Ультра-гладкие медные подложки улучшают качество графена: отжиг + электро-полировка
Аннотация
Графен, синтезированный методом химфосного осаждения (CVD), часто страдает от высокой плотности дефектов из-за границ зерен, ограничивая его исключительные электронные свойства и препятствуя интеграции в передовые устройства. Это исследование демонстрирует четкую связь между морфологией медной (Cu) подложки и полученной плотностью доменов графена. Комбинируя термический отжиг с электро-полировкой, мы достигаем ультра-гладких Cu поверхностей, остающихся стабильными при высоких температурах. Электро-полировка, выполненная после предварительного отжига, оказывается более эффективной, чем любое лечение в одиночестве, так как остаточные дислокации и точечные дефекты высвобождаются при нагревании. Графен, выращенный на этих спроектированных подложках, показывает заметно более низкую плотность доменов и улучшенную равномерность слоев по сравнению с образцами, обработанными только отжигом или только электро-полировкой.
Введение
Графен, монослой sp2-гибридизированных углеродных атомов, расположенных в восьмиугольной решетке, привлек интенсивный академический и промышленный интерес благодаря своим исключительным механическим, термическим и электронным свойствам. Среди различных техник роста, CVD на металлических катализаторах — особенно Cu — остается наиболее масштабируемым методом для производства больших площадей, высококачественных пленок. Однако CVD-выращенный графен обычно поликристалличен, с границами зерен, деградирующими подвижность носителей и другие функциональные свойства. Поэтому минимизация кристаллических дефектов и плотности доменов необходимо для реализации полного потенциала графена в устройствах следующего поколения.
Обширная работа показала, что нуклеационная плотность графена сильно коррелирует с морфологией Cu подложки. Коммерческие Cu фольги, произведенные холодной прокаткой, демонстрируют прокатные линии, поля напряжения, поверхностные примеси и родные оксиды, действующие как нуклеационные сайты и компрометирующие равномерность пленки. Для решения этих проблем исследовали различные предобработки, включая отжиг, физическую полировку, травление, электро-полировку, ликвефакцию и плавление-кристаллизацию. Среди них термический отжиг и электро-полировка наиболее широко применяются благодаря их эффективности и операционной простоте. Отжиг снимает внутреннее напряжение и способствует росту зерен, в то время как электро-полировка уменьшает шероховатость поверхности и удаляет поверхностные дефекты. Тем не менее, оба подхода имеют ограничения: отжиженный Cu может развивать ступенчатое сгущение и испарение атомов, тогда как обычная электро-полировка может оставлять травленные ямы и шипы. Следовательно, надежный метод, дающий ультра-гладкие, бездефектные Cu поверхности, все еще нужен.
В этой работе мы интегрируем отжиг и электро-полировку для производства ультра-гладких Cu фольг. Сначала отжигая для высвобождения внутреннего напряжения и дислокаций, затем применяя электро-полировку, мы сохраняем гладкую поверхность даже при высоких температурах, требуемых для CVD. Эта последовательность минимизирует поверхностную реконструкцию и позволяет нам продемонстрировать существенное снижение плотности доменов графена и дефектной плотности, тем самым улучшая электрическую транспортную производительность.
Методы
Подготовка Cu фольги
Как-полученные Cu (AR-Cu) фольги (25 мкм, 99,8% чистота, Alfa Aesar #46365) служили базовым материалом. Для отжиженного Cu (AN-Cu) фольги нагревали до 1050 °C в H₂ при 6,8 Па в течение 1 ч. Электро-полированное Cu (EP-Cu) включало анод-катод установку с тестовой фольгой как анодом, используя электролит из 500 мл фосфорной кислоты, 250 мл уксусной кислоты и 250 мл изопропилового спирта при плотности тока ~47 А м–2 в течение 30 мин. Электро-полированное отжиженное Cu (EA-Cu) приготовляли отжигом с последующей электро-полировкой, в то время как отжиженное электро-полированное Cu (AE-Cu) было обратной последовательностью.
Рост и перенос графена
Графен растили в атмосферно-давленном CVD системе (Chengdu Hao-Shi Technology Ltd.) на 2 × 1 см² Cu подложках. Фольги нагревали до 1050 °C при 17,5 °C мин–1, затем отжигали 30 мин под 200 ссм Ar и 4 ссм H₂. Последующий рост использовал 1 ссм CH₄/Ar (1% CH₄) на контролируемый период для получения либо изолированных доменов, либо непрерывных пленок. Параллельное размещение подложек минимизировало вариации газового транспорта. Перенос на 285 нм SiO₂/Si вейферы следовал PMMA-влажному методу.
Характеризация
Оптическая микроскопия (Nikon ECLIPSE LV100D), атомно-силовая микроскопия (AFM, Veeco D5000), Рамановская спектроскопия (Renishaw Invia, λ = 532 нм) и ван-дер-Пау Холл измерения (Copia HMS-5000) выполняли. Для электрического тестирования перенесенный графен (~1 × 1 см²) отжигали при 200 °C под вакуумом для десорбции окружающих адсорбатов перед измерением.
Результаты и обсуждение
Морфология Cu фольги
Рисунок 1 иллюстрирует оптические микрографии Cu фольг после каждого лечения. Как-полученная поверхность (Рис. 1a) демонстрирует выраженные волнистости в светлом и темном полях. После обработок (Рис. 1b-e) показывают прогрессивно более гладкие поверхности.
AFM анализ (Рис. 2) количественно определяет шероховатость поверхности. AR-Cu демонстрирует RMS шероховатость 20,30 нм, в то время как отжиг и электро-полировка уменьшают ее до 5,62 нм и 4,27 нм соответственно. Комбинирование двух методов — особенно EA-Cu — дальше снижает RMS до 0,80 нм, самого гладкого среди всех образцов. Превосходство EA-Cu происходит от снятия напряжения во время отжига, позволяющего более равномерной электро-полированной отделке. В противовес, AE-Cu показывает увеличенную шероховатость, потому что дислокации мигрируют на поверхность во время последующего этапа отжига.
Качество роста графена
Согласуясь с предыдущими отчетами, плотность доменов графена уменьшается по мере снижения шероховатости Cu поверхности. AR-Gr (выращенный на AR-Cu) показывает высокую плотность доменов 1,16 × 10⁴ см⁻² (Рис. 3a). EP-Gr (на EP-Cu) снижает это в 2,25 раза до 5,2 × 10³ см⁻² (Рис. 3b). EA-Gr (на EA-Cu) достигает замечательных 1,7 × 10³ см⁻² — в 7 раз ниже чем AR-Gr и 3,2 раза ниже чем EP-Gr (Рис. 3c). Гистограмма (Рис. 3d) количественно подтверждает корреляцию между более гладким Cu и сниженной нуклеационной плотностью, также указывая на повышенную скорость роста для EA-Gr.
Перенесенные пленки дополнительно выявляют распределение адслоев (Рис. 4). AR-Gr содержит обильные адслои (7,3 × 10³ см⁻²), EP-Gr снижает это в 4 раза до 1,8 × 10³ см⁻², в то время как EA-Gr достигает минимальной адслойной плотности 2 × 10² см⁻² — в 36 раз ниже чем AR-Gr. AFM изображения подтверждают, что EA-Gr обладает самой гладкой морфологией, с RMS амплитудами 245,2 пм (AR-Gr), 175,7 пм (EP-Gr) и 94,2 пм (EA-Gr).
Рамановский анализ (Рис. 4e,f) дополнительно подтверждает превосходную кристалличность EA-Gr, демонстрируя ID/IG отношение ~1% против ~10% (AR-Gr) и ~5% (EP-Gr). Это отражает резкое снижение дефектной плотности и подтверждает связь между гладкостью подложки и качеством графена.
Электрический транспорт
Ван-дер-Пау Холл измерения (Рис. 5) демонстрируют, что EA-Gr доставляет наивысшую подвижность носителей и наименьшее поверхностное сопротивление по диапазону концентраций носителей. Эти улучшения напрямую результат уменьшенного дефектного ландшафта, введенного ультра-гладкой Cu подложкой.
Заключение
Мы установили простой, масштабируемый протокол, комбинирующий отжиг и электро-полировку для фабрикации ультра-гладких Cu подложек. Эта последовательная обработка превосходит любой шаг в одиночестве предотвращая поверхностную реконструкцию во время высокотемпературного CVD, тем самым снижая плотность доменов графена, формирование адслоев и дефектную плотность. Полученные пленки демонстрируют превосходные электрические транспортные свойства, подчеркивая критическую роль инженерии подложки в высокопроизводительном синтезе графена. Метод легко применим к другим двухмерным материалам и тонкопленочным технологиям.
Аббревиатуры
- AE-Cu
- Отжиженное электро-полированное Cu
- AFM
- Атомно-силовая микроскопия
- AN-Cu
- Отжиженное Cu
- AR-Cu
- Как-полученное Cu
- AR-Gr
- Графен, выращенный на AR-Cu
- BF
- Светлое поле
- CVD
- Химфосное осаждение
- DF
- Темное поле
- EA-Cu
- Электро-полированное отжиженное Cu
- EA-Gr
- Графен, выращенный на EA-Cu
- EP-Cu
- Электро-полированное Cu
- EP-Gr
- Графен, выращенный на EP-Cu
- OM
- Оптическая микроскопия
- RMS
- Корень среднего квадрата
Наноматериалы
- Флуоресцентные наноматериалы: достижения, синтез и биомедицинские применения
- Композиты графен-полимер для высокопроизводительных суперконденсаторов: всеобъемлющий обзор
- Оптимизация гибридной кристаллизации MoS2-графен для усиленной электрокатализа
- Оптимизированная пост-обработка для монодисперсных бинарных наночастиц FePt–Fe₃O₄
- Твердотельное синтез PEDOT/Au/GO композита для ультрачувствительного электрохимического обнаружения нитрита и й…
- Выбор правильного поверхностного финиша для кастомных литых продуктов
- Основные стратегии для эффективной подготовки к сварке
- Запуск продвинутого сервиса водоабразивной резки: скорость и точность
- Тайваньские ЧПУ-КИМ: точность для высококачественного производства
- От заводов к лабораториям: Универсальная сила промышленных роботов