초록 ▼

연구의 목적 및 내용
유기 분자 단결정 구조체에 알칼리 금속을 효과적으로 도핑하는 과정을 개발함으로써 유기 초전도체의 초전도 특성을 향상시키고, 보다 심도있는 초전도 연구를 가능케 한다. 이와 동시에 유기 분자 단결정을 기판 위의 원하는 위치에 직접 합성하고 이들의 모양 변형 과정을 이용하여 물리적, 전기적으로 서로 연결시킴으로써 광-전자 소자로 제작할 수 있는 기반 기술을 개발한다.
연구결과
1) Raman 신호와 전기 저항의 변화를 이용한 유기 분자 단결정의 효과적인 알칼리 금속 도핑 제어
대표적인 유기 초

연구의 목적 및 내용
유기 분자 단결정 구조체에 알칼리 금속을 효과적으로 도핑하는 과정을 개발함으로써 유기 초전도체의 초전도 특성을 향상시키고, 보다 심도있는 초전도 연구를 가능케 한다. 이와 동시에 유기 분자 단결정을 기판 위의 원하는 위치에 직접 합성하고 이들의 모양 변형 과정을 이용하여 물리적, 전기적으로 서로 연결시킴으로써 광-전자 소자로 제작할 수 있는 기반 기술을 개발한다.
연구결과
1) Raman 신호와 전기 저항의 변화를 이용한 유기 분자 단결정의 효과적인 알칼리 금속 도핑 제어
대표적인 유기 초전도체인 C₆₀의 단결정 구조체에 알칼리 금속을 도핑하는 과정에서 전기 저항의 변화와 함께 Raman 신호의 변화를 동시에 실시간으로 관찰함으로써, C₆₀ 단결정 구조체에 도핑되는 알칼리 금속의 화학량을 보다 정밀하게 제어할 수 있었다. 이를 통해 느린 알칼리 금속의 확산으로 인해 나타나는 단결정 구조체 표면과 내부의 도핑 정도 차이를 극복하여 보다 균일한 초전도 상을 가지는 C₆₀ 초전도체를 제작하였으며, 극저온에서 나타나는 전기 저항의 측정을 통해 다결정 박막시편보다 초전도 임계 온도 및 임계 전류 밀도가 높고 좁은 초전도 전이 온도 범위를 가지는 우수한 초전도 소자를 제작하였다.
2) C₆₀ 단결정 구조체의 기판 위 정렬 및 모양 변형을 이용한 전자 소자 제작리소그래피를 통해 기판 위에 형성된 C₆₀ 다결정 박막 패턴을 결정화 씨드로 사용하여 단결정인 C₆₀ 디스크 구조체를 선택적으로 합성함으로써 정렬된 형태의 결정배열을 형성시켰다. 금 전극이 형성된 기판 위에 같은 방법을 적용하여 원하는 곳에 C₆₀ 디스크 구조체를 위치시키고 이들을 와이어를 형성시키는 용매인 m-xylene 또는 mesitylene 용매의 증기에 노출시켜 모양의 변형을 유도함으로써 물리적으로 서로 연결시켰다. 이 과정을 거쳐 형성된 구조에 알칼리 금속을 도핑시켜 전기적 연결을 확인하여, 유기 분자 단결정 구조체를 이용한 광-전자 소자 제작 가능성을 제시하였다.
연구결과의 활용계획
알칼리 금속을 이용한 화학적 도핑은 물질의 전자 구조를 직접적으로 변화시켜 초전도 특성을 비롯한 새로운 물성을 발견하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 이러한 점을 이용하여 유기 분자 기반 초전도체 뿐만 아니라 최근 관심이 높아지고 있는 그래핀이나 위상 부도체의 전자 구조를 제어하는 연구를 수행할 계획이다. 또한, 다결정 박막 패턴을 이용한 유기 단결정 구조체의 기판 위 정렬 기술은 보다 우수한 전하 이동도가 요구되는 전자 소자의 제작에 응용될 수 있을 뿐만 아니라 광 격자와 같은 광학적 응용도 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 대상으로 한 C₆₀ 뿐만 아니라 우수한 광학적, 전기적 특성을 가지는 여러 분자를 대상으로 이 기술을 확장시킴으로써 박막 형태의 기존 광-전자 소자의 한계를 극복할 수 있는 단결정 기반 광-전자 소자에 관한 추가적인 연구를 수행할 계획이다.

Abstract ▼

Purpose&contents
This research aims to enhance the superconducting properties of organic superconductors and to realize in-depth studies on superconductivity by developing the method of effective alkali metal doping into organic single crystals. At the same time, developing fundamental technology

Purpose&contents
This research aims to enhance the superconducting properties of organic superconductors and to realize in-depth studies on superconductivity by developing the method of effective alkali metal doping into organic single crystals. At the same time, developing fundamental technology is attempted by utilizing direct synthesis of organic single crystals at desired position on a solid substrate and their physical / electrical interconnection via morphology transformation
Result
1) Effective control of alkali metal doping by utilizing the change of Raman signal and electrical resistivity
We succeeded in fine control of the stoichiometry between alkali metal and C₆₀ by in-situ monitoring of Raman signal and electrical resisitivity, which continuously changes during alkali metal doping into the single crystal structure of C₆₀, one of the representative organic superconductor. This approach enabled to overcome the alkali metal doping level difference between the surface and inside, which occurs due to slow diffusion of alkali metal in C₆₀ single crystal, resulting in much more homogeneous superconducting phase. The electrical resistivity measurement at cryo temperature shows the single crystalline C₆₀ superconductor has higher critical temperature, higher critical current density and narrow superconducting transition temperature window compared to polycrystalline thin film.
2) Electronic device fabrication by utilizing aligning and morpohology transformation of C₆₀ single crystal structure
Aligned C₆₀ disk array is formed by utilizing patterned C₆₀ polycrystalline thin film as crystallization seed, which is obtained by conventional lithographic technic. With same methodology, individual C₆₀ disk was also placed on top of pre-patterned gold electrode and physically interconnected to each other by exposing to the vapor of m-xylene or mesitylene, which guides C₆₀ molecules self-assembled into wire form. The possibility of opto-electronic device is demonstrated by testing electrical connection after alkali metal doping.
Expected Contribution
The chemical doping using alkali metal is effective in discovering new properties of materials including superconductivity since it directly affects on the electronic structure of materials. Based on this, we plan to control the elctronic structure of graphene or topological insulator, which are of great interest in material research. In addition, the aligning technology of organic single crystal is expected to contribute to electronic device fabrication which requires high carrier mobility as well as optical application such as photonic crystals. We also plan to extend this methodology to various organic molecular systems which have superior optical, electrical properties to realize organic single crystal based opto-electronic devices, which can replace current polycrystalline thin film based ones.