Chemical vapor deposition method among the graphene synthesis methods has an advantage of producing high quality graphene in a large area, but it has a limitation that it can not show the excellent characteristics of the theoretically known graphenes because of the polycrystalline structure.
In order to synthesize single crystal graphene, we have developed a mobile hot wire chemical vapor deposition system that adds heating source for local and continuous heat treatment. In this system, randomly oriented grains are initially formed and then when local and continuous heat treatment is performed on the grains they are rotated in the same direction as the surrounding grains. However, the grains that were tilted by about 30 degrees from the surrounding crystals remain because they are energetically metastable. In this study, the size of the initially formed grains was reduced in order to weaken the interaction of the graphene-metal substrate and facilitate rotation of the high angle tilted domains .
To control the domain size, nucleation density is increased by adding nickel to the copper and it was confirmed the grain size is decreased. We identified that the remained high angle tilted grains in the the finally formed graphene with optimized growth condition were significantly reduced in graphene grown on Cu Ni alloy compared to that grown on pure Cu via transmission electron microscope.
그래핀의 합성법 중 화학 기상 증착법은 고품질의 그래핀을 대면적으로 생산할 수 있는 장점을 갖고 있지만, 다결정 구조로 합성 되어 이론적으로 알려진 특성들만큼 발현되지 못한다는 한계점을 갖고 있다. 그래서 화학 기상 증착법으로 대면적의 단결정 그래핀을 성장시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
우리 연구실에서는 단결정 그래핀을 합성하기 위해 기존 CVD 시스템에서 추가적으로 국부적이며 연속적인 열처리가 가능하도록 한 모바일 핫와이어 화학 기상 증착 시스템을 개발하였다. 성장 초기에 형성된 불규칙적인 결정 방향을 갖는 그래핀 결정 위에 국부적이면서 연속적인 열처리를 하게 되면 결정들은 주변 결정들과 같은 방향으로 회전하여 이전보다 더 큰 결정을 형성하게 된다. 하지만 주변 결정들의 방향과 약 30도 정도 틀어져 있던 결정들은 에너지적으로 준 안정한 상태이므로 회전하지 못하고 부분적으로 남아있게 된다. 본 연구에서는 남아있는 결정들을 없애기 위해서 처음 형성된 결정들을 작게 만들어 회전을 용이하도록 하였다.
결정크기를 조절하기 위해서 구리에 미량의 니켈을 첨가함으로써 핵 생성 밀도를 늘렸고, 결정들의 크기가 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 최종적으로 성장조건의 최적화 실험을 통해 얻은 그래핀에서 남아있는 고각으로 틀어진 결정들을 비교했을 때, 구리 니켈 합금에서 길러진 그래핀들에서 현저히 더 적게 남아있다는 것을 투과 전자 현미경을 통해 확인할 수 있었다.
