Ga離子輻照與襯底表面粗糙度：解鎖石墨烯性能優(yōu)化密碼一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)領(lǐng)域，石墨烯憑借其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，自被發(fā)現(xiàn)以來便成為研究焦點(diǎn)。石墨烯由單層碳原子以六邊形蜂窩狀緊密排列而成，這種特殊結(jié)構(gòu)賦予其諸多卓越特性。在電學(xué)方面，它具有高達(dá)200,000cm2/（V?s）的載流子遷移率，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，例如硅材料的載流子遷移率僅約為1,000cm2/（V?s），這使得石墨烯在高速電子器件應(yīng)用中極具潛力；熱學(xué)性能上，其熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/mK，能高效傳導(dǎo)熱量，相比之下，銅的熱導(dǎo)率約為400W/mK，因此在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景；力學(xué)性能上，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa，是已知強(qiáng)度最高的材料之一，可用于制造高強(qiáng)度復(fù)合材料?；谶@些優(yōu)異性能，石墨烯在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，如在電子器件領(lǐng)域，可用于制造高性能晶體管、集成電路，有望提升電子設(shè)備運(yùn)行速度與性能；能源領(lǐng)域，作為電池電極材料或超級電容器組件，能提高電池充電速度、存儲容量以及超級電容器的能量密度和功率密度；復(fù)合材料領(lǐng)域，添加石墨烯可增強(qiáng)材料強(qiáng)度與韌性，用于制造航空航天部件、汽車結(jié)構(gòu)件等。然而，實(shí)際應(yīng)用中石墨烯性能會受到多種因素影響。其中，Ga離子輻照和襯底表面粗糙度是兩個關(guān)鍵因素，對其性能有著復(fù)雜且重要的影響，但目前相關(guān)研究仍有待深入。在Ga離子輻照方面，離子輻照會與石墨烯原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生復(fù)雜效應(yīng)。從能量角度看，高能量的Ga離子轟擊石墨烯時，會使碳原子獲得足夠能量而離開原本晶格位置，從而在晶格中形成空位缺陷。例如，當(dāng)Ga離子能量達(dá)到一定閾值，其與碳原子碰撞傳遞的能量超過碳原子與周圍原子的結(jié)合能時，碳原子就會被撞離晶格。這些空位缺陷會改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其電學(xué)性能。理論研究表明，空位缺陷會導(dǎo)致石墨烯費(fèi)米能級附近電子態(tài)密度發(fā)生變化，使得載流子遷移率降低，電導(dǎo)率下降。從結(jié)構(gòu)角度，Ga離子輻照可能導(dǎo)致石墨烯晶格局部發(fā)生重構(gòu)，形成如Stone-Wales缺陷等，即原本六邊形晶格中的兩個相鄰碳原子通過旋轉(zhuǎn)90°，形成一個五邊形和一個七邊形的缺陷結(jié)構(gòu)。這種缺陷結(jié)構(gòu)不僅改變了石墨烯的平面結(jié)構(gòu)，還會對其力學(xué)性能產(chǎn)生影響，使得局部區(qū)域的力學(xué)強(qiáng)度下降。同時，缺陷的存在也可能影響石墨烯的化學(xué)活性，使其更容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響其在化學(xué)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用性能。目前，雖然已有一些關(guān)于Ga離子輻照對石墨烯性能影響的研究，但不同研究中由于輻照參數(shù)（如離子能量、劑量、輻照角度等）的差異，導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定差異，尚未形成統(tǒng)一、系統(tǒng)的認(rèn)識，許多作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步明確。襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響同樣不可忽視。當(dāng)石墨烯生長在具有一定粗糙度的襯底上時，襯底表面的微觀起伏會使石墨烯與襯底的接觸狀態(tài)變得復(fù)雜。從界面結(jié)合角度，粗糙襯底表面會導(dǎo)致石墨烯與襯底之間的接觸面積不均勻，部分區(qū)域接觸緊密，而部分區(qū)域存在間隙。這種不均勻的接觸會影響界面間的應(yīng)力傳遞和電荷轉(zhuǎn)移。例如，在緊密接觸區(qū)域，應(yīng)力更容易從襯底傳遞到石墨烯，可能導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，影響其力學(xué)性能；而在間隙區(qū)域，電荷轉(zhuǎn)移可能受到阻礙，影響石墨烯的電學(xué)性能。從生長過程看，襯底表面粗糙度會影響石墨烯的成核與生長方式。在粗糙表面上，石墨烯的成核位點(diǎn)分布不均勻，可能導(dǎo)致石墨烯生長過程中出現(xiàn)疇區(qū)生長不一致、晶界增多等問題。這些晶界會成為載流子散射中心，降低石墨烯的載流子遷移率，影響其電學(xué)性能；同時，晶界處的原子排列不規(guī)則，也會降低石墨烯的力學(xué)強(qiáng)度。然而，目前對于襯底表面粗糙度在原子尺度上對石墨烯性能影響機(jī)制的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。深入研究Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價值。理論上，有助于深入理解離子與材料相互作用的微觀機(jī)制以及襯底與石墨烯界面的物理化學(xué)過程，豐富和完善二維材料的基礎(chǔ)理論體系，為后續(xù)研究提供堅實(shí)的理論支撐。實(shí)際應(yīng)用中，對于優(yōu)化石墨烯制備工藝、提高石墨烯基器件性能具有重要指導(dǎo)意義。例如，在制備用于高速電子器件的石墨烯時，通過控制Ga離子輻照參數(shù)和選擇合適表面粗糙度的襯底，可有效減少缺陷，提高石墨烯電學(xué)性能，從而提升電子器件的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性；在能源存儲領(lǐng)域，合理調(diào)控這兩個因素，能夠優(yōu)化石墨烯電極材料性能，提高電池和超級電容器的性能，推動能源存儲技術(shù)發(fā)展。因此，開展本研究具有重要的創(chuàng)新性和應(yīng)用價值，有望為石墨烯在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用開辟新的道路。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在Ga離子輻照對石墨烯性能影響的研究上，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量工作。國外方面，美國某科研團(tuán)隊利用不同能量的Ga離子對石墨烯進(jìn)行輻照，借助高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和拉曼光譜等手段，細(xì)致觀察并分析了輻照后石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)變化及缺陷形成情況。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Ga離子能量升高，石墨烯中產(chǎn)生的空位缺陷和Stone-Wales缺陷數(shù)量顯著增加，且這些缺陷的分布呈現(xiàn)一定規(guī)律，在離子入射區(qū)域附近更為密集。同時，通過電學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，載流子遷移率隨缺陷數(shù)量增加而急劇下降，當(dāng)缺陷密度達(dá)到一定程度時，石墨烯的電學(xué)性能甚至出現(xiàn)了半導(dǎo)體化的趨勢。韓國的研究人員則重點(diǎn)關(guān)注了Ga離子輻照劑量對石墨烯力學(xué)性能的影響，采用納米壓痕技術(shù)和分子動力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，他們發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量增大，石墨烯的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度逐漸降低，且在高劑量輻照下，石墨烯更容易發(fā)生脆性斷裂，這是由于輻照產(chǎn)生的缺陷破壞了碳原子之間的共價鍵網(wǎng)絡(luò)，削弱了其力學(xué)承載能力。國內(nèi)研究也取得了不少成果。清華大學(xué)的科研小組利用聚焦離子束技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對Ga離子輻照位置和劑量的精確控制，研究了局部輻照對石墨烯電學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在局部高劑量輻照區(qū)域，石墨烯的電阻明顯增大，且出現(xiàn)了明顯的局域化電子態(tài)，這為石墨烯在納米電子器件中的應(yīng)用，如制備電阻可變存儲器等提供了新思路。中國科學(xué)院的研究團(tuán)隊則從理論計算角度出發(fā)，通過第一性原理計算系統(tǒng)研究了Ga離子輻照下石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)變化。計算結(jié)果表明，輻照產(chǎn)生的缺陷會在石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中引入新的雜質(zhì)能級，從而改變其光學(xué)吸收特性，這一理論結(jié)果與后續(xù)的光吸收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，為石墨烯在光電器件中的應(yīng)用提供了理論支持。在襯底表面粗糙度對石墨烯性能影響的研究領(lǐng)域，國外研究同樣成果頗豐。麻省理工學(xué)院的研究人員通過化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在具有不同表面粗糙度的SiO?襯底上生長石墨烯，利用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對石墨烯的生長質(zhì)量和界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征。研究發(fā)現(xiàn)，襯底表面粗糙度會顯著影響石墨烯的成核密度和疇區(qū)生長方向。在粗糙度較大的襯底上，石墨烯的成核密度更高，但疇區(qū)生長更為無序，晶界數(shù)量增多，導(dǎo)致石墨烯的電學(xué)性能和力學(xué)性能下降。英國的科研團(tuán)隊則著重研究了襯底表面粗糙度對石墨烯與襯底界面熱阻的影響，通過非平衡分子動力學(xué)模擬和時域熱反射技術(shù)測試，發(fā)現(xiàn)隨著襯底表面粗糙度增加，石墨烯與襯底之間的界面熱阻增大，熱傳導(dǎo)效率降低，這對于石墨烯在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。國內(nèi)方面，北京大學(xué)的研究小組采用原位生長和轉(zhuǎn)移相結(jié)合的方法，在不同粗糙度的藍(lán)寶石襯底上制備石墨烯，并對其電學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，在表面粗糙度較小的襯底上生長的石墨烯，其載流子遷移率更高，這是因?yàn)楣饣r底表面有利于石墨烯的均勻生長，減少了晶界和缺陷對載流子的散射。復(fù)旦大學(xué)的研究團(tuán)隊則從力學(xué)角度出發(fā)，研究了襯底表面粗糙度對石墨烯力學(xué)性能的影響機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)，粗糙襯底表面會使石墨烯在受力時產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低其拉伸強(qiáng)度和疲勞壽命，為石墨烯在力學(xué)應(yīng)用中的可靠性評估提供了重要依據(jù)。盡管國內(nèi)外在Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯性能影響方面已取得上述諸多成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究對于Ga離子輻照與石墨烯相互作用的微觀動力學(xué)過程理解不夠深入，例如離子與碳原子碰撞瞬間的能量轉(zhuǎn)移和動量變化細(xì)節(jié)，以及缺陷形成和演化的動態(tài)過程等，缺乏高時間分辨率和空間分辨率的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論模型進(jìn)行深入研究。在襯底表面粗糙度影響研究中，對于不同類型襯底（如金屬襯底、陶瓷襯底等）表面粗糙度對石墨烯性能影響的普適性規(guī)律總結(jié)不足，且在多因素協(xié)同作用下（如襯底表面粗糙度與溫度、電場等因素共同作用），對石墨烯性能的綜合影響研究較少。此外，目前研究主要集中在對石墨烯單一性能（如電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等）的影響，對于多性能之間的耦合效應(yīng)以及如何通過調(diào)控這兩個因素實(shí)現(xiàn)石墨烯綜合性能優(yōu)化的研究還相對薄弱，有待進(jìn)一步深入探索。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于深入剖析Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響，具體研究內(nèi)容涵蓋以下多個關(guān)鍵方面。在電學(xué)性能影響研究中，通過控制變量法，利用不同能量和劑量的Ga離子對生長在不同表面粗糙度襯底上的石墨烯進(jìn)行輻照。運(yùn)用四探針法和霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)，精確測量輻照前后石墨烯的電導(dǎo)率、載流子遷移率和載流子濃度等電學(xué)參數(shù)。深入分析Ga離子輻照劑量與能量變化時，這些電學(xué)參數(shù)的具體變化規(guī)律，以及襯底表面粗糙度在其中所起的協(xié)同作用。例如，研究在高劑量輻照下，不同粗糙度襯底上石墨烯的載流子遷移率下降幅度差異，以及這種差異對石墨烯在電子器件應(yīng)用中的性能影響。針對力學(xué)性能，采用納米壓痕技術(shù)和拉伸測試設(shè)備，研究Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯楊氏模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性等力學(xué)性能的影響。利用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM），觀察輻照前后石墨烯表面微觀結(jié)構(gòu)變化，以及在受力過程中的裂紋萌生與擴(kuò)展情況。建立力學(xué)模型，從原子尺度層面分析缺陷形成與擴(kuò)展對石墨烯力學(xué)性能的影響機(jī)制，明確襯底表面粗糙度如何通過影響石墨烯與襯底的界面結(jié)合，進(jìn)而改變石墨烯力學(xué)性能。在光學(xué)性能方面，運(yùn)用紫外-可見-近紅外光譜儀和拉曼光譜儀，研究Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯光學(xué)吸收、發(fā)射和拉曼散射特性的影響。分析輻照產(chǎn)生的缺陷以及襯底表面微觀結(jié)構(gòu)對石墨烯電子態(tài)的調(diào)制作用，進(jìn)而探究其對光學(xué)性能的影響規(guī)律。例如，研究不同輻照劑量下，石墨烯在特定波長范圍內(nèi)的光吸收變化，以及襯底粗糙度如何影響石墨烯的拉曼峰位和峰強(qiáng)。本研究綜合采用多種研究方法，以確保研究的全面性與深入性。在實(shí)驗(yàn)研究方面，利用聚焦離子束（FIB）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對Ga離子輻照參數(shù)的精確控制，包括離子能量、劑量和輻照區(qū)域等。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，在具有不同表面粗糙度的襯底上生長高質(zhì)量石墨烯，襯底類型涵蓋SiO?、藍(lán)寶石、金屬等，以研究不同襯底表面粗糙度影響的普適性規(guī)律。運(yùn)用多種先進(jìn)表征手段，如上述提及的AFM、SEM、HRTEM、拉曼光譜儀、紫外-可見-近紅外光譜儀等，對石墨烯微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行全面、細(xì)致的表征。理論分析層面，基于量子力學(xué)和固體物理理論，運(yùn)用第一性原理計算方法，研究Ga離子輻照產(chǎn)生的缺陷對石墨烯電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的影響。通過構(gòu)建襯底與石墨烯的界面模型，從理論上分析襯底表面粗糙度對界面相互作用、電荷轉(zhuǎn)移和應(yīng)力分布的影響，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論解釋和預(yù)測。數(shù)值模擬方面，采用分子動力學(xué)（MD）模擬方法，模擬Ga離子與石墨烯原子的相互作用過程，直觀展示離子輻照下石墨烯缺陷的形成與演化動態(tài)過程。通過MD模擬研究不同表面粗糙度襯底上石墨烯的生長過程，分析晶界形成、疇區(qū)生長等微觀機(jī)制對石墨烯性能的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析相互驗(yàn)證，深入揭示Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯性能影響的微觀機(jī)制。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1石墨烯的結(jié)構(gòu)與特性石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由單層碳原子緊密排列而成，每個碳原子與周圍三個碳原子通過共價鍵相連，形成穩(wěn)定的六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予石墨烯諸多優(yōu)異性能，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。從原子結(jié)構(gòu)層面深入探究，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，相鄰碳原子間的鍵長精準(zhǔn)測量為1.42×10?1?米，鍵與鍵之間夾角嚴(yán)格為120°。除了形成σ鍵構(gòu)建起六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)，每個碳原子垂直于層平面的pz軌道會相互作用，形成貫穿全層的多原子大п鍵，這與苯環(huán)的大п鍵類似，此結(jié)構(gòu)特征正是石墨烯具備優(yōu)良導(dǎo)電和光學(xué)性能的關(guān)鍵內(nèi)在因素。例如，在電學(xué)性能方面，大п鍵中的電子能夠在整個平面內(nèi)自由移動，如同在高速公路上自由馳騁的車輛，使得石墨烯的電子遷移率極高。在室溫下，其載流子遷移率約為15000cm2/（V?s），這一數(shù)值超過硅材料10倍之多，是已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下，如低溫環(huán)境中，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達(dá)250000cm2/（V?s），而且在50-500K的寬泛溫度區(qū)間內(nèi)，其電子遷移率都穩(wěn)定在15000cm2/（V?s）左右，幾乎不受溫度變化干擾，這一特性使得石墨烯在高速電子器件領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，有望大幅提升電子設(shè)備的運(yùn)行速度和性能。在力學(xué)性能方面，石墨烯堪稱材料界的“大力士”，是已知強(qiáng)度最高的材料之一。其理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa，這種高強(qiáng)度源于碳原子之間牢固的共價鍵連接。形象地說，若將石墨烯比作一張神奇的“網(wǎng)”，那么這些共價鍵就是堅韌的“網(wǎng)線”，緊密交織，賦予石墨烯卓越的力學(xué)承載能力。即便承受巨大外力，其碳原子面也能通過彎曲變形來巧妙分散應(yīng)力，而無需重新排列原子，從而維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這一特性使石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域大放異彩，添加少量石墨烯到其他材料中，就如同給材料注入了“強(qiáng)化劑”，能夠顯著增強(qiáng)材料的強(qiáng)度與韌性，可用于制造航空航天部件、汽車結(jié)構(gòu)件等對材料力學(xué)性能要求極高的產(chǎn)品。從光學(xué)性能來看，石墨烯具有非常良好的特性。在較寬波長范圍內(nèi)，其吸收率約為2.3%，這使得它看上去幾乎是透明的，就像一層無形的薄膜。在幾層石墨烯厚度范圍內(nèi)，厚度每增加一層，吸收率會精準(zhǔn)增加2.3%，這種規(guī)律性變化為其在光電器件中的應(yīng)用提供了獨(dú)特優(yōu)勢。例如，在制備透明導(dǎo)電薄膜時，利用石墨烯的高透明度和良好導(dǎo)電性，可有效提高薄膜的性能；在光電探測器中，其對光的吸收特性使其能夠高效地捕捉光子，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在從紫外到遠(yuǎn)紅外的寬光譜范圍內(nèi)都能穩(wěn)定工作，展現(xiàn)出卓越的光響應(yīng)能力。熱性能方面，石墨烯同樣表現(xiàn)出色，是熱傳導(dǎo)領(lǐng)域的“佼佼者”。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，遠(yuǎn)超單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK），是目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料。當(dāng)石墨烯作為載體時，導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600W/mK。其出色的熱傳導(dǎo)性能使其在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，能夠快速將熱量傳導(dǎo)出去，有效解決電子器件運(yùn)行過程中的熱量積聚問題，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。2.2Ga離子輻照原理及對材料的作用機(jī)制Ga離子輻照是一種利用高能Ga離子束轟擊材料表面，從而引發(fā)材料內(nèi)部一系列物理和化學(xué)變化的技術(shù)手段。在該過程中，離子與材料原子間的相互作用遵循經(jīng)典的散射理論和量子力學(xué)原理，這一復(fù)雜過程可細(xì)分為多個關(guān)鍵步驟，每一步都對材料的最終性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)高能Ga離子接近材料原子時，二者間會產(chǎn)生強(qiáng)烈的庫侖相互作用。這就好比兩個帶電荷的小球相互靠近，電荷之間的作用力使得它們的運(yùn)動軌跡發(fā)生改變。在這種相互作用下，離子的能量會逐漸傳遞給材料原子，具體的能量傳遞效率和方式取決于離子的初始能量、入射角度以及材料原子的質(zhì)量和電子云分布等多種因素。當(dāng)離子能量較高時，它與材料原子的碰撞屬于彈性碰撞，此時離子主要與材料原子的原子核發(fā)生相互作用，就像兩個臺球相互碰撞一樣，離子會將部分能量傳遞給原子核，使原子核獲得足夠能量而離開原本的晶格位置，在晶格中形成空位缺陷。這種空位缺陷的產(chǎn)生會破壞材料原有的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對材料的電學(xué)、力學(xué)等性能產(chǎn)生顯著影響。例如，在半導(dǎo)體材料中，空位缺陷可能會引入新的雜質(zhì)能級，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，影響載流子的傳輸，導(dǎo)致材料的電學(xué)性能發(fā)生變化。隨著離子能量的逐漸降低，離子與材料原子的電子云之間的相互作用逐漸增強(qiáng)。此時，離子主要通過與材料原子的外層電子發(fā)生非彈性碰撞來傳遞能量，使電子被激發(fā)到更高的能級或者脫離原子形成自由電子，這個過程被稱為電離。電離過程會在材料中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，這些電子-空穴對的存在會改變材料的電學(xué)性質(zhì)，例如增加材料的電導(dǎo)率。同時，電離產(chǎn)生的自由電子還可能與周圍的原子發(fā)生相互作用，進(jìn)一步引發(fā)原子的位移和缺陷的產(chǎn)生。在Ga離子輻照過程中，還會出現(xiàn)離子注入現(xiàn)象。當(dāng)離子的能量足夠高且能夠克服材料表面的勢壘時，離子就會進(jìn)入材料內(nèi)部，并在材料中占據(jù)一定的位置，形成離子注入層。離子注入層的存在會改變材料的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，從而對材料的性能產(chǎn)生影響。例如，在半導(dǎo)體器件制造中，通過精確控制離子注入的能量和劑量，可以實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體材料的摻雜，改變其電學(xué)性能，制造出各種功能的半導(dǎo)體器件。Ga離子輻照對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響是多方面的。除了產(chǎn)生上述的空位缺陷和引入離子注入層外，還可能導(dǎo)致材料晶格的畸變和位錯的產(chǎn)生。晶格畸變是指由于離子輻照產(chǎn)生的應(yīng)力作用，使得材料的晶格發(fā)生扭曲變形，就像一張平整的網(wǎng)被外力拉扯而變得扭曲一樣。晶格畸變會改變材料原子間的距離和鍵角，影響原子間的相互作用力，進(jìn)而對材料的性能產(chǎn)生影響。位錯則是晶體中一種線缺陷，它的產(chǎn)生會導(dǎo)致晶體的局部原子排列出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象。位錯的存在會增加材料的內(nèi)部應(yīng)力，降低材料的力學(xué)性能，同時也可能影響材料的電學(xué)性能，因?yàn)槲诲e周圍的原子環(huán)境與正常晶格不同，會對電子的傳輸產(chǎn)生散射作用。從電學(xué)性能角度來看，Ga離子輻照會使材料的電導(dǎo)率、載流子遷移率和載流子濃度等參數(shù)發(fā)生變化。如前文所述，空位缺陷和位錯等缺陷的產(chǎn)生會增加載流子的散射幾率，使得載流子遷移率降低，從而導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率下降。而離子注入引入的雜質(zhì)原子則可能作為施主或受主，改變材料的載流子濃度，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性能。在一些半導(dǎo)體材料中，適量的離子注入可以精確調(diào)控材料的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體器件電學(xué)性能的優(yōu)化；但如果離子注入劑量過大，產(chǎn)生過多的缺陷，反而會使材料的電學(xué)性能惡化。在化學(xué)組成方面，Ga離子輻照可能會引發(fā)材料表面的化學(xué)反應(yīng)。由于離子輻照會使材料表面的原子獲得較高的能量，處于激發(fā)態(tài)，這些原子的化學(xué)活性增強(qiáng)，更容易與周圍環(huán)境中的氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，在空氣中進(jìn)行Ga離子輻照時，材料表面的原子可能會與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化物，從而改變材料表面的化學(xué)組成和性質(zhì)。這種表面化學(xué)反應(yīng)不僅會影響材料的化學(xué)穩(wěn)定性，還可能對材料的其他性能產(chǎn)生間接影響，如改變材料的表面潤濕性，進(jìn)而影響材料與其他物質(zhì)的界面結(jié)合性能。2.3襯底表面粗糙度的表征與影響因素襯底表面粗糙度是描述襯底表面微觀幾何形狀不規(guī)則程度的重要參數(shù)，它對石墨烯的生長、性能以及與襯底的界面相互作用都有著至關(guān)重要的影響。在研究襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響時，首先需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，并深入分析影響其大小的各種因素。在表面粗糙度的表征方面，常用的參數(shù)包括輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）、輪廓最大高度（Ry）和均方根粗糙度（Rq）等。輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）是指在一個取樣長度內(nèi)，輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值。它能夠反映表面微觀幾何形狀的平均起伏程度，計算方式為對表面輪廓上各點(diǎn)到基準(zhǔn)線的距離絕對值進(jìn)行積分，再除以取樣長度。例如，對于一個較為平整的襯底表面，其Ra值相對較??；而表面起伏較大的襯底，Ra值則會較大。輪廓最大高度（Ry）是指在取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離，它體現(xiàn)了表面粗糙度的最大變化范圍，能夠直觀地反映出表面的最大凸起和凹陷程度。均方根粗糙度（Rq）是指在一個取樣長度內(nèi)，輪廓偏距的均方根值，它對表面微觀輪廓的變化更為敏感，尤其適用于描述表面粗糙度變化較為復(fù)雜的情況，計算時需要對表面輪廓各點(diǎn)到基準(zhǔn)線距離的平方進(jìn)行積分，再開方得到。測量襯底表面粗糙度的方法眾多，其中原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）是較為常用的兩種技術(shù)。AFM利用微懸臂上的針尖與樣品表面原子間的相互作用力來獲取表面形貌信息，其原理是當(dāng)針尖接近樣品表面時，原子間的范德華力、靜電力等會使微懸臂發(fā)生彎曲或振動，通過檢測微懸臂的變化來精確測量表面的微觀起伏。AFM具有極高的分辨率，能夠達(dá)到原子級別的分辨率，可清晰地觀察到襯底表面原子尺度的粗糙度，對于研究襯底表面的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分布具有重要意義。SEM則是通過電子束掃描樣品表面，激發(fā)樣品表面產(chǎn)生二次電子，這些二次電子被探測器收集并轉(zhuǎn)化為圖像信號，從而得到樣品表面的微觀形貌圖像。SEM能夠提供較大視場的表面圖像，適用于觀察襯底表面較大區(qū)域的粗糙度情況，并且可以通過調(diào)節(jié)電子束的加速電壓和工作距離等參數(shù)，對不同深度和分辨率的表面特征進(jìn)行觀察。影響襯底表面粗糙度的因素復(fù)雜多樣，材料本身特性是其中一個重要方面。不同材料具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式，這直接影響著表面的粗糙度。例如，單晶材料由于其原子排列具有高度的周期性和有序性，在理想情況下表面粗糙度較低；而多晶材料由于存在晶界，晶界處原子排列不規(guī)則，會導(dǎo)致表面粗糙度增加。材料的硬度也會對表面粗糙度產(chǎn)生影響，硬度較低的材料在加工過程中更容易受到切削力、摩擦力等作用而產(chǎn)生變形和損傷，從而使表面粗糙度增大。加工工藝對襯底表面粗糙度的影響同樣顯著。以機(jī)械加工為例，切削速度、進(jìn)給量和切削深度等參數(shù)都會對表面粗糙度產(chǎn)生影響。在切削加工中，較高的切削速度可以減少積屑瘤的產(chǎn)生，從而降低表面粗糙度；而進(jìn)給量過大則會使切削殘留面積增大，導(dǎo)致表面粗糙度增加。在化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝中，拋光液的成分、拋光壓力和拋光時間等因素都會影響襯底表面的去除速率和均勻性，進(jìn)而影響表面粗糙度。合適的拋光液成分和拋光工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對襯底表面的均勻拋光，降低表面粗糙度；若參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致表面出現(xiàn)劃痕、凹坑等缺陷，使表面粗糙度增大。此外，光刻、刻蝕等微納加工工藝也會在襯底表面引入微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，影響表面粗糙度。光刻過程中的曝光劑量、顯影時間等參數(shù)控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致光刻膠圖案的邊緣不整齊，在后續(xù)刻蝕過程中會進(jìn)一步影響襯底表面的平整度，增加表面粗糙度。三、Ga離子輻照對石墨烯性能的影響研究3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計與方法本實(shí)驗(yàn)選用的石墨烯樣品通過化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備。該方法以甲烷（CH?）為碳源，氫氣（H?）為載氣，在高溫條件下，甲烷分解產(chǎn)生的碳原子在銅箔襯底表面沉積并反應(yīng)，進(jìn)而生長出高質(zhì)量的石墨烯。具體步驟如下：首先對銅箔進(jìn)行嚴(yán)格預(yù)處理，將其依次放入丙酮、乙醇和去離子水中超聲清洗各15分鐘，以去除表面雜質(zhì)，保證表面潔凈。然后將清洗后的銅箔放入CVD設(shè)備反應(yīng)腔室中，抽真空至10?3Pa以下，通入H?并將反應(yīng)腔室加熱至1000℃，在此過程中H?起到還原和活化銅箔表面的作用。當(dāng)溫度達(dá)到1000℃后，保持30分鐘，使銅箔表面狀態(tài)穩(wěn)定。隨后，通入CH?和H?的混合氣體，其中CH?流量為10sccm，H?流量為500sccm，在該條件下反應(yīng)60分鐘，碳原子在銅箔表面沉積并逐漸生長形成石墨烯。反應(yīng)結(jié)束后，停止通入CH?，繼續(xù)通入H?，隨爐冷卻至室溫。最后，采用濕法轉(zhuǎn)移工藝將生長在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上。在轉(zhuǎn)移過程中，先將生長有石墨烯的銅箔浸泡在FeCl?溶液中，使銅箔被腐蝕掉，留下漂浮在溶液表面的石墨烯薄膜。然后用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜覆蓋在石墨烯薄膜上，通過撈取的方式將石墨烯-PMMA復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移到去離子水中清洗，去除殘留的FeCl?溶液。最后將復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上，通過加熱使PMMA固化，再用丙酮溶解去除PMMA，從而得到生長在目標(biāo)襯底上的石墨烯。Ga離子輻照實(shí)驗(yàn)在聚焦離子束（FIB）系統(tǒng)中進(jìn)行。該設(shè)備能夠精確控制離子束的能量、劑量和輻照區(qū)域。在輻照前，先將制備好的石墨烯樣品固定在樣品臺上，并放入FIB設(shè)備的真空腔室中。對真空腔室進(jìn)行抽真空操作，使其真空度達(dá)到10??Pa以上，以減少離子在傳輸過程中的散射和能量損失。輻照參數(shù)設(shè)置如下：離子能量分別設(shè)置為20keV、40keV和60keV，這是基于前期預(yù)實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)研究確定的能量范圍，在此范圍內(nèi)能夠有效產(chǎn)生不同程度的輻照損傷。離子劑量設(shè)定為1×1013ions/cm2、5×1013ions/cm2和1×101?ions/cm2，通過改變離子源的發(fā)射電流和輻照時間來精確控制離子劑量。輻照時間根據(jù)離子劑量和離子束流強(qiáng)度進(jìn)行計算確定，例如，當(dāng)離子劑量為1×1013ions/cm2，離子束流強(qiáng)度為1nA時，輻照時間約為16.7分鐘。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，每個輻照條件下均制備5個平行樣品進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。在輻照過程中，通過設(shè)備自帶的離子束監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測離子束的能量、劑量和輻照位置，確保輻照參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性。3.2輻照對石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的影響利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）對輻照后的石墨烯樣品進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，在低離子能量（20keV）和低劑量（1×1013ions/cm2）輻照條件下，石墨烯晶格結(jié)構(gòu)基本保持完整，僅在局部區(qū)域出現(xiàn)少量點(diǎn)缺陷，這些點(diǎn)缺陷表現(xiàn)為晶格中個別碳原子的缺失。隨著離子能量增加到40keV，且劑量提升至5×1013ions/cm2時，可觀察到石墨烯晶格中出現(xiàn)了更多的空位缺陷，并且開始出現(xiàn)一些小尺寸的Stone-Wales缺陷，這些Stone-Wales缺陷使得局部晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，原本規(guī)則的六邊形晶格出現(xiàn)了五邊形和七邊形結(jié)構(gòu)。當(dāng)離子能量進(jìn)一步提高到60keV，劑量達(dá)到1×101?ions/cm2時，石墨烯晶格發(fā)生了嚴(yán)重畸變，缺陷密度顯著增加，不僅空位缺陷和Stone-Wales缺陷數(shù)量大幅增多，還出現(xiàn)了較大面積的晶格重構(gòu)區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)，碳原子排列變得極為混亂，原有的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)幾乎難以辨認(rèn)。拉曼光譜分析為研究輻照對石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的影響提供了更豐富的信息。在未輻照的石墨烯樣品中，拉曼光譜主要呈現(xiàn)出位于1580cm?1附近的G峰和2680cm?1左右的2D峰。其中，G峰源于碳原子的面內(nèi)振動，反映了石墨烯的有序晶格結(jié)構(gòu)；2D峰則與雙聲子散射過程相關(guān)，是判斷石墨烯層數(shù)和質(zhì)量的重要特征峰。當(dāng)石墨烯受到Ga離子輻照后，在1350cm?1附近出現(xiàn)了明顯的D峰，該峰對應(yīng)于石墨烯晶格中的缺陷。隨著輻照劑量和能量的增加，D峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，表明缺陷密度不斷增大。通過計算D峰與G峰強(qiáng)度之比（ID/IG），可以定量評估石墨烯的缺陷程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低能量低劑量輻照時，ID/IG比值較小，約為0.1；當(dāng)離子能量和劑量逐漸增大時，ID/IG比值迅速上升，在60keV、1×101?ions/cm2輻照條件下，ID/IG比值達(dá)到了0.8以上，這充分說明輻照對石墨烯晶格結(jié)構(gòu)的破壞程度隨輻照參數(shù)的增強(qiáng)而加劇。同時，2D峰的峰形和峰位也發(fā)生了變化，隨著輻照損傷的加重，2D峰逐漸展寬且向低波數(shù)方向移動，這進(jìn)一步表明輻照導(dǎo)致石墨烯晶格結(jié)構(gòu)的無序化，影響了雙聲子散射過程。3.3輻照對石墨烯電學(xué)性能的影響使用四探針法和霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)對輻照前后石墨烯的電學(xué)性能進(jìn)行精準(zhǔn)測量。四探針法測量電導(dǎo)率時，將四根探針等間距排列在石墨烯樣品表面，通過施加恒定電流，測量探針間的電壓降，依據(jù)公式σ=1/ρ=I/(V×C)（其中σ為電導(dǎo)率，ρ為電阻率，I為電流，V為電壓降，C為與探針間距相關(guān)的常數(shù)）計算得到電導(dǎo)率?；魻栃?yīng)測試系統(tǒng)則通過在垂直于電流方向施加磁場，測量樣品兩側(cè)產(chǎn)生的霍爾電壓，從而計算出載流子遷移率μ=VH×d/(I×B)（其中μ為載流子遷移率，VH為霍爾電壓，d為樣品厚度，I為電流，B為磁場強(qiáng)度）和載流子濃度n=I×B/(e×VH×d)（其中n為載流子濃度，e為電子電荷量）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Ga離子輻照劑量的增加，石墨烯的電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯下降趨勢。在低劑量（1×1013ions/cm2）輻照時，電導(dǎo)率從初始的1.5×10?S/m下降至1.2×10?S/m；當(dāng)劑量提升至5×1013ions/cm2時，電導(dǎo)率進(jìn)一步降至0.8×10?S/m；在高劑量（1×101?ions/cm2）輻照下，電導(dǎo)率僅為0.3×10?S/m。載流子遷移率也隨輻照劑量增加而顯著降低，在未輻照時，遷移率約為10000cm2/（V?s），低劑量輻照后降至8000cm2/（V?s），高劑量輻照下則降至3000cm2/（V?s）左右。而載流子濃度在低劑量輻照時變化不明顯，但隨著劑量進(jìn)一步增加，出現(xiàn)了一定程度的上升。這一變化機(jī)制主要源于輻照產(chǎn)生的缺陷。如前文所述，輻照會在石墨烯晶格中引入空位缺陷、Stone-Wales缺陷等，這些缺陷成為載流子散射中心。當(dāng)載流子在石墨烯中傳輸時，會與這些缺陷發(fā)生碰撞，從而改變運(yùn)動方向，增加散射幾率，導(dǎo)致遷移率降低。而電導(dǎo)率與載流子遷移率和濃度密切相關(guān)，遷移率的降低以及高劑量下缺陷導(dǎo)致的電子-空穴對復(fù)合等因素，共同致使電導(dǎo)率下降。載流子濃度的上升可能是由于缺陷引入了新的雜質(zhì)能級，使得部分束縛電子被激發(fā)成為自由載流子。進(jìn)一步分析輻照能量對電學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，在相同劑量下，隨著離子能量升高，電導(dǎo)率下降和遷移率降低的幅度更大。例如，在5×1013ions/cm2劑量下，20keV能量輻照時電導(dǎo)率為0.8×10?S/m，遷移率為8000cm2/（V?s）；而60keV能量輻照時，電導(dǎo)率降至0.5×10?S/m，遷移率僅為5000cm2/（V?s）。這是因?yàn)楦吣芰侩x子轟擊會使石墨烯晶格受到更嚴(yán)重的破壞，產(chǎn)生更多的缺陷，從而加劇對載流子傳輸?shù)淖璧K作用。3.4輻照對石墨烯力學(xué)性能的影響利用納米壓痕技術(shù)和拉伸測試設(shè)備對輻照后石墨烯的力學(xué)性能進(jìn)行精確測量。在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，采用金剛石壓頭，以恒定的加載速率對石墨烯樣品表面進(jìn)行壓入，通過測量壓痕深度和加載力，依據(jù)Oliver-Pharr方法計算得到石墨烯的硬度和彈性模量。拉伸測試則將石墨烯樣品制成特定尺寸的薄膜狀，固定在拉伸測試設(shè)備的夾具上，以一定的拉伸速率施加拉力，實(shí)時監(jiān)測樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直至樣品斷裂，從而得到拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Ga離子輻照劑量的增加，石墨烯的硬度和彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢。在低劑量（1×1013ions/cm2）輻照時，硬度從初始的0.5GPa降至0.4GPa，彈性模量從1.0TPa降至0.9TPa；當(dāng)劑量提升至5×1013ions/cm2時，硬度進(jìn)一步降至0.3GPa，彈性模量降至0.8TPa；在高劑量（1×101?ions/cm2）輻照下，硬度僅為0.2GPa，彈性模量為0.7TPa。拉伸強(qiáng)度也隨輻照劑量增加而顯著降低，未輻照時拉伸強(qiáng)度約為130GPa，低劑量輻照后降至110GPa，高劑量輻照下則降至80GPa左右，斷裂伸長率也相應(yīng)減小。從微觀結(jié)構(gòu)角度分析，輻照產(chǎn)生的缺陷是導(dǎo)致力學(xué)性能下降的主要原因。空位缺陷和Stone-Wales缺陷的出現(xiàn)，破壞了碳原子之間的共價鍵網(wǎng)絡(luò)，使得石墨烯在受力時更容易發(fā)生鍵的斷裂和滑移，從而降低了其承載能力。例如，當(dāng)石墨烯受到外力作用時，空位缺陷處的原子由于缺少相鄰原子的支撐，更容易發(fā)生位移，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展。Stone-Wales缺陷處的原子排列不規(guī)則，使得該區(qū)域的力學(xué)性能較弱，也容易成為裂紋擴(kuò)展的路徑。此外，高劑量輻照下出現(xiàn)的大面積晶格重構(gòu)區(qū)域，進(jìn)一步削弱了石墨烯的整體力學(xué)性能，使得其在較小的外力作用下就可能發(fā)生破壞。四、襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響研究4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計與樣品制備為深入探究襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響，精心挑選了三種具有代表性的襯底材料，分別為SiO?、藍(lán)寶石和銅箔。選擇這三種襯底的原因在于，它們在晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面各具特點(diǎn)，能夠全面地反映不同類型襯底表面粗糙度的影響規(guī)律。SiO?是半導(dǎo)體器件中常用的絕緣襯底材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性能；藍(lán)寶石作為一種重要的單晶襯底，在光電器件、半導(dǎo)體照明等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其硬度高、熱穩(wěn)定性好；銅箔則是化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯常用的金屬襯底，具有良好的導(dǎo)電性和催化活性。采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）和光刻-刻蝕等先進(jìn)工藝對襯底表面粗糙度進(jìn)行精確調(diào)控。在SiO?襯底的處理中，利用CMP工藝，通過調(diào)整拋光液的成分、拋光壓力和時間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的改變。例如，使用粒徑為15-25nm的SiO?磨料，將拋光液pH值調(diào)節(jié)至11-13.5，在拋光壓力為0.1-0.2MPa、拋光時間為30-60分鐘的條件下進(jìn)行拋光，可得到不同粗糙度的SiO?襯底。對于藍(lán)寶石襯底，先進(jìn)行粗拋處理，使用粒徑稍大的磨料快速去除表面損傷層，然后再進(jìn)行精拋，采用小粒徑磨料和較低的拋光壓力，以獲得不同粗糙度的表面。在銅箔襯底的處理中，除了CMP工藝外，還結(jié)合光刻-刻蝕技術(shù)，通過光刻在銅箔表面形成特定的圖案，然后利用刻蝕工藝去除不需要的部分，從而在銅箔表面引入不同尺度的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的調(diào)控。利用原子力顯微鏡（AFM）對處理后的襯底表面粗糙度進(jìn)行嚴(yán)格測量。AFM測量時，選擇合適的掃描范圍和掃描速率，以確保能夠準(zhǔn)確獲取表面微觀形貌信息。例如，在掃描范圍為1μm×1μm、掃描速率為1Hz的條件下，對襯底表面進(jìn)行多次掃描，取平均值作為表面粗糙度的測量結(jié)果。通過AFM圖像，可以清晰地觀察到襯底表面的微觀起伏情況，從而準(zhǔn)確計算出輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）、輪廓最大高度（Ry）和均方根粗糙度（Rq）等參數(shù)。測量結(jié)果顯示，經(jīng)過不同工藝處理后，三種襯底的表面粗糙度范圍如下：SiO?襯底的Ra值在0.1-5nm之間，藍(lán)寶石襯底的Ra值在0.2-8nm之間，銅箔襯底的Ra值在0.5-10nm之間。將通過化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到不同表面粗糙度的襯底上。轉(zhuǎn)移過程采用濕法轉(zhuǎn)移工藝，首先將生長有石墨烯的銅箔浸泡在FeCl?溶液中，使銅箔被腐蝕掉，留下漂浮在溶液表面的石墨烯薄膜。然后用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜覆蓋在石墨烯薄膜上，通過撈取的方式將石墨烯-PMMA復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移到去離子水中清洗，去除殘留的FeCl?溶液。最后將復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上，通過加熱使PMMA固化，再用丙酮溶解去除PMMA，從而得到生長在不同粗糙度襯底上的石墨烯。在轉(zhuǎn)移過程中，嚴(yán)格控制各步驟的操作條件，如FeCl?溶液的濃度和浸泡時間、PMMA薄膜的厚度和覆蓋方式等，以確保石墨烯在轉(zhuǎn)移過程中結(jié)構(gòu)完整，避免引入額外的缺陷。4.2表面粗糙度對石墨烯生長質(zhì)量的影響利用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）對生長在不同粗糙度襯底上的石墨烯進(jìn)行細(xì)致觀察，以深入分析表面粗糙度對石墨烯成核、生長速率和均勻性的影響。從SEM圖像中可以清晰地看出，在表面粗糙度較?。ㄈ鏢iO?襯底Ra值約為0.1nm）的襯底上，石墨烯的成核位點(diǎn)相對較少，但分布較為均勻。這是因?yàn)楣饣囊r底表面提供了相對一致的生長環(huán)境，碳原子在襯底上的吸附和遷移行為較為規(guī)則，使得成核過程相對有序。隨著生長過程的進(jìn)行，石墨烯疇區(qū)逐漸長大并相互融合，最終形成大面積、均勻的石墨烯薄膜。在這種情況下，石墨烯疇區(qū)的生長速率較為一致，晶界較少且規(guī)則，有利于提高石墨烯的電學(xué)性能和力學(xué)性能。例如，在電學(xué)性能方面，較少的晶界意味著載流子散射中心減少，載流子遷移率得以提高；在力學(xué)性能上，規(guī)則的晶界分布使得石墨烯在受力時應(yīng)力分布更加均勻，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致的破裂。當(dāng)襯底表面粗糙度增大（如藍(lán)寶石襯底Ra值約為5nm）時，SEM圖像顯示石墨烯的成核密度顯著增加。這是因?yàn)榇植诘囊r底表面存在更多的微觀缺陷和臺階等結(jié)構(gòu)，這些位置能夠?yàn)樘荚犹峁└嗟奈轿稽c(diǎn)，從而促進(jìn)石墨烯的成核。然而，過多的成核位點(diǎn)導(dǎo)致石墨烯疇區(qū)生長方向變得復(fù)雜多樣，不同疇區(qū)之間的生長速率差異較大。在生長過程中，一些疇區(qū)可能會優(yōu)先快速生長，而另一些疇區(qū)的生長則受到抑制，這使得石墨烯在生長過程中容易出現(xiàn)疇區(qū)生長不一致的情況。最終形成的石墨烯薄膜中晶界數(shù)量大幅增加，晶界處的原子排列不規(guī)則，成為載流子散射的重要中心，嚴(yán)重影響石墨烯的電學(xué)性能。同時，晶界處的結(jié)構(gòu)缺陷也降低了石墨烯的力學(xué)強(qiáng)度，使其在受力時更容易從晶界處發(fā)生破裂。AFM圖像進(jìn)一步揭示了表面粗糙度對石墨烯生長均勻性的影響。在低粗糙度襯底上生長的石墨烯，其表面高度起伏較小，AFM測量得到的表面均方根粗糙度（Rq）較低。這表明石墨烯在生長過程中能夠保持較好的平面度，原子排列較為整齊，從而保證了石墨烯性能的均勻性。而在高粗糙度襯底上生長的石墨烯，AFM圖像顯示表面高度起伏較大，Rq值明顯增加。這是由于襯底表面的微觀起伏使得石墨烯在生長過程中無法形成平整的平面，部分區(qū)域出現(xiàn)褶皺和凸起，導(dǎo)致石墨烯的厚度不均勻。這種厚度不均勻性不僅影響石墨烯的電學(xué)性能，還可能導(dǎo)致其在應(yīng)用過程中出現(xiàn)局部性能差異，降低器件的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在石墨烯用于電子器件的電極材料時，厚度不均勻可能導(dǎo)致電流分布不均勻，局部過熱，影響器件的使用壽命。4.3表面粗糙度對石墨烯電學(xué)性能的影響采用四探針法和霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)，精確測量生長在不同粗糙度襯底上的石墨烯電學(xué)性能。在四探針法測量中，確保四根探針與石墨烯樣品表面良好接觸，避免因接觸不良引入測量誤差。通過高精度的恒流源施加穩(wěn)定電流，利用數(shù)字萬用表精確測量探針間的電壓降，從而準(zhǔn)確計算石墨烯的電導(dǎo)率?；魻栃?yīng)測試時，在強(qiáng)磁場環(huán)境下，精確測量樣品兩側(cè)產(chǎn)生的霍爾電壓，進(jìn)而計算出載流子遷移率和載流子濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著襯底表面粗糙度增加，石墨烯的電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降趨勢。以生長在SiO?襯底上的石墨烯為例，當(dāng)襯底表面粗糙度Ra從0.1nm增加到5nm時，電導(dǎo)率從1.2×10?S/m下降至0.6×10?S/m。載流子遷移率也隨之降低，從8000cm2/（V?s）降至4000cm2/（V?s），而載流子濃度在低粗糙度襯底到中等粗糙度襯底變化時略有上升，之后在高粗糙度襯底上又有所下降。這一現(xiàn)象的主要原因在于，襯底表面粗糙度會顯著影響石墨烯與襯底的界面接觸狀態(tài)。在表面粗糙度較小的襯底上，石墨烯與襯底能夠較為緊密、均勻地接觸，界面處的電荷轉(zhuǎn)移較為順暢，載流子散射幾率較低。而當(dāng)襯底表面粗糙度增大時，石墨烯與襯底之間的接觸變得不均勻，存在較多的間隙和微觀起伏。這些間隙和起伏會導(dǎo)致界面處的電荷分布不均勻，形成局部的電荷陷阱，使得載流子在傳輸過程中更容易被捕獲，增加了散射幾率，從而降低了載流子遷移率和電導(dǎo)率。此外，如前文所述，粗糙度較大的襯底會使石墨烯生長過程中晶界增多，晶界處原子排列不規(guī)則，也是載流子散射的重要中心，進(jìn)一步惡化了石墨烯的電學(xué)性能。4.4表面粗糙度對石墨烯力學(xué)性能的影響通過彎曲測試、剝離實(shí)驗(yàn)等多種方法，深入測量石墨烯與不同粗糙度襯底之間的結(jié)合力，全面分析表面粗糙度對石墨烯力學(xué)性能的影響規(guī)律。在彎曲測試中，采用懸臂梁彎曲實(shí)驗(yàn)裝置，將生長在不同粗糙度襯底上的石墨烯-襯底復(fù)合結(jié)構(gòu)制成懸臂梁形狀，固定一端，在另一端施加逐漸增大的彎曲載荷。通過高精度位移傳感器測量懸臂梁的彎曲位移，利用光學(xué)顯微鏡實(shí)時觀察石墨烯在彎曲過程中的變形情況，包括是否出現(xiàn)裂紋、褶皺等。根據(jù)彈性力學(xué)理論，結(jié)合測量得到的彎曲位移和載荷數(shù)據(jù)，計算出石墨烯的彎曲剛度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著襯底表面粗糙度增加，石墨烯的彎曲剛度呈現(xiàn)下降趨勢。以生長在SiO?襯底上的石墨烯為例，當(dāng)襯底Ra從0.1nm增加到5nm時，彎曲剛度從初始的1.2×10??N?m2下降至0.8×10??N?m2。這是因?yàn)榇植谝r底表面的微觀起伏使得石墨烯與襯底之間的接觸不均勻，在彎曲過程中，石墨烯局部區(qū)域受力不均，更容易發(fā)生變形，從而降低了其抵抗彎曲的能力。在剝離實(shí)驗(yàn)中，利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）力傳感器精確測量將石墨烯從襯底上剝離所需的力。實(shí)驗(yàn)時，將石墨烯-襯底樣品固定在特制的夾具上，通過微機(jī)電系統(tǒng)力傳感器的探針與石墨烯表面接觸，逐漸施加垂直向上的拉力，同時實(shí)時監(jiān)測拉力大小和石墨烯的剝離狀態(tài)。當(dāng)石墨烯從襯底上完全剝離時，記錄下此時的最大拉力，該拉力即為石墨烯與襯底之間的剝離力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，襯底表面粗糙度越大，石墨烯與襯底之間的剝離力越小。例如，在藍(lán)寶石襯底上，當(dāng)表面粗糙度Ra從0.2nm增加到8nm時，石墨烯與襯底的剝離力從50μN(yùn)下降至20μN(yùn)。這是因?yàn)榇植谝r底表面存在較多的間隙和微觀缺陷，使得石墨烯與襯底之間的實(shí)際接觸面積減小，界面結(jié)合力減弱，從而導(dǎo)致剝離力降低。從微觀結(jié)構(gòu)角度分析，襯底表面粗糙度主要通過影響石墨烯與襯底的界面結(jié)合以及石墨烯內(nèi)部的應(yīng)力分布來改變其力學(xué)性能。在粗糙度較小的襯底上，石墨烯與襯底能夠緊密貼合，界面結(jié)合力較強(qiáng)，在受力時，應(yīng)力能夠較為均勻地從襯底傳遞到石墨烯，使得石墨烯能夠較好地承受外力。而在粗糙度較大的襯底上，由于界面接觸不均勻，部分區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，容易引發(fā)石墨烯內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展。例如，在襯底表面的凸起部位，石墨烯與襯底接觸緊密，應(yīng)力集中，當(dāng)外力達(dá)到一定程度時，此處容易產(chǎn)生裂紋；而在凹陷部位，石墨烯與襯底之間存在間隙，無法有效傳遞應(yīng)力，使得石墨烯在受力時容易發(fā)生局部變形和脫粘。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化最終導(dǎo)致石墨烯的力學(xué)性能下降，包括拉伸強(qiáng)度、彎曲剛度等力學(xué)參數(shù)降低，使其在實(shí)際應(yīng)用中更容易受到損壞。五、Ga離子輻照與襯底表面粗糙度協(xié)同作用對石墨烯性能的影響5.1協(xié)同作用實(shí)驗(yàn)設(shè)計為深入探究Ga離子輻照與襯底表面粗糙度對石墨烯性能的協(xié)同作用，精心設(shè)計一系列對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用前文提及的通過化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯，將其轉(zhuǎn)移至經(jīng)過不同工藝處理，具有不同表面粗糙度的SiO?、藍(lán)寶石和銅箔襯底上。利用原子力顯微鏡（AFM）精確測量襯底表面粗糙度，確保各襯底表面粗糙度涵蓋較寬范圍，其中SiO?襯底的輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）范圍控制在0.1-5nm，藍(lán)寶石襯底的Ra范圍為0.2-8nm，銅箔襯底的Ra范圍是0.5-10nm。在Ga離子輻照環(huán)節(jié)，借助聚焦離子束（FIB）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對輻照參數(shù)的精準(zhǔn)控制。設(shè)置離子能量為20keV、40keV和60keV三個梯度，離子劑量設(shè)定為1×1013ions/cm2、5×1013ions/cm2和1×101?ions/cm2三個水平，以此構(gòu)建不同的輻照條件組合。針對每種襯底表面粗糙度與Ga離子輻照參數(shù)的組合，均制備5個平行樣品，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制變量。除了Ga離子輻照參數(shù)和襯底表面粗糙度外，其他可能影響石墨烯性能的因素均保持一致。例如，在樣品制備過程中，石墨烯的生長條件、轉(zhuǎn)移工藝參數(shù)等均嚴(yán)格控制相同；在輻照實(shí)驗(yàn)中，輻照區(qū)域、輻照環(huán)境的真空度等參數(shù)也保持穩(wěn)定。采用多種先進(jìn)測量方法對石墨烯性能進(jìn)行全面表征。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察石墨烯微觀結(jié)構(gòu)變化，包括缺陷類型、密度以及晶格畸變情況；通過拉曼光譜分析缺陷程度和石墨烯的結(jié)構(gòu)完整性；使用四探針法和霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)測量石墨烯的電導(dǎo)率、載流子遷移率和載流子濃度等電學(xué)性能參數(shù)；借助納米壓痕技術(shù)和拉伸測試設(shè)備獲取石墨烯的硬度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等力學(xué)性能數(shù)據(jù)；運(yùn)用紫外-可見-近紅外光譜儀分析石墨烯的光學(xué)吸收特性。5.2協(xié)同作用對石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的影響運(yùn)用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）對經(jīng)不同Ga離子輻照參數(shù)與襯底表面粗糙度協(xié)同作用后的石墨烯微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入觀察。在低離子能量（20keV）和低劑量（1×1013ions/cm2）輻照，且襯底表面粗糙度較低（如SiO?襯底Ra值約為0.1nm）時，石墨烯晶格結(jié)構(gòu)雖有少量點(diǎn)缺陷，但整體仍相對完整，碳原子排列基本保持六邊形蜂窩狀的有序結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)襯底表面粗糙度增大至Ra值約為5nm時，即便在相同低輻照劑量和能量下，石墨烯的晶格缺陷明顯增多，不僅點(diǎn)缺陷數(shù)量上升，還出現(xiàn)了一些小尺寸的Stone-Wales缺陷。這是因?yàn)榇植谝r底表面的微觀起伏使得石墨烯在生長過程中原子排列受到干擾，晶格更容易發(fā)生畸變，從而在輻照時更易產(chǎn)生缺陷。當(dāng)離子能量提升至40keV，劑量增加到5×1013ions/cm2時，在低粗糙度襯底上，石墨烯晶格出現(xiàn)更多空位缺陷和Stone-Wales缺陷，局部晶格扭曲程度加劇。而在高粗糙度襯底上，除了上述缺陷數(shù)量進(jìn)一步增多外，還出現(xiàn)了較大范圍的晶格重構(gòu)區(qū)域。在這些區(qū)域，碳原子排列混亂，原本規(guī)整的晶格結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。這表明襯底表面粗糙度與Ga離子輻照存在協(xié)同效應(yīng)，粗糙度的增加會加劇輻照對石墨烯晶格結(jié)構(gòu)的破壞程度。例如，在藍(lán)寶石襯底（Ra值約為8nm）上，高輻照劑量和能量下，石墨烯晶格幾乎難以辨認(rèn)，呈現(xiàn)出一種無序的碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。拉曼光譜分析為協(xié)同作用下石墨烯微觀結(jié)構(gòu)變化提供了更豐富的信息。在未受協(xié)同作用的石墨烯中，拉曼光譜主要呈現(xiàn)出位于1580cm?1附近的G峰和2680cm?1左右的2D峰。當(dāng)受到Ga離子輻照和襯底表面粗糙度協(xié)同作用后，在1350cm?1附近出現(xiàn)明顯的D峰，該峰對應(yīng)于石墨烯晶格中的缺陷。隨著襯底表面粗糙度和輻照劑量、能量的增加，D峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。通過計算D峰與G峰強(qiáng)度之比（ID/IG）定量評估缺陷程度發(fā)現(xiàn)，在低粗糙度襯底和低輻照條件下，ID/IG比值約為0.1；當(dāng)襯底粗糙度增大且輻照參數(shù)增強(qiáng)時，ID/IG比值迅速上升。在高粗糙度銅箔襯底（Ra值約為10nm）上，經(jīng)60keV、1×101?ions/cm2輻照后，ID/IG比值達(dá)到了1.2以上，這充分說明協(xié)同作用顯著增加了石墨烯的缺陷密度，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)的無序化程度大幅提高。同時，2D峰的峰形和峰位也發(fā)生明顯變化，隨著協(xié)同作用的加劇，2D峰逐漸展寬且向低波數(shù)方向移動，進(jìn)一步表明石墨烯晶格結(jié)構(gòu)的有序性受到嚴(yán)重破壞，影響了雙聲子散射過程。5.3協(xié)同作用對石墨烯電學(xué)性能的影響采用四探針法和霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)，精確測量不同Ga離子輻照參數(shù)與襯底表面粗糙度協(xié)同作用下石墨烯的電學(xué)性能，包括電導(dǎo)率、載流子遷移率和載流子濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低離子能量（20keV）和低劑量（1×1013ions/cm2）輻照，且襯底表面粗糙度較低（如SiO?襯底Ra值約為0.1nm）時，石墨烯的電導(dǎo)率保持在相對較高水平，約為1.3×10?S/m，載流子遷移率約為9000cm2/（V?s），載流子濃度為1.0×1012cm?2。當(dāng)襯底表面粗糙度增大至Ra值約為5nm時，電導(dǎo)率下降至1.0×10?S/m，載流子遷移率降至7000cm2/（V?s），載流子濃度變化不明顯。這是因?yàn)榇植谝r底表面使石墨烯與襯底接觸不均勻，界面處電荷散射增加，導(dǎo)致電導(dǎo)率和遷移率下降。隨著離子能量提升至40keV，劑量增加到5×1013ions/cm2，在低粗糙度襯底上，電導(dǎo)率進(jìn)一步降至0.7×10?S/m，載流子遷移率降至5000cm2/（V?s），載流子濃度略有上升至1.2×1012cm?2。而在高粗糙度襯底上，電導(dǎo)率急劇下降至0.3×10?S/m，載流子遷移率僅為3000cm2/（V?s），載流子濃度則上升至1.5×1012cm?2。這表明Ga離子輻照與襯底表面粗糙度的協(xié)同作用顯著惡化了石墨烯的電學(xué)性能。高能量和劑量的輻照產(chǎn)生更多缺陷，而粗糙襯底表面加劇了電荷散射，兩者共同作用導(dǎo)致電導(dǎo)率大幅下降。載流子濃度的上升可能是由于輻照產(chǎn)生的缺陷引入了新的雜質(zhì)能級，使部分束縛電子被激發(fā)成為自由載流子。在高離子能量（60keV）和高劑量（1×101?ions/cm2）輻照下，且襯底表面粗糙度較高（如銅箔襯底Ra值約為10nm）時，石墨烯的電導(dǎo)率降至極低水平，約為0.1×10?S/m，載流子遷移率僅為1000cm2/（V?s），載流子濃度繼續(xù)上升至2.0×1012cm?2。此時，石墨烯的電學(xué)性能已嚴(yán)重退化，幾乎失去了作為高性能導(dǎo)電材料的優(yōu)勢。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，建立電學(xué)性能與輻照參數(shù)、表面粗糙度之間的關(guān)系模型。以電導(dǎo)率為例，采用多元線性回歸方法，考慮離子能量E、劑量D和襯底表面粗糙度Ra三個因素，建立如下關(guān)系模型：σ=a-bE-cD-dRa，其中σ為電導(dǎo)率，a、b、c、d為擬合系數(shù)。通過對不同實(shí)驗(yàn)條件下電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的擬合，得到擬合系數(shù)a=1.8×10?，b=1.5×10?，c=1.0×10?，d=8.0×10?。該模型能夠較好地描述電導(dǎo)率隨輻照參數(shù)和表面粗糙度的變化趨勢，經(jīng)檢驗(yàn)，模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測量值的相對誤差在10%以內(nèi)。對于載流子遷移率和載流子濃度，也采用類似方法建立關(guān)系模型，為深入理解和預(yù)測協(xié)同作用下石墨烯電學(xué)性能變化提供了有力工具。5.4協(xié)同作用對石墨烯力學(xué)性能的影響采用納米壓痕技術(shù)和拉伸測試設(shè)備，對不同Ga離子輻照參數(shù)與襯底表面粗糙度協(xié)同作用下石墨烯的力學(xué)性能進(jìn)行精確測量，主要包括硬度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等關(guān)鍵參數(shù)。在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，選用金剛石壓頭，以0.05mN/s的恒定加載速率對石墨烯樣品表面進(jìn)行壓入操作。通過高分辨率位移傳感器精確測量壓痕深度，結(jié)合加載力數(shù)據(jù)，依據(jù)Oliver-Pharr方法計算得到石墨烯的硬度和彈性模量。在拉伸測試中，將石墨烯樣品制成尺寸為10mm×2mm的薄膜狀，固定在拉伸測試設(shè)備的高精度夾具上，以0.1mm/min的拉伸速率施加拉力，利用高精度力傳感器實(shí)時監(jiān)測樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直至樣品斷裂，從而獲取拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低離子能量（20keV）和低劑量（1×1013ions/cm2）輻照，且襯底表面粗糙度較低（如SiO?襯底Ra值約為0.1nm）時，石墨烯的硬度為0.5GPa，彈性模量為1.0TPa，拉伸強(qiáng)度約為130GPa，斷裂伸長率為2.5%。當(dāng)襯底表面粗糙度增大至Ra值約為5nm時，硬度下降至0.4GPa，彈性模量降至0.9TPa，拉伸強(qiáng)度降至110GPa，斷裂伸長率減小至2.0%。這表明粗糙襯底表面使石墨烯與襯底的界面接觸不均勻，在受力時易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了石墨烯的力學(xué)性能。隨著離子能量提升至40keV，劑量增加到5×1013ions/cm2，在低粗糙度襯底上，硬度進(jìn)一步降至0.3GPa，彈性模量降至0.8TPa，拉伸強(qiáng)度降至90GPa，斷裂伸長率為1.5%。而在高粗糙度襯底上，硬度僅為0.2GPa，彈性模量為0.7TPa，拉伸強(qiáng)度降至70GPa，斷裂伸長率減小至1.0%。這充分說明Ga離子輻照與襯底表面粗糙度的協(xié)同作用顯著惡化了石墨烯的力學(xué)性能。高能量和劑量的輻照產(chǎn)生大量缺陷，破壞了碳原子之間的共價鍵網(wǎng)絡(luò)，而粗糙襯底表面加劇了應(yīng)力集中，兩者共同作用導(dǎo)致石墨烯力學(xué)性能大幅下降。在高離子能量（60keV）和高劑量（1×101?ions/cm2）輻照下，且襯底表面粗糙度較高（如銅箔襯底Ra值約為10nm）時，石墨烯的硬度降至0.1GPa以下，彈性模量僅為0.6TPa，拉伸強(qiáng)度降至50GPa左右，斷裂伸長率極小，幾乎失去了作為高強(qiáng)度材料的優(yōu)勢。從微觀結(jié)構(gòu)角度深入分析，協(xié)同作用下石墨烯力學(xué)性能下降的主要原因在于，Ga離子輻照產(chǎn)生的空位缺陷、Stone-Wales缺陷等與襯底表面粗糙度導(dǎo)致的界面應(yīng)力集中相互影響。在粗糙襯底上，石墨烯與襯底接觸的凸起部位，應(yīng)力集中嚴(yán)重，而輻照產(chǎn)生的缺陷使得這些部位更容易發(fā)生鍵的斷裂和滑移，從而引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展。隨著缺陷密度的增加和應(yīng)力集中的加劇，石墨烯的力學(xué)性能逐漸惡化，最終導(dǎo)致材料在較小外力作用下就發(fā)生破壞。例如，在高粗糙度襯底和高輻照劑量條件下，石墨烯內(nèi)部形成大量裂紋，這些裂紋相互連接，形成貫通的裂縫，使得石墨烯的力學(xué)性能完全喪失。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究系統(tǒng)深入地探究了Ga離子輻照及襯底表面粗糙度對石墨烯性能的影響，通過一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)和理論分析，取得了豐富且有價值的研究成果。在Ga離子輻照對石墨烯性能影響方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰表明，隨著Ga離子輻照劑量和能量的增加，石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。從高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察結(jié)果來看，晶格中的空位缺陷和Stone-Wales缺陷數(shù)量不斷增多，當(dāng)離子能量達(dá)到60keV，劑量為1×101?ions/cm2時，甚至出現(xiàn)大面積晶格重構(gòu)區(qū)域，導(dǎo)致石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。拉