University, Diss., 2003--Konstanz.

Zugl.: Konstanz, Univ., Diss., 2008

Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Gurpreet Singh / Graphene because of its unique electrical (electron mobility = 2 x 10[superscript]5 cm[superscript]2 V[superscript]-1 s[superscript]-1), mechanical (E = 1 TPa), optical, thermal and chemical properties has generated a lot of interest among the research community in recent years. One of the most notable methods of synthesizing large area pristine graphene sheets, which are several 100 micrometers wide, is through thermal chemical vapor deposition (CVD). But very little has been known about the effects of heating and cooling rate of the substrate on the quality of graphene produced. Hence we varied various growth parameters to understand the process of graphene growth on Cu and Ni substrates when subjected to fast heating and quenching. This allowed optimization of the CVD process to achieve large-area graphene films consistently and repeatedly. This work provides new insights on synthesis of graphene at atmospheric pressures and the effect of (a) fast heating and fast cooling of substrates, (b) catalyst type and (c) gas flow rates on quality of the graphene produced. A carbon nanotube CVD furnace was restored and modified to accommodate graphene synthesis. We started with synthesis of graphene on Cu substrate following procedures already available in the literature (heating rate ~ 15 °C/min and cooling rate ~ 5 °C/min; total processing time 7 hours). This provided a good reference point for the particular furnace and the test setup. The best results were obtained for 15 minutes of growth at a CH4:H2 ratio of 1:30 at 950 °C. SEM images showed full coverage of the substrate by few layer graphene (FLG), which was indicated by the relatively high I[subscript]2D/I[subscript]G ratio of 0.44. The furnace was further modified to facilitate fast cooling (~4 °C/sec) of substrate while still being in inert atmosphere (Argon). The effect of growth time and concentration of CH[subscript]4 was studied for this modified procedure (at H[subscript]2 flow rate of 300 SCCM). SEM images showed full coverage for a CH[subscript]4 flow rate of 10 SCCM in as little as 6 minutes of growth time. This coupled with the fast cooling cycle effectively reduced the overall time of graphene synthesis by 7 times. The I[subscript]2D/I[subscript]G ratio in Raman spectrum was 0.4 indicating that the quality of graphene synthesized was similar to that obtained in conventional CVD. This modification also facilitated introduction of catalyst substrate after the furnace has reached growth temperature (fast heating ~8 °C/sec). Hence, the overall time required for graphene synthesis was reduced to ~6 % (30 minutes) when compared to the traditional procedure. SEM images showed formation of high concentration few layer graphene islands. This was attributed to the impurities on the catalyst surface, which in the traditional procedure would have been etched away during the long heating period. The optimum process parameters were 30 minutes of growth with 20 SCCM of CH[subscript]4 and 300 SCCM of H[subscript]2 at 950 °C. The Raman spectrum for this condition showed a relatively high I[subscript]2D/I[subscript]G ratio of 0.66. We also studied the effect of Ni as a catalyst. Similar to Cu, for Ni also, traditional procedure found in the literature was used to optimize the graphene growth for this particular furnace. Best results were obtained for 10 minutes of growth time with 120 SCCM of CH[subscript]4 in 300 SCCM of H[subscript]2 at 950 °C. SEM images showed large grain growth (~50 μm) with full coverage. The Raman spectrum showed formation of bi-layer graphene with a I[subscript]2D/I[subscript]G ratio of 1.03. Later the effect of growth time and concentration of the hydrocarbon precursor for Ni substrate subjected to fast heating (~ 8 °C/sec) was studied. It was found that because the process of graphene synthesis on Ni is by segregation, growth period or gas flow rate had little effect on the quality and size of the graphene sheets because of the presence of impurities on the substrate. This procedure yielded multilayer graphite instead of graphene under all conditions. Future work will involve study of changing several other parameters like type of hydrocarbon precursor and pressure in the chamber for graphene synthesis. Also various other substrates like Cu or Ni based alloys will be studied to identify the behavior of graphene growth using this novel procedure.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007.

In the manufacturing process of float glass often atmospheric pressure chemical vapour deposition (APCVD) reactors are integrated on-line for the deposition of functional thin solid films. Such functional films have applications in architectural glass, flat panel displays and solar cells. As glass moves downstream in the process, the thin film is deposited at temperatures between 500 to 700°C. The high temperatures make it difficult to monitor the deposition process and thin film quality control is commonly done at the end of the line or at lower temperatures. A time delay therefore exists between the point of thin film deposition and subsequent quality control, which can lead to large quantities of defective product being produced before faults are detected. It is therefore desirable to monitor in the APCVD reactor for rapid feedback of unexpected deviations from desired process conditions, reaction progress and fault detection. High uniformity of film properties across the substrate are important, but APCVD reactors are often empirically designed and the detailed chemical reaction mechanism is unknown. This leads to inefficient gas flow patterns and precursor utilization as well as difficulties in the design of new reactors. The APCVD deposition of tin oxide from the mono-butyl-tin tri-chloride (MBTC) is an example of such a process. Optical monitoring instruments in-situ and in-line on the APCVD reactor provided rapid feedback about process stability and progress non-invasively. Near infrared diode laser absorption spectroscopy (NIR-LAS) monitored the concentration of the reaction species hydrogen chloride (HCl) in-situ and spatially in the coating zone. A mid-infrared grating absorption spectrometer (IR-GAS) with novel pyro-electric array detector monitored the concentration of precursor entering the coating system simultaneously. In combination these instruments provide the means for rapid process feedback. Fourier transform infrared absorption spectroscopy (FTIR) was used to investigate the unknown decomposition pathway of the precursor to find the yet unknown key tin radical that initiates film growth. Stable species forming during MBTC decomposition over a temperature range of 170 to 760°C were investigated but the tin intermediate remains unknown. Computational fluid dynamics (CFD) is routinely employed in research and industry for the numerical simulation of CVD processes in order to predict reactor flow patterns, deposition rates, chemical species distribution or temperature profiles. Two and three dimensional models with complex geometries and detailed reaction models exist. A three dimensional computational fluid dynamics (CFD) model of the used APCVD reactor was built using the Fluent CFD software. The numerical simulation included a chemical model that predicted qualitatively the chemical species distribution of hydrogen chloride in the gas phase. This was confirmed through comparison with NIR-LAS results. Design shortcomings due to inefficient flow patterns were also identified. In combination the optical tools developed provide the means for safe and efficient manufacturing of thin films in APCVD reactors. CFD simulations can be used to increase precursor utilization and film uniformity in the development of new reactor designs.

Systematische Untersuchungen zur Abscheidung von Zirconiumdioxid auf keramischen Fasermaterialien und einer Platin-Iridium-Legierung (PtIr20) sowie eine umfassende und vergleichende Charakterisierung der entstandenen Oxidfilme waren Gegenstand dieser Arbeit. Als Precursoren wurden Zirconium(IV)-tetra-tert.-butoxid (ZTB), Zirconium(IV)-chlorid und Sauerstoff verwendet. Für die kontinuierliche Beschichtung der oxidischen Fasern (NEXTEL-720-Multifilamentrovings) wurde ein thermisch induzierter Heißwand-CVD-Prozess (ZrCl4 + O2) entwickelt, die Abscheidung von ZrO2 auf unmodifiziertem bzw. oberflächlich oxidierten PtIr20 fand in einem statisch geführten Kaltwand-CVD-Verfahren unter Verwendung von ZTB statt. Die Charakterisierung der Zirconiumdioxidfilme erfolgte in Abhängigkeit von den Prozessparametern (z.B. Substratart, Beschichtungstemperatur, Zuggeschwindigkeit) mit Methoden wie: Infrarot- und Ramanspektroskopie (Detektion von Verunreinigungen und Phasenzusammensetzung), Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse, Ermittlung von Vorzugsorientierungen), Elektronenstrahlmikroanalyse (Stöchiometrie des ZrO2 und Kohlenstoffgehalt der Schichten), Rasterelektronenmikroskopie (Topologie der Filme) und Bündelzugversuch (Einfluss des ZrO2 auf die 50-%-Zugfestigkeit der Filamente).

Systematische Untersuchungen zur Abscheidung von Zirconiumdioxid auf keramischen Fasermaterialien und einer Platin-Iridium-Legierung (PtIr20) sowie eine umfassende und vergleichende Charakterisierung der entstandenen Oxidfilme waren Gegenstand dieser Arbeit. Als Precursoren wurden Zirconium(IV)-tetra-tert.-butoxid (ZTB), Zirconium(IV)-chlorid und Sauerstoff verwendet. Für die kontinuierliche Beschichtung der oxidischen Fasern (NEXTEL-720-Multifilamentrovings) wurde ein thermisch induzierter Heißwand-CVD-Prozess (ZrCl4 + O2) entwickelt, die Abscheidung von ZrO2 auf unmodifiziertem bzw. oberflächlich oxidierten PtIr20 fand in einem statisch geführten Kaltwand-CVD-Verfahren unter Verwendung von ZTB statt. Die Charakterisierung der Zirconiumdioxidfilme erfolgte in Abhängigkeit von den Prozessparametern (z.B. Substratart, Beschichtungstemperatur, Zuggeschwindigkeit) mit Methoden wie: Infrarot- und Ramanspektroskopie (Detektion von Verunreinigungen und Phasenzusammensetzung), Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse, Ermittlung von Vorzugsorientierungen), Elektronenstrahlmikroanalyse (Stöchiometrie des ZrO2 und Kohlenstoffgehalt der Schichten), Rasterelektronenmikroskopie (Topologie der Filme) und Bündelzugversuch (Einfluss des ZrO2 auf die 50-%-Zugfestigkeit der Filamente).

Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

[pt] O objetivo deste trabalho foi desenvolver métodos eficientes e reprodutíveis de crescimento de monocamadas de WS2, MoS2 e outras heteroestruturas verticais por deposição química em fase de vapor à pressão atmosférica (APCVD). A monocamada separada destes materiais tem grande importância na fabricação de novos dispositivos óticos e Nano eletrônicos. Dispositivos finos e de baixo custo necessitam temperaturas em torno de 800 graus celsius, o que é um problema para aplicações mencionadas acima. Nesta tese, nós propusemos uma nova rota usando APCVD para crescer monocamadas de MoS2 a 550 graus celsius, usando sódio como catalisador. Nós produzimos monocristais e poli cristais controlando a razão de precursores NaNO3/MoO3 e tempo de crescimento. Usando cálculos de primeiros princípios, mostramos que o sódio atua como centro de nucleação para o processo de síntese. A razão de precursores é crucial para diminuir a energia de formação e a temperatura de síntese. Cálculos de primeiros princípios e experimentos concordam que uma razão ideal é em torno de 0.3, proporcionando uma queda de 250 graus celsius na temperatura de crescimento. Nós investigamos as amostras crescidas por APCVD usando espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios-X, microscopia de força atômica, espectroscopia Raman, fotoluminescência e mediadas de transporte. Dicalcogenetos de metais de transição (TMD) dispostos em poucas camadas permitem-nos criar materiais e estudar novos fenômenos físicos. A sequência de empilhamento dos TMDs pode modificar suas propriedades opticas e elétricas. Também sintetizamos poucas camadas de MoS2 e WS2 usando APCVD. Duas e três camadas de WS2, MoS2 e suas heteroestruturas verticais foram caracterizadas através de geração de segundo harmônico (SHG). SHG mostra que as bicamadas crescidas com ângulos de rotação relativos de 0 grau e 60 graus possuem diferentes fases de empilhamento. O SHG do empilhamento bicamada com ângulo relativo de 0 graus aumentos, enquanto para amostras com empilhamento de 60 graus foi zerado. Este comportamento do SHG sugere que duas camadas de MoS2 ou WS2, quando empilhados a 0 graus não possuem simetria de inversão para 3R(AB) entre as camadas inferiores e superiores, enquanto as camadas de 60 graus possuem simetria de inversão (centrossimétricas) e possuem empilhamento na forma 2H(AA). Finalmente, dispositivos foram fabricados em amostras de boa qualidade para a investigação de sua performance elétrica. Os dispositivos mostram comportamento típico tipo-n e sua mobilidade foi estimada a partir das curvas de transporte. A dependência dos modos Raman das nossas amostras de heteroestruturas também foi estudada. Aplicando uma tensão nos dispositivos, o modo A1 mostrou um desvio para o azul e um novo modo surge em 410 cm-1, atribuídos defeitos (D) no cristal. / [en] The aim of this work was to develop reliable and repeatable methods for growing high-quality monolayer MoS2, WS2, and their vertical heterostructure by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) technique. The monolayer of these materials have vital importance in the fabrication of new optical and nanoelectronic devices. Thin and low-cost devices have increased the demand for new synthesis processes. Usually, the synthesis requires temperatures around 800 Celsius degrees, which is an issue for applications mentioned above. In this thesis, we propose a new route using the APCVD technique to grow monolayers of MoS2 at 550 Celsius degrees mediated by sodium as a catalyst. We have produced single crystals and polycrystals by controlling the NaNO3/MoO3 precursor s ratio and growth time. Using first-principles calculations, we find out that sodium is the nucleation site of the growth process. The precursor s ratio is crucial to decrease the energy formation and the synthesis temperature. Firstprinciples calculations and experiments agree with the ideal precursor s rate of 0.3 and with the decrease of the synthesis temperature of 250 Celsius degrees. We investigated the CVD grown sample with X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, Raman spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, and transport experiments. Few layers of TMDs allow us to create new materials and find new physical phenomena. The stacking sequence in few-layer TMDs can significantly impact on their electrical and optical properties.We also synthesized few layers of MoS2 and WS2 via APCVD. Two and three layers of MoS2, WS2, and their vertical heterostructures were characterized by second harmonic generation (SHG). The SHG shows that the layers in bilayers grow with 0 degrees or 60 degrees has different phase stacking. The SHG from 0 degrees stacked bilayer has increased when compared to monolayer, while the generated signal from bilayer with 60 degrees stacking is zero. This behavior of SHG suggests that the two layers of MoS2 or WS2 when stacked at 0 degrees have no inversion symmetry to 3R(AB) phase stacking between the top layer and the bottom layer. While when stacked with 60 degrees has inversion symmetry (Centrosymmetric) and have 2H(AA0) phase stacking. Finally, the devices were fabricated on good quality samples to investigate their electrical performance. The fabricated devices show typical n-type behavior and mobility was estimated by measuring transport curves. The dependence of Raman modes of our heterostructure device with electron doping was also studied. By applying a voltage across our device the A1 mode shows blueshift and a new mode emerges at ~ 410 cm-1, which is attributed to the defects (D) in the crystal.