[논문]다양한 금속 기판재료에 따른 그래핀의 유도결합 플라즈마 화학기상 성장 특성

김동옥; 트란남충; 김의태

doi:10.3740/mrsk.2014.24.12.694

다양한 금속 기판재료에 따른 그래핀의 유도결합 플라즈마 화학기상 성장 특성
Inductively-Coupled Plasma Chemical Vapor Growth Characteristics of Graphene Depending on Various Metal Substrates 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.24 no.12, 2014년, pp.694 - 699

김동옥 (충남대학교 공과대학 재료공학과) , 트란남충 (충남대학교 공과대학 재료공학과) , 김의태 (충남대학교 공과대학 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We report the chemical vapor deposition growth characteristics of graphene on various catalytic metal substrates such as Ni, Fe, Ag, Au, and Pt. 50-nm-thick metal films were deposited on $SiO_2/Si$ substrates using dc magnetron sputtering. Graphene was synthesized on the metal/$SiO_2$/Si substrates with $CH_4$ gas (1 SCCM) diluted in mixed gases of 10% $H_2$ and 90 % Ar (99 SCCM) using inductively-coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD). The highest quality of graphene film was achieved on Ni and Fe substrates at $900^{\circ}C$ and 500 W of ICP power. Ni substrate seemed to be the best catalytic material among the tested materials for graphene growth because it required the lowest growth temperature ($600^{\circ}C$) as well as showing a low ICP power of 200W. Graphene films were successfully grown on Ag, Au, and Pt substrates as well. Graphene was formed on Pt substrate within 2 sec, while graphene film was achieved on Ni substrate over a period of 5 min of growth. These results can be understood as showing the direct CVD growth of graphene with a highly efficient catalytic reaction on the Pt surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

각 금속기판에서의 그래핀 성장특성을 더 깊이 이해하기 위해 플라즈마 파워와 성장시간에 따른 연구를 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 Ni 및 Fe, Ag, Au, Pt의 다양한 촉매 금속기판에서 유도결합 플라즈마 화학기상증착에 의한 그래핀 성장 특성을 연구하였다. 다섯 종류의 금속기판 중 그래핀 성장에 가장 우수한 특성을 보인 재료는 Ni인 것으로 판단된다.
이러한 유도결합 플라즈마가 Cu 기판에서 고품질 그래핀 제조에 효과적이라는 결과가 보고되고 있으나⁵⁾ 다양한 금속기판에서 성장특성에 관한 연구는 거의 전무한 상태이다. 본 연구에서는 주요 성장 변수인 성장온도, 플라즈마 파워와 증착시간에 따른 체계적인 실험을 통해 각 금속기판들에서 그래핀 성장이 어떤 차이를 보이는지를 논의하고자 한다.

가설 설정

%로 매우 낮아 Cu 표면에서 메탄 같은 반응가스 분해에 이은 직접적인 증착반응을 통해 그래핀이 성장하게 된다.^3,4) 이러한 금속 표면에서의 촉매반응과 성장메커니즘의 차이는 막질 뿐만 아니라 성장 온도에도 큰 영향을 미치게 된다. 탄소나노튜브의 경우에도 Ni, Fe, Co 등의 다양한 촉매금속에 따른 나노튜브 성장특성에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다.

제안 방법

/Si 웨이퍼 위에 각각 Ni, Fe, Ag, Au와 Pt 박막을 약 50 nm 두께로 상온에서 증착하여 준비하였다. Ni, Fe, Ag, Au 와 Pt 박막은 각각 dc 파워를 30 W (10분), 80 W (5분), 10 W (10분), 10 W (15분)로 설정하여 증착하였다. 다섯 종류의 금속기판 모두는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치의 hot-wall chamber 내에 함께 장입하여 모두 같은 조건에서 그래핀이 성장되도록 하였다.
Ni, Fe, Ag, Au 와 Pt 박막은 각각 dc 파워를 30 W (10분), 80 W (5분), 10 W (10분), 10 W (15분)로 설정하여 증착하였다. 다섯 종류의 금속기판 모두는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치의 hot-wall chamber 내에 함께 장입하여 모두 같은 조건에서 그래핀이 성장되도록 하였다.^5,6,7) 기판 장입 후 로터리 진공펌프로 1 ×10⁻² torr 정도까지 진공을 유지시켰다.
이후 Ar/H₂ 99 SCCM과 더불어 CH₄ 가스를 1 SCCM으로 공급하여 그래핀을 성장하였다. 성장된 그래핀의 특성은 532 nm의 레이저(0.5 mW)를 사용한 마이크로 라만분광기(유니나노텍(주), UniRAM)로 분석하였다.
성장온도와 플라즈마 파워는 각각 900 °C와 200 W로 고정하였다.
본 연구에서는 화학기상증착법에 의한 그래핀 성장특성을 보다 깊이 이해하고 새로운 촉매금속 모색을 위해 Ni 뿐만 아니라 Fe와 귀금속 계열의 Ag, Au, Pt 촉매 기판금속을 사용하였다. 특히 고품질 그래핀 성장과 성장온도를 더욱 낮추기 위한 노력으로 유도결합 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 다양한 촉매 금속기판에서의 그래핀 성장특성을 분석 비교하였다. 유도결합 플라즈마는 비교적 장치가 간단하여 대면적 기판의 대량생산설비 구축에 유리하며, 무엇보다 전자 밀도가 매우 높은(~10¹⁵ cm⁻³) 플라즈마로서 탄소원자 및 반응기 활성화에 매우 효과적이다.

대상 데이터

그래핀 제조에 사용된 금속기판은 dc magnetron sputtering 법으로 SiO₂/Si 웨이퍼 위에 각각 Ni, Fe, Ag, Au와 Pt 박막을 약 50 nm 두께로 상온에서 증착하여 준비하였다. Ni, Fe, Ag, Au 와 Pt 박막은 각각 dc 파워를 30 W (10분), 80 W (5분), 10 W (10분), 10 W (15분)로 설정하여 증착하였다.
본 연구에서는 화학기상증착법에 의한 그래핀 성장특성을 보다 깊이 이해하고 새로운 촉매금속 모색을 위해 Ni 뿐만 아니라 Fe와 귀금속 계열의 Ag, Au, Pt 촉매 기판금속을 사용하였다. 특히 고품질 그래핀 성장과 성장온도를 더욱 낮추기 위한 노력으로 유도결합 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 다양한 촉매 금속기판에서의 그래핀 성장특성을 분석 비교하였다.

성능/효과

각 금속 기판들에서 성장온도에 따른 그래핀 성장특성을 종합하여 보면 Ni이 가장 우수한 특성을 보였다. 즉 900 °C에서는 결함이 거의 없는 고품질 그래핀을 성장할수 있고 600 °C까지도 그래핀 막 형성이 가능하였다.
본 연구에서는 Ni 및 Fe, Ag, Au, Pt의 다양한 촉매 금속기판에서 유도결합 플라즈마 화학기상증착에 의한 그래핀 성장 특성을 연구하였다. 다섯 종류의 금속기판 중 그래핀 성장에 가장 우수한 특성을 보인 재료는 Ni인 것으로 판단된다. 성장온도 900 °C에서 격자결함이 없는 고품질 그래핀이 성장되었고 600 °C에서도 그래핀제조가 가능하였다.
Ni 기판의 경우 성장 시간 1분까지는 그래핀 형성을 확인할 수 없었다. 성장시간을 5분 이상으로 증가시켰을 때 그래핀이 형성됨을 확인하였다. 반면에 Fe 기판의 경우에는 10분 성장 시에 그래핀이 형성됨을 확인하였다.
추정된 D 밴드 피크의 위치는 기존 발표된 값(1350 cm−1)과2,3,9) 차이를 보였지만 강도가 매우 작아 정확한 값을 얻기 어려운 점을 고려하면 본 논문에서는 논의를 미루는 것이 적절할 것 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학기상증착에 의한 막질 및 두께 제어는 어떤 요소에 영향을 받는가?	화학기상증착법은 대면적 그래핀 제조를 위한 대표적인 방법으로 많은 연구가 진행되어왔다.1-4) 화학기상증착에 의한 그래핀 성장 메커니즘과 이에 따른 막질 및 두께 제어는 사용되는 촉매 금속기판의 재료와 상태에 큰 영향을 받게 된다.1-7) 가장 많이 연구되어 왔고 일반적으로 사용되는 Ni과 Cu 기판 재료의 경우도 서로 상이한 그래핀 성장 메커니즘을 가지게 된다.
	탄소나노튜브에 사용하는 촉매금속의 종류는?	3,4) 이러한 금속 표면에서의 촉매반응과 성장메커니즘의 차이는 막질 뿐만 아니라 성장 온도에도 큰 영향을 미치게 된다. 탄소나노튜브의 경우에도 Ni, Fe, Co 등의 다양한 촉매금속에 따른 나노튜브 성장특성에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 반면에 그래핀의 경우에는 대부분의 연구가 Ni과 Cu에 집중되어 왔고 다른 촉매 기판금속에 대한 연구가 미비한 편이다.
	Cu 기판에서 그래핀 성장 메커니즘은 어떠한가?	% 정도로 매우 높기에 보통 1000 °C 정도의 고온의 성장온도에서 침탄이 이루어지고 온도를 내릴 때 탄소 석출에 의해 그래핀이 성장하게 된다.2-4) 반면 Cu 기판의 경우에는 침탄 고용비율이 0.05 at.%로 매우 낮아 Cu 표면에서 메탄 같은 반응가스 분해에 이은 직접적인 증착반응을 통해 그래핀이 성장하게 된다.3,4) 이러한 금속 표면에서의 촉매반응과 성장메커니즘의 차이는 막질 뿐만 아니라 성장 온도에도 큰 영향을 미치게 된다.

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