Synthesis and characterization of 2D h-BN/graphene heterostructures grown by chemical vapor deposition

This thesis work has been entirely done at GRAPHENEA, a worldwide company in the production of graphene and in the development of related research. The main objective is the growth, manufacture and characterization of hexagonal boron nitride (h-BN) and graphene. In particular, the construction of this structures will occur with an alternative method which involves a significant reduction of dopant impurities due to the use of polymers (specifically PMMA) necessary for the transfer process: this transfer process takes the name of PMMA free interface transfer process. Such heterostructures can then be subjected to optical lithography for the fabrication of electrical devices for the measurement of the most important graphene electronic parameters as e.g. electronic mobility. The first part of the thesis (Chapters 1, 2) consists of a theoretical introduction to graphene and h-BN, with its bandstructure, a Graphene Field Effect Transistor (GFET) theoretical model and state-of-the art of the research and possible applications. Subsequently, Chapters 3 and 4 describe the Chemical Vapor Deposition (CVD) process for the production of graphene together with the characterization with several laboratory techniques (optical characterization, AFM, Raman, IR, TEM). In addition, characterization will also be performed on commercial CVD h-BN samples. In Chapter 5, however, h-BN production is discussed in detail through CVD: in particular, a possible instrument setup will be illustrated as well as growth conditions and the analysis of the material obtained. Finally, in the last part, the standard multitransfer process used in order to build such heterostructures is compared with the suggested transfer process: the results obtained using the optical microscope will highlight a significant reduction in PMMA contamination in the h-BN/graphene interface.

Il presente lavoro di tesi è stato interamente svolto presso l'azienda GRAPHENEA, azienda a livello mondiale nella produzione di grafene e nello sviluppo della ricerca ad esso connessa. Il lavoro si pone come obiettivo primario, la crescita, la fabbricazione e la caratterizzazione di eterostrutture composte da nitruro di boro esagonale (h-BN) e grafene. In particolare, la realizzazione di tale strutture avverrà con un metodo alternativo che prevede una riduzione significativa di impurezze droganti dovute all'utilizzo di polimeri (nello specifico, PMMA) necessari al processo di transfer: tale processo di transfer prende il nome di PMMA free interface transfer process. Tali eterostrutture, potranno poi essere sottoposte a litografia ottica per la realizzazione di devices per la misurazione dei più importanti parametri elettronici del grafene, primo fra tutti, la mobilità elettronica. La prima parte della tesi, (Capitoli 1, 2) consiste in un'introduzione teorica al grafene e all'h-BN, con la struttura a bande, un modello teorico di Graphene Field effect Transistor (GFET) e lo stato dell'arte della ricerca e delle possibili applicazioni. Successivamente, nei Capitoli 3 e 4, viene descritto il processo di Chemical Vapor Deposition (CVD) per la produzione di grafene insieme alla caratterizzazione con numerose tecniche di laboratorio (caratterizzazione ottica, AFM, Raman, IR, TEM) dello stesso. Inoltre, la caratterizzazione verrà effettuata anche su dei campioni di CVD h-BN commerciali. Nel Capitolo 5 invece, viene affrontata in dettaglio la produzione di h-BN tramite CVD: in particolare, verrà illustrato il setup della strumentazione, le condizioni di crescita e l'analisi del materiale ottenuto. Infine, nell'ultima parte, viene comparato il normale processo standard di multitransfer per la realizzazione di eterostrutture, con il nuovo processo di transfer: i risultati al microscopio ottico, evidenzieranno una significativa riduzione della contaminazione da PMMA all'interfaccia h-BN/grafene.