Graphene Synthesis by CVD Method

O avanÃo e o aperfeiÃoamento das tÃcnicas de sÃntese e manipulaÃÃo de materiais sÃo fundamentais para o entendimento de suas propriedades e das possÃveis formas de produÃÃo e utilizaÃÃo. PorÃm, no caso dos nanomateriais, principalmente, cujas extraordinÃrias capacidades sÃo bastante celebradas, problemas como defeitos estruturais, alto custo de obtenÃÃo e dificuldade de produÃÃo em larga escala ainda necessitam ser solucionados. Inserido neste panorama està o grafeno, um nanomaterial cuja morfologia bidimensional, constituÃda por Ãtomos de carbono dispostos de forma hexagonal, à responsÃvel por propriedades sem precedentes que apresentam revolucionÃria relevÃncia, tanto para a pesquisa bÃsica quanto para a pesquisa aplicada. Neste sentido, existem diferentes mÃtodos de sÃntese de grafeno, estando entre os mais vantajosos o mÃtodo de deposiÃÃo quÃmica em fase de vapor (Chemical Vapor Deposition - CVD). Este mÃtodo consiste na quebra das ligaÃÃes das molÃculas de um gÃs submetido a altas temperaturas de modo que os Ãtomos provenientes do gÃs sejam depositados sobre um determinado substrato. Neste trabalho, utilizou-se o mÃtodo CVD para a sÃntese de grafeno sobre substratos de silÃcio oxidado (Si/SiO2) recobertos por filmes de nÃquel (Ni) com, aproximadamente, 500nm de espessura, os quais funcionaram como catalisadores. O gÃs metano (CH4) foi utilizado como a fonte dos Ãtomos de carbono depositados e os processos de sÃntese tiveram diferentes conjuntos de parÃmetros executados. A sÃntese de grafeno pelo mÃtodo CVD teve como objetivo geral verificar os resultados divulgados na literatura e aperfeiÃoÃ-los, relacionando os parÃmetros utilizados nas sÃnteses e as caracterÃsticas dos filmes de Ni catalisadores com aquelas apresentadas pelos filmes de grafeno obtidos nos experimentos. As amostras foram caracterizadas por meio de Microscopia EletrÃnica de Varredura, Microscopia Ãptica e Raman Confocal e Microscopia de ForÃa AtÃmica. Em consistÃncia com os resultados publicados na literatura, observou-se que sÃo sintetizados filmes finos compostos por flakes de material grafÃtico com espessura nÃo uniforme, e que a obtenÃÃo de filmes mais uniformes à fortemente dependente da morfologia do filme catalisador. RegiÃes apresentando espectro Raman caracterÃstico de monocamadas de grafeno e de grafeno de poucas camadas foram maiores quando combinados o tratamento tÃrmico do filme de Ni com o baixo fluxo e menor tempo de exposiÃÃo ao CH4. Verificaram-se, ainda, variaÃÃes nos espectros Raman dos flakes. Estas variaÃÃes apresentaram-se mais intensas, quanto mais reduzido à o nÃmero de camadas de grafeno e incluem o aparecimento da banda D, alÃm do deslocamento dos picos, revelando a influÃncia dos substratos sobre os filmes sintetizados. Esta pesquisa considerou mÃtodos de estimativa do nÃmero de camadas por caracterÃsticas do espectro Raman, divulgados na literatura, aliados à anÃlise da espessura por AFM que mostraram ser possÃvel a sÃntese de monocamadas de grafeno.The advancement and improvement of synthesis techniques and handling of materials are fundamental to understand their properties and possible forms of production and use. However, in the case of nanomaterials, problems such as structural defects, high cost and difficulty of achieving production on a large scale have yet to be solved. Inserted in this panorama is graphene, a two-dimensional nanomaterial whose morphology, consisting of carbon atoms arranged in hexagonal form, is responsible for unprecedented properties that have revolutionary relevance for both basic and applied research. There are different methods of synthesis of graphene. The method of Chemical Vapor Deposition (CVD) is among the most advantageous ones. This method consists in breaking the bonds of the molecules of a gas subjected to high temperatures so that the atoms from the gas are deposited on a given substrate. In this work, we used the CVD method for the synthesis of graphene on oxidized silicon substrates (Si/SiO2) coated with a 500 nm thick film of nickel (Ni), which served as the catalyst. Methane gas (CH4) was used as the source of the carbon atoms and the synthesis was carried out using different sets of parameters. Experiments were performed, firstly, using parameters es-tablished in the literature and the results were compared with those obtained by other authors. The influence of the synthesis parameters and the characteristics of the films of Ni catalysts on the properties of the graphene films was studied. The samples were characterized using Scanning Electron Microscopy, Confocal Raman and Optical Microscopy, and Atomic Force Microscopy. In agreement with results from the literature, it could be observed that thin films are synthesized and they are composed of graphitic flakes with a non-uniform thickness, which is strongly dependent of the morphology of catalyst film. Larger regions with characteristic Raman spectra of monolayer and few layer graphene could be obtained by combining thermal treatment of Ni film during the sputtering process with low gas flow and time of exposure to CH4 in the CVD experiment. Variations in the Raman spectra of the flakes could be observed, including the emergence of the D-band and the displacement of the peaks. These variations, which reveal the influence of substrates on the synthesized films, were more intense the smaller the number of graphene layers. Next, we combined methods reported in the literature for estimating the number of layers on the basis of the characteristics of the Raman spectra with AFM analysis to obtain the thickness of the graphene layer. The results obtained from our analysis show that monolayer graphene could be successfully synthesized in the experiments