Transfer‐free, Large‐Scale Growth of High‐Quality Graphene on Insulating Substrate by "Touch‐down" of Copper Foil

 

Intek Song, Yohwan Park, Hyeyeon Cho, Hee Cheul Choi

 

본 연구에서는 저압 화학기상증착법을 이용하여 고품질 대면적 단일층 그래핀을 절연체인 쿼츠 기판 위에 직접 성장하였다. 특히 그래핀 성장의 핵심 반응인 메테인의 열분해 반응에 구리 증기를 촉매로써 도입하였는데, 이 구리 증기는 산화실리콘/실리콘 기판과 구리 포일의 물리적 접촉에 의해 생성되었다. 포일과 기판이 서로 맞닿은 상태에서 열을 가하면 구리 포일에서 승화한 구리 원자 일부가 실리콘으로 확산하여 계면에서 구리-실리콘 합금을 만드는데, 이 합금은 녹는점이 낮으며 구리 증기를 대량 생성한다. 이렇게 발생한 구리 증기는 효과적으로 메테인 분자를 열분해하므로, 전사 과정 없이 절연 기판 위에 그래핀을 성장시킨다. 위 연구 결과는 화학 분야 최고 권위 학술지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie)지에 게재되었다.

High‐quality, large‐area, single‐layer graphene was directly grown on top of a quartz substrate by low‐pressure chemical vapor deposition (CVD) process using Cu vapor as a catalyst. In this process, continuous generation and supply of highly concentrated Cu vapor is the key to the growth of large‐scale, high‐quality graphene. It was achieved by direct physical contact, or "touch‐down," of a Cu foil with an underlying sacrificial SiO₂/Si substrate, and the target quartz substrate was placed on top of the Cu foil, eventually having a quartz/Cu/SiO₂/Si sandwich structure (refer to the experimental methods for the details). In order to establish the reaction mechanism, we performed a test growth without the quartz substrate, which reveals that Cu is diffused through the SiO₂ layer of the sacrificial SiO₂/Si substrate to form liquid‐phase Cu‐Si alloy that emits massive Cu vapor. This Cu vapor catalyzes thermal decomposition of supplied CH₄ gas.