[論文レビュー] Transforming amorphous carbon into graphene by current-induced annealing

Amelia Barreiro, Felix Boerrnert+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2012

Graphene research and applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、時間分解走査型電子顕微鏡および分子動力学シミュレーションを用いて、電流誘起アニールを介したアモルファスカーボン（a-C）からの触媒フリーなグラフェン成長を実証した。このプロセスにより、熱的活性化およびファンデルワールス相互作用を通じて、a-Cクラスターがグラフェン基板上にグラフェンパッチに結晶化する。また、a-C内の穴の縁からグラフェンが滑らかに成長するという、新たなメカニズムを同定し、ボトムアップ型デバイス設計を可能にした。

ABSTRACT

We shed light on the catalyst-free growth of graphene from amorphous carbon (a-C) by current-induced annealing by witnessing the mechanism both with in-situ transmission electron microscopy and with molecular dynamics simulations. Both in experiment and in simulation, we observe that small a-C clusters on top of a graphene substrate rearrange and crystallize into graphene patches. The process is aided by the high temperatures involved and by the van der Waals interactions with the substrate. Furthermore, in the presence of a-C, graphene can grow from the borders of holes and form a seamless graphene sheet, a novel finding that has not been reported before and that is reproduced by the simulations as well. These findings open up new avenues for bottom-up engineering of graphene-based devices.

研究の動機と目的

• 電気的電流下における触媒フリーなグラフェン形成のメカニズムを理解すること。
• 温度および基板相互作用が、a-Cからグラフェンへの結晶化に果たす役割を調査すること。
• a-C内の穴の縁からのグラフェン形成といった、欠际のないデバイス統合を可能にする新たな成長経路を探索すること。
• 原子スケールの分子動力学シミュレーションを用いて、実験的観察を検証し、メカニズム的洞察を得ること。

提案手法

• 電流を印加した状態で、グラフェン上に存在するa-Cクラスターの構造的進化をリアルタイムに直接観察するための時間分解走査型電子顕微鏡（TEM）の応用。
• 電流誘起アニール中の原子スケールのダイナミクスをモデル化し、結晶化経路を予測するための分子動力学シミュレーション。
• 局所的加熱を誘起するための電流の印加により、原子の再配置を促進する。
• a-Cクラスターとグラフェン基板間の界面におけるファンデルワールス相互作用の分析を通じて、結晶化のテンプレート化に果たす役割を評価する。
• a-Cにおける穴縁からの成長を体系的にシミュレーションし、シームレスなグラフェンシートの形成を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電流誘起アニールによって、触媒を用いずにアモルファスカーボンが結晶性グラフェンにどのように変化するのか？
• RQ2 特にファンデルワールス力が関与する基板相互作用が、a-Cからグラフェンへの結晶化をどのように誘導するのか？
• RQ3 アモルファスカーボン内の穴の縁からグラフェンが滑らかに成長可能か。その場合、そのプロセスを駆動する要因は何か？
• RQ4 電流によって誘起される温度勾配が、a-Cからのグラフェンの核生成および成長にどのように影響するか？

主な発見

• 電流誘起アニールの下で、グラフェン基板上に存在するアモルファスカーボンクラスターは構造的再配列を経てグラフェンパッチに結晶化する。
• 電流によって生成される局所的な高温が原子再配置を促進し、a-Cからグラフェンへの変換を可能にする。
• 下部のグラフェン基板とのファンデルワールス相互作用が、結晶化プロセスのテンプレート化に重要な役割を果たす。
• a-C内の穴の縁からグラフェンが成長するという、新たな成長メカニズムが観察され、シームレスで連続的なシートが形成される。
• 分子動力学シミュレーションは実験的観察を正確に再現し、穴縁からのグラフェン成長の実現可能性およびメカニズムを確認した。