화학 기상 증착에 의한 SiO2/Si 기판 상의 그래핀 수지상 결정의 직접 합성

결과 및 토론

그래핀 덴드라이트는 SiO₂에서 합성되었습니다. 저압 CVD 시스템을 사용하는 /Si 기판. 이 CVD 시스템에서 그래핀 덴드라이트의 성장 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 그림 2a–c는 SiO₂의 Si 표면에서 성장한 그래핀 수지상 돌기를 보여줍니다. /Si 기판은 980°C ~ 1050°C의 다른 온도에서 사용됩니다. 성장 온도는 그래핀 덴드라이트의 구성과 길이에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 980°C에서 성장한 그래핀 덴드라이트는 고밀도이며 일반적인 덴드라이트 길이는 약 6μm입니다(그림 2a). 1020 °C에서 성장한 그래핀 덴드라이트의 경우 그래핀 덴드라이트의 일반적인 길이는 약 10μm입니다(그림 2b). 성장 온도가 1050 ° C로 더 증가하면 그래 핀 덴드라이트의 전체 길이가 약 20 μm로 증가합니다 (그림 2c). 흥미롭게도, 우리는 1050°C에서 성장한 그래핀 수상돌기가 1차 수상돌기 구조의 상단에 많은 2차 수상돌기가 성장한 전형적인 나무 같은 구조를 보인다는 것을 발견했습니다. 나무 모양의 그래핀 수상돌기는 SiO₂에서도 자랄 수 있습니다. SiO₂의 표면 /Si 기판은 그림 2d와 같이 1050°C에서 나무 모양의 그래핀 덴드라이트의 길이는 일반적으로 10μm 미만입니다. 그림 2c, d에서 볼 수 있듯이 그래핀 덴드라이트는 특정 방향을 따라 성장하며 이는 SiO₂의 이방성 표면 에너지에 기인할 수 있습니다. /Si 기판 [27].

SiO₂의 Si 표면에서 합성된 그래핀 덴드라이트의 SEM 이미지 980 °C의 성장 온도에서 /Si 기판(a ), 1020°C(b ) 및 1050°C(c ) 및 SiO₂에서 SiO₂의 표면 1050 °C에서 /Si 기판(d ). 성장 시간은 120분이었습니다.

그래핀 덴드라이트의 형태도 성장 시간에 크게 영향을 받습니다. 그림 3은 다른 성장 시간에 성장한 그래핀 수지상 돌기의 SEM 이미지를 보여줍니다. 성장 시간이 30분에서 120분으로 증가함에 따라 Si 표면의 나무 모양의 그래핀 덴드라이트의 길이는 ~ 6에서 ~ 20μm로 증가하고(그림 3a-c), SiO<하위>2 표면은 ~ 1에서 ~ 8 μm로 증가합니다(그림 3d–f). 그림 3에서 볼 수 있듯이 Si 표면에서 성장한 dendrite의 길이는 SiO₂에서 성장한 것보다 더 큽니다. 동일한 성장 조건에서 표면. 이 현상은 Si 표면의 거칠기가 SiO₂의 거칠기보다 크다는 사실에 기인할 수 있습니다. SiO₂에 연마 공정이 수행됨에 따라 표면 표면. 일반적으로 거친 기질은 표면 에너지가 커서 그래핀 수지상 돌기의 성장에 유리하다[28, 29]. 또한 그래핀의 일함수(4.5~4.8 eV)가 Si(~ 4.3 eV)의 일함수보다 높기 때문에 그래핀 덴드라이트와 Si 표면 사이에 헤테로 구조가 형성될 것으로 예상되어 Si에서 그래핀으로 전자 전하 이동이 가능합니다. [30,31,32].

Si 표면에서 합성된 나무 모양의 그래핀 수상돌기의 SEM 이미지(a–c ) 및 SiO₂ 표면(d–f ) SiO₂ 1050°C에서 30분에서 120분까지 다양한 성장 시간에 대한 /Si 기판

Si 표면과 SiO₂ 모두에서 성장한 샘플의 원소 조성 EDS에서 조사했습니다. 그림 4a, b는 Si와 SiO₂ 모두에서 EDS에 의해 수행된 SEM 이미지 영역을 보여줍니다. 표면, 각각. 샘플의 원소 C, Si 및 O에 대한 EDS 맵이 그림 4c-h에 나와 있습니다. 구조의 원소 함량 백분율은 오른쪽 상단 EDS 스캔 맵에 표시됩니다. Si 및 SiO₂ 모두에서 표면, 원소 C는 Si 표면의 53.8%, SiO₂의 64.4%로 절반 이상을 차지합니다. . 소량의 Si 및 O 원소도 관찰되며(그림 4e–h), 이는 SiO₂에서 오는 것으로 간주됩니다. /Si 기판. EDS 결과는 샘플의 원소 조성이 그래핀의 원소 조성과 일치함을 확인시켜줍니다.

Si 표면에서 성장한 그래핀 덴드라이트의 SEM 이미지(a ) 및 SiO₂ 표면(b ). C의 요소 콘텐츠에 대한 EDS 맵(c ), 시(e ) 및 O(g ) (a)로 같은 영역에서 스캔 ). C의 요소 콘텐츠에 대한 EDS 맵(d ), 시(f ) 및 O(h ) (b로 같은 영역에서 스캔됨) )

X-선 광전자 분광법(XPS)은 또한 Si 및 SiO2에 제조된 그래핀 수지상 돌기의 상세한 구조적 특성을 추가로 설명하기 위해 수행되었습니다. SiO₂의 표면 /Si 기판(그림 5). 약 ~ 284 eV의 피크 C1은 Si와 SiO₂ 모두에서 명확하게 관찰됩니다. sp ² 에 할당할 수 있는 표면 CC 네트워크 [33]. ~ 533 eV에서 O1의 피크와 ~ 104 eV에서 Si2p의 피크도 관찰되며, 이는 SiO₂에 할당될 수 있습니다. /Si 기판 [34]. 그림 5c, d는 각각 그림 5a, b의 C1의 경화 맞춤을 보여줍니다. 두 경우 모두 피크 C1은 세 개의 피크로 나눌 수 있습니다. ~ 284.7 eV의 주요 피크는 sp ² 의 모양을 나타냅니다. 그래핀의 혼성화 피크. ~ 285.3 eV의 피크는 sp ³ 에 할당됩니다. -하이브리드화 C-C 결합은 천연 탄소의 오염에 기인한다[35]. ~ 288 eV의 약한 피크는 탄소 C=O 그룹과 관련이 있으며, 이는 아마도 그래핀 수상돌기 성장 동안의 산소 오염으로 인한 것일 수 있습니다[36].

SiO₂에서 성장한 그래핀 수상돌기의 XPS 스펙트럼 (아 ) 및 시(b ) SiO₂의 표면 /Si 기판. SiO₂에서 성장한 그래핀 수지상 돌기의 C1s 피크 곡선 맞춤 (ㄷ ) 및 Si(d ) SiO₂의 표면 /Si 기질

결정질과 그래핀 수상돌기의 층수를 조사하기 위해 라만 스펙트럼을 수행하였다[37,38,39]. 도 6a에 도시된 바와 같이, D 피크(~ 1350 cm ^-1 ), G 피크(~ 1580cm ⁻¹ ) 및 2D 피크(~ 2680cm ⁻¹ ) 그래핀은 Si와 SiO₂ 모두에서 관찰됩니다. SiO₂의 표면 /Si 기판. G 피크는 탄소 sp ² 의 특성입니다. 구조 및 2D 피크는 영역 경계 포논의 2차입니다. D 피크는 그래핀의 무질서를 반영하는 결함 관련 피크이다[40,41,42,43]. Si 및 SiO₂ 모두에서 성장한 그래핀 덴드라이트의 경우 표면에서 G 피크의 강도는 2D 피크의 강도보다 훨씬 높으며, 이는 그래핀 덴드라이트가 Si와 SiO₂ 모두에서 성장했음을 나타냅니다. 표면은 다층 구조를 가지고 있습니다. 또한, 성장 온도가 980에서 1050 °C로 증가함에 따라 I의 피크 강도 비율이 _디 /나 _G 1.92에서 1.81로 감소하여 그래핀 덴드라이트의 품질이 성장 온도의 증가에 따라 향상되었음을 나타냅니다(그림 6b)[40,41,42,43].

아 Si와 SiO₂ 모두에서 성장한 그래핀 수지상 돌기의 라만 스펙트럼 SiO₂의 표면 /Si 기판. ㄴ 980°C ~ 1050°C의 Si 표면에서 성장한 grpahene 덴드라이트의 라만 스펙트럼

우리는 그래핀 수상돌기의 상세한 구조를 조사하기 위해 TEM과 SAED를 추가로 수행했다. 샘플을 TEM 이미징 전에 TEM 그리드로 옮겼습니다. 그림 7a, b에서 1차 및 2차 그래핀 덴드라이트의 직경이 각각 약 1μm 및 50nm임을 알 수 있습니다. 그림 7c, d는 각각 1차 및 2차 그래핀 수상돌기의 SAED 패턴을 보여줍니다. 두 경우 모두 패턴은 그래핀의 전형적인 6중 대칭을 보여줍니다[44, 45]. 샘플의 가장자리에서 가져온 1차 및 2차 그래핀 수상돌기의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지가 그림 7e, f에 나와 있습니다. 두 경우 모두 HRTEM 이미지는 다층 구조를 보여 덴드라이트가 다층 그래핀으로 구성되어 있음을 나타냅니다. 이 결과는 라만 특성화와 일치합니다.

기본(a ) 및 보조(b ) 그래핀 수상돌기 및 1차에서 가져온 SAED 패턴(c ) 및 보조(d ) 그래핀 수상돌기, 각각. 기본(e)의 고해상도 TEM 이미지 ) 및 보조(f ) 그래핀 수상돌기

그래핀 덴드라이트의 전기적 특성은 백 게이트 전계 효과 트랜지스터(FET)로 평가되었습니다. 전기 측정을 위해 샘플을 프로브 스테이션에 배치했습니다. 2개의 텅스텐 마이크로프로브(직경 10μm)를 소스 및 드레인 전극으로 사용하고 SiO₂ 위에 직접 배치했습니다. 그래핀 덴드라이트의 여러 선택된 샘플의 두 끝에서 표면. 그림 8a는 선형 및 재현 가능한 I를 보여줍니다. _SD -V _SD 제로 게이트 전압에서의 곡선은 그래핀 덴드라이트와 텅스텐 프로브 사이에서 얻은 저항 접촉을 보여줍니다. 저항 R 그래핀 수상돌기의 약 6110Ω입니다. 저항률 ρ 다음 방정식을 통해 얻습니다.

아 대표적인 전류-전압(I _SD -V _SD ) 제로 게이트 전압에서 그래핀 덴드라이트의 곡선. ㄴ 그래핀 덴드라이트에 대한 자기장 강도의 함수로서의 홀 저항

S 그리고 L 그래핀 덴드라이트의 단면과 길이입니다. 전도도 σ 다음 공식으로 계산됩니다.

위의 분석을 바탕으로 덴드라이트의 전기 전도도는 ~ 286 Scm ⁻¹ 입니다. .

SiO₂에서 전자 전송 측정 van der Pauw 구조의 표면은 실온에서 수행되었습니다. 홀 저항(R _xy ) 자기장 강도의 함수로서 그림 8b에 나와 있습니다. 홀 계수 R _H 다음 공식으로 계산됩니다.

어디에 t 는 샘플의 두께이며 Rxy 길이방향 저항이다. 홀 계수는 - 1.2cm ³ 입니다. /C.

그래핀 덴드라이트의 저항은 다음 방정식으로 추출됩니다.

ρ 샘플의 저항, R _xx 는 종방향 저항, f 는 van der Pauw factor이고 그 값은 1에 가깝기 때문에 무시된다. 얻어진 전도도는 ~ 474 S/cm이며, 이는 ~ 286 Scm ⁻¹ 값에 필적합니다. FET로 측정했습니다.

또한 다음 공식을 사용하여 Hall 이동도를 추가로 계산합니다.

그래핀 덴드라이트의 홀 이동도는 ~ 574cm ² 로 계산됩니다. /Vs는 이전에 보고된 나노결정질 그래핀 박막보다 훨씬 높다[46].

그래핀 수상돌기의 기계적 특성을 평가하기 위해 PFQNM 모드에서 AFM 이미징을 사용하여 그래핀 수상돌기의 영률을 조사했습니다. 측정은 실온의 주변 조건에서 수행되었습니다. 그림 9a는 PFQNM에서 하나의 접근(녹색 선) 및 후퇴(빨간색 선) 주기의 상호 작용을 나타내는 분리의 함수로 힘 플롯이 데이터를 보여줍니다.

아 그래핀 덴드라이트의 AFM 힘-변위 곡선. ㄴ 그래핀 수상돌기의 영률에 대한 AFM DMT 모듈러스 이미지

Young's modulus를 얻기 위해 Derjaguin-Muller-Toporov(DMT) 모델을 사용하여 후퇴 곡선의 적합을 구현했습니다[47].

여기서 F-F _adh 접착력에 대한 캔틸레버의 힘을 나타냅니다. R 는 끝단 반경이고 d 샘플의 변형입니다. 맞춤의 결과는 감소된 계수 E*입니다. . 영률은 다음 방정식으로 계산할 수 있습니다.

여기서 v _s 및 v _팁 샘플과 팁의 푸아송 비율은 각각 Es입니다. 및 E _팁 영률은 각각 샘플과 팁입니다. 스캔 크기가 2.0μm × 2.0μm인 샘플을 테스트했습니다. 도 9b에 도시된 바와 같이 그래핀 덴드라이트는 지도의 노란색 영역에 표시된다. 그래핀 덴드라이트의 영률은 노란색 십자 표시 영역에서 얻은 최대 2.26GPa입니다.

우리는 표 1과 같이 다양한 유형의 그래핀 유래 물질의 기계적 및 전기적 특성을 비교합니다[11,12,13,14, 23]. 그래핀 덴드라이트의 전도도는 그래핀 하이드로겔 및 전기화학적 방법으로 생성된 그래핀 덴드라이트보다 몇 차수 더 높습니다[23]. 이 값은 또한 ~ 10 Scm ⁻¹ 의 그래핀 섬유와 같은 다른 그래핀 유래 물질의 값과 비슷합니다. [12] 및 2.5 × 10 ⁴ SM ⁻¹ (250Scm ^-1 ) [13] 및 351 Scm ⁻¹ 의 그래핀 종이 [14]. 기계적 강도의 경우, 이 작업에서 그래핀 덴드라이트의 영률은 ~ 450kPa(~ 4.5 × 10 ⁻⁴ )의 그래핀 하이드로겔보다 훨씬 높습니다. GPa), 420 MPa(0.42 GPa)[12] 및 ~ 7700 MPa(~ 7.7 GPa)[13]의 그래핀 섬유와 비슷합니다. 그래핀 덴드라이트는 다른 그래핀 유래 물질에 비해 직경이 나노미터 수준이고 기존 반도체 기술과의 호환성이 좋아 나노전자소자에 사용하기에 더 적합하다.