The Impact and Elimination of Carbonaceous Impurities in Chemical Vapor Deposition Graphene on Copper

Grace à ses propriétés uniques, le graphène a réussi à capter l'attention des scientifiques depuis sa première isolation. Les mécanismes de croissance de cet allotrope de carbone ne sont pas entièrement compris mais il est connu qu'ils dépendent du substrat sur lequel est cru ce matériau incroyable. Dans une expérience typique de synthèse de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le substrat catalyse la dissociation d'un hydrocarbure via deux régimes de croissances possibles : le premier purement surfacique, où le carbone reste lié à la surface pour des métaux de transition ayant une faible solubilité du carbone (Cu et possiblement Pt), le second impliquant une dissolution dans le matériau suivi d'une précipitation du carbone (Ir, Ru, Ni). Dans ces travaux, nous proposons que ce mécanisme dépend d'un seuil, c'est à dire que la solubilité du carbone dans le cuivre est extrêmement faible mais assez haute pour que le carbone présent dans le matériau peut jouer un rôle dans la germination et la croissance latérale du graphène. Cet effet est étudié via le piégeage du carbone grâce à un prétraitement d'oxygène afin de purifier le cuivre ce qui montre les impacts sur la germination du graphène. Nous avons découvert que la méthode de purification la plus efficace est d'induire l'oxydation du cuivre en profondeur dicté par le diagramme de phase Cu-O ce qui nécessite une réduction de température pendant le prétraitement de 1000 C a 700 C en gardant une pressure d'oxygène de 5x10−5 Torr. Étendu sur 3 croissances avec un temps de prétraitement augmentant (10, 20, et 40 min) suivi d'un protocole de croissance de graphène normal, la nucléation de graphène est réduite résultant en une augmentation de taille de domaine jusqu'une suppression complète est atteint à 40 min. Un prétraitement d'oxygène nous permet aussi de faire croitre des domaines de graphène large de 860 um2.

Abstract

Graphene has piqued the interest of scientists and technologists since its isolation because of its unique properties. The growth mechanisms of this carbon allotrope aren't fully understood but are known to depend on the substrate used to grow this wonder material. In a typical graphene synthesis experiment using chemical vapor deposition (CVD), the substrate catalyzes the dissociation of a hydrocarbon with two possible growth regimes: one purely surface mediated where the carbon remains surface-bound for transition metals having very low carbon solubility (Cu and possibly Pt) and one involving a bulk dissolution and subsequent precipitation of the carbon (Ir, Ru, Ni). In this work we propose that the salient feature is one of threshold, that is to say, the carbon solubility of copper is extremely low but is elevated enough that bulk-bound carbon can play a role in nucleation and subsequent lateral growth of graphene. This is investigated via carbon gettering using oxygen gas pre-treatments to further purify the copper which show clear impacts on graphene nucleation. It was found that the most efficient method of purification is to induce bulk copper oxide as dictated by the Cu-O phase diagram which means lowering the temperature during pre-treatment to 700 C from the 1000 C growth temperature and maintaining a 5x10−5 Torr oxygen pressure. Over 3 growths of increasing pre-treatment time (10, 20, and 40 min) followed by a regular graphene growth protocol, the graphene nucleation is reduced resulting in increased single domain size until full quenching is achieved at 40 minutes. An oxygen pre-treatment also enables us to grow large-area graphene domains of 860 um2.