For the last decade, graphene have been emerging as one of ideal materials for the building block of the forthcoming nanotechnology, due to their unique electrical, mechanical and mechanical properties. Although various graphene synthesis method was developed, the intrinsic properties of graphene is limited by the defect generation during growth and transfer process. Due to the uncontrollable random nucleation and sequential growth of graphene grains on catalytic substrate, grain boundaries are generated in graphene films. Most of studies report that grain boundaries in graphene film impede the electric transport of graphene. Therefore, minimizing the grain boundaries is one of the key techniques for high-quality graphene growth. For obtaining large single-crystal graphene grain, we improve the conventional CVD system by locating mobile hot-wire on bottom substrate for separately control the nucleation and growth of graphene at initial growth stage. After optimizing the graphene growth condition, high-angle tilt boundary graphene domain was observed through recrystallization-like stitching of graphene grains. For the purpose of achieving single-crystal graphene, pre-treatment of catalytic substrate was conducted before graphene growth. Cu-Ni alloy substrate was used for nucleation of small domain which facilitate to rotation of initially grown graphene grains. Furthermore, Cu(111) substrate was employed in order to nucleate the aligned graphene domain at initial growth stage. As a result, high angle tilt boundary graphene domain in graphene film was reduced compared to polycrystalline pure copper. In case of transfer-free growth of graphene, carbon-containing polymers such as PE, PEG, PMMA, PS was used for solid carbon source. Owing to the dual heating system in our CVD, uniform graphene was obtained on dielectric substrate. The effect the vapor pressure of catalytic metal on crystallinity of graphene is also studied by using catalytic metal wire. The primary factor for graphene growth is catalytic reaction of metal nanoparticle and carbon precursor in vapor phase. Although the metal nanoparticle was not fully etched from as-grown graphene, uniform and low-defect graphene was directly grown on dielectric substrate. We believe our report offers a significant contribution to understanding the growth mechanism of graphene and would be a fundamental technology for growth of high quality two dimensional materials.
지난 10 여년 간 그래핀은 물질 자체의 우수한 전기적, 기계적, 열적 특성으로 인하여 나노기술 분야의 이상적인 기초물질중의 하나로 떠오르고 있다. 이에 따라 다양한 그래핀 제조 방법 및 응용 기술이 개발되었지만 제조 과정 및 공정 과정에서의 결함 발생으로 인해 그래핀의 우수한 이론적 특성이 제한되어 그래핀이 상용화되는 데에 장애물이 되고 있다. 그래핀의 핵 생성 및 성장의 과정에서, 무작위한 핵 생성으로 인해 만들어진 그래핀 필름에 결정립계가 존재하게 되고, 최근 관련 연구에서는 이러한 결정립계가 그래핀의 전하수송 특성을 저해시키는 요인으로 작용한다고 보고하고 있다. 따라서 고품질의 그래핀을 제조하기 위해서는 이러한 결정립계의 밀도를 최소화시키는, 단결정 그래핀 성장 연구가 고품질 그래핀을 제조하는 데 중요한 핵심 기술이라고 할 수 있다. 이러한 과제를 해결하기 위하여, 본 학위논문에서는 일반적인 화학기상증착법을 개선시켜 고온의 이동 가능한 열선을 장치한 새로운 화학기상증착법을 통해 그래핀을 제조하였다. 투과전자현미경을 통한 그래핀의 방향성 분석 결과, 만들어진 그래핀은 한 방향으로 정렬된 결정립 내에 고각도 경계를 갖는 결정립을 포함하는 구조로 존재함을 관찰하였고, 이러한 고각도 경계 결정립을 제거하기 위해 그래핀을 성장하는 기판을 제어하는 연구를 진행하였다. 먼저 기존에 사용하던 구리 기판에 니켈을 합금시켜 만든 구리-니켈 합금 기판을 통해 그래핀을 제조하였다. 일반적으로 니켈의 경우 그래핀 성장 온도에서 구리보다 높은 탄소 고용도를 갖기 때문에 합금 기판의 경우 그래핀의 핵 생성이 촉진되어 성장 초기에 형성되는 그래핀의 그레인이 더 작은 크기로 형성된다. 이러한 효과로 인해 고각도 경계 결정립의 밀도가 감소하는 현상을 관찰하였다. 또한 그래핀과 격자 부조화가 작은 것으로 알려진 (111) 방향의 구리 기판을 이용해서 그래핀을 제조하는 연구가 진행되었다. (111)방향의 구리 기판에서 그래핀이 제조되는 경우 성장 초기에 그래핀의 결정립이 한 방향으로 정렬되어 핵 생성이 이루어지고, 정렬된 결정립이 성장함에 있어서 인접한 결정립이 만날 때 결정립 경계가 없이 합쳐지게 되어 큰 단결정 그래핀이 형성되게 된다. 고품질 그래핀을 제조하는 또 하나의 중요한 기술인 전사 공정을 생략하는 그래핀 성장법의 경우, 탄소를 포함하는 다양한 고분자 물질을 탄소 전구체로 이용하여 절연체 기판에 그래핀을 직접 성장하는 연구를 진행하였다. 또한 촉매 물질로 이루어진 열선을 이동 열원으로 이용하여 증기 상태의 나노입자를 촉매로 절연체 기판에 그래핀을 직접 성장시키는 연구를 진행하였다. 단결정 및 고품질 그래핀을 제조하기 위한 다양한 접근으로 구성된 본 학위논문은 그래핀의 성장 메커니즘에 대한 이해와 2차원 물질의 고품질 성장 기술 구현에 대한 기초 연구 결과로서 의의를 갖는다.
