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KR20130020351A - Fabricaion method of high-quality graphen film - Google Patents

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KR20130020351A
KR20130020351A KR1020110082941A KR20110082941A KR20130020351A KR 20130020351 A KR20130020351 A KR 20130020351A KR 1020110082941 A KR1020110082941 A KR 1020110082941A KR 20110082941 A KR20110082941 A KR 20110082941A KR 20130020351 A KR20130020351 A KR 20130020351A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
single crystal
metal film
graphene
carbon
film
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020110082941A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
주성재
욱 방
차승일
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE: A method for forming a graphene thin film and a graphene manufactured by the same method are provided to grow a single crystal metal film easily and inexpensively by growing a single crystal metal film on a single crystal substrate and forming a graphene thin film on a single crystal metal film. CONSTITUTION: A method for forming a graphene thin film includes following steps: A single crystal substrate(10) is prepared. A single crystal metal film(20) is grown on a single crystal substrate. A graphene film(30) is formed on a single crystal metal film. The single crystal substrate is sapphire(α-Al_2O_3). The single crystal metal film is a transition metal. In a single crystal metal film formation step, a thermal evaporation technique and an e-beam evaporation technique are used in order to grow a single crystal metal film.

Description

그래핀 박막의 형성방법 및 그 방법에 의해 제조된 그래핀{fabricaion method of high-quality graphen film}Formation method of graphene thin film and graphene manufactured by the method {fabricaion method of high-quality graphen film}

본 발명은 그래핀 박막의 형성방법 및 그 방법에 의해 제조된 그래핀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하여 신소재로서 유망하게 각광받고 있는 그래핀 박막을 형성하는 방법 및 상기 방법에 의해서 제조된 그래핀에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a graphene thin film and to graphene prepared by the method, and more particularly, to a method for forming a graphene thin film that is promising as a new material due to its excellent electrical and mechanical properties. It relates to a graphene produced by the method.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 육각형 벌집모양으로 결합하고 있는 단원자층을 기본단위로 하여, 대략 1~5층 이내로 적층된 얇은 박막을 통칭한다. 상온에서 200,000 cm2/Vs에 달하는 높은 전하이동도와 높은 기계적 강도, 유연성, 가시광선에 대해 높은 투과율을 가지는 등의 특성으로 인해 초고속 나노반도체, 투명전극 소재, 각종 센서용 소재로서 매우 유망한 신소재이다. Graphene refers to a thin film laminated within about 1 to 5 layers by using a monoatomic layer in which carbon atoms are bonded in a hexagonal honeycomb shape as a basic unit. It is a very promising new material for ultra-fast nano semiconductors, transparent electrode materials, and various sensors because of its high charge mobility of 200,000 cm 2 / Vs at room temperature, high mechanical strength, flexibility, and high transmittance to visible light.

M. Taghioskoui가 Materials Today 2009년 12호 10권 p. 34~37에 게재한 “Trends in graphene research" 등의 리뷰를 참조하면, 기존의 기술에 의해 그래핀 박막을 얻을 수 있는 대표적인 방법들은 다음과 같다. M. Taghioskoui published Materials Today 2009, Vol. 12, No. 10 p. Referring to the review of “Trends in graphene research” published in 34-37, the representative methods for obtaining graphene thin film by the existing technology are as follows.

(1) 흑연(graphite)으로부터 기계적으로 박리(mechanical exfoliation)시킨다.(1) Mechanical exfoliation from graphite.

(2) 산화-환원 반응을 이용하여 흑연을 화학적인 방법으로 박리(chemical exfoliation)시켜 그래핀을 얻는다.(2) Graphene is obtained by chemical exfoliation using a redox reaction in a chemical manner.

(3) 실리콘 카바이드(SiC)를 1500 oC 이상의 고온으로 열처리하여 실리콘 카바이드 표면의 실리콘을 승화(sublimation)시킴으로써 탄소원자층만을 남겨 실리콘 카바이드 기판 위에 에피택셜 그래핀(epitaxial graphene)을 형성한다.(3) The silicon carbide (SiC) is heat-treated at a high temperature of 1500 ° C. or more to sublimate silicon on the silicon carbide surface to form epitaxial graphene on the silicon carbide substrate, leaving only a carbon atom layer.

(4) Ni, Cu, Co, Ru, Pt 등을 포함하는 전이금속(transition metal) 위에 CH4, C2H4, C2H6, C3H8 등의 탄소를 포함하는 원료기체와, H2, Ar, N2 등의 기체를 혼합하여 대체적으로 900 ~ 1000oC의 온도에서 화학기상증착법(chemival vapor deposition)으로 그래핀 박막을 형성한다.(4) a raw material gas containing carbon such as CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , on a transition metal including Ni, Cu, Co, Ru, Pt, and the like; Gases such as H 2 , Ar, and N 2 are mixed to form a graphene thin film by chemical vapor deposition at a temperature of approximately 900 to 1000 ° C.

이와 같은 기존 기술들은 장점과 함께 각각의 고유한 단점을 가지고 있다. (1)의 경우에는 그래핀의 물성이 가장 우수하지만 그래핀이 수십 μm 정도 크기의 박편(flake) 형태로 얻어지므로 대면적화와 대량생산에 가장 불리하다. (2)의 경우에는 대량생산은 가능하나 J.K. Wassei와 R.B. Kaner 등이 Materials Today 2010년 13호 3권 p. 52~59에 게재한 “Graphene, a promising transparent conductor"에서 지적한 바대로 그래핀 박막의 품질이 매우 떨어진다는 단점이 있다. (3)은 현재 에피택셜 그래핀, 즉 도메인 바운더리가 없는 대면적 단결정 그래핀을 얻을 수 있는 유일한 방법이나, 실리콘 카바이드 기판의 가격이 매우 높아 실용화에 불리한 문제가 있다. 상업화를 위한 대면적화 및 대량생산에 가장 유리한 방법은 현재까지는 (4)의 화학기상증착법이라고 일반적으로 인식되고 있다. 그러나 화학기상증착법을 이용하는 경우에는 다결정질 금속(polycrystalline metal)을 사용하여 그래핀을 증착하기 때문에 증착공정의 속성상 다결정질 금속 위에 성장하는 그래핀이 전체 면적에 걸쳐 단결정 그래핀이 되는 것은 불가능하다.These existing technologies have their own advantages and disadvantages. In the case of (1), graphene has the best physical properties, but since graphene is obtained in the form of flakes having a size of several tens of μm, it is most disadvantageous for large area and mass production. In case of (2), mass production is possible, but J.K. Wassei and R.B. Kaner et al., Materials Today 2010, Vol. 13, No. 3, p. As pointed out in “Graphene, a promising transparent conductor” in pp. 52-59, the quality of graphene films is very poor. (3) is currently epitaxial graphene, ie large-area single crystals without domain boundaries. The only way to obtain fins, but the price of silicon carbide substrate is very high, which is disadvantageous for practical use.The most advantageous method for large-scale and mass production for commercialization is generally recognized as the chemical vapor deposition method of (4). However, in the case of using chemical vapor deposition, since graphene is deposited using polycrystalline metal, graphene growing on the polycrystalline metal becomes monocrystalline graphene over the entire area due to the nature of the deposition process. It is impossible.

종래의 기술에서는 일반적으로 실리콘 산화막(SiO2) 등의 비정질(amorphous) 막 위에 증착된 금속막을 주로 사용했는데, 이와 같이 비정질 막 위에 성장된 금속막은 다결정질 구조를 갖게 된다. 이에 대한 좋은 예는 J. Hofrichter 등이 2010년에 Nano Letters 10권 p. 36-42에 발표한 논문인 “Synthesis of graphene on silicon dioxide by a solid carbon source”에서 찾을 수 있는데, 실리콘 산화막 위에 약 500nm의 Ni을 증착한 후 그 위에 그래핀을 형성하여 도 2와 같이 Ni의 그레인 바운더리(grain boundary)를 따라 두꺼운 도메인 바운더리가 형성되었음을 보여주었다.In the prior art, generally, a metal film deposited on an amorphous film such as silicon oxide film (SiO 2 ) is mainly used, and the metal film grown on the amorphous film has a polycrystalline structure. A good example of this is in J. Hofrichter et al. In 2010 in Nano Letters 10 p. It can be found in the paper “Synthesis of graphene on silicon dioxide by a solid carbon source” published in 36-42, which deposits about 500 nm of Ni on silicon oxide and then forms graphene on it. It was shown that thick domain boundaries were formed along the grain boundary.

또는 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co) 등의 금속시트(metal sheet)를 이용하여 그래핀을 형성할 수도 있다. 이 경우에도 역시 특별한 제조공정을 거치치 않을 경우에는 금속시트 자체가 다결정질이기 때문에 그래핀도 도메인과 도메인 바운더리를 갖게 된다.Alternatively, graphene may be formed using a metal sheet such as nickel (Ni), copper (Cu), or cobalt (Co). In this case, too, the graphene also has domains and domain boundaries because the metal sheet itself is polycrystalline when not subjected to a special manufacturing process.

한편, 단결정 그래핀은 높은 전하이동도와 투명도를 활용한 각종 투명전극 용도 이외에도, 차세대 트랜지스터, 센서 등의 용도로 매우 유망한 것으로 평가된다. 따라서 단결정 그래핀을 대면적으로 저렴하게 얻을 수 있는 방법이 절실히 요구된다.On the other hand, single crystal graphene is considered to be very promising for use in next-generation transistors and sensors, in addition to various transparent electrode applications utilizing high charge mobility and transparency. Therefore, there is an urgent need for a method in which single crystal graphene can be obtained inexpensively in large areas.

도메인 바운더리는 그래핀 박막에서 결정방향이 서로 다른 도메인의 경계를 의미한다. 그래핀에 도메인 바운더리가 존재하면 이 부위를 경계로 하여 인접 도메인 간에 결정방향이 달라지고, 또한 도메인 바운더리의 탄소층 두께가 도메인 내부의 탄소층 두께보다 두껍기 때문에 이로 인해 전체적으로 그래핀의 불균일성이 증가한다. 따라서 전하이동도(carrier mobility)를 비롯한 그래핀의 물성은 이론치에 비해 크게 저하된다. 만약 그래핀의 도메인 바운더리 생성을 억제하거나 줄일 수 있다면 그래핀의 물성은 크게 향상될 것이다.
Domain boundary means a boundary of domains with different crystal directions in the graphene thin film. If the domain boundary exists in graphene, the direction of crystallization is changed between adjacent domains around this region, and because the carbon layer thickness of the domain boundary is thicker than the thickness of the carbon layer inside the domain, the overall nonuniformity of graphene increases. . Therefore, the physical properties of graphene, including carrier mobility, are greatly reduced compared to the theoretical value. If it is possible to suppress or reduce the domain boundary formation of graphene, the physical properties of graphene will be greatly improved.

본 발명의 목적은 도메인 바운더리가 없는 에피택셜 그래핀(epitaxial graphene) 또는 도메인 바운더리의 생성을 가급적 억제한 고품위(high-quality)의 그래핀 박막을 얻기 위한 방법을 제시하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a method for obtaining epitaxial graphene without domain boundaries or high-quality graphene thin films where possible suppressing the production of domain boundaries.

본 발명에서는 전이금속 위에 그래핀을 형성할 때 다결정질 전이금속의 미세구조(microstructure)가 그래핀에 전사(轉寫)되어 결정방향이 서로 다른 도메인과 도메인 바운더리를 갖는 그래핀이 형성되는 문제를 억제하거나 최소화하여 단결정 그래핀 또는 그에 근접한 구조적 특성을 갖는 그래핀을 형성하는 방법을 제시하는 것이다. When the graphene is formed on the transition metal, the microstructure of the polycrystalline transition metal is transferred to the graphene to form graphene having domains and domain boundaries having different crystal directions. To suppress or minimize the present invention to provide a method for forming a single crystal graphene or graphene having structural properties close to it.

본 발명의, 그래핀 박막의 형성 방법은, 단결정 기판을 준비하는 제 1단계; 단결정 기판 위에 단결정 금속막을 성장시키는 제 2단계; 및 단결정 금속막 위에 그래핀 박막(graphene film)을 형성하는 제 3단계;를 포함한다. Method of forming a graphene thin film of the present invention, the first step of preparing a single crystal substrate; A second step of growing a single crystal metal film on the single crystal substrate; And a third step of forming a graphene film on the single crystal metal film.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 단결정 기판은 사파이어(α-Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 또는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 산화물 계열의 단결정 기판이다. According to a preferred embodiment, the single crystal substrate is an oxide-based single crystal substrate having a sapphire (α-Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), or perovskite structure.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 단결정 금속막은 전이금속(transition metal)으로서, 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 루테늄(Ru) 또는 백금(Pt)임을 특징으로 한다. According to a preferred embodiment, the single crystal metal film is a transition metal, characterized in that the nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), ruthenium (Ru) or platinum (Pt).

바람직한 실시예에 따르면, 상기 단결정 금속막을 성장하기 위해 열증발법(thermal evaporation technique), 전자빔 증발법(e-beam evaporation technique), 레이져 어블레이션(laser ablation), 또는 스퍼터링법(sputtering technique)을 사용한다. According to a preferred embodiment, a thermal evaporation technique, an e-beam evaporation technique, a laser ablation, or a sputtering technique is used to grow the single crystal metal film. do.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 단결정 금속막을 성장하기 위한 성장장치의 기저압력(base pressure)이 1 x 10-7 Torr ~ 1 x 10-6 Torr이다. According to a preferred embodiment, the base pressure of the growth apparatus for growing the single crystal metal film is 1 x 10 -7 Torr to 1 x 10 -6 Torr.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 단결정 금속막을 성장하기 위해 단결정 기판의 온도를 100 ~ 300 oC, 증착속도를 1~20 Å/sec 범위로 유지하여 금속막을 성장시킨다. According to a preferred embodiment, in order to grow the single crystal metal film, the metal film is grown by maintaining the temperature of the single crystal substrate in the range of 100 to 300 ° C. and the deposition rate in the range of 1 to 20 μs / sec.

바람직한 일실시예에 따르면, 1) 제 2단계에서 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속을 단결정 기판 위에 단결정 금속막으로 성장한 후, 2) 제 3단계의 그래핀 성장을 위하여, 5 oC/sec 이상의 속도로 기판온도를 올리거나 내릴 수 있는 장치를 사용하며, 원료기체인 탄화수소기체(hydrocarbon gas)와 캐리어 기체(carrier gas)를 혼합하여 700 ~ 1100 oC 범위에서 1분 ~ 30분의 시간동안 그래핀 성장을 실시한 후 -5 oC/sec 이상의 속도로 급속히 기판온도를 떨어뜨려 금속막 위에 그래핀 박막을 성장한다. According to a preferred embodiment, 1) after the transition metal having a solid solubility to carbon in the second step is grown on the single crystal substrate as a single crystal metal film, and 2) for the growth of graphene in the third step, 5 o A device that raises or lowers the substrate temperature at a rate of C / sec or more is used, and a mixture of hydrocarbon gas and carrier gas, which is a raw material gas, is used for 1 minute to 30 in the range of 700 to 1100 o C. After the graphene growth is performed for a minute, the graphene thin film is grown on the metal film by rapidly lowering the substrate temperature at a rate of -5 o C / sec or more.

여기서, 상기 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 또는 백금(Pt)이고, 상기 탄화수소기체는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로펜(C3H6), 프로판(C3H8) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 캐리어 기체는 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. Here, the transition metal having solid solubility to carbon is nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), or platinum (Pt), and the hydrocarbon gas is methane (CH 4) , acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and mixtures thereof, and The carrier gas is selected from the group consisting of hydrogen (H 2 ), argon (Ar), nitrogen (N 2 ) and mixtures thereof.

바람직한 다른 실시예에 따르면, 1) 제 2단계에서 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 낮은 전이금속을 단결정 기판 위에 단결정 금속막으로 성장한 후, 2) 제 3단계의 그래핀 성장을 위하여, 원료기체인 탄화수소기체(hydrocarbon gas)와 캐리어 기체(carrier gas)를 혼합한 후 900 ~ 1000 oC의 증착온도에서 30분 ~ 5 시간에 걸쳐 이루어진다. 여기서, 상기 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 낮은 전이금속은 구리(Cu)이고, 상기 탄화수소기체는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로펜(C3H6), 프로판(C3H8) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 캐리어 기체는 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. According to another preferred embodiment, 1) after the transition metal with low solid solubility to carbon in the second step is grown on the single crystal substrate as a single crystal metal film, and 2) for the growth of the graphene in the third step, After mixing a gas (hydrocarbon gas) and a carrier gas (carrier gas) is made over 30 minutes to 5 hours at a deposition temperature of 900 ~ 1000 o C. Here, the transition metal having a low solid solubility to carbon is copper (Cu), and the hydrocarbon gas is methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and mixtures thereof, wherein the carrier gas is hydrogen (H 2 ), argon (Ar), nitrogen ( N 2 ) and mixtures thereof.

바람직한 또다른 실시예에 따르면, 1) 제 2단계에서 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속을 단결정 기판 위에 단결정 금속막으로 성장한 후, 2) 제 3단계에서, 물리적 증착법(physical vapor deposition)으로 상기 단결정 금속막 위에 탄소막(carbon film)을 형성한 후, 별도의 급속열처리 장치에서 기판의 온도를 700 ~ 1100 oC 범위에서 1분 ~ 30분의 시간동안 유지하다가 -5 oC/sec 이상의 속도로 급속히 기판온도를 떨어뜨려 금속막 위에 그래핀 박막을 성장한다. 여기서, 상기 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 또는 백금(Pt)이며, 상기 물리적 증착법은 탄소 증발원을 열에너지로 가열하여 여기서 발생된 탄소 증기를 이용하는 열증발법, 탄소 증발원을 전자빔 에너지로 가열하여 여기서 발생된 탄소 증기를 이용하는 전자빔 증발법, 탄소 증발원을 레이저로 가열하는 레이져 어블레이션법(laser ablation) 또는 탄소 타켓을 이용하는 스퍼터링법이다. According to another preferred embodiment, 1) a transition metal having solid solubility to carbon is grown on a single crystal substrate as a single crystal metal film in a second step, and then 2) physical vapor deposition is carried out in a third step. deposition to form a carbon film on the single crystal metal film (carbon film), and then in a separate rapid heat treatment apparatus to maintain the temperature of the substrate for 1 to 30 minutes in the range of 700 ~ 1100 o C and then -5 o C / The graphene film is grown on the metal film by rapidly decreasing the substrate temperature at a rate of sec or more. Here, the transition metal having solid solubility to carbon is nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), or platinum (Pt), and the physical vapor deposition method heats a carbon evaporation source with thermal energy. Thermal evaporation method using carbon vapor generated here, electron beam evaporation method using carbon vapor generated by heating the carbon evaporation source, laser ablation method (laser ablation) or carbon target heating the carbon evaporation source with laser Sputtering method.

바람직한 실시예에 따르면, 제 2단계의 단결정 금속막에 쌍정(twin)의 결정결함(crystal defect)이 발생할 때, 결정결함이 단결정 금속막 표면에 평행한 방향으로만 생성되어 결정결함이 단결정 금속막 표면에 노출되지 않는다. According to a preferred embodiment, when twin crystal defects occur in the single crystal metal film of the second step, crystal defects are generated only in a direction parallel to the surface of the single crystal metal film, so that the crystal defect is a single crystal metal film. It is not exposed to the surface.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 그래핀 박막의 형성후, 상기 단결정 금속막을 염화제이철(FeCl3)으로 녹여내여, 그래핀을 수득하는 단계를 추가로 포함한다.
According to a preferred embodiment, after the formation of the graphene thin film, the single crystal metal film is dissolved with ferric chloride (FeCl 3 ), further comprising the step of obtaining graphene.

본 발명에서 제시한 개념과 방법을 사용하여 단결정 금속막을 손쉽고 저렴하게 성장할 수 있으며, 이를 이용하여 도메인 바운더리 생성이 억제된 고품위 그래핀을 형성할 수 있다. 이것은 고가의 단결정 금속시트를 이용하거나 또는 SiC를 고온에서 승화시켜 단결정 그래핀을 형성하는 것보다 공정이 훨씬 저렴하고 간단하다. By using the concept and method proposed in the present invention, it is possible to grow a single crystal metal film easily and inexpensively, and use it to form high-quality graphene whose domain boundary generation is suppressed. This is much cheaper and simpler than using expensive single crystal metal sheets or subliming SiC at high temperatures to form single crystal graphene.

또한 단결정 금속막을 증착하기 위해 이미 산업체에 널리 보급된 증발기, 전자빔 증발기, 스퍼터 등을 활용할 수 있으므로 실용성 또한 매우 높다.In addition, since the evaporator, electron beam evaporator, sputter, etc. widely used in the industry can be used to deposit the single crystal metal film, the practicality is also very high.

본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된, 고품위 그래핀은 결함(defect)으로 작용하는 도메인 바운더리가 적기 때문에 향후 실리콘을 대체할 차세대 플렉시블 트랜지스터, 플렉시블 센서 등의 소자개발에 응용이 가능할 것으로 예상된다.
The high-quality graphene manufactured by the manufacturing method according to the present invention is expected to be applicable to device development of next-generation flexible transistors, flexible sensors, etc., which will replace silicon in the future because there are few domain boundaries acting as defects.

도 1은 단결정기판(10) 위에 단결정 금속막(20)이 증착되어 있고 그 위에 그래핀(30)이 형성되어 있는 상태를 나타낸 도면.
도 2는 2010년 Nano Letters 10권 p.36-42에 발표된 논문인 “Synthesis of graphene on silicon dioxide by a solid carbon source”에 게재된 그림 중 일부로, 실리콘 산화막 위에 증착된 다결정 Ni막 위에 형성된 그래핀의 도메인 바운더리를 보여주는 atomic force microscopy image.
도 3 내지 도 4는 단결정 기판(10) 및 단결정 기판 위에 단결정 금속막(20)을 증착한 상태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명자가 단결정 Ni 및 단결정 Cu 금속막을 증착하기 위해 사용한 전자빔 증발기의 사진.
도 6은 사파이어 (0001) 기판에 증착된 단결정 Ni 금속막의 단면 투과전자현미경 회절패턴 (cross-section transmission electron microscopy diffraction pattern).
도 7은 사파이어 (0001) 기판에 증착된 단결정 Ni 금속막의 고분해능 단면 투과전자현미경 사진 (high-resolution TEM image).
도 8은 사파이어 (0001) 기판에 증착된 단결정 Cu 금속막의 단면 투과전자현미경 회절패턴.
도 9는 사파이어 (0001) 기판에 증착된 단결정 Cu 금속막의 단면 투과전자현미경 명시야상 (bright field image).
도 10은 사파이어 (0001) 기판에 증착된 단결정 Cu 금속막의 X선 회절분석(X-ray diffraction) pole figure map.
도 11은 본 발명자가 그래핀 증착에 사용한 RTCVD (rapid thermal chemical vapor deposition)장비의 사진.
도 12는 발열체(120)가 장착된 증착용 튜브(110)에서 시편(140)이 발열체(120) 내부의 핫존(hot zone)에 들어가 있는 상태를 나타낸 도면.
도 13은 장입봉(130)을 사용하여 시편(140)을 발열체(120) 외부의 쿨존(cool zone)으로 신속히 이동하여 시편(140)의 온도를 급격히 떨어뜨리고 있는 상태를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명자가 도 11의 RTCVD 장비를 사용하여 단결정 Ni 금속막 위에 증착한 FLG (few-layer graphene)의 라만 스펙트럼 (Raman spectrum).
도 15는 물리적 증착법(physical vapor deposition)을 사용하여 단결정 금속막(20) 위에 증착한 탄소막(31)을 급속열처리(rapid thermal anneal) 장치에서 700 ~ 1100 oC 의 온도로 승온시 탄소원자(32)가 단결정 금속막(20) 내부로 녹아들어가는 상태를 나타낸 도면.
도 16은 도 15의 상태에서 기판온도를 갑자기 낮추었을 때 단결정 금속막(20) 내부에 녹아있던 탄소원자(32)가 단결정 금속막(20) 표면에 석출되면서 그래핀(30)을 형성하는 상태를 나타낸 도면.
1 is a view showing a state in which a single crystal metal film 20 is deposited on a single crystal substrate 10 and graphene 30 is formed thereon.
FIG. 2 is a part of a picture published in the article "Synthesis of graphene on silicon dioxide by a solid carbon source" published in Nano Letters 10, p.36-42, 2010, formed on a polycrystalline Ni film deposited on a silicon oxide film. Atomic force microscopy image showing the domain boundaries of the pins.
3 to 4 show a state in which a single crystal metal film 20 is deposited on the single crystal substrate 10 and the single crystal substrate.
5 is a photograph of an electron beam evaporator used by the inventors to deposit single crystal Ni and single crystal Cu metal films.
6 is a cross-section transmission electron microscopy diffraction pattern of a single crystal Ni metal film deposited on a sapphire (0001) substrate.
FIG. 7 is a high-resolution cross-sectional TEM image of a single crystal Ni metal film deposited on a sapphire (0001) substrate. FIG.
8 is a cross-sectional transmission electron microscope diffraction pattern of a single crystal Cu metal film deposited on a sapphire (0001) substrate.
9 is a cross-sectional transmission electron microscope bright field image of a single crystal Cu metal film deposited on a sapphire (0001) substrate.
10 is an X-ray diffraction pole figure map of a single crystal Cu metal film deposited on a sapphire (0001) substrate.
Figure 11 is a photograph of the rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD) equipment used by the inventors for graphene deposition.
FIG. 12 is a view illustrating a state in which a specimen 140 enters a hot zone inside the heating element 120 in the deposition tube 110 in which the heating element 120 is mounted.
FIG. 13 is a view showing a state in which the temperature of the specimen 140 is drastically reduced by rapidly moving the specimen 140 to a cool zone outside the heating element 120 using the charging rod 130.
FIG. 14 is a Raman spectrum of a flaw-layer graphene (FLG) deposited by the inventor on a single crystal Ni metal film using the RTCVD apparatus of FIG. 11.
FIG. 15 illustrates a carbon atom 32 when the carbon film 31 deposited on the single crystal metal film 20 using physical vapor deposition is heated to a temperature of 700 to 1100 ° C. in a rapid thermal anneal apparatus. ) Is a state in which the melted into the single crystal metal film 20.
FIG. 16 illustrates a state in which the carbon atom 32 dissolved in the single crystal metal film 20 precipitates on the surface of the single crystal metal film 20 when the substrate temperature is suddenly lowered in the state of FIG. 15 to form the graphene 30. The figure which shows.

본 발명에서 제시하는 방법은 사파이어, MgO 등의 산화물 단결정 기판, 또는 SrTiO3, LaAlO3 등의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 산화물 단결정 기판을 사용하여, 열 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 Ni, Cu, Co, Ru, Pt 등의 단결정 금속막(epitaxial metal film)을 증착하고, 다시 그 위에 그래핀을 형성함으로써 금속막의 다결정 구조로 인한 그래핀의 도메인 바운더리 생성을 억제하는 것이다. 즉, 단결정 기판을 사용하여 그 위에 단결정 금속막을 증착한다는 것이 핵심 개념이다.The method proposed in the present invention uses an oxide single crystal substrate such as sapphire, MgO, or an oxide single crystal substrate having a perovskite structure such as SrTiO 3 , LaAlO 3, and the like. Epitaxial metal films such as Ni, Cu, Co, Ru, and Pt are deposited by e-beam evaporation, sputtering, and the like, and graphene is formed thereon to form the metal film. It is to suppress the domain boundary generation of graphene due to the polycrystalline structure. That is, the key concept is to deposit a single crystal metal film thereon using a single crystal substrate.

단결정 기판을 이용한 단결정 금속막의 성장은 표면과학 분야에서 연구된 사례들이 있다. 예를 들어 I.V. Malikov 등은 2010년에 Thin Solid Films 519권 p. 527-535에 발표한 논문인 “Epitaxial Ni films for ballistic ferromagnetic nanostructures”에서 사파이어 기판 위에 레이져 어블레이션(laser ablation) 방법으로 Ni을 단결정 상태로 성장시킨 결과를 보고하였다. 또한 J.M. Purswani 등은 2006년에 Thin Solid Films 515권 p.1166-1170에 발표한 논문인 “Growth of epitaxial Cu on MgO(001) by magnetron sputter deposition”에서 스퍼터링 방법으로 MgO 기판 위에 Cu 단결정막을 성장하였다. Growth of a single crystal metal film using a single crystal substrate has been studied in the surface science field. For example, I.V. Malikov et al. Reported in 519 Thin Solid Films, p. In the paper published in 527-535, “Epitaxial Ni films for ballistic ferromagnetic nanostructures,” Ni was reported to grow on a sapphire substrate in a single crystal state by laser ablation. Also J.M. Purswani et al. Have grown a Cu single crystal film on a MgO substrate by sputtering in a paper published in 2006, published in Thin Solid Films, Vol. 515, p. 1166-1170, "Growth of epitaxial Cu on MgO (001) by magnetron sputter deposition."

그러나 이러한 사례들은 모두 금속막을 증착하기 위해 사용한 증착장치의 기저압력(base pressure)이 1 x 10-10 ~ 1 x 10-9 Torr 범위의 초고진공 범위였으며, 단결정 금속막 성장 자체가 연구목표였다. 일반적으로 단결정 박막을 얻기 위해서는 증착 전에 표면상태를 청정하게 유지하기 위해 이와 같은 초고진공 장치가 필수적이라는 인식이 널리 퍼져있다. 그러나 본 발명에서는 일반적인 통념과는 달리 기저압력이 1 x 10-7 ~ 1 x 10-6 Torr의 범용 진공장비를 사용하더라도 적절한 공정조건을 적용하면 단결정 Ni, Cu 박막을 충분히 얻을 수 있음을 실제로 입증했으며, 이렇게 얻은 단결정 금속막을 이용하여 도메인 바운더리 생성이 억제된 그래핀 성장에 응용할 수 있다는 개념을 제시하였다는 차이점이 있다. However, in all these cases, the base pressure of the deposition apparatus used to deposit the metal film was in the ultra-high vacuum range of 1 x 10 -10 to 1 x 10 -9 Torr, and the single crystal metal film growth itself was the research goal. In general, it is widely recognized that such ultra-high vacuum devices are essential for obtaining a single crystal thin film to keep the surface state clean before deposition. However, in the present invention, contrary to conventional wisdom, even if a general vacuum equipment with a base pressure of 1 x 10 -7 to 1 x 10 -6 Torr is used, it is actually proved that sufficient single crystal Ni and Cu thin films can be obtained by applying appropriate process conditions. The difference is that the single crystal metal film thus obtained can be applied to graphene growth in which domain boundary formation is suppressed.

초고진공 장비는 장비의 가격, 유지보수 및 운용 측면에서 실제 산업현장에서 대량생산에 응용하기는 매우 어렵다. 그러나 기저압력이 1 x 10-7 ~ 1 x 10-6 Torr의 범용 진공장비, 예를 들어 전자빔 증발장치나 스퍼터는 반도체업계를 비롯한 산업현장에 이미 널리 보급되어 있어 실용성이 매우 높고 유지보수가 쉬우며 양산성을 갖추고 있고 공정단가가 저렴하다. Ultra-high vacuum equipment is very difficult to apply to mass production in the actual industrial field in terms of price, maintenance and operation of the equipment. However, general vacuum equipments with base pressures of 1 x 10 -7 to 1 x 10 -6 Torr, for example electron beam evaporators or sputters, are already widely used in industrial fields, including the semiconductor industry, and are highly practical and easy to maintain. It is mass-produced and the process cost is low.

또한, 본 발명에 의하면 사파이어와 같이 비교적 저렴한 단결정 기판을 사용하므로 단결정 금속을 상대적으로 매우 저렴하게 얻을 수 있다. 예를 들어 시중에서 판매하고 있는 10 mm x 10 mm 크기의 단결정 Cu 시트의 가격이 약 30만원을 호가하는 것에 비해, 직경 2인치 사파이어 기판의 시중 가격은 약 5만 원이므로 (2011년 2월 기준) 단결정 금속막 증착공정비용을 고려하더라도 훨씬 저렴하게 고품위 그래핀 형성에 필요한 단결정 금속기판을 준비할 수 있다. 그리고 그래핀을 형성한 후 금속막을 FeCl3 등의 용액으로 녹여내고 그래핀을 제 3의 기판으로 옮기고 나면 금속막 증착에 사용한 단결정 기판은 재사용이 가능하다.
In addition, according to the present invention, since a relatively inexpensive single crystal substrate such as sapphire is used, single crystal metal can be obtained relatively inexpensively. For example, a commercially available 10 mm x 10 mm single crystal Cu sheet is about 300,000 won, whereas a 2 inch diameter sapphire substrate has a market price of about 50,000 won (as of February 2011). Considering the cost of the single crystal metal film deposition process, it is possible to prepare a single crystal metal substrate required to form high quality graphene at a much lower cost. After the graphene is formed, the metal film is melted with a solution such as FeCl 3 and the graphene is transferred to a third substrate. Then, the single crystal substrate used for depositing the metal film can be reused.

본 발명에서 제시하는 개념의 이해를 돕기 위해 아래에 구체적인 실시예 및 본 발명자가 얻은 실제 실험결과를 상술한다. 그러나 이것은 본 발명에서 제시하는 핵심 개념을 실제로 구현하기 위한 하나의 방법일 뿐이며, 이것에 의해서 본 발명의 핵심 개념이 제한받지는 않는다.In order to help the understanding of the concepts presented in the present invention, specific examples and actual experimental results obtained by the present inventors are described in detail below. However, this is only one way to actually implement the core concept proposed in the present invention, which is not limited by the core concept of the present invention.

실시예 1Example 1

제 1단계 : 단결정 기판 준비단계First step: preparing a single crystal substrate

도 3과 같이 단결정 기판(10)을 준비한다. 상기 단결정 기판(10)은 기판 전체가 단결정이어야 하며, 그 위에 증착할 금속과 열적·화학적으로 안정한 물질이 바람직하다. 이와 같은 조건을 만족하는 단결정 기판으로는 사파이어(α-Al2O3)기판, 또는 산화마그네슘(MgO) 기판이거나, 또는 SrTiO3, LaAlO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 산화물 기판이 적절하다. A single crystal substrate 10 is prepared as shown in FIG. 3. The single crystal substrate 10 should be a single crystal of the entire substrate, preferably a metal to be deposited thereon and a material that is thermally and chemically stable. The single crystal substrate that satisfies these conditions may be a sapphire (α-Al 2 O 3 ) substrate or a magnesium oxide (MgO) substrate or an oxide substrate having a perovskite structure such as SrTiO 3 or LaAlO 3 . This is appropriate.

상기 단결정 기판을 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등의 산, 또는 수산화암모늄(NH4OH), 플루오린화 암모늄(NH4F) 등의 염기, 또는 아세톤, 이소프로필 알코올, 메탄올 등의 유기용매를 사용하여 세정한다. 세정이 끝나면 초순수(deionized water)로 세척하고 물기를 건조시킨 후 즉시 금속증착을 위한 장치에 장입한다. The single crystal substrate is an acid such as hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), or a base such as ammonium hydroxide (NH 4 OH) or ammonium fluoride (NH 4 F), or acetone, Cleaning is performed using an organic solvent such as isopropyl alcohol or methanol. After washing, wash with deionized water, dry the water and immediately put it into the device for metal deposition.

금속증착장치는 상술한 바와 같이 열 증발장치(thermal evaporator), 전자빔 증발장치나, 스퍼터가 대표적인 범용장비이며, 기저압력은 1 x 10-6 Torr 이하이면 적절하다(보다 바람직하게는 1 x 10-7 Torr ~ 1 x 10-6 Torr). 장입이 끝나면 즉시 증착장치를 펌핑하여 기저압력에 도달할 때까지 기다린다.Metal deposition apparatus evaporator heat (thermal evaporator), or an electron beam evaporation apparatus, a sputtering, and a typical general-purpose equipment, base pressure of 1 x 10 -6 Torr or less when it is appropriate (more preferably 1 x 10 as described above - 7 Torr ~ 1 x 10 -6 Torr). Immediately after charging, the deposition apparatus is pumped and waited until the base pressure is reached.

제 2단계 : 단결정 금속막 증착 단계Second Step: Deposition of Single Crystal Metal Film

기저압력에 도달하면 도 4와 같이 상기 단결정 기판(10) 위에 단결정 금속막(20)을 증착한다. 상기 단결정 금속막(20)은 그래핀 형성을 위해 일반적으로 사용하는 전이금속인 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등이 바람직하나, 이 금속들만으로 국한되지는 않는다. When the base pressure is reached, the single crystal metal film 20 is deposited on the single crystal substrate 10 as shown in FIG. 4. The single crystal metal film 20 is preferably nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), and the like, which are commonly used for forming graphene. It is not limited to metals alone.

열 증발법, 또는 전자빔 증발법을 사용하는 경우에는 상기 전이금속을 열에너지 또는 전자빔으로 가열하여 이로부터 발생한 금속증기가 단결정 기판(10)에 증착되도록 한다. 스퍼터링의 경우에는 아르곤(Ar) 등의 불활성기체를 이온화하여 상기 전이금속 재질로 된 타겟에 입사시킴으로써 전이금속의 이온이 타겟 표면으로부터 튀어나와 상기 단결정 기판(10)에 증착되도록 한다. In the case of using the thermal evaporation method or the electron beam evaporation method, the transition metal is heated by thermal energy or an electron beam so that the metal vapor generated therefrom is deposited on the single crystal substrate 10. In the case of sputtering, an inert gas such as argon (Ar) is ionized and incident on the target made of the transition metal material so that ions of the transition metal protrude from the target surface and are deposited on the single crystal substrate 10.

참고로, 도 5는 본 발명자가 니켈(Ni) 및 구리(Cu) 단결정 금속막을 증착하기 위해 사용한 전자빔 증발기의 사진이며, 도달 가능한 기저압력은 ~5 x 10-7 Torr이고 니켈(Ni), 구리(Cu) 뿐만 아니라 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 철(Fe), 탄소(C) 등의 다양한 물질을 증착하기 위해 사용하는 범용 장비이다. For reference, FIG. 5 is a photograph of an electron beam evaporator used by the present inventors to deposit nickel (Ni) and copper (Cu) single crystal metal films, and the attainable base pressure is ˜5 × 10 −7 Torr and nickel (Ni) and copper General purpose used to deposit various materials such as aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), cobalt (Co), titanium (Ti), iron (Fe), carbon (C) as well as (Cu) It is equipment.

단결정 금속막을 증착하기 위해서는 단결정 기판(10)의 표면온도를 100 ~ 300 oC로 유지하는 것이 바람직하며, 증착속도(deposition rate)가 1 ~ 20 Å/sec 범위 안에 있도록 하는 것이 좋다. In order to deposit the single crystal metal film, the surface temperature of the single crystal substrate 10 is preferably maintained at 100 to 300 ° C., and the deposition rate is preferably in the range of 1 to 20 μs / sec.

또한 기저압력을 가급적 낮춰 진행하는 것이 바람직하며, 단결정 금속막을 증착하기 전에 반응기 내벽을 가열하여 반응기 내벽에 흡착된 수증기 및 기타 불순물을 탈착(desorption)시키거나, 또는 시편이 없는 상태에서 증착하고자 하는 금속막의 재질을 미리 반응기 내벽에 증착하여 여타 불순물의 outgassing을 최소화하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable to proceed as low as possible the base pressure, and to deposit the vapor and other impurities adsorbed on the inner wall of the reactor by heating the inner wall of the reactor before depositing the single crystal metal film, or to deposit the metal in the absence of the specimen. It is desirable to deposit the material of the membrane on the inner wall of the reactor in advance to minimize the outgassing of other impurities.

증착하는 금속의 두께는 1000 ~ 5000 Å 범위가 적당하다. The thickness of the metal to be deposited is in the range of 1000 to 5000 mm 3.

증착된 금속막이 단결정 상태인지를 판별하는 방법은 X선 회절분석(X-ray diffraction), 투과전자현미경(transmission electron microscopy) 등 여러 방법이 있다. There are several methods for determining whether the deposited metal film is in a single crystal state, such as X-ray diffraction and transmission electron microscopy.

도 6은 본 발명자가 도 5의 전자빔 증발기를 사용하여 (0001) 사파이어 기판 위에 증착한 약 2000 Å의 Ni 단결정막의 단면 투과전자현미경 회절패턴이며, 사파이어 단결정 기판과 Ni 단결정막의 스팟(spot)들이 섞여서 관찰된다. 회절패턴에서 링(ring)이 전혀 관찰되지 않으므로 Ni이 단결정 상태로 증착되었다는 명확한 증거가 된다. FIG. 6 is a cross-sectional transmission electron microscope diffraction pattern of a Ni single crystal film of about 2000 mW deposited by the inventor on the (0001) sapphire substrate using the electron beam evaporator of FIG. 5, wherein spots of the sapphire single crystal substrate and the Ni single crystal film are mixed. Is observed. Since no ring is observed in the diffraction pattern, there is clear evidence that Ni was deposited in a single crystal state.

도 7은 도 6의 Ni 단결정막을 고분해능 투과전자현미경(high-resolution TEM)으로 분석한 사진이며, 니켈(Ni), 구리(Cu)에서 가장 빈번하게 관찰되는 쌍정(twin)이 발견되었다. 이것은 도 6의 회절패턴에서도 쌍정 스팟(twin spot)이 관찰되는 결과와 일치한다. 도 6으로부터 니켈(Ni) 단결정막과 사파이어 기판의 결정학적 관계를 분석할 수 있었으며, 다음과 같았다.FIG. 7 is a photograph of the Ni single crystal film of FIG. 6 analyzed by a high-resolution transmission electron microscope (high-resolution TEM), where twins are most frequently observed in nickel (Ni) and copper (Cu). This is consistent with the result that twin spots are observed in the diffraction pattern of FIG. 6. From FIG. 6, the crystallographic relationship between the nickel (Ni) single crystal film and the sapphire substrate could be analyzed, as follows.

Al2O3 (0001) || Ni (111) : 사파이어 기판의 (0001)면과 Ni의 (111)면이 서로 평행임 Al 2 O 3 (0001) || Ni (111): The (0001) plane of the sapphire substrate and the (111) plane of Ni are parallel to each other

Al2O3 [2110] || Ni (211) : 사파이어 기판의 [2110] 방향과 Ni의 (211) 방향이 서로 평행임Al 2 O 3 [2110] || Ni (211): The [2110] direction of the sapphire substrate and the (211) direction of Ni are parallel to each other

도 8은 본 발명자가 전자빔 증발법으로 사파이어 기판 위에 증착한 ~5000 Å 두께의 Cu 단결정막의 단면 투과전자현미경 회절패턴이며, 도 6과 유사한 패턴을 보여준다. FIG. 8 is a cross-sectional transmission electron microscope diffraction pattern of a Cu single crystal film having a thickness of ˜5000 mm 3 deposited on the sapphire substrate by the electron beam evaporation method, and shows a pattern similar to that of FIG. 6.

도 9는 Cu 단결정막의 단면 투과전자현미경 명시야상(bright field image)인데, 니켈(Ni)과 마찬가지로 쌍정이 다수 발견되었으나 특이하게도 사파이어 기판에 평행한 구리(Cu) (111)면으로만 쌍정이 형성되었다. FIG. 9 is a cross-sectional transmission electron microscope bright field image of a Cu single crystal film, in which a plurality of twins were found as well as nickel (Ni), but twins were formed only on a copper (Cu) (111) plane which was unusually parallel to a sapphire substrate. It became.

도 10은 상기 Cu 단결정막에 대한 X선 회절분석 pole figure map인데, Cu(200) peak이 3-fold symmetry를 갖고 있음을 볼 수 있다. 만약 쌍정이 Cu 금속막 표면에 평행한 방향으로만 생성되지 않았다면 Cu(200) 피크(peak)는 쌍정 형성으로 인하여 6-fold symmetry를 가졌을 것이다. 이와 같이 사파이어 기판에 평행한 Cu (111)면으로만 쌍정이 형성되는 것은 고품위 그래핀 성장을 위하여 매우 유리할 것으로 생각되는데, 그 이유는 쌍정이 기판에 평행하지 않은 (111)면으로 생성될 경우에는 Cu 표면과 쌍정이 만나는 부위에서 쌍정경계(twin boundary)가 생기므로 이것이 서로 다른 결정방향을 갖는 그래핀의 도메인 생성에 영향을 줄 가능성이 높기 때문이다. FIG. 10 is an X-ray diffraction pole figure map of the Cu single crystal film, and it can be seen that the Cu (200) peak has 3-fold symmetry. If twins were not produced only in a direction parallel to the Cu metal film surface, Cu (200) peak would have 6-fold symmetry due to twin formation. The formation of twins only with Cu (111) planes parallel to the sapphire substrate is thought to be very advantageous for high-quality graphene growth, because when twins are produced with (111) planes that are not parallel to the substrate This is because a twin boundary is formed at the site where the Cu surface and the twin meet, which is likely to influence the domain formation of graphene having different crystal directions.

Cu 단결정막과 사파이어 기판의 결정학적 관계는 니켈(Ni)과 동일하였다. 즉 아래와 같이 분석되었다.The crystallographic relationship between the Cu single crystal film and the sapphire substrate was the same as that of nickel (Ni). In other words, it was analyzed as follows.

Al2O3 (0001) || Cu (111) : 사파이어 기판의 (0001)면과 Cu의 (111)면이 서로 평행임 Al 2 O 3 (0001) || Cu (111): The (0001) plane of the sapphire substrate and the (111) plane of Cu are parallel to each other

Al2O3 [2110] || Cu (211) : 사파이어 기판의 [2110] 방향과 Cu의 (211) 방향이 서로 평행임Al 2 O 3 [2110] || Cu (211): The [2110] direction of the sapphire substrate and the (211) direction of Cu are parallel to each other

이와 같이 본 발명자는 적절한 단결정 기판을 선택하여 최적화된 공정조건에서 금속막을 증착하면 굳이 초고진공 증착장비를 사용하지 않아도 단결정 금속막을 성장하는 것이 충분히 가능함을 입증하였다.As described above, the present inventors proved that it is possible to grow a single crystal metal film without selecting an appropriate single crystal substrate and depositing a metal film under optimized process conditions without using ultra-high vacuum deposition equipment.

제 3단계 : 그래핀 박막 형성 단계 - 화학기상증착Third step: graphene thin film formation step-chemical vapor deposition

단결정 기판(10) 위에 단결정 금속막(20)의 증착이 끝나면 즉시 그래핀 화학기상증착장비에 장입하여 그래핀 증착을 실시, 도 1과 같이 단결정 금속막(20) 위에 그래핀 박막(30)을 형성한다. After the deposition of the single crystal metal film 20 on the single crystal substrate 10 is completed, the graphene deposition is carried out by loading into the graphene chemical vapor deposition equipment immediately, and the graphene thin film 30 on the single crystal metal film 20 as shown in FIG. Form.

그래핀의 화학기상증착은 원료기체인 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로펜(C3H6), 프로판(C3H8) 등의 탄화수소기체(hydrocarbon gas)와, 수소(H2), 아르곤(Ar), N2(질소) 등의 캐리어 기체(carrier gas)를 혼합하여 700 ~ 1100 oC 범위에서 실시한다. Chemical vapor deposition of graphene is based on the raw materials of methane (CH 4) , acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ), propane Hydrocarbon gas such as (C 3 H 8 ) and a carrier gas such as hydrogen (H 2 ), argon (Ar), N 2 (nitrogen) are mixed and in the range of 700 to 1100 o C Conduct.

이 때 금속막의 종류에 따라 화학기상증착장치에 요구되는 특성이 다음과 같이 달라진다.At this time, the characteristics required for the chemical vapor deposition apparatus vary depending on the type of metal film.

1) 첫째는 급속승온 및 온도하강이 가능한 급속열처리(rapid thermal anneal) 방식의 화학기상증착장치를 사용하는 방법이다. 1) The first method is to use a rapid thermal anneal type chemical vapor deposition system capable of rapid temperature rise and temperature drop.

니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등 탄소의 고용도(solid solubility)가 있는 금속일 경우는 탄소원자가 금속막에 일단 용해되었다가 온도가 떨어질 때 기판 표면에 탄소가 석출(precipitation)되면서 그래핀이 형성된다는 사실이 널리 알려져 있다. In the case of metals with solid solubility of carbon such as nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), and platinum (Pt), the carbon atoms are dissolved in the metal film once, and the temperature is reduced to the substrate surface. It is well known that graphene is formed by the precipitation of carbon.

이와 같이 석출에 의해 그래핀이 형성되기 위해서는 증착이 끝난 후에 온도를 적어도 -5 oC/sec 이상의 속도로 급속하게 떨어뜨릴 수 있어야 그래핀이 형성되는데, 이러한 특성을 갖춘 장치로는 대표적으로 할로겐 램프를 장착하여 급속승온 및 온도하강이 가능한 급속열처리(rapid thermal anneal) 방식의 화학기상증착장치인 RTCVD(rapid thermal chemical vapor deposition)가 있다. In order to form graphene by precipitation, graphene is formed only after the deposition is completed and the temperature can be rapidly dropped at a rate of at least -5 o C / sec or more. Typical devices having such characteristics are halogen lamps. There is a rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD), a rapid thermal anneal chemical vapor deposition apparatus capable of rapid temperature rise and temperature drop.

참고로 도 11은 본 발명자가 자체 제작하여 사용한 RTCVD장치의 사진이며, C2H4와 H2, Ar을 혼합하여 화학기상증착을 실시한다. 할로겐 램프를 사용하여 최대온도 950 oC까지 승온이 가능하며, 승온속도 및 강온속도를 최대 ~15 oC/sec 까지 얻을 수 있다. For reference, FIG. 11 is a photograph of an RTCVD apparatus manufactured by the present inventors, and chemical vapor deposition is performed by mixing C 2 H 4 , H 2 , and Ar. Using a halogen lamp, it is possible to raise the temperature up to a maximum temperature of 950 o C, and the temperature increase rate and the temperature decrease rate can be obtained up to ~ 15 o C / sec.

할로겐 램프를 사용하지 않는 경우에는 도 12 및 도 13과 같이 튜브(110) 내부에서 단결정 기판(140)을 장입봉(130, loading rod)을 사용하여 발열체(120) 내부의 핫존(hot zone)에서 발열체 외부의 쿨존(cool zone)으로 신속하게 이동시킬 수 있는 기능을 갖춘 화학기상증착장치를 이용하는 방법도 있다.When the halogen lamp is not used, as shown in FIGS. 12 and 13, the single crystal substrate 140 is loaded in the hot zone inside the heating element 120 using a loading rod 130 inside the tube 110. There is also a method using a chemical vapor deposition apparatus having a function to move quickly to the cool zone (outside the heating element).

2) 둘째로 전통적인 방식의 퍼니스(furnace, 로)를 사용하는 화학기상증착장치를 사용하는 방법이다.2) Secondly, using a chemical vapor deposition apparatus using a conventional furnace (furnace).

Cu와 같이 탄소의 고용도(solid solubility)가 0에 가깝고 그래핀이 오직 표면반응을 통해 증착되는 금속의 경우에는 급속승온 및 급속강온 기능이 요구되지 않는다. 반면에 900 ~ 1000 oC의 증착온도에서 30분 이상 ~ 5 시간에 걸친 긴 증착시간이 일반적으로 요구되므로 퍼니스(furnace, 로)를 사용하는 전통적인 화학기상증착장치가 더 적합하다. For metals such as Cu where solid solubility of carbon is close to zero and graphene is deposited only through surface reactions, rapid temperature rise and rapid temperature drop functions are not required. On the other hand, traditional chemical vapor deposition using furnaces is more suitable, since long deposition times of more than 30 minutes to 5 hours at deposition temperatures of 900 to 1000 o C are generally required.

본 발명에서는 도 11의 RTCVD 장비를 사용하여 사파이어 기판 위에 성장된 Ni 단결정막 위에 5층 내외의 탄소층으로 이루어진 few-layer graphene(FLG)을 성공적으로 증착하였으며, In the present invention, a few-layer graphene (FLG) consisting of about five layers of carbon layers was successfully deposited on a Ni single crystal film grown on a sapphire substrate using the RTCVD apparatus of FIG. 11.

도 14는 FLG 시편의 라만 스펙트럼을 보여주고 있다. 도 14의 FLG 시편에 적용된 RTCVD 공정온도는 900 oC 였으며, 증착이 끝난 후 강온속도는 700 oC까지는 약 -10 oC/sec이었고 이후에는 -5 oC/sec 미만의 속도로 천천히 온도가 내려갔다. 비교를 위해 실리콘 산화막 위에 성장된 Ni 다결정막과 동일한 증착조건에서 그래핀을 성장한 후 비교하였을 때, Ni 다결정막 위의 그래핀은 부위에 따라 그래핀의 두께가 불균일하였으나 사파이어 기판 위에 성장된 Ni 단결정막 위에서는 균일한 두께의 FLG가 성장되었다. 이것은 본 발명자의 아이디어처럼 Ni 다결정막 위에서는 멀티 도메인을 갖는 FLG가 성장된 반면, Ni 단결정막 위에서는 싱글 도메인을 갖는 단결정 그래핀이 형성되었기 때문이다.
14 shows Raman spectra of FLG specimens. The RTCVD process temperature applied to the FLG specimen of FIG. 14 was 900 o C. After the deposition was completed, the temperature drop rate was about -10 o C / sec up to 700 o C and then slowly at a rate of -5 o C / sec. Went down. For comparison, after growing graphene under the same deposition conditions as the Ni polycrystalline film grown on the silicon oxide film, the graphene on the Ni polycrystalline film had a non-uniform thickness of graphene depending on the site, but the Ni single crystal was grown on the sapphire substrate. A uniform thickness of FLG was grown on the film. This is because, as the inventors of the present invention, FLG having multiple domains was grown on a Ni polycrystalline film, whereas single crystal graphene having a single domain was formed on a Ni single crystal film.

실시예 2Example 2

니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등 탄소의 고용도(solid solubility)가 있는 금속을 그래핀 형성에 사용할 경우에는 아래의 실시예와 같이 물리적 증착법(physical vapor depositin)을 이용한 탄소막 증착 및 급속열처리 공정을 거쳐 그래핀을 형성할 수 있다.When a metal with solid solubility, such as nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), and platinum (Pt), is used to form graphene, the physical vapor deposition method is as follows. Graphene may be formed through a carbon film deposition and a rapid heat treatment process using depositin).

제 1단계 : 단결정 기판 준비 단계First step: preparing a single crystal substrate

실시예 1과 동일하다.Same as Example 1.

제 2단계 : 단결정 금속막 증착 단계Second Step: Deposition of Single Crystal Metal Film

단결정 금속막 증착은 실시예 1과 동일하게 실시한다. Single crystal metal film deposition was carried out in the same manner as in Example 1.

제 3단계 : 그래핀 박막 형성 단계 - 물리적 증착법Third Step: Graphene Thin Film Formation Step-Physical Vapor Deposition

금속막 증착 후에 그래핀을 형성하기 위해 화학기상증착장치를 이용하지 않고 탄소막을 물리적으로 증착할 수 있는 장치, 예를 들어 증발기, 전자빔 증발기, 스퍼터, 레이져 어블레이션(laser ablation) 장치 등으로 신속히 시편을 옮긴다. Rapidly test specimens by physically depositing carbon films without using chemical vapor deposition to form graphene after metal film deposition, such as evaporators, electron beam evaporators, sputters, laser ablation devices, etc. Move it.

사용하는 장치에 따라서는 금속막 증착과 탄소막 증착을 동일한 장치에서 진공상태를 깨뜨리지 않고 연속으로 진행할 수도 있다. Depending on the device used, metal film deposition and carbon film deposition may be performed continuously in the same device without breaking the vacuum.

탄소막 증착은 증발법이나 전자빔 증발법의 경우에는 펠릿(pellet)이나 그래뉼(granule) 형태의 탄소 증발원(C evaporation source)을 열에너지나 전자빔으로 가열하여 여기서 발생하는 탄소 증기를 이용하며, 레이져 어블레이션의 경우에는 레이져로 탄소 증발원을 가열하여 증착을 실시한다. 스퍼터의 경우에는 탄소 타겟을 이용하여 증착을 실시한다. 상기와 같은 물리적 증착법으로 탄소막을 증착할 때에는 단결정 금속막(20)이 증착된 단결정 기판(10)은 높은 온도로 가열할 필요가 없으며, 실온(room temperature) 내지는 최대 300 oC 미만의 기판온도에서 진행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 온도범위에서는 증착된 탄소막은 비정질 탄소막(amorphous carbon film)이 되는 것이 일반적이다. 증착하는 탄소막의 두께는 단결정 금속막(20)의 두께에 따라 달라지게 되지만 일반적으로 10 ~ 100 Å 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다.In the case of evaporation or electron beam evaporation, carbon film deposition uses carbon vapor generated by heating carbon evaporation source in pellet or granule form with heat energy or electron beam. In this case, deposition is performed by heating the carbon evaporation source with a laser. In the case of sputtering, vapor deposition is performed using a carbon target. When the carbon film is deposited by the physical vapor deposition method as described above, the single crystal substrate 10 on which the single crystal metal film 20 is deposited does not need to be heated to a high temperature, and may be at room temperature or at a substrate temperature of less than 300 ° C. It is preferable to proceed. In such a temperature range, the deposited carbon film is generally an amorphous carbon film. The thickness of the carbon film to be deposited will vary depending on the thickness of the single crystal metal film 20, but it is generally preferred to be in the range of 10 to 100 kPa.

탄소막이 증착된 시편을 급속열처리가 가능한 장치에 장입하고 700 ~ 1100 oC 범위에서 30초 ~ 5분간 일정한 온도를 유지한다. 이 때 열처리 분위기는 1 x 10-6 Torr 이하의 진공상태를 유지하거나 또는 Ar 내지 N2 등의 불활성기체(inert gas)를 유입하여 잔류 산소에 의한 시편의 산화 가능성을 제거하는 것이 바람직하다. Specimens deposited with carbon film are loaded into a device capable of rapid heat treatment and maintained at a constant temperature for 30 seconds to 5 minutes in the range of 700 to 1100 o C. At this time, the heat treatment atmosphere is preferably maintained in a vacuum state of less than 1 x 10 -6 Torr or inert gas such as Ar to N 2 to remove the possibility of oxidation of the specimen by residual oxygen.

도 15는 열처리 온도에서 탄소막(31)을 구성하는 탄소원자(32)들이 일부는 단결정 금속막(20) 내부로 녹아들어가고 일부는 표면에 잔류하고 있는 상태를 나타낸 모식도이다. FIG. 15 is a schematic view showing a state in which some carbon atoms 32 constituting the carbon film 31 are melted into the single crystal metal film 20 and some remain on the surface at a heat treatment temperature.

열처리가 끝나고 기판온도가 떨어지게 되면 단결정 금속막(20)의 탄소 용해도가 급격히 감소하므로 금속막의 표면으로 탄소원자(32)가 석출되기 시작하며, 냉각속도가 적절할 경우 도 16과 같이 그래핀(30)이 형성된다. 적절한 냉각속도는 금속막의 두께, 금속의 탄소용해도, 급속열처리 공정의 상세조건에 의존하여 달라질 것이나, 일반적으로 -5 ~ -15 oC/sec 범위에서 최적조건을 찾을 수 있다.
When the substrate temperature drops after the heat treatment, the carbon solubility of the single crystal metal film 20 is drastically reduced, and thus, the carbon atoms 32 begin to precipitate on the surface of the metal film. Is formed. The appropriate cooling rate will vary depending on the thickness of the metal film, the carbon solubility of the metal, and the detailed conditions of the rapid heat treatment process, but generally the optimum conditions can be found in the range of -5 to -15 o C / sec.

10: 단결정 기판
20: 단결정 금속막
30: 그래핀
31: 단소막
32: 탄소원자
110: 증착용 튜브
120: 발열체
130: 장입봉
140: 시편
10: single crystal substrate
20: single crystal metal film
30: graphene
31: monolayer
32: carbon atom
110: deposition tube
120: heating element
130: charging rod
140: Psalms

Claims (31)

그래핀 박막의 형성 방법에 있어서,
단결정 기판을 준비하는 제 1단계;
단결정 기판 위에 단결정 금속막을 성장시키는 제 2단계; 및
단결정 금속막 위에 그래핀 박막(graphene film)을 형성하는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
In the graphene thin film formation method,
Preparing a single crystal substrate;
A second step of growing a single crystal metal film on the single crystal substrate; And
And a third step of forming a graphene film on the single crystal metal film.
제1항에 있어서,
상기 단결정 기판은 사파이어(α-Al2O3)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal substrate is characterized in that the sapphire (α-Al 2 O 3 ).
제1항에 있어서,
상기 단결정 기판은 산화마그네슘(MgO)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal substrate is characterized in that the magnesium oxide (MgO).
제1항에 있어서,
상기 단결정 기판은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 산화물 계열의 단결정 기판임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal substrate is characterized in that the oxide-based single crystal substrate having a perovskite (perovskite) structure.
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속막은 전이금속(transition metal)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal metal film is a transition metal.
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속막은 니켈(Ni)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
And said single crystal metal film is nickel (Ni).
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속막은 구리(Cu)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal metal film is characterized in that the copper (Cu).
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속막은 코발트(Co)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal metal film is characterized in that the cobalt (Co).
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속막은 루테늄(Ru)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
And said single crystal metal film is ruthenium (Ru).
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속막은 백금(Pt)임을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
The single crystal metal film is platinum (Pt).
제1항에 있어서,
상기 제 2단계에서, 단결정 금속막을 성장하기 위해 열증발법(thermal evaporation technique), 또는 전자빔 증발법(e-beam evaporation technique)을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
In the second step, a thermal evaporation technique or an e-beam evaporation technique is used to grow a single crystal metal film.
제1항에 있어서,
상기 제 2단계에서, 단결정 금속막을 성장하기 위해 스퍼터링법(sputtering technique)을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
In the second step, a sputtering technique is used to grow a single crystal metal film.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 단결정 금속막을 성장하기 위한 성장장치의 기저압력(base pressure)이 1 x 10-7 Torr ~ 1 x 10-6 Torr 인 것을 특징으로 하는 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
And a base pressure of the growth device for growing the single crystal metal film is 1 x 10 -7 Torr to 1 x 10 -6 Torr.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 단결정 금속막을 성장하기 위해 단결정 기판의 온도를 100 ~ 300 oC, 증착속도를 1~20 Å/sec 범위로 유지하여 금속막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
And growing the metal film by maintaining a temperature of the single crystal substrate in a range of 100 to 300 ° C. and a deposition rate of 1 to 20 mW / sec to grow the single crystal metal film.
제1항에 있어서,
1) 제 2단계에서 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속을 단결정 기판 위에 단결정 금속막으로 성장한 후,
2) 제 3단계의 그래핀 성장을 위하여, 5 oC/sec 이상의 속도로 기판온도를 올리거나 내릴 수 있는 장치를 사용하며, 원료기체인 탄화수소기체(hydrocarbon gas)와 캐리어 기체(carrier gas)를 혼합하여 700 ~ 1100 oC 범위에서 1분 ~ 30분의 시간동안 그래핀 성장을 실시한 후 -5 oC/sec 이상의 속도로 급속히 기판온도를 떨어뜨려 금속막 위에 그래핀 박막을 성장하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
1) In the second step, after the transition metal having solid solubility to carbon is grown on the single crystal substrate as a single crystal metal film,
2) In order to grow the graphene in the third stage, a device capable of raising or lowering the substrate temperature at a rate of 5 o C / sec or more is used, and a hydrocarbon gas and a carrier gas, which are raw materials, are used. After mixing and growing graphene for a period of 1 to 30 minutes in the range of 700 to 1100 o C, the graphene thin film is grown on the metal film by rapidly decreasing the substrate temperature at a rate of -5 o C / sec or more. How to.
제15항에 있어서,
상기 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 또는 백금(Pt)인 것을 특징으로 하는 방법.
16. The method of claim 15,
The transition metal with solid solubility to carbon is nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), or platinum (Pt).
제15항에 있어서,
상기 탄화수소기체는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로펜(C3H6), 프로판(C3H8) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. The method of claim 15,
The hydrocarbon gas is methane (CH 4) , acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) And a mixture thereof.
제15항에 있어서,
상기 캐리어 기체는 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. The method of claim 15,
The carrier gas is selected from the group consisting of hydrogen (H 2 ), argon (Ar), nitrogen (N 2 ) and mixtures thereof.
제1항에 있어서,
1) 제 2단계에서 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 낮은 전이금속을 단결정 기판 위에 단결정 금속막으로 성장한 후,
2) 제 3단계의 그래핀 성장을 위하여, 원료기체인 탄화수소기체(hydrocarbon gas)와 캐리어 기체(carrier gas)를 혼합한 후 900 ~ 1000 oC의 증착온도에서 30분 ~ 5 시간에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
1) In the second step, after the transition metal having low solid solubility to carbon is grown on the single crystal substrate as a single crystal metal film,
2) In order to grow the graphene in the third step, the mixture of hydrocarbon gas and carrier gas, which is a raw material gas, is carried out over 30 minutes to 5 hours at a deposition temperature of 900 to 1000 o C. How to feature.
제19항에 있어서,
상기 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 낮은 전이금속은 구리(Cu)인 것을 특징으로 하는 방법..
20. The method of claim 19,
The transition metal having a low solid solubility to carbon is copper (Cu).
제19항에 있어서,
상기 탄화수소기체는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로펜(C3H6), 프로판(C3H8) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. The method of claim 19,
The hydrocarbon gas is methane (CH 4) , acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) And a mixture thereof.
제19항에 있어서,
상기 캐리어 기체는 수소(H2), 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. The method of claim 19,
The carrier gas is selected from the group consisting of hydrogen (H 2 ), argon (Ar), nitrogen (N 2 ) and mixtures thereof.
제1항에 있어서,
1) 제 2단계에서 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속을 단결정 기판 위에 단결정 금속막으로 성장한 후,
2) 제 3단계에서, 물리적 증착법(physical vapor deposition)으로 상기 단결정 금속막 위에 탄소막(carbon film)을 형성한 후, 별도의 급속열처리 장치에서 기판의 온도를 700 ~ 1100 oC 범위에서 1분 ~ 30분의 시간동안 유지하다가 -5 oC/sec 이상의 속도로 급속히 기판온도를 떨어뜨려 금속막 위에 그래핀 박막을 성장하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
1) In the second step, after the transition metal having solid solubility to carbon is grown on the single crystal substrate as a single crystal metal film,
2) In the third step, after forming a carbon film (carbon film) on the single crystal metal film by physical vapor deposition (physical vapor deposition), the temperature of the substrate in a separate rapid heat treatment apparatus in the range of 700 ~ 1100 o C ~ 1 minute ~ A method of growing a graphene thin film on a metal film by maintaining the temperature for 30 minutes and then rapidly decreasing the substrate temperature at a rate of -5 o C / sec or more.
제23항에 있어서,
상기 탄소에 대한 고용도(solid solubility)가 있는 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 또는 백금(Pt)인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23,
The transition metal with solid solubility to carbon is nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), or platinum (Pt).
제23항에 있어서,
상기 물리적 증착법은 탄소 증발원을 열에너지로 가열하여 여기서 발생된 탄소 증기를 이용하는 열증발법인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23,
The physical vapor deposition method is a heat evaporation method using the carbon vapor generated by heating the carbon evaporation source with thermal energy.
제23항에 있어서,
상기 물리적 증착법은 탄소 증발원을 전자빔 에너지로 가열하여 여기서 발생된 탄소 증기를 이용하는 전자빔 증발법인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23,
The physical vapor deposition method is an electron beam evaporation method using carbon vapor generated by heating the carbon evaporation source with electron beam energy.
제23항에 있어서,
상기 물리적 증착법은 탄소 증발원을 레이저로 가열하는 레이져 어블레이션법(laser ablation)인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23,
The physical vapor deposition method is a laser ablation method for heating a carbon evaporation source with a laser.
제23항에 있어서,
상기 물리적 증착법은 탄소 타켓을 이용하는 스퍼터링법인 것을 특징으로 하는 방법.
24. The method of claim 23,
The physical vapor deposition method is a sputtering method using a carbon target.
제1항에 있어서,
제 2단계의 단결정 금속막에 쌍정(twin)의 결정결함(crystal defect)이 발생할 때, 결정결함이 단결정 금속막 표면에 평행한 방향으로만 생성되어 결정결함이 단결정 금속막 표면에 노출되지 않음을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
When twin crystal defects occur in the single crystal metal film of the second stage, crystal defects are generated only in a direction parallel to the surface of the single crystal metal film so that the crystal defects are not exposed to the surface of the single crystal metal film. How to feature.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 박막의 형성후, 상기 단결정 금속막을 염화제이철(FeCl3)으로 녹여내여, 그래핀을 수득하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
And after forming the graphene thin film, dissolving the single crystal metal film with ferric chloride (FeCl 3 ) to obtain graphene.
제1항 내지 제30항의 방법 중 어느 하나의 방법에 의해서 얻어진 그래핀. Graphene obtained by the method of any one of claims 1 to 30.
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