[국내논문]Ti (10 nm)-buffered 기판들 위에 저온에서 직접 성장된 무 전사, 대 면적, 고 품질 단층 그래핀 특성 Transfer-Free, Large-Scale, High-Quality Monolayer Graphene Grown Directly onto the Ti (10 nm)-buffered Substrates at Low Temperatures원문보기
Graphene has attracted the interest of many researchers due to various its advantages such as high mobility, high transparency, and strong mechanical strength. However, large-area graphene is grown at high temperatures of about 1,000 ℃ and must be transferred to various substrates for various...
Graphene has attracted the interest of many researchers due to various its advantages such as high mobility, high transparency, and strong mechanical strength. However, large-area graphene is grown at high temperatures of about 1,000 ℃ and must be transferred to various substrates for various applications. As a result, transferred graphene shows many defects such as wrinkles/ripples and cracks that happen during the transfer process. In this study, we address transfer-free, large-scale, and high-quality monolayer graphene. Monolayer graphene was grown at low temperatures on Ti (10nm)-buffered Si (001) and PET substrates via plasma-assisted thermal chemical vapor deposition (PATCVD). The graphene area is small at low mTorr range of operating pressure, while 4 × 4 ㎠ scale graphene is grown at high working pressures from 1.5 to 1.8 Torr. Four-inch wafer scale graphene growth is achieved at growth conditions of 1.8 Torr working pressure and 150 ℃ growth temperature. The monolayer graphene that is grown directly on the Ti-buffer layer reveals a transparency of 97.4 % at a wavelength of 550 nm, a carrier mobility of about 7,000 ㎠/V×s, and a sheet resistance of 98 W/□. Transfer-free, large-scale, high-quality monolayer graphene can be applied to flexible and stretchable electronic devices.
Graphene has attracted the interest of many researchers due to various its advantages such as high mobility, high transparency, and strong mechanical strength. However, large-area graphene is grown at high temperatures of about 1,000 ℃ and must be transferred to various substrates for various applications. As a result, transferred graphene shows many defects such as wrinkles/ripples and cracks that happen during the transfer process. In this study, we address transfer-free, large-scale, and high-quality monolayer graphene. Monolayer graphene was grown at low temperatures on Ti (10nm)-buffered Si (001) and PET substrates via plasma-assisted thermal chemical vapor deposition (PATCVD). The graphene area is small at low mTorr range of operating pressure, while 4 × 4 ㎠ scale graphene is grown at high working pressures from 1.5 to 1.8 Torr. Four-inch wafer scale graphene growth is achieved at growth conditions of 1.8 Torr working pressure and 150 ℃ growth temperature. The monolayer graphene that is grown directly on the Ti-buffer layer reveals a transparency of 97.4 % at a wavelength of 550 nm, a carrier mobility of about 7,000 ㎠/V×s, and a sheet resistance of 98 W/□. Transfer-free, large-scale, high-quality monolayer graphene can be applied to flexible and stretchable electronic devices.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서 그래핀 성장을 위해 사용한 plasma-assisted thermal CVD는 CH4 개스의 카본으로 분해가 상온에서도 가능하기 때문이며, 또한 그래핀은 plasma에 매우 취약함으로 Ti-buffer layer 에 그래핀이 성장할 때에 플라즈마로부터 벗어나게 하기 위하여 고안되었다.
가설 설정
다양한 성장 온도에 따른 그래핀의 특성은 라만으로 평가하였다. 성장 온도는 100 oC부터 170 oC까지 변화하였 는데 Fig.
wavelength of monolayer graphene grown onto the PET substrate at different temperatures. (b) Carrier concentration, mobility, and conductivity as a function of growth temperature. (c) Sheet resistance of the graphene grown at different temperatures as a function of frequency via Z-theta two-probe method.
제안 방법
우리의 증착 시스템의 base-pressure가 약 8× 10−6 Torr로서 ultra-high pressure가 아니어서 증착 도중 에 Ti의 산화를 방지하기 위하여 H2를 함께 흘려주어 가능한 산화를 방지하도록 노력하였다.
따라서 본 연구에서는 전사 과정이 없는 PAT-CVD (plasma assisted thermal chemical vapor deposition)를 이용하여 직접 유연한 기판 위에 약 150 ℃ 이하에서 그래핀을 성장하였다. 이때 유연한 기판 위에 Ti (10 nm) 두께를 direct-current sputter 로서 그래핀 성장의 버퍼층으로서 성장하였다.
이때 유연한 기판 위에 Ti (10 nm) 두께를 direct-current sputter 로서 그래핀 성장의 버퍼층으로서 성장하였다. 그래핀 성장 전에 DFT를 통한 시뮬레이션으로 Ti 박막 위에 그래핀이 성장하는지를 확인하고, 성장 온도 및 성장 압력에 따라 얻어진 박막의 특성은 라만분광법을 이용하여 단층 그래핀 특성을 평가하였으며, 그래핀 매핑을 통해 그래핀 성장 면적을 평가하였다. 그리고 홀 측정을 통하여 이동도, 캐리어 농 도, 그리고 면 저항을 확인하였고, UV-Vis 를 통해 투 명도를 알아보았다.
그래핀 성장 전에 DFT를 통한 시뮬레이션으로 Ti 박막 위에 그래핀이 성장하는지를 확인하고, 성장 온도 및 성장 압력에 따라 얻어진 박막의 특성은 라만분광법을 이용하여 단층 그래핀 특성을 평가하였으며, 그래핀 매핑을 통해 그래핀 성장 면적을 평가하였다. 그리고 홀 측정을 통하여 이동도, 캐리어 농 도, 그리고 면 저항을 확인하였고, UV-Vis 를 통해 투 명도를 알아보았다. 또한 면 저항은 Z-theta 방법을 통해 분석하여 검증하였다.
본 연구에서는 PAT-CVD 장비를 이용하여 그래핀을 직접 성장하였다. 이 경우 Ti-buffer 층은 공기 중에 노출 시 바로 산화되어 TiO2-x를 형성하면 그래핀 성장이 불가능하여 Ti-buffer 층과 그래핀 성장을 한 챔버에서 이루어지도록 설계하였다.
본 연구에서는 PAT-CVD 장비를 이용하여 그래핀을 직접 성장하였다. 이 경우 Ti-buffer 층은 공기 중에 노출 시 바로 산화되어 TiO2-x를 형성하면 그래핀 성장이 불가능하여 Ti-buffer 층과 그래핀 성장을 한 챔버에서 이루어지도록 설계하였다. 먼저 Ar/H2 가스를 10/10 sccm (standard cc/min)씩 흘려주면서 dc sputter로 PET와 SiO2 (100 nm)/Si (001) 기판 위에 Ti buffer layer를 10 nm로 증착하였다.
먼저 Ar/H2 가스를 10/10 sccm (standard cc/min)씩 흘려주면서 dc sputter로 PET와 SiO2 (100 nm)/Si (001) 기판 위에 Ti buffer layer를 10 nm로 증착하였다. 증착층의 10 nm 두께와 균일성은 투과 전자현미경(TEM)과 원자 현미경(AFM)으로 각각 평가하였다. 이 경우 Ti 두께가 10 nm 이하에서는 완전히 박막으로 연속적으로 성장이 안되고 불 연속적으로 되어 그래핀 성장이 어려우며 10 nm 이상이 되면 Ti의 본연의 특성이 나타내기 때문에 본 연구에서는 10 nm로 한정되었다.
5 sccm씩 흘려주면서 CVD Gun의 플라즈마로 그래핀을 90분간 직접 성장하였다. 그래핀을 성장할 때 각 공정마다 공정 압력 1.8 Torr에서 기판의 온도를 다양하게 변화시켰으며, 기판 온도 150 oC에서 공정 압력을 수 mtorr에서 수 Torr까지 조절하여 그래핀을 성장하였다.
성장된 그래핀은 라만 분광법을 통하여 단층 그래핀이 성장되었음을 평가하였다. 또한 각 성장 온도 및 성장 압력에서 그래핀의 면적은 라만의 매핑을 통하여 결정 하였다.
성장된 그래핀은 라만 분광법을 통하여 단층 그래핀이 성장되었음을 평가하였다. 또한 각 성장 온도 및 성장 압력에서 그래핀의 면적은 라만의 매핑을 통하여 결정 하였다. 그래핀의 품질은 D peak으로, 또한 2D와 G의 FWHM(full-width-half-maximum) 으로 평가하였다.
또한 각 성장 온도 및 성장 압력에서 그래핀의 면적은 라만의 매핑을 통하여 결정 하였다. 그래핀의 품질은 D peak으로, 또한 2D와 G의 FWHM(full-width-half-maximum) 으로 평가하였다. PET 기판 위에 다양한 온도에서 성장된 단층 그래핀의 투명도는 UV-vis spectroscopy 를 통해서 평가하였고, Van-der Pauw 방법을 통해서 그래핀의 케리어 농도, 이동도, 면 저항을 측정하였다.
먼저 Ti-buffer layer 위에 그래핀 성장의 가능성을 DFT 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
4(d)에 각 성장 온도의 변화에 따른 2개의 인자들을 나타내었는데 약 150 oC에서 성장한 그래핀의 2D-band의 FWHM은 약 24 cm−1 이며 G-band의 FWHM은 약 18 cm−1 로서 지금까지 발표된 모든 그래핀의 품질보다도 우수함을 알 수 있다. 현재 100 oC 이하의 온도에서도 그래핀 성장을 확인하기 위하여 성장 온도 를 90 oC 부터 상온까지 수행하였다. 이들의 라만패턴들을 Fig.
본 연구에서는 Ti (10 nm)-buffer layer 위에 PATCVD 를 이용하여 저온에서 그래핀을 직접 성장하였다. 단층 그래핀은 성장 온도 150 oC 이하의 온도에서 대면적으로 매우 우수한 특성을 나타내었다.
대상 데이터
증착층의 10 nm 두께와 균일성은 투과 전자현미경(TEM)과 원자 현미경(AFM)으로 각각 평가하였다. 이 경우 Ti 두께가 10 nm 이하에서는 완전히 박막으로 연속적으로 성장이 안되고 불 연속적으로 되어 그래핀 성장이 어려우며 10 nm 이상이 되면 Ti의 본연의 특성이 나타내기 때문에 본 연구에서는 10 nm로 한정되었다. 우리의 증착 시스템의 base-pressure가 약 8× 10−6 Torr로서 ultra-high pressure가 아니어서 증착 도중 에 Ti의 산화를 방지하기 위하여 H2를 함께 흘려주어 가능한 산화를 방지하도록 노력하였다.
이론/모형
그리고 홀 측정을 통하여 이동도, 캐리어 농 도, 그리고 면 저항을 확인하였고, UV-Vis 를 통해 투 명도를 알아보았다. 또한 면 저항은 Z-theta 방법을 통해 분석하여 검증하였다.
그래핀의 품질은 D peak으로, 또한 2D와 G의 FWHM(full-width-half-maximum) 으로 평가하였다. PET 기판 위에 다양한 온도에서 성장된 단층 그래핀의 투명도는 UV-vis spectroscopy 를 통해서 평가하였고, Van-der Pauw 방법을 통해서 그래핀의 케리어 농도, 이동도, 면 저항을 측정하였다. 면 저항은 Z-theta twoprobe 방법으로 측정하여 다시 검증하였다.
PET 기판 위에 다양한 온도에서 성장된 단층 그래핀의 투명도는 UV-vis spectroscopy 를 통해서 평가하였고, Van-der Pauw 방법을 통해서 그래핀의 케리어 농도, 이동도, 면 저항을 측정하였다. 면 저항은 Z-theta twoprobe 방법으로 측정하여 다시 검증하였다.
성능/효과
6(c)에서 보여준 것처럼 약 98 ~ 110 Ω□−1 의 범위를 나타내어 현재까지 발표된 단층 그래핀의 면 저항으로서는 가장 우수한 특성을 보였다. 지금까지 얻어진 결과로부터 Ti (10 nm)-buffer layer 위에 저온에서 우수한 품질의 대 면적 그래핀을 성장이 가능함을 확인하였다.
성장 압력이 3 mTorr에서 100 mTorr까지 변함에 따라 성장된 그래핀은 모두 결함을 나타내는 D peak이 없으며 (ID/IG intensity ratio = 0.01 ± 0.08), I2D/IG가 약 2.1 ± 0.05로서 모두 단층 그래핀임을 나타내고 있다.
후속연구
4 %의 빛투과 특성을 나타내었다. 저온에서 그래핀 성장은 앞으로 유연하고 신축성있는 기판에도 성장이 가능하여 유연하고 신축성있는 그래핀을 이용한 전자부품들에 응용이 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그래핀을 실용적으로 소 자 또는 전극으로 응용하기 위해서는 어떤 기술이 필요한가?
1-5) 이러한 그래핀은 전 세계적으로 대면적, 고품질의 그래핀을 제조 및 여러 가지 소자 응용을 위해 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그래핀을 실용적으로 소 자 또는 전극으로 응용하기 위해서는 그래핀의 층수를 조절하고 고품질로 성장하는 기술이 필요하다. 그래핀을 성장시키는 방법으로는 흑연으로부터 스카치테이프를 이용하여 박리시키는 기계적 박리법, 강산을 이용하여 흑연을 산화시켜 그래핀 층을 분리해내는 화학적 박리법, 탄소 원이 포함되어 있는 SiC 같은 재료를 고온에서 열처리하여 그래핀을 생성시키는 에피텍셜 성장법, 그래핀 필름을 대량 생산할 수 있는 화학 기상 증착법이 있다.
화학 기상 증착법으로 고품질 그래핀을 성장시키기 위해서 필요한 조건은?
6-11) 보고된 바와 같이 화학 기상 증착법은 Cu, Ni, 그리고 Ge와 같은 촉매 기판 위에 대면적 그래핀을 성장하는 방법을 사용한다. 그러나 이 화학 기상 증기 판들 위에 저온에서 직접 성장된 무 전사, 대 면적, 고품질 단층 그래핀 특성 143 착법으로 그래핀을 성장하기 위해서는 1,000℃ 이상의 높은 성장 온도가 필요하다. 12-14) 현재 많은 전자부품들이 유연하고 신축성 있는 분야에 응용이 확대되기 때문에 그래핀 또한 유연하고 신축성 있는 기판 위에 그래핀 성장을 필요로 하게 된다.
그래핀을 성장시키는 방법에는 무엇이 있는가?
그래핀을 실용적으로 소 자 또는 전극으로 응용하기 위해서는 그래핀의 층수를 조절하고 고품질로 성장하는 기술이 필요하다. 그래핀을 성장시키는 방법으로는 흑연으로부터 스카치테이프를 이용하여 박리시키는 기계적 박리법, 강산을 이용하여 흑연을 산화시켜 그래핀 층을 분리해내는 화학적 박리법, 탄소 원이 포함되어 있는 SiC 같은 재료를 고온에서 열처리하여 그래핀을 생성시키는 에피텍셜 성장법, 그래핀 필름을 대량 생산할 수 있는 화학 기상 증착법이 있다. 6-11) 보고된 바와 같이 화학 기상 증착법은 Cu, Ni, 그리고 Ge와 같은 촉매 기판 위에 대면적 그래핀을 성장하는 방법을 사용한다.
참고문헌 (16)
K. I. Bolotin, K. J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg. J. Hone, P. Kim and H. L. Stomer, Solid State Commun., 146, 351 (2008).
X. Li, W. Cai, J.-H. An, S.-Y. Kim, J.-Y. Nah, D.-X. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I.-H. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo and R. S. Ruoff, Science, 324, 1312 (2009).
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).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.