[논문 리뷰] Wafer-scale Graphene Synthesized by Chemical Vapor Deposition at Ambient Pressure

Helin Cao, Qingkai Yu외 10명|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 22.

Graphene research and applications참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 구리 필름을 기반으로 대기압 화학기상증착(CVD)을 통해 웨이퍼 스케일 단층 그래핀 성장을 실현하였으며, 최대 4인치 크기의 필름을 ~90% 면적 커버리지로 확보하였다. 고질적 전자적 성질, 즉 양극성 필드효과 행동(on/off 비율 ~5), 실내에서 측정된 실린더 이동도 최대 3000 cm²/V·s, 반정수 양자홀 효과 등은 재료의 높은 전자적 품질을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업 통합에 적합한 대면적 그래핀 필름을 양산할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 고압 CVD 공정의 한계를 극복하기 위해 구리 필름 기반에서 대기압 합성을 가능하게 하기 위해.
• 나노전자소자 응용을 위한 웨이퍼 스케일 그래핀에서 고균일성과 높은 전자적 품질을 달성하기 위해.
• 저온에서 CVD로 합성된 그래핀의 전자 이동성 특성을 특성화하기 위해.
• 대면적 CVD 그래핀에서의 위상 공명 및 국소화 효과를 평가하기 위해.

제안 방법

• 구리 필름을 기판으로 사용하여 대기압에서 그래핀을 화학기상증착(CVD)하는 방법.
• 최대 4인치 크기의 그래핀 필름을 합성한 후 SiO2/Si 기판으로 이송하는 방법.
• 층수 균일성과 면적 커버리지(최대 ~90% 단층 그래핀) 평가를 위한 라만 스펙트럼 맵핑.
• 장치를 제작한 후 저온 전기적 이동성 측정을 통해 필드효과 및 양자 이동성 탐색.
• 자기장 전도도 측정을 통한 약한 국소화 및 위상 공명 길이 분석.
• 높은 이동도와 품질을 확인하기 위해 반정수 양자홀 효과 관측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기압에서 CVD를 이용해 구리 필름 기반으로 고품질의 웨이퍼 스케일 그래핀을 합성할 수 있는가?
• RQ2 4인치 웨이퍼에서 CVD로 합성된 그래핀의 균일성과 층 수 커버리지는 어떠한가?
• RQ3 저온에서 대기압 CVD 그래핀의 전기적 이동성 특성은 어떠한가?
• RQ4 합성된 그래핀이 높은 이동도를 나타내는지 확인하기 위해 반정수 양자홀 효과를 나타내는가?
• RQ5 CVD로 합성된 그래핀에서의 위상 공명 길이는 얼마이며, 전자 국소화에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 대기압에서 CVD를 이용해 최대 4인치 크기의 그래핀 필름을 성공적으로 합성하였다.
• 라만 맵핑을 통해 웨이퍼 스케일 필름 전반에 걸쳐 최대 ~90%의 면적 커버리지로 단층 그래핀임을 확인하였다.
• on/off 비율 약 5인 양극성 필드효과 행동이 관측되었다.
• 합성된 그래핀에서 실내에서 측정된 실린더 이동도 최대 약 ~3000 cm²/V·s를 기록하였다.
• 고품질 및 고이동도를 확인하는 상징적인 반정수 양자홀 효과가 관측되었다.
• 약한 국소화 측정을 통해 최대 0.3 μm의 위상 공명 길이가 추출되었으며, 이는 재료 내 장거리 양자 공명을 시사한다.