Структурные свойства графена на медных подложках

  • Егор Александрович Колесов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь http://orcid.org/0000-0001-8917-8937
  • Артем Дмитриевич Пашинский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Михаил Сергеевич Тиванов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь http://orcid.org/0000-0002-4243-0813
  • Ольга Васильевна Королик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Олеся Олеговна Капитанова Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, ул. Ленинские горы, 1, строение 3, 119234, г. Москва, Россия http://orcid.org/0000-0002-7384-3426
  • Геннадий Николаевич Панин Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, ул. Институтская, 6, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., Россия; Академия наноинформационных технологий, Университет Донгук, Пилдонг, Юнг-Гу, 3-26, 100-715, г. Сеул, Южная Корея
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2019-2-58-65

Аннотация

Введение. Актуальность изучения влияния подложки на свойства графена обусловлена высокой чувствительностью данного двумерного материала к самым малым воздействиям. При этом исследования, посвященные разделению влияний непосредственно подложки и последствий синтеза на свойства графена, на сегодняшний день описаны в литературных источниках недостаточно подробно.
Материалы и методы. В настоящей работе описаны изученные с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света и сканирующей зондовой микроскопии структурные свойства графена, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы на медной подложке, а также графена, полученного аналогично и перенесенного после синтеза на другую медную подложку.
Результаты и их обсуждение. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света обнаружено, что механические напряжения для выращенного графена повышены, в то время как в перенесенном графене они пренебрежимо малы, при этом коэффициенты механического напряжения составили 0,22– 0,33 и ~ 0 % соответственно. Методом сканирующей зондовой микроскопии показано, что данный эффект не связан с неровностями на поверхности меди: средняя шероховатость подложки, на которой графен был выращен, составляет 20,4 нм, для подложки перенесенного графена – 62,0 нм; при этом перепады высот во втором случае почти на порядок больше. Данное противоречие нами связывается с наличием остаточных эффектов синтеза в случае выращенного графена.
Заключение. Результаты настоящей работы важны как для уточнения методов первичной характеризации графена после синтеза, так и для практических приложений, требующих нанесения графена на рифленые и перфорированные подложки, мембраны и объекты сложной формы.

Биографии авторов

Егор Александрович Колесов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры энергофизики физического факультета. Научный руководитель – М. С. Тиванов

Артем Дмитриевич Пашинский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

магистрант кафедры философии и методологии науки факультета философии и социальных наук. Научный руководитель – кандидат философских наук, доцент А. И. Екадумов

Михаил Сергеевич Тиванов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; заведующий кафедрой энергофизики физического факультета

Ольга Васильевна Королик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; заведующий научно-исследовательской лабораторией энергоэффективных материалов и технологий кафедры энергофизики физического факультета

Олеся Олеговна Капитанова, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, ул. Ленинские горы, 1, строение 3, 119234, г. Москва, Россия

кандидат химических наук; младший научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета

Геннадий Николаевич Панин, Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, ул. Институтская, 6, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., Россия; Академия наноинформационных технологий, Университет Донгук, Пилдонг, Юнг-Гу, 3-26, 100-715, г. Сеул, Южная Корея

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории локальной диагностики полупроводниковых материалов Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, профессор физического факультета Академии наноинформационных технологий Университета Донгук

Литература

  1. Balandin AA. Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Letters. 2008;8(3):902 – 907. DOI: 10.1021/nl0731872.
  2. Bunch S, van der Zande AM, Verbridge SS, Frank IW, Tanenbaum DM, Parpia JM, et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 2007;315(5811):490 – 493. DOI: 10.1126/science.1136836.
  3. Bolotin KI, Sikes KJ, Jiang Z, Klima M, Fudenberg G, Hone J, et al. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Communications. 2008;146(9 –10):351–355. DOI: 10.1016/j.ssc.2008.02.024.
  4. Shin H, Yoon S-M, Choi WM, Park S, Lee D, Song IY, et al. Influence of Cu crystallographic orientation on electron transport in graphene. Applied Physics Letters. 2013;102:163102. DOI: 10.1063/1.4802719.
  5. Frank O, Vejpravova J, Holy V, Kavan L, Kalba M. Interaction between graphene and copper substrate: The role of lattice orientation. Carbon. 2014;68:440 – 451. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.11.020.
  6. He R, Zhao L, Petrone N, Kim KS, Roth M, Hone J, et al. Large Physisorption Strain in Chemical Vapor Deposition of Graphene on Copper Substrates. Nano Letters. 2012;12(5):2408–2413. DOI: 10.1021/nl300397v.
  7. Guo L, Zhang Z, Sun H, Dai D, Cui J, Liad M, et al. Direct formation of wafer-scale single-layer graphene films on the rough surface substrate by PECVD. Carbon. 2018;129:456 – 461. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.12.023.
  8. Regan W, Alem N, Alemán B, Geng B, Girit Ç, Maserati L, et al. A direct transfer of layer-area graphene. Applied Physics Letters. 2010;96:113102. DOI: 10.1063/1.3337091.
  9. Nemšák S, Strelcov E, Guo H, Hoskins BD, Duchoň T, Mueller DN, et al. In aqua electrochemistry probed by XPEEM: experimental setup, examples, and challenges. 2018. ArXiv:1802.02545.
  10. Hui F, Porti M, Nafria M, Duan H, Lanza M. Fabrication of graphene MEMS by standard transfer: High performance atomic force microscope tips. In: 10 th Spanish Conference on Electron Devices (CDE); 2015 February 11–13; Madrid, Spain. Madrid: IEEE; 2015. 978-1-4799-8108-3/151. DOI: 10.1109/CDE.2015.7087444.
  11. Martin-Olmos C, Rasool HI, Weiller BH, Gimzewski JK. Graphene MEMS: AFM Probe Performance Improvement. ACS Nano. 2013;7(5):4164 – 4170. DOI: 10.1021/nn400557b.
  12. Ferrari AC, Basko DM. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 2013;8(4):235–246. DOI: 10.1038/nnano.2013.46.
  13. Liang X, Sperling BA, Calizo I, Cheng G, Hacker CA, Zhang Q, et al. Toward Clean and Crackless Transfer of Graphene. ACS Nano. 2011;5(11):9144 – 9153. DOI: 10.1021/nn203377t.
  14. Gao L, Ni G-X, Liu Y, Liu B, Neto AHC, Loh KP. Face-to-face transfer of wafer-scale graphene films. Nature. 2014;505(7482): 190 –194. DOI: 10.1038/nature12763.
  15. Her M, Beams R, Novotny L. Graphene transfer with reduced residue. Physics Letters A. 2013;377(21–22):1455–1458. DOI: 10.1016/j.physleta.2013.04.015.
  16. Ferrari AC, Meyer JC, Scardaci V, Casiraghi C, Lazzeri M, Mauri F, et al. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Physical Review Letters. 2006;97(18):187401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.187401.
  17. Hao Y, Wang Y, Wang L, Ni Z, Wang Z, Wang R, et al. Probing Layer Number and Stacking Order of Few-Layer Graphene by Raman Spectroscopy. Small. 2010;6:195–200. DOI: 10.1002/smll.200901173.
  18. Cançado LG, Jorio A, Ferreira EHM, Stavale F, Achete CA, Capaz RB, et al. Quantifying defects in graphene via Raman spectroscopy at different excitation energies. Nano Letters. 2011;11(8):3190 –3196. DOI: 10.1021/nl201432g.
  19. Tivanov MS, Kolesov EA, Praneuski AG, Korolik OV, Saad AM, Komissarov IV, et al. Significant G peak temperature shift in Raman spectra of graphene on copper. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2016;27(9):8879 – 8883. DOI: 10.1007/s10854-016-4913-7.
  20. Mohiuddin TMG, Lombardo A, Nair RR, Bonetti A, Savini G, Jalil R, et al. Uniaxial strain in graphene by Raman spectroscopy: G peak splitting, Grüneisen parameters, and sample orientation. Physical Review B. 2009;79:205433. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.205433.
  21. Ferralis N. Probing mechanical properties of graphene with Raman spectroscopy. Journal of Materials Science. 2010;45(19):5135–5149. DOI: 10.1007/s10853-010-4673-3.
  22. Zhang Y, Gao T, Gao Y, Xie S, Ji Q, Yan K, et al. Defect-like Structures of Graphene on Copper Foils for Strain Relief Investigated by High-Resolution Scanning Tunneling Microscopy. ACS Nano. 2011;5(5):4014 – 4022. DOI: 10.1021/nn200573v.
Опубликован
2019-05-20
Ключевые слова: графен, механические напряжения, подложка, спектроскопия комбинационного рассеяния света, сканирующая зондовая микроскопия, СЗМ
Поддерживающие организации Работа была выполнена при финансовой поддержке государственной программы научных исследований «Фотоника, опто- и микроэлектроника» и гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 16-33-60229.
Как цитировать
Колесов, Е. А., Пашинский, А. Д., Тиванов, М. С., Королик, О. В., Капитанова, О. О., & Панин, Г. Н. (2019). Структурные свойства графена на медных подложках. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 58-65. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2019-2-58-65
Выпуск
№ 2 (2019): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2019 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).