In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy

Graphene is a perfect two-dimensional crystal consisting of covalently bonded carbon atoms, ar- ranged in a honeycomb lattice. Due to its extraordinary physical properties, it is a strong candidate material for a variety of electrical, thermal, and mechanical applications. In fact, it is very likely...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Σφουγκάρης, Ηλίας
Άλλοι συγγραφείς: Sfougkaris, Ilias
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15403
id nemertes-10889-15403
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Graphene
Chemical vapor deposition (CVD)
LMCat
Γραφένιο
Χημική εναπόθεση ατμών
spellingShingle Graphene
Chemical vapor deposition (CVD)
LMCat
Γραφένιο
Χημική εναπόθεση ατμών
Σφουγκάρης, Ηλίας
In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
description Graphene is a perfect two-dimensional crystal consisting of covalently bonded carbon atoms, ar- ranged in a honeycomb lattice. Due to its extraordinary physical properties, it is a strong candidate material for a variety of electrical, thermal, and mechanical applications. In fact, it is very likely that graphene will play a key role in overcoming the fundamental challenge that the electronics industry will face in the next 20 years, the further miniaturization of technology. Graphene has already been successfully applied in lab-scale for the construction of many electronic devices, such as light-emitting diodes (LED) and field-effect transistors (FET). This has been achieved using high-quality graphene, which has been mechanically exfoliated from bulk graphite. However, mechanical exfoliation of gra- phene is too labor-intensive to be applied commercially. The lack of an industrially scalable method to produce centimeter-sized, defect-free graphene films is the missing piece for the commercial pro- duction of graphene-based electronics. In 2009, chemical vapor deposition (CVD) of graphene on copper foil was first reported, marking an important step towards large-scale production of graphene films. The obtained graphene film was ~95% monolayer with some few-layer regions, and polycrystalline with a grain size of a few microm- eters. Since then, the CVD process on copper foil has been extensively studied and improved. Later, in 2012, CVD growth of graphene on liquid copper was reported. It has since been observed that liquid metal catalysts (LMCat), such as liquid copper, offer several advantages compared to traditional solid metal catalysts (SMCat), such as copper foil. Recently, facile growth of millimeter-sized hexago- nal graphene crystals was demonstrated on liquid copper, taking graphene electronics one step closer to reality. However, CVD growth of graphene is a delicate process with a huge parameter space. A key take- away from past research work is that it is immaterial to look for the perfect CVD "recipe", since small variations in the experimental setup, such as in gas flow, temperature distribution and reactor geom- etry can lead to very different results. Therefore, industrial adoption of the CVD process for graphene growth will inevitably require the development of in situ metrology for real-time monitoring and dy- namic control of the growth process. A feedback loop which dynamically adjusts process parameters based on real-time metrology data will enable the high yield and high throughput necessary for in- dustrial production. In this thesis, we demonstrate the use of in situ radiation-mode optical microscopy (Rad-OM) to monitor CVD growth of graphene on liquid metal catalysts. We show that CVD growth of graphene can be dynamically controlled using real-time Rad-OM data. We probe the effect of the feed gas composition on the growth process of graphene flakes and obtain insights about the dynamics of flake growth. Under appropriate conditions, graphene flakes undergo a self-assembly process on LMCat. Additionally, we transfer LMCat graphene from copper to other substrates and employ ex situ characterization methods, to assess the quality of LMCat-grown graphene. The graphene is mono- layer, has a low defect-density, and is under compressive stress, as highlighted by Raman spectros- copy on SiO2/Si-supported graphene. Tapping-mode atomic force microscopy (AFM) reveals the pres- ence of contaminants on the graphene film, which result in a relatively high electrical sheet resistance (~3.6 kΩ/sq), as probed via van der Pauw measurements. Finally, LMCat graphene can withstand high strain, as highlighted by a uniaxial tensile test combined with Raman spectroscopy performed on PMMA-supported graphene.
author2 Sfougkaris, Ilias
author_facet Sfougkaris, Ilias
Σφουγκάρης, Ηλίας
author Σφουγκάρης, Ηλίας
author_sort Σφουγκάρης, Ηλίας
title In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
title_short In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
title_full In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
title_fullStr In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
title_full_unstemmed In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
title_sort in-situ study of cvd graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15403
work_keys_str_mv AT sphounkarēsēlias insitustudyofcvdgraphenegrowthonliquidmetalcatalystsbyradiationmodeopticalmicroscopy
AT sphounkarēsēlias insitumeletētēscvdsynthesēsgraphenioupanōseygrousmetallikouskatalytesmesōoptikēsmikroskopias
_version_ 1771297334241525760
spelling nemertes-10889-154032022-09-05T20:12:35Z In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy In-situ μελέτη της CVD σύνθεσης γραφενίου πάνω σε υγρούς μεταλλικούς καταλύτες μέσω οπτικής μικροσκοπίας Σφουγκάρης, Ηλίας Sfougkaris, Ilias Graphene Chemical vapor deposition (CVD) LMCat Γραφένιο Χημική εναπόθεση ατμών Graphene is a perfect two-dimensional crystal consisting of covalently bonded carbon atoms, ar- ranged in a honeycomb lattice. Due to its extraordinary physical properties, it is a strong candidate material for a variety of electrical, thermal, and mechanical applications. In fact, it is very likely that graphene will play a key role in overcoming the fundamental challenge that the electronics industry will face in the next 20 years, the further miniaturization of technology. Graphene has already been successfully applied in lab-scale for the construction of many electronic devices, such as light-emitting diodes (LED) and field-effect transistors (FET). This has been achieved using high-quality graphene, which has been mechanically exfoliated from bulk graphite. However, mechanical exfoliation of gra- phene is too labor-intensive to be applied commercially. The lack of an industrially scalable method to produce centimeter-sized, defect-free graphene films is the missing piece for the commercial pro- duction of graphene-based electronics. In 2009, chemical vapor deposition (CVD) of graphene on copper foil was first reported, marking an important step towards large-scale production of graphene films. The obtained graphene film was ~95% monolayer with some few-layer regions, and polycrystalline with a grain size of a few microm- eters. Since then, the CVD process on copper foil has been extensively studied and improved. Later, in 2012, CVD growth of graphene on liquid copper was reported. It has since been observed that liquid metal catalysts (LMCat), such as liquid copper, offer several advantages compared to traditional solid metal catalysts (SMCat), such as copper foil. Recently, facile growth of millimeter-sized hexago- nal graphene crystals was demonstrated on liquid copper, taking graphene electronics one step closer to reality. However, CVD growth of graphene is a delicate process with a huge parameter space. A key take- away from past research work is that it is immaterial to look for the perfect CVD "recipe", since small variations in the experimental setup, such as in gas flow, temperature distribution and reactor geom- etry can lead to very different results. Therefore, industrial adoption of the CVD process for graphene growth will inevitably require the development of in situ metrology for real-time monitoring and dy- namic control of the growth process. A feedback loop which dynamically adjusts process parameters based on real-time metrology data will enable the high yield and high throughput necessary for in- dustrial production. In this thesis, we demonstrate the use of in situ radiation-mode optical microscopy (Rad-OM) to monitor CVD growth of graphene on liquid metal catalysts. We show that CVD growth of graphene can be dynamically controlled using real-time Rad-OM data. We probe the effect of the feed gas composition on the growth process of graphene flakes and obtain insights about the dynamics of flake growth. Under appropriate conditions, graphene flakes undergo a self-assembly process on LMCat. Additionally, we transfer LMCat graphene from copper to other substrates and employ ex situ characterization methods, to assess the quality of LMCat-grown graphene. The graphene is mono- layer, has a low defect-density, and is under compressive stress, as highlighted by Raman spectros- copy on SiO2/Si-supported graphene. Tapping-mode atomic force microscopy (AFM) reveals the pres- ence of contaminants on the graphene film, which result in a relatively high electrical sheet resistance (~3.6 kΩ/sq), as probed via van der Pauw measurements. Finally, LMCat graphene can withstand high strain, as highlighted by a uniaxial tensile test combined with Raman spectroscopy performed on PMMA-supported graphene. Το γραφένιο είναι ένας τέλειος δισδιάστατος κρύσταλλος ο οποίος αποτελείται από ομοιοπολικά συνδεδεμένα άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε εξαγωνικό πλέγμα. Λόγω των ιδιαίτερων φυσικών ιδιοτήτων του, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη χρήση του σε πολλές ηλεκτρικές, θερμικές και μηχανικές εφαρμογές. Μάλιστα, είναι πολύ πιθανό ότι το γραφένιο θα έχει κεντρικό ρόλο στην αντιμετώπιση του θεμελιώδους προβλήματος που θα αντιμετωπίσει ο τομέας της ηλεκτρονικής μέσα στην επόμενη 20ετία: την περαιτέρω σμίκρυνση της τεχνολογίας. Το γραφένιο έχει ήδη εφαρμοσθεί επιτυχώς σε εργαστηριακή κλίμακα για την κατασκευή διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών, όπως φωτοδιόδων (LED) και τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET). Αυτό έχει επιτευχθεί με γραφένιο υψηλής ποιότητας, το οποίο αποφλοιώνεται μηχανικά από γραφίτη. Ωστόσο, η μηχανική αποφλοίωση γραφενίου είναι χρονοβόρα και επίπονη, και έτσι δεν μπορεί να εφαρμοσθεί σε μεγάλη κλίμακα. Επομένως, η έλλειψη μίας βιομηχανικά εφαρμόσιμης μεθόδου για την παραγωγή film γραφενίου μεγάλων διαστάσεων και χωρίς ατέλειες, εμποδίζει την εμπορική παραγωγή ηλεκτρονικών γραφενίου. Το 2009, αναφέρθηκε για πρώτη φορά η παραγωγή film γραφενίου πάνω σε φύλλο χαλκού, με τη μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD). Το γραφένιο που παράχθηκε ήταν κατά ~95% μονοστρωματικό με μερικές περιοχές περισσότερων στρωμάτων, ενώ ήταν πολυκρυσταλλικό με μέγεθος κόκκων της τάξεως των μικρομέτρων. Από τότε, η παραγωγή film γραφενίου μέσω CVD σε φύλλο χαλκού έχει μελετηθεί και βελτιωθεί εκτενώς. Αργότερα, το 2012, αναφέρθηκε για πρώτη φορά η παραγωγή γραφενίου πάνω σε τήγμα χαλκού. Διαπιστώνεται ότι οι υγροί μεταλλικοί καταλύτες (LMCat), όπως το τήγμα χαλκού, προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους πιο συμβατικούς, στερεούς μεταλλικούς καταλύτες, όπως το φύλλο χαλκού. Πρόσφατα, επιδείχθηκε η παραγωγή τέλειων, εξαγωνικών νιφάδων γραφενίου με μέγεθος μερικών χιλιοστών πάνω σε τήγμα χαλκού. Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς την βιομηχανική παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών γραφενίου. Ωστόσο, η παραγωγή γραφενίου μέσω CVD είναι μία ευαίσθητη διεργασία με μεγάλο χώρο παραμέτρων. Η υπάρχουσα πειραματική βιβλιογραφία υποδεικνύει ότι δεν είναι σκόπιμο να αναζητείται η τέλεια CVD συνταγή, διότι μικρές διαφορές στην πειραματική διάταξη, όπως για παράδειγμα στη ροή των αερίων, στη κατανομή της θερμοκρασίας, ή στη γεωμετρία του αντιδραστήρα μπορούν να οδηγήσουν σε πολύ διαφορετικά αποτελέσματα. Η βιομηχανικής κλίμακας εφαρμογή της χημικής εναπόθεσης γραφενίου απαιτεί την ανάπτυξη in situ μετρολογίας, για εποπτεία και δυναμικό έλεγχο της σύνθεσης σε πραγματικό χρόνο. Ένας βρόχος ανάδρασης ο οποίος προσαρμόζει δυναμικά της παραμέτρους της διεργασίας με βάση την in situ παρατήρηση θα επιτρέψει την υψηλή παραγωγική απόδοση η οποία είναι απαραίτητη για τη βιομηχανική παραγωγή. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρουσιάζουμε τη χρήση in situ οπτικής μικροσκοπίας ακτινοβολίας (Rad-OM) για την παρακολούθηση της CVD σύνθεσης γραφενίου πάνω σε υγρούς μεταλλικούς καταλύτες. Δείχνουμε ότι με βάση τα in situ δεδομένα του Rad-OM, μπορεί να γίνει δυναμικός έλεγχος της σύνθεσης. Παρατηρούμε την επίδραση της στοιχειομετρίας της αέριας τροφοδοσίας στην ανάπτυξη των νιφάδων γραφενίου, καθώς και τη δυναμική της διεργασίας. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, οι νιφάδες γραφενίου υπόκεινται σε αυτο-συναρμολόγηση πάνω στον υγρό μεταλλικό καταλύτη. Επίσης, μεταφέρουμε το παραχθέν LMCat γραφένιο από το υπόστρωμα χαλκού σε άλλα υποστρώματα και εφαρμόζουμε ex situ μεθόδους χαρακτηρισμού, με σκοπό να εκτιμήσουμε τη ποιότητα του γραφενίου. Το γραφένιο είναι μονοστρωματικό, έχει μικρή πυκνότητα ατελειών και βρίσκεται υπό μηχανική θλίψη, όπως συμπεραίνεται μέσω φασματοσκοπίας Raman σε γραφένιο υποστηριγμένο σε υπόστρωμα SiO2/Si. Μέσω μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM) παρατηρείται η παρουσία ρύπων στο στρώμα γραφενίου, οι οποίοι οδηγούν σε σχετικά μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση (~3.6 kΩ/sq), η οποία μετράται μέσω της μεθόδου van der Pauw. Τέλος, το LMCat γραφένιο αντέχει μεγάλες παραμορφώσεις, το οποίο συμπεραίνεται μέσω μονοαξονικού εφελκυσμού σε συνδυασμό με φασματοσκοπία Raman σε γραφένιο υποστηριγμένο σε υπόστρωμα PMMA. 2021-10-20T05:49:44Z 2021-10-20T05:49:44Z 2021-10-04 http://hdl.handle.net/10889/15403 en application/pdf