다결정 및 단결정 Cu 시편에 CVD를 이용하여 그래핀을 합성 하였으며, 광학현미경 조직사진을 이미지 조절 및 분석 가능한 소프트웨어를 활용하여 광학현미경 조직사진 상에서는 구분이 어려운 그래핀 합성에 따른 미세한 특성들을 이미지 분석을 통하여 구현하였다. 그래핀이 Cu 시편의 결정입계에서 핵 생성하여 Cu 입내로 성장하는 거동을 보이고, 그래핀 성장 시 그래핀 입계의 이동이 Cu 입계 및 기공과 상호작용하는 현상들에 대하여 설명하고, 결과적으로 야기되는 문제들의 원인과 결과를 논하였다.
Chemical vapor deposited (CVD) polycrystalline graphene is widely used for various sensor application because of its extremely large surface-to-volume ratio. The electrical properties of CVD-graphene is significantly affected by the grain size and boundaries (GGBs), but evaluation of GGB of continuous monolayer graphene is difficult. Although several evaluation methods such as tunneling electron microscopy, confocal Raman, UV/ozone-oxidation are typically used, they still have issues in evaluation efficiency and accuracy. In this paper, we suggest an improved evaluation method for precise and simple GGB evaluation which is based on UV/ozone-oxidation and chemical etching process. Using this method, we could observe clear GGBs of CVD-graphene layers grown by different process conditions and statistically evaluate average grain sizes varying from $1.69{\sim}4.43{\mu}m$. This evaluation method can be used for analyzing the correlation between the electrical properties and grain size of CVD-graphene, which is essential for the development of graphene-based sensor devices.
Kim, Jong Hun;An, Sung Joo;Lee, Jong-Young;Ji, Eunji;Hone, James;Lee, Gwan-Hyoung
한국세라믹학회지
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제56권5호
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pp.506-512
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2019
Although graphene has been successfully grown in large scale via chemical vapor deposition (CVD), it is still questionable whether the mechanical properties of CVD graphene are equivalent to those of exfoliated graphene. In addition, there has been an issue regarding how the tilt angle of the grain boundary (GB) affects the strength of graphene. We investigate the mechanical properties of CVD graphene with nanoindentation from atomic force microscopy and transmission electron microscopy. Surprisingly, the samples with GB angles of 10° and 26° yielded similar fracture stresses of ~ 80 and ~ 79 GPa, respectively. Even for samples with GB exhibiting a wider range, from 0° to 30°, only a slightly wider fracture stress range (~ 50 to ~ 90 GPa) was measured, regardless of tilt angle. The results are contrary to previous studies that have reported that GBs with a larger tilt angle yield stronger graphene film. Such a lack of angle dependence of GB can be attributed to irregular and well-stitched GB structures.
Large-area graphene films produced by means of chemical vapor deposition (CVD) are polycrystalline and thus contain numerous grain boundaries that can greatly degrade their performance and produce inhomogeneous properties. A better grain boundary engineering in CVD graphene is essential to realize the full potential of graphene in large-scale applications. Here, we report a defect-selective atomic layer deposition (ALD) for stitching grain boundaries of CVD graphene with ZnO so as to increase the connectivity between grains. In the present ALD process, ZnO with hexagonal wurtzite structure was selectively grown mainly on the defect-rich grain boundaries to produce ZnO-stitched CVD graphene with well-connected grains. For the CVD graphene film after ZnO stitching, the inter-grain mobility is notably improved with only a little change in free carrier density. We also demonstrate how ZnO-stitched CVD graphene can be successfully integrated into wafer-scale arrays of top-gated field effect transistors on 4-inch Si and polymer substrates, revealing remarkable device-to-device uniformity.
Graphene grown on copper-foil substrates by chemical vapor deposition (CVD) has been attracting interest for sensor applications due to an extraordinary high surface-to-volume ratio and capability of large-scale device fabrication. However, CVD graphene has a polycrystalline structure and a high density of grain boundaries degrading its electrical properties. Recently, processes such as electropolishing for flattening copper substrate has been applied before growth in order to increase the grain size of graphene. In this study, we systemically analyzed the effects of the process condition of electropolishing copper foil on the quality of CVD graphene. We observed that electropolishing process can reduce surface roughness of copper foil, increase the grain size of CVD graphene, and minimize the density of double-layered graphene regions. However, excessive process time can rather increase the copper foil surface roughness and degrade the quality of CVD graphene layers. This work shows that an optimized electropolishing process on copper substrates is critical to obtain high-quality and uniformity CVD graphene which is essential for practical sensor applications.
Characteristics of nanocrystalline materials are known substantially dependent on the microstructure such as grain size, crystal orientation, and grain boundary. Thus it is desired to have systematic characterization methods on the various nanomaterials with complex geometries, especially in low dimensional nature. One of the interested nanomaterials would be a pure two-dimensional material, graphene, with superior mechanical, thermal, and electrical properties. In this study, mechanical properties of "polycrystalline" graphene were numerically investigated by molecular dynamics simulations. Subdomains with various sizes would be generated in the polycrystalline graphene during the fabrication such as chemical vapor deposition process. The atomic models of polycrystalline graphene were generated using Voronoi tessellation method. Stress strain curves for tensile deformation were obtained for various grain sizes (5~40 nm) and their mechanical properties were determined. It was found that, as the grain size increases, Young's modulus increases showing the reverse Hall-Petch effect. However, the fracture strain decreases in the same region, while the ultimate tensile strength (UTS) rather shows slight increasing behavior. We found that the polycrystalline graphene shows the reverse Hall-Petch effect over the simulated domain of grain size (< 40 nm).
Na, Min Young;Lee, Seung-Mo;Kim, Do Hyang;Chang, Hye Jung
Applied Microscopy
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제45권1호
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pp.23-31
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2015
Dark field (DF) transmission electron microscopy image has become a popular characterization method for two-dimensional material, graphene, since it can visualize grain structure and multilayer islands, and further provide structural information such as crystal orientation relations, defects, etc. unlike other imaging tools. Here we present microstructure of graphene, particularly, using DF imaging. High-angle grain boundary formation wass observed in heat-treated chemical vapor deposition-grown graphene on the Si substrate using patch-quilted DF imaging processing, which is supposed to occur by strain around multilayer islands. Upon the crystal orientation between layers the multilayer islands were categorized into the oriented one and the twisted one, and their local structure were compared. In addition information from each diffraction spot in selected area diffraction pattern was summarized.
Ever since the experimental discovery of graphene exfoiliated from the graphite flakes by Geim et at., this area has drawn a lot of attention for its possible application in IT industry. For the growth of graphene, chemical vapor deposition (CVD) has been widely used to fabricate the large area graphene. The lateral size of this graphene can be easily controlled by the size of the metal substrate though the chemical etching to remove this substrate is somewhat troublesome. Another problem which is hard to avoid is the folding at the grain boundary. We will discuss the origin of the folding first and introduce the way to avoid this folding. To solve this problem, we have used the various types of micro-thin metal foils. The precise control of hydro-carbon and the carrier gas results in the formation of the graphene on top of substrate. The thickness of graphene layers can be controlled with the control of gas flow on top of Cu substrate in contrast to the previously reported self-limiting growth $behavior^1$. Uniformity of this graphene layer has been checked by micro-raman spectroscopy and SEM. The size of grain can be enhanced by thermal treatment or use of other metal substrate. The dependence of grain size on the lattice size of the substrate will be discussed. By selecting the shape of substrate, we can grow various types of graphene. We will introduce the micron size graphene tube and its application.
CVD를 이용하여 Cu 시편에 그래핀의 합성을 보이고, Cu 시편의 grain 크기와 방향성에 따른 그래핀의 성장거동을 보이고자 한다. 동일한 온도 및 압력 하에서도 사용하는 분위기 가스의 종류에 따라서 Cu의 확산에 영향을 주게 되고, 그래핀 합성 시 사용되는 $H_2$와 $CH_4$ 가스 분위기 하에서 Cu grain의 성장에도 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 결과적으로 Cu grain의 성장이 그래핀의 합성과 성장에 직접적인 관련이 있음을 보이고자 하였다. 부식 저항성은 상온에서 동전위 분극실험를 통하여 분석하였으며, 부식속도 비교에서 그래핀 코팅된 Cu 시편의 경우가 그래핀의 화학적 안정성에 기인하여 순수 Cu 시편의 경우보다 동일한 부식 환경에서 약 10배 정도 안정적인 것으로 관찰이 되었다. 또한, grain boundary를 포함, 결함이 없는 그래핀의 균일한 성장의 가능성을 보이고, 이의 합성을 통한 공학적인 활용이 그 최종적인 목적이 될 것이다.
Direct growth of graphene using CVD method has been done on CVD grown boron nitride substrate. From the SEM image, we have shown that the size of grain of graphene could be clearly controlled by varying the amount of injected hydrocarbon. To convince the existence of graphene on boron nitride, XPS and Raman has been checked. Both B1s and N1s peaks in XPS spectra and the Raman peak around 1,370 $cm^{-1}$ demonstrated that boron nitride did remain after high temperature treatment during the graphene growth process. And along the graphene grain boundary, the Raman fingerprint of graphene was neatly appeared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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