Growth dynamics of graphene on molten copper

Since it's discovery in 2006, Graphene has known no rivals in terms of number of applications that scientists from all over the globe have thought for him, ranging from spintronics to energy storage, from transistors to bio-compatible devices. However, what's still hindering his big step from laboratories to industry is a cost-effective method to synthesize large-scale good-quality crystals. Over the past decade, great improvements have been made in this direction, and CVD consolidated as an excellent candidate for this arduous task. Among other methods, a novel technique consisting in the synthesis of crystals on transition metals in the liquid phase has proven to overcome many difficulties related to defect-inducing dislocations and low-diffusivity of solid substrates. Nevertheless, a clear physical insight over the processes involved during graphene nucleation and growth is still lacking, and many of its parameters are derived by post-process analyses, neglecting those crucial intermediate steps that may conceal key-factors involved in the process. The reason for this trend is that it's technically difficult to combine different experimental set-ups, and an ad-hoc design is more than ever needed to conduct a complete and satisfying investigation. This is the reason behind the LMCat project, that developed a reactor suitable both for CVD growth at high temperature by hydrocarbon decomposition and for in-situ Raman and optical studies, in order to follow in real time the growth of graphene flakes and, at the same time, determine its physical properties. Additionally, it aims to prove X-ray techniques, such as GID and XRR, as an efficient tool for high temperature characterization, a feat never achieved before. This is the framework of this thesis work, which can of course cover it only partially and at a rather early stage. The focus has been put on the surprising high contrast showed by radiative optical microscopy at high temperatures (~1100 C°) and on the first, surprising results coming from X-ray analysis. The former has been proven as an effective tool for following the growth and derive kinematical parameters, the latter as a potential tool for quantitatively estimate its crystal structure at conditions prohibitive for standard probes.

Sin dalla sua scoperta nel 2006, il Grafene non ha conosciuto rivali nel numero di applicazioni che gli scienzati di ogni parte del mondo hanno pensato per esso, spaziando dalla spintronica allo stoccaggio di energia, dai transistors ai materiali bio-compatibili. Tuttavia, ciò che sta ancora intralciando il suo grande passo dai laboratori di ricerca all'industria è un metodo efficiente ed economico per produrlo su larga scala. Nel corso della decade passata, grandi passi sono stati fatti in questa direzione, e la CVD si è affermata come ottimo candidato per questa ardua impresa. Tra le molte varianti, una tecnica innovativa che consiste nell'utilizzo di metalli di transizione nella fase liquida ha dimostrato di poter rimediare alle problamatiche derivanti da quei difetti presenti nella fase solida, come dislocazioni e impurità, che riducono la qualità finale dei cristalli. Nonostante ciò, una chiara comprensione dei fenomeni che hanno luogo durante la nucleazione e crescita del grafene è lontana dall'essere raggiunta Molti dei parametri coinvolti sono ottenuti da analisi post-processo, ignorando quei cruciali steps intermedi che potrebbero nascondere fattori chiave del processo. La ragione di questa tendenza risiede nella difficoltà tecnica nel combinare set-ups sperimentali differenti, e un design ad-hoc è quanto mai necessario per condurre una ricerca completa e soddisfacente. Questa è la ragione all'origine del LMCat project, che ha progettato un reattore adatto sia a crescite CVD ad alta temperatura derivanti da decomposizione di idrocarburi, che a studi ottici e Raman in-situ, per seguirne lo sviluppo in tempo reale e, allo stesso tempo, accertarne la qualità. Inoltre, punta a provare tecniche ai raggi-X, come CVD e XRR, come un metodo efficace per la caratterizzazione ad alte temperature, un sfida mai compiuta prima. Questo è il contesto di questa tesi, che può ovviamente coprirne solo una parte e perlopiù ad una fase abbastanza giovane. Il focus è dato all'eccellente contrasto ottenuto dal microscopio ottico ad emissione radiativa ad alte temperature (~1100 C°) e sui primi, stupefacenti risultati derivanti dalle analisi a raggi-X. Il primo si è dimostrato un mezzo efficace nel seguire la crescita in tempo reale, da cui è possible estrarre importanti parametri cinematici, il secondo come ottimo strumento per studiare la struttura cristallina in condizioni proibitive per altre sonde.