[논문 리뷰] Fully dry PMMA transfer of graphene on h-BN using a heating/cooling system

Teerayut Uwanno, Yoshiaki Hattori외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 23.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 PMMA 잔류물 제거를 위해 가열/냉각 시스템을 사용하여 그래핀을 헥사곤형 붕소 nitride(h-BN) 위에 완전히 건식으로 이송하는 방법을 제시한다. 고분자(PMMA/PDMS)와 2차원 재료(그래핀/h-BN) 사이의 열팽창 계수의 불일치를 이용하여 열 사이클링이 기계적 박리 작용을 유도함으로써, 고급 반데르발스 이종구조를 위한 청결하고 잔류물이 없는 인터페이스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The key to achieve high-quality van der Waals heterostructure devices made of stacking various two-dimensional (2D) layered materials lies in the clean interface without bubbles and wrinkles. Although polymethylmethacrylate (PMMA) is generally used as a sacrificial transfer film due to its strong adhesion property, it is always dissolved in the solvent after the transfer, resulting in the unavoidable PMMA residue on the top surface. This makes it difficult to locate clean interface areas. In this work, we present a fully dry PMMA transfer of graphene onto h-BN using a heating/cooling system which allows identification of clean interface area for high quality graphene/h-BN heterostructure fabrication. The mechanism lies in the utilization of the large difference in thermal expansion coefficients between polymers (PMMA/PDMS) and inorganic materials (graphene/h-BN substrate) to mechanically peel off PMMA from graphene by the thermal shrinkage of polymers, leaving no PMMA residue on the graphene surface. This method can be applied to all types of 2D layered materials.

연구 동기 및 목표

• 2차원 반데르발스 이종구조에서 인터페이스 품질을 떨어뜨리는 그래핀 이송 후 PMMA 잔류물을 제거하기 위해.
• 이송 중 2차원 재료의 정합성을 유지하는 용매를 사용하지 않는 이송 공정을 개발하기 위해.
• 고성능 이종구조 장치 제작을 위한 청결한 인터페이스 영역을 명확히 식별할 수 있도록 하기 위해.
• 그래핀과 h-BN을 초과하여 다양한 2차원 다층 재료에 적용 가능한 일반화 가능한 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• PMMA 코팅된 그래핀/h-BN 스택에 가열/냉각 시스템을 사용하여 열 사이클링을 수행한다.
• PMMA와 무기 2차원 재료 사이의 열팽창 계수 불일치로 냉각 과정에서 기계적 응력이 발생한다.
• 냉각 시 PMMA는 하부 2차원 재료보다 더 많이 수축하여 고분자의 기계적 박리가 가능해진다.
• 이 과정은 용매를 회피하여 그래핀 표면에 PMMA 잔류물이 남지 않도록 보장한다.
• 이 방법은 건식, 용매 기반 이송 방법을 통해 h-BN 기판 위에 그래핀을 이송하는 데 적용된다.
• 이 기술은 고분자와 2차원 재료의 열수축 성질의 차이를 활용하여 청결한 탈착을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용매를 사용하지 않는 PMMA 이송 방법을 개발하여 2차원 재료 표면의 잔류 고분자를 제거할 수 있는가?
• RQ2 열 사이클링이 열팽창 계수의 차이를 어떻게 활용하여 건식 PMMA 제거를 가능하게 하는가?
• RQ3 이 방법이 고급 이종구조를 위한 그래핀과 h-BN 사이의 청결하고 잔류물이 없는 인터페이스를 생성할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 그래핀과 h-BN를 초과하여 다른 2차원 다층 재료에 일반화 가능한가?
• RQ5 이 과정은 장치 제작 중에 청결한 인터페이스 영역을 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 가열/냉각 과정을 통해 용매 없이 PMMA가 그래핀에서 성공적으로 제거되었으며, 검출 가능한 잔류물이 없었다.
• 이 방법은 그래핀과 h-BN 사이의 청결한 인터페이스 영역을 명확히 식별하는 데 기여했다.
• 열 사이클링으로 인해 PMMA와 2차원 재료 간의 열팽창 계수의 큰 차이로 인해 기계적 박리가 발생했다.
• 이 기술은 그래핀/h-BN에 국한되지 않고 다양한 2차원 다층 재료에 적용 가능하다.
• 용매 노출을 피함으로써 2차원 이종구조의 구조적 및 전자적 품질이 유지되었다.
• 이 접근법은 최소한의 인터페이스 오염으로 고성능 반데르발스 이종구조의 제작을 촉진한다.