[論文レビュー] Single-crystal Grains and Grain Boundaries in Graphene Grown by Chemical Vapor Deposition

Qingkai Yu, Luis A. Jauregui+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2010

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、銅基板上に化学気相成長（CVD）法で成長させたグラファイトの単結晶グレインおよびグレイン境界を調査している。グレイン境界がインターバレー散乱および電気的抵抗を引き起こし、電子的性質を著しく劣化させることを示している一方で、事前にパターン化された核種が、スケーラブルでグレイン境界のない単結晶グラファイトの成長を可能にすることを示している。

ABSTRACT

The strong interest in graphene has motivated the scalable production of high quality graphene and graphene devices. Since large-scale graphene films synthesized to date are typically polycrystalline, it is important to characterize and control grain boundaries, generally believed to degrade graphene quality. Here we study single-crystal graphene grains synthesized by ambient CVD on polycrystalline Cu, and show how individual boundaries between coalescing grains affect graphene's electronic properties. The graphene grains show no definite epitaxial relationship with the Cu substrate, and can cross Cu grain boundaries. The edges of these grains are found to be predominantly parallel to zigzag directions. We show that grain boundaries give a significant Raman D peak, impede electrical transport, and induce prominent weak localization indicative of intervalley scattering in graphene. Finally, we demonstrate an approach using pre-patterned growth seeds to control graphene nucleation, opening a route towards scalable fabrication of single-crystal graphene devices without grain boundaries.

研究の動機と目的

• CVD法で成長させた多結晶グラファイトの電子的品質がグレイン境界によってどのように劣化するかを理解すること。
• 多結晶銅基板上における単結晶グラファイトグレインの核形成および成長機構を調査すること。
• グラファイトグレインの端効果の結晶指向性と構造的特徴を銅基板に対して特定すること。
• 核形成部位を制御することで、グレイン境界を除去するスケーラブルな方法を確立すること。
• ラマン分光法および電気的輸送測定値とグラファイトのグレイン境界構造との相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 多結晶銅基板上における大気圧化学気相成長（CVD）法を用いた単結晶グラファイトグレインの成長。
• 事前にパターン化された成長核を用いて、核形成部位を正確に制御し、グレイン成長を誘導する。
• 電子顕微鏡およびラマン分光法を用いて、グレインの指向性および端部構造を特徴づける。
• 電気的輸送特性を測定し、グレイン境界がキャリア移動度に与える影響を評価する。
• ラマンDピーク強度の分析により、グレイン境界における欠际密度を定量する。
• 弱い局在化理論を適用し、グレイン境界によって誘発されるインターバレー散乱効果を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVD法で成長させたグラファイトにおけるグレイン境界が、その電気的輸送特性にどのように影響を与えるか。
• RQ2 グラファイトグレインの端部の結晶指向性は、銅基板およびジグザグ方向に対してどのように整列しているか。
• RQ3 弱い局在化効果から示されるように、グレイン境界はグラファイトにおいてどの程度インターバレー散乱を引き起こすか。
• RQ4 事前にパターン化された核形成部位は、大面積でグレイン境界のない単結晶グラファイトの成長を可能にするか。
• RQ5 ラマンDピーク強度とグラファイトにおけるグレイン境界の存在との間にどのような関係があるか。

主な発見

• 多結晶銅基板上に成長したグラファイトグレインは、銅基板に対して特定の外延的指向性を示さず、複数の銅グレイン境界を越えて広がっている。
• グラファイトグレインの端部は主にジグザグ結晶学的方向に整列している。
• グレイン境界には顕著なラマンDピークが観測され、これらの界面に顕著な欠际密度が存在することが示唆される。
• 電気的輸送測定では、グレイン境界がキャリア移動度を阻害し、散乱中心として機能することが明らかになった。
• 弱い局在化測定により、顕著なインターバレー散乱が確認され、グレイン境界がグラファイトにおけるバルクデゲネラシーを破壊していることが裏付けられた。
• 事前にパターン化された成長核は、核形成を正確に制御し、グレイン境界のない大面積単結晶グラファイトの作製に成功した。