[論文レビュー] Wafer-scale Graphene Synthesized by Chemical Vapor Deposition at Ambient Pressure

Helin Cao, Qingkai Yu+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2009

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、銅フィルムを基板として用いた大気圧化学蒸着法（CVD）を用いてウェーハスケールの単層グラフェンを成長させることに成功し、最大4インチの膜を~90%の面積被覆率で得た。高品質な輸送特性として、双極性フィールド効果行動（オン/オフ比~5）、キャリア移動度が最大3000 cm²/V·sに達し、半整数量子ホール効果を確認したことで、材料の高い電子的品質が裏付けられた。

ABSTRACT

We report wafer-scale graphene synthesized by chemical vapor deposition (CVD) on copper foils at ambient pressure. Graphene films up to 4 inches in size are synthesized and transferred to SiO2/Si. Spectroscopic Raman mapping demonstrates that the synthesized films consist primarily of monolayer graphene (with as high as ~90% area coverage). Low temperature transport measurements are performed on devices made from such CVD graphene. We observe ambipolar field effect (with on/off ratio ~5 and carrier mobilities up to ~3000 cm/Vs) and the hall-mark “half-integer” quantum Hall effect. We also observe weak localization of carriers and extract phase coherence length up to 0.3 μm.

研究の動機と目的

• 産業統合に適した大面積グラフェン膜をスケーラブルに成長させる方法の開発。
• 高圧CVDプロセスの制限を克服し、銅フィルム上での大気圧下合成を可能にする。
• ナノエレクトロニクス用途に適したウェーハスケールグラフェンの高均一性および電子的品質を達成する。
• 低温度でのCVD成長グラフェンの電子的輸送特性を特徴づける。
• 大面積CVDグラフェンにおける位相コherー二ンスおよび局在化効果を評価する。

提案手法

• 銅フィルムを基板として用いた大気圧下でのグラフェンの化学蒸着法（CVD）による成長。
• 最大4インチのグラフェン膜の合成後、SiO2/Si基板への転写。
• 層の均一性と面積被覆率（最大~90%の単層グラフェン）を評価するためのラマンスペクトルマッピング。
• フィールド効果および量子輸送を調査するため、作製されたデバイスで低温度電気的輸送測定を実施。
• 磁気伝導度測定を用いた弱い局在化および位相コherー二ンス長の分析。
• 高キャリア移動度および品質を裏付ける、半整数量子ホール効果の観察。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気圧下でのCVDを用いた銅フィルム上に、高品質なウェーハスケールグラフェンを合成可能か？
• RQ2 4インチウェーハ上でのCVD成長グラフェンの均一性および層被覆率はいかほどか？
• RQ3 低温度下での大気圧CVDグラフェンの電気的輸送特性は何か？
• RQ4 合成されたグラフェンは半整数量子ホール効果を示すか？これは高移動度を示唆するか？
• RQ5 CVD成長グラフェンにおける位相コherー二ンス長は何か？これは電子の局在化について何を示唆するか？

主な発見

• 大気圧下でのCVDを用いた銅フィルム上に、最大4インチのグラフェン膜が成功裏に合成された。
• ラマンマッピングにより、ウェーハスケール膜全体で最大~90%の単層グラフェン被覆が確認された。
• オン/オフ比が約5の双極性フィールド効果行動が観察された。
• 合成されたグラフェンでキャリア移動度が最大~3000 cm²/V·sに達した。
• 高品質および高移動度を裏付ける、特徴的な半整数量子ホール効果が観察された。
• 弱い局在化測定から、最大0.3 μmの位相コherー二ンス長が抽出され、材料内に長い量子コherー二ンスが存在することが示された。