KR101156478B1 - 십자형 그래핀 이종 접합구조체 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 십자형 그래핀 이종 접합구조체 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단겹 그래핀을 한층씩 원하는 위치에 수직 층상으로 접합할 수 있고, 그래핀 층간 저항 측정 및 이중겹 구조에서 나타날 수 있는 전하수송 특성을 측정하거나 그래핀 사이에 다른 원자층을 삽입하여 그래핀 소자의 전기적 특성을 인위적으로 제어할 수 있는 십자형 그래핀 이종 접합구조체 및 그 제작 기술에 대한 것이다.
본 발명은 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀을 산화실리콘 막이 형성된 제1실리콘기판위에 부착시키고, 상기 제1실리콘기판에 부착된 상기 제1그래핀에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트 위에서 베이킹을 통해 유리화하며, 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리한 후, 상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층을, 제2실리콘기판에 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시키고, 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤으로 제거하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀을 산화실리콘 막이 형성된 제1실리콘기판위에 부착시키는 단계와, 상기 제1실리콘기판에 부착된 상기 제1그래핀에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트 위에서 베이킹을 통해 유리화하는 단계와, 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리하는 단계와, 상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층을, 제2실리콘기판에 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시키는 단계와, 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤에 녹여 제거함으로써 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태를 완성시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

십자형 그래핀 이종 접합구조체 및 그 제작 방법{Heterojunction of cross type graphene and method for manufacturing thereof}

본 발명은 십자형 그래핀 이종 접합구조체 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단겹 그래핀을 한층씩 원하는 위치에 수직 층상으로 접합할 수 있고, 그래핀 층간 저항 측정 및 이중겹 구조에서 나타날 수 있는 전하수송 특성을 측정하거나 그래핀 사이에 다른 원자층을 삽입하여 그래핀 소자의 전기적 특성을 인위적으로 제어할 수 있는 십자형 그래핀 이종 접합구조체 및 그 제작 기술에 대한 것이다.

일반적인 그래핀(graphene)은 탄소가 육각 벌집 형태의 층상구조로 구성된 흑연에서 탄소 원자 한층 만으로 이루어진 2차원 박막을 말한다.

이는 2004년 영국 맨체스터 대학의 A. Geim 연구팀에서 처음으로 흑연으로부터 그래핀 한 겹을 박리하는 실험을 통해 양자 홀 효과와 같은 2차원 구조에서 나타나는 물리현상을 실험으로 관찰하였다.

이러한 탄소 원자 한층으로 이루어진 그래핀을 얻어내기 위해서 Geim 연구팀에서 스카치테이프를 이용한 역학적 박리법(mechanical exfoilation)을 처음으로 개발한 이후 많은 연구진들에 의해 이 방법이 수행되고 있다[Proc. Nail. Acad. Sce. 102, 10451 (2005)].

이렇게 박리한 한겹 그래핀 위에 나노 패터닝 기술을 이용하여 전극을 형성함으로써 그래핀을 이용한 저차원 전하수송 특성을 측정할 수 있게 되었다.

현재까지 단겹 그래핀에 대한 물리적 특성과 이의 응용가능성에 대한 많은 연구가 이루어진 상태이며, 현재는 두 겹의 그래핀으로 이중겹 그래핀 구조를 통해 흥미로운 연구가능성 들이 제시되고 있다.

한 예로 2차원 전자 가스구조 (double 2 dimensional electron gas)에서 나타날 수 있는 양자역학적인 특성을 이중겹 그래핀 구조를 통해 실험적으로 관찰할 수 있는 가능성을 이론적으로 예측하고 있다[Phys. Rev. B 78, 121401(R) (2008)]. 그러나 역학적 박리법 또는 현재까지 알려진 다른 그래핀 합성법을 통해서는 아래층 그래핀과 위층 그래핀에 따로 전극을 형성시킬 수 있는 방법이 없었다.

또한 두겹의 그래핀을 박리 또는 합성시킬 때 일반적으로 항상 아래층과 위층이 같은 모양으로 포개지기 때문에 나노 패턴 제작 공정을 통해 두 그래핀에 전극을 분리해서 붙일 수 있는 가능성이 없었다.

도1의 (a),(b)에서 보는 바와 같이 현재까지 알려진 이중겹 그래핀을 제작하는 여러 가지 방법을 이용해서는 아래쪽과 위쪽 그래핀의 형태를 인위적으로 분리시키는 것은 불가능하였다.

즉 대부분의 이중겹 그래핀의 조각은 상측 그래핀이 하측 그래핀 위에 부분적 또는 완전히 덮힌 모양으로 나타날 수 밖에 없다. 따라서 이러한 경우에 각각의 그래핀의 전하수송 특성 또는 그래핀-그래핀 간의 전하수송 특성 측정을 위해 리소그래피를 이용한 나노 공정을 통해 각각의 그래핀에 전극을 분리해서 형성하는 것이 불가능하였다.

따라서 기존의 이중겹 그래핀 구조 제작 방법에서는 위층과 아래층에 따로 떨어진 전극 제작이 불가능하여서 측정할 수 없었던 층간의 비저항 값을 측정할 수 있게 함으로써 그래핀의 층간 비저항 뿐 아니라, 그래핀 사이에 새로운 물질을 삽입하여 전자구조를 인위적으로 변화시킬 수 있도록 제어할 수 있는 새로운 형태의 그래핀 구조체 개발이 시급하게 되었다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 단겹 그래핀을 한층씩 원하는 위치에 수직 층상으로 접합하거나, 층간 저항을 측정하거나, 그래핀들 사이에 다른 원자층을 삽입하여 그래핀 소자의 전기적 특성을 인위적으로 제어하는 데 목적이 있다.

본 발명은 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀을 산화실리콘 막이 형성된 제1실리콘기판위에 부착시키고, 상기 제1실리콘기판에 부착된 상기 제1그래핀에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트 위에서 베이킹을 통해 유리화하며, 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리한 후, 상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층을, 제2실리콘기판에 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시키고, 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤으로 제거하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 상에 4탐침 전기전도성 측정을 위해 다수개의 전극을 리소그래피로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태의 층간에 전자/광소자 제작을 위한 전도성 또는 비전도성 또는 반도체성 나노 물질을 삽입 또는 표면처리하는 것이 바람직하다.

본 발명은 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀을 산화실리콘 막이 형성된 제1실리콘기판위에 부착시키는 단계와, 상기 제1실리콘기판에 부착된 상기 제1그래핀에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트 위에서 베이킹을 통해 유리화하는 단계와, 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리하는 단계와, 상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층을, 제2실리콘기판에 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시키는 단계와, 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤에 녹여 제거함으로써 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태를 완성시키는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 실리콘기판을 담궈 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 기판으로부터 분리하는 단계는 4M 농도 수산화칼륨 수용액을 70℃ ~ 90℃로 중탕을 통해 가열한 후 기판을 넣어 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 분리시키는 단계인 것이 바람직하다.

상기 폴리메칠메타크릴레이트를 아세톤에 녹여 제거함으로써 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태를 완성시키는 단계는 30℃ ~ 50℃로 가열한 아세톤에 기판을 넣어 상기 폴리메칠메타크릴레이트를 제거하는 단계인 것이 바람직하다.

상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 상에 4탐침 전기전도성 측정을 위해 다수개의 전극을 리소그래피로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태의 층간에 전자/광소자 제작을 위한 전도성 또는 비전도성 또는 반도체성 나노 물질을 삽입 또는 표면처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 간단한 방법으로 흑연 단원자층으로 이루어진 그래핀을 한층씩 원하는 위치에 수직 층상으로 접합할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 메칠메타크릴레이트를 이용한 접촉전사 방법을 통하여 그래핀을 기판에서 떼어내어 다른 그래핀 위에 접합시키면서, 이중겹 그래핀의 층간 저항을 측정할 수 있고, 그래핀 사이에 분자 또는 금속원자 등을 삽입하여 그래핀 소자의 전기적 특성을 인위적으로 제어할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 그래핀 사이에 전도성 또는 비전도성 또는 반도체성 나노 물질의 삽입, 또는 표면처리 등을 통해 그래핀-반도체-그래핀 접합 구조 등과 같은 새로운 형태의 수직형 전자소자 제작이 가능하다.

도 1은 종래 발명에 따라서, 육각 벌집 모양의 위층과 아래층이 부분적 또는 전체적으로 포개어져서 형성된 이중겹 그래핀 조각의 형태를 보여주는 도면.
도2는 본 발명에 따라 나노 접합 전사를 이용한 십자형 그래핀 이종 접합구조의 제작 과정을 순서대로 보여주는 도면.
도3은 본 발명에 따라 십자형 이중겹 그래핀 접합구조의 층간 비저항 측정을 위한 전극 형성 구조를 보여주기 위해, (a) 십자형 이중겹 그래핀 접합구조의 층간 저항 측정을 위한 4단자 측정의 개요도와, (b) 그래핀 십자 접합 구조의 층간 저항 측정 회로도와, (c) 십자형 그래핀 접합 구조 위에 리소그래피를 통해 전극이 제작된 소자의 현미경 사진을 보여주는 도면.
도4는 본 발명에 따라 십자형 이중겹 그래핀의 전기적 특성 제어를 위한 층간 물질 삽입 개념도를 보여주기 위해, (a) 분자 또는 (b) 금속원자가 삽입된 것을 보여주는 도면.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 십자형 그래핀 이종 접합구조체는 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀(graphene)과, 산화실리콘막이 형성된 제1실리콘기판과, 역시 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀과, 제2실리콘기판을 통해 폴리메칠메타크릴레이트(PMMA; Polymethyl Methacrylate)와 수산화칼륨 수용액을 이용하여 십자형 이종 접합 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 십자형 그래핀 이종 접합구조체는 상기 단겹으로 형성된 제1그래핀(21)을 상기 제1실리콘기판(11) 위에 부착시키고, 상기 제1실리콘기판(11)에 부착된 상기 제1그래핀(21)에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트(hot plate) 위에서 베이킹(baking)을 통해 유리화(glass transition)하며, 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판(11)을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층(31)을 상기 제1실리콘기판(11)으로부터 분리한 후 상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층(31)을, 제2실리콘기판(12)에 역학적 박리법에 의해 형성되어 있는 제2그래핀(22) 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시키고, 상기 폴리메칠메타크릴레이트층(31)을 아세톤으로 제거하여 형성한다.

이 때, 4탐침 전기전도성 측정을 위해 상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 상에 2개 이상의 전극을 리소그래피로 형성하거나, 상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태의 층간에 전자/광소자 제작을 위한 전도성 또는 비전도성 또는 반도체성 나노 물질을 삽입 또는 표면처리할 수 있다.

이하 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 그래핀 이종 접합구조체 제작 방법에 대하여 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

먼저, 도2에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 십자형 그래핀 이종 접합구조체 제작 방법은 제1그래핀을 제1실리콘기판위에 부착시키는 부착단계(a)와, 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅하고 유리화하는 단계(b)와, 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리하는 분리 단계(c)와, 미리 준비된 제2실리콘기판에 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀 구조 위로 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 십자형 이종 접합 구조로 형성되도록 정렬시키는 정렬단계(d,e)와, 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤으로 제거하는 완성단계(f)로 크게 나뉘어진다.

구체적으로 살펴보면, 먼저 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀을 산화실리콘 막이 형성된 제1실리콘기판위에 부착시킨다.

여기에서 상기 단겹 그래핀은 삽자형 형상의 일부를 이루도록 일정 폭에 약 300 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제1실리콘기판에 부착된 상기 제1그래핀에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트 위에서 베이킹을 통해 유리화한다.

여기에서 폴리메칠메타크릴레이트는 PMMA 950K C4를 사용하며, 5000 rpm으로 약 1분간 스핀 코팅하여 수 nm 내지 수백 nm 두께로 만든다.

또한 투명 플라스틱 필름을 추가 부착하여 다음 과정에서 폴리메칠메타크릴레이트가 기판에서 분리되었을 때 구겨지거나 찢어지는 것을 방지하도록 할 수 있다.

이 후 핫 플레이트(hot plate) 위에서 약 180℃로 약 20분간 베이킹(baking)을 실시한다.

따라서 상기 폴리메칠메타크릴레이트와 그래핀 사이의 접착력이 그래핀과 실리콘 기판 사이의 접착력 보다 커지게 되어 이후 분리단계가 용이하게 실시된다.

계속하여 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리한다.

여기에서 4M 농도 수산화칼륨 수용액을 70℃ ~ 90℃, 특히 80℃의 중탕을 통해 가열한 후 기판을 넣어 폴리메칠메타크릴레이트를 분리시킨다.

또한 상기 폴리메칠메타크릴레이트층은 제1그래핀을 포함하고, 투명 플라스틱 필름과 함께 붙어서 기판에서 분리되면 투명한 플라스틱 필름을 수산화칼륨 수용액에서 건져내어 물로 세척한다.

계속하여 상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층을, 제2실리콘기판의 제2그래핀 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시킨다.

여기에서 수동적으로 투명 플라스틱 필름을 통해 폴리메칠메타크릴레이트에 부착된 그래핀과 그 아래 실리콘 기판에 부착된 그래핀을 동시에 현미경으로 보면서 플라스틱 필름을 원하는 위치와 각도로 이동하여 두 그래핀이 수직 접합 구조가 되도록 폴리메칠메타크릴레이트층을 기판에 부착시킬 수 있지만 자동적으로 이미지 센서를 통해 제1그래핀 위치를 확인하고 그 위에 일정 위치와 각도로 수직접합하는 자동 머신을 사용할 수도 있다.

계속하여 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤에 녹여 제거함으로써 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태를 완성시킨다.

이 때 30℃ ~ 50℃, 특히 40℃로 가열한 아세톤에 기판을 넣어 상기 폴리메칠메타크릴레이트를 제거한다.

도3에서 보는 바와 같이 4탐침 전기전도성 측정을 위해 상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 상에 2개 이상의 전극을 리소그래피로 형성하기 위해 나노 접합 전사 방법을 통해 두 조각의 그래핀이 서로 엇갈리도록 배치할 수 있으므로 리소그래피를 통해 각각의 전극에 2개 이상의 전극을 형성한다.

이를 통해 도3(a)에서 4단자 측정을 실시하게 되면 도3(b)에서와 같이 그래핀과 전극사이의 접촉저항이 배제된 두 그래핀의 층간 전기전도도를 용이하게 측정할 수 있다.

도4에서 보는 바와 같이 상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태의 층간에 전자/광소자 제작을 위해, 전도성 또는 비전도성 또는 반도체성 나노 물질을 삽입 또는 표면처리할 수 있다.

예를 들어 아래층 그래핀 위에 절연층을 수 나노미터 수준으로 제작하고 그 위에 위층 그래핀을 올려놓는 방법을 이용함으로써 두 그래핀에 존재하는 전자들 간의 쿨롱 힘을 제어하여 이 두 층에서 생기는 전기전도성을 변화시킬 수 있거나, 반도체 물질을 삽입하여 그래핀-반도체-그래핀 접합 구조와 같은 새로운 형태의 수직형 전자소자를 제작할 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허등록청구범위뿐만 아니라 이 특허등록청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

11 : 제1실리콘기판
12 : 제2실리콘기판
21 : 제1그래핀
22 : 제2그래핀
31 : 폴리메칠메타크릴레이트층

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 역학적 박리법에 의해 단겹으로 형성된 제1그래핀을 산화실리콘 막이 형성된 제1실리콘기판위에 부착시키는 단계와;
   상기 제1실리콘기판에 부착된 상기 제1그래핀에 전자빔 리지스트인 폴리메칠메타크릴레이트를 코팅한 후 핫 플레이트 위에서 베이킹을 통해 유리화하는 단계와;
   수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 상기 제1실리콘기판을 담궈 폴리메칠메타크릴레이트층을 상기 제1실리콘기판으로부터 분리하는 단계와;
   상기 분리된 폴리메칠메타크릴레이트층을, 제2실리콘기판에 역학적 박리법에 의해 형성되어있는 제2그래핀 구조 위로, 십자 접합 구조 형태가 되도록 위치 이동해서 정렬시키는 단계와;
   상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 아세톤에 녹여 제거함으로써 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태를 완성시키는 단계;
   로 이루어지되,
   상기 수산화칼륨 수용액에 상기 폴리메칠메타크릴레이트가 코팅된 실리콘기판을 담궈 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 기판으로부터 분리하는 단계는,
   수산화칼륨 수용액을 70℃ ~ 90℃로 중탕을 통해 가열한 후 기판을 넣어 상기 폴리메칠메타크릴레이트층을 분리시키는 단계이고,
   상기 폴리메칠메타크릴레이트를 아세톤에 녹여 제거함으로써 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태를 완성시키는 단계는,
   30℃ ~ 50℃로 가열한 아세톤에 기판을 넣어 상기 폴리메칠메타크릴레이트를 제거하는 단계이며,
   상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 상에 4탐침 전기전도성 측정을 위해 다수개의 전극을 리소그래피로 형성하며, 상기 그래핀 이중겹 십자 접합 구조 형태의 층간에 전자/광소자 제작을 위한 전도성 또는 비전도성 또는 반도체성 나노 물질을 삽입 또는 표면처리하는 것을 특징으로 하는 십자형 그래핀 이종 접합구조체 제작 방법.
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