Přenos monovrstev grafenu na substráty pro pokročilé experimenty

„Grafen je monoatomární vrstva uhlíku strukturou blízká 2D vrstvě grafitu,“ píše autor článku Martin Jindra, student Střední průmyslové školy sdělovací techniky z Prahy 1 a úspěšný účastník XXII. ročníku Soutěže vědeckých a technických projektů středoškolské mládeže, jehož soutěžní projekt Grafen mu vynesl zvláštní Cenu ASM Materials Education Foundation. A Martin pokračuje: „Jde o nejpevnější známý materiál na světě podle Youngova modulu pevnosti. Podle odborných odhadů je až 200× pevnější než ocel. Atomy uhlíku jsou v grafenu uspořádány do pravidelných šestiúhelníků, které tvoří rovinnou síť. Za jeho objev vděčíme ruským výzkumníkům Andremu Geimovi a jeho kolegovi z univerzity v Manchestru Konstantinu Novoselovi, kteří materiál objevili a připravili v roce 2004 a v roce 2010 za něj dostali Nobelovu cenu. Grafen je elektricky vodivý a také propustný pro světlo. Proto se předpokládá, že nahradí oxidy india a cínu ve výrobě displejů. Tým profesora Geima také zjistil, že elektrony v grafenu mají jiné vlastnosti než v jiných běžných materiálech. Chovají se, jako by neměly téměř žádnou efektivní hmotnost a mohou se tak pohybovat téměř rychlostí světla.“

Příprava grafenu

Metoda lepicí pásky

Použil jsem obdobnou metodu, jako v roce 2004 profesoři Geim a Novoselov. Jediný rozdíl spočíval v tom, že byl grafen připraven na substrát pro provádění mechanických experimentů (PMMA - polymetylmetakrylát) a nikoli na křemíkovou destičku s 300 nm oxidu křemičitého.

Výchozím materiálem byl krystal grafitu a běžná kancelářská lepicí páska. Pro zvýšení kontrastu mezi substrátem a grafenem jsem na PMMA nanesl spin coatingem fotorezist na bázi epoxu (SU-8). (Spin coating je metoda nanášení tenkých vrstev na ploché povrchy. Malé množství povrchového materiálu se nanese do středu podkladového materiálu, který se pak uvede do rychlé rotace - povrchový materiál pak vlivem odstředivé síly rovnoměrně pokryje podklad.)  Krystal grafitu se lepicí páskou „roztrhal“ na grafenové vrstvy, které se nanesly i s páskou na PMMA. Substrát jsme nechali za teploty 80 °C vytvrdit a přichytit. Až poté se mohla odstranit lepicí páska.

Nevýhodou této metody jsou velmi malé rozměry připravených grafenových vrstviček a tedy i špatná využitelnost pro pokročilé mechanické experimenty.

Čísla na prvním obrázku udávají počet vrstev grafenu v  barevných výsecích. Barvám výseku odpovídají spektra v druhém obrázku. Čím je oblast světlejší, tím více grafenových vrstev obsahuje. Napravo je možné vidět mnohovrstevnatý grafit.

Výška Ramanova G (grafitického) píku je přímo úměrná počtu vrstev grafenu. Pík G´ neurčuje počet vrstev, ale pokud se jedná o monovrstvu, je velmi úzký. Pokud je vrstev více, interpretace píku se komplikuje. Odráží to komplikovanou elektronovou strukturu vzniklou interakcí vrstev. Ostatní píky pocházejí od substrátu PMMA.

Metoda CVD

Zkratka CVD, Chemical Vapor Deposition, znamená v doslovném překladu „chemické usazování z par“. Při ní se měděný plíšek vloží do trubicové pece (při teplotě okolo 1 000 °C), do které se zavede směs metanu, vodíku a argonu (argonu je většina a slouží jako nosný plyn) v definovaném poměru a za daného průtoku. Na plíšku, který funguje jako katalyzátor, „naroste“ grafen. Touto cestou grafen  vytvoří daleko větší krystaly než v případě výše zmíněné páskové metody. Takto připravený grafen je vhodný i pro následné mechanické experimenty.

Přenosy grafenu

Přenos CVD grafenu metodou razítkování

Použil jsem grafen připravený na mědi metodou CVD. Nejprve se pomocí spin coatingu (2 700 ot./min) nanesla na měď s grafenem vrstva PIB (polyisobutylen). Na PIB se přichytil PDMS (polydimetylsiloxan), který sloužil jako nosné razítko. Poté se odleptala měď (použit Copper etchant na bázi FeCl₃) a pak se PDMS s grafenem přichytil k PMMA (5 minut v peci při 100 ^oC). Nakonec se PDMS odlepil a PIB se rozpustil v hexanu.

Takto připravený vzorek je vhodný pro mechanické experimenty.

Přenos CVD grafenu metodou fishing

Výchozím substrátem pro tento přenos byl opět CVD grafen narostlý na mědi. V prvním kroku jsem nanesl vrstvičky PMMA pomocí metody spin coating. Dále se odleptala měď v Copper etchantu a poté pomocí křemíkové destičky přenesla vrstvička PMMA s grafenem do deionizované vody (fishing), kde probíhalo několik fází opláchnutí substrátu. Pak se vzorek opět přenesl na křemíkovou destičku. PMMA se leptá pomocí par acetonu. Alternativou je nakapání acetonu na vzorek a osušení dusíkovou či argonovou pistolí.

Takto připravený vzorek je vhodný pro elektrická měření.

Přenos grafenu zaléváním do epoxidu

Pro tuto metodu jsem opět použil grafen narostlý metodou CVD na mědi. Měděný plíšek se vložil do hliníkové nádoby tak, aby byl grafen na vrchní straně mědi. Poté jsem do hliníkové nádoby nalil epoxidovou pryskyřici smíchanou s adekvátním množstvím tužidla. K tomu jsem použil dva epoxidy, a to CER a EC141_W241, v obou případech s objemovým poměrem směsi s tužidlem 2 : 1 (epoxid : tužidlo). Epoxid se musel nechat několik dní vytvrdit, nebo se proces urychlil vyhříváním směsi při 60 ^OC ve vakuové peci. Po vytvrzení epoxidu se hliníková nádobka rozpustila kyselinou či hydroxidem (jako amfoterní prvek se rozpouští obojím) a odleptala se měď pomocí FeCl₃. Za ideálních podmínek by zbyl pouze epoxid s grafenem. Zásadní nevýhodou této metody je však zatékání epoxidu pod měď, což znemožnilo měď dokonale rozpustit. Nepomohlo ani přilepení Cu-plíšku k hliníkové nádobě pomocí oboustranné lepicí pásky. Protože je touto cestou přenesený grafen značně poškozený, byla tato metoda vyhodnocena jako neefektivní.

Přenos grafenu pomocí sklíčka a PLL

Tento přenos lze použít jak pro trhaný, tak CVD grafen. Prvním krokem je spin coating PLL (polymer kyseliny mléčné) na křemíkovou destičku. Následně se musí oškrábat okraje vzorku. Na PLL se přiloží PDMS, který brání poškození grafenu při další manipulaci se vzorkem. Na PDMS se přiloží sklíčko. Pak se na oškrábané okraje nakape pár kapek vody, která se dostane mezi křemíkovou destičku a PLL. Voda způsobí, že křemíková destička odpadne. Grafen pak můžeme přenést na libovolný substrát, odlepíme nosné sklíčko i PDMS a PLL odleptáme v dichlormetanu. Samozřejmě musíme zvolit takový substrát, aby při leptání PLL nereagoval. Hlavní výhodou tohoto přenosu je možnost přesného umístění zrna grafenu včetně orientace zrna na výsledném substrátu, což je důležité pro efektivitu dalších experimentů.

Co se podařilo

V průběhu projektu jsem úspěšně přenesl CVD grafen i grafen připravený metodou lepicí pásky. Uváděné postupy se liší především v kvalitě přenosu. Pro CVD grafen se jako nejefektivnější jeví metody přenosu pomocí PIB, razítka PDMS a také metoda „fishing“. Metoda suchého razítkování je vhodná pro přenos na PMMA, a tedy pro budoucí mechanické experimenty, „fishing“ se uplatní pro přenos na Si pro následná elektronická měření. Nejméně efektivní se jeví metoda zalévání do epoxidu, kdy je takto přenesený grafen značně poškozen. Také se podařilo přenést trhaný grafen pomocí PLLA, metodou vhodnou především pro přesné umístění a orientaci zrn na substrátu, a dále  modifikovanou metodou „fishing“. Optimalizace uvedených postupů umožnila získat tolik potřebné dovednosti pro přenos dostatečně velkých a čistých zrn grafenu mezi různými substráty.

Zdroje

Terrones, M. a kol.  Graphene and graphite nanoribbons: Morphology, properties, synthesis, defects and applications. Nanotoday 5, 351-372 (2010).

Singh, V. a kol. Graphene: characterizations and properties. Progress in Materials Science 56, 1178-1271 (2011).

Song, J. a kol. A general method for transferring graphene onto soft surfaces. Nat. Nanotech. 8, 356-362 (2013).

Xuesong, L. a kol. Transfer of large-area graphene films for high-performance transparent conductive electrodes. Nano letters 9, 4359-4363 (2009)

Martins, L. G. P. a kol. Direct transfer of graphene onto flexible substrates. PNAS early edition, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1306508110

Li, H. a kol. A universal, rapid method for clean transfer of nanostructures onto various substrates. ACS NANO 8, 6563-6570 (2014).