Graphene growth on electrodeposited polycrystalline copper and ruthenium

In the last years graphene has generated a high interest in the scientific and industrial communities due to its peculiar and, in some cases, extraordinary characteristics. The aim of this thesis work is to explore new ways of producing it via chemical vapor deposition on polycrystalline metallic substrates. Specifically, since surfaces used nowadays for graphene growth are synthesized through expensive physical vapor deposition techniques, this thesis work has the purpose to investigate the development of cheap electrodeposited substrates as an alternative to traditional ones. It was possible neither to find any work attesting the feasibility of graphene growth on electrodeposited surfaces nor any previous attempt, through bibliographic researches. It was therefore important to determine a reliable method to produce it and only afterwards to improve its quality. The project is mainly focused on growth of ruthenium-based substrates on copper foil, respectively produced via electroforming for the copper layer and electroplating processes for ruthenium, and the subsequent growth of graphene through high temperature chemical vapor deposition with methane and hydrogen as precursors. Most of the preparation of the samples was carried out at Politecnico di Milano, where electroformed copper foil of about 40 µm in thickness was used as substrate for the electrodeposition of a 500 nm thick ruthenium layer. During the development of the work, the conformation of the described samples evolved to better face the challenges raised through the execution of the various tests. This evolution was also necessary to better comprehend the nature of the processes related to graphene growth and quality with respect to the changes performed on the substrate. Thanks to collaboration between Politecnico di Milano and the University of California, Berkeley, it was possible to develop the second phase of the work (graphene growth) in their laboratories, using a chemical vapor deposition reactor to obtain a more reproducible and higher quality graphene. In Berkeley it was also possible to characterize both samples and graphene using atomic force microscopy, scanning electron microscopy, Raman and x-ray photoelectron spectroscopy to track the presence and the potential changes in graphene’s quality.

Negli ultimi anni il grafene ha generato un elevato interesse nella comunità scientifica e industriale grazie alle sue peculiari, e in alcuni casi straordinarie, caratteristiche. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di esplorare nuove modalità di produzione di questo materiale tramite chemical vapor deposition su substrati metallici policristallini. In particolare, poiché i substrati attualmente utilizzati vengono ottenuti attraverso costose tecniche di deposizione fisica da fase vapore, la strada intrapresa in questo lavoro è stata quella di sviluppare substrati elettrodeposti a basso costo da sfruttare per la crescita di grafene. Attraverso ricerche bibliografiche non è stato rintracciato alcun lavoro che attesti l’effettiva possibilità di produrre grafene su superfici elettroformate né tantomeno è stato possibile individuarne tentativi precedenti. E’ stato quindi importante determinare un affidabile metodo di produzione e, solo successivamente, il lavoro si è concentrato sul miglioramento della qualità del deposito. Il progetto svolto si fonda principalmente sull’utilizzo di substrati a base di rutenio e rame, entrambi realizzati tramite processo di elettroformatura, e la successiva crescita del grafene attraverso lo sfruttamento di un processo di chemical vapor deposition ad alta temperatura, impiegando metano e idrogeno come precursori. Buona parte della preparazione dei campioni è stata svolta presso il Politecnico di Milano, dove una lamina di rame elettroformato di circa 40 micron di spessore è stata utilizzata come substrato per l'elettrodeposizione di uno strato di rutenio di 500 nm. Durante lo sviluppo del lavoro, la conformazione dei campioni appena descritti si è evoluta per meglio affrontare le sfide incontrate durante l'esecuzione delle varie prove e per aumentare la comprensione della natura dei processi relativi alla crescita del grafene e le cause influenzanti la sua qualità rispetto ai cambiamenti apportati al substrato di crescita. Grazie ad una collaborazione tra il Politecnico di Milano e l'Università della California di Berkeley è stato possibile realizzare la seconda fase del lavoro (l’effettiva crescita del grafene). nei laboratori di Berkeley si è utilizzato un reattore CVD, che permette il raggiungimento di una migliore riproducibilità e di qualità più elevate del grafene. A Berkeley è stato anche possibile caratterizzare sia i substrati che il grafene prodotto usando tecniche AFM, SEM, XPS e Raman per monitorare la presenza di grafene e le eventuali variazioni riscontrabili dal punto di vista qualitativo.