单晶石墨烯成长模型与单相旋转角之分析

一、前言

石墨烯(graphene), 又称单层石墨(graphite),碳原子以sp2 的键结方式形成六角形蜂窝状的二维结构。单层石墨烯(single layer graphene, SLG) 只有一个碳原子的厚度0.34 nm,特殊的结构使其具有很多优异的特性,快速的载子迁移率(carrier mobility)、很高的比表面积(specific surfacearea )、相当好的机械强度(mechanical strength)、极高的光穿透性(transmittance)[1-3]。单层石墨烯只吸收2.3 % 的可见光[4], 由于没有能隙,在紫外光(Ultraviolet, UV)波段没有强烈的吸收,且导电的机制与一般透明导电薄膜(transparent conductive films,TCFs) 不同,因此对红外光(Infrared, IR) 波段也几乎是完全透明的;室温下载子迁移率达2×105 cm2/Vs,而电阻率(resistivity) 约10-6 Ω·cm[5];弹力常数(spring constants) 约1~5 N/m,杨氏系数(Young's modulus) 约0.5 Tpa[6]。综合其光性、电性及弹性非常适合做为可挠曲(flexible) 的透明导电膜[7]。本研究目的在于推导出石墨烯的成长模型,并利用傅氏转换证明铜(111) 对于石墨烯有单一旋转角。

二、实验设计

将铜箔(1cm2) 置于高温炉管内,通入氩气(Ar) 与氢气(H2),加热至1050 °C 并维持此状态退火180 分钟。氩气做为稀释的安全气体,氢气可还原铜表面的氧化铜、防止铜箔氧化及当做催化气体,高温退火可增加铜箔结晶性与平整度,我们通入30sccm 的氢气流量,并通入0.5sccm 的甲烷(CH4) 成长石墨烯,甲烷在氢气及铜催化下会降解成碳氢化合物(CHx) 或C 沉积于铜箔表面; 最后我们将铜箔从高温区移开来快速降温,可以避免降温太慢而使得碳原子还不断在铜表面移动而使得品质不一。为了得到单指向性的铜(111),我们在蓝宝石(c-plane) 基板上溅镀上一层1μm 的铜膜,之后利用电化学电镀增加厚度后,再以机械力将铜箔剥离下来,退火后得到表面为铜(111) 之铜箔;我们在高温1000 度,甲烷及氢气流量为0.4sccm 及24sccm 参数下,成长单晶石墨烯在铜(111) 及多晶铜表面,并利用傅氏转换分析其旋转角。我们使用扫瞄式电子显微镜(SEM) 来拍摄单晶石墨烯的型貌,并推导单晶石墨烯的成长模型,以及使用傅氏转换证明石墨烯成长于铜(111) 表面时有单一的旋转角。

三、结论

本研究使用化学气相沉积系统,成长石墨烯薄膜于铜金属上,首先推导石墨烯的成长模型,可以发现碳原子在铜表面上的沉积为加速度成长,为一元二次方程式, 实验结果与方程式的拟合曲线相符合,我们可以透过这个方程式来精确预测石墨烯薄膜需要的成膜时间;最后在温度1050 度、氢气30sccm 及甲烷0.5sccm 下之片电阻与光学穿透率为310Ω/ 与97.7 %。我们制作了单指向性的铜(111) 基板,并利用铜(111)与石墨烯有较小的晶格常数差距,成长单一旋转方向的石墨烯晶粒,最后透过傅氏转换可以计算出角度差值约2~3 度,有别于以往需要透过穿透式电子显微镜来观察的方法。



备注 引述中央大学能源所助理教授/郭倩丞、中央大学光电系教授/李正中