화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조와 결정립계 개선 및 특성평가

Abstract

그래핀은 흑연의 단층 나노물질로서 높은 전기적, 열적, 광학적, 물리적 성질을 가지고 있어 TFT, LED, 태양전지, 연료전지 등에 응용되고 있는 최근 가장 각광받고 있는 차세대 재료이다. 이러한 그래핀의 제조에는 스카치테이프를 이용하여 단결정 흑연에서 직접 박리하는 기계적 박리법, 화학적 처리를 통하여 흑연 결정으로부터 그래핀을 분리시키는 화학적 박리법, 금속촉매를 이용한 화학기상증착법에 의한 성장방법 등이 이용되고 있다. 이중 화학기상증착법에 의한 성장방법은 단층의 그래핀을 대면적으로 성장시킬 수 있는 방법으로 알려져 있다. 하지만 화학기상증착법으로 성장된 그래핀은 다결정으로 성장되어 결정립계(grain boundary)에 의한 물성의 감소가 보고되고 있다. 본 연구에서는 Ni 금속막과 Cu-foil을 이용하여 그래핀을 제조하여 그 특성을 분석하고 열처리 및 재성장을 통하여 결정립계를 개선하였다. Ni 금속막 위에서 그래핀 성장은 열저항가열(Joule heating)방식을 이용한 화학기상증착법을 이용하여 그래핀을 성장시키고 성장시간에 따라 그래핀의 특성변화를 관찰하였다. Cu-foil을 이용한 그래핀 성장은 전기로를 이용하여 화학기상증착법을 통해 그래핀을 성장시켰다. 또한 결정립계 개선을 위하여 성장되어진 그래핀을 다른 기판에 옮겨 Ar+H2+CH4 분위기에서 1000˚C로 열처리를 하였다. 이렇게 열처리한 그래핀은 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 및 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope: AFM)을 통하여 결정립계의 변화를 확인하였고 1% 정도의 transmittance 변화와 20% 정도의 저항감소를 확인하였다. 이러한 그래핀의 두께 조절 및 열처리방법은 여러 소자들의 제작에 응용 및 소자의 성능향상에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.| Graphene, a two-dimensional sheet of sp2-bonded carbon atoms in a honeycomb crystal lattice, has attracted tremendous attention because of its exotic physical properties, including remarkably high electron mobility, current carrying capacity, and unusually large mechanical strength and elasticity. In addition, optical studies have shown that very thin graphene films transmit light in the visible range; thus, they can be used for transparent and conductive electrodes in optoelectronic and photovoltaic devices. Recently, an improvement in graphene synthesis was obtained by chemical vapor deposition (CVD), which was easy to scale up to large area synthesis of continuous films. However, the large-scale synthetic graphene films produced so far are typically polycrystalline, consisting of many single-crystalline grains separated by grain boundaries. The grain boundaries are expected to degrade the electrical and mechanical properties. In this study, to control the grain boundaries in initially-grown graphene, regrowth of CVD-grown graphene was performed at 1000°C under various gas atmospheres and their effects on the structural, electrical, and optical properties were characterized. First, we have investigated the growth and properties of graphene films on Ni metal films or copper foils by chemical vapor deposition (CVD). Depending on the exposure time of a carbon precursor (CH4) as well as catalytic metal layer, structural and electrical properties of as-grown graphene films were determined. In particular, predominately single-layer graphene films were synthesized on large-area copper foils, as confirmed by transmission electron microscopy images, Raman spectra, and optical transmittance. Second, to enhance the electrical properties without decreasing the optical transmittance, we have performed the regrowth of CVD-grown single-layer graphene films on Cu-foils and investigated their effect on the structural, electrical, and optical properties. After the regrowth at 1000°C under atmospheric pressure of a flowing gas mixture (CH4:H2:Ar= 5:12:48 SCCM), graphene films showed the ～20 % decrease in sheet resistance without exhibiting significant change in optical transmittance (below ～1 %). We believe that this improvement is due to the reduced carrier scattering at the graphene boundaries by regrowth process.; Graphene, a two-dimensional sheet of sp2-bonded carbon atoms in a honeycomb crystal lattice, has attracted tremendous attention because of its exotic physical properties, including remarkably high electron mobility, current carrying capacity, and unusually large mechanical strength and elasticity. In addition, optical studies have shown that very thin graphene films transmit light in the visible range