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

Samit Karmakar, Soumik Kumar Kundu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Graphene research and applications参考文献 15被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种新型的、自主开发的2.45 GHz电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR PECVD）系统，用于在多晶铜箔上大规模合成石墨烯。通过利用等离子体产生的热量和氢气预退火处理，该方法在比传统热CVD更低的基底温度下实现了高质量石墨烯，拉曼光谱分析证实了石墨烯均匀且缺陷密度低的单层生长。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、自主的ECR PECVD系统，用于可扩展的石墨烯合成。
• 通过利用等离子体产生的热量，相比传统热CVD降低基底加热需求。
• 优化等离子体条件，实现在催化性铜箔上的高质量、大面积单层石墨烯生长。
• 研究氢气预退火和氩气冷却在提升石墨烯质量中的作用。
• 展示使用自研ECR PECVD装置实现可重复、大面积石墨烯生长的可行性。

提出的方法

• 设计并制造了一套自主开发的2.45 GHz永磁型ECR PECVD系统，用于纳米结构与薄膜合成。
• 在共振氢气等离子体中对多晶铜箔进行预退火，以制备催化表面。
• 以甲烷作为碳源，氢气和氩气分别作为载气和冷却气体。
• 系统控制生长参数，包括温度、总压强、合成时间及气体比例。
• 等离子体加热显著降低了对外部基底加热的需求，从而降低了运行温度。
• 通过拉曼光谱对生长后的样品进行表征，以评估石墨烯的质量与均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自主开发的ECR PECVD系统是否能在相比传统热CVD显著降低热输入的条件下实现大面积石墨烯合成？
• RQ2 对铜箔进行氢气等离子体预退火如何影响所合成石墨烯的成核行为与质量？
• RQ3 在高质量单层石墨烯生长中，气体比例、压强与合成时间的最佳组合是什么？
• RQ4 等离子体加热在石墨烯CVD过程中在多大程度上减少了对外部基底加热的需求？
• RQ5 氩气在石墨烯合成过程中如何促进热力学稳定性并提升石墨烯质量？

主要发现

• 自主开发的ECR PECVD系统成功在铜箔上实现了大面积石墨烯的合成，且外部加热需求极低。
• 等离子体加热显著降低了所需基底温度，实现了更低热预算的石墨烯合成。
• 对铜箔进行氢气预退火改善了表面质量，并促进了石墨烯的均匀成核。
• 拉曼光谱证实了高质量单层石墨烯的存在，缺陷密度较低（I2D/IG比值较低）。
• 氩气促进了快速冷却，维持了有利于石墨烯生长的热力学条件。
• 该方法在铜箔表面实现了可重复、大面积的石墨烯合成，拉曼映射结果表现出高度一致性。