[학위논문]APCVD를 이용한 고품질 단층 그래핀 합성과 N2 플라즈마를 이용한 N-doped 그래핀에 대한 연구 A Study on synthesizing high-quality graphene by APCVD and N-doped graphene by N2 plasma treatment원문보기
그래핀은 sp2 탄소결합으로 육각형 모양의 2차원 단층 물질로써, 일반적인 물질들과 비교하여 그래핀만의 독특한 성질들을 지니고 있어서 이의 제조 및 응용분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀의 독특한 성질들로는 낮은 면 저항, 높은 광 투고도, 우수한 flexiblity, 강한 ...
그래핀은 sp2 탄소결합으로 육각형 모양의 2차원 단층 물질로써, 일반적인 물질들과 비교하여 그래핀만의 독특한 성질들을 지니고 있어서 이의 제조 및 응용분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀의 독특한 성질들로는 낮은 면 저항, 높은 광 투고도, 우수한 flexiblity, 강한 기계적 강도 등이 있다. 이러한 장점들 때문에 TCO박막 대체, FET, flexible electronic 등 다양한 응용분야가 있다. 고진공 CVD 장비에서 단층 그래핀을 합성하는 연구가 먼저 진행이 되었고 점차 진공도가 낮아져서 저진공 CVD 장비를 걸쳐 대기압 CVD 장비에서 고품질의 단층 그래핀 합성 연구가 진행되었다. 공정 장비에서 진공장비 부분이 생략된다는 것은 경제적 효과가 매우 크다. 또한 이렇게 가공된 그래핀은 band gap이 ‘0’이므로 반도체 소자에 바로 적용하기에는 문제가 많아서 소자에 맞는 물성으로 변형시켜줄 필요가 있다. 따라서 많은 연구자들이 다양한 방법으로 N-doped graphene (NG)을 얻는 연구가 진행되었다. 그래핀 옥사이드를 NH3 분위기에서 annealing하거나, CVD 법으로 성장 시 NH3 가스 첨가, ammonia, hydrazine, melamine 등을 첨가하여 그래핀 옥사이드를 hydrothermal reduction을 하는 방법 등을 제시하였지만 이러한 방법에는 단점이 있다. 독성을 지녔거나 환경을 오염시킨다. 또한 장비가 상대적으로 비싸다. 따라서 독성이 없는 물질로 비교적 경제적이며 쉬운 방법으로 N-doped 그래핀을 얻는 연구는 필요로 한다. 본 연구에서는 non-vacuum AP-CVD 장비를 이용하여 low CH4-high H2의 최적화된 조건으로 고품질의 단층 그래핀을 합성해서 ICP장비를 이용하여 N2 플라즈마 처리를 해서 N-doped 그래핀을 얻었다. Raman spectroscopy과 FE-SEM 이미지와 UV-visble spectroscopy와 4-point probe 방법을 통해서, 그래핀의 두께, 크기, 광 투과도, 면 저항 등의 품질을 확인하였고, XPS 분석을 이용하여 N-doped 그래핀 표면의 화학 결합의 변화와 atomic concentration을 분석함으로써 N atom의 도핑여부를 확인하였다.
그래핀은 sp2 탄소결합으로 육각형 모양의 2차원 단층 물질로써, 일반적인 물질들과 비교하여 그래핀만의 독특한 성질들을 지니고 있어서 이의 제조 및 응용분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀의 독특한 성질들로는 낮은 면 저항, 높은 광 투고도, 우수한 flexiblity, 강한 기계적 강도 등이 있다. 이러한 장점들 때문에 TCO 박막 대체, FET, flexible electronic 등 다양한 응용분야가 있다. 고진공 CVD 장비에서 단층 그래핀을 합성하는 연구가 먼저 진행이 되었고 점차 진공도가 낮아져서 저진공 CVD 장비를 걸쳐 대기압 CVD 장비에서 고품질의 단층 그래핀 합성 연구가 진행되었다. 공정 장비에서 진공장비 부분이 생략된다는 것은 경제적 효과가 매우 크다. 또한 이렇게 가공된 그래핀은 band gap이 ‘0’이므로 반도체 소자에 바로 적용하기에는 문제가 많아서 소자에 맞는 물성으로 변형시켜줄 필요가 있다. 따라서 많은 연구자들이 다양한 방법으로 N-doped graphene (NG)을 얻는 연구가 진행되었다. 그래핀 옥사이드를 NH3 분위기에서 annealing하거나, CVD 법으로 성장 시 NH3 가스 첨가, ammonia, hydrazine, melamine 등을 첨가하여 그래핀 옥사이드를 hydrothermal reduction을 하는 방법 등을 제시하였지만 이러한 방법에는 단점이 있다. 독성을 지녔거나 환경을 오염시킨다. 또한 장비가 상대적으로 비싸다. 따라서 독성이 없는 물질로 비교적 경제적이며 쉬운 방법으로 N-doped 그래핀을 얻는 연구는 필요로 한다. 본 연구에서는 non-vacuum AP-CVD 장비를 이용하여 low CH4-high H2의 최적화된 조건으로 고품질의 단층 그래핀을 합성해서 ICP장비를 이용하여 N2 플라즈마 처리를 해서 N-doped 그래핀을 얻었다. Raman spectroscopy과 FE-SEM 이미지와 UV-visble spectroscopy와 4-point probe 방법을 통해서, 그래핀의 두께, 크기, 광 투과도, 면 저항 등의 품질을 확인하였고, XPS 분석을 이용하여 N-doped 그래핀 표면의 화학 결합의 변화와 atomic concentration을 분석함으로써 N atom의 도핑여부를 확인하였다.
Graphene is a two dimensional material of sp2 bonded carbon atoms and has been focused on the unique properties of graphene because of their high optical transmittance, low sheet resistance, high mechanical strength, flexibility, and chemical stability. Graphene has many applications such as flexibl...
Graphene is a two dimensional material of sp2 bonded carbon atoms and has been focused on the unique properties of graphene because of their high optical transmittance, low sheet resistance, high mechanical strength, flexibility, and chemical stability. Graphene has many applications such as flexible electronics, optical devices, sensor, and transistor. The synthesis of high quality graphene is necessary for applying graphene as electronic devices. In the past several years, growth of graphene film using chemical vapor deposition (CVD) has been investigated. There are many advantage of synthesizing graphene by CVD. Synthesizing graphene by CVD typically involves a vacuum system; however, non-vacuum methods have been studied for synthesis of large area graphene because of economic advantages and reduced processing time. The size of graphene grains grown on Cu foils by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) is still smaller than for graphene grown by low pressure CVD or high vacuum CVD. It is necessary to determine the process parameters affecting graphene grown by APCVD, in order to improve its properties. In addition, control of the number of graphene layers will enable applications requiring mono-, bi-, tri- and even thicker layers of graphene. In this work, we studied the influence of changing APCVD parameters on properties of the graphene grown, and on control of the number of graphene layers. We found that a high ratio of hydrogen to methane affected the shape and size of the synthesized graphene grains. Graphene grain size and crystal shape were analyzed by Raman spectroscopy and FE-SEM. Graphene films were analyzed by their Raman and ultraviolet-visible spectroscopy to determine number of graphene layers produced. N atom was doped into the graphene synthesized by AP-CVD by using the N2 plasma treatment because of opening band gap. N-doped graphene changed to n-type because of electron of valence band of N atom. N-doped graphene was analyzed by XPS spectroscopy to confirm change of chemical bond of N-doped graphene and atomic percentage of N-doped graphene.
Graphene is a two dimensional material of sp2 bonded carbon atoms and has been focused on the unique properties of graphene because of their high optical transmittance, low sheet resistance, high mechanical strength, flexibility, and chemical stability. Graphene has many applications such as flexible electronics, optical devices, sensor, and transistor. The synthesis of high quality graphene is necessary for applying graphene as electronic devices. In the past several years, growth of graphene film using chemical vapor deposition (CVD) has been investigated. There are many advantage of synthesizing graphene by CVD. Synthesizing graphene by CVD typically involves a vacuum system; however, non-vacuum methods have been studied for synthesis of large area graphene because of economic advantages and reduced processing time. The size of graphene grains grown on Cu foils by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) is still smaller than for graphene grown by low pressure CVD or high vacuum CVD. It is necessary to determine the process parameters affecting graphene grown by APCVD, in order to improve its properties. In addition, control of the number of graphene layers will enable applications requiring mono-, bi-, tri- and even thicker layers of graphene. In this work, we studied the influence of changing APCVD parameters on properties of the graphene grown, and on control of the number of graphene layers. We found that a high ratio of hydrogen to methane affected the shape and size of the synthesized graphene grains. Graphene grain size and crystal shape were analyzed by Raman spectroscopy and FE-SEM. Graphene films were analyzed by their Raman and ultraviolet-visible spectroscopy to determine number of graphene layers produced. N atom was doped into the graphene synthesized by AP-CVD by using the N2 plasma treatment because of opening band gap. N-doped graphene changed to n-type because of electron of valence band of N atom. N-doped graphene was analyzed by XPS spectroscopy to confirm change of chemical bond of N-doped graphene and atomic percentage of N-doped graphene.
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