[論文レビュー] Low temperature crystallization of diamond-like carbon films to graphene by low energy plasma surface treatment

Savcho Tinchev|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、アーチファクトのないダイヤモンドライクカーボン（DLC）薄膜を、アルゴンガスパルスプラズマ処理と350 °Cの熱アニールを経て、低温でグラフェンに結晶化させる手法を示した。得られた材料は、欠陥を含むグラフェンに特徴的なラマンスペクトルを示し、電子機器用途における基板フリーで転写不要なグラフェン合成の可能性が示唆された。

ABSTRACT

Plasma surface modification was used to fabricate graphene on the top of insulating diamond-like carbon films. It is shown that by a combination of pulsed argon plasma treatment and thermal annealing at 350\degreeC is possible to achieve partial crystallization of amorphous carbon to graphene. The observed Raman spectra are typical for defected graphene - splitted D- and G-peaks and a broad 2D-peak. This result is very encouraging and we hope that by improving this technology it will be possible to fabricate defect-free graphene, which can be used in electronics without transfer to other substrates.

研究の動機と目的

• 基板の転写を伴わずに、アモルファスダイヤモンドライクカーボン（DLC）薄膜をグラフェンに変換する低温プロセスの開発。
• 従来のグラフェン作製法における高温合成および複雑な転写工程の課題に取り組む。
• 電子機器用途に向け、絶縁性DLC基板上に直接グラフェンを成長可能にする。
• 欠陥工学を施したグラフェン合成のためのプラズマ表面処理の有効性を検討する。

提案手法

• アモルファスDLC薄膜の表面にパルス型アルゴンプラズマを適用する。
• 炭素原子の構造的再配列を促進するため、350 °Cでの熱アニールを実施する。
• 得られた炭素薄膜の結晶性および欠陥密度を分析するため、ラマン分光法を用いる。
• 低エネルギーのプラズマを用いることで、基板へのダメージを最小限に抑えつつ、炭素ネットワークの再構成を可能にする。
• プラズマ処理と熱アニールを組み合わせることで、グラファイト化のエネルギー障壁を低減する。
• 外部触媒や高温処理を用いずに、絶縁性DLC基板上に直接少数層グラフェンを形成することを目的とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス型アルゴンプラズマ処理は、低温でアモルファスDLC薄膜のグラファイト化を誘発できるか？
• RQ2 プラズマ処理および熱処理後の炭素薄膜の構造的品質は、ラマン分光法によってどのように示されるか？
• RQ3 結晶化プロセスは、絶縁性基板上にグラフェンに類似した炭素構造を形成するために、どの程度制御可能か？
• RQ4 この手法は、転写工程を経ずに非金属的・絶縁性基板上に直接グラフェンを合成可能か？
• RQ5 プラズマ処理と熱処理の組み合わせが、低温での炭素相転移をどのように促進するか？

主な発見

• パルス型アルゴンプラズマ処理と350 °Cの熱アニールを経て、アモルファスDLCの部分的結晶化がグラフェンに類似した炭素に達成された。
• ラマンスペクトルから、DピークとGピークが分裂し、2Dピークが広がっていることが確認され、欠陥を含むグラフェンに特徴的である。
• 観察された欠陥の特徴は、得られた炭素ネットワーク内に構造的不完全性が存在することを示唆している。
• 従来のアモルファス炭素の高温熱アニールに比べ、本手法は著しく低い温度でグラフェン形成を可能にする。
• 絶縁性基板と相性が良く、転写を経ずに直接成長が可能である。
• 結果から、電子機器用途に向けた欠陥工学を施した転写不要なグラフェンへの実現可能性が示された。