆有細微粒子汙染石墨烯表面的問題，這類低品質石墨烯造成許多相關研究上的問題。
由於石墨烯品質經常會受到金屬基板的影響而改變，本研究針對金屬基板進行一系列的探討，希望藉由高溫預處理、電解拋光的方式，了解金屬基板對石墨烯品質的影響。研究過程中，我們發現氫氣扮演還原銅箔的角色，高溫預處理能改變銅箔表面的均勻度，電解拋光的功能為移除銅箔表面上的雜質。透過不斷改變合成石墨烯的方法，我們成功地減少石墨烯表面的雜質，片電阻下降3.5倍，穿透度從96 %變成98 %，製備出高品質石墨烯。

Graphene, a two-dimensional carbon material, has a honeycomb-like planar structure comprised of sp2-boned carbons. Due to the extraordinary properties, graphene has been widely studied and applied in many different fields, such as, photoelectronic devices, touch panels, energy storage materials and solar cells. The chemical vapor deposition has been demonstrated to prepare large area single-layer graphene in the recent studies. The single layer graphene are produced with copper foils as catalysts and the methane as carbon sources. The high temperature (1000℃) is necessary to decompose methane to perform deposition on the surface of copper foil to yield graphene. However, the fine particle contamination on graphene surfaces are observed both in the literature and commercial products. This contamination issue of CVD graphene is problematic for relevant applications of graphene.
The quality of graphene is affected by metal substrates, so the pretreatment of metal substrates, including high temperature annealing, and electropolish was studied to reveal the correlation between graphene quality and metal substrates. In this research, we studied three pretreatment factors of hydrogen-assisted copper reduction, copper roughness under high temperature annealing, and impurity removals of copper foils via electropolish. The impurities of copper were eliminated to generate high quality graphene successfully. The sheet resistance of our high quality graphene are decreased by 3.5 times than that of the blank ones, and the improved transmittance from 96% to 98%.

論文審定書i
誌謝ii
中文摘要.iv
英文摘要v
第一章、緒論1
1.1 研究動機2
1.2 研究背景3
1.2.1 石墨烯性質介紹3
1.2.2 石墨烯製成方法6
1.2.2.1 機械剝離法6
1.2.2.2 碳化矽裂解法7
1.2.2.3 化學還原法8
1.2.2.4 化學氣相沉積法9
1.3 石墨烯拉曼光譜特徵峰13
1.4 電解拋光原理15
第二章、實驗樣品合成與鑑定方法16
2.1 實驗藥品16
2.2 單層石墨烯17
2.2.1 一步合成單層石墨烯17
2.2.2 兩步合成單層石墨烯18
2.2.2.1 銅箔高溫預處理18
2.2.2.2 單層石墨烯合成18
2.2.3 單層石墨烯轉移19
2.2.4 三步合成單層石墨烯21
2.2.4.1 電解拋光21
2.2.4.2 銅箔高溫預處理22
2.2.4.3 單層石墨烯合成22
2.3 實驗鑑定方法23
2.3.1 單層石墨烯拉曼光譜鑑定.23
2.3.2 掃描式電子顯微鏡24
2.3.3 紫外-可見光光譜25
2.3.4 X射線光電子能譜26
2.3.5 原子力顯微鏡27
第三章、研究結果28
3.1 一步合成單層石墨烯與轉移28
3.2 兩步合成單層石墨烯34
3.3 三步合成單層石墨烯40
第四章、實驗內容綜合討論56
4.1 銅箔高溫預處理對於單層石墨烯之影響56
4.2 電解拋光對於單層石墨烯之影響57
第五章、結論58
參考文獻59
附錄62
圖次
圖1-1以石墨烯為基礎所組成不同維度之材料4
圖1-2 石墨烯能帶結構示意圖5
圖1-3 機械剝離法7
圖1-4 石墨烯生長在碳化矽基板之STM圖8
圖1-5 化學還原法示意圖9
圖1-6 化學氣相沉積法裝置圖10
圖1-7 化學氣相沉積法之石墨烯成長機制圖11
圖1-8 化學氣相沉積法12
圖1-9 石墨與石墨烯之拉曼光譜14
圖1-10 不同層數石墨烯之拉曼光譜14
圖1-11 電解拋光裝置圖15
圖2-1 一步合成石墨烯裝置圖17
圖2-2 兩步合成石墨烯之銅箔批號圖18
圖2-3 單層石墨烯轉移流程圖20
圖2-4 電解拋光裝置圖21
圖2-5 拉曼光譜儀23
圖2-6 掃描式電子顯微鏡24
圖2-7 紫外-可見光光譜儀25
圖2-8 X射線光電子能譜儀26
圖2-9 原子力顯微鏡27
圖3-1 一步合成單層石墨烯轉移至二氧化矽基板之光學顯微鏡圖29
圖3-2 藍點之拉曼光譜30
圖3-3 紅點之拉曼光譜30
圖3-4 不同條件下轉移石墨烯至二氧化矽基板之光學顯微鏡圖32
圖3-5 單層石墨烯轉移至二氧化矽基板之光學顯微鏡圖與拉曼光譜33
圖3-6 一步合成單層石墨烯以不同批號銅箔為基材相片圖35
圖3-7 批號I銅箔表面35
圖3-8 銅箔亮面與霧面之拉曼光譜36
圖3-9 批號I銅箔在表3-2條件下所得之產物38
圖3-10 兩步合成單層石墨烯之拉曼光譜39
圖3-11 銅箔相片圖43
圖3-12 掃描式電子顯微鏡圖44
圖3-13 批號B銅箔之能量色散X射線光譜圖(EDX)45
圖3-14 批號B銅箔電解拋光後之能量色散X射線光譜圖(EDX)45
圖3-15 批號I銅箔之能量色散X射線光譜圖(EDX)46
圖3-16 批號I銅箔電解拋光後之能量色散X射線光譜圖(EDX)46
圖3-17 掃描式電子顯微鏡圖48
圖3-18 原子力顯微鏡圖49
圖3-19 原子力顯微鏡圖49
圖3-20 原子力顯微鏡圖50
圖3-21 原子力顯微鏡圖51
圖3-22 原子力顯微鏡圖51
圖3-23 原子力顯微鏡圖52
圖3-24 原子力顯微鏡圖52
圖3-25 掃描式電子顯微鏡圖53
圖3-26 不同步驟合成單層石墨烯之穿透度光譜圖54
圖3-27 掃描式電子顯微鏡圖55
表次
表3-1 改變不同條件將單層石墨烯轉移至二氧化矽基板31
表3-2 測試銅箔表面均勻度之氣體參數條件37
表3-3 不同批號銅箔之X光光電子能譜47
表3-4 不同步驟合成單層石墨烯之片電阻54

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