journal article·2017Open access

Low temperature growth of fully covered single-layer graphene using a CoCu catalyst

Hisashi Sugime, Lorenzo D'Arsié, Santiago Esconjauregui, Guofang Zhong, Xingyi Wu, Eugen Hildebrandt, Hikmet Sezen, Matteo Amati, Luca Gregoratti, Robert S. Weatherup, John Robertson

Nanoscale· Volume 9· Issue 38

Abstract

A bimetallic CoCu alloy thin-film catalyst is developed that enables the growth of uniform, high-quality graphene at 750 °C in 3 min by chemical vapour deposition. The growth outcome is found to vary significantly as the Cu concentration is varied, with ∼1 at% Cu added to Co yielding complete coverage single-layer graphene growth for the conditions used. The suppression of multilayer formation is attributable to Cu decoration of high reactivity sites on the Co surface which otherwise serve as preferential nucleation sites for multilayer graphene. X-ray photoemission spectroscopy shows that Co and Cu form an alloy at high temperatures, which has a drastically lower carbon solubility, as determined by using the calculated Co-Cu-C ternary phase diagram. Raman spectroscopy confirms the high quality (ID/IG < 0.05) and spatial uniformity of the single-layer graphene. The rational design of a bimetallic catalyst highlights the potential of catalyst alloying for producing two-dimensional materials with tailored properties.
Source: europepmc · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Graphene research and applications · Advancements in Battery Materials · Thermal properties of materials

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Waseda Institute for Advanced Study

Waseda University

Tokyo 169-8050

Japan

Department of Engineering

University of Cambridge

Cambridge CB3 0FA

UK

Elettra-Sincrotrone Trieste S.C.p.A.

Trieste

Italy

Funding

Japan Society for the Promotion of Science · Horizon 2020 Framework Programme

References (78)

Show source-provided references
1. Novoselov · Science · 2004 · 306 · 66610.1126/science.1102896 ↗
2. Novoselov · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2005 · 102 · 1045110.1073/pnas.0502848102 ↗
3. Geim · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 18310.1038/nmat1849 ↗
4. Geim · Science · 2009 · 324 · 153010.1126/science.1158877 ↗
5. Novoselov · Nature · 2012 · 490 · 19210.1038/nature11458 ↗
6. Ferrari · Nanoscale · 2015 · 7 · 459810.1039/C4NR01600A ↗
7. Weatherup · J. Am. Chem. Soc. · 2015 · 137 · 1435810.1021/jacs.5b08729 ↗
8. Hofmann · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 271410.1021/acs.jpclett.5b01052 ↗
9. Zhong · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 109 · 19310310.1063/1.4967010 ↗
10. Li · Science · 2009 · 324 · 131210.1126/science.1171245 ↗
11. Li · Nano Lett. · 2009 · 9 · 426810.1021/nl902515k ↗
12. Li · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 281610.1021/ja109793s ↗
13. Zhou · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 209610.1038/ncomms3096 ↗
14. Wu · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 2115210.1038/srep21152 ↗
15. Muñoz · Chem. Vapor Deposition · 2013 · 19 · 29710.1002/cvde.201300051 ↗
16. Kratzer · Appl. Phys. Lett. · 2015 · 106 · 10310110.1063/1.4913948 ↗
17. Kidambi · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 2249210.1021/jp303597m ↗
18. Dlubak · ACS Nano · 2012 · 6 · 1093010.1021/nn304424x ↗
19. Martin · ACS Nano · 2014 · 8 · 789010.1021/nn5017549 ↗
20. Nihei · Jpn. J. Appl. Phys. · 2003 · 42 · L72110.1143/JJAP.42.L721 ↗
21. Cantoro · Nano Lett. · 2006 · 6 · 110710.1021/nl060068y ↗
22. Yokoyama · Jpn. J. Appl. Phys. · 2008 · 47 · 198510.1143/JJAP.47.1985 ↗
23. Robertson · J. Mater. Chem. · 2012 · 22 · 1985810.1039/c2jm33732k ↗
24. Sugime · Appl. Phys. Lett. · 2013 · 103 · 07311610.1063/1.4818619 ↗
25. Sugime · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 1544010.1021/am504048h ↗
26. Na · Carbon · 2015 · 81 · 77310.1016/j.carbon.2014.10.023 ↗
27. Sugime · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 1681910.1021/acsami.5b04846 ↗
28. Yu · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 93 · 11310310.1063/1.2982585 ↗
29. Reina · Nano Lett. · 2009 · 9 · 3010.1021/nl801827v ↗
30. Kim · Nature · 2009 · 457 · 70610.1038/nature07719 ↗
31. Ramón · ACS Nano · 2011 · 5 · 719810.1021/nn202012m ↗
32. Wang · J. Phys. D: Appl. Phys. · 2010 · 43 · 45540210.1088/0022-3727/43/45/455402 ↗
33. Zhan · Appl. Phys. A · 2011 · 105 · 34110.1007/s00339-011-6612-9 ↗
34. Reina · Nano Res. · 2009 · 2 · 50910.1007/s12274-009-9059-y ↗
35. Gruneis · New J. Phys. · 2009 · 11 · 07305010.1088/1367-2630/11/7/073050 ↗
36. Saenger · Appl. Phys. Lett. · 2010 · 96 · 15310510.1063/1.3397985 ↗
37. Weatherup · Nano Lett. · 2011 · 11 · 415410.1021/nl202036y ↗
38. Addou · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 100 · 02160110.1063/1.3675481 ↗
39. Weatherup · ChemPhysChem · 2012 · 13 · 254410.1002/cphc.201101020 ↗
40. Patera · ACS Nano · 2013 · 7 · 790110.1021/nn402927q ↗
41. Weatherup · Nano Lett. · 2013 · 13 · 462410.1021/nl401601x ↗
42. Puretzky · Nanoscale · 2013 · 5 · 650710.1039/c3nr01436c ↗
43. Weatherup · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1369810.1021/ja505454v ↗
44. Weatherup · Nano Lett. · 2016 · 16 · 619610.1021/acs.nanolett.6b02459 ↗
45. Weatherup · ACS Nano · 2012 · 6 · 999610.1021/nn303674g ↗
46. Cabrero-Vilatela · Nanoscale · 2016 · 8 · 214910.1039/C5NR06873H ↗
47. Oshima · J. Phys.: Condens. Matter · 1997 · 9 · 1
48. Ago · ACS Nano · 2010 · 4 · 740710.1021/nn102519b ↗
49. Martin · Appl. Phys. Lett. · 2015 · 107 · 01240810.1063/1.4923401 ↗
50. Yang · Nano Lett. · 2016 · 16 · 14510.1021/acs.nanolett.5b03392 ↗
51. Coraux · J. Phys. Chem. Lett. · 2012 · 3 · 205910.1021/jz3007222 ↗
52. Karpan · Phys. Rev. B: Condens. Matter · 2008 · 78 · 19541910.1103/PhysRevB.78.195419 ↗
53. Noda · Carbon · 2006 · 44 · 141410.1016/j.carbon.2005.11.026 ↗
54. Sugime · Carbon · 2009 · 47 · 23410.1016/j.carbon.2008.10.001 ↗
55. Blake · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 91 · 06312410.1063/1.2768624 ↗
56. Casiraghi · Nano Lett. · 2007 · 7 · 271110.1021/nl071168m ↗
57. Ferrari · Phys. Rev. Lett. · 2006 · 97 · 18740110.1103/PhysRevLett.97.187401 ↗
58. Tuinstra · J. Chem. Phys. · 1970 · 53 · 112610.1063/1.1674108 ↗
59. D'Arsié · RSC Adv. · 2016 · 6 · 11318510.1039/C6RA23727D ↗
60. Biesinger · Appl. Surf. Sci. · 2010 · 257 · 88710.1016/j.apsusc.2010.07.086 ↗
61. J.-M. Dubois , E.Belin-Ferre and K.Urban, Complex Metallic Alloys: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, 2010, p. 17310.1002/9783527632718 ↗
62. Collinge · Surf. Sci. · 2016 · 648 · 7410.1016/j.susc.2015.10.014 ↗
63. Bruni · Mater. Sci. Eng. · 1972 · 9 · 24110.1016/0025-5416(72)90039-0 ↗
64. Palumbo · CALPHAD: Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. · 2006 · 30 · 17110.1016/j.calphad.2005.10.007 ↗
65. Andersson · CALPHAD: Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. · 2002 · 26 · 27310.1016/S0364-5916(02)00037-8 ↗
66. Shelton · Surf. Sci. · 1974 · 43 · 49310.1016/0039-6028(74)90272-6 ↗
67. Zhao · Nanoscale · 2013 · 5 · 653010.1039/c3nr01080e ↗
68. R. S. Weatherup , et al., in preparation
69. Besenbacher · Science · 1998 · 279 · 191310.1126/science.279.5358.1913 ↗
70. Saadi · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 1122110.1021/jp1033596 ↗
71. Dai · Nat. Commun. · 2011 · 2 · 52210.1038/ncomms1539 ↗
72. Liu · Nano Lett. · 2011 · 11 · 29710.1021/nl103962a ↗
73. Wu · ACS Nano · 2012 · 6 · 773110.1021/nn301689m ↗
74. Caneva · Nano Lett. · 2015 · 15 · 186710.1021/nl5046632 ↗
75. Lu · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 616010.1038/ncomms7160 ↗
76. Piquemal-Banci · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 108 · 10240410.1063/1.4943516 ↗
77. Venugopal · J. Appl. Phys. · 2011 · 109 · 10451110.1063/1.3592338 ↗
78. Abyaneh · e-J. Surf. Sci. Nanotechnol. · 2011 · 9 · 15810.1380/ejssnt.2011.158 ↗