[논문 리뷰] Low temperature crystallization of diamond-like carbon films to graphene by low energy plasma surface treatment

Savcho Tinchev|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 03.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 비정질 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 필름을 퉤도 아르곤 플라즈마 처리 후 350 °C에서 열처리를 통해 그래핀으로의 저온 크리스탈라이제이션을 입증한다. 결과적으로 생성된 물질은 결함이 있는 그래핀의 특징을 보이는 라만 스펙트럼을 나타내며, 전자기기 응용을 위한 기질을 필요로 하지 않고 이식하지 않는 그래핀 합성의 잠재력이 높다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기질 이식 없이 저온에서 비정질 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 필름을 그래핀으로 전환시키는 방법을 개발하기 위해.
• 기존 그래핀 제조 방식에서의 고온 합성 및 복잡한 이식 공정의 과제를 해결하기 위해.
• 전자적 응용을 위해 절연성 DLC 기질 위에 직접 그래핀을 성장시키기 위해.
• 결함 공학을 적용한 그래핀 합성에 있어서 플라즈마 표면 처리를 타당한 길로 탐색하기 위해.

제안 방법

• 비정질 DLC 필름 표면에 펄스형 아르곤 플라즈마를 도포하기 위해.
• 탄소 원자의 구조 재조직을 촉진하기 위해 350 °C에서 후속 열처리를 수행하기 위해.
• 결과로 생성된 탄소 필름의 결정성과 결함 농도를 분석하기 위해 라만 스펙트로스코피를 사용하기 위해.
• 기질 손상을 최소화하면서도 탄소 네트워크 재구성가능성을 확보하기 위해 저에너지 플라즈마를 활용하기 위해.
• 플라즈마 처리와 열처리를 조합하여 균열화의 에너지 장벽을 낮추기 위해.
• 외부 촉매나 고온 공정 없이 절연성 DLC 위에 직접 소수층 그래핀을 형성하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스형 아르곤 플라즈마 처리가 저온에서 비정질 DLC 필름의 균열화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 플라즈마 및 열처리 후 탄소 필름의 구조적 품질은 라만 스펙트로스코피로 어떻게 나타나는가?
• RQ3 결정화 과정이 절연 기질 위에 그래핀 유사 탄소 구조를 형성하는 데 얼마나 제어 가능한가?
• RQ4 이 방법이 이식 단계 없이 비금속 절연 기질 위에 직접 그래핀을 합성할 수 있는가?
• RQ5 플라즈마 및 열처리의 조합이 저온에서 탄소 상 전이를 촉진하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 펄스형 아르곤 플라즈마 처리와 350 °C 열처리 후 비정질 DLC의 부분적인 크리스탈라이제이션이 그래핀 유사 탄소로 이루어졌다.
• 라만 스펙트럼은 분리된 D-피크와 G-피크, 넓은 2D-피크를 보이며, 이는 결함이 있는 그래핀의 특징이다.
• 관측된 결함 서명은 결과 탄소 네트워크 내 구조적 불완전성이 존재함을 시사한다.
• 이 방법은 기존의 비정질 탄소의 고온 열처리보다 훨씬 낮은 온도에서 그래핀 형성을 가능하게 한다.
• 이 과정는 절연 기질과 호환되어 이식 없이 직접 성장이 가능하다.
• 결과는 전자기기 응용을 위한 결함 공학이 적용된 이식 없는 그래핀 합성에 실현 가능한 길을 제시한다.