リアルタイム観察技術の開発による二次元物質CVD成長のデザイン

开发实时观测技术设计二维材料CVD生长

基本信息

批准号：
22KJ2375
负责人：
平良隆信
金额：
$ 3.08万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2375/
关键词：
グラフェン化学気相成長法(CVD法)熱放射光学顕微法粒界

项目摘要

令和４年度は、Cu(111)薄膜基板上でのグラフェン化学気相成長(CVD)におけるグラフェン粒界の形成要因の解明を目的とし、熱放射光学顕微法(Rad-OM法)によるグラフェンCVD成長過程のリアルタイム観察、およびCVD成長後の基板の大気中加熱によるグラフェン粒界形成の解析を行った。サファイア基板上にCuをスパッタリングして成膜したCu(111)薄膜基板上のグラフェンCVD成長において、方位が揃ったグラフェンのグレイン同士が接合すると、粒界の無い単結晶のグラフェンが得られることが報告されている。しかし、CVD成長にはグレインの成長速度や形状など多様な要因があり、方位のみが粒界の形成要因であるかは不明である。そこで本研究では次の２つの手法により粒界の形成要因を調べた。まず、Rad-OM法を用いてCu(111)薄膜基板を観察するための装置の改造を行い、成長を解析した。Rad-OM法では、グラフェンとCuが成長温度(約1000℃)で発する熱放射光を光学顕微鏡で観察することにより、グラフェンのCVD成長をリアルタイムに可視化できる。従来のRad-OM法ではCu箔基板を観察対象として、基板を通電加熱用電極に固定し加熱する方式を用いており、本研究の観察対象であるCu(111)薄膜基板を安定して固定、加熱することはできなかった。そこで、新しい固定方式のサンプルホルダーを設計、製作し、Cu(111)薄膜基板上でのグラフェンCVD成長のリアルタイム観察を可能にした。この装置を用いて取得した動画から、グレイン接合時の角度、核発生時期を解析した。次に、グラフェンCVD成長後のCu基板を大気中でホットプレートによって加熱した。これにより、グレインの粒界で酸化銅が生成し、粒界を光学顕微鏡で観察できる。得られた光学像から、グラフェン粒界の形成の有無と、グレインの角度および形状を解析した。さらに、前述のRad-OM法の動画から取得した情報と、粒界形成との相関を評価した。

2020财年，我们将使用热发射光学显微镜（Rad-OM法）进行石墨烯CVD，目的是阐明在Cu（111）薄膜基板上进行石墨烯化学气相沉积（CVD）时石墨烯晶界的形成因素。实时观察生长过程，并通过 CVD 生长后在大气中加热衬底来分析石墨烯晶界的形成。在通过在蓝宝石衬底上溅射Cu形成的Cu(111)薄膜衬底上进行石墨烯CVD生长时，当具有相同取向的石墨烯晶粒彼此结合时，可以获得没有晶界的单晶石墨烯。据报道。然而，CVD生长涉及多种因素，例如晶粒的生长速率和形状，并且尚不清楚取向是否是晶界形成的唯一因素。因此，在本研究中，使用以下两种方法对导致晶界形成的因素进行了研究。首先，我们改进了使用Rad-OM方法观察Cu(111)薄膜衬底的装置并分析了生长情况。在Rad-OM方法中，通过使用光学显微镜观察石墨烯和Cu在生长温度（约1000°C）下发出的热辐射，可以实时可视化石墨烯的CVD生长。在传统的Rad-OM方法中，使用Cu箔基板作为观察目标，并且使用将基板固定到电加热电极上并加热的方法。该方法稳定地固定Cu(111)薄膜基板是本研究的观察目标，不能被加热。因此，我们设计并制造了一种新的固定样品架，以实现对Cu(111)薄膜基底上石墨烯CVD生长的实时观察。从使用该设备获得的视频中，我们分析了晶粒结合的角度和成核的时间。接下来，使用热板在空气中加热石墨烯CVD生长后的Cu基板。结果，在晶粒的晶界处生成氧化铜，并且可以用光学显微镜观察晶界。根据获得的光学图像，分析石墨烯晶界形成的有无以及晶粒的角度和形状。此外，我们评估了从上述Rad-OM方法的视频中获得的信息与晶界形成之间的相关性。