CVDグラフェンの生成メカニズムには、溶解と偏析という2段階のプロセスがある。
CVDグラフェンのメカニズムとは？5つの主要ステップを解説
1.溶解
最初のステップでは、炭素原子がニッケル、銅、白金、イリジウムなどの遷移金属触媒に希釈または取り込まれる。
このプロセスは溶解と呼ばれる。
炭素原子は、基材内の高温によって金属基材中に拡散する。
温度が高ければ高いほど、拡散プロセスは速く進む。
また、炭素原子が厚い金属膜中で飽和状態に達するにはさらに時間が必要であるため、時間の長さも重要な役割を果たす。
2.偏析
偏析として知られる第2のステップでは、炭素原子が急速に冷却され、金属基板から分離してグラフェン層を形成する。
この急速冷却は、温度を下げるか、冷却剤を使用することで実現できる。
金属基板に拡散した炭素種は、互いに反応して小さな炭素クラスターを形成する。
これらのクラスターが臨界サイズを超えると、グラフェン結晶が核生成し、触媒表面で成長する。
3.炭素含有ガスの堆積
CVDグラフェンのプロセスでは、加熱された反応室内で、炭素含有ガスを金属表面上に堆積させる。
金属触媒は、炭素種の分解触媒として、またグラフェン格子の核生成表面として機能する。
4.臨界条件のモニタリング
グラフェンの成長を成功させるためには、温度、圧力、時間、その他の条件を注意深く監視する必要がある。
5.グラフェン結晶の形成
メタンなどの炭素前駆体は、銅などの金属触媒表面で分解し、炭素クラスターを形成することによってグラフェンに変換される。
CVD反応は通常、1000℃前後の高温で起こる。
炭素クラスターが臨界サイズを超えると、グラフェンの結晶が核となって成長し、炭素原子の単一原子厚層を形成する。
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