Voorbereiding van ultraglad Cu-oppervlak voor hoogwaardige grafeensynthese

Resultaten en discussie

Cu Folie Voorbereiding

Figuur 1 toont de morfologieën van de Cu-folies die zijn bereid met verschillende behandelingen door optische microscopie (OM). Zoals te zien is in figuur 1a, vertoont het oppervlak van AR-Cu grote golven in zowel helderveld (BF) als donkerveld (DF). Uit Fig. 1b-e blijkt dat de voorbehandelde Cu-substraten gladdere oppervlakken hebben.

OM beelden van Cu folies met verschillende voorbehandelingen onder lichte en donkere velden. een AR-Cu, b EP-Cu, c AE-Cu, d AN-Cu, en e EA-Cu, respectievelijk. Schaalbalken, 20 μm

Karakterisering van atoomkrachtmicroscopie (AFM) biedt kwantitatief inzicht in verschillende behandelingsmethoden, zoals weergegeven in figuur 2. Blijkbaar heeft de AR-Cu een echt ruw oppervlak met een ruwheid van het wortelgemiddelde (RMS) van 20,30 nm. Zoals gemeld, kunnen zowel thermisch gloeien als elektrolytisch polijsten het oppervlak effectief gladmaken [12, 18, 27, 37], waardoor de oppervlakteruwheid wordt verminderd tot respectievelijk 5,62 nm en 4,27 nm. Bovendien kan een combinatie van thermisch gloeien en elektrolytisch polijsten, d.w.z. ofwel thermisch gloeien na elektrolytisch polijsten of elektrolytisch polijsten na thermisch gloeien, de oppervlakteruwheid verder verminderen tot respectievelijk 2,01 nm en 0,80 nm. Het oppervlak van de EA-Cu, dat gladder is dan de AE-Cu, kan worden toegeschreven aan het feit dat thermisch gloeien kan helpen om de interne spanning en dislocaties van het residu vrij te maken. Dus als het Cu-substraat na het uitgloeien elektrolytisch gepolijst wordt, omdat de interne spanning en dislocaties van het residu zijn vrijgegeven, kan het oppervlak goed worden gepolijst. Aan de andere kant, als het Cu-substraat wordt uitgegloeid na elektrolytisch polijsten, hoewel een glad oppervlak kan worden bereikt door elektrolytisch polijsten, kan het oppervlak tijdens het uitgloeiproces worden gereconstrueerd vanwege het vrijkomen van de interne spanning en de beweging van de dislocaties naar het oppervlak en dus de uiteindelijke ruwheid wordt beïnvloed.

Gemiddelde RMS-ruwheidsevolutie (zwarte vierkanten) van het Cu-oppervlak na elke verwerkingsstap verkregen in AFM

Grafeengroei

Er is gemeld dat de dichtheid van het grafeendomein en de uniformiteit van de dikte gecorreleerd zijn met de oppervlakteruwheid van het Cu-substraat [12, 23, 34, 38]. Uit Fig. 3a-c is duidelijk te zien dat de dichtheid van het grafeendomein afneemt met de afname van de Cu-oppervlakteruwheid. De domeindichtheid van grafeen op AR-Cu (gedefinieerd als AR-Gr) is aanzienlijk hoog tot 1.16 × 10 ⁴ cm ⁻² (Fig. 3a). Die van grafeen op EP-Cu (gedefinieerd als EP-Gr) daalt met 2,25 keer, met slechts 5,2 × 10 ³ cm ⁻² (Fig. 3b). Die van grafeen op EA-Cu (gedefinieerd als EA-Gr) daalt verder naar 1,7 × 10 ³ cm ⁻² , 7,3 keer lager dan die van AR-Gr en 3,2 keer lager dan die van EP-Gr (Fig. 3c). Figuur 3d toont de statistische analyse van de grafeendomeindichtheid op de drie oppervlakken (respectievelijk AR-Cu, EP Cu en EA-Cu), die kwantitatief het effect van Cu-oppervlakruwheid op de nucleatiedichtheid van grafeen laten zien. Alle zijn consistent met eerder werk. Het is ook te zien dat de groeisnelheid van EA-Gr aanzienlijk is verbeterd in vergelijking met de andere twee Cu-folies.

OM-afbeeldingen van grafeendomeinen gekweekt op a AR-Cu, b EP-Cu en c EA-Cu, respectievelijk. Schaalbalken, 10 μm. d Histogram statistische grafiek van grafeendomeindichtheid op respectievelijk AR-Cu, EP-Cu en EA-Cu. De domeindichtheid wordt berekend door willekeurig een regio te nemen met een oppervlakte van 120 × 90 μm ² en vervolgens het tellen van de domeinen binnen de regio

De OM-afbeeldingen van het overgebrachte grafeen met typische verdeling van adlayers worden getoond in Fig. 4a-c, en de histogram statistische grafiek van grafeenadlayer-dichtheid wordt getoond in Fig. 4d voor AR-Gr, EP-Gr en EA-Gr, respectievelijk. Zoals verwacht, hoe gladder het oppervlak, hoe minder adlagen. De AR-Gr is inhomogeen met veel adlayers, met een gemiddelde adlayerdichtheid van 7,3 × 10 ³ cm ⁻² (Fig. 4a). De dichtheid van de adlaag van EP-Gr wordt vier keer verminderd met slechts 1,8 × 10 ³ cm ⁻² (Fig. 4b). De EA-Gr is het meest homogeen met een dichtheid van de adlaag van slechts ongeveer 2 × 10 ² cm ⁻² , 36 keer lager dan die van AR-Gr en 9 keer lager dan die van EP-Gr. AFM-afbeeldingen die overeenkomen met elk overgedragen grafeen worden ook getoond, in de rechterbovenhoek. De spectrale RMS-amplitude van AR-Gr, EP-Gr en EA-Gr zijn respectievelijk 245,2 pm, 175,7 pm en 94,2 pm. De overgebrachte EA-Gr toont de gladste oppervlaktemorfologie.

OM-afbeeldingen van overgebrachte grafeenfilms gekweekt op a AR-Cu, b EP-Cu en c EA-Cu. Schaalbalken, 10 μm. (AFM-afbeeldingen en amplitudespectrum komen overeen met elk overgedragen grafeen, inzet rechterbovenhoek. Schaalbalken, 1 μm.) d Histogram statistische grafiek van grafeenadlaagdichtheid gegroeid op AR-Cu, EP-Cu en EA-Cu. De dichtheid van de adlaag wordt berekend door willekeurig een gebied te nemen met een oppervlakte van 120 × 90 μm ² en dan de adlayers binnen de regio tellen. e Raman-spectra van overgebracht grafeen gekweekt op respectievelijk AR-Cu, EP-Cu en EA-Cu. v Histogram statistische grafiek van I _D /Ik _G in Raman-spectra van grafeen gegroeid op AR-Cu, EP-Cu en EA-Cu

Een van de belangrijkste redenen om de domeindichtheid van grafeen te verminderen, is dat de domeingrenzen worden beschouwd als een van de defecten die de grafeenkwaliteit verslechteren, bijvoorbeeld de prestaties van elektrisch transport. Raman-spectroscopie wordt vaak gebruikt voor de karakterisering van grafeen en de intensiteitsverhouding van de D-band tot de G-band (I _D /Ik _G ) is gecorreleerd met de dichtheid van grafeendefecten [39]. Figuur 4e, f toont de Raman-spectra en de statistische grafiek van het histogram van ID/IG van de drie soorten grafeen. De EA-Gr heeft de meest perfecte kristalstructuur met bijna geen D-piek. Over het algemeen ik _D /Ik _G is ~ 10 ± 5% voor de AR-Gr, ~ 5 ± 2% voor EP-Gr en ~ 1 ± 1% voor EA-Gr. Dat wil zeggen, hoe gladder het substraatoppervlak, hoe hoger de kwaliteit van grafeen.

Elektrische transportprestaties van grafeen

De van der Pauw-Hall-meting wordt vaak gebruikt om de elektrische transportprestaties van dunne films te karakteriseren. Bladweerstand, dragerdichtheid en dragermobiliteit kunnen worden gemeten of afgeleid. In de meeste gevallen komt de gemeten dragermobiliteit van verschillende grafeenmonsters echter niet overeen met dezelfde dragerdichtheid vanwege de onbedoelde dotering uit de omgeving. Voor deze gevallen is de dragermobiliteit niet vergelijkbaar omdat deze een functie is van de dragerdichtheid [40, 41]. Hier hebben we de van der Pauw-Hall-meting uitgevoerd op gegloeid grafeen, dat een aanvankelijk lage dragerdichtheid had. De dragerdichtheid nam met de tijd toe als gevolg van de doteringsadsorptie uit de omgeving en de bijbehorende mobiliteit van de drager kon worden gemeten. De gemeten dragermobiliteit en plaatweerstand als functie van de dragerdichtheid voor de drie soorten grafeen worden getoond in Fig. 5. Het is te zien dat de EA-Gr de beste transportprestaties laat zien met de hoogste dragermobiliteit en de laagste plaatweerstand .

Perceel van grafeen a vervoerdermobiliteit versus vervoerderdichtheid en b plaatweerstand versus dragerdichtheid bij kamertemperatuur