Carbon nanorods and graphene-like nanosheets by hot filament CVD : growth mechanisms and electron field emission

Carbon nanorods and graphene-like nanosheets are catalytically synthesized in a hot filament chemical vapor deposition system with and without plasma enhancement, with gold used as a catalyst. The morphological and structural properties of the carbon nanorods and nanosheets are investigated by field-emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and micro-Raman spectroscopy. It is found that carbon nanorods are formed when a CH4 + H2 + N2 plasma is present while carbon nanosheets are formed in a methane environment without a plasma. The formation of carbon nanorods and carbon nanosheets are analyzed. The results suggest that the formation of carbon nanorods is primarily a precipitation process while the formation of carbon nanosheets is a complex process involving surface-catalysis, surface diffusion and precipitation influenced by the Gibbs–Thomson effect. The electron field emission properties of the carbon nanorods and graphene-like nanosheets are measured under high-vacuum; it is found that the carbon nanosheets have a lower field emission turn-on than the carbon nanorods. These results are important to improve the understanding of formation mechanisms of carbon nanomaterials and contribute to eventual applications of these structures in nanodevices.

Very low-pressure VLP-CVD growth of high quality gamma-Al2O3 films on silicon by multi-step process

gamma-Al2O3 films were grown on Si (10 0) substrates using the sources of TMA (AI(CH3)(3)) and O-2 by very low-pressure chemical vapor deposition. The effects of temperature control on the crystalline quality, surface morphology, uniformity and dielectricity were investigated. It has been found that the,gamma-Al2O3 film prepared at a temperature of 1000degreesC has a good crystalline quality, but the surface morphology, uniformity and dielectricity were poor due to the etching reaction between 0, and Si substrate in the initial growth stage. However, under a temperature-varied multi-step process the properties Of gamma-Al2O3 film were improved. The films have a mirror-like surface and the dielectricity was superior to that grown under a single-step process. The uniformity of gamma-Al2O3 films for 2-in epi-wafer was <5%, it is better than that disclosed elsewhere. In order to improve the crystalline quality, the gamma-Al2O3 films were annealed for I h in O-2 atmosphere. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

High-temperature growth of graphene films on copper foils by ethanol chemical vapour deposition

Chemical vapor deposition (CVD) is widely utilized to synthesize graphene with controlled properties for many applications, especially when continuous films over large areas are required. Although hydrocarbons such as methane are quite efficient precursors for CVD at high temperature (∼1000 °C), finding less explosive and safer carbon sources is considered beneficial for the transition to large-scale production. In this work, we investigated the CVD growth of graphene using ethanol, which is a harmless and readily processable carbon feedstock that is expected to provide favorable kinetics. We tested a wide range of synthesis conditions (i.e., temperature, time, gas ratios), and on the basis of systematic analysis by Raman spectroscopy, we identified the optimal parameters for producing highly crystalline graphene with different numbers of layers. Our results demonstrate the importance of high temperature (1070 °C) for ethanol CVD and emphasize the significant effects that hydrogen and water vapor, coming from the thermal decomposition of ethanol, have on the crystal quality of the synthesized graphene.

Growth of nanowires of beta-NaxV2O5 by metalorganic chemical vapor deposition

Films comprised of nanowires of beta-NaxV2O5 measuring 20-200 nm in diameter and 10-30 mum in length have been prepared on glass substrates by metalorganic chemical vapor deposition using the beta-diketonate complex, vanadyl acetyl acetonate, as precursor, but without the use of either templates or catalysts. Films consisting of nanowires of monophasic beta-NaxV2O5 with a preferred orientation along (h0l) are formed only at 550 degreesC, whereas those deposited at 540 degreesC comprise a mixture of nanowires (beta-NaxV2O5) and platelets (V2O5). The films deposited at lower temperatures are less crystalline and comprise a mixture of vanadium oxide phases. From the observations that nanowires are formed only in the narrow temperature range of 540-550 degreesC, and from the critical dependence of the formation of nanowires on the balance between the CVD growth rate and the evaporation rate of the film, it is inferred that the formation of nanowires of beta-NaxV2O5 is due to chemical vapor transport.

Interface of graphane with copper : a van der Waals density-functional study

Various forms of hydrogenated graphene have been produced to date by several groups, while the synthesis of pure graphane has not been achieved yet. The study of the interface between graphane, in all its possible hydrogenation configurations, and catalyst metal surfaces can be pivotal to assess the feasibility of direct CVD growth methods for this material. We investigated the adhesion of graphane to a Cu(111) surface by adopting the vdW-DF2-C09 exchange-correlation functional, which is able to describe dispersion forces. The results are further compared with the PBE and the LDA exchange-correlation functionals. We calculated the most stable geometrical configurations of the slab/graphane interface and evaluated how graphane's geometrical parameters are modified. We show that dispersion forces play an important role in the slab/graphane adhesion. Band structure calculations demonstrated that in the presence of the interaction with copper, the band gap of graphane is not only preserved, but also enlarged, and this increase can be attributed to the electronic charge accumulated at the interface. We calculated a substantial energy barrier at the interface, suggesting that CVD graphane films might act as reliable and stable insulating thin coatings, or also be used to form compound layers in conjunction with metals and semiconductors.

Smart chemical sensor application of ZnO nanowires grown on CMOS compatible SOI microheater platform

Smart chemical sensor based on CMOS(complementary metal-oxide- semiconductor) compatible SOI(silicon on insulator) microheater platform was realized by facilitating ZnO nanowires growth on the small membrane at the relatively low temperature. Our SOI microheater platform can be operated at the very low power consumption with novel metal oxide sensing materials, like ZnO or SnO2 nanostructured materials which demand relatively high sensing temperature. In addition, our sol-gel growth method of ZnO nanowires on the SOI membrane was found to be very effective compared with ink-jetting or CVD growth techniques. These combined techniques give us the possibility of smart chemical sensor technology easily merged into the conventional semiconductor IC application. The physical properties of ZnO nanowire network grown by the solution-based method and its chemical sensing property also were reported in this paper.

Recent progresses of Si-based photonics in chinese main land

Si-based photonic materials and devices, including SiGe/Si quantum structures, SOI and InGaAs bonded on Si, PL of Si nanocrystals, SOI photonic crystal filter, Si based RCE (Resonant Cavity Enhanced) photodiodes, SOI TO (thermai-optical) switch matrix were investigated in Institute of Serniconductors, Chinese Academy of Sciences. The main results in recent years are presented in the paper. The mechanism of PL from Si NCs embedded in SiO2 matrix was studied, a greater contribution of the interface state recombination (PL peak in 850 similar to 900 nm) is associated with larger Si NCs and higher interface state density. Ge dots with density of order of 10(11) cm(-2) were obtained by UHV/CVD growth and 193 nm excimer laser annealing. SOI photonic crystal filter with resonant wavelength of 1598 nm and Q factor of 1140 was designed and made. Si based hybrid InGaAs RCE PD with eta of 34.4% and FWHM of 27 nut were achieved by MOCVD growth and bonding technology between InGaAs epitaxial and Si wafers. A 16x16 SOI optical switch matrix were designed and made. A new current driving circuit was used to improve the response speed of a 4x4 SOI rearrangeable nonblocking TO switch matrix, rising and failing time is 970 and 750 ns, respectively.

Raman study on residual strains in thin 3C-SiC epitaxial layers grown on Si(001)

Raman scattering measurement has been used to study the residual strains in the thin 3C-SiC/Si(001) epilayers with a variation of film thickness from 0.1 to 1.2 mu m. which were prepared by chemical vapor deposition (CVD)growth. Two methods have been exploited to figure our the residual strains and the exact LO bands. The final analyzing results show that residual strains exist in the 3C-SiC epilayers. The average stress is 1.3010 GPa, and the relative change of the lattice constant is 1.36 parts per thousand. Our measurements also show that 3C-SiC phonons are detectable even for the samples with film thickness in the range of 0.1 to 0.2 mu m. (C) 2000 Published by Elsevier Science S.A. All rights reserved.

Raman study on residual strains in thin 3C-SiC epitaxial layers grown on Si(001)

Raman scattering measurement has been used to study the residual strains in the thin 3C-SiC/Si(001) epilayers with a variation of film thickness from 0.1 to 1.2 mu m. which were prepared by chemical vapor deposition (CVD)growth. Two methods have been exploited to figure our the residual strains and the exact LO bands. The final analyzing results show that residual strains exist in the 3C-SiC epilayers. The average stress is 1.3010 GPa, and the relative change of the lattice constant is 1.36 parts per thousand. Our measurements also show that 3C-SiC phonons are detectable even for the samples with film thickness in the range of 0.1 to 0.2 mu m. (C) 2000 Published by Elsevier Science S.A. All rights reserved.

Selective Preparation of Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes: From Fundamentals to Applications

Aligned single-walled carbon nanotubes (SWNTs) synthesized by the chemical vapor deposition (CVD) method have exceptional potential for next-generation nanoelectronics. However, there are considerable challenges in the preparation of semiconducting (s-) SWNTs with controlled properties (e.g., density, selectivity, and diameter) for their application in solving real-world problems. This dissertation describes research that aims to overcome the limitations by novel synthesis strategies and post-growth treatment. The application of as-prepared SWNTs as functional devices is also demonstrated. The dissertation includes the following parts: 1) decoupling the conflict between density and selectivity of s-SWNTs in CVD growth; 2) investigating the importance of diameter control for the selective synthesis of s-SWNTs; 3) synthesizing highly conductive SWNT thin film by thiophene-assisted CVD method; 4) eliminating metallic pathways in SWNT crossbars by gate-free electrical breakdown method; 5) enhancing the density of SWNT arrays by strain-release method; 6) studying the sensing mechanism of SWNT crossbar chemical sensors.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.