[논문 리뷰] Large domain graphene

Xuesong Li, Carl W. Magnuson외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 19.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초저압 화학기상증착(CVD) 방법을 제시하여 coppeR 호일 상에서 대규모 영역의 그래핀을 성장시키며, 1000 °C 근처의 온도와 초저속 메탄 유량을 사용하여 수백 마이크로미터에 이르는 영역을 달성한다. 결과적으로 생성된 그래핀 필름은 최대 21,000 cm²/Vs의 높은 운반자 이동도를 나타내어 대면적 고품질 그래핀 합성 분야에서 중요한 진전을 이룬다.

ABSTRACT

Graphene growth by chemical vapor deposition has received a lot of attention recently owing to the ease with which large area films can be grown, but growth of large domain or equivalently large grain size has not been reported yet. In this brevia, we report on a CVD process that yields graphene with domains of hundreds of micrometers, by very low pressure CVD, less than 50 mTorr, and very low precursor flow rates using methane as the source of carbon on the inside of copper foil enclosures at high temperature, around 1000 oC. The carrier mobility for the large-domain graphene films is up to 21,000 cm2/Vs.

연구 동기 및 목표

• 전자적 응용에 적합한 대규모 영역 그래핀을 합성할 수 있는 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 기존 CVD 방법으로 합성된 그래핀에서의 작은 결정립 크기의 한계를 극복하기 위해.
• 대면적 필름에서의 결정립 경계와 결함을 최소화하여 고운반자 이동도를 달성하기 위해.
• 압력, 유량, 온도와 같은 CVD 공정 조건을 최적화하여 영역 크기 제어를 위해.
• 실용적 장치 통합에 적합한 고품질 대면적 그래핀의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 표면 확산을 향상시키고 핵형성 밀도를 감소시키기 위해 50 mTorr 이하의 압력을 사용한 초저압 CVD를 적용하였다.
• 탄소 공급을 제한하고 수평 성장을 수직 핵형성보다 우선시하기 위해 초저속 메탄 유량을 사용하였다.
• 균일한 온도 및 기체 분포를 확보하기 위해 구리 호일을 밀폐된 캐비닛 내에서 성장시켰다.
• 구리 표면에서 탄소 아담이의 이동도를 향상시키기 위해 고온(~1000 °C)에서 합성을 수행하였다.
• 압력과 원료 유량을 조절하여 핵형성 밀도를 제어하고, 대규모 단일 영역로의 공통성 형성을 유도하였다.
• 운반자 이동도를 측정하기 위해 전기적 운반 특성 측정을 통해 생성된 필름을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저압 CVD를 사용하여 최소한의 결정립 경계를 가진 대규모 영역 그래핀을 합성할 수 있는가?
• RQ2 원료 공급 유량과 압력을 감소시키면 영역 크기와 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CVD로 합성된 대규모 영역 그래핀에서 도달 가능한 최대 운반자 이동도는 얼마인가?
• RQ4 통제 가능하고 스케일러블한 조건으로 구리 호일 상에서 고품질 그래핀을 합성할 수 있는가?
• RQ5 성장 조건이 핵형성 밀도와 수평 성장 동역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초저속 메탄 유량과 50 mTorr 이하의 압력을 사용하여 100 마이크로미터 이상의 그래핀 영역을 달성하였다.
• 이 방법은 결정립 경계 밀도가 감소한 대규모 단일결정 영역을 생성하여 고수준의 전자적 품질을 가능하게 하였다.
• 운반자 이동도는 최대 21,000 cm²/Vs에 도달하여 높은 결정성 품질과 낮은 결함 밀도를 나타내었다.
• 저압과 저유량 조건은 핵형성을 억제하여 수평 성장과 영역 공통성을 유도하였다.
• 밀폐된 구리 호일 캐비닛은 열 및 기체 분포의 균일성을 확보하여 재현 가능한 대규모 영역 성장에 필수적이었다.
• 결과적으로 고성능 고주파 및 고이동도 전자소자에 적합한 고품질 그래핀의 스케일러블한 길을 제시하였다.