[논문 리뷰] Graphene Synthesis by Surface Segregation on Ni and Cu

Qingkai Yu, Jie Lian외 4명|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 10.

Graphene research and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대기압 조건에서 Ni 및 Cu 기질 상에서 탄소 표면 분리에 의한 고품질 그래핀 합성 방법을 제시한다. 고온에서 Ni에 탄소를 용해시킨 후 냉각 속도를 제어함으로써, 균일한 두께를 가진 잘 제어된 결정성 그래핀 필름을 얻을 수 있으며, 습식 에칭을 통해 유전체 기질으로의 이송 후에도 품질을 유지한다.

ABSTRACT

We report an approach to synthesize high quality graphene by surface segregation and substrate transfer. Graphene was segregated from Ni surface under the ambient pressure by dissolving carbon in Ni at high temperatures followed by cooling down with various rates. Different cooling rates led to different segregation behaviors, strongly affecting the thickness and quality of the graphene films. Electron microscopy and Raman spectroscopy indicated that the graphene films synthesized with medium cooling rates have high quality crystalline structure and well-controlled thicknesses. The graphene films were transferred to insulating substrates by wet etching and found to maintain their high quality.

연구 동기 및 목표

• 고품질 그래핀 필름을 대량 생산할 수 있는 대기압 기반 합성 방법을 개발하기.
• 표면 분리 과정 중 Ni 기질에서의 냉각 속도가 그래핀 두께와 결정성에 미치는 영향을 조사하기.
• 손상 없이 고품질 그래핀을 유전체 기질으로 이송할 수 있도록 하기.
• 균일한 단일 또는 다수층 그래핀 필름을 위한 합성 조건을 최적화하기.

제안 방법

• 대기압 조건에서 고온에서 니켈(Ni) 기질에 탄소를 용해시켰다.
• 다양한 냉각 속도로 제어된 냉각을 통해 표면 분리가 발생하여 Ni 표면에 그래핀 필름이 형성되었다.
• 합성된 그래핀의 구조적 품질과 두께를 특성화하기 위해 전자현미경 및 라만 스펙트로스코피를 사용하였다.
• Ni 기질에서 유전체 기질으로 그래핀 필름을 이송하기 위해 습식 에칭을 적용하였다.
• 냉각 속도를 체계적으로 변화시켜 그래핀 형상과 결정성에 미치는 영향을 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ni에서 탄소 분리 중 냉각 속도가 합성된 그래핀의 두께와 결정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 표면 분리 방법을 통해 대기압 조건에서 고품질의 단일 또는 다수층 그래핀을 합성할 수 있는가?
• RQ3 습식 에칭을 통해 유전체 기질으로 이송한 후 그래핀의 품질은 어느 정도 유지되는가?
• RQ4 기질 재질(Ni 대비 Cu)이 표면 분리에 의한 그래핀 성장 제어에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 중간 냉각 속도로 합성된 그래핀 필름이 가장 높은 결정성 품질과 가장 균일한 두께를 보였다.
• 전자현미경 분석을 통해 Ni 기질 상에 연속적이고 단일 또는 다수층의 그래핀 필름 존재가 확인되었다.
• 라만 스펙트로스코피 분석 결과, 낮은 결함 밀도와 높은 2D/G 피크 강도 비율이 관측되어 높은 구조적 품질을 나타내었다.
• 습식 에칭을 통해 유전체 기질으로 이송한 후에도 그래핀 필름이 높은 품질을 유지하였다.
• 냉각 속도는 분리 거동과 필름 균일성에 영향을 미치는 핵심 매개변수로 규명되었다.