KR20220014161A - Large-area single or multi-layer graphene having a controlled azimuth angle and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20220014161A
KR20220014161A KR1020200093904A KR20200093904A KR20220014161A KR 20220014161 A KR20220014161 A KR 20220014161A KR 1020200093904 A KR1020200093904 A KR 1020200093904A KR 20200093904 A KR20200093904 A KR 20200093904A KR 20220014161 A KR20220014161 A KR 20220014161A
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박호범
노지수
장준규
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a large-area single-layer or multi-layer graphene with a controlled azimuth angle which has a specific crystal orientation and has grown on a single-crystal metal film with a controlled azimuth angle. According to the present invention, provided are a large-area single-layer or multi-layer graphene with a controlled azimuth angle which obtains a large-area single-crystal metal film with a controlled azimuth angle by heat treatment after introducing a single-crystal seed crystal into a polycrystalline metal film by rotating the same at a certain angle and a multi-layer graphene in which the azimuthal angle between graphenes is controlled by stacking the single-layer graphene.

Description

방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀 및 그 제조방법{Large-area single or multi-layer graphene having a controlled azimuth angle and manufacturing method thereof} Large-area single or multi-layer graphene having a controlled azimuth angle and manufacturing method thereof

본 발명은 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도 회전하여 도입한 후 열처리함으로써 방위각이 조절된 대면적의 단결정 금속필름을 얻고, 이를 이용하여 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀을 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a large-area single-layer or multi-layer graphene with controlled azimuth and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a large-area azimuth-controlled graphene by introducing single crystal seed crystals into a polycrystalline metal film by rotating them at a predetermined angle and then heat-treating them. It relates to a technology capable of obtaining a single-crystal metal film of and using the mono- or multi-layered graphene of a large area with controlled azimuth angles.

구리 등 다양한 금속필름의 단결정화에 관한 연구는 지난 수년간 전자 및 광학기기와 고품질 나노소재 합성 기판 등으로의 응용을 위하여 효율적인 대면적 제품의 생산에 집중되고 있다. 그 결과, 저렴한 다결정 금속기판을 다양한 방법으로 열처리하여 효율적으로 단결정 금속필름을 생산하는 방법이 개발되었다. 그 중에서도 열역학적으로 가장 안정적인 것으로서 결정이 성장하는 방식을 주로 사용하기 때문에 대부분의 단결정 금속필름 표면의 면방향이 예측 가능하다(예를 들어 Cu의 경우, (111)). 그러나 이러한 (111) 결정이 어떻게 회전하여 있는지, 그 방위각(azimuth angle)을 예측하거나 조절할 수 없다는 한계가 있다. 금속기판의 결정축을 따라 성장하는 고품질 이차원 나노물질의 경우에는 적층 시 방위각에 따라 그 물성이 크게 변할 수 있으므로 방위각의 조절은 매우 중요하다.Research on single crystallization of various metal films such as copper has been focused on the efficient production of large-area products for applications such as electronic and optical devices and high-quality nano-material composite substrates for the past several years. As a result, a method for efficiently producing single-crystal metal films by heat-treating inexpensive polycrystalline metal substrates using various methods has been developed. Among them, the surface direction of most single-crystal metal films is predictable (for example, (111) for Cu) because it is the most thermodynamically stable and mainly uses a crystal growth method. However, there is a limit in that it is impossible to predict or control how the (111) crystal is rotated and its azimuth angle. In the case of high-quality two-dimensional nanomaterials that grow along the crystal axis of a metal substrate, its properties can vary greatly depending on the azimuth during lamination, so the control of the azimuth is very important.

현재, 기존 다결정 금속기판의 열처리를 통해 결정성장을 유도하여 단결정화 시키는 방법이 개발되고 있는데, 대부분의 경우 특수 장비, 긴 처리시간이나 특정 금속필름이 필요하며 반복재현성이 떨어진다. 그러나 반복재현성이 떨어지거나 단결정화가 잘 일어나지 않는 금속필름에 종자정을 도입함으로써 단결정화 확률과 반복재현성을 향상시킬 수 있다. 종자정은 열처리 기기 종류나 다결정 구리의 두께에 관계없이 현재 개발된 다양한 단결정화 공정에 적용가능하다.Currently, a method of inducing crystal growth through heat treatment of existing polycrystalline metal substrates to form single crystals is being developed. In most cases, special equipment, long processing time or a specific metal film are required, and repeatability is poor. However, single crystallization probability and repeatability can be improved by introducing seed crystals into a metal film that has poor repeatability or is not easily single crystallized. The seed crystal can be applied to various single crystallization processes currently developed regardless of the type of heat treatment equipment or the thickness of polycrystalline copper.

한편, 종자정을 사용한 방향성 응고를 통해 단결정 금속합금을 만드는 방법이 보고된바 있다. 배향을 알고 있는 종자정을 합금을 제작할 금형과 맞닿게 하여 열처리 시 종자정이 부분적으로 융해되며 결정면으로 배향이 이동하면서 합금의 1차 배향 및 2차 배향을 조절할 수 있고, 이를 통해 기계적 물성을 제어할 수 있다.On the other hand, a method of making a single crystal metal alloy through directional solidification using seed crystals has been reported. By bringing the seed crystal with known orientation into contact with the mold to manufacture the alloy, the seed crystal is partially melted during heat treatment and the orientation moves to the crystal plane, so that the primary and secondary orientation of the alloy can be controlled, and through this, the mechanical properties can be controlled. can

최근에는 그래핀을 적층하여 이중층 그래핀을 합성할 때, 두 그래핀의 방위차를 조절하여 독특한 전기적 특성을 확인한 연구가 보고되었다. 이중층 그래핀의 배향이 1.1ㅀ의 방위차를 가지며 적층되었을 때 고립된 저에너지의 밴드를 유도하여 조정 가능한 초전도성 및 절연 상을 나타내는 것으로 알려져 있다.Recently, when synthesizing double-layer graphene by stacking graphene, studies have been reported to confirm unique electrical properties by controlling the orientation difference between the two graphenes. It is known that the orientation of double-layer graphene induces isolated low-energy bands when stacked with an orientation difference of 1.1°, indicating tunable superconducting and insulating phases.

그런데 종래 종자정을 도입한 단결정 성장 방법의 경우, 미지의 (111)로 배향된, 또는 (111) 결정을 포함하는 종자정을 사용하기 때문에 열처리 후 형성되는 단결정 기판의 방위각을 예측할 수 없다. 종자정의 배향이 결정면을 통해 이동하기 위해서는 합금의 용융온도 근처의 고온까지 올라가야 하는데, 이때 결정면이 제 위치를 벗어나는 현상이 무조건적으로 발생하므로 단결정 금속합금의 수율이 매우 낮다는 단점이 있으며, 결함이 없는 배향이 조절된 종자정을 제조하는데 많은 비용이 든다는 단점이 있다.However, in the case of a single crystal growth method incorporating a conventional seed crystal, the azimuth of a single crystal substrate formed after heat treatment cannot be predicted because seed crystals oriented in an unknown (111) or containing (111) crystals are used. In order for the seed crystal orientation to move through the crystal plane, it must rise to a high temperature near the melting temperature of the alloy. There is a disadvantage in that it costs a lot to prepare a seed tablet with a controlled orientation without it.

또한, 종래 그래핀 적층에 있어서 방위각 조절에 관한 연구로서는 한 방위각을 갖는 높은 품질의 흑연을 박리하여 적층하는 방법이 대부분이다. 이 경우, 방위각이 조절된 다층 나노물질의 대면적, 대량생산은 불가능하다. 아울러 화학기상증착법에 의한 그래핀을 사용하는 경우에는 합성 후, 또는 적층 후 분석이 완료될 때까지 그래핀의 배향을 알 수 없다는 문제점이 있다.In addition, as research on azimuth control in conventional graphene stacking, most of the methods are to peel and stack high-quality graphite having one azimuth angle. In this case, large-area, mass production of multi-layered nanomaterials with controlled azimuth angles is impossible. In addition, when graphene by chemical vapor deposition is used, there is a problem in that the orientation of graphene cannot be known until analysis is completed after synthesis or after lamination.

따라서 본 발명자 등은 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도 회전하여 도입한 후 열처리하면 방위각이 조절된 단결정 금속필름을 얻을 수 있고, 나아가 이를 이용하면 방위각이 조절된 단층 그래핀, 및 이를 적층한 다층 그래핀을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Therefore, the inventors of the present inventors have found that a single crystal seed crystal is introduced into a polycrystalline metal film by rotation at a certain angle and then heat treated to obtain a single crystal metal film with an azimuth angle controlled, and furthermore, by using this, single-layer graphene with an azimuth angle controlled, and laminated thereof It was discovered that multi-layered graphene can be prepared, and the present invention has been completed.

특허문헌 1. 한국등록특허공보 제10-1986788호Patent Literature 1. Korean Patent Publication No. 10-1986788 특허문헌 2. 일본공개특허공보 제2004-262684호Patent Document 2. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2004-262684

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도 회전하여 도입한 후 열처리함으로써 방위각이 조절된 대면적의 단결정 금속필름을 얻고, 이를 이용하여 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다. The present invention has been devised in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to obtain a large-area single-crystal metal film with an azimuth angle controlled by heat treatment after introducing a single-crystal seed crystal into a polycrystalline metal film by rotating it at a predetermined angle, and An object of the present invention is to provide a single-layer or multi-layer graphene of a large area with controlled azimuth angle using the graphene and a method for manufacturing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 특정한 결정방향을 갖고 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에서 성장한, 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀을 제공한다.The present invention for achieving the above object provides a single-layer or multi-layered graphene having a specific crystal direction and grown on a single-crystal metal film with a controlled azimuth angle, and a large area with controlled azimuth angle.

상기 단결정 금속필름은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브데늄(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 이리듐(Ir) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.The single crystal metal film may include copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), Aluminum (Al), chromium (Cr), magnesium (Mg), manganese (Mn), molybdenum (Mo), rhodium (Rh), silicon (Si), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W) ), uranium (U), vanadium (V), iridium (Ir) and zirconium (Zr) characterized in that any one selected from the group consisting of.

상기 단결정 금속필름의 두께는 15 μm 이상인 것을 특징으로 한다.The thickness of the single crystal metal film is characterized in that 15 μm or more.

또한, 본 발명은 (I) 특정한 결정방향을 갖는 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도로 회전하여 도입한 후 열처리함으로써, 방위각이 조절된 단결정 금속필름을 얻는 단계; 및 (II) 상기 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에 그래핀을 성장시키는 단계;를 포함하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (I) introducing a single crystal seed crystal having a specific crystal direction to a polycrystalline metal film by rotating it at a predetermined angle and then heat-treating, thereby obtaining a single crystal metal film having an azimuthal angle; and (II) growing graphene on the single-crystal metal film of which the azimuth is controlled.

상기 (I) 단계의 열처리는 100~500 sccm, 2 torr 미만의 아르곤 가스 분위기 하에서 10~50℃/min의 승온속도로 800~1200℃로 승온시킨 후, 100~500 sccm, 1 torr 이상의 수소 가스 분위기 하에서 상기 승온된 온도로 1~4시간 등온상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.The heat treatment of step (I) is 100 to 500 sccm, after raising the temperature to 800 to 1200 ° C at a temperature increase rate of 10 to 50 ° C / min in an argon gas atmosphere of less than 2 torr, 100 to 500 sccm, hydrogen gas of 1 torr or more It is characterized in that the isothermal state is maintained for 1 to 4 hours at the elevated temperature under the atmosphere.

상기 (II) 단계의 그래핀 성장은 10~1000 sccm의 수소 가스 및 1~10 sccm의 메탄 가스 분위기 하에서 1 torr 이상, 800~1200℃로 10분~4시간 등온상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.The graphene growth in step (II) is performed by maintaining an isothermal state for 10 minutes to 4 hours at 800 to 1200 ° C. do it with

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 단층 그래핀을 적층하여 그래핀 간 방위각이 조절된 다층 그래핀을 제공한다. In addition, the present invention provides a multilayer graphene in which the azimuth angle between the graphenes is controlled by stacking the single layer graphene prepared by the above manufacturing method.

본 발명에 따르면, 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도 회전하여 도입한 후 열처리함으로써 방위각이 조절된 대면적의 단결정 금속필름을 얻고, 이를 이용하여 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀, 및 상기 단층 그래핀을 적층하여 그래핀 간 방위각이 조절된 다층 그래핀을 제공할 수 있다.According to the present invention, single-crystal seed crystals are introduced into a polycrystalline metal film by rotation at a certain angle and then heat treated to obtain a single-crystal metal film of a large area with an azimuthal angle controlled, and single-layer graphene of a large area with an azimuth angle controlled using this, and By stacking the single-layer graphene, it is possible to provide multilayer graphene in which the azimuthal angle between graphenes is controlled.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 단결정 종자정을 다결정 구리필름에 도입하여 열처리한 단결정 구리필름의 EBSD(전자후방산란회절) 및 결정방향을 나타낸 이미지.
도 2는 단결정 금속필름의 (111) 표준 평사 투영도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 단결정 종자정 일부와 단결정화한 구리필름의 일부가 함께 포함된 경계면의 EBSD(전자후방산란회절) 이미지 및 극점도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 단결정 구리필름을 조각내어 종자정으로 사용할 때, 종자정을 일정 각도 회전하여 도입하는 것을 나타낸 극점도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 단결정화한 구리필름의 결정방향을 확인하기 위하여 9 분할한 이미지.
도 6은 도 5에서 9 분할한 단결정화한 구리필름의 결정방향을 나타낸 극점도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에 그래핀을 성장시킨 후 9 분할한 광학전자현미경 이미지.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 하나의 결정방향을 갖는 종자정을 45°, -45°씩 회전하여 도입한 후 단결정화한 구리필름의 방위를 나타낸 이미지.
1 is an image showing the EBSD (electron backscattering diffraction) and crystal direction of a single crystal copper film heat-treated by introducing a single crystal seed crystal into a polycrystalline copper film according to an embodiment of the present invention.
2 is a (111) standard planar projection view of a single crystal metal film.
3 is an EBSD (electron backscattering diffraction) image and pole view of the interface including a part of a single crystal seed crystal and a part of a single crystallized copper film according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a pole view showing the introduction by rotating the seed crystal at a certain angle when the single crystal copper film is sliced and used as a seed crystal according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is an image divided into 9 to confirm the crystal direction of the single crystallized copper film according to the embodiment of the present invention.
6 is a pole view showing the crystal direction of the single crystallized copper film divided into 9 in FIG. 5;
7 is an optical electron microscope image divided into 9 after graphene is grown on a single crystal metal film whose azimuth is adjusted according to an embodiment of the present invention.
8 is an image showing the orientation of a single crystallized copper film after introducing a seed crystal having one crystal direction by rotation by 45° and -45° according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 단결정 종자정 도입 방법을 사용하여 열처리 후 단결정화 되는 특정한 결정방향을 갖는 금속필름의 방위각을 조절하였다. 또한, 이를 성장 기판으로 사용하여 배향이 조절된 그래핀을 합성할 수 있으며, 이를 통해 그래핀 적층 시 방위차를 조절하였다.In the present invention, the azimuthal angle of the metal film having a specific crystal direction to be single crystallized after heat treatment was adjusted by using a single crystal seed crystal introduction method. In addition, by using this as a growth substrate, it is possible to synthesize graphene with controlled orientation, and through this, the orientation difference during graphene stacking was controlled.

본 발명의 일 구현예로서 방위각을 알고 있는 (111) 배향된 단결정 구리필름을 단결정 종자정으로 사용, 단결정화가 잘 일어나지 않는 다결정 금속필름에 다양한 방식으로 접촉시킨 후 열처리를 통해 단결정화를 유도하였으며, 그 단결정화한 금속필름은 도입한 단결정 종자정과 동일한 결정방향을 갖는 것을 확인하였다.As an embodiment of the present invention, a (111) oriented single crystal copper film with known azimuth is used as a single crystal seed crystal, and single crystallization is induced through heat treatment after contacting the polycrystalline metal film in which single crystallization does not occur in various ways, It was confirmed that the single crystallized metal film had the same crystal direction as the introduced single crystal seed crystal.

또한, 단결정화를 위해 필요한 단결정 종자정의 크기가 작아 방위각이 분석된 큰 단결정 필름을 자르고, 그 조각들을 일정 각도 회전하여 도입하는 방식을 통해 열처리 후 발생하는 단결정 방위각을 조절할 수 있으며, 이를 이용해 방위각이 조절된, 또는 알고 있는 단결정 그래핀을 합성할 수 있다. In addition, the size of the single crystal seed crystal required for single crystallization is small, so it is possible to adjust the single crystal azimuth that occurs after heat treatment by cutting a large single crystal film whose azimuth has been analyzed and introducing the pieces by rotating the pieces at a certain angle. Controlled or known single-crystal graphene can be synthesized.

그러므로 본 발명은, (111) 결정면 배향과 같이 특정한 결정방향을 갖고 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에서 성장한, 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀을 제공한다.Therefore, the present invention provides a single-layer or multi-layer graphene having a specific crystal orientation such as (111) crystal plane orientation and grown on a single-crystal metal film with an azimuthal angle controlled, and having an azimuth-controlled large area.

상기 단결정 금속필름은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브데늄(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 이리듐(Ir) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것일 수 있다.The single crystal metal film may include copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), Aluminum (Al), chromium (Cr), magnesium (Mg), manganese (Mn), molybdenum (Mo), rhodium (Rh), silicon (Si), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W) ), uranium (U), vanadium (V), iridium (Ir), and may be any one selected from the group consisting of zirconium (Zr).

또한, 상기 단결정 금속필름의 두께는 1 내지 100 μm, 구체적으로는 5 내지 50 μm, 더욱 구체적으로는 10 내지 30 μm일 수 있다. 특히, 종래 15 μm 이상의 두께를 갖는 구리필름의 경우에는 열처리 후에도 단결정화 확률이 낮았으나, 본 발명에 따른 단결정 종자정이 도입된 단결정 금속필름은 그 두께가 15 μm 이상인 경우에도 단결정화 확률이 현저히 우수함을 확인하였다.In addition, the thickness of the single crystal metal film may be 1 to 100 μm, specifically 5 to 50 μm, more specifically 10 to 30 μm. In particular, in the case of a copper film having a thickness of 15 μm or more in the prior art, the single crystallization probability was low even after heat treatment, but the single crystal metal film to which the single crystal seed crystal according to the present invention is introduced has a significantly superior single crystallization probability even when the thickness is 15 μm or more. was confirmed.

또한, 본 발명은 (I) 특정한 결정방향을 갖는 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도로 회전하여 도입한 후 열처리함으로써, 방위각이 조절된 단결정 금속필름을 얻는 단계; 및 (II) 상기 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에 그래핀을 성장시키는 단계;를 포함하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (I) introducing a single crystal seed crystal having a specific crystal direction to a polycrystalline metal film by rotating it at a predetermined angle and then heat-treating, thereby obtaining a single crystal metal film having an azimuthal angle; and (II) growing graphene on the single-crystal metal film of which the azimuth is controlled.

상기 (I) 단계의 열처리는 100~500 sccm, 2 torr 미만의 아르곤 가스 분위기 하에서 10~50℃/min의 승온속도로 800~1200℃로 승온시킨 후, 100~500 sccm, 1 torr 이상의 수소 가스 분위기 하에서 상기 승온된 온도로 1~4시간 등온상태를 유지하는 것일 수 있다.The heat treatment of step (I) is 100 to 500 sccm, after raising the temperature to 800 to 1200 ° C at a temperature increase rate of 10 to 50 ° C / min in an argon gas atmosphere of less than 2 torr, 100 to 500 sccm, hydrogen gas of 1 torr or more It may be to maintain an isothermal state for 1 to 4 hours at the elevated temperature under the atmosphere.

상기 (II) 단계의 그래핀 성장은 10~1000 sccm의 수소 가스 및 1~10 sccm의 메탄 가스 분위기 하에서 1 torr 이상, 800~1200℃로 10분~4시간 등온상태를 유지함으로써 수행되는 것일 수 있다.The graphene growth in step (II) may be performed by maintaining an isothermal state for 10 minutes to 4 hours at 800 to 1200 ° C. have.

이하에서는 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 서술한다.Hereinafter, specific embodiments according to the present invention will be described in detail with the accompanying drawings.

[실시예][Example]

종자정으로서는 열처리를 통해 (111) 배향 및 단결정화가 완료된 15 μm 두께의 구리필름을 사용하였다. 상기 단결정 종자정을 조각내어 크기 8 x 8 cm, 두께 18 μm의 다결정 구리필름 위에 일정 각도로 회전하여 도입하였다. 이어서, 100 sccm, 0.42 torr의 아르곤 가스 분위기 하에서 30℃/min의 승온속도로 1030℃까지 승온시킨 후, 100 sccm, 5 torr의 수소 가스 분위기로 상기 승온된 온도에서 2시간 등온상태를 유지하여 열처리함으로써 방위각이 조절된 단결정 구리필름을 얻었다.As the seed crystal, a copper film with a thickness of 15 μm, which was (111) oriented and single crystallized through heat treatment, was used. The single crystal seed crystal was cut into pieces and introduced by rotating at a predetermined angle on a polycrystalline copper film having a size of 8 x 8 cm and a thickness of 18 μm. Then, after raising the temperature to 1030°C at a temperature increase rate of 30°C/min in an argon gas atmosphere of 100 sccm and 0.42 torr, the heat treatment was performed by maintaining an isothermal state for 2 hours at the elevated temperature in a hydrogen gas atmosphere of 100 sccm and 5 torr. By doing so, a single crystal copper film having an azimuth angle was obtained.

상기 방위각이 조절된 단결정 구리필름을 50 sccm의 수소 가스 및 1 sccm의 메탄 가스 분위기로, 3 torr, 1020℃에서 20분 등온상태를 유지함으로써 구리 전면적에 그래핀을 성장시켜 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀을 제조하였다.By maintaining the isothermal state at 3 torr, 1020° C. for 20 minutes in an atmosphere of 50 sccm hydrogen gas and 1 sccm methane gas in the single-crystal copper film with the adjusted azimuth angle, graphene is grown on the entire copper area, and the azimuth is controlled large area of single-layer graphene was prepared.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따라 단결정 종자정을 다결정 구리필름에 도입하여 열처리한 단결정 구리필름의 EBSD(전자후방산란회절) 및 결정방향 이미지를 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이, 열처리 전의 다결정 구리필름 위에 단결정 종자정을 도입하여 열처리 시, 단결정 종자정과 같은 결정방향으로 단결정화가 진행된 것을 확인할 수 있다.1 shows an EBSD (electron backscattering diffraction) and crystal direction image of a single crystal copper film heat-treated by introducing a single crystal seed crystal into a polycrystalline copper film according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , it can be confirmed that single crystallization proceeds in the same crystal direction as the single crystal seed crystal during heat treatment by introducing single crystal seed crystals onto the polycrystalline copper film before heat treatment.

일반적으로, 하나의 결정립은 하나의 방위를 가지며 이는 결정면과 결정방향의 배열을 나타낸다. 금속필름의 방위는 EBSD(전자후방산란회절) 및 극점도를 통해 분석할 수 있는바, 도 2의 (111) 표준 평사 투영도에서 볼 수 있듯이 단결정 금속의 경우 세 개의 (100) 극점이 정삼각형을 이루는 것을 확인할 수 있다. 즉 금속이 깨끗한 단결정일 경우 단 3개의 (100) 극점을 가지며 이를 통해 방위를 유추할 수 있다.In general, one crystal grain has one orientation, which indicates the arrangement of the crystal plane and the crystal direction. The orientation of the metal film can be analyzed through EBSD (electron backscattering diffraction) and pole plots. As can be seen in the (111) standard planar projection of FIG. that can be checked That is, when the metal is a clean single crystal, it has only three (100) poles, and the orientation can be inferred from this.

도 3에는 단결정 종자정 일부와 단결정화한 구리필름의 일부가 함께 포함된 경계면의 EBSD(전자후방산란회절) 이미지 및 극점도를 나타내었다. 도 3에서 볼 수 있듯이 경계면을 기준으로 양쪽 모두 단결정임을 확인할 수 있으며, (100) 극점이 세 개만 나타나는 것을 통해 단결정 종자정과 단결정화한 구리필름이 같은 결정 방향을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한, 종자정과 단결정화한 구리필름의 경계면의 이미지로 6개의 극점이 나타나는 것으로 보아 단결정 종자정과 단결정화한 구리필름이 서로 다른 결정방향을 갖는다는 것을 알 수 있다. 초록색 원의 세 개의 극점과 빨간색 원의 세 개의 극점이 각각 다른 방위를 나타내며, 단결정 종자정과 단결정화한 구리필름은 약 60°의 방위차를 갖는다는 것을 알 수 있다.3 shows an EBSD (electron backscattering diffraction) image and a pole figure of an interface including a part of a single crystal seed crystal and a part of a single crystallized copper film. As can be seen in FIG. 3 , it can be confirmed that both are single crystals based on the interface, and only three (100) poles appear, indicating that the single crystal seed crystal and the single crystallized copper film have the same crystal direction. In addition, as six poles appear in the image of the interface between the seed crystal and the single crystallized copper film, it can be seen that the single crystal seed crystal and the single crystallized copper film have different crystal directions. It can be seen that the three poles in the green circle and the three poles in the red circle each indicate different orientations, and the single crystal seed crystal and the single crystallized copper film have an orientation difference of about 60°.

종래 열처리에 의해 금속필름을 단결정화 시키는 경우, 열처리 후 얻어진 단결정은 열역학적으로 가장 안정한 면이 발달하므로 배향된 결정면은 예측가능하다. 그러나 같은 (111) 면에서 발생한 결정 방위차(misorientation)는 예측하거나 조절하기 어려웠다. 결정 방위차가 알려진 단결정 금속필름이 그래핀 등의 이차원 나노물질을 위한 성장기판으로 사용될 경우, 결정축을 따라 성장하는 이차원 나노물질의 배향방향을 예측하고 적층 시 물성에 영향을 주는 나노물질 간의 방위차를 손쉽게 조절할 수 있다.In the case of single crystallization of a metal film by conventional heat treatment, the oriented crystal plane is predictable because the thermodynamically most stable plane is developed in the single crystal obtained after the heat treatment. However, the crystal misorientation occurring on the same (111) plane was difficult to predict or control. When a single-crystal metal film with a known crystal orientation difference is used as a growth substrate for a two-dimensional nanomaterial such as graphene, the orientation direction of the two-dimensional nanomaterial growing along the crystal axis is predicted and the orientation difference between the nanomaterials affecting the physical properties during lamination It can be easily adjusted.

도 4에는 본 발명의 실시예에 따라 단결정 구리필름을 조각내어 종자정으로 사용할 때, 종자정을 일정 각도 회전하여 도입하는 것을 나타내었는바, 도 4에서처럼 단결정 구리필름을 조각내어 종자정으로 사용할 경우에는 조각난 종자정은 모두 같은 방위차를 가지므로 조각난 종자정을 회전시키는 간단한 방식으로 단결정 후 방위차를 조절할 수 있다. 즉, 단결정화 하는 다결정 몸체는 단결정 종자정의 결정면 방향과 같은 방향을 가지므로 상기 방법을 이용하면 다른 배치에서 생산된 단결정 금속필름의 결정방향을 동일하게 조절하거나 원하는 방위차의 단결정 금속필름을 생산할 수 있다.4 shows that when a single crystal copper film is sliced and used as a seed crystal according to an embodiment of the present invention, the seed crystal is introduced by rotating a certain angle. Since all the fragmented seed crystals have the same orientation difference, the orientation difference can be adjusted after a single crystal by rotating the fragmented seed crystal. That is, the polycrystalline body to be single crystallized has the same direction as the crystal plane direction of the single crystal seed crystal, so by using the above method, the crystal direction of the single crystal metal films produced in different batches can be adjusted to the same or a single crystal metal film with a desired orientation difference can be produced. have.

도 5에는 본 발명의 실시예에 따라 단결정화한 구리필름의 결정방향을 확인하기 위하여 9 분할한 이미지를, 도 6에는 도 5에서 9 분할한 단결정화한 구리필름의 결정방향을 나타낸 극점도를 도시하였는바, 9 구역 모두에서 종자정과 동일한 위치에 3개의 (100) 극점을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 단결정 종자정과 단결정화한 구리필름이 같은 결정방향을 갖는다는 것을 의미하는데, 단결정 종자정의 도입을 통해 구리필름을 단결정화할 때 단결정화 하는 구리필름의 결정방향을 조절할 수 있음을 시사한다.5 is an image divided into 9 to confirm the crystal direction of the single crystallized copper film according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a pole view showing the crystal direction of the single crystallized copper film divided into 9 in FIG. As shown, it can be seen that all 9 zones have three (100) poles at the same position as the seed well. This means that the single crystal seed crystal and the single crystallized copper film have the same crystal direction, suggesting that the crystal direction of the single crystallized copper film can be controlled when the copper film is single crystallized through the introduction of the single crystal seed crystal.

한편, 화학기상증착(CVD) 방법으로 그래핀을 합성할 시, 그래핀의 성장 배향은 구리기판의 결정방향에 영향을 받는다. 따라서 상술한 바와 같은 방식으로 단결정 구리기판의 결정방향을 조절함으로써 그래핀 성장 시 그래핀의 배향도 조절할 수 있다.On the other hand, when synthesizing graphene by a chemical vapor deposition (CVD) method, the growth orientation of graphene is affected by the crystal direction of the copper substrate. Therefore, by adjusting the crystal direction of the single crystal copper substrate in the same manner as described above, the orientation of graphene during graphene growth can also be controlled.

도 7에는 본 발명의 실시예에 따라 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에 그래핀을 성장시킨 후 9 분할한 광학전자현미경 이미지를 나타내었는바, 종자정이 위치한 부분을 포함한 모든 영역에서 그래핀의 배향이 동일함을 확인할 수 있다.7 shows an optical electron microscope image divided into 9 after growing graphene on a single crystal metal film whose azimuth is controlled according to an embodiment of the present invention. It can be confirmed that they are the same.

상술한 바와 같이, 다결정 구리필름의 단결정화 시 결정방향은 단결정 종자정의 결정방향을 따라간다는 것을 확인하였는바, 이미 결정방향을 알고 있는 종자정을 도입하여 단결정 구리기판을 만들 때 종자정의 도입각도를 조절한다면 특정 결정방향을 갖는 단결정 구리기판을 얻을 수 있으며, 이를 통해 특정 배향을 갖는 단결정 그래핀을 합성할 수 있다.As described above, it was confirmed that the crystal direction follows the crystal direction of the single crystal seed crystal during single crystallization of the polycrystalline copper film. If controlled, a single crystal copper substrate having a specific crystal orientation can be obtained, and single crystal graphene having a specific orientation can be synthesized through this.

도 8에는 본 발명의 실시예에 따라 하나의 결정방향을 갖는 종자정을 45°, -45°씩 회전하여 도입한 후 단결정화한 구리필름의 방위를 나타낸 이미지를 도시하였는바, 하나의 결정방향을 갖는 종자정을 기준으로 도입각을 각각 45°, -45°씩 회전하여 도입한 후 단결정화 시킬 경우, 단결정화한 구리필름의 방위 또한 종자정을 따라 45°와 -45°씩 차이가 나는 것을 확인하였다. 이를 통해 위의 방법으로 그래핀을 합성 시 기준이 되는 그래핀의 배향에 대해 특정 각도만큼 틀어진 배향을 갖는 대면적 그래핀을 합성할 수 있다. 8 shows an image showing the orientation of a single crystallized copper film after introducing a seed crystal having a single crystal direction by rotation of 45° and -45° according to an embodiment of the present invention, one crystal direction In the case of single crystallization after introduction by rotating the introduction angle by 45° and -45° respectively, the orientation of the single crystallized copper film also varies by 45° and -45° along the seed crystal. confirmed that. Through this, it is possible to synthesize large-area graphene having an orientation that is misaligned by a specific angle with respect to the orientation of graphene, which is a reference when synthesizing graphene by the above method.

최근 연구 결과에 따르면, 단결정 그래핀을 적층하여 이중층 그래핀을 만들 때 적층된 두 그래핀이 이루는 배향차이에 따라 전기적 특성이 크게 달라진다고 보고된바 있으며, 두 그래핀 사이의 배향이 특정 각도(1.1°, 일명 magic angle)를 이룰 때 초전도성을 나타낸다고 알려져 있다. 따라서 위의 방법을 통해 구리기판의 결정방향을 조절하며 그래핀을 합성 시 그래핀의 배향 또한 자유롭게 조절할 수 있으며 이에 따라 특정 각도차이를 갖는 대면적 그래핀의 생산 및 적층 또한 가능하다.According to recent research results, when single-crystal graphene is stacked to make double-layer graphene, it has been reported that the electrical properties vary greatly depending on the orientation difference between the two stacked graphenes, and the orientation between the two graphenes is at a specific angle (1.1 °, so-called magic angle) is known to exhibit superconductivity. Therefore, through the above method, the crystal direction of the copper substrate is controlled and the orientation of graphene can be freely controlled when synthesizing graphene, and accordingly, the production and stacking of large-area graphene with a specific angle difference is also possible.

그러므로 본 발명에 의하면, 본 발명의 실시예와 같은 방법으로 제조된 단층 그래핀을 적층하여 그래핀 간 방위각이 조절된 다층 그래핀을 제공할 수도 있다.Therefore, according to the present invention, it is also possible to provide multilayer graphene in which the azimuthal angle between graphenes is controlled by stacking single-layer graphene prepared in the same manner as in the embodiment of the present invention.

Claims (7)

특정한 결정방향을 갖고 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에서 성장한, 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀.A single-layer or multi-layer graphene of a large area with controlled azimuth, grown on a single-crystal metal film with a specific crystal orientation and controlled azimuth. 제1항에 있어서,
상기 단결정 금속필름은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브데늄(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 이리듐(Ir) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀.
According to claim 1,
The single crystal metal film is copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), Aluminum (Al), chromium (Cr), magnesium (Mg), manganese (Mn), molybdenum (Mo), rhodium (Rh), silicon (Si), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W) ), uranium (U), vanadium (V), iridium (Ir) and zirconium (Zr), characterized in that any one selected from the group consisting of a large-area single-layer or multi-layer graphene with controlled azimuth angle.
제1항에 있어서,
상기 단결정 금속필름의 두께는 15 μm 이상인 것을 특징으로 하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 또는 다층 그래핀.
According to claim 1,
The single- or multi-layered graphene of a large area with controlled azimuth, characterized in that the thickness of the single-crystal metal film is 15 μm or more.
(I) 특정한 결정방향을 갖는 단결정 종자정을 다결정 금속필름에 일정 각도로 회전하여 도입한 후 열처리함으로써, 방위각이 조절된 단결정 금속필름을 얻는 단계; 및
(II) 상기 방위각이 조절된 단결정 금속필름 위에 그래핀을 성장시키는 단계;를 포함하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀의 제조방법.
(I) obtaining a single-crystal metal film having an azimuth angle controlled by heat treatment after introducing a single-crystal seed crystal having a specific crystal direction to the polycrystalline metal film by rotating it at a predetermined angle; and
(II) growing graphene on the single-crystal metal film of which the azimuth angle is adjusted;
제4항에 있어서,
상기 (I) 단계의 열처리는 100~500 sccm, 2 torr 미만의 아르곤 가스 분위기 하에서 10~50℃/min의 승온속도로 800~1200℃로 승온시킨 후, 100~500 sccm, 1 torr 이상의 수소 가스 분위기 하에서 상기 승온된 온도로 1~4시간 등온상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The heat treatment of step (I) is 100 to 500 sccm, after raising the temperature to 800 to 1200 ° C at a temperature increase rate of 10 to 50 ° C / min in an argon gas atmosphere of less than 2 torr, 100 to 500 sccm, hydrogen gas of 1 torr or more A method for producing single-layer graphene of a large area with controlled azimuth, characterized in that the isothermal state is maintained for 1 to 4 hours at the elevated temperature in an atmosphere.
제4항에 있어서,
상기 (II) 단계의 그래핀 성장은 10~1000 sccm의 수소 가스 및 1~10 sccm의 메탄 가스 분위기 하에서 1 torr 이상, 800~1200℃로 10분~4시간 등온상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방위각이 조절된 대면적의 단층 그래핀의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The graphene growth in step (II) is performed by maintaining an isothermal state for 10 minutes to 4 hours at 800 to 1200 ° C. A method for producing single-layer graphene of a large area with controlled azimuth.
제4항에 따른 제조방법에 의하여 제조된 단층 그래핀을 적층하여 그래핀 간 방위각이 조절된 다층 그래핀.Multilayer graphene in which the azimuth angle between graphenes is controlled by stacking single-layer graphene prepared by the manufacturing method according to claim 4 .
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