Bakır yüzeyinde kimyasal buhardan çöktürme yöntemi ile grafen büyütmede süreç parametrelerinin etkilerinin araştırılması

Abstract

Graphene, a two-dimensional material with a single carbon atom thickness, allows for innovation in many technological areas such as touch screens, photodetectors, flexible electronics, solar cells, supercapacitors, high frequency transistors and more. However, these technologies require that the graphene is produced in a controlled manner. In this direction, among other methods, chemical vapor deposition (CVD) on copper foil substrate has emerged as the most promising and economically scalable production method for high-quality graphene in recent years. In the CVD method, a hydrocarbon gas is passed through the system under high temperature (~1100°C) and vacuum conditions (~10 - 10-3 Torr). The gas breaks down to carbon and hydrogene on the surface of the copper and carbon atoms initiate the graphene nuclei on the surface of the substrate. Two-dimensional lateral growth of the nuclei creates the graphene domains and the domain boundaries. These domain boundaries play an important role in determining the properties of the resulting structure (such as thermal, electrical, and mechanical), similar to the grain boundaries in three-dimensional materials. Therefore, in order to improve the quality of the graphene produced by the CVD method, it is necessary to control the mechanism of graphene formation by optimizing the parameters related to the substrate surface and synthesis process. The parameters that are important in the production process are the temperature, duration, gas composition, partial pressures and the substrate (impurity, orientation, thickness, process history, etc.). Studies in the literature found to be reporting many uncertain and inconsistent results about the effects of these parameters. The main reason for this, is the susceptibility of the CVD process to differences in the furnace and the reactor type used. Therefore, it is of high importance to study all of these parameters systematically on the same CVD setup to understand the true effect of each parameter. In this direction, in this work, effects of CVD parameters such as substrate thickness, substrate placement, acid pretreatment, temperature, duration, gas composition and surface stresses were investigated systematically. Especially, the surface impurities and the effects of mechanical stresses on the substrate, which are rarely studied in the literature, were examined in detail. To understand the graphene growth mechanism and the effects of the parameters, the changes on the copper substrate surface and the morphology of the formed graphene are characterized using Scanning Electron Microscope (SEM – EDX/EBSD), Raman Spectroscopy, Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Backscatter Diffraction (EBSD), X - Ray Diffraction (XRD) and Optical Microscope (OM) and the results have been compared and discussed.

Tek karbon atomu kalınlığında iki boyutlu bir malzeme olan grafen, üstün özelliklerinden dolayı, dokunmatik ekranlar, fotodetektörler, esnek elektronikler, güneş pilleri, süperkapasitörler, yüksek frekanslı transistörler gibi birçok teknolojik uygulamada dikkat çekmektedir. Ancak grafen ile bu teknolojilerde gelişme sağlanması, grafenin kontrollü üretilebilmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda, grafen üretim yöntemleri arasında, kontrollü grafen sentezi için, bakır folyo alttaş üzerinde kimyasal buhardan çöktürme (KBÇ) yöntemi en çok umut vaat eden ve ekonomik olarak ölçeklendirilebilecek bir üretim yöntemi olarak öne çıkmaktadır. Bu yöntemin potansiyeli yüksek olmakla birlikte halen bu yöntem ile üretilen grafenin kalitesinin ve sürecin tekrarlanabilirliğinin arttırılmasına yönelik çalışmalar gerekmektedir. Bakır alttaş üzerinde KBÇ yönteminde, yüksek sıcaklık (~1000-1100°C) ve vakum altında (~10 - 10-3 Torr) sistemden geçirilen hidrokarbon gazı bakırın yüzeyinde karbon ve hidrojene parçalanır ve karbon atomları alttaş yüzeyinde grafen çekirdeklenmelerini başlatır. Çekirdeklerin iki boyutlu yanal büyümeleri ile grafen taneleri ve taneler arası sınırlar oluşur. Bu tane sınırları, üç boyutlu malzemelerdeki tanecik sınırları gibi, oluşan yapının özelliklerini (termal, elektriksel ve mekanik gibi) belirlemede önemli rol oynar. Dolayısıyla, KBÇ yöntemi ile üretilen grafenin kalitesini iyileştirmek için alttaş yüzeyine ve üretim sürecine bağlı parametreleri optimize ederek grafen oluşumunu kontrol etmek gerekmektedir. Üretim sürecinde öne çıkan parametreler: sıcaklık, tavlama, gaz kompozisyonu, ve alttaş özellikleridir (safsızlık, kristallografik oryantasyon, kalınlık vb.). Literatürde bu parametreler ve etkileri ile ilgili birçok çelişkili bilgi bulunmaktadır. Bunun sebebi KBÇ yönteminin kullanılan fırın ve reaktöre bağlı olarak oldukça farklı sonuçlar göstermesidir. Dolayısıyla tüm bu parametrelerin gerçek etkilerinin anlaşılabilmesi için tek bir sistem kullanılarak çalışılması önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında, KBÇ yöntemiyle bakır alttaş üzerinde grafen büyütülmesinde alttaş kalınlığı, alttaş yerleşimi, asit ile ön temizlik işlemi, sıcaklık, süre, gaz kompozisyonu, ve yüzey stresleri gibi parametrelerin oluşan grafen üzerindeki etkileri sistematik bir şekilde incelenmiştir. Bu tez kapsamında, özellikle literatürde eksik olduğu görülen yüzey empüriteleri ve alttaşın üzerindeki mekanik streslerin araştırılmasına odaklanılmıştır . Grafen büyüme mekanizmasının ve süreç parametrelerinin oluşan grafene etkilerinin anlaşılması için, bakır yüzeyinde gerçekleşen değişimler ve oluşan grafenin morfolojisi, Taramalı Elektron Mikroskop (SEM – EDX/EBSD), Raman Spektroskopisi, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Elektron Geri Saçılım Kırınımı (EBSD), X-ışınları Kırınımı (XRD) ve Optik Mikroskop (OM) kullanılarak karakterize edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılarak tartışılmıştır.