學位論文
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Item 陽極接合轉印石墨烯之技術開發(2016) 靳皓文; Chin, Hau-Wen自從發現石墨烯這種新穎且極具發展潛力的二維材料後，其相關的製備方法與應用端也逐漸地被開發出來，而因為其具有優異的電子特性、可撓性與高光穿透度等優點，故在透明導電薄膜與光電元件的開發與應用上十分值得期待。而在目前眾多石墨烯的製備方法中，以化學氣相沉積法於金屬觸媒材料上成長石墨烯薄膜，並轉移至其他目標基板上之方式，較能達到大面積、高導電性與高光穿透度等應用要求。因此，本研究試圖將化學氣相沉積法於銅箔基板與濺鍍銅薄膜於二氧化矽/矽基板所成長的石墨烯，以陽極接合轉印技術，將其轉移至Pyrex7740之玻璃目標基板上，在整個陽極接合轉印製程中不用像傳統轉移技術，必須使用高分子聚合物(PMMA或PDMS)當作石墨烯的保護層與犧牲層，而在石墨烯轉移完成後該高分子聚合物則必須去除的問題，故此製程不僅沒有高分子殘留問題，在轉移過後也僅需使用到少量之銅蝕刻液，即可蝕刻掉於玻璃目標基板表面上所殘留之銅原子。 本研究重點主要分為三大項目: (1) 以化學氣相沉積系統成長石墨烯於銅箔與二氧化矽/矽基板表面之銅薄膜上，並以調控甲烷碳源與氬氫(Ar/H2)混合氣(9:1)之輔助氣體間的比例，來控制石墨烯層數與品質之成長參數。經由拉曼光譜分析證實已可成長出I2D/IG比值為2.04 ~ 2.98，半高寬為38.47 cm-1 ~ 46.42 cm-1之單層石墨烯(Single-layer graphene, SLG)，以及I2D/IG比值為0.51 ~ 0.66，FWHM為64.16 cm-1 ~ 73.57 cm-1之寡層石墨烯(Few-layer graphene, FLG)；(2) 由於在透明導電薄膜等應用上，FLG較能達到其元件應用之需求，故在實驗上則採用FLG來當作轉移之試片。並以開發的陽極接合轉印技術，將成長好的FLG從銅觸媒材料上轉移至面積尺寸為1 × 1 cm2之Pyrex玻璃目標基板，並透過調控其製程溫度以及工作電壓來達到轉移石墨烯之目的。經實驗結果顯示，於銅箔上成長的FLG，在製程溫度為150 ℃，工作電壓為0.9 kV為本實驗之最佳條件，其可在不需使用銅蝕刻液的情況下成功地轉移石墨烯，並在10 × 10 m2之範圍內，經拉曼映射及影像二值化分析軟體進行分析後，可得到其轉移率約為64.7%。而在以濺鍍而成之銅薄膜上，所成長出來的FLG，則是在工作電壓為0.6 kV，溫度為300 ℃之製程溫度下為最佳條件，在此條件可成功地轉移銅薄膜/石墨烯於Pyrex玻璃目標基板上，並且搭配0.1 M少量之銅蝕刻液去除表層的銅薄膜後，在10 × 10 um2之範圍內，以拉曼映射與影像二值化分析軟體進行分析，可得到其轉移率約為89.6%；(3) 本研究除了開發陽極接合轉印技術外，為了提升本技術之應用性，除了實驗之石墨烯轉移外，還利用濺鍍於二氧化矽/矽之銅薄膜與半導體製程進行整合，利用黃光微影、物理氣相沉積濺鍍與掀離等製程，進行尺寸大小為80 × 80 um2之方形陣列結構的圖案化定義，並接續進行前述石墨烯成長與轉移之最佳參數，將可實現快速且低成本之批量生產與產業應用。