Copper-Vapor-Assisted Chemical Vapor Deposition for High-Quality and Metal-Free Single-Layer Graphene
- Hyungki Kim,Intek Song,Chibeom Park, Minhyeok Son, Misun Hong, Youngwook Kim, Jun Sung Kim, Hyun-Joon Shin, Jaeyoon Baik, and Hee Cheul Choi*

We report that high-quality single-layer graphene (SLG) has been successfully synthesized directly on various dielectric substrates including amorphous SiO2/Si by a Cu-vapor assisted chemical vapor deposition (CVD) process. The Cu vapors produced by the sublimation of Cu foil that is suspended above target substrates without physical contact catalyze the pyrolysis of methane gas and assist nucleation of graphene on the substrates. The overall quality of graphene grown by Cu-vapor-assisted CVD is comparable to that of the graphene grown by regular metal-catalyzed CVD on a Cu foil. While Cu vapor induces the nucleation and growth of SLG on an amorphous substrate, the resulting SLG is confirmed to be Cu-free by synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy. The SLG grown by Cu-vapor-assisted CVD is fabricated into field effect transistor devices without transfer steps that are generally required when SLG is grown by regular CVD process on metal catalyst substrates.

일반적으로 Cu와 Ni 등의 전이금속 촉매를 제외한 다른 비금속 기판 위에서 그래핀 성장은 품질이 매우 낮으며, 이것은 비금속 기판에 낮은 촉매효과 때문으로 알려져 있다. 이번 연구 결과는 이러한 문제점을 극복하기 위해서 Cu 금속 촉매를 기상형태로 도입함으로써 산화실리콘 기판 위에 직접 구조적 결함이 매우 적은 고품질의 단일층 그래핀을 성장시키는데 성공하였다. 이러한 성장방법은 그래핀의 전자소자 제작 시에 그래핀을 유전체 기판 위로 트랜스퍼 하는 과정이 요구되지 않기 때문에 트랜스퍼 과정에서 발생하는 ripple, crack 과 같은 물리적 결함 및 금속촉매 잔여물과 고분자 잔여물에 의해 발생하는 원치 않는 전기적 특성의 변화를 막을 수 있는 장점이 있다.