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화학기상증착법을 이용한 그래핀의 물성 조절: 그래핀과 질소-도핑된 그래핀
Controlling the Properties of Graphene using CVD Method: Pristine and N-doped Graphene 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.1 no.1, 2015년, pp.169 - 174  

박상준 (Department of Physics and Graphene Research Institute, Sejong University) ,  이임복 (Department of Physics and Graphene Research Institute, Sejong University) ,  배동재 (Department of Physics and Graphene Research Institute, Sejong University) ,  남정태 (Department of Physics and Graphene Research Institute, Sejong University) ,  박병준 (KEPCO Research institute, Korea Electric Power Corporation) ,  한영희 (KEPCO Research institute, Korea Electric Power Corporation) ,  김근수 (KEPCO Research institute, Korea Electric Power Corporation)

초록
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본 연구에서는 그래핀의 인위적인 합성방법인 화학기상증착법을 활용하여 합성 파라미터들을 변화시켜줌으로써 그래핀의 물성을 조절하는 연구를 수행하였다. 먼저, 메탄가스를 탄소원으로 순수 그래핀을 합성하였고, 액상의 피리딘을 원료로 사용하여 질소가 도핑된 그래핀을 합성하였다. 각각의 그래핀의 물성은 라만 분광법, X선 광전자 분광법(XPS)을 통한 기초 광물성 측정과 게이트 전압에 따른 그래핀 채널의 전류-전압 응답특성을 통한 전기적 수송현상 측정에 의해 평가되었다. 메탄가스로 합성된 그래핀의 라만 분광 스펙트럼에서는 G-peak과 2D-peak가 선명히 보였고, XPS에서 C1s-peak가 선명하였고, 아울러 전하중성점은 게이트 전압 약 +4 V 정도에서 나타났다. 피리딘을 원료로 합성된 그래핀의 라만 분광 스펙트럼에서는 D-peak, G-peak 그리고 다소 약해진 2D-peak 등이 보였고, XPS에서는 C1s-peak은 물론 N1s-peak도 나타났으며, 전하중성점은 게이트 전압 약 -96 V 정도에서 나타났다. 결과적으로 우리는 화학기상증착법을 활용하여 그래핀의 물성을 성공적으로 조절하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this research, pristine graphene was synthesized using methane ($CH_4$) gas, and N-doped graphene was synthesized using pyridine ($C_5H_5N$) liquid source by chemical vapor deposition (CVD) method. Basic optical properties of both pristine and N-doped graphene were investiga...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 화학기상증착법은 밀폐된 챔버 안에 원하는 소재의 구성원소를 기상으로 공급하여 원하는 기판에 다시 고체상의소재를 합성하는 기술로 보통 0차원, 1차원, 2차원, 3차원의 다차원 나노소재를 합성하고자 할 경우 쓰이는 전형적인 소재합성 방법들 중 하나이다. 본 연구에서는 대면적 그래핀의 물성을 조절하기 위하여 화학기상증착법에 의한 그래핀의 합성시, 주요한 파라미터들을 조절함으로써 순수 그래핀과 도핑된 그래핀 합성을 시도하고 기초적인 광물성과 전기물성을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 원하는 소재를 디자인하여 인위적으로 합성할 수 있는 방법인 화학기상증착법을 활용하여 그래핀을 합성하여 물성을 조절하는 연구를 수행하였다.
  • 이에 본 연구에서는 그래핀의 인위적인 합성방법인 화학기상증착법을 활용하여 합성 파라미터들을 변화시켜줌으로써 그래핀의 물성을 조절하는 연구를 수행하였다. 먼저, 메탄가스를 탄소원으로 구리 호일 위에 고품질의 순수 그래핀을 합성하였고, 액상의 피리딘을 원료로 사용하여 질소가 도핑된 그래핀을 합성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
그래핀이란 무엇인가? 그래핀은 벌집모양의 육각형 판상구조를 가진 탄소 동소체중의 하나로써, 최근 폭발적으로 연구되고 있는 이차원 물질연구의 기폭제 역할을 한 물질이다. 그래핀은 우리가 일반적으로 많이 사용해온 연필심이나 샤프심의 원료인 흑연을 이루고 있는 기본 구성물질이다. 흑연은 층상구조를 가진 물질로, 그 흑연 층상 구조의 한층에 해당하는 물질이 바로 그래핀이다. 사실, 그래핀은 오래 전부터 이론적으로 연구가 되어 그 물성이 우수할 것이라고 예상이 되어왔으나, 실험적으로는 증명이 되지 못했었다.
화학기상증착법이란 무엇인가? 화학기상증착법은 밀폐된 챔버 안에 원하는 소재의 구성원소를 기상으로 공급하여 원하는 기판에 다시 고체상의소재를 합성하는 기술로 보통 0차원, 1차원, 2차원, 3차원의 다차원 나노소재를 합성하고자 할 경우 쓰이는 전형적인 소재합성 방법들 중 하나이다. 본 연구에서는 대면적 그래핀의 물성을 조절하기 위하여 화학기상증착 법에 의한 그래핀의 합성시, 주요한 파라미터들을 조절 함으로써 순수 그래핀과 도핑된 그래핀 합성을 시도하고 기초적인 광물성과 전기물성을 평가하였다.
순수 그래핀은 처음에 어떻게 발견 되었는가? 사실, 그래핀은 오래 전부터 이론적으로 연구가 되어 그 물성이 우수할 것이라고 예상이 되어왔으나, 실험적으로는 증명이 되지 못했었다. 이처럼 이론적으로만 알려져 있던 그래핀은 2004년 영국 맨체스터 대학교의 안드레 가임(Andre K. Geim) 교수와 콘스탄틴 노보셀로프(Kostya S. Novoselov) 박사에 의해, 천연의 흑연으로부터 스카치테잎을 활용하여 떼어내어, 기판[SiO2(300 nm)/Si 기판]에 문질러 광학 현미경으로 한 층을 관찰한 것에서 처음으로 발견되었다 [1].
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참고문헌 (10)

  1. K. S. Novoselov et al, "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Film", Science, 306 pp 666-669, (2004) 

  2. A. Reina et al, "Large area, few-layer graphene films on arbitrary substrates by chemical vapor deposition", Nano Letters, 9, pp 30-35, (2009) 

  3. K. S. Kim et al, "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes", Nature, 457, pp 706-710, (2009) 

  4. X. Li et al, "Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils", Science, 324, pp 1312-1314, (2009) 

  5. S. Bae et al, "Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes", Nature Nanotechnology, 5, pp 574-578, (2010) 

  6. A. Reina et al, "Transferring and Identification of Single- and Few-Layer Graphene on Arbitrary Substrates", J. Phys. Chem. C, 112, pp 17741-17744, (2008) 

  7. D. C. Wei et al, "Synthesis of N-doped Graphene by Chemical Vapor Deposition and Its Electrical Properties" Nano Letters, 9, pp 1752-1758 (2009) 

  8. Z. Jin et al, "Large-Scale Growth and Characterizations of Nitrogen-Doped Monolayer Graphene Sheets" ACS Nano, 5, pp 4112-4117 (2011) 

  9. A. Das et al, "Monitoring dopants by Raman scattering in an electrochemically top-gated graphene transistor", Nature Nanotechnology, 3, pp 210-215, (2008) 

  10. T. Schiros et al, "Connecting Dopant Bond Type with Electronic Structure in N-Doped Graphene" Nano Letters, 12, pp 4025-4031 (2012) 

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