Growth Study and Characterization of Single Layer Graphene Structures Deposited on Copper Substrate by Chemical Vapor Deposition

Abstract

Graphene was first isolated from graphite using the method called the tape by scientists at the University of Manchester (Andre Geim, Konstantin Novoselov); such work was later awarded the Nobel Prize in Physics (2010) highlighting its innovative contribution. Still, the method of the tape or mechanical exfoliation can not provide larger domains graphene some hundred micrometers. different technologies that could promote the synthesis of continuous layers of graphene large area in order to boost the potential for large-scale applications were needed. Synthesis chemical vapor deposition (CVD) on various metal substrates is probably the method that meets the above requirements. In the CVD technique, a precursor gas is introduced into a carbon furnace where the metal substrate is placed. The gas molecule decomposes and the carbon atoms are deposited on the metal surface. There are different factors that affect the growth of graphene: the selection of the metal substrate and the thickness thereof; the growth temperature, pressure and partial pressures of the precursor gas carbon / hydrogen / argon; and finally, the growth time. Considering the synthesis of graphene, the aim of the thesis lies present new experiments and results that demonstrate the effect of H2 partial pressure, through PCH4 / PH2 ratio between gas flows, on the growth of crystals dimensional graphene and morphology. To do this, we have designed an experimental methodology consisting of three experiments: 1) Application of a hydrogen plasma to reduce the copper substrate, rather than the regular process in the presence of hydrogen. 2) In relation to the growth of graphene, we propose an optimization experiment to determine control factors for a single continuous layer of graphene and graphene large single crystal domains. 3) intended to identify the role of partial pressure ratio, <PH2> / <PCH4>, and gas flow of hydrogen and methane have conducted experiments varying these parameters.

El grafeno fue aislado por primera vez a partir del grafito mediante el llamado método de la cinta adhesiva por científicos de la Universidad de Manchester (Andre Geim, Konstantin Novoselov); dicho trabajo fue posteriormente reconocido con el Premio Nobel en Física (2010) destacando su aportación innovadora. Aún así, el método de la cinta adhesiva o exfoliación mecánica no puede proporcionar dominios de grafeno mayores que algunos cientos de micrómetros. Eran necesarias diferentes tecnologías que pudieran promover la síntesis de capas de grafeno continuas de area grande con el fin de impulsar el potencial para aplicaciones a gran escala. La síntesis de deposición química en fase vapor (CVD) sobre diferentes sustratos metálicos es probablemente el método que cumple con los requisitos anteriores. En la técnica CVD, se introduce un gas precursor de carbono en un horno donde se coloca el sustrato metálico. La molécula de gas se descompone y los átomos de carbono se depositan sobre la superficie metálica. Existen diferentes factores que afectan el crecimiento del grafeno: la selección del sustrato del metal y el espesor de la misma; la temperatura de crecimiento, la presión, así como las presiones parciales del gas precursor del carbono / hidrógeno / argón; y, por último, el tiempo de crecimiento. Teniendo en cuenta la síntesis de grafeno, el objetivo de la tesis recae en presentar nuevos experimentos y resultados que evidencien el efecto de la presión parcial de H2, a través de la relación PCH4/PH2 entre los flujos de gas, sobre el crecimiento de cristales bidimensionales de grafeno y en su morfología. Para ello, hemos diseñado una metodología experimental que consiste en tres experimentos: 1)La aplicación de un plasma de hidrógeno para reducir el sustrato de cobre, en lugar del proceso regular en presencia de hidrógeno. 2)En relación con el crecimiento de grafeno, proponemos un experimento de optimización que determinen los factores de control para obtener una sola capa continua de grafeno y grandes dominios monocristalinos de grafeno. 3)Con la intención de identificar el papel de la relación de presiones parciales, <PH2> / <PCH4>, y el flujo de gas de hidrógeno y metano hemos llevado a cabo experimentos de la variación de estos parámetros.