(57)【要約】【課題】触媒合金を利用したグラフェンの製造方法を提供する。【解決手段】基板上にＮｉ含有合金触媒層を形成するステップと、合金触媒層上に炭化水素ガスを供給してグラフェン層を形成するステップと、を含み、Ｎｉ含有合金触媒層は、Ｃｕ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ａｕのうち少なくとも一つの金属及びＮｉを含み、グラフェンの製造時、触媒層にＮｉのカーボン溶解を減少させる触媒金属を共に使用することによって、触媒合金層に溶解されるカーボンの量を調節でき、したがって、均一な単一層のグラフェン層を形成できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に合金触媒層を形成するステップと、
前記合金触媒層上に炭化水素ガスを供給してグラフェン層を形成するステップと、を含む合金触媒層を利用したことを特徴とするグラフェンの製造方法。
【請求項２】
前記合金触媒層は、遷移金属のうち選択された少なくとも二つの金属からなることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項３】
前記合金触媒層は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）のうち選択された少なくとも二つの金属からなることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項４】
前記合金触媒層は、前記Ｎｉを５ないし３０原子％含む合金触媒層であることを特徴とする請求項３に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項５】
前記合金触媒層は、前記Ｎｉを約２０原子％に形成することを特徴とする請求項４に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項６】
前記合金触媒層は、Ｎｉ−Ｃｕ合金層であることを特徴とする請求項５に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項７】
前記合金触媒層の形成ステップは、前記合金触媒層を１０ないし１０００ｎｍの厚さに形成するステップであることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項８】
前記合金触媒層は、スパッタリング法及び蒸発法のうち選択された一つで形成することを特徴とする請求項２に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項９】
前記合金触媒層は、前記選択された少なくとも二つの金属で薄膜を積層した後、前記積層された薄膜を熱処理して形成することを特徴とする請求項３に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項１０】
前記合金触媒層は、前記選択された二つの金属で交互に複数回反復して形成することを特徴とする請求項９に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項１１】
前記選択された二つの金属は、相異なる厚さに形成されることを特徴とする請求項１０に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項１２】
前記選択された二つの金属は、Ｃｕ及びＮｉであり、Ｃｕ薄膜をＮｉ薄膜より厚く形成することを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの製造方法。
【請求項１３】
前記グラフェンの形成ステップは、６５０ないし７５０℃で行われることを特徴とする請求項１に記載のグラフェンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒合金層を利用したグラフェンの製造方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、六角形の格子構造の炭素原子からなる単一層の構造を有し、化学的に非常に安定しており、伝導帯及び価電子帯がディラックポイントでのみ重なるので、電気的に半金属の性質を有する。グラフェンにおいて、電子輸送は、弾道的な特性を有するので、電子の有効質量は０になり、したがって、電子移動度が非常に高いチャネルとして電界効果トランジスタに使われる。それ以外にも、Ｃｕの最大電流密度より１００倍以上高い１０８Ａ／ｃｍ２の電流が流れる。単一層のグラフェン層は、約２％の可視光線吸収度を有するので、光学的に非常に透明であり、機械的性質もヤング率が約１Ｐａと現存する最も堅固な物質として知られている。
【０００３】
前記のようなグラフェンの物理、光学、機械的性質を利用して多様な分野で応用が期待されるが、このためには、比較的簡単な方法で欠陥の少ない大面積のグラフェン単一層を合成する方法が必要である。
【０００４】
最近では、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）方法でＮｉ，Ｃｕ，Ｐｔなどの触媒金属上にグラフェン層を蒸着する方法が多く研究されてきている。しかし、グラフェンとグラファイトとが混在されて製造されて、均一な単一層のグラフェンを合成するのが困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、合金触媒層を利用して大面積にグラフェン単一層を製造する方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態による合金触媒を利用したグラフェンの製造方法は、基板上に合金触媒層を形成するステップと、前記合金触媒層上に炭化水素ガスを供給してグラフェン層を形成するステップと、を含む。
【０００７】
前記合金触媒層は、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ａｕのうち選択された少なくとも二つの金属からなる。
前記合金触媒層は、前記Ｎｉを５ないし３０原子％含む。
【０００８】
前記合金触媒層は、Ｎｉ−Ｃｕ合金層である。
【０００９】
前記合金触媒層の形成ステップは、前記合金触媒層を１０ないし１０００ｎｍの厚さに形成するステップである。
【００１０】
前記合金触媒層は、スパッタリング法及び蒸発法のうち選択された一つで形成される。
【００１１】
前記グラフェンの形成ステップは、６５０ないし７５０℃で行われる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による触媒合金を利用したグラフェンの製造方法は、触媒層にニッケルのカーボン溶解を減少させる触媒金属を共に使用することによって、触媒合金層に溶解されるカーボンの量を調節でき、したがって、均一な単一層のグラフェン層を形成できる。かかる均一な単一層のグラフェン層の形成は、大面積のグラフェン層の形成を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による触媒合金層を利用したグラフェンの製造方法を説明する断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による触媒合金層を利用したグラフェンの製造方法を説明する断面図である。
【図３】本発明の実施形態によって製造されたグラフェンのラマンスペクトル・グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、後述する実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜上誇張されうる。
【００１５】
図１及び図２は、本発明の実施形態による触媒合金を利用したグラフェンの製造方法を説明する図面である。
【００１６】
図１を参照すれば、基板１００を準備する。基板１００としては、６５０μｍの厚さのシリコン基板１００を使用でき、基板１００の表面に、シリコン基板１００を酸化させて１００ないし３００ｎｍの厚さのシリコン酸化物層１０２をさらに形成することもできる。基板１００としては、シリコン基板に限定されるものではない。例えば、サファイア基板などが使われることもある。
【００１７】
次いで、シリコン酸化物層１０２上にＮｉ及びＣｕからなる合金層１１０を形成する。合金層１１０には、Ｎｉが５ないし３０原子％含まれる。Ｎｉを単独でグラフェンの製造工程の触媒物質として使用する場合、Ｎｉにカーボンが溶解された後、冷却過程でカーボンが分離されて表面にグラフェンが形成されるが、カーボン溶解度が高くてグラフェンの厚さを調節しがたい。すなわち、単一層のグラフェンの代わりに、マルチ層のグラフェンが部分的に形成されたフレークグラフェンが形成される。
【００１８】
合金層１１０に含まれたＣｕは、炭化水素の分解で触媒として作用するが、カーボン溶解度が低い。ＣｕをＮｉと合金として触媒を形成する場合、Ｃｕは、Ｎｉでのカーボンの溶解を抑制し、Ｎｉは、Ｃｕ触媒でのグラフェンの成長速度を上昇させる。
【００１９】
合金層１１０でＮｉが５原子％以下使われる場合、炭化水素の分解がよく行われず、Ｎｉが３０原子％以上使われる場合、炭化水素の分解速度が速く、カーボン溶解度が高くなって、均一な単一層のグラフェンを得がたい。すなわち、製造されるグラフェンの厚さを制御しがたい。特に、合金層１１０内でＮｉが約２０原子％含まれる時、グラフェンが単一層としてよく成長される。
【００２０】
Ｎｉ含有合金層１１０を触媒層として利用する場合、比較的低温でグラフェンを製造できる。
【００２１】
合金層１１０は、Ｃｕ及びＮｉを基板１００上にコスパッタリングして形成できる。合金層１１０は、スパッタリング法、蒸発法及びＣＶＤ法でＣｕ薄膜とＮｉ薄膜とを交互に反復して積層した後、積層物をアニーリングして合金層１１０として形成することもできる。このとき、Ｃｕ薄膜は、Ｎｉ薄膜より厚く形成される。合金層１１０を１０ないし１０００ｎｍの厚さに形成できる。
【００２２】
図２を参照すれば、ＣＶＤ装置のチャンバー内に炭化水素ガスを供給して、合金層１１０上にグラフェン層１２０を形成する。炭化水素ガスとしては、アセチレンガスを使用でき、移送ガスとしては、Ａｒを使用できる。アセチレンガス及びＡｒは、１：４０ｓｃｃｍの割合で供給される。グラフェン層１２０の形成時、基板１００は、６５０ないし７５０℃に維持する。グラフェン層１２０は、単一層で形成される場合、約０．３ないし１ｎｍの厚さに形成される。
【００２３】
図３は、シリコン基板を使用し、それ上に２０原子％のＮｉと８０原子％のＣｕとを含む合金層を使用して製造されたグラフェン層のラマンスペクトルを示すグラフである。図３のラマンスペクトル・グラフは、Ｋｉｓｈグラファイトでピーリングオフ及びラビング方法により得たグラフェンのラマングラフとほぼ同じである。Ｄピーク（１３５０ｃｍ−１ピーク）がほとんど存在せず、Ｇピーク（１５８０ｃｍ−１ピーク）及び２Ｄピーク（２７００ｃｍ−１ピーク）がよく発達している。２Ｄ／Ｇピーク比が３以上となり、これは、単一層のグラフェンが形成されたことを示している。
【００２４】
前記実施形態では、Ｎｉ含有合金層がＣｕを含むが、本発明の実施形態は、必ずしもこれに限定されない。Ｃｕの代わりに、Ｆｅ，Ｐｔ，Ａｕを含む遷移金属をＮｉの触媒作用を抑制する物質として使用してもよい。また、遷移金属のうち互いにカーボンの溶解度が異なる選択された少なくとも二つ以上の金属からなる合金層であってもよい。
【００２５】
前記実施形態によれば、Ｎｉのカーボン溶解を減少させる触媒金属を共に使用することによって、触媒合金層に溶解されるカーボンの量を調節でき、したがって、均一な単一層のグラフェン層を形成できる。かかる均一な単一層のグラフェン層の形成は、大面積のグラフェン層の形成を可能にする。
【００２６】
以上、本発明の理解を助けるために、図面に示した実施形態を基準にして本発明が説明された。しかし、かかる実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、グラフェンの技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１００  基板
１０２  シリコン酸化物層
１１０  合金層
１２０  グラフェン層
【図１】
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【図２】
2011102231.tif 000004
【図３】
2011102231.tif 000005