We report the direct growth of graphene on a dielectric SiO2 surface by utilizing complementary metal oxide semiconductor compatible germane as a gas-phase catalyst. Results of Raman spectroscopy and XPS confirmed that the synthesized graphene consist of a sp2 hybridized carbon network. We were able to fabricate graphene field effect transistors without the wet etching process, and the calculated mobility was ∼160 cm2/V·s at high carrier concentration (n = 3 × 1012 cm−2). Furthermore, the crystallinity and morphology of graphene is easily controlled from single-layer graphene to graphene nanowall structures by adjusting the reaction conditions. The results of this study verify the promising catalytic graphene growth method on a non-catalytic insulating surface without metal contaminations.

1.
X.
Li
,
W.
Cai
,
J.
An
,
S.
Kim
,
J.
Nah
,
D.
Yang
,
R.
Piner
,
A.
Velamakanni
,
I.
Jung
,
E.
Tutuc
,
S. K.
Banerjee
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
324
,
1312
(
2009
).
2.
S.
Bae
,
H.
Kim
,
Y.
Lee
,
X.
Xu
,
J. S.
Park
,
Y.
Zheng
,
J.
Balakrishnan
,
T.
Lei
,
H. R.
Kim
,
Y. I.
Song
,
Y. J.
Kim
,
K. S.
Kim
,
B.
Ozyilmaz
,
J. H.
Ahn
,
B. H.
Hong
, and
S.
Iijima
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
574
(
2010
).
3.
H.
Yang
,
J.
Heo
,
S.
Park
,
H. J.
Song
,
D. H.
Seo
,
K. E.
Byun
,
P.
Kim
,
I.
Yoo
,
H. J.
Chung
, and
K.
Kim
,
Science
336
,
1140
(
2012
).
4.
K.
Kim
,
J. Y.
Choi
,
T.
Kim
,
S. H.
Cho
, and
H. J.
Chung
,
Nature
479
,
338
(
2011
).
5.
D. V.
Lang
,
H. G.
Grimmeiss
,
E.
Meijer
, and
M.
Jaros
,
Phys. Rev. B
22
,
3917
(
1980
).
6.
X.
Li
,
Y.
Zhu
,
W.
Cai
,
M.
Borysiak
,
B.
Han
,
D.
Chen
,
R. D.
Piner
,
L.
Colomba
, and
R. S.
Ruoff
,
Nano Lett.
9
,
4359
(
2009
).
7.
G.
Lupina
,
J.
Kitzmann
,
I.
Costina
,
M.
Lukosius
,
C.
Wenger
,
A.
Wolff
,
S.
Vaziri
,
M.
Ostling
,
I.
Pasternak
,
A.
Krajewska
,
W.
Strupinski
,
S.
Kataria
,
A.
Gahoi
,
M. C.
Lemme
,
G.
Ruhl
,
G.
Zoth
,
O.
Luxenhofer
, and
W.
Mehr
,
ACS Nano
9
,
4776
(
2015
).
8.
B.
Vermeire
,
L.
Lee
, and
H. G.
Parks
,
IEEE Trans. Semicond. Manuf.
11
,
232
(
1998
).
9.
J.
Hwang
,
M.
Kim
,
D.
Campbell
,
H. A.
Alsalman
,
J. Y.
Kwak
,
S.
Shivaraman
,
A. R.
Woll
,
A. K.
Singh
,
R. G.
Hennig
,
S.
Gorantla
,
M. H.
Rümmeli
, and
M. G.
Spencer
,
ACS Nano
7
,
385
(
2013
).
10.
M. A.
Fanton
,
J. A.
Robinson
,
C.
Puls
,
Y.
Liu
,
M. J.
Hollander
,
B. E.
Weiland
,
M.
LaBella
,
K.
Trumbull
,
R.
Kasarda
,
C.
Howsare
,
J.
Stitt
, and
D. W.
Snyder
,
ACS Nano
5
,
8062
(
2011
).
11.
S.
Tang
,
H.
Wang
,
H. S.
Wang
,
Q.
Sun
,
X.
Zhang
,
C.
Cong
,
H.
Xie
,
X.
Liu
,
X.
Zhou
,
F.
Huang
,
X.
Chen
,
T.
Yu
,
F.
Ding
,
X.
Xi
, and
M.
Jiang
,
Nat. Commun.
6
,
6499
(
2015
).
12.
B. S.
Kim
,
J. W.
Lee
,
Y.
Jang
,
S. H.
Choi
,
S. N.
Cha
,
J. I.
Sohn
,
J. M.
Kim
,
W. J.
Joo
,
S. W.
Hwang
, and
D.
Whang
,
Acta Mater.
96
,
18
(
2015
).
13.
J.
Sun
,
N.
Lindvall
,
M. T.
Cole
,
T.
Wang
,
T. J.
Booth
,
P.
Bggild
,
K. B. K.
Teo
,
J.
Liu
, and
A.
Yurgens
,
J. Appl. Phys.
111
,
044103
(
2012
).
14.
B. S.
Kim
,
C.
Xu
,
J. M.
Lee
,
J. H.
Lee
,
K.
Son
,
S. W.
Hwang
,
J. J.
Park
, and
D.
Whang
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
013101
(
2013
).
15.
Y. S.
Kim
,
K.
Joo
,
S.-K.
Jerng
,
J. H.
Lee
,
E.
Yoon
, and
S.-H.
Chun
,
Nanoscale
6
,
10100
(
2014
).
16.
J.
Sun
,
Y.
Chen
,
X.
Cai
,
B.
Ma
,
Z.
Chen
,
M.
Prydarshi
,
K.
Chen
,
T.
Gao
,
X.
Song
,
Q.
Ji
,
X.
Guo
,
D.
Zou
,
Y.
Zhang
, and
Z.
Liu
,
Nano Res.
8
,
3496
(
2015
).
17.
H.
Kim
,
I.
Song
,
C.
Park
,
M.
Son
,
M.
Hong
,
Y.
Kim
,
J. S.
Kim
,
H. J.
Shin
,
J.
Baik
, and
H. C.
Choi
,
ACS Nano
7
,
6575
(
2013
).
18.
P. Y.
Teng
,
C. C.
Lu
,
K.
Akiyama-Hasegawa
,
Y. C.
Lin
,
C. H.
Yeh
,
K.
Suenaga
, and
P. W.
Chiu
,
Nano Lett.
12
,
1379
(
2012
).
19.
C. A.
Howsare
,
X.
Weng
,
V.
Bojan
,
D.
Snyder
, and
J. A.
Robinson
,
Nanotechnology
23
,
135601
(
2012
).
20.
K.
Hozawa
and
J.
Yugami
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
43
,
1
(
2004
).
21.
J. D.
McBrayer
,
R. M.
Swanson
, and
T. W.
Sigmon
,
J. Elecrochem. Soc.
133
,
1242
(
1986
).
22.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4960293 for detail description of experiment procedure and additional data.
23.
A.
Moisala
,
A. G.
Nasibulin
,
D. P.
Brown
,
H.
Jiang
,
L.
Khriachtchev
, and
E. I.
Kauppinen
,
Chem. Eng. Sci.
61
,
4393
(
2006
).
24.
V. N.
Smirnov
,
Kinet. Catal.
48
,
615
(
2007
).
25.
D.
Takagi
,
H.
Hibino
,
S.
Suzuki
,
Y.
Kobayashi
, and
Y.
Homma
,
Nano Lett.
7
,
2272
(
2007
).
26.
J. H.
Lee
,
E. K.
Lee
,
W. J.
Joo
,
Y.
Jang
,
B. S.
Kim
,
J. Y.
Lim
,
S. H.
Choi
,
S. J.
Ahn
,
J. R.
Ahn
,
M. H.
Park
,
C. W.
Yang
,
B. L.
Choi
,
S. W.
Hwang
, and
D.
Whang
,
Science
344
,
286
(
2014
).
27.
J. L.
Bills
and
F. A.
Cotton
,
J. Phys. Chem.
68
,
806
(
1964
).
28.
P.
Nemes-Incze
,
Z.
Osváth
,
K.
Kamarás
, and
L. P.
Biró
,
Carbon
46
,
1435
(
2008
).
29.
R. R.
Nair
,
P.
Blake
,
A. N.
Grigorenko
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
,
T.
Stauber
,
N. M. R.
Peres
, and
A. K.
Geim
,
Science
320
,
1308
(
2008
).
30.
L.
Cancado
,
K.
Takai
,
T.
Enoki
,
M.
Endo
,
Y. A.
Kim
,
H.
Mizusaki
,
A.
Jorio
,
L. N.
Coelho
,
R.
Magalhaes-Paniago
, and
M. A.
Pimenta
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
163106
(
2006
).
31.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
61
,
14095
(
2000
).
32.
P.
Mérel
,
M.
Tabbal
,
M.
Chaker
,
S.
Moisa
, and
J.
Margot
,
Appl. Surf. Sci.
136
,
105
(
1998
).
33.
K.
Yu
,
Z.
Bo
,
G.
Lu
,
S.
Mao
,
S.
Cui
,
Y.
Zhu
,
X.
Chen
,
R. S.
Ruoff
, and
J.
Chen
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
202
(
2011
).
34.
R.
Liu
,
Y.
Chi
,
L.
Fang
,
Z.
Tang
, and
X.
Yi
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
14
,
1647
(
2014
).
35.
K.
Kim
,
D.
Woo
,
J. H.
Park
,
S. G.
Doo
, and
T.
Kim
,
J. Korean Phys. Soc.
54
,
1021
(
2009
).
36.
J.
Vilcarromero
and
F. C.
Marques
,
Appl. Phys. A
70
,
581
(
2000
).
37.
Q.
Yu
,
L. A.
Jauregui
,
W.
Wu
,
R.
Colby
,
J.
Tian
,
Z.
Su
,
H.
Cao
,
Z.
Liu
,
D.
Pandey
,
D.
Wei
,
T. F.
Chung
,
P.
Peng
,
N. P.
Guistinger
,
E. A.
Stach
,
J.
Bao
,
S.-S.
Pei
, and
Y. P.
Chen
,
Nat. Mater.
10
,
443
(
2011
).
38.
A.
Pirkle
,
J.
Chan
,
A.
Venugopal
,
D.
Hinojos
,
C. W.
Magnuson
,
S.
McDonnell
,
L.
Colombo
,
E. M.
Vogel
,
R. S.
Ruoff
, and
R. M.
Wallace
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
122108
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.