[論文レビュー] Large area graphene synthesis on catalytic copper foil by an indigenous electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition setup

Samit Karmakar, Soumik Kumar Kundu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Graphene research and applications参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多結晶銅箔上での大面積グラフェン合成を目的として、独自に開発した2.45 GHz電子サイクロトロン共鳴プラズマ強化化学気相成長（ECR PECVD）装置を提案する。プラズマ由来の熱と水素前アニールを活用することで、従来の熱的CVDと比較して低い基板温度でも高品質なグラフェンを実現し、ラーマン分光法により均一で欠陥が少ない単層グラフェン成長が確認された。

ABSTRACT

A novel route for the synthesis of large area graphene by an indigenously built electron cyclotron resonance (ECR) plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) setup has been reported in this work. A unique 2.45 GHz permanent magnet type ECR PECVD system has been designed and developed for the growth of various nano-structures and films. The apparatus has a unique advantage to synthesize large area graphene at much lower additional substrate heating than heat supplied by an external oven in conventional thermal CVD method. A major amount of heat is supplied here by ECR plasma. Polycrystalline copper foil is used here as a catalytic substrate which is pre annealed inside resonant hydrogen plasma prior to its exposure under precursor gaseous plasma inside the ECR PECVD reactor. Methane is used as carbon precursor along with hydrogen as carrier gas. Argon gas is used for the rapid cooling of the substrate maintaining suitable thermodynamic condition favorable for graphene synthesis. The synthesis process has been carried out by controlling growth temperature, total pressure and synthesis time at various gas ratios. The exposed copper foil has been characterized by Raman spectroscopy to investigate the quality of synthesized graphene in the home made reactor.

研究の動機と目的

• スケーラブルなグラフェン合成を実現する低コストで独自開発されたECR PECVD装置の開発。
• プラズマ由来の熱を活用することで、従来の熱的CVDと比較して基板加熱要件を低減すること。
• 触媒的銅箔上での高品質・大面積単層グラフェン成長のためのプラズマ条件の最適化。
• 水素前アニールおよびアルゴン冷却の役割がグラフェン品質に与える影響の解明。
• 自社開発のECR PECVD装置を用いた再現性があり大面積のグラフェン成長の可能性の実証。

提案手法

• ナノ構造および薄膜合成を目的として、独自に開発した2.45 GHz永久磁石型ECR PECVD装置を設計・製作した。
• 触媒的表面を準備するため、共鳴状態の水素プラズマ中で多結晶銅箔を前アニール処理した。
• 炭素源としてメタンを用い、水素とアルゴンをそれぞれキャリアガスおよび冷却ガスとして使用した。
• 温度、全圧力、合成時間、ガス比といった成長パラメータを体系的に制御した。
• プラズマ加熱により外部基板加熱の必要性が顕著に低減され、運用温度が低下した。
• 成長後、ラーマン分光法を用いてグラフェンの品質および均一性を評価するための特性評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独自開発のECR PECVD装置は、従来の熱的CVDと比較して、熱的入力の低減を実現しながら大面積グラフェン合成を可能にするか？
• RQ2 銅箔の水素プラズマ前アニール処理が、合成されたグラフェンの核生成および品質に与える影響は何か？
• RQ3 高品質な単層グラフェン成長のための最適なガス比、圧力および合成時間の組み合わせは何か？
• RQ4 グラフェンCVDにおいて、プラズマ加熱が外部基板加熱の必要性をどの程度低減させるか？
• RQ5 アルゴンガスは、グラフェン合成中の熱力学的安定性および品質にどのように寄与するか？

主な発見

• 独自開発のECR PECVD装置により、銅箔上での大面積グラフェンが外部加熱を最小限に抑えて合成に成功した。
• プラズマ加熱により基板温度の必要が著しく低減され、低熱的バジェットでの合成が可能になった。
• 銅箔の水素前アニール処理により表面品質が向上し、均一なグラフェン核生成が促進された。
• ラーマン分光法により、欠陥密度が低い（I2D/IG比が低い）高品質な単層グラフェンが確認された。
• アルゴンガスにより迅速な冷却が実現され、グラフェン成長に適した熱力学的条件を維持した。
• 一貫したラーマンマッピング結果から、銅箔表面全体にわたり再現性があり大面積のグラフェン成長が達成された。