Electrical Studies on Low-Dimensional Nanomaterial Based Stacking Structures Prepared by Micro Transfer Methods : 마이크로 전사 방법으로 제작한 저차원 나노물질 기반 적층구조의 전기적 특성 연구원문보기
이 학위논문에서는 저차원 나노물질의 적층 구조에 대한 전기적 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 그래핀, 육각질화붕소, 갈륨비소기반 나노선, 유기분자, 그리고 이들의 적층 구조를 사용하였다.
이러한 저차원 나노물질의 적층 구조에 나타나는 전기적 특성을 이해하기 위해서는, 각 차원의 나노물질을 고유의 물리적 특성을 망가뜨리지 않고 포개야만 했다. 따라서 서로 다른 저차원 나노물질을 쌓아올리기 위해서, 여러 저차원 물질을 본래 놓인 기판에서 다른 기판으로 조심스럽게 옮기는 과정이 반드시 필요하였다. 우리는 이러한 적층 구조를 만들기 위해서, polymethylmethacrylate (PMMA)를 전달자로 사용하는 마이크로 전사 방법을 개발하였다. 이 전사 방법은 젖음방지 전사 방법을 거쳐 거쳐 ...
이 학위논문에서는 저차원 나노물질의 적층 구조에 대한 전기적 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 그래핀, 육각질화붕소, 갈륨비소기반 나노선, 유기분자, 그리고 이들의 적층 구조를 사용하였다.
이러한 저차원 나노물질의 적층 구조에 나타나는 전기적 특성을 이해하기 위해서는, 각 차원의 나노물질을 고유의 물리적 특성을 망가뜨리지 않고 포개야만 했다. 따라서 서로 다른 저차원 나노물질을 쌓아올리기 위해서, 여러 저차원 물질을 본래 놓인 기판에서 다른 기판으로 조심스럽게 옮기는 과정이 반드시 필요하였다. 우리는 이러한 적층 구조를 만들기 위해서, polymethylmethacrylate (PMMA)를 전달자로 사용하는 마이크로 전사 방법을 개발하였다. 이 전사 방법은 젖음방지 전사 방법을 거쳐 거쳐 소수성 기판을 이용한 건조분리 전사 방법까지, 불순물을 다량으로 포함하고 있는 젖은 공정에 저차원 물질이 직접적으로 노출되지 않도록 진화하였다. 이에 따라 두 물질의 경계면에 존재하는 불순물로 인한 의도하지 않은 효과들을 배제하고, 적층 구조가 가지는 본연의 전기적 특성을 측정할 수 있게 되었다.
마이크로 전사 방법을 실제 적층 구조를 만드는데 사용할 수 있다는 본 연구의 주장을 검증하기 위해서, 먼저 비틀리게 겹쳐진 두 겹 그래핀, 그리고 그래핀/육각질화붕소/그래핀과 같은 이차원 나노물질의 적층 구조를 제작하는데 이 기술을 적용하였다. 이때 각 물질의 겹 수와 겹쳐진 부분의 층간 결합에 대한 정보를 얻기 위해 라만 분광학을 이용하였다. 비틀리게 겹쳐진 두 겹 그래핀의 경우, 포갠 부분의 전기적 특성을 저온에서 측정하여, 비틀림에 의해 두 층간의 전자적 결합이 감소하고, 결맞음이 깨져 양자역학적 터널링이 수직 방향 전도 현상의 주요 메커니즘인 것을 확인하였다. 이렇듯 결맞음이 깨진 상태의 두 겹 그래핀 사이에 단일 겹 육각질화붕소를 끼워넣어 두 층을 원자크기만큼 벌렸을 때 층간 결합의 변화 양상을 연구하기 위해 그래핀/육각질화붕소/그래핀 구조를 디자인하였다. 우리가 개발한 전사 기술을 이용하여, 비틀려 겹쳐진 두 겹 그래핀의 일부분에만 육각질화붕소가 삽입된 구조를 제작하고, 각 영역에서 두 그래핀을 원자크기만큼 떨어뜨린 효과에 대해 분석하기 위해 라만 연구를 수행하였다.
일차원 나노물질의 적층 구조를 제작하기에 앞서 일차원 나노선의 전기적 특성을 공부하기 위해, 성장 과정에서 축 방향을 따라 구성 성분이 자기 유도적으로 변화한 갈륨비소안티몬 나노선의 정류 특성을 분석하는 연구를 먼저 수행하였다. 라만 분광학과 전기적 측정의 결과들을 함께 살펴봄으로써 정류 특성의 원인이 나노선의 축 방향을 따라서 자기 유도적으로 변화한 안티몬 및 전하 밀도와 관련되어 있다는 것을 발견하였다. 더 나아가서, 인시츄 라만-광전류 이미징 시스템을 구성하여, 갈륨비소나노선에서 자기 유도적으로 변화한 구성성분이 어떤 방식으로 전극-나노선의 쇼트키 접촉에 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다. 위 실험들을 진행하면서 얻은 경험을 바탕으로, 갈륨비소 나노선을 그래핀 위에 전사하여 갈륨비소 나노선-그래핀 접합 소자를 제작하고, 소자의 정류 특성을 이해하기 위해 전기적, 광전자적 측정을 수행하였다.
분자 형태로서 영차원에 가까운 유기물을 기반으로 하는 적층 구조 및 전자 소자 제작을 위해서, 마이크로 전사 방법을 응용한 스텐실 나노 리소그래피를 개발하였다. 패턴 형태의 구멍을 가진 채로 공중에 매달린 PMMA 막을 유기물 채널 및 상단 전극을 형성하기 위한 그림자 마스크로서 사용하여, 마이크로부터 나노크기까지 채널 길이를 조절하여 배열된 펜타센 전계 효과 트랜지스터를 일괄 생산하는데 성공하였다. 전기적 측정으로 모든 소자에서 금속과 유기물 간의 전기적 접촉이 안정적이며, 하단 접촉 방식의 기존 유기 전자소자보다 접촉 저항이 상대적으로 낮은 것을 확인하였다. 또한 채널 길이에 의존하는 전하 이동도 및 이력 현상을 분석하여 공간 전하 제한 전류로 인한 비례 축소 효과를 조사하였다.
이 새로운 리소그래피 방법은 폴리머 기판 위에 성장시킨 PTCDI-C5 유기물 나노선으로 유기물 트랜지스터를 만드는데도 응용되었다. 펜타센 트랜지스터와는 대조적으로, PTCDI-C5 트랜지스터에서는 상대적으로 높은 접촉 저항 및 마이크로미터 이하의 채널에서도 공간 전하 제한 전류가 억제되는 것을 확인하였다. 펜타센/C60/펜타센 이종구조를 기반으로 스핀 밸브 소자를 제작하고, 수평방향의 스핀 전도를 관찰하려 시도하였다. 마침내, 펜타센 필름 그리고 펜타센/C60/펜타센 이종구조를 육각질화붕소 기판 위에 쌓아올림으로써 유기물과 무기물 나노물질로 이루어진 적층 구조를 실현하였다. 전기적 측정과 주사탐침현미경을 이용하여 수평방향의 전하 전도와 육각질화붕소 기판에서 일어나는 펜타센의 자기조립 구조 사이의 관계를 고찰하였다.
이 학위논문에서는 저차원 나노물질의 적층 구조에 대한 전기적 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 그래핀, 육각질화붕소, 갈륨비소기반 나노선, 유기분자, 그리고 이들의 적층 구조를 사용하였다.
이러한 저차원 나노물질의 적층 구조에 나타나는 전기적 특성을 이해하기 위해서는, 각 차원의 나노물질을 고유의 물리적 특성을 망가뜨리지 않고 포개야만 했다. 따라서 서로 다른 저차원 나노물질을 쌓아올리기 위해서, 여러 저차원 물질을 본래 놓인 기판에서 다른 기판으로 조심스럽게 옮기는 과정이 반드시 필요하였다. 우리는 이러한 적층 구조를 만들기 위해서, polymethylmethacrylate (PMMA)를 전달자로 사용하는 마이크로 전사 방법을 개발하였다. 이 전사 방법은 젖음방지 전사 방법을 거쳐 거쳐 소수성 기판을 이용한 건조분리 전사 방법까지, 불순물을 다량으로 포함하고 있는 젖은 공정에 저차원 물질이 직접적으로 노출되지 않도록 진화하였다. 이에 따라 두 물질의 경계면에 존재하는 불순물로 인한 의도하지 않은 효과들을 배제하고, 적층 구조가 가지는 본연의 전기적 특성을 측정할 수 있게 되었다.
마이크로 전사 방법을 실제 적층 구조를 만드는데 사용할 수 있다는 본 연구의 주장을 검증하기 위해서, 먼저 비틀리게 겹쳐진 두 겹 그래핀, 그리고 그래핀/육각질화붕소/그래핀과 같은 이차원 나노물질의 적층 구조를 제작하는데 이 기술을 적용하였다. 이때 각 물질의 겹 수와 겹쳐진 부분의 층간 결합에 대한 정보를 얻기 위해 라만 분광학을 이용하였다. 비틀리게 겹쳐진 두 겹 그래핀의 경우, 포갠 부분의 전기적 특성을 저온에서 측정하여, 비틀림에 의해 두 층간의 전자적 결합이 감소하고, 결맞음이 깨져 양자역학적 터널링이 수직 방향 전도 현상의 주요 메커니즘인 것을 확인하였다. 이렇듯 결맞음이 깨진 상태의 두 겹 그래핀 사이에 단일 겹 육각질화붕소를 끼워넣어 두 층을 원자크기만큼 벌렸을 때 층간 결합의 변화 양상을 연구하기 위해 그래핀/육각질화붕소/그래핀 구조를 디자인하였다. 우리가 개발한 전사 기술을 이용하여, 비틀려 겹쳐진 두 겹 그래핀의 일부분에만 육각질화붕소가 삽입된 구조를 제작하고, 각 영역에서 두 그래핀을 원자크기만큼 떨어뜨린 효과에 대해 분석하기 위해 라만 연구를 수행하였다.
일차원 나노물질의 적층 구조를 제작하기에 앞서 일차원 나노선의 전기적 특성을 공부하기 위해, 성장 과정에서 축 방향을 따라 구성 성분이 자기 유도적으로 변화한 갈륨비소안티몬 나노선의 정류 특성을 분석하는 연구를 먼저 수행하였다. 라만 분광학과 전기적 측정의 결과들을 함께 살펴봄으로써 정류 특성의 원인이 나노선의 축 방향을 따라서 자기 유도적으로 변화한 안티몬 및 전하 밀도와 관련되어 있다는 것을 발견하였다. 더 나아가서, 인시츄 라만-광전류 이미징 시스템을 구성하여, 갈륨비소나노선에서 자기 유도적으로 변화한 구성성분이 어떤 방식으로 전극-나노선의 쇼트키 접촉에 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였다. 위 실험들을 진행하면서 얻은 경험을 바탕으로, 갈륨비소 나노선을 그래핀 위에 전사하여 갈륨비소 나노선-그래핀 접합 소자를 제작하고, 소자의 정류 특성을 이해하기 위해 전기적, 광전자적 측정을 수행하였다.
분자 형태로서 영차원에 가까운 유기물을 기반으로 하는 적층 구조 및 전자 소자 제작을 위해서, 마이크로 전사 방법을 응용한 스텐실 나노 리소그래피를 개발하였다. 패턴 형태의 구멍을 가진 채로 공중에 매달린 PMMA 막을 유기물 채널 및 상단 전극을 형성하기 위한 그림자 마스크로서 사용하여, 마이크로부터 나노크기까지 채널 길이를 조절하여 배열된 펜타센 전계 효과 트랜지스터를 일괄 생산하는데 성공하였다. 전기적 측정으로 모든 소자에서 금속과 유기물 간의 전기적 접촉이 안정적이며, 하단 접촉 방식의 기존 유기 전자소자보다 접촉 저항이 상대적으로 낮은 것을 확인하였다. 또한 채널 길이에 의존하는 전하 이동도 및 이력 현상을 분석하여 공간 전하 제한 전류로 인한 비례 축소 효과를 조사하였다.
이 새로운 리소그래피 방법은 폴리머 기판 위에 성장시킨 PTCDI-C5 유기물 나노선으로 유기물 트랜지스터를 만드는데도 응용되었다. 펜타센 트랜지스터와는 대조적으로, PTCDI-C5 트랜지스터에서는 상대적으로 높은 접촉 저항 및 마이크로미터 이하의 채널에서도 공간 전하 제한 전류가 억제되는 것을 확인하였다. 펜타센/C60/펜타센 이종구조를 기반으로 스핀 밸브 소자를 제작하고, 수평방향의 스핀 전도를 관찰하려 시도하였다. 마침내, 펜타센 필름 그리고 펜타센/C60/펜타센 이종구조를 육각질화붕소 기판 위에 쌓아올림으로써 유기물과 무기물 나노물질로 이루어진 적층 구조를 실현하였다. 전기적 측정과 주사탐침현미경을 이용하여 수평방향의 전하 전도와 육각질화붕소 기판에서 일어나는 펜타센의 자기조립 구조 사이의 관계를 고찰하였다.
In this thesis, electrical properties of stacking structure of low-dimensional nanomaterials (LDNMs) were studied. Various LDNMs including graphene, hexagonal boron nitride (hBN), GaAs-based nanowires (NWs), organic molecules, and their stacking structures were employed for this study.
To unders...
In this thesis, electrical properties of stacking structure of low-dimensional nanomaterials (LDNMs) were studied. Various LDNMs including graphene, hexagonal boron nitride (hBN), GaAs-based nanowires (NWs), organic molecules, and their stacking structures were employed for this study.
To understand the electrical properties for the stacking structure of LDNMs, it is required to overlap the LDNM without introducing damage or modifying their intrinsic physical properties. Therefore, the LDNMs under study must be safely transferred from the original position on a substrate to another substrate to build up layers of different LDNMs. To make a stacking structure of LDNMs, we developed the micro transfer method using a polymethylmethacrylate(PMMA) layer as a transfer medium for LDNMs. This transfer technique has been gradually evolved out, through the development of the wet-free transfer method, to the dry-release transfer method using a hydrophobic substrate. These methods effectively excluded the exposure of LDNMs directly as in the standard wet processes, which is suspected to be as a reservoir of impurities. Therefore, the unique electrical properties of stacking structures, fabricated using our technique, could be measured without unintentional effects that are caused by the impurities at the interface.
To confirm our claim that the micro transfer methods can be used to realize the stacking structures, it was firstly applied to fabricate stacking structures of two-dimensional nanomaterials such as twisted bilayer graphene and graphene/mono-hBN/graphene (G/hBN/G). Raman spectroscopy was used to verify the number of each layer and investigate the interlayer coupling of the junctions. In the case of the twisted bilayer graphene, the electrical property of the overlapped region was explored at low temperature and it was found that the graphene layers are significantly decoupled by the rotation between them and the incoherent conduction was revealed as a main transport channel in the vertical direction. The G/hBN/G heterostructure was designed to study the interlayer coupling, when the distance between the layers is increased in atomic-scale, by inserting the monolayer of hBN. Using our transfer techniques, the structure was successfully realized so that the two regions for each twisted bilayer graphene and G/hBN/G were formed on one sample and Raman study was carried out at each position to analyze the effect of the atomic spacer between twisted bilayer graphene.
For one-dimensional nanomaterials, electrical studies for analyzing the unidirectional propagation effect of GaAsSb nanowires with self-induced compositional variation were firstly performed. Combining the results from Raman spectroscopy and electrical measurements, the origin of the rectifying behavior was found to be associated with a self-induced variation of the Sb and the carrier concentrations in the NW. Further investigations to understand how the Schottky contact is affected by the self-induced compositional variation were carried out by using an in-situ Raman-photocurrent imaging system, developed as part of this thesis. Secondly, the stacking structure between one-dimensional nanowire and two-dimensional nanomaterial was realized by fabricating the cross junction of GaAs nanowire-graphene. To understand their rectifying behavior, the electrical and the optoelectronic measurements were conducted.
Micro transfer method provided the fundamental idea for the development of a new stencil lithography technique that can be used to fabricate organic-material-based electronic devices and stacking structures with sub-micron resolution. Suspended PMMA membranes with apertures were used as shadow masks for defining organic channels and top electrodes. Arrays of pentacene field effect transistors (FETs) with various channel lengths from 50 μm down to 500 nm were successfully produced from the same batch using this technique. Electrical transport measurements showed that the electrical contacts of all devices were stable and the normalized contact resistances were much lower than previously studied organic FETs with the bottom contact. Scaling effects, originating from the bulk space charge current, were investigated by analyzing the channel-length-dependent mobility and hysteresis behaviors.
This novel lithography method was also used to fabricate organic FETs using the PTCDI-C5 organic nanowire, synthesized on the polymer substrate. In contrast to the pentacene FETs, relatively high contact resistance and the suppresion of space charge limited current were confirmed even under submicron-scale channel lengths in the PTCDI-C5 FETs. The observation of lateral spin-transport was tried in the spin-valve device based on the pentacene/C60/pentacene(Pn/C60/Pn) heterostructure. Finally, the stacking structure of the organic and inorganic nanomaterials were fulfilled by stacking the pentacene film and the Pn/C60/Pn structure on the hBN substrate. The relation between the lateral charge transport and the assembled structure of the pentacene on the hBN substrate was investigated by the electrical measurement and the scanning probe microscope.
In this thesis, electrical properties of stacking structure of low-dimensional nanomaterials (LDNMs) were studied. Various LDNMs including graphene, hexagonal boron nitride (hBN), GaAs-based nanowires (NWs), organic molecules, and their stacking structures were employed for this study.
To understand the electrical properties for the stacking structure of LDNMs, it is required to overlap the LDNM without introducing damage or modifying their intrinsic physical properties. Therefore, the LDNMs under study must be safely transferred from the original position on a substrate to another substrate to build up layers of different LDNMs. To make a stacking structure of LDNMs, we developed the micro transfer method using a polymethylmethacrylate(PMMA) layer as a transfer medium for LDNMs. This transfer technique has been gradually evolved out, through the development of the wet-free transfer method, to the dry-release transfer method using a hydrophobic substrate. These methods effectively excluded the exposure of LDNMs directly as in the standard wet processes, which is suspected to be as a reservoir of impurities. Therefore, the unique electrical properties of stacking structures, fabricated using our technique, could be measured without unintentional effects that are caused by the impurities at the interface.
To confirm our claim that the micro transfer methods can be used to realize the stacking structures, it was firstly applied to fabricate stacking structures of two-dimensional nanomaterials such as twisted bilayer graphene and graphene/mono-hBN/graphene (G/hBN/G). Raman spectroscopy was used to verify the number of each layer and investigate the interlayer coupling of the junctions. In the case of the twisted bilayer graphene, the electrical property of the overlapped region was explored at low temperature and it was found that the graphene layers are significantly decoupled by the rotation between them and the incoherent conduction was revealed as a main transport channel in the vertical direction. The G/hBN/G heterostructure was designed to study the interlayer coupling, when the distance between the layers is increased in atomic-scale, by inserting the monolayer of hBN. Using our transfer techniques, the structure was successfully realized so that the two regions for each twisted bilayer graphene and G/hBN/G were formed on one sample and Raman study was carried out at each position to analyze the effect of the atomic spacer between twisted bilayer graphene.
For one-dimensional nanomaterials, electrical studies for analyzing the unidirectional propagation effect of GaAsSb nanowires with self-induced compositional variation were firstly performed. Combining the results from Raman spectroscopy and electrical measurements, the origin of the rectifying behavior was found to be associated with a self-induced variation of the Sb and the carrier concentrations in the NW. Further investigations to understand how the Schottky contact is affected by the self-induced compositional variation were carried out by using an in-situ Raman-photocurrent imaging system, developed as part of this thesis. Secondly, the stacking structure between one-dimensional nanowire and two-dimensional nanomaterial was realized by fabricating the cross junction of GaAs nanowire-graphene. To understand their rectifying behavior, the electrical and the optoelectronic measurements were conducted.
Micro transfer method provided the fundamental idea for the development of a new stencil lithography technique that can be used to fabricate organic-material-based electronic devices and stacking structures with sub-micron resolution. Suspended PMMA membranes with apertures were used as shadow masks for defining organic channels and top electrodes. Arrays of pentacene field effect transistors (FETs) with various channel lengths from 50 μm down to 500 nm were successfully produced from the same batch using this technique. Electrical transport measurements showed that the electrical contacts of all devices were stable and the normalized contact resistances were much lower than previously studied organic FETs with the bottom contact. Scaling effects, originating from the bulk space charge current, were investigated by analyzing the channel-length-dependent mobility and hysteresis behaviors.
This novel lithography method was also used to fabricate organic FETs using the PTCDI-C5 organic nanowire, synthesized on the polymer substrate. In contrast to the pentacene FETs, relatively high contact resistance and the suppresion of space charge limited current were confirmed even under submicron-scale channel lengths in the PTCDI-C5 FETs. The observation of lateral spin-transport was tried in the spin-valve device based on the pentacene/C60/pentacene(Pn/C60/Pn) heterostructure. Finally, the stacking structure of the organic and inorganic nanomaterials were fulfilled by stacking the pentacene film and the Pn/C60/Pn structure on the hBN substrate. The relation between the lateral charge transport and the assembled structure of the pentacene on the hBN substrate was investigated by the electrical measurement and the scanning probe microscope.
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