石墨烯作为最早发现的单原子层的二维晶体,打破了经典二维热力学涨落理论。石墨烯是由C原子通过sp2杂化组成的六角形呈蜂窝状结构,而这种独特的结构赋予了石墨烯优异的力学、热学、光学以及电学性能,因此石墨烯在科研、能源、军事和信息等领域具有十分广阔的应用前景。自发现石墨烯以来,大量科研人员投身到石墨烯领域中。然而,时至今日,大面积、高质量石墨烯的工业化制备难题仍未得到彻底解决。在目前发展的诸多石墨烯制备方法中,碳化硅(SiC)外延法可以实现晶圆级大尺寸高质量石墨烯的制备,同时在后续石墨烯器件的制备中,不会因二次转移而引入新的杂质和缺陷,可以与目前半导体加工工艺相兼容,在微电子领域中显示出很大的应用潜力。与机械剥离和化学气相沉积法不同,SiC外延法生长石墨烯的原理是:在高温下SiC发生分解,Si原子优先升华,而C原子在表面富集并发生重构形成石墨烯。受生长机理的限制,SiC衬底Si面上生长的石墨烯,与衬底之间存在较强的耦合作用,这种作用极大地限制了石墨烯优异电学性能的发挥,阻碍了SiC外延法制备石墨烯的实际应用。因此,从SiC外延生长石墨烯的方法出发,结合晶体生长原理,研究新型石墨烯生长设备,探索影响石墨烯生长的因素,在SiC衬底上制备近自由态石墨烯很有必要。为此,本论文以制备高质量的近自由态石墨烯为研究目标,设计并提出针对石墨烯成核生长过程的近自由态石墨烯制备的新方法,利用特制的石墨烯生长设备,结合实验表征与机理研究,对生长的石墨烯进行了表征,主要研究工作和结论如下:1.新型高温化学气相沉积炉中石墨烯生长参数的探索传统SiC外延法制备石墨烯采用的中频感应加热方式对成核过程的精确控制不利,为此我们基于软件程序的优化,设计并搭建了新型高温化学气相沉积炉,探索了石墨烯生长的最优条件。将衬底表面分为9个区域来研究石墨烯的生长和分布情况,通过原子力显微镜、拉曼光谱和扫描电子显微镜等表征手段,最终研究得到石墨烯生长的最优条件为:氢刻蚀温度1450℃;石墨烯生长温度1650℃、压强900mbar和生长时间30min。通过开尔文探针力显微镜和宏观低能电子衍射等方式,分析了SiC表面石墨烯的质量和分布,同时验证了SiC外延石墨烯在台阶边缘处优先成核,逐渐向平台内部推进的生长方式。针对实验表征时发现的现象,探究了 SiC衬底中微管缺陷对石墨烯生长的影响。利用拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等测试手段进行了表征,分析后得到结论:微管周围的台阶具有更高的吉布斯自由能,在氢刻蚀时会严重弯曲表面的台阶形貌,并且产生尺寸不一的刻蚀坑,影响表面台阶分布的均匀性;在石墨烯生长阶段,微管附近区域石墨烯生长速率过快,生成大量小尺寸的厚石墨烯层,造成衬底表面石墨烯分布十分不均。2.SiC衬底近自由态石墨烯制备及成核机理研究本文基于SiC外延法生长石墨烯的生长原理,提出了一种诱导生长近自由态石墨烯的新方法,该方法仅保留SiC衬底Si原子挥发之后的C原子重构成核过程,由此作为石墨烯生长的成核位点,继而引入甲烷在高温下分解作为碳源,沿着成核位点进行生长,直接在SiC衬底上得到了高质量的近自由态石墨烯。通过构建生长模型和设计对比实验,阐释了近自由态石墨烯的成核机理。通过设计不同的实验组(样品经历不同的生长阶段)做对比,利用X射线光电子能谱(XPS)揭示了成核和生长等过程在近自由态石墨烯制备中的作用。为进一步探索诱导生长近自由态石墨烯中SiC衬底与石墨烯的相互作用,使用拉曼光谱分析了不同样品G峰拉曼位移的变化,验证了诱导得到的石墨烯与SiC衬底之间耦合作用明显减少。利用高分辨率透射电子显微镜直接测得石墨烯与SiC之间层间距为3.6±0.2A,验证了制备出的石墨烯为近自由态石墨烯。