[논문 리뷰] Rapid characterization of wafer-scale 2D material: Epitaxial graphene and graphene nanoribbons on SiC

Vishal Panchal, Yanfei Yang외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 레이저 공형 현미경(Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM)이 실리카카바이드(SiC) 기반의 웨이퍼 스케일 에피택시얼 그래핀 및 그래핀 나노리본에 대해 빠르고 비파괴적이며 대기 중 환경에서도 사용 가능한 특성 분석을 가능하게 한다고 보여준다. 약 150 nm 해상도와 라만 분석 또는 주사형 탐침 현미경(SPM)보다 수백 배 빠른 촬영 속도를 바탕으로, CLSM는 강도 대비를 통해 상호작용층, 단일층/이중층, 과성장된 상태와 같은 그래핀 상을 식별할 수 있으며, 산업용 2차원 재료 품질 관리에 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

We demonstrate that the confocal laser scanning microscopy (CLSM) provides a non-destructive, highly-efficient characterization method for large-area epitaxial graphene and graphene nanostructures on SiC substrates, which can be applied in ambient air without sample preparation and is insusceptible to surface charging or surface contamination. Based on the variation of reflected intensity from regions covered by interfacial layer, single layer, bilayer, or few layer graphene, and through the correlation to the results from Raman spectroscopy and SPM, CLSM images with a high resolution (around 150 nm) reveal that the intensity contrast has distinct feature for undergrown graphene (mixing of dense, parallel graphene nanoribbons and interfacial layer), continuous graphene, and overgrown graphene. Moreover, CLSM has a real acquisition time hundreds of times faster per unit area than the supplementary characterization methods. We believe that the confocal laser scanning microscope will be an indispensable tool for mass-produced epitaxial graphene or applicable 2D materials.

연구 동기 및 목표

• 웨이퍼 스케일의 2차원 재료를 SiC 기반으로 빠르고 비파괴적이며 대기 중 환경에서도 사용 가능한 방법으로 특성 분석하는 데 목적이 있다.
• 다양한 그래핀 상(예: 상호작용층, 단일층, 이중층, 과성장된 상태)과 관련된 고유한 광학 대비 패tern을 CLSM에서 식별하는 데 목적이 있다.
• 에피택시얼 그래핀 및 그래핀 나노리본의 고속 품질 평가를 가능하게 하여 산업적 확장성을 확보하는 데 목적이 있다.
• 라만 분석 및 주사형 탐침 현미경(SPM)과 같이 느리고 준비 과정이 복잡한 기법들에 대한 의존도를 줄이는 데 목적이 있다.
• CLSM를 실시간으로 그래핀 성장 및 형상 변화를 모니터링할 수 있는 실용적이고 실시간 도구로 정립하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 에피택시얼 그래핀 및 그래핀 나노리본을 4H-SiC 기반으로 한 웨이퍼 스케일에서 대기 중 조건에서 표본 준비 없이도 Confocal Laser Scanning Microscopy(CLSM)를 이용해 촬영하였다.
• 다양한 그래핀 영역(상호작용층, 단일층, 이중층, 다중층, 과성장된 상태)에서 반사된 레이저 강도 변화를 측정하여 고해상도(약 150 nm) 광학 대비도를 생성하였다.
• 라만 분석 및 주사형 탐침 현미경(SPM)의 기준 데이터와의 상관 분석을 통해 상의 식별 정확도를 검증하였다.
• 라만 분석 또는 SPM보다 단위 면적당 촬영 속도가 수백 배 빠른 실시간 CLSM 촬영을 수행하였다.
• 강도 대비 특징을 분석하여, 밀도 있고 평행한 나노리본과 상호작용층이 함께 존재하는 미성성장 그래핀(undergrown graphene)과 연속성 있는 그래핀 및 과성장 그래핀을 구분하였다.
• 561 nm 파장의 레이저를 이용하여 그래핀 다층막과 상호작용층 간의 광학 반사도 차이를 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CLSM는 실리카카바이드 기반의 웨이퍼 스케일 에피택시얼 그래핀 및 그래핀 나노리본에 대해 빠르고 비파괴적이며 대기 중 환경에서도 사용 가능한 특성 분석을 제공할 수 있는가?
• RQ2 특정 그래핀 상(예: 상호작용층, 단일층, 이중층, 과성장된 상태)과 관련된 고유한 CLSM 강도 대비 패턴이 존재하는가?
• RQ3 대규모 2차원 재료 검사에 있어 CLSM의 촬영 속도는 기존의 라만 분석 및 SPM와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 CLSM는 밀도 있고 평행한 나노리본과 상호작용층이 함께 존재하는 미성성장 그래핀을 연속성 있는 그래핀 및 과성장 그래핀과 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ5 표본 준비 없이도 CLSM는 대기 중에서 표면 전하 및 오염에 영향을 받지 않으며 강건한가?

주요 결과

• CLSM는 실리카카바이드 기반의 에피택시얼 그래핀 및 그래핀 나노리본 이미징에서 약 150 nm의 공간 해상도를 확보하여 세밀한 형상 지도를 가능하게 하였다.
• CLSM 이미지에서의 강도 대비 패턴은 명확하게, 밀도 있고 평행한 나노리본과 상호작용층이 함께 존재하는 미성성장 그래핀, 연속성 있는 그래핀, 과성장 그래핀을 구분하였다.
• CLSM의 촬영 속도는 라만 분석 및 SPM보다 단위 면적당 수백 배 빠르며, 고속 통과 검사가 가능하였다.
• CLSM는 비파괴적이며 대기 중 환경에서도 사용 가능했으며 표본 준비가 필요 없었으며, 표면 전하나 오염에 영향을 받지 않았다.
• 라만 분석 및 SPM와의 상관 분석을 통해 CLSM 강도 변화가 다양한 그래핀 층 수와 구조적 상을 신뢰성 있게 나타냄을 확인하였다.
• 이 방법은 웨이퍼 스케일 2차원 재료(에피택시얼 그래핀 등)의 산업적 품질 관리에 매우 큰 잠재력을 보였다.