In-Situ και Real-Time Φασμοτοσκοπική Ελλειψομετρία για την μελέτη των μηχανισμών ανάπτυξης γραφενίου με Χημική Εναπόθεση Ατμών
Creators: name: Ζαχαριάδης, Αλέξανδρος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Γραφένιο
Ελλειψομετρία
Χημική εναπόθεση ατμών
Graphene
Spectroscopic Ellipsometry
CVD

description: Το γραφένιο είναι ένα από τα πιο υποσχόμενα δισδιάστατα υλικά με μοναδικές ιδιότητες που αναμένεται να φέρει επανάσταση στην απόδοση μεγάλου φάσματος εφαρμογών, όπως οργανικά ηλεκτρονικά, αισθητήρες, τρανζίστορ, μπαταρίες κ.α. Η ανάπτυξη υψηλής ποιότητας γραφενίου πάνω σε μεγάλες επιφάνειες υποστρωμάτων (π.χ. χαλκός –Cu, Νικέλιο- Ni) είναι το αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας τα τελευταία χρόνια. Επιπλέον η διαδικασία ανάπτυξης γραφενίου με την μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) περιλαμβάνει πολλά στάδια διεργασίας ( θέρμανση, ανόπτιση, ανάπτυξη, ψύξη) για τον σχηματισμό του στρώματος γραφενίου. Έτσι, η κατανόηση της επίδρασης των διαφορετικών σταδίων και παραμέτρων της ανάπτυξης των υπέρλεπτων αυτών υμενίων θα συνεισφέρει σημαντικά στη βελτιστοποίηση της διαδικασίας και την παραγωγή στρωμάτων με την επιθυμητή ποιότητα και απόδοση. Η οπτική μετρολογία έχει την δυνατότητα να προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για τα παραπάνω και την ευελιξία να συνδυαστεί με την σύγχρονη τεχνολογία ανάπτυξης γραφενίου. Σε αυτήν την εργασία, παρουσιάζεται η In-situ Real-time παρακολούθηση της ανάπτυξης γραφενίου σε υποστρώματα χαλκού και νικελίου με την μέθοδο της φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας από το ορατό μέχρι το υπεριώδες φασματικό εύρος. Οι μετρήσεις αποκάλυψαν τις οπτικές, ηλεκτρονικές και δομικές αλλαγές των μεταλλικών υποστρωμάτων σε δυναμική κατάσταση κατά την διάρκεια της θέρμανσης και ψύξης της ανάπτυξης. Επίσης για πρώτη φορά αναγνωρίστηκε μέσω της οπτικής απόκρισης η διάρκεια της ανάπτυξης, ο αριθμός των στρωμάτων, ο μηχανισμός ανάπτυξης και η κινητική της πυρηνοποίησης του γραφενίου. Αυτή η εργασία τονίζει την σημασία της in-situ οπτικής παρακολούθησης για ενσωμάτωση στη διαδικασία ανάπτυξης γραφενίου από εργαστηριακή μέχρι βιομηχανική κλίμακα. Η καθιέρωση μιας ταχύτατης, μη καταστρεπτικής τεχνικής μεθόδου για In-situ και Real-time έρευνας της ποιότητας του γραφενίου θα είναι βασικό βήμα για την βελτιστοποίηση ολόκληρης της διαδικασίας ανάπτυξης του γραφενίου.
description: Graphene is one of the most promising high performance two-dimensional nanomaterials with unique properties that is expected to revolutionize the performance of several applications, ranging from Organic Electronics, to photonics, sensors, and energy. The deposition of high quality graphene over large area substrates (e.g. Copper – Cu and Nickel –Ni) is the subject of intense research efforts for the last years. In addition, the graphene growth process by Chemical Vapour Deposition (CVD) includes several process steps (e.g. heating, annealing, cooling) for the formation of the graphene layer. Therefore, the understanding of the effect of the different growth process steps on the formation mechanism of the graphene ultra-thin layers will significantly contribute to the optimization of the process and the fabrication of graphene layers with the desired quality and performance. Optical metrology has the potential to offer robust and detailed information on the above, and the flexibility to be combined with the graphene growth technology.In this work, we report on the in-situ and real-time optical monitoring of graphene growth onto Cu and Ni substrates by the use of Spectroscopic Ellipsometry (SE) in the visible to far ultraviolet spectral range. The in-situ and real-time SE measurements have revealed the optical, electronic and structural modifications of the metallic substrates during the annealing and cooling stages of the growth processes. Also, the timing of the graphene growth has been identified by the monitoring of the electronic transitions attributed to the sp2 bonded carbon during the growth. Finally, the thickness of the graphene layer structures has been determined. The investigation of the optical response of the graphene – substrate system has revealed information on the process mechanisms and kinetics. Finally, this work emphasizes the importance of in-situ optical monitoring for implementation to graphene processes from lab to industrial scale. The establishment of a robust, accurate and non-destructive method for the in-situ and real-time investigation of graphene quality will be a key step for the optimization of the whole graphene CVD growth process, parameters towards the fabrication of tailored and high quality graphene for transfer and implementation to its envisaged applications.