Bakır yüzeyinde kimyasal buhardan çöktürme yöntemi ile grafen büyütmede süreç parametrelerinin etkilerinin araştırılması

Tek karbon atomu kalınlığında iki boyutlu bir malzeme olan grafen, üstün özelliklerinden dolayı, dokunmatik ekranlar, fotodetektörler, esnek elektronikler, güneş pilleri, süperkapasitörler, yüksek frekanslı transistörler gibi birçok teknolojik uygulamada dikkat çekmektedir. Ancak grafen ile bu teknolojilerde gelişme sağlanması, grafenin kontrollü üretilebilmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda, grafen üretim yöntemleri arasında, kontrollü grafen sentezi için, bakır folyo alttaş üzerinde kimyasal buhardan çöktürme (KBÇ) yöntemi en çok umut vaat eden ve ekonomik olarak ölçeklendirilebilecek bir üretim yöntemi olarak öne çıkmaktadır. Bu yöntemin potansiyeli yüksek olmakla birlikte halen bu yöntem ile üretilen grafenin kalitesinin ve sürecin tekrarlanabilirliğinin arttırılmasına yönelik çalışmalar gerekmektedir. Bakır alttaş üzerinde KBÇ yönteminde, yüksek sıcaklık (~1000-1100°C) ve vakum altında (~10 - 10-3 Torr) sistemden geçirilen hidrokarbon gazı bakırın yüzeyinde karbon ve hidrojene parçalanır ve karbon atomları alttaş yüzeyinde grafen çekirdeklenmelerini başlatır. Çekirdeklerin iki boyutlu yanal büyümeleri ile grafen taneleri ve taneler arası sınırlar oluşur. Bu tane sınırları, üç boyutlu malzemelerdeki tanecik sınırları gibi, oluşan yapının özelliklerini (termal, elektriksel ve mekanik gibi) belirlemede önemli rol oynar. Dolayısıyla, KBÇ yöntemi ile üretilen grafenin kalitesini iyileştirmek için alttaş yüzeyine ve üretim sürecine bağlı parametreleri optimize ederek grafen oluşumunu kontrol etmek gerekmektedir. Üretim sürecinde öne çıkan parametreler: sıcaklık, tavlama, gaz kompozisyonu, ve alttaş özellikleridir (safsızlık, kristallografik oryantasyon, kalınlık vb.). Literatürde bu parametreler ve etkileri ile ilgili birçok çelişkili bilgi bulunmaktadır. Bunun sebebi KBÇ yönteminin kullanılan fırın ve reaktöre bağlı olarak oldukça farklı sonuçlar göstermesidir. Dolayısıyla tüm bu parametrelerin gerçek etkilerinin anlaşılabilmesi için tek bir sistem kullanılarak çalışılması önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında, KBÇ yöntemiyle bakır alttaş üzerinde grafen büyütülmesinde alttaş kalınlığı, alttaş yerleşimi, asit ile ön temizlik işlemi, sıcaklık, süre, gaz kompozisyonu, ve yüzey stresleri gibi parametrelerin oluşan grafen üzerindeki etkileri sistematik bir şekilde incelenmiştir. Bu tez kapsamında, özellikle literatürde eksik olduğu görülen yüzey empüriteleri ve alttaşın üzerindeki mekanik streslerin araştırılmasına odaklanılmıştır . Grafen büyüme mekanizmasının ve süreç parametrelerinin oluşan grafene etkilerinin anlaşılması için, bakır yüzeyinde gerçekleşen değişimler ve oluşan grafenin morfolojisi, Taramalı Elektron Mikroskop (SEM – EDX/EBSD), Raman Spektroskopisi, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Elektron Geri Saçılım Kırınımı (EBSD), X-ışınları Kırınımı (XRD) ve Optik Mikroskop (OM) kullanılarak karakterize edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılarak tartışılmıştır.