Ανάπτυξη μονοστρωματικού Γραφενίου με Χημική Εναπόθεση Ατμών σε υπόστρωμα Χαλκού, Χαρακτηρισμός &amp; Μεταφορά σε Νέα Υποστρώματα
Creators: name: Κυριαζόπουλος, Βασίλειος Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Ανάπτυξη Γραφενίου
Χημική Εναπόθεση Ατμών
Φασματοσκοπία Raman
Graphene Growth
Chemical Vapor Deposition
Raman Spectroscopy

description: Το Γραφένιο είναι ένα νέο υλικό το οποίο έχει προσελκύσει τη παγκόσμια προσοχή και το επιστημονικό ενδιαφέρον, λόγω των εξαιρετικές φυσικών ιδιοτήτων του, ενδιαφέρουσες τόσο για μελέτες όσο και για εφαρμογές. Η σύνθεση υψηλής ποιότητας και μεγάλης κλίμακας Γραφενίου, είναι το κλειδί για τη μελλοντική του επιτυχία. Η καλύτερη ποιότητα Γραφενίου παράγεται με μηχανική αποφλοίωση γραφίτη, όμως, ενώ αυτή η τεχνική παρέχει υψηλής ποιότητας Γραφένιο, δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα, επομένως βρίσκει εφαρμογή μόνο για επιστημονικούς σκοπούς και πειραματικές διατάξεις. Η καταλυτική Χημική Εναπόθεση Ατμών (CVD) του Γραφενίου σε χαλκό είναι η πιο ελπιδοφόρα και κλιμακούμενη μέθοδος για την παραγωγή υμενίων Γραφενίου υψηλής ποιότητας και μεγάλης έκτασης. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν μεγάλες προκλήσεις για την ενσωμάτωσή του σε εφαρμογές, όπως η ποιότητα, ο έλεγχος της κάλυψης του υποστρώματος, ο αριθμός των στρωμάτων και το πιο σημαντικό, η μεταφορά από το υπόστρωμα ανάπτυξης σε υποστρώματα κατάλληλα για την κατασκευή διατάξεων. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, στόχος είναι η ανάπτυξη μονοστρωματικού, ομοιόμορφου, υψηλής ποιότητας Γραφενίου, με Χημική Εναπόθεση Ατμών (CVD) σε υποστρώματα με εξαχνωμένο χαλκό, καθώς επίσης και η βελτιστοποίηση των τεχνικών μεταφοράς του. Πρώτον, προσδιορίστηκαν οι παράμετροι (θερμοκρασία, χρόνος , ροή αερίων) για τη βέλτιστη θερμική, επιφανειακή κατεργασία (ανόπτηση) του χαλκού των υποστρωμάτων. Το στρώμα του χαλκού είναι πολυκρυσταλλικό, ενώ μετά την ανόπτησή του, όταν οι κρύσταλλοι αυξάνονται σε μέγεθος, επικρατεί ο προσανατολισμός Cu (111). Για τον χαρακτηρισμό του μεγέθους των κρυστάλλων και της μορφολογίας της επιφάνειας, χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές χαρακτηρισμού περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), η μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) και η in-situ &amp; real time Φασματοσκοπική Ελλειψομετρία (SE). Βρέθηκε, ότι η μεταβολή της θερμοκρασίας ανόπτησης, του χρόνου και της ροής των αερίων, έχουν σημαντική επίδραση στο μέγεθος των κόκκων του χαλκού και έγινε ο προσδιορισμός των τιμών τους. Δεύτερον, πραγματοποιήθηκε μελέτη με στόχο τη βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης, που απαιτούνται, για την ανάπτυξη ομοιόμορφου, μονοστρωματικού και υψηλής ποιότητας Γραφενίου, σε λεπτό στρώμα χαλκού 6” ιντσών, εξαχνωμένο σε δισκία SiO2/Si. Η βελτιστοποίηση της διαδικασίας για την ανάπτυξη του Γραφενίου έγινε με μεταβολή των συνθηκών ανάπτυξης (πίεση, θερμοκρασία, χρόνος ανάπτυξης και ροές αερίου). Η φασματοσκοπία Raman (RS) χρησιμοποιήθηκε για να χαρακτηρίσει τη δομική ποιότητα του Γραφενίου που αναπτύχθηκε, μέσω των λόγων των εντάσεων των κορυφών Ι2D/G και ΙD/G. Η in-situ &amp; real time Φασματοσκοπική Ελλειψομετρία (SE) χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της συνεισφοράς του Γραφενίου στις οπτικές ιδιότητες του χαλκού, καθώς και για τον υπολογισμό του ισοδύναμου πάχους του. Τέλος, παρουσιάζονται τεχνικές για τη μεταφορά του Γραφενίου σε μονωτικά υποστρώματα. Για τον χαρακτηρισμό της δομικής ποιότητας του Γραφενίου μετά τη μεταφορά χρησιμοποιήθηκε η Φασματοσκοπία Raman, ενώ ο προσδιορισμός της συνέχειας του μεταφερόμενου Γραφενίου σε υπόστρωμα SiΟ2, πραγματοποιήθηκε μέσω μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων και οπτικής μικροσκοπίας.
description: Graphene is a new material with a large set of impressive properties, interesting both for fundamental studies and applications. Reliable synthesis of large-scale, high quality Graphene is key to its future success. The highest quality Graphene, is produced by mechanical exfoliation of graphite, but while this technique provides high quality, it is not scalable, so it is useful only for scientific purposes and proof of principle devices. The catalytic Chemical Vapor Deposition (CVD) of Graphene on copper is the most promising and scalable method for production of large-area, high quality Graphene films. However, there are still major challenges for the integration of Graphene in applications, including quality, control of coverage, the number of layers and the most important, the transfer from growth substrates onto substrates suitable for device fabrication. In the current MSc Thesis the aim is the CVD growth of single layer, high quality, uniform and large area Graphene on copper evaporated wafers and the optimization of transfer methods. Firstly, we have attempted to optimize a recipe for optimum annealing treatment of copper film, evaporated on SiO2/Si wafers. Copper thin film display a polycrystalline nature with the Cu (111) orientation dominating, when the crystals increase in size. The crystallinity of thin copper film on SiO2/Si wafers was investigated through annealing. X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) and in-situ &amp; real time Spectroscopic Ellipsometry (SE) were used to characterize the crystal size and the surface morphology. A variation in the annealing temperature, time and annealing gas flows was found to have a significant effect on the crystal size. The parameters for smooth and large copper crystals were obtained and presented. Secondly, we have attempted to optimize the growth conditions required for growth of uniform, single-layer and high quality Graphene, from methane (CH4) as a precursor gas, on 6 inch copper thin film evaporated on SiO2/Si wafers. The optimization of process for Graphene growth, was done by altering the growth conditions (pressure, temperature, growth time and gas flows). Raman Spectroscopy (RS) was used to characterize the structural quality of the as-grown Graphene. In this work the ratios of the 2D and G peak, and the ratio of the D and the G peak were used as measures of crystalline quality of the CVD grown Graphene. In-situ &amp; real time Spectroscopic Ellipsometry was used to determine the contribution of Graphene to copper optical properties, as well as the subsequent Graphene width. In the end, techniques for transferring the as-grown Graphene to insulating substrates are presented. RS was used for the characterization of the structural quality and AFM and optical microscopy were used to obtain the continuity of the transferred Graphene on SiO2 substrate.