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研究生： 曹雲
Tsao, Yun
論文名稱： 石墨烯在氧化矽基板之鋁/鉑塗層上其拉曼振動譜及同步輻射光致光電子能譜學研究
The Doping Level of Graphene on Metal-coated SiOx Substrate: Its Raman Spectroscopy and Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy Study
指導教授： 吳忠霖
Wu, Chung-Lin
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 66
中文關鍵詞： 石墨烯 、柯恩異常 、摻雜濃度 、微拉曼 、同步輻射光電子能譜 、電子聲子耦合
外文關鍵詞： Graphene, Kohn Anomalies, doping level, μ-Raman spectrum, SR-PES, EPC
相關次數： 點閱：101  下載：4 
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    • 本論文主要研究不同層數的石墨烯在鉑和鋁金屬塗層上產生的載子摻雜濃度。透過光學計算得到具良好對比度的參數，利用微拉曼量測得到不同厚度石墨烯的G峰頻移和半高寬資訊，G峰的變化關聯到柯恩異常（Kohn Anomalies），經過非絕熱的波恩奧本海默近似（Nonadiabatic Born-Oppenheimer Approximation）分析後可以求得巨觀（~70 μm^2）下的摻雜濃度。另外，借重同步輻射光電子能譜以及掃描式光電子能譜顯微術能夠準確定位石墨烯碎片並取得微觀（~0.03 μm^2）下的碳殼層光電子能譜，分析碳1s殼層的能量偏移可獲知狄拉克點鄰近費米面的漲落和微觀摻雜濃度，造成費米面移動的原因來自於石墨烯與金屬功函數差異導致的電荷轉移。經實驗得到的電子聲子耦合EPC(Γ)與密度泛函理論（Density Functional Theory）預測的值相當吻合，與金屬塗層接觸也較電場致摻雜效應（Electric Field Effect）方便並能提供大量載子。

    To develop novel graphene-based device, the carrier concentration of graphene has been studied widely recently. Through those researches, the doping level of graphene can be modulated by atom replacement, which may cause the 2-D structure damage or Electric Field Effect (EFE), which need to apply lots of extra electric filed. So far researches cannot find a simple way to tune the doping level of graphene. Owing to the differ¬ent work functions could induce charge transfer, we demonstrate Aluminum as well as Platinum-coated systems to support exfoliated graphene, and show that its doping level is captured in its Raman spectrum G peak stiffen. The G peak stiff¬en is explained as the vanishment of Kohn Anomalies (KAs) in reciprocal lattice points K and K'. Further, by Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy (SR-PES), we detect the C1s binding energy of different layers graphene on these two systems; afterwards, we get the experimental Electron Phonon Coupling (EPC) ~5.25 by combining the information from SR-PES and Raman spectrum. The agreement with the Density Functional Theory (DFT) value ~6.78 is excellent.

    目錄 第一章　研究緣起與文獻回顧 1 1.1　序言 1 1.2　石墨烯材料簡介 2 1.2.1　能帶結構（Band Structure） 2 1.2.2　製備方式 4 1.3　石墨烯摻雜等級（Doping Level）及其元件化可能 6 1.3.1　電場致摻雜效應（Electric Field Effect） 6 1.3.2　製備方式 9 1.4　小結 10 第二章　儀器原理與理論機制 11 2.1　拉曼振動譜（Raman Spectroscopy） 11 2.2　光電子能譜學（Photoemission Spectroscopy；PES） 15 2.2.1　光電子能譜學簡介與原理 15 2.2.2　同步輻射光源（Synchrotron Radiation；SR）與掃描式光電子能譜顯微術（Scanning Photoelectron Microscopy；SPEM） 18 第三章　實驗方法與設備 25 3.1　樣品製備 25 3.1.1　光學模擬與鍍膜 25 3.1.2　剝離（Exfoliation） 29 3.2　實驗流程 30 3.2.1　拉曼之定位與量測 30 3.2.2　SR-PES之定位與量測 34 第四章　數據分析與討論 36 4.1　拉曼振動譜分析 36 4.1.1　拉曼振動譜對石墨烯之層數解析 36 4.1.2　柯恩異常（Kohn Anomalies）與摻雜等級 42 4.2　同步輻射光致光電子能譜分析 48 4.2.1　掃描式光電子能譜顯微術 48 4.2.2　碳1s殼層（Core Level）之束縛能變化 50 4.2.3　EPC(Γ)及MLG/Al修正 54 4.2.4　隨時變光電子能譜 56 第五章　總結 57 附錄 58 附錄A　碳（Carbon）光電子能譜圖 58 附錄B　金屬鋁（Aluminum）光電子能譜圖 60 附錄C　金屬鉑（Platinum）光電子能譜圖 62 參考文獻 64 圖目錄 第一章　研究緣起與文獻回顧 1 圖1.1 石墨烯晶格及倒晶格 2 圖1.2 LDA計算之石墨烯能帶結構 3 圖1.3碳化矽臺階和矽脫附成長石墨烯 5 圖1.4 碳在金屬表面析出 5 圖1.5 背向電極下操作EFE 6 圖1.6 正向電極下操作EFE 8 圖1.7 理論計算下金屬誘發石墨烯摻雜濃度 9 第二章　儀器原理與理論機制 11 圖2.1 拉曼及瑞利散射過程 12 圖2.2 〖CCl〗_4之拉曼光譜 13 圖2.3 微拉曼架構 14 圖2.3 微拉曼架構 15 圖2.4 光電子能譜圖與能帶結構的對應圖 15 圖2.5 光電子輻射過程 16 圖2.6 Universal Curve 16 圖2.7 高速運轉的電子產生偏轉時在切線方向產生電磁波 18 圖2.8 同步輻射之連續光譜 18 圖2.9 新竹國家同步輻射中心增能環與儲存環配置圖 19 圖2.10 鈮金屬表面光電子能譜圖比較 23 圖2.11 不同能量下之SPEM分析 23 圖2.12 國家同步輻射中心09A1光束線之PES系統 24 第三章　實驗方法與設備 25 圖3.1 光學模擬之樣品模型 25 圖3.2 正反向透射及反射 26 圖3.3 鋁塗層上石墨烯的光學對比度 27 圖3.4 鉑塗層上石墨烯的光學對比度 27 圖3.5 薄膜參數測量 28 圖3.6石墨烯拉曼散射過程及聲子色散關係 30 圖3.7 BLG的2D DR過程 32 圖3.8 波長514 nm不同層數石墨烯的2D峰 33 圖3.9 鉑塗層上時間相依之殼層光電子能譜 34 圖3.10 光電子能譜實驗前後造成的鉑移除 35 第四章　數據分析與討論 36 圖4.1 50x物鏡下鉑塗層表面及SLG/Pt拉曼 36 圖4.2 BLG/Pt拉曼 37 圖4.3 4LG/Pt拉曼 37 圖4.4 MLG/Pt拉曼 38 圖4.5 50x物鏡下鋁塗層表面及BLG/Al拉曼 39 圖4.6 4LG/Al拉曼 39 圖4.7 TLG/Al拉曼 40 圖4.8 MLG/Al 拉曼 41 圖4.9 聲子能量重整費曼圖 42 圖4.10 鋁塗層上拉曼G峰位置 43 圖4.11聲子色散關係及石墨烯上柯恩異常點 43 圖4.12 理論摻雜造成頻移 45 圖4.13 正向電極EFE造成的拉曼變化 46 圖4.14 鋁塗層上OM圖及Al 2p軌域SPEM掃描 48 圖4.15 鉑塗層上OM圖及Pt 4f 軌域SPEM掃描 49 圖4.16 鋁上C 1s光電子能譜 51 圖4.17 鉑上C 1s光電子能譜 52 圖4.18 Core Level Shift模型 53 圖4.19 金屬塗層造成摻雜濃度 55 圖4.20 鋁塗層上時間相依之殼層光電子能譜 56 第五章　總結 57 附錄 58 碳（Carbon）光電子能譜圖-光源Al Kα 58 碳（Carbon）光電子能譜圖-光源Mg Kα 59 鋁（Aluminum）光電子能譜圖-光源Al Kα 60 鋁（Aluminum）光電子能譜圖-光源Mg Kα 61 鉑（Platinum）光電子能譜圖-光源Al Kα 62 鉑（Platinum）光電子能譜圖-光源Mg Kα 63 參考文獻 64 表目錄 第一章　研究緣起與文獻回顧 1 第二章　儀器原理與理論機制 11 第三章　實驗方法與設備 25 第四章　數據分析與討論 36 表4.1 鉑塗層上拉曼G峰位置 42 表4.2 鋁塗層上拉曼G峰位置 43 表4.3 由Raman計算所得摻雜濃度 45 表4.4 拉曼G峰之半高寬 46 表4.5 鋁SR-PES參數 51 表4.6 鉑SR-PES參數 52 表4.7 由Core level shift計算摻雜濃度 53 表4.8 實驗所得EPC(Γ) 54 第五章　總結 57 附錄 58 參考文獻 64

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    下載圖示 校內：2017-08-14公開
    校外：2017-08-14公開
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