[논문 리뷰] Large area graphene synthesis on catalytic copper foil by an indigenous electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition setup

Samit Karmakar, Soumik Kumar Kundu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 21.

Graphene research and applications참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다결정 구리 필름 상에서 대면적 그래핀 합성을 위한 새로운 독자적 개발된 2.45 GHz 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 강화 화학 기상 에피택셜 증착(EDC PECVD) 시스템을 제시한다. 플라즈마에서 발생하는 열과 수소 전처리 열처리를 활용하여, 기존의 열적 CVD에 비해 낮은 기질 온도에서도 고품질의 그래핀을 얻을 수 있었으며, 라만 스펙트로스코피를 통해 균일하고 결함이 적은 단층 그래핀 성장이 확인되었다.

ABSTRACT

A novel route for the synthesis of large area graphene by an indigenously built electron cyclotron resonance (ECR) plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) setup has been reported in this work. A unique 2.45 GHz permanent magnet type ECR PECVD system has been designed and developed for the growth of various nano-structures and films. The apparatus has a unique advantage to synthesize large area graphene at much lower additional substrate heating than heat supplied by an external oven in conventional thermal CVD method. A major amount of heat is supplied here by ECR plasma. Polycrystalline copper foil is used here as a catalytic substrate which is pre annealed inside resonant hydrogen plasma prior to its exposure under precursor gaseous plasma inside the ECR PECVD reactor. Methane is used as carbon precursor along with hydrogen as carrier gas. Argon gas is used for the rapid cooling of the substrate maintaining suitable thermodynamic condition favorable for graphene synthesis. The synthesis process has been carried out by controlling growth temperature, total pressure and synthesis time at various gas ratios. The exposed copper foil has been characterized by Raman spectroscopy to investigate the quality of synthesized graphene in the home made reactor.

연구 동기 및 목표

• 스케일업 가능한 그래핀 합성을 위한 저비용, 독자적 ECR PECVD 시스템 개발
• 플라즈마에서 발생하는 열을 활용하여 기존의 열적 CVD에 비해 기질의 가열 요구를 줄이기
• 촉매성 구리 필름 상에서 고품질, 대면적 단층 그래핀 성장을 위한 플라즈마 조건 최적화
• 수소 전처리와 아르곤 냉각의 그래핀 품질 향상에 미치는 영향 조사
• 내부 제작된 ECR PECVD 장치를 활용한 재현 가능하고 대면적 그래핀 합성의 가능성 입증

제안 방법

• 나노구조 및 박막 합성을 위해 독자적으로 설계 및 제작한 2.45 GHz 영구자석형 ECR PECVD 시스템을 사용
• 촉매 표면를 준비하기 위해 공진 조건의 수소 플라즈마에서 다결정 구리 필름을 전처리 열처리
• 메탄을 탄소 원료로 사용하고, 수소와 아르곤을 각각 운반 가스 및 냉각 가스로 사용
• 온도, 총 압력, 합성 시간, 가스 비율 등의 성장 조건을 체계적으로 제어
• 플라즈마 가열 덕분에 외부 기질 가열의 필요성이 크게 감소하여 운영 온도가 낮아짐
• 성장 후 특성 분석을 위해 그래핀 품질과 균일성 평가를 위해 라만 스펙트로스코피를 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독자적 ECR PECVD 시스템이 기존의 열적 CVD에 비해 열 입력을 줄이고 대면적 그래핀 합성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 구리 필름의 수소 플라즈마 전처리가 합성된 그래핀의 핵형성 및 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고품질 단층 그래핀 성장을 위한 최적의 가스 비율, 압력 및 합성 시간 조합은 무엇인가?
• RQ4 그래핀 CVD 공정에서 플라즈마 가열이 외부 기질 가열의 필요성을 얼마나 줄이는가?
• RQ5 아르곤 가스는 그래핀 합성 중 열역학적 안정성과 품질에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 독자적 ECR PECVD 시스템이 기질 외부 가열을 최소화하면서도 구리 필름 상에서 대면적 그래핀을 성공적으로 합성
• 플라즈마 가열 덕분에 기질 온도가 크게 감소하여 낮은 열 예산으로의 그래핀 합성 가능
• 구리 필름의 수소 전처리가 표면 품질 향상과 균일한 그래핀 핵형성 촉진에 기여
• 라만 스펙트로스코피를 통해 저결함 밀도(낮은 I2D/IG 비율)를 가진 고품질 단층 그래핀 존재 확인
• 아르곤 가스가 빠른 냉각을 가능하게 하여 그래핀 성장에 유리한 열역학적 조건 유지
• 일관된 라만 매핑 결과를 통해 구리 필름 전체 표면에서 재현 가능하고 대면적 그래핀 합성 성공