[논문 리뷰] Magneto-transport of large CVD-grown graphene

Eric Whiteway, Victor Yu외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 26.

Graphene research and applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 구리 토대 위에서 화학기상증착(CVD)을 통해 얻은 센티미터 크기의 단층 그래핀에서의 자화운반 특성을 조사한다. 약한 국소화와 강한 국소화로 인한 낮은 자기장에서의 저항 피크가 관측되었으며, 대규모 저항 변동은 구리 결정립 경계로 인해 발생하여, 거대한 비균일성과 접점 오차가 존재하는 상황에서도 정밀한 홀 운반자 밀도 추출이 가능함을 보여준다.

ABSTRACT

We present magnetoresistance measurements on large scale monolayer graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) on copper. The graphene layer was transferred onto SiO2/Si via PMMA and thermal release tape for transport measurements. The resulting centimeter-sized graphene samples were measured at temperatures down to 30mK in a magnetic field. We observe a very sharp peak in resistance at zero field, which is well fitted by weak localization theory. The samples exhibit conductance fluctuations symmetric in field, which are attributed to ensemble averaged conductance fluctuations due to large scale inhomogeneities consistent with the grain boundaries of copper during the CVD growth.

연구 동기 및 목표

• 작은 기계적 분리된 플레이크의 한계를 극복하고 대규모 CVD 증착 단층 그래핀에서의 자화운반 특성을 연구하기 위해.
• 초저온에서 대규모 그래핀 샘플에서 관측된 날카운 자기장 0 T에서의 저항 피크의 기원을 조사하기 위해.
• macroscopic 그래핀 장치에서 대규모 저항 변동의 원인을 규명하기 위해.
• 중대한 접점 오차와 비균일성 존재하에서도 홀 운반자 밀도를 신뢰성 있게 추출할 수 있는지 확인하기 위해.
• 구리 기반재의 결정립 경계가 이주된 그래핀에서 거대한 비균일성을 유도하는 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 1025 °C에서 메탄과 수소 기체 유량 조건 하에 25 µm 두께의 구리 필름 위에서 CVD를 통해 단층 그래핀을 성장시키고, 제어된 냉각을 수행하였다.
• PMMA 또는 열분리 테이프를 사용하여 그래핀을 SiO₂/Si 기반재로 이주시켜 필름의 무결성을 유지하였다.
• 은 풍선 접촉을 사용한 반도체 밴드 투과형 구조를 이용하여 30 mK에서 저온 자화운반 측정을 수행하였다.
• 자기장에 따른 저항의 대칭 및 비대칭 성분을 분석하여 국소화와 접점 오차 기여도를 분리하였다.
• 약한 국소화와 강한 국소화 이론을 적용하였으며, 국소화 길이 ΔL_c(ϕ)/L_c(ϕ)의 맥컬런의 보편적 B-의존성도 포함하였다.
• B·L_ϕ² 의존성에 기반하여 위상 일관성 길이 L_ϕ ≈ 450–550 nm를 추출하였고, 국소화 길이 L_c(0) ≈ 4 µm로 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30 mK에서 대규모 CVD 증착 그래핀에서 날카운 자기장 0 T 저항 피크는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 구리 기반재의 결정립 경계로 인한 거대한 비균일성이 이주된 그래핀의 운반 특성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 큰 저항 변동과 접점 오차가 존재하는 상황에서도 홀 운반자 밀도를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ4 약한 국소화와 강한 국소화 효과가 대규모 CVD 그래핀에서 어떻게 공존하는가?
• RQ5 위상 일관성 길이 L_ϕ 와 국소화 길이 L_c 가 자화운반 반응을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모든 측정된 센티미터 크기의 CVD 증착 그래핀 샘플에서 B = 0 T에서 매우 날카운 저항 피크가 관측되었으며, 이는 약한 국소화와 강한 국소화 효과와 일치하였다.
• 30 mK 데이터는 국소화 길이의 보편적 B-의존성과 잘 맞아떨어졌으며, L_ϕ ≈ 450 nm일 때 L_ϕ / L_c(0) ≈ 0.11 이고 L_c(0) ≈ 4 µm로 도출되었다.
• ΔL_c의 B·L_ϕ² 의존성에 기반한 L_ϕ 의 독립적 추정치는 L_ϕ ≈ 550 nm로 도출되었으며, 맥컬런 이론 기반 값과 일치하였다.
• 약 1% 수준의 저항 변동이 자기장에 대해 대칭적이고 재현 가능했으며, 이는 메조스코픽 변동이 아닌 고전적 비균일성임을 시사하였다.
• 이 변동은 일반적으로 약 500 µm 크기의 구리 기반재의 결정립 경계로 인한 대규모 비균일성 때문임을 규명하였으며, 이는 샘플 전반에 걸쳐 운반자 농도와 이동도에 영향을 미친다.
• 큰 접점 오차와 저항 변동이 존재하는 상황에서도 정밀한 홀 운반자 밀도 추출이 가능했으며, 이는 측정 방법의 강건성을 입증한다.