Synthesis and characterization of graphene by physical vapor deposition

Abstract

Grafen, karbon atomlarından oluşan sıradışı bir malzemedir ve ilk sentezlenen iki boyutlu malzemedir. Grafen, etkileyici fiziksel özelliklerine ve büyük ölçekte ucuz bir şekilde üretilebilmesine rağmen, teknolojik cihazlarda kullanımı hala kısıtlıdır. Bu durum grafenin mevcut sentez yöntemlerinin diğer yarı-iletken üretim yöntemleriyle uyumlu olmamasından kaynaklanmaktadır. Diğer işlemlerin gereksinimlerini karşılayacak yeni grafen sentezi yöntemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir.Çalışmamızın amacı, oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta yeni bir grafen sentez yöntemi geliştirmektir. Çalışmalarımızı gerçekleştirmek için fiziksel buhar biriktirme yöntemlerinden biri olan termiyonik vakum ark tekniği kullanılmıştır. Örnekler üretilip, Raman spektroskopisi ile incelenerek çeşitli yaklaşımlar denenmiştir. Çalışmamız boyunca üretilen örneklerin Raman spektrumlarında termiyonik vakum ark tekniği ile bir geçiş metali tabakası kaplanması sonrasında sp3 hibritleşmesine sahip karbon bağlarının sp2 hibritleşmesine sahip karbon bağlarına katalizi gözlenerek ispatlanmıştır. Çalışmanın kapsamındaki son yaklaşımla üretilen örneklerin Raman spektrumları çok katmanlı grafen ile benzer sonuçlar göstermiştir.

Graphene is an extraordinary material made of carbon atoms and the first synthesized two-dimensional material. Although graphene has impressive physical properties and can be produced on a large scale at a low cost, the use of graphene in technological devices is still limited due to the incompatibility of current synthesis methods with other manufacturing processes of semiconductor devices. New graphene synthesis methods must be developed with respect to the needs of other processes.The aim of this study was to create a new method of synthesizing graphene at near room temperature. In order to achieve that thermionic vacuum arc technique, which is a physical vapor deposition method with huge advantages, was utilized to conduct our studies. Various deposition approaches have been tested by producing samples and investigating with Raman spectroscopy. It is proven that throughout the study, the Raman spectra of the samples produced showed the catalysis of carbon bonds with sp3 hybridization into carbon bonds with sp2 hybridization after deposition of a transition metal layer with thermionic vacuum arc technique. The Raman spectra of the samples produced with the final approach tested in the scope of this study showed similar results as multi-layer graphene.