SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF GRAPHENE ON COPPER SUBSTRATE: EFFECTS OF HYDROGEN AND COPPER SURFACE MORPHOLOGY ON GRAPHENE CHARACTERISTICS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Ahmed_Ibrahim_PhD_thesis_final.pdf - Submitted Version Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

فهم كل من آلية نمو الجرافين على النحاس بواسطة الترسيب بالتبخير الكيميائى والتأثير المتبادل بين سطح النحاس وخصائص طبقة الجرافين المترسبة أمر بالغ الأهمية لانتاج جرافين عالى الجودة. في هذا العمل تم دراسة تأثير تركيزغازالهيدروجين على تطور مورفولوجيا سطح النحاس خلال مرحلة التليين ، وأيضا تأثيره على خصائص الجرافين المترسب. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بدراسة تأثير مورفولوجيا سطح النحاس على نمو الجرافين ونقله لاحقا إلى رقاقة SiO2/Si. كشفت النتائج أن الهيدروجين يساعد على تقليل خشونة سطح رقائق النحاس بشكل ملحوظ خاصة في تركيز الهيدروجين العالى، ولكن فى نفس الوقت ساهم فى ظهور بعض السمات السطحية الأخرى مثل؛ الأوجه، الخدوش والجسيمات. وعلاوة على ذلك، تبين أن تركيز الهيدروجين له تأثير واضح على تشكل الجرافين وجودته فعلى سبيل المثال التركيزات المنخفضة للهيدروجين (0 و 2.5٪) خلال مرحلة التليين ساعدت على تكوين طبقة ثنائية من الجرافين ذات نوعية جيدة. في المقابل، أدى تركيزات الهيدروجين المتوسطة والعالية من (20 و 50٪) إلى تكوين جرافين متعدد الطبقات، وذات جودة سيئة. ومن المثير للاهتمام أن مورفولوجيا سطح النحاس اختلفت بشكل كبير عن تلك التي تم الحصول عليها بعد ترسيب الجرافين، مشيرا إلى أن ترسيب الجرافين له تأثيره الخاص على سطح النحاس. بالإضافة إلى ذلك، وجدنا أن سطح النحاس الناعم يعزز نمو مستمر ومنتظم لطبقة أحادية من الجرافين مع عيوب هيكلية أقل. في المقابل، سطح النحاس الخشن نسبيا ساعد على تكوين طبقة ثنائية من الجرافين الغير منتظم، حيث احتوى على مساحات صغيرة من الجرافين متعدد الطبقات بكثافة عالية. ومن المثير للاهتمام، أن الجرافين المتكون على سطح النحاس الناعم أعطى حماية أكثر للنحاس ضد إختبار تاكل السطح بالمقارنة مع الجرافين الذى تكون على سطح النحاس الخشن، مشيرا إلى ان أسطح النحاس الخشنة تساعد على تكوين عيوب هيكلية بعدد أكثر فى الجرافين المترسب بالمقارنة بالجرافين المتكون على الأسطح الناعمة. يعتقد أن هذه الدراسة سوف توفر مزيد من الفهم حول دور الهيدروجين فى تطور مورفولوجية سطح النحاس خلال كلا من مرحلة التليين، و أثناء ترسيب الجرافين. علاوة على ذلك، فإنها تؤكد على أهمية تشكل النحاس في السيطرة على وجود العيوب الهيكلية في طبقة الجرافين و التي لها آثار على تطبيقات الجرافين المختلفة كمادة حاجزة أو غشاء انتقائي.

English Abstract

Understanding both graphene growth mechanism on Cu substrate by chemical vapor deposition and the interplay between the Cu surface morphology and the deposited graphene film characteristics is crucial for production of high-quality graphene. In the present work, we investigated the effect of H2 concentration during annealing on evolution of Cu surface morphology, and on deposited graphene characteristics. In addition, we studied the effect of Cu surface morphology on graphene growth and its subsequent transfer onto SiO2/Si substrate. Our results revealed that although H2 had a smoothening effect on Cu surface as its surface roughness was reduced significantly at high H2 concentration, it promoted formation of other surface features such as; facets, dents and particles. Furthermore, H2 content influenced the graphene morphology and its quality. A low H2 concentration (0 and 2.5%) during annealing promoted uniform and good quality bilayer graphene. In contrast, a high concentration of H2 (20 and 50%) resulted in multilayer, non-uniform and defective graphene. Interestingly, it was found that the annealed Cu surface morphology differed considerably from that obtained after deposition of graphene, indicating that graphene deposition has its own impact on Cu surface. In addition, we found that a smooth Cu surface promoted growth of continuous and uniform monolayer graphene film with fewer structural defects. Whereas, a relatively rougher Cu surface exhibited relatively porous, non-uniform, bilayer graphene film, associated with a higher density of multilayer graphene domains preferentially located along the Cu surface striations. Interestingly, compared with graphene grown on rough Cu foil, graphene grown on smooth Cu yielded better protection for the underlying Cu foil against the attack of Cu-etchant (APS) as evidenced by etching-pit experiments. This study is believed to bring about more insight on the role of H2 on Cu surface morphology evolution after being annealed only and after graphene deposition. Furthermore, it emphasizes the importance of Cu morphology in controlling structural defects in graphene, which has implications on synthesis of graphene for applications as a barrier material or as a selective membrane.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Research > Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Laoui, Tahar
Committee Members:	Atieh, Muataz and Khan, Zafarullah and Nouari, Saheb and Hussain, Muhammad
Depositing User:	IBRAHIM AH IBRAHIM ALI (g201102610)
Date Deposited:	23 Aug 2015 06:46
Last Modified:	01 Nov 2019 16:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139707