The Ni-induced layer-exchange growth of amorphous carbon is a unique method used to fabricate uniform multilayer graphene (MLG) directly on an insulator. To improve the crystal quality of MLG, we prepare AlOx or SiO2 interlayers between amorphous C and Ni layers, which control the extent of diffusion of C atoms into the Ni layer. The growth morphology and Raman spectra observed from MLG formed by layer exchange strongly depend on the material type and thickness of the interlayers; a 1-nm-thick AlOx interlayer is found to be ideal for use in experiments. Transmission electron microscopy and electron energy-loss spectra reveal that the crystal quality of the resulting MLG is much higher than that of a sample without an interlayer. The grain size reaches a few μm, leading to an electrical conductivity of 1290 S/cm. The grain size and the electrical conductivity are the highest among MLG synthesized using a solid-phase reaction including metal-induced crystallization. The direct synthesis of uniform, high-quality MLG on arbitrary substrates will pave the way for advanced electronic devices integrated with carbon materials.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
C. A.
Klein
,
Rev. Mod. Phys.
34
,
56
(
1962
).
3.
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.
Guisinger
,
E. A.
Stach
,
J.
Bao
,
S.-S.
Pei
, and
Y. P.
Chen
,
Nat. Mater.
10
,
443
(
2011
).
4.
C.-Y.
Su
,
A.-Y.
Lu
,
C.-Y.
Wu
,
Y.-T.
Li
,
K.-K.
Liu
,
W.
Zhang
,
S.-Y.
Lin
,
Z.-Y.
Juang
,
Y.-L.
Zhong
,
F.-R.
Chen
, and
L.-J.
Li
,
Nano Lett.
11
,
3612
(
2011
).
5.
T.
Kato
and
R.
Hatakeyama
,
ACS Nano
6
,
8508
(
2012
).
6.
W.-C.
Yen
,
Y.-Z.
Chen
,
C.-H.
Yeh
,
J.-H.
He
,
P.-W.
Chiu
, and
Y.-L.
Chueh
,
Sci. Rep.
4
,
4739
(
2014
).
7.
K.
Murakami
,
S.
Tanaka
,
A.
Hirukawa
,
T.
Hiyama
,
T.
Kuwajima
,
E.
Kano
,
M.
Takeguchi
, and
J.
Fujita
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
093112
(
2015
).
8.
K.
Ueno
,
H.
Ichikawa
, and
T.
Uchida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
04EC13
(
2016
).
9.
H.
Liu
,
S.
Zhu
, and
W.
Jiang
,
J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
27
,
2795
(
2016
).
10.
H. J.
Park
,
B. W.
Ahn
,
T. Y.
Kim
,
J. W.
Lee
,
Y. H.
Jung
,
Y. S.
Choi
,
Y.
Il Song
, and
S. J.
Suh
,
Thin Solid Films
587
,
8
(
2015
).
11.
S.
Biswas
and
L. T.
Drzal
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
2
,
2293
(
2010
).
12.
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
10
,
569
(
2011
).
13.
R.
Murali
,
Y.
Yang
,
K.
Brenner
,
T.
Beck
, and
J. D.
Meindl
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
243114
(
2009
).
14.
Z.
Peng
,
Z.
Yan
,
Z.
Sun
, and
J. M.
Tour
,
ACS Nano
5
,
8241
(
2011
).
15.
J.
Kwak
,
J. H.
Chu
,
J.-K.
Choi
,
S.-D.
Park
,
H.
Go
,
S. Y.
Kim
,
K.
Park
,
S.-D.
Kim
,
Y.-W.
Kim
,
E.
Yoon
,
S.
Kodambaka
, and
S.-Y.
Kwon
,
Nat. Commun.
3
,
645
(
2012
).
16.
K.
Banno
,
M.
Mizuno
,
K.
Fujita
,
T.
Kubo
,
M.
Miyoshi
,
T.
Egawa
, and
T.
Soga
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
082112
(
2013
).
17.
W.
Xiong
,
Y. S.
Zhou
,
W. J.
Hou
,
T.
Guillemet
,
J. F.
Silvain
,
Y.
Gao
,
M.
Lahaye
,
E.
Lebraud
,
S.
Xu
,
X. W.
Wang
,
D. A.
Cullen
,
K. L.
More
,
L.
Jiang
, and
Y. F.
Lu
,
RSC Adv.
5
,
99037
(
2015
).
18.
R.
Vishwakarma
,
M. S.
Rosmi
,
K.
Takahashi
,
Y.
Wakamatsu
,
Y.
Yaakob
,
M. I.
Araby
,
G.
Kalita
,
M.
Kitazawa
, and
M.
Tanemura
,
Sci. Rep.
7
,
43756
(
2017
).
19.
S. J.
Byun
,
H.
Lim
,
G. Y.
Shin
,
T. H.
Han
,
S. H.
Oh
,
J. H.
Ahn
,
H. C.
Choi
, and
T. W.
Lee
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
493
(
2011
).
20.
K.
Gumi
,
Y.
Ohno
,
K.
Maehashi
,
K.
Inoue
, and
K.
Matsumoto
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
51
,
06FD12
(
2012
).
21.
R. S.
Weatherup
,
C.
Baehtz
,
B.
Dlubak
,
B. C.
Bayer
,
P. R.
Kidambi
,
R.
Blume
,
R.
Schloegl
, and
S.
Hofmann
,
Nano Lett.
13
,
4624
(
2013
).
22.
M.
Tamaoki
,
H.
Imaeda
,
S.
Kishimoto
, and
T.
Mizutani
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
183114
(
2013
).
23.
H.
Tanaka
,
S.
Obata
, and
K.
Saiki
,
Carbon
59
,
472
(
2013
).
24.
M.
Sato
,
M.
Takahashi
,
H.
Nakano
,
Y.
Takakuwa
,
M.
Nihei
,
S.
Sato
, and
N.
Yokoyama
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
04EB05
(
2014
).
25.
M.
Kosaka
,
S.
Takano
,
K.
Hasegawa
, and
S.
Noda
,
Carbon
82
,
254
(
2015
).
26.
Q. Q.
Zhuo
,
Q.
Wang
,
Y. P.
Zhang
,
D.
Zhang
,
Q. L.
Li
,
C. H.
Gao
,
Y. Q.
Sun
,
L.
Ding
,
Q. J.
Sun
,
S. D.
Wang
,
J.
Zhong
,
X. H.
Sun
, and
S. T.
Lee
,
ACS Nano
9
,
594
(
2015
).
27.
J.
Yamada
,
Y.
Ueda
,
T.
Maruyama
, and
S.
Naritsuka
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
100302
(
2016
).
28.
O.
Nast
,
T.
Puzzer
,
L. M.
Koschier
,
A. B.
Sproul
, and
S. R.
Wenham
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
3214
(
1998
).
29.
M.
Kurosawa
,
N.
Kawabata
,
T.
Sadoh
, and
M.
Miyao
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
132103
(
2009
).
30.
Z.
Wang
,
L.
Gu
,
L. P. H.
Jeurgens
,
F.
Phillipp
, and
E. J.
Mittemeijer
,
Nano Lett.
12
,
6126
(
2012
).
31.
B. I.
Birajdar
,
T.
Antesberger
,
B.
Butz
,
M.
Stutzmann
, and
E.
Spiecker
,
Scr. Mater.
66
,
550
(
2012
).
32.
R.
Numata
,
K.
Toko
,
N.
Saitoh
,
N.
Yoshizawa
,
N.
Usami
, and
T.
Suemasu
,
Cryst. Growth Des.
13
,
1767
(
2013
).
33.
K.
Toko
,
R.
Numata
,
N.
Saitoh
,
N.
Yoshizawa
,
N.
Usami
, and
T.
Suemasu
,
J. Appl. Phys.
115
,
094301
(
2014
).
34.
K.
Toko
,
M.
Kurosawa
,
N.
Saitoh
,
N.
Yoshizawa
,
N.
Usami
,
M.
Miyao
, and
T.
Suemasu
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
072106
(
2012
).
35.
K.
Toko
,
K.
Nakazawa
,
N.
Saitoh
,
N.
Yoshizawa
,
N.
Usami
, and
T.
Suemasu
,
Cryst. Growth Des.
13
,
3908
(
2013
).
36.
J.-H.
Park
,
K.
Kasahara
,
K.
Hamaya
,
M.
Miyao
, and
T.
Sadoh
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
252110
(
2014
).
37.
K.
Toko
,
R.
Numata
,
N.
Oya
,
N.
Fukata
,
N.
Usami
, and
T.
Suemasu
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
022106
(
2014
).
38.
H.
Higashi
,
K.
Kasahara
,
K.
Kudo
,
H.
Okamoto
,
K.
Moto
,
J.-H.
Park
,
S.
Yamada
,
T.
Kanashima
,
M.
Miyao
,
I.
Tsunoda
, and
K.
Hamaya
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
041902
(
2015
).
39.
T.
Sadoh
,
J.
Park
,
R.
Aoki
, and
M.
Miyao
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
03CB01
(
2016
).
40.
K.
Toko
,
K.
Kusano
,
M.
Nakata
, and
T.
Suemasu
,
J. Appl. Phys.
122
,
155305
(
2017
).
41.
H.
Murata
,
K.
Toko
, and
T.
Suemasu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
05DE03
(
2017
).
42.
H.
Murata
,
K.
Toko
,
N.
Saitoh
,
N.
Yoshizawa
, and
T.
Suemasu
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
33108
(
2017
).
43.
P. K.
Chu
and
L.
Li
,
Mater. Chem. Phys.
96
,
253
(
2006
).
You do not currently have access to this content.