Synthesis and nitrogen doping of graphene by chemical vapor deposition

Abstract

Controllable carrier transport due to charged impurities in the graphene lattice is still lacking. Doping of graphene by foreign atoms leads to modify its band structure and electro chemical properties. Among numerous potential dopants, nitrogen (N2) is considered to be an excellent candidate to form strong valence bonds with carbon atoms, which would provide n or p-doping according to bonding character of charged-impurity atom. Exposure of graphene lattice to nitrogen gas leads to a change in the carrier concentration and opens a bandgap due to symmetry breaking. Furthermore, this seems to be an effective way to customize the properties of graphene and exploit its potential for various applications. This thesis focuses on the growth of graphene by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and doping it with N2 by using N2 plasma treatment. Here, copper foil was used as the catalytic substrate to grow large area graphene at LPCVD system. The grown graphene was transferred onto SiO2, Au (111) and Sapphire substrates. The effect of different plasma time and power on doping process was investigated while keeping the N2 flow rates constant by using N2 plasma. The nitrogen doped graphene (N-graphene) was characterized via Raman Spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), Kelvin probe force microscopy (KPFM). Raman mapping of N-graphene was also conducted to show the homogeneity of N2 incorporation into graphitic lattice. STM results were theoretically modelled by using density functional theory (DFT). Our results provide the opportunity to produce N-graphene with homogenous and effective doping which would be valuable in electronic and optoelectronic applications.

Grafen örgüsünde yüklü safsızlıklar ile kontrol edilebilir elektriksel taşınım hala sağlanamamaktadır. Grafenin yabancı atomlar ile katkılanması bant yapısının ve elektrokimyasal özelliklerinin değişmesine neden olur. Karbon atomu ile aralarında güçlü valens bağı oluşturması ve bu yüklü safsızlıkların bağ karakterine göre grafeni hem n hem de p tipi katkılayabilmesi, nitrojenin birçok potansiyel katkılayıcı arasından mükemmel bir aday olmasını sağlamıştır. Bir grafen örgünün nitrojen gazına maruz kalması, taşıyıcı konsantrasyonunda değişikliğe ve simetrinin bozulmasından dolayı bant aralığının açılmasına neden olmaktadır. Ayrıca bu yöntem sayesinde, grafenin özelliklerini ihtiyaca göre uyarlamak ve potansiyelinden farklı şekilde yararlanmak mümkündür. Bu tezde, grafenin kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile büyütülmesine ve azot plazma ile katkılanmasına odaklanılmıştır. Düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme sisteminde geniş alanlı grafen üretmek için katalitik alt katman olarak bakır levha kullanılmıştır. Üretilen grafen, SiO2/Si, Au (111) ve Safir alt katmanlara transfer edilmiştir. Nitrojen plazma sistemi ile, nitrojen gazı akış oranı sabit tutularak farklı plazma gücü ve zamanının katkılama sürecine etkisi araştırılmıştır. Nitrojen ile katkılanan grafen (N-grafen) Raman spektroskopisi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), taramalı tünelleme mikroskopisi/spektroskopisi (STM/STS), Kelvin probe kuvvet mikroskopisi (KPFM) kullanılarak karakterize edilmiştir. Aynı zamanda N-grafenin Raman haritalandırması ile grafitli örgüdeki nitrojen homojenliği de araştırılmıştır. STM sonuçları, yoğunluk fonksiyoneli teorisi kullanılarak kuramsal olarak da modellenmiştir. Elde edilen sonuçlar, etkili ve homojen bir şekilde katkılanan N-grafenin, elektronik ve optoelektronik uygulamalarda kullanılmasına olanak sağlamaktadır.