KR101580252B1 - Method of Healing Defective Graphene and the Defect-healing Graphene - Google Patents
Method of Healing Defective Graphene and the Defect-healing Graphene Download PDFInfo
- Publication number
- KR101580252B1 KR101580252B1 KR1020140039789A KR20140039789A KR101580252B1 KR 101580252 B1 KR101580252 B1 KR 101580252B1 KR 1020140039789 A KR1020140039789 A KR 1020140039789A KR 20140039789 A KR20140039789 A KR 20140039789A KR 101580252 B1 KR101580252 B1 KR 101580252B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- graphene
- precursor gas
- defect
- metal
- defects
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/194—After-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
본 발명은 그래핀의 구조적 결함을 치유하는 방법을 제공하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 이종 원소를 함유하는 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시켜 상기 결함 영역에 이종 물질을 결합 형성하는 단계를 포함한다.The present invention provides a method for healing structural defects of graphene. According to one embodiment of the present invention, graphene in which a defective area including a structural defect exists and a graphene containing a hetero element Contacting the precursor gas discontinuously and repeatedly to bond the heterogeneous material to the defect region.
Description
본 발명은 그래핀의 결함 치유 방법 및 결함이 치유된 그래핀에 관한 것으로, 상세하게, 그래핀의 구조적 결함을 치유하는 방법 및 구조적 결함이 치유된 그래핀 에 관한 것이다.
The present invention relates to graphene defects and methods for healing defects, and more particularly to methods for healing structural defects of graphene and graphene having healed structural defects.
그래핀은 2004년에 발견된 새로운 2차원 탄소물질로써, 육각형 벌집모양의 구조를 이루고 있는 단일 탄소원자층으로 이루어진 초박막 구조이다. 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특징이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 발광소자 및 센서 등 다양한 분야에 응용이 가능한 핵심소재로 각광받고 있다.Graphene is a novel two-dimensional carbon material discovered in 2004, an ultra-thin structure consisting of a single carbon atom layer of hexagonal honeycomb structure. Graphene is one of the most outstanding materials in terms of strength, thermal conductivity and electron mobility, and is widely regarded as a key material that can be applied to various fields such as displays, rechargeable batteries, solar cells, light emitting devices and sensors.
그래핀은 크게 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법 또는 화학적 박리법을 이용하여 제조되는데, 이러한 그래핀의 제조와 이송시 그래핀에 점 결함(point defect), 전위(dislocation), 입계(grain boundary), 크랙(crack), 접힘(fold), 주름(wrinkles) 또는 잔여물(residue)과 같은 결함이 형성될 수 밖에 없으며, 이러한 결함은 그래핀의 특성, 특히 전기적 특성을 열화시키는 것으로 알려져 있다.Graphene is produced largely by mechanical stripping, chemical vapor deposition, epitaxial synthesis, or chemical stripping. During the manufacture and transport of graphene, point defects, dislocations, defects such as boundary, crack, fold, wrinkles or residue must be formed and these defects are known to deteriorate the properties of the graphene, in particular the electrical properties .
최근, 그래핀의 결함을 치유하기 위한 연구가 수행되고 있으나, 미국 공개특허 제2013-0071616호 또는 미국 공개특허 제2013-0071564호와 같이, 결함이 존재하는 부위를 다른 그래핀으로 덮거나 잔여물을 그래핀과 유사한 물질로 변경시키는 방법등이 제안되었을 뿐이며, 점 결함(point defect), 전위(dislocation), 입계(grain boundary), 크랙(crack), 접힘(fold), 주름(wrinkles)과 같은 그래핀 자체의 구조적 결함을 치유할 수 있는 방법에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다. Recently, studies have been conducted to heal defects of graphene. However, as in US Patent Publication No. 2013-0071616 or US Patent Publication No. 2013-0071564, a portion where a defect exists is covered with another graphene, To a material similar to graphene, and the like have been proposed and the like have been proposed and have been widely used as point defects, dislocations, grain boundaries, cracks, folds, wrinkles, There is almost no research on how to heal structural defects of graphene itself.
본 발명의 목적은 그래핀의 구조적 결함을 치유할 수 있는 방법을 제공하는 것이며, 결함의 치유가 장기간 동안 안정적으로 유지되는 그래핀의 결함 치유 방법을 제공하는 것이며, 그래핀의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 그래핀의 결함 치유 방법을 제공하는 것이며, 단시간에 대면적 처리 가능한 그래핀의 결합 치유 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for healing structural defects of graphene and to provide a method for healing defects of graphene which heals the defects stably for a long period of time, The present invention provides a method for healing graphene which can be treated in a short time,
본 발명의 다른 목적은 구조적 결함이 치유된 그래핀을 제공하는 것이며, 전기적 및 기계적 특성이 우수한 그래핀을 제공하는 것이며, 장기간 안정적으로 특성이 유지되는 그래핀을 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a graphene having healed structural defects, to provide graphene having excellent electrical and mechanical properties, and to provide graphene which is stably maintained for a long period of time.
본 발명은 구조적 결함을 포함하는 그래핀의 결함 치유 방법을 제공한다.The present invention provides a defect repair method of graphene that includes structural defects.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법은 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 이종 원소를 함유하는 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시켜 상기 결함 영역에 이종 물질을 결합 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method for repairing defects of graphene according to an embodiment of the present invention includes disposing a graphene having a defective region including structural defects and a precursor gas containing a heteroatom discontinuously and repeatedly, And bonding the heterogeneous substance to the defective region.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 그래핀과 상기 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉은 적어도 하기의 i) 내지 ii) 스텝을 일 사이클로 하여, 상기 사이클이 반복 수행되는 단계를 포함할 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the discontinuous repetitive contact of the graphene and the precursor gas is performed by repeating at least the following steps i) to ii) as one cycle, . ≪ / RTI >
i) 전구체 가스와의 접촉,i) contact with the precursor gas,
ii) 불활성 가스에 의한 퍼징ii) Purging by inert gas
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 전구체 가스의 이종 원소는 산소, 질소 및 황을 포함하는 비금속원소 및 금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소를 포함할 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the hetero element of the precursor gas may include one or more elements selected from a non-metal element and a metal group including oxygen, nitrogen and sulfur .
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 그래핀과 상기 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉은 적어도 하기의 i) 내지 iv) 스텝을 일 사이클로 하여, 상기 사이클이 반복 수행되는 단계를 포함할 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the discontinuous repetitive contact between the graphene and the precursor gas is performed by repeating at least the following steps i) to iv) as one cycle, . ≪ / RTI >
i) 제1전구체 가스와의 접촉,i) contact with the first precursor gas,
ii) 불활성 가스에 의한 퍼징,ii) purge by inert gas,
iii) 제2전구체 가스와의 접촉,iii) contact with the second precursor gas,
iv) 불활성 가스에 의한 퍼징iv) Purging by inert gas
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 제1전구체 가스는 산소, 수소, 질소 및 황에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소를 함유할 수 있으며, 제2전구체 가스는 금속원소를 함유할 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the first precursor gas may contain one or more elements selected from oxygen, hydrogen, nitrogen and sulfur, and the second precursor gas may be a metal Element.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 구조적 결함은 점 결함(point defect), 선 결함(line defect), 크랙(crack), 접힘(fold) 및 주름(wrinkles)에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 결함일 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, a structural defect is one of a point defect, a line defect, a crack, a fold, and a wrinkle. Or two or more selected defects.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 그래핀과 상기 전구체 가스와의 접촉 전, 상기 그래핀을 열처리하여 상기 그래핀의 표면에 존재하는 유기물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the step of heat treating the graphene before the contact between the graphene and the precursor gas to remove organic substances present on the surface of the graphene .
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 이종물질은 금속 또는 금속화합물을 포함할 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the dissimilar material may include a metal or a metal compound.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the metal compound may be one or more selected from metal oxides, metal nitrides and metal sulfides.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 금속화합물은 비화학양론 상태일 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the metal compound may be in a non-stoichiometric state.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 그래핀의 결함 영역은 상기 이종 물질에 의해 p형 또는 n형으로 도핑될 수 있다.In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the defective region of the graphene may be doped with p-type or n-type by the dissimilar material.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법에 있어, 상기 그래핀과 상기 전구체 가스와의 반복 접촉은 100회 이하일 수 있다. In the defect repair method of graphene according to an embodiment of the present invention, the repetitive contact between the graphene and the precursor gas may be 100 times or less.
본 발명은 상술한 그래핀의 결함 치유 방법에 의해 수득되는 결함 치유 그래핀을 포함한다.The present invention includes defect repair graphene obtained by the defect repair method of graphenes described above.
본 발명은 그래핀의 구조적 결함이 치유된 그래핀인 결함 치유 그래핀을 제공한다.The present invention provides a defect healing graphene wherein graphene structural defects are healed.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀은 그래핀 및 상기 그래핀의 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역에 선택적으로 결합된 이종 물질을 포함할 수 있다.The defect repair graphene according to an embodiment of the present invention may include a graphene and a heterogeneous material selectively bonded to a defect region including a structural defect of the graphene.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 상기 이종 물질은 금속 또는 금속화합물일 수 있다.In the defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the dissimilar material may be a metal or a metal compound.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 상기 이종 물질은 상기 결함 영역에 상기 이종 물질을 이루는 이종 원소 별로, 2 내지 100층의 원자층이 적층 결합된 것일 수 있다.In the defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the dissimilar material may be an atomic layer in which 2 to 100 atomic layers are stacked in the defect region, for each of the different elements constituting the dissimilar material.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 금속은 전이후 금속, 금속 및 전이금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속일 수 있다. In the defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the metal may be a metal selected from the group consisting of metals, metals, and transition metals.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물 군에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the metal compound may be selected from one or more of metal oxide, metal nitride and metal sulfide groups.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 금속화합물의 금속은 전이후 금속, 금속 및 전이금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속일 수 있다.In the defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the metal compound metal may be a metal selected from the group consisting of metals, metals, and transition metals.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 금속화합물은 비화학양론 상태일 수 있다.In a defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the metal compound may be in a non-stoichiometric state.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 상기 그래핀의 결함 영역은 상기 이종 물질에 의해 p형 또는 n형으로 도핑될 수 있다.In the defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the defect region of the graphene may be doped with p-type or n-type by the dissimilar material.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀에 있어, 상기 이종 물질은 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 이종 원소를 함유하는 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시켜 형성된 것일 수 있다.In a defect repair graphene according to an embodiment of the present invention, the dissimilar material may include a graphene in which a defective region including a structural defect exists, and a precursor gas containing a dissimilar element discontinuously It may be formed by repeated contact.
본 발명은 상술한 결함 치유 그래핀을 포함하는 소자를 포함한다.
The present invention includes an element comprising the defect repair graphenes described above.
본 발명에 따른 그래핀 결함 치유 방법은 그래핀과 전구체 가스의 불연속적인 반복 접촉에 의해 결함 영역에 선택적으로 이종 물질을 결합시킴으로써, 점 결함, 입계(grain boundary), 전위(dislocation), 주름(wrinkles)과 같은 그래핀의 구조적 결함 자체를 치유할 수 있는 장점이 있다. 또한, 그래핀의 구조적 결함을 치유할 수 있음에 따라, 그래핀의 전기적, 기계적 성질과 같은 물리적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 그래핀과 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉이라는 매우 단순한 방법에 의해 구조적 결함을 치유할 수 있음에 따라, 대면적의 그래핀 또한 단시간 내에 처리 가능한 장점이 있다. 나아가, 그래핀과 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉에 의해 결함영역에 선택적으로 이종 물질을 결합시킬 수 있음에 따라, 그래핀 자체의 특성은 훼손하지 않으면서도 결함영역만을 선택적으로 치유할 수 있으며, 결함 영역의 치유 정도를 정밀하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 그래핀과 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉에 의해 그래핀의 구조적 결함과 화학적으로 결합된 이종 물질이 형성됨에 따라, 결함 치유로 향상된 그래핀의 물리적 특성이 장시간동안 안정적으로 유지될 수 있는 장점이 있다.The method of healing graphene defects according to the present invention is a method of healing graphene defects by selectively interposing a dissimilar material to a defective area by discontinuous repeated contact of the graphene and precursor gases to thereby form a spot defect, a grain boundary, a dislocation, ) Of the graphene itself can be cured. In addition, since the structural defects of graphenes can be healed, the physical properties such as electrical and mechanical properties of graphene can be remarkably improved. In addition, since structural defects can be healed by a very simple method of discontinuous repetitive contact between graphene and precursor gas, it is advantageous that large area graphene can be treated in a short time. Further, since the dissimilar materials can be selectively bonded to the defective region by the discontinuous repeated contact of the graphene and the precursor gas, only the defective region can be selectively healed without damaging the characteristics of the graphene itself, The degree of healing of the defective area can be precisely controlled. Further, as the dissimilar material chemically bonded to the structural defects of graphene is formed by the discontinuous repetitive contact of the graphene and the precursor gas, the physical properties of the graphene improved by the defect healing can be stably maintained for a long time There are advantages.
본 발명에 따른 결함 치유 그래핀은 그래핀에 존재할 수 밖에 없는 고유 결함(inherent defects)인 점 결함(point defect), 입계(grain boundary), 전위(dislocation), 주름(wrinkles)과 같은 그래핀의 구조적 결함 자체가 치유되어, 현저하게 향상된 전기적 특성을 갖는 장점이 있다. 또한, 결함이 존재하는 결함 영역에서만 선택적으로 결함이 치유됨에 따라, 그래핀의 고유한 특성이 훼손되지 않는 장점이 있다. 또한, 이종 물질이 그래핀의 구조적 결함에 화학 결합된 상태임에 따라, 결함 치유로 향상된 그래핀의 물리적 특성이 장시간동안 안정적으로 유지될 수 있는 장점이 있다.
Defect-healing graphenes according to the present invention can be used for graphene defects such as point defects, grain boundaries, dislocations, wrinkles, etc., inherent defects that must be present in graphene The structural defects themselves are healed, which has the advantage of having significantly improved electrical properties. Further, there is an advantage that the inherent characteristics of the graphene are not damaged as the defects are healed selectively only in the defective area in which the defects exist. In addition, since the heterogeneous material is chemically bonded to the structural defects of the graphene, the physical properties of the graphene improved by the defect healing can be stably maintained for a long time.
도 1은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 AFM (Atomic force microscopy) 및 AFM 분석 결과에 기반한 모식 단면도이며,
도 2는 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 투과전자현미경 관찰 사진이며,
도 3은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 원소 분석 결과를 도시한 도면이며,
도 4는 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과를 도시한 도면이며,
도 5는 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의의 라만 분석 결과를 도시한 도면이며,
도 6은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 면 저항을 측정 도시한 도면이며,
도 7은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 수 접촉각을 측정 도시한 도면이며,
도 8은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 횡력(lateral force) 측정 결과를 도시한 도면이며,
도 9는 그래핀에 잔류하는 유기물을 제거하지 않고 실시예와 동일하게 처리된 그래핀의 면 저항을 측정 도시한 도면이다.1 is a schematic sectional view based on AFM (atomic force microscopy) and AFM analysis results of defect repair graphene produced in the embodiment,
2 is a transmission electron microscope photograph of the defect repair graphene produced in the example,
3 is a diagram showing an elemental analysis result of the defect repair graphene produced in the embodiment,
FIG. 4 is a view showing the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of the defect repair graphene produced in the embodiment,
5 is a graph showing the results of Raman analysis of defective healing grains produced in the example,
6 is a view showing a measurement of the surface resistance of the defect repair graphene manufactured in the embodiment,
7 is a view showing measurement of the water contact angle of the defect repair graphene produced in the embodiment,
8 is a graph showing a lateral force measurement result of the defect repair graphene manufactured in the embodiment,
9 is a graph showing the measurement of the surface resistance of graphene treated in the same manner as in the embodiment without removing the organic matter remaining on the graphene.
이하 본 발명에 따른 그래핀 결함 치유 방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, a method of healing graphene defects according to the present invention will be described in detail. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명은 구조적 결함을 포함하는 그래핀의 결함 치유 방법을 제공한다. The present invention provides a defect repair method of graphene that includes structural defects.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀의 결함 치유 방법은 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 이종 원소를 함유하는 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시켜 상기 결함 영역에 이종 물질을 결합 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method for repairing defects of graphene according to an embodiment of the present invention includes disposing a graphene having a defective region including structural defects and a precursor gas containing a heteroatom discontinuously and repeatedly, And bonding the heterogeneous substance to the defective region.
그래핀은 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결되어 육각형 벌집 구조를 이루고 있음에 따라, 그래핀의 비 결함영역, 즉, 탄소 원자들로 온전한 육각형 벌집 구조를 갖는 영역은 전구체 가스와의 반응성이 극히 낮다. 이에 따라, 그래핀과 이종 원소를 함유하는 전구체 가스가 접촉하는 경우, 그래핀의 결함 영역이 선택적으로 전구체 가스와 반응 결합할 수 있다. 즉, 그래핀과 이종 원소를 함유하는 전구체 가스의 접촉 시, 그래핀의 결함 영역이 이종 물질의 핵생성 장소(nucleation site)가 될 수 있다. Since graphene has a hexagonal honeycomb structure in which each carbon atom is connected by a sp2 bond, the non-defective region of the graphene, that is, the region having an intact hexagonal honeycomb structure with carbon atoms, is extremely low in reactivity with the precursor gas . Thus, when the graphene contacts a precursor gas containing a different element, the defective region of the graphene can selectively react with the precursor gas. That is, when the graphene and the precursor gas containing the heteroatom are brought into contact with each other, the defective region of graphene may become the nucleation site of the dissimilar material.
그래핀과 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉은 이러한 결함 선택성을 향상시키며, 결함 영역에 형성되는 이종 물질의 형성 정도를 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 결함 영역에 형성되는 이종 물질의 형성 정도는 이종 물질과 결함 영역간의 결합에 의한 결함 치유 정도 및 결함 영역에서 핵생성 되는 이종 물질의 성장에 영향을 미치는데, 그래핀과 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시킴으로써, 그래핀의 구조적 결함은 치유하되, 이종 물질에 의해 그래핀의 물성 저하는 방지할 수 있도록, 이종 물질의 형성 정도가 정밀히 제어될 수 있다.Discontinuous repeated contact of the graphene with the precursor gas improves such defect selectivity and allows precise control of the degree of formation of the heterogeneous material formed in the defect region. The degree of formation of the heterogeneous material formed in the defect region affects the degree of defect healing due to the bond between the heterogeneous material and the defect region and the growth of the heterogeneous material nucleated in the defect region. The graphene and the precursor gas are discontinuously and repeatedly By the contact, the degree of formation of the heterogeneous material can be precisely controlled so that the structural defects of the graphene are healed, but the deterioration of the physical properties of the graphene can be prevented by the heterogeneous material.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 방법은 그래핀과 이종 물질의 원소 공급원(source)인 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시킴으로써, 그래핀의 결함 영역에 선택적으로 이종 물질을 결합 생성시켜, 그래핀의 고유한 결함인 구조적 결함을 치유할 수 있다. 이종 물질은 전구체 가스와 그래핀의 결함 영역간의 반응 결합에 의해 생성될 수 있는데, 이러한 결합은 화학적 결합일 수 있다. 상세하게, 전구체 가스와 결함 영역간의 반응 결합은 그래핀의 구조적 결함에 위치하는 탄소 원자 또는 이종 원자와 전구체 가스에 함유된 이종 원소간 화학적 결합일 수 있다. 화학적 결합은 이온 결합, 공유 결합 및/또는 반 데르 발스 결합을 포함할 수 있다. 이에 따라, 이종 물질은 그래핀의 결함 영역에 물리적인 부착이 아닌, 화학 결합된 상태일 수 있다. As described above, the defect repairing method according to an embodiment of the present invention includes a step of discontinuously and repeatedly contacting the precursor gas, which is an elemental source of graphene and a dissimilar material, By bonding, it is possible to heal structural defects which are inherent defects of graphene. The heterogeneous material can be produced by reactive bonding between the precursor gas and the defective region of the graphene, which bond may be a chemical bond. In particular, the reactive bond between the precursor gas and the defective region may be a chemical bond between the heteroatom contained in the precursor gas and the carbon atom or heteroatom located in the structural defects of the graphene. Chemical bonds can include ionic bonds, covalent bonds, and / or van der Waals bonds. Thus, the heterogeneous material may be in a chemically bonded state, rather than a physical attachment to a defective region of graphene.
결함 치유 대상인 그래핀은 단일층 그래핀 또는 다층 그래핀일 수 있으며, 기계적 박리법, 화학증착법, 에피텍셜 합성법 또는 화학적 박리법으로 제조된 그래핀을 포함할 수 있다. 또한, 결함 치유 대상인 그래핀은 그래핀을 지지하기 위한 지지체에 적층된 적층체 상태이거나, 그래핀이 구비되는 소자의 제조 단계 중에서 수득되는 상태일 수 있다. 즉, 본 발명에서 제공하는 그래핀의 결함 치유 방법은 그래핀 제조 후 후처리 단계로 제조와 독립적으로 수행되거나, 그래핀을 이용한 소자 제조시 제조 과정의 중간 단계로 수행될 수 있다. Graphene to be healed may be single-layer graphene or multi-layer graphene and may include graphene produced by mechanical stripping, chemical vapor deposition, epitaxial or chemical stripping. Further, the graphene which is a defect repair target may be in a laminated state stacked on a support for supporting graphene, or may be in a state obtained during the manufacturing step of a device provided with graphene. That is, the defect repair method of graphene provided in the present invention may be performed independently of the manufacture of the graphene after the manufacturing of the graphene, or may be performed as an intermediate step of the manufacturing process of the device using the graphene.
그래핀의 구조적 결함(structural defect)은 그래핀의 자체적 결함(inherent defect)일 수 있으며, 그래핀의 자체적 결함은 점 결함(point defect), 선 결함(line defect), 크랙(crack), 접힘(fold) 및/또는 주름(wrinkles)을 포함할 수 있다. 그래핀의 점 결함은 공공(vacancy) 결함, 탄소 격자틈 결함(self-interstitial defect), 이종 원소에 의한 격자틈 결함(interstitial defect) 및/또는 이종 원소에 의한 격자내 결함(substitutional defect)을 포함할 수 있고, 구조적으로 오각 링 구조 및/또는 7각 링 구조를 포함할 수 있다. 그래핀의 선 결함은 전위(dislocation), 입계(grain boundary) 및/또는 일 그래핀 상에 부분적으로 위치하는 다른 그래핀의 가장자리(graphene edge)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 일 실시예에서, 치유 대상인 결함은 그래핀의 자체적 결함임에 따라, 그래핀 상 부분적으로 잔류하는 이종물질(고분자 포함)을 포함하지 않을 수 있다. 나아가, 후술하는 바와 같이, 그래핀의 구조적 결함을 효과적이며 선택적으로 치유하기 위해서는 그래핀 상 부분적으로 잔류하는 이종물질이 먼저 제거된 후 그래핀과 전구체 가스가 접촉되는 것이 좋다.The structural defects of graphene may be inherent defects of graphene and the defects of graphene itself may be point defects, line defects, cracks, fold and / or wrinkles. The point defects of graphene include vacancy defects, carbon-interstitial defects, interstitial defects due to hetero elements, and / or substitutional defects due to hetero elements. And may include a pentagonal ring structure and / or a hexagonal ring structure structurally. The line defect of graphene may include dislocations, grain boundaries and / or other graphene edges that are partially located on the one graphene. As described above, in one embodiment according to the present invention, the defects to be cured may not contain the dissimilar materials (including the polymer) partially remaining on the graphene, as they are self-defects of the graphene. Further, as will be described later, in order to effectively and selectively heal the structural defects of graphene, it is preferable that the graphene and the precursor gas are in contact with each other after the partially remaining heterogeneous material on the graphene is first removed.
그래핀과 접촉하는 전구체 가스는 그래핀의 결함 영역에 형성되는 이종 물질에 함유되는 이종 원소를 공급하는 물질 공급원(source)임과 동시에 그래핀을 n형 또는 p형으로 도핑시키는 도핑원소의 소스일 수 있다. 그래핀과 접촉하는 전구체 가스는 그래핀의 결함 영역, 구체적으로 그래핀의 구조적 결함과 화학적으로 반응 결합하며, 이러한 반응 결합에 의해 이종 물질을 형성할 수 있는 물질이면 사용 가능하다. The precursor gas in contact with the graphene is a source of a material for supplying a hetero-element contained in a hetero-material formed in a defective region of graphene, and a source of a doping element doping graphene to n-type or p-type. . The precursor gas in contact with the graphene may chemically react with a defective region of the graphene, specifically, a structural defect of graphene, and a substance capable of forming a dissimilar material by such a reaction bond can be used.
상세하게, 전구체 가스의 이종 원소는 비금속 및 금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소일 수 있다. 상세하게, 비금속원소는 산소, 질소 및 황에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소일 수 있고, 금속원소는 전이후 금속, 금속 및 전이금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소일 수 있다. 전이후 금속은 알루미늄, 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 납 및 비스무트를 포함할 수 있고, 전이금속은 스칸듐, 이트륨, 란타늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈럼, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 철, 루테늄, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐, 백금, 구리, 은, 금, 아연 및 카드뮴을 포함할 수 있으며, 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨을 포함할 수 있다. In detail, the heterogeneous element of the precursor gas may be one or more elements selected from the group consisting of non-metals and metals. In detail, the non-metallic element may be one or more elements selected from oxygen, nitrogen and sulfur, and the metal element may be one or more elements selected from the group consisting of metals, metals and transition metals. The transition metal may be selected from the group consisting of scandium, yttrium, lanthanum, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten The metal may include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, beryllium, magnesium, cadmium, manganese, iron, ruthenium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, Calcium, strontium, and barium.
전구체 가스는 통상적인 기상화학반응법(CVD; Chemical Vapor Deposition)이나 원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)에서 비금속원소 공급원(source)이나 금속원소 공급원(source)로 사용되는 전구체 물질을 포함한다.Precursor gases include precursor materials used as a source of nonmetal or metal elements in conventional chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD).
전구체 가스가 결함 영역에 형성되는 이종 물질에 함유되는 이종 원소로 비금속 원소를 함유하는 경우, 구체적인 전구체 가스의 일예로, H2O, H2O2, O3, NO2, N2O4, H2S 또는 S등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the case where the precursor gas contains a nonmetal element as a hetero-element contained in a hetero-material in which a deficient region is formed, examples of specific precursor gases include H 2 O, H 2 O 2 , O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , H 2 S or S, but is not limited thereto.
전구체 가스가 결함 영역에 형성되는 이종 물질에 함유되는 이종 원소로 금속 원소를 함유하는 경우, 전구체 가스는 유기금속화합물 또는 금속할로겐화물일 수 있다. 상술한 바와 같이, CVD 또는 ALD 공정에 물질 공급원으로 통상적으로 사용되는 유기금속화합물이나 금속할로겐화물이면 모두 사용 가능하며, 알루미늄을 일예로, 전구체 가스는 AlCl3, AlBr3 또는 AlMe3(Me=methyl)을 들 수 있으나, 본 발명이 금속 원소의 공급원으로 사용되는 전구체 가스의 종류에 의해 한정될 수 없음은 물론이며, 사용 가능한 전구체 가스의 보다 상세한 물질은 Puurunen 등의 논문(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 97, 121301, 2005)등을 참고할 수 있다. In the case where the precursor gas contains a metallic element as a hetero-element contained in a hetero-material formed in a defective region, the precursor gas may be an organic metal compound or a metal halide. As described above, any organometallic compound or metal halide conventionally used as a material supply source for the CVD or ALD process can be used. As the precursor gas, for example, AlCl 3 , AlBr 3 or AlMe 3 (Me = methyl ). However, it should be understood that the present invention can not be limited by the kind of precursor gas used as the source of the metal element, and more detailed materials of usable precursor gas are described in Puurunen et al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 97, 121301, 2005).
전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉에 의해 그래핀의 결함 영역상 형성되는 이종 물질은 금속 또는 금속화합물일 수 있으며, 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다. The dissimilar material formed on the defective region of graphene by discontinuous repetitive contact with the precursor gas may be a metal or a metal compound, and the metal compound may be one or more selected from metal oxides, metal nitrides and metal sulfides .
그래핀과 전구체 가스와의 불연속적인 반복 접촉은 적어도 하기의 i) 내지 ii) 스텝을 일 사이클로 하여, 사이클이 반복 수행되는 단계를 포함할 수 있다.The discontinuous repetitive contact of the graphene with the precursor gas may comprise at least the following steps i) to ii) as one cycle, wherein the cycle is repeatedly performed.
i) 전구체 가스와의 접촉,i) contact with the precursor gas,
ii) 불활성 가스에 의한 퍼징ii) Purging by inert gas
i) 내지 ii) 스텝을 반복 수행하여 전구체 가스와 그래핀을 불연속적으로 반복 접촉시키는 경우, 그래핀 결함 영역의 선택적인 치유가 가능하며, 결함이 없는 그래핀 영역에는 영향을 미치지 않으며 결함 영역만을 치유할 수 있도록 전구체 가스와의 반응 정도가 정밀히 조절될 수 있다.When the precursor gas and the graphene are repeatedly contacted repeatedly by repeating the steps i) to ii), it is possible to selectively heal the graphene defective area, do not affect the defective graphene area, The degree of reaction with the precursor gas can be precisely controlled so that it can heal.
그래핀과 전구체 가스와의 접촉시(스텝 i) 셀프-리미팅 반응(self-limiting reaction)에 의해, 그래핀의 결함 영역 표면에 이종 원소를 함유하는 단일층이 형성될 수 있으며, 불활성 가스에 의한 퍼징시 (스텝ii) 미 반응 전구체 가스(및 부산물)가 제거될 수 있다.Upon contact of the graphene with the precursor gas (step i), a self-limiting reaction can form a single layer containing a hetero-element on the surface of the defect region of the graphene, Upon purging (step ii) unreacted precursor gas (and byproducts) can be removed.
적어도 i) 내지 ii) 스텝을 반복 수행함으로써, 전구체 가스에 함유되는 이종 원소를 함유하는 이종 물질을 결함 영역에 형성시킬 수 있다. 금속과 같이 이종 물질이 단일한 원소로 이루어질 경우, 상기 ii) 스텝 후, i) 스텝에 의해 형성된 이종 원소를 함유하는 단일층의 표면을 활성화(activation)시키는 단계가 더 수행될 수 있음은 물론이다. 표면 활성화는 이종 원소를 함유하는 단일층이 i) 스텝의 전구체 가스와 반응하여 다시 이종 원소를 함유하는 일 층이 앞서 형성된 단일층 상에 결합 형성될 수 있도록 하는 단계로, 원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)에서 통상적으로 사용하는 활성화 방법을 사용할 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일예로, 활성화는 열에 의한 활성화일 수 있다.By repeating at least i) to ii) steps, a heterogeneous material containing a heterogeneous element contained in the precursor gas can be formed in the defective region. When the heterogeneous substance is made of a single element such as a metal, it is needless to say that after the step ii), a step of activating the surface of the single layer containing the heterogeneous element formed by the step i) . The surface activation is a step in which a single layer containing a heteroatom is reacted with i) the precursor gas of the step so that one layer containing the heteroatom can again be bonded onto the previously formed single layer, and the atomic layer deposition (ALD; Atomic Layer Deposition) can be used. In a specific, non-limiting example, activation may be by thermal activation.
적어도 i) 내지 ii) 스텝을 포함하는 사이클은 100회 이하로, 구체적으로 2 내지 100회, 좋게는 2 내지 30회 반복 수행될 수 있는데, 이를 통해 결함 영역을 넘어서 정상적인 그래핀 영역의 표면이 이종 물질에 의해 덮이는 것을 방지할 수 있다. The cycle including at least i) to ii) step may be repeated 100 times or less, specifically 2 to 100 times, preferably 2 to 30 times, whereby the surface of the normal graphene region beyond the defect region is heterogeneous It can be prevented from being covered by the material.
i) 스텝시, 전구체 가스의 공급량, 전구체 가스와 그래핀의 접촉 시간, 퍼징 스텝(ii)시 퍼징 시간은 원자층 증착 방법에서 통상적으로 사용되는 조건이면 무방하다. 구체적이며 비한정적인 일예로, i) 스텝시, 전구체 가스는 1 내지 1000 sccm의 제1전구체 가스가 1msec 내지 10 sec 동안 그래핀이 위치하는 챔버에 공급되고, 그래핀이 공급된 제1전구체 가스에 1sec 내지 100sec 동안 노출된 후, ii) 스텝이 수행될 수 있다. 퍼징 스텝인 ii) 스텝에서 사용되는 가스는 불활성 원소이면 무관하고 1 내지 1000 sccm의 불활성 가스가 1sec 내지 100sec 동안 챔버에 지속적으로 공급 및 배출되며 퍼징이 이루어질 수 있다. 또한, i) 스텝 또는 ii) 스텝시 챔버의 압력이 밀리 토르 오더(mtorr order)로 조절 및 유지될 수 있음은 물론이다. (i) the amount of precursor gas supplied, the contact time between the precursor gas and the graphene, and the purging time at the purging step (ii) may be the conditions conventionally used in the atomic layer deposition method. In a specific, non-limiting example, i) the precursor gas is supplied to a chamber in which the first precursor gas of 1 to 1000 sccm is located for 1 msec to 10 sec, and the first precursor gas For 1 sec to 100 sec, and ii) the step can be performed. The purging step ii) The gas used in the step is irrelevant to the inert element, and the inert gas of 1 to 1000 sccm is continuously supplied to and discharged from the chamber for 1 sec to 100 sec, and purging can be performed. It is of course also possible that the pressure of the chamber in i) step or ii) step can be adjusted and maintained in a mtorr order.
좋게는, 전구체 가스는 서로 상이한 2종 이상의 가스(제1전구체 가스 및 제2전구체 가스를 포함함)일 수 있으며, 결함 영역에 결합되는 이종 물질은 적어도 제1전구체 가스에 함유된 제1이종 원소와 제2전구체 가스에 함유된 제2이종 원소를 함유하는 이종 화합물일 수 있다. 이종 화합물은 금속화합물일 수 있으며, 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질일 수 있다. 이종 물질이 이종 화합물, 좋게는 금속 화합물일 경우, 그래핀의 구조적 결함을 보다 견고히 치유할 수 있고, 이종 물질에 의해 그래핀의 구조적 결함 영역을 안정적으로 덮을 수 있으며, 결함 치유 효과가 장시간 동안 극히 안정적으로 유지될 수 있다. Preferably, the precursor gas may be two or more gases (including the first precursor gas and the second precursor gas) that are different from each other, and the heterogeneous material bound to the defect region may include at least a first heterogeneous element contained in the first precursor gas And a second heterogeneous element contained in the second precursor gas. The hetero compound may be a metal compound, and the metal compound may be one or more selected from metal oxides, metal nitrides and metal sulfides. If the heterogeneous material is a heterogeneous compound, preferably a metal compound, the structural defects of the graphene can be healed more stably, the heterogeneous material can stably cover the structural defective region of the graphene, and the defect healing effect can be extremely And can be stably maintained.
서로 상이한 2종 이상의 가스는 서로 교번되어 그래핀과 접촉하는 것이 좋은데, 본 발명의 일 실시예에 따라, i) 제1전구체 가스와의 접촉 스텝, ii) 불활성 가스에 의한 퍼징 스텝, iii) 제2전구체 가스와의 접촉 스텝 및 iv) 불활성 가스에 의한 퍼징 스텝을 포함하는 스텝을 일 사이클로 하여, 사이클을 반복 수행함으로써 전구체 가스(제1전구체 가스 및 제2전구체 가스를 포함함)와 그래핀을 접촉시킬 수 있다. 이러한 경우, 보다 효과적으로 결함 영역에 선택적으로 이종 물질이 형성될 수 있고, 구조적 결함을 안정적으로 치유할 수 있으며, 결함이 없는 그래핀 영역에는 영향을 미치지 않으며 구조적 결함만을 치유할 수 있도록 전구체 가스와의 반응 정도를 정밀히 조절할 수 있다.In accordance with an embodiment of the present invention, there is provided a method of producing a precursor gas comprising the steps of: i) contacting with a first precursor gas, ii) purging step with an inert gas, iii) (Including the first precursor gas and the second precursor gas) and graphene by repeating the cycle of one cycle including the step of contacting the precursor gas with the precursor gas and the step of purging with the inert gas . In this case, it is possible to selectively form a heterogeneous material in the defect region more effectively, to stably heal the structural defect, to prevent the defective graphene region from affecting the precursor gas The degree of reaction can be precisely controlled.
제1전구체 가스는 이종 화합물에 함유되는 제1이종 원소를 공급하는 물질 공급원일 수 있으며, 이와 동시에 그래핀을 n형 또는 p형으로 도핑시키는 도핑원소의 소스일 수 있다.The first precursor gas may be a source of a material that supplies the first heteroatom contained in the dissimilar compound and at the same time may be a source of a doping element that dopes the graphene n-type or p-type.
제2전구체 가스는 이종 화합물에 함유되는 제2이종 원소를 공급하는 물질 공급원일 수 있으며, 이와 동시에 그래핀을 n형 또는 p형으로 도핑시키는 도핑원소의 소스일 수 있다.The second precursor gas may be a source of a material that supplies the second heteroatom contained in the dissimilar compound and at the same time may be a source of the doping element doping the graphene n-type or p-type.
본 발명의 일 실시예에 있어, 제1전구체 가스에 함유되는 제1이종 원소는 비금속원소일 수 있으며, 상세하게, 제1전구체 가스는 산소, 질소 및 황에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제1이종 원소를 함유할 수 있다. 구체적이며, 비 한정적인 제1전구체 가스의 일예로, H2O, H2O2, O3, NO2, N2O4, H2S 또는 S등을 들 수 있다. 좋게는 제1전구체 가스는 산소를 제1이종 원소로 함유할 수 있다. 산소는 그래핀의 결함 영역에 존재하는 불포화 결합(Dangling bond)과 매우 안정적으로 결합할 수 있으며, 또한 그래핀의 접힘(fold) 및/또는 주름(wrinkles)과도 결합할 수 있어, 그래핀의 다양한 구조적 결함과 결합 가능한 장점이 있다. 또한, 제1전구체 가스가 제1이종 원소로 산소를 함유함으로써, 저온에서도 제2전구체 가스와의 반응성을 담보할 수 있으며, 결함 치유의 안정성을 향상시킬 수 있다. In one embodiment of the present invention, the first heterogeneous element contained in the first precursor gas may be a non-metallic element, and more specifically, the first precursor gas may be a first heterogeneous species selected from oxygen, nitrogen and sulfur, Element. Examples of specific, non-limiting first precursor gases include H 2 O, H 2 O 2 , O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , H 2 S or S, and the like. Preferably, the first precursor gas may contain oxygen as a first heteroatom. Oxygen can bond very stably with the dangling bonds present in the defective region of the graphene and can also combine with the folds and / or wrinkles of the graphene, There are advantages that can be combined with structural defects. Further, since the first precursor gas contains oxygen as the first hetero atom, the reactivity with the second precursor gas can be ensured even at a low temperature, and the stability of the defect healing can be improved.
산소를 함유하는 제1전구체 가스의 일예로, H2O, H2O2 또는 O3등을 들 수 있으며, 좋게는 산소를 함유하는 제1전구체 가스는 수증기이다. 알려진 바와 같이, 그래핀의 표면은 소수성을 띈다. 이에 따라, 제1전구체 가스로 수증기를 사용함으로써 결함이 존재하지 않는 정상적인 영역과 제1전구체 가스와의 원치 않는 반응을 효과적으로 방지할 수 있으며, 제1전구체 가스가 결함 영역과 보다 선택적으로 반응할 수 있다. 또한, 수증기는 단일한 산소와 두 수소만으로 이루어져 있어, 결함 영역에서 구조적 결함의 밀도가 높은 경우에도 효과적으로 결합이 가능하다. 즉, 제1전구체 가스의 분자 크기가 큰 경우 이미 결함에 결합된 제1전구체 가스에 의해 그에 인접하여 위치하는 결함과 제1전구체 가스와의 결합에 제약이 따를 수 있다. 그러나, 수증기의 경우 결함과 결합한 상태가 히드록시기(-OH)임에 따라 전위와 같은 고밀도의 결함 또한 치유 가능하다. 나아가, 히드록시기의 높은 반응성에 의해, 다양한 제2전구체 가스와 저온에서 효과적으로 반응 가능하다.Examples of the oxygen-containing first precursor gas include H 2 O, H 2 O 2, O 3 , and the like. Preferably, the first precursor gas containing oxygen is water vapor. As is known, the surface of graphene is hydrophobic. Thus, by using water vapor as the first precursor gas, it is possible to effectively prevent unwanted reaction of the first precursor gas with the normal region in which no defect exists, and the first precursor gas can react more selectively with the defective region have. In addition, since water vapor is composed of only one oxygen and two hydrogen atoms, it is possible to effectively bond even when the density of structural defects in a defective region is high. That is, when the first precursor gas has a large molecular size, the first precursor gas already bound to the defect may be constrained to the bonding of the first precursor gas with a defect located adjacent to the first precursor gas. However, in the case of water vapor, high-density defects such as dislocation can also be cured, as the state associated with the defect is the hydroxyl group (-OH). Further, due to the high reactivity of the hydroxyl groups, it is possible to effectively react with various second precursor gases at low temperatures.
제2전구체 가스는 제1전구체 가스에 함유된 원소와 반응하여 제1전구체 가스에 함유된 원소와 화합물을 형성할 수 있는 가스일 수 있으며, 이와 동시에 그래핀을 n형 또는 p형으로 도핑시키는 도핑원소의 소스일 수 있다. 상세하게, 제2전구체 가스는 구조적 결함에 화학 결합된 상태의 제1전구체 가스와 화학 결합하여 이종 화합물을 형성할 수 있는 가스일 수 있으며, 이와 동시에 이종 화합물 형성에 의해 그래핀을 n형 또는 p형으로 도핑시키는 도핑원소의 소스일 수 있다.The second precursor gas may be a gas capable of reacting with an element contained in the first precursor gas to form a compound with an element contained in the first precursor gas while at the same time doping the graphene into n-type or p- It can be the source of the element. In detail, the second precursor gas may be a gas capable of forming a dissimilar compound by chemically bonding with the first precursor gas chemically bonded to the structural defect, and at the same time, Type doping element.
본 발명의 일 실시예에 있어, 제2전구체 가스는 제2이종원소로 금속원소를 포함할 수 있다. 금속원소는 전이후 금속, 금속 및 전이금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소일 수 있다. 전이후 금속은 알루미늄, 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 납 및 비스무트를 포함할 수 있고, 전이금속은 스칸듐, 이트륨, 란타늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈럼, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 철, 루테늄, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐, 백금, 구리, 은, 금, 아연 및 카드뮴을 포함할 수 있으며, 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the second precursor gas may comprise a second heteroatom metal element. The metal element may be one or more elements selected from the group consisting of metals, metals and transition metals. The transition metal may be selected from the group consisting of scandium, yttrium, lanthanum, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten The metal may include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, beryllium, magnesium, cadmium, manganese, iron, ruthenium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, Calcium, strontium, and barium.
제2전구체 가스는 유기금속화합물 또는 금속할로겐화물일 수 있으며, 상술한 바와 같이, CVD 또는 ALD 공정에 물질 공급원으로 통상적으로 사용되는 유기금속화합물이나 금속할로겐화물이면 모두 사용 가능하다. 알루미늄을 일예로, 전구체 가스는 AlCl3, AlBr3 또는 AlMe3(Me=methyl)을 들 수 있다.The second precursor gas may be an organometallic compound or a metal halide, and as described above, any organometallic compound or metal halide conventionally used as a material source for CVD or ALD processes may be used. Examples of the precursor gas include AlCl 3 , AlBr 3 , and AlMe 3 (Me = methyl).
스텝i) 내지 스텝iv)를 포함하는 사이클을 반복 수행함으로써, 산소, 질소 및 황에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 비금속원소를 함유하는 제1전구체 가스와 금속원소를 함유하는 제2전구체 가스와의 순차적 반복 접촉에 의해, 그래핀의 결함 영역에는 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속화합물이 그래핀의 구조적 결함과 화학적으로 결합되어 형성될 수 있다.By sequentially repeating the cycle including steps i) to iv), a first precursor gas containing a non-metal element selected from oxygen, nitrogen and sulfur and a second precursor gas containing a metal element By repeated contact, a metal compound selected from one or more of metal oxides, metal nitrides and metal sulfides can be chemically bonded to the defective region of graphene in the defective region of graphene.
그래핀의 구조적 결함을 치유함에 있어, 비금속원소를 함유하는 제1전구체 가스를 이용하여, 그래핀에 존재하는 구조적 결함에 선택적으로 비금속원소를 결합시킨 후, 제2전구체 가스, 좋게는 금속원소를 함유하는 제2전구체 가스를 이용하여 결함 영역 상에 금속화합물을 형성함으로써, 결함에 의한 전기적, 물리적 특성 열화를 보다 효과적으로 치유할 수 있다. In order to heal structural defects of graphene, a first precursor gas containing a non-metallic element is used to selectively bind a non-metallic element to structural defects existing in graphene, and then a second precursor gas, preferably a metal element By using the second precursor gas containing a metal compound to form a metal compound on the defective region, deterioration of electrical and physical properties due to defects can be more effectively healed.
그래핀의 결함 영역에 형성되는 금속 화합물은 좋게는 금속산화물일 수 있는데, 결함 영역에 금속산화물이 결합 형성됨으로써, 결함이 치유된 그래핀의 물리적 특성이 장기간 동안 안정적으로 유지될 수 있다. The metal compound formed in the defective region of graphene may be preferably a metal oxide, and the metal oxide is bonded to the defective region, so that the physical properties of the defective graphene grains can be stably maintained for a long period of time.
제1전구체 가스 및 제2전구체 가스와 그래핀의 교번 접촉시, 그래핀의 온도는 전구체 가스(제1전구체 가스 및 제2전구체 가스)와 그래핀의 반응이 원활히 발생하는 온도면 무방하고, 상온 내지 수백도의 온도까지도 가온할 수 있다. 구체적인 일예로, 전구체 가스와의 접촉시 그래핀은 70 내지 130℃에 이르는 극히 낮은 온도로 가온 될 수 있는데, 이러한 낮은 가온 온도는 그래핀이 설사 유기 기반 소자나 유기물 기판 상에 구비된 상태에서도, 구조적 결함 치유시 그래핀 이외의 구성요소가 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있고, 결함 치유에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. When the first precursor gas and the second precursor gas are in alternate contact with the graphene, the temperature of the graphene may be such that the reaction between the precursor gas (the first precursor gas and the second precursor gas) and the graphene occurs smoothly, To several hundred degrees Celsius. In a specific example, upon contact with the precursor gas, the graphene may be heated to an extremely low temperature, such as 70-130 ° C, and this low temperature may be achieved even when graphene is provided on an organo- It is possible to prevent components other than graphene from being damaged by heat when healing structural defects, to improve productivity, and to reduce the cost of healing defects.
결함영역에 형성된 금속화합물은 비화학양론 상태일 수 있는데, 이러한 비화학양론 상태의 금속화합물은 특히 결함을 치유하는데 보다 효과적이다. 비화학양론 상태의 금속화합물은 본 발명의 일 실시예에 따라, i) 제1전구체 가스와의 접촉 스텝, ii) 불활성 가스에 의한 퍼징 스텝, iii) 제2전구체 가스와의 접촉 스텝 및 iv) 불활성 가스에 의한 퍼징 스텝을 포함하는 스텝을 일 사이클로 하여, 사이클의 반복 수행정도를 조절하여 형성될 수 있다. The metal compound formed in the defect region may be in a non-stoichiometric state, and the metal compound in this non-stoichiometric state is more effective for healing defects in particular. In a non-stoichiometric state, the metal compound may be, according to one embodiment of the present invention, i) contact step with a first precursor gas, ii) purging step with an inert gas, iii) contact step with a second precursor gas, and iv) A step including a purging step with an inert gas may be formed as one cycle, and the degree of repetition of the cycle may be adjusted.
상세하게, 사이클이 반복 수행됨에 따라 그래핀의 구조적 결함을 핵생성 장소로 생성된 금속화합물의 그래핀의 면방향 및 두께방향으로의 성장이 이루어지는데, 사이클의 반복 수행정도에 의해 금속화합물이 그래핀의 표면을 덮는 정도(coverage)를 조절할 수 있고, 결함 영역 상에 비화학양론(non-stoichiometry) 상태의 금속 화합물을 형성할 수 있다. 비화학양론 상태의 금속 화합물은 사이클의 반복 수행으로 적층되는 원소층(금속 화합물의 원소층)들이 모두 그래핀의 구조적 결함의 치유에 기여할 수 있어, 결함은 효과적으로 치유하되, 그래핀 자체의 물성을 훼손시키지 않을 수 있어 바람직하다. 비화학양론 상태의 금속 화합물을 형성하기 위해, 스텝i) 내지 스텝iv)를 포함하는 사이클은 100회 이하, 좋게는 2 내지 30회로 반복 수행될 수 있으며, 보다 좋게는 2 내지 10회, 보다 더욱 좋게는 6 내지 8회 반복 수행될 수 있다. In detail, as the cycle is repeatedly performed, the structural defects of graphene are grown in the plane direction and the thickness direction of the graphene of the metal compound produced as a nucleation site. The coverage of the surface of the fin can be controlled and a non-stoichiometric state metal compound can be formed on the defect region. In the non-stoichiometric state, metal compounds that are stacked by cyclic repetition can all contribute to the healing of structural defects of graphene, so that the defects can heal effectively, but the physical properties of graphene itself So that it is preferable. To form the metal compound in the non-stoichiometric state, the cycle comprising steps i) through iv) may be repeated no more than 100 times, preferably 2 to 30 cycles, more preferably 2 to 10 times more Preferably 6 to 8 times.
비화학양론 상태의 금속화합물은 MxNy(0<x<N의 원자가인 실수, 0<y<M의 원자가인 실수이며, M은 제2전구체 가스에서 기인한 금속원소이며, N은 제1전구체 가스에서 기인한 비금속원소이다)의 화학식으로 표시될 수 있다. M이 알루미늄인 경우를 예로, 비화학양론 상태의 금속산화물은 AlxOy(0<x<2, 0<y<3인 실수)로 표시될 수 있다. 결함 영역에 비화학양론 상태의 금속화합물 형성하는 경우, 그래핀의 결함 영역을 n형 또는 p형 도핑할 수 있으며, 결함 치유 전 그래핀의 시트 저항(sheet resistance)을 기준으로, 시트 저항을 수십 % 까지 감소시킬 수 있고, 장기적인 안정성을 유지할 수 있다.Wherein the metal compound in the non-stoichiometric state is a real number having a valence of M x N y (0 <x <N, a valence of 0 <y <M, M is a metal element originating from the second precursor gas, 1 < / RTI > precursor gas). As an example of the case where M is aluminum, the non-stoichiometric metal oxide may be represented by Al x O y (0 <x <2, 0 <y <3). When a non-stoichiometric metal compound is formed in the defect region, the defect region of the graphene can be doped with n-type or p-type, and the sheet resistance of the graphene before defects %, And the long-term stability can be maintained.
또한, 100회 이하, 좋게는 2 내지 30회, 보다 좋게는 2 내지 10회, 보다 더욱 좋게는 6 내지 8회 반복 수행되는 사이클은 결함이 없는 정상적인 그래핀 영역까지 금속화합물이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 정상적인 그래핀 영역까지 금속화합물이 형성되는 경우, 그래핀 자체의 물성이 훼손될 수 있다. 또한, 사이클의 반복 횟수가 너무 작은 경우 금속화합물에 의한 결함 치유 정도가 미미하거나, 장시간 동안 안정적으로 결함 치유 효과가 유지되지 않을 위험이 있다.In addition, the cycle which is repeated 100 times or less, preferably 2 to 30 times, more preferably 2 to 10 times, still more preferably 6 to 8 times prevents the metal compound from being formed to a defect-free normal graphene region . If a metal compound is formed to a normal graphene region, the physical properties of the graphene itself may be impaired. If the number of repetition cycles is too small, there is a risk that the degree of defect healing caused by the metal compound is insignificant or that the defect healing effect can not be stably maintained for a long time.
i) 스텝시, 제1전구체 가스의 공급량, 제1전구체 가스와 그래핀의 접촉 시간, 퍼징 스텝(ii, iv)시 퍼징 시간 및 iii)스텝시, 제2전구체 가스의 공급량, 제2전구체 가스와 그래핀의 접촉 시간은 원자층 증착 방법에서 통상적으로 사용되는 조건이면 무방하다. (ii) a purging time at a purging step (ii, iv); and (iii) at a step, a supply amount of the second precursor gas, a second precursor gas And the contact time of graphene may be the conditions conventionally used in the atomic layer deposition method.
구체적이며 비한정적인 일예로, i) 스텝시, 제1전구체 가스는 1 내지 1000 sccm의 제1전구체 가스가 1msec 내지 10 sec 동안 그래핀이 위치하는 챔버에 공급되고, 그래핀이 공급된 제1전구체 가스에 1sec 내지 100sec 동안 노출된 후, ii) 스텝이 수행될 수 있다. iii) 스텝시, 제2전구체 가스는 1 내지 1000 sccm의 제2전구체 가스가 1msec 내지 50 sec 동안 그래핀이 위치하는 챔버에 공급되고, 그래핀이 공급된 제1전구체 가스에 1sec 내지 100sec 동안 노출된 후, iv) 스텝이 수행될 수 있다. 퍼징 스텝인 ii) 스텝 및 iv) 스텝에서 사용되는 가스는 불활성 원소이면 무관하고 1 내지 1000 sccm의 불활성 가스가 1sec 내지 100sec 동안 챔버에 지속적으로 공급 및 배출되며 퍼징이 이루어질 수 있다. 또한, i) 스텝 또는 iii) 스텝시 챔버의 압력이 밀리 토르 오더(mtorr order)로 조절 및 유지될 수 있음은 물론이다. In a specific, non-limiting example, i) the first precursor gas is supplied to a chamber in which graphene is located for 1 msec to 10 sec of a first precursor gas at 1 to 1000 sccm, After exposure to the precursor gas for 1 sec to 100 sec, ii) step can be performed. iii) In step, the second precursor gas is supplied to the chamber in which the grains are positioned for 1 msec to 50 sec of the first precursor gas at 1 to 1000 sccm, and exposed to the first precursor gas to which the graphene is supplied for 1 sec to 100 sec , Iv) step can be performed. The purge step ii) The gas used in the step i) and the iv) step is irrelevant to the inert element, and the inert gas of 1 to 1000 sccm is continuously supplied to and discharged from the chamber for 1 sec to 100 sec, and purging can be performed. It is of course also possible that the pressure of the chamber in i) step or iii) step can be adjusted and maintained in the mtorr order.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 있어, 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시키는 단계의 구체적인 일예로, 원자층 증착 방법을 포함할 수 있다. In the method according to an embodiment of the present invention, as a specific example of the step of discontinuously and repeatedly contacting the precursor gas with the graphene in which a defective region including a structural defect exists, ≪ / RTI >
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 원자층 증착 방법을 이용하여 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 전구체 가스를 불연속적으로 반복 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. That is, the method according to an embodiment of the present invention includes a step of discontinuously and repeatedly contacting a precursor gas with a graphene in which a defective region including a structural defect exists using an atomic layer deposition method .
서로 상이한 두 종류 이상의 전구체 가스를 이용하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 원자층 증착 방법을 이용하여 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 제1전구체 가스와 제2전구체 가스를 불연속적으로 교번 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. When using two or more kinds of precursor gases different from each other, the method according to an embodiment of the present invention uses a graphene having a defective region including a structural defect by using an atomic layer deposition method, And discontinuously bringing the precursor gas and the second precursor gas into an alternating contact.
물질적 관점에서 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 상술하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역이 존재하는 그래핀(graphene)과 전구체 가스를 접촉시켜 결함 영역에 선택적으로 금속 또는 금속화합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.From a material point of view, a method according to one embodiment of the present invention will now be described in which a method according to an embodiment of the present invention comprises contacting a precursor gas with a graphene in the presence of a defective region, To form a metal or metal compound selectively in the defect region.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 있어, 그래핀과 전구체 가스(제1전구체 가스 및 제2전구체 가스를 포함)와의 접촉 전, 그래핀을 열처리하여 그래핀의 표면에 존재하는 유기물을 제거하는 단계가 더 수행될 수 있다.In the method according to an embodiment of the present invention, the graphene is heat-treated before contacting the graphene with the precursor gas (including the first precursor gas and the second precursor gas) to remove the organic substances present on the surface of the graphene More steps can be performed.
전구체 가스, 특히 비금속원소를 함유하는 전구체 가스는 그래핀의 표면에 존재하는 유기물과도 반응하여 결합하기 쉽다. 이에 따라, 그래핀의 표면에 유기물이 잔류할 경우, 그래핀의 구조적 결함이 치유되기 보다는 유기물 상 이종 물질이 형성될 가능성이 매우 높으며, 유기물에 의해 그래핀의 구조적 결함이 표면으로 노출되지 않을 위험이 있다. 이에 따라, 그래핀을 열처리함으로써 그래핀에 존재하는 잔류 유기물(잔류 고분자를 포함함)을 제거한 후, 전구체 가스와의 접촉, 좋게는 제1전구체 가스와 제2전구체 가스와의 교번 접촉이 수행되는 것이 좋다. Precursor gases, especially precursor gases containing non-metallic elements, also react with organic materials present on the surface of graphene and are prone to bond. Thus, if organic matter remains on the surface of graphene, there is a high possibility that the organic defect will be formed rather than the structural defects of the graphene, and that the structural defects of the graphene are not exposed to the surface due to the organic matter . As a result, the graphene is heat-treated to remove residual organic substances (including residual polymer) present in the graphene, and then contact with the precursor gas, preferably an alternate contact of the first precursor gas and the second precursor gas It is good.
유기물의 분해를 위한 열처리는 300 내지 600 ℃에서 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있으며, 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리가 수행될 수 있다. 불활성 기체의 흐름은 특별히 한정되지 않으나, 300 내지 800 sccm의 유속을 가질 수 있다. The heat treatment for decomposition of the organic material may be performed at 300 to 600 ° C for 30 minutes to 2 hours, and the heat treatment may be performed in an atmosphere in which the inert gas flows. The flow of the inert gas is not particularly limited, but it may have a flow rate of 300 to 800 sccm.
본 발명은 상술한 그래핀의 결함 치유 방법에 의해 수득되는 결함 치유 그래핀을 포함한다.The present invention includes defect repair graphene obtained by the defect repair method of graphenes described above.
본 발명은 결함이 치유된 그래핀인 결함 치유 그래핀을 제공한다.The present invention provides defect healing grains wherein the defect is healed graphene.
본 발명의 일 실시예에 따른 결함 치유 그래핀은 그래핀; 및 그래핀의 구조적 결함(structural defect)을 포함하는 결함 영역에 선택적으로 결합된 이종 물질을 포함할 수 있다. The defect repair graphene according to an embodiment of the present invention includes graphene; And a heterogeneous material selectively bonded to a defect region including a structural defect of graphene.
그래핀의 구조적 결함은 점 결함, 선 결함, 크랙(crack), 접힘(fold), 주름(wrinkles) 또는 원치 않는 다른 그래핀 층의 부분적 적층을 들 수 있는데, 이종 물질은 각 구조적 결함이 위치하는 곳으로부터 생성 및 성장된 것일 수 있다. 즉, 구조적 결함이 면 결함인 경우 이종 물질은 그 점 결함을 덮는 판 형상일 수 있으며, 구조적 결함이 선 결함인 경우 이종 물질은 선 결함을 덮는 띠 형상일 수 있다. 상술한 바와 유사하게, 이종 물질은 그래핀의 구조적 결함에 대응하는 형상을 가지되, 그래핀의 구조적 결함을 덮는 형태일 수 있다. Structural defects of graphene include point defects, line defects, cracks, folds, wrinkles, or partial lamination of other unwanted graphene layers, where the heterogeneous material is located at the location where each structural defect is located Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI > That is, if the structural defect is a surface defect, the heterogeneous material may be in the form of a plate covering the point defect, and if the structural defect is a line defect, the different material may be in the form of a band covering the line defect. Similar to the above, the heterogeneous material has a shape corresponding to the structural defects of the graphene, and may be in a form to cover the structural defects of the graphene.
결함 영역에 선택적으로 결합 형성된 이종 물질은 금속 또는 금속화합물일 수 있으며, 이종 물질이 그래핀의 구조적 결함과 화학 결합된 상태임에 따라, 결함이 치유되며 그래핀의 결함 영역이 이종 물질에 의해 p형 또는 n형으로 도핑될 수 있다.The heterogeneous material selectively bound to the defect region may be a metal or a metal compound, and the heterogeneous material is chemically bonded to the structural defects of the graphene, whereby the defect is healed and the defective region of the graphene is p Type or n-type.
금속 또는 금속화합물의 금속은 전이후 금속, 금속 및 전이금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질일 수 있다. 전이후 금속은 알루미늄, 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 납 및 비스무트를 포함할 수 있고, 전이금속은 스칸듐, 이트륨, 란타늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈럼, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 철, 루테늄, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐, 백금, 구리, 은, 금, 아연 및 카드뮴을 포함할 수 있으며, 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨을 포함할 수 있다. The metal of the metal or metal compound may be one or more selected from the group consisting of metals, metals and transition metals. The transition metal may be selected from the group consisting of scandium, yttrium, lanthanum, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten The metal may include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, beryllium, magnesium, cadmium, manganese, iron, ruthenium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, Calcium, strontium, and barium.
금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다. 이종 물질은 좋게는 금속 화합물, 보다 좋게는 금속 산화물일 수 있는데, 이를 통해, 그래핀의 구조적 결함을 보다 견고히 치유할 수 있고, 이종 물질에 의해 그래핀의 구조적 결함 영역을 안정적으로 덮을 수 있으며, 결함 치유 효과가 장시간 동안 극히 안정적으로 유지될 수 있다. The metal compound may be one or more selected from metal oxides, metal nitrides and metal sulfides. The heterogeneous material may preferably be a metal compound, more preferably a metal oxide, through which structural defects of graphene can be healed more firmly, a structural defective area of graphene can be stably covered by the heterogeneous material, The defect healing effect can be kept extremely stable for a long time.
이종 물질은 결함 영역에 이종 물질을 이루는 이종 원소 별로, 2 내지 100층의 원자층이 적층 결합된 것일 수 있으며, 좋게는 이종 물질을 이루는 이종 원소 별로 2 내지 30층, 보다 좋게는 2 내지 10측, 보다 더욱 좋게는 6 내지 8층의 원자층이 적층 결합된 것일 수 있다. The heterogeneous material may be an atomic layer of 2 to 100 layers laminated to each other by hetero atoms constituting a heterogeneous material in the defective region, preferably 2 to 30 layers, more preferably 2 to 10 layers , More preferably 6 to 8 layers of atomic layers may be laminated.
상세하게, 이종 물질이 금속과 같이 단일한 원소로 이루어진 경우, 이종 물질은 금속 원자층이 2 내지 100층이 쌓여 이루어진 것일 수 있다. 이종 물질이 금속화합물과 같이, 제1이종 원소 및 제2이종 원소를 포함하는 두 종 이상의 원소로 이루어진 경우, 제1이종 원소의 원자층과 제2이종 원소의 원자층이 서로 교번 적층되되, 제1이종 원소의 원자층과 제2이종 원소의 원자층 각각이 2 내지 100층으로 쌓여 이루어진 것일 수 있다. 이때, 기술적 의미를 보다 명확히 하기 위해, 원자층이라는 층의 표현을 사용한 것이며, 이러한 층이 구조적 결함 영역에 부분적으로 형성된 층으로 해석될 수 있으며, 그래핀의 노출 표면을 모두 덮은 층으로 한정 해석될 수 없음은 물론이다. In detail, when the hetero-material is composed of a single element such as a metal, the hetero-material may be a stack of 2 to 100 layers of metal atoms. When the heterogeneous material is composed of two or more kinds of elements including a first heterojunction and a second heterojunction, such as a metal compound, the atomic layer of the first heterojunction and the atomic layer of the second heterojunction are alternately stacked, The atomic layer of one hetero atom and the atomic layer of the second hetero atom may be stacked in 2 to 100 layers. At this time, in order to clarify the technical meaning, the expression of a layer of atomic layer is used, and this layer can be interpreted as a layer partially formed in the structural defective region and is limited to a layer covering all of the exposed surface of graphene Of course not.
결함 영역에 이종 물질을 이루는 이종 원소 별로, 2 내지 100층의 원자층, 좋게는 2 내지 30층, 보다 좋게는 2 내지 10측, 보다 더욱 좋게는 6 내지 8층의 원자층이 적층 결합되는 경우, 이종 물질 자체에 의한 그래핀의 물리적 특성 저하는 방지하면서도, 그래핀의 구조적 결함을 효과적으로 치유할 수 있다.In the case where atomic layers of 2 to 100 layers, preferably 2 to 30 layers, more preferably 2 to 10 sides, and more preferably 6 to 8 layers are laminated to each other in the defect region for each of the different kinds of heteroatoms , It is possible to effectively cure structural defects of graphene while preventing degradation of the physical properties of graphene due to the dissimilar materials themselves.
이종 물질이 금속화합물일 때, 이종 물질이 이종 원소 별로, 2 내지 100층의 원자층, 좋게는 2 내지 30층, 보다 좋게는 2 내지 10측, 보다 더욱 좋게는 6 내지 8층의 원자층이 적층 결합되는 경우, 금속화합물은 비화학양론 상태일 수 있다. 비화학양론상태의 금속화합물은 그래핀의 결함 영역을 n형 또는 p형으로 크게 도핑 시킬 수 있으며, 결함 치유 전 그래핀의 시트 저항(sheet resistance)을 기준으로, 도핑의 장기적인 안정성을 유지할 수 있다.When the heterogeneous material is a metal compound, it is preferable that the heterogeneous material has an atomic layer of 2 to 100 layers, preferably 2 to 30 layers, more preferably 2 to 10 sides, and more preferably 6 to 8 layers, When laminated, the metal compound may be in a non-stoichiometric state. The non-stoichiometric metal compound can greatly dope the defect region of graphene to n-type or p-type and maintain the long-term stability of the doping based on the sheet resistance of the graphene before healing the defect .
상세하게, 금속 화합물에 의한 도핑은 그래핀의 라만 스펙트럼을 기준으로 논할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 있어, 결함 치유전 그래핀의 라만 스펙트럼을 기준으로, G 밴드 및 2D 밴드의 단파장 이동(blue shift)이 이루어질 수 있다. G 밴드 및 2D 밴드의 이동은 그래핀의 도핑을 가늠할 수 있는 척도로, 결함 치유 전 그래핀을 기준으로 각각 1598cm-1 및 2698cm-1에 위치하는 피크이다. 결함 영역에 비화학양론 상태의 금속화합물을 형성시킴으로써, G 밴드 및 2D 밴드의 단파장 이동(blue shift) 또는 장파장 이동(red shift)을 보다 증가시킬 수 있으며, 시트저항이 단시간 내에 열화되는 일반적인 화학적 도핑과는 달리 장시간 동안의 도핑 안정성이 확보될 수 있다. In detail, the doping by the metal compound can be discussed based on the Raman spectrum of graphene. In one embodiment of the present invention, the short wavelength shift of the G band and the 2D band on the basis of the Raman spectrum of the pre- a blue shift can be achieved. G-band and the movement of the 2D band is yes as a measure of how well the doping of the pins, around the defect healing is yes peaks positioned at 1598cm -1 and 2698cm -1, based on the pin. By forming a non-stoichiometric metal compound in the defect region, it is possible to further increase the blue shift or the long wavelength shift of the G band and the 2D band, and the general chemical doping The doping stability for a long time can be secured.
제조 방법적으로, 결함 영역에 형성되는 이종 물질은 상술한 i) 내지 ii)스텝을 포함하는 일 사이클 또는 상술한 i) 내지 iv) 스텝을 포함하는 일 사이클이 반복 수행되어 형성된 것일 수 있는데, 이를 통해 그래핀의 구조적 결함을 핵생성 장소로 이종 물질이 생성되어 결함 영역에 선택적으로 이종 물질이 형성될 수 있으며, 구조적 결함과 화학적으로 결합된 상태의 이종 물질이 형성될 수 있다. As a manufacturing method, the heterogeneous material to be formed in the defective region may be formed by repeating one cycle including the i) to ii) steps or the i) to iv) steps described above, A heterogeneous material may be formed at the nucleation site of the structural defects of graphene, so that a heterogeneous material may be selectively formed in the defective region and a heterogeneous material may be formed in a chemically bonded state with structural defects.
본 발명은 상술한 결함 치유 그래핀을 포함하는 소자를 포함한다. 결함 치유 그래핀을 포함하는 소자는 그래핀을 그 구성요소로 함유하는 어떠한 소자이든 무방하다. 일예로, 그래핀 함유 소자는 그래핀이 전도성 물질로써 소자의 전극이나 배선으로 구비되는 소자, 그래핀이 반도체 물질로써 광활성 영역이나 채널 영역에 구비되는 소자, 또는 그래핀이 검출대상 물질과 반응하는 센싱 물질로써 구비되는 전기적 광학적 검출 소자를 포함할 수 있다. 구체적으로 그래핀 함유 소자는 광 소자, 전기 소자, 태양전지 또는 검출 소자를 포함할 수 있으며, 광 소자는 발광 소자를 포함할 수 있고, 전기 소자는 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 검출 소자는 바이오 센서 또는 가스 검출 센서를 포함할 수 있다. The present invention includes an element comprising the defect repair graphenes described above. An element including defect repair graphene may be any element containing graphene as its constituent element. For example, a graphene-containing device is a device in which graphene is a conductive material, an element provided in an electrode or wiring of the device, an element in which graphene is a semiconductor material, a device provided in a photoactive region or a channel region, And an electrooptical detection element provided as a sensing material. Specifically, the graphene-containing device may include an optical device, an electric device, a solar cell, or a detecting device, the optical device may include a light emitting device, the electric device may include a transistor, Or a gas detection sensor.
이하, 화학적 합성 방법을 이용하여 그래핀을 제조하고, 제조된 그래핀을 실리카 기판으로 전사한 후 원자층 증착 방법을 이용하여 그래핀의 결함을 치유한 실시예를 제공하나, 본 발명이 후술하는 실시예에 의해 한정되어 해석될 수 없음은 물론이다.Hereinafter, embodiments of producing graphene using a chemical synthesis method, transferring the produced graphene to a silica substrate, and healing defects of graphene using an atomic layer deposition method are provided. It should be understood that the present invention can not be construed as limited by the embodiments.
(제조예)(Production example)
화학적 합성에 의한 그래핀의 제조Preparation of graphene by chemical synthesis
25μm 두께의 구리 포일(Alfa-Aecer; 99.8 %, No. 13382)을 2 인치 직경의 쿼츠 튜브에 장입한 후, 튜브 내 압력을 600mTorr으로 조절하였으며, 그 후 50 sccm의 아르곤 및 20 sccm의 수소 가스의 혼합 가스를 흘리며 1000℃로 가열하였다. 1000℃로 가열된 튜브에 30 sccm의 메탄(CH4)과 20sccm의 수소의 혼합 가스를 20분 동안 주입한 후 튜브를 냉각하여 그래핀을 수득하였다.A 25 μm thick copper foil (Alfa-Aecer; 99.8%, No. 13382) was charged into a 2 inch diameter quartz tube and the pressure in the tube was adjusted to 600 mTorr, after which 50 sccm of argon and 20 sccm of hydrogen gas Lt; RTI ID = 0.0 > 1000 C. < / RTI > A mixed gas of 30 sccm of methane (CH 4 ) and 20 sccm of hydrogen was injected into the tube heated to 1000 ° C for 20 minutes, and the tube was cooled to obtain graphene.
구리 포일상 그래핀을 2x2cm로 절단한 후, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA; Microchem, Inc. 950 A4) 용액을 그래핀 상에 스핀 코팅(2500 rpm, 30초)하고 80℃에서 2분 동안 건조하여 PMMA 희생층을 제조하였다. After the copper foil graphene was cut to 2 x 2 cm, polymethyl methacrylate (PMMA; Microchem, Inc. 950 A4) solution was spin-coated on the graphene (2500 rpm, 30 seconds) and dried at 80 ° C for 2 minutes To prepare a PMMA sacrificial layer.
구리 포일의 양 면에 형성된 그래핀 중, PMMA 희생층이 형성되지 않은 일 면의 그래핀은 산소 플라즈마를 이용하여 제거하였으며, 일 면의 그래핀이 제거된 구리 포일-그래핀-PMMA 희생층의 적층체를 0.1M 몰농도의 암모니움 퍼설페이트 용액((NH4)2S2O8)에 8시간 동안 띄워(floating) 구리 포일을 제거하였다. Of the graphenes formed on both surfaces of the copper foil, the graphene on one side of which no PMMA sacrificial layer was formed was removed by using oxygen plasma, and the graphene-removed copper foil-graphene-PMMA sacrificial layer The laminate was floated in a 0.1 M molar ammonium persulfate solution ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) for 8 hours to remove the copper foil.
구리 포일이 제거된 그래핀-PMMA 희생층을 탈이온수로 세척한 후, 산소 플라즈마로 표면 처리된 300nm 두께의 SiO2가 형성된 Si 기판에, SiO2 표면과 그래핀이 서로 접하도록 적층하였다. 이후, 공기중 2시간 동안 건조한 후 110℃로 1시간 동안 가온하여 그래핀을 기판에 결합시켰으며, 이후, 60℃의 아세톤에 담궈 PMMA 희생층을 제거하였다. 이후, 그래핀에 잔류하는 폴리머(PMMA) 잔류물을 제거하기 위해, 기판에 전사된 그래핀을 500 sccm 아르곤 분위기에서 350℃로 1시간동안 열처리 하였다. The graphene-PMMA sacrificial layer from which the copper foil had been removed was washed with deionized water, and then laminated so that the SiO 2 surface and the graphene were in contact with each other on the Si substrate on which the SiO 2 was formed with a thickness of 300 nm by surface treatment with oxygen plasma. After drying for 2 hours in air, the graphene was bonded to the substrate at 110 ° C for 1 hour, and then immersed in acetone at 60 ° C to remove the PMMA sacrificial layer. Then, in order to remove the polymer (PMMA) residue remaining on the graphene, the graphene transferred to the substrate was heat-treated at 350 DEG C for 1 hour in an atmosphere of 500 sccm argon.
(실시예)(Example)
제조예에서 제조된 그래핀(폴리머 잔류물이 제거된 그래핀-기판 적층체)을 원자층 증착 챔버(S200, Savannah)에 장입하고, 100℃의 온도 및 20 sccm의 질소가스가 흐르는 분위기에서 30분 동안 방치하였다. 이후, TMA(trimethylaluminum, Al(CH3)3, Aldrich, 99.99%) 및 H2O를 전구체 가스로 하여, 원자층 증착을 수행하여 결함 치유 그래핀을 제조하였다.The graphene (graphene-substrate laminate from which the polymer residue was removed) prepared in Production Example was charged into an atomic layer deposition chamber (S200, Savannah), and was heated at a temperature of 100 占 폚 and a flow rate of 30 Min. Thereafter, atomic layer deposition was performed using TMA (trimethylaluminum, Al (CH 3 ) 3 , Aldrich, 99.99%) and H 2 O as a precursor gas to prepare defect repair graphene.
상세하게, 원자층 증착은 H2O(gas) 펄스-제1퍼징-TMA 펄스-제2퍼징을 일 사이클로 하여, 1회 내지 100회의 사이클을 반복 수행하였다. 상세한 사이클 조건은 다음과 같다. H2O 펄스는 20 sccm의 H2O(g)를 0.1초 동안 공급한 후 20초 동안 그래핀에 노출되도록 하였으며, 20 sccm의 질소를 20 초동안 공급하여 제1퍼징을 수행하였다. TMA 펄스는 20 sccm의 TMA(g)를 0.015초 동안 공급한 후 20초 동안 그래핀에 노출되도록 하였으며, 20 sccm의 질소를 30 초동안 공급하여 제2퍼징을 수행하였다. In detail, the atomic layer deposition was repeated one to 100 cycles, with H 2 O (gas) pulse-first purging-TMA pulse-second purging as one cycle. The detailed cycle conditions are as follows. The H 2 O pulse was supplied to the graphene for 20 seconds after the supply of 20 sccm of H 2 O (g) for 0.1 second and the first purging was performed by supplying 20 sccm of nitrogen for 20 seconds. The TMA pulse was supplied to TMA (g) at 20 sccm for 0.015 seconds, then exposed to graphene for 20 seconds, and the second purging was performed by supplying 20 sccm of nitrogen for 30 seconds.
실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 전기적 특성은 4침법 시스템(four-point probe system, CM-100, AiT)을 이용한 면 저항을 측정하여 수행되었으며, 원자층 증착 전 후로 동일 그래핀에 대해 면 저항을 측정하였다.The electrical properties of the defect repair graphene fabricated in the examples were measured by measuring the surface resistance using a four-point probe system (CM-100, AiT) The resistance was measured.
실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 수 접촉각은 접촉각 측정 장치(DSA 100, Kruss®)를 이용하여 측정하였으며, 3μl의 물방울을 결함 치유 그래핀의 적어도 6개 이상의 영역에 떨어뜨려 측정하였다. The water contact angle of the defect repair graphene prepared in the examples was measured using a contact angle measuring apparatus (
실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 XPS(X-ray Photoelectron spectroscopy) 분석은 Al Kα X-선을 이용((Multilab 2000, Thermo)하여 수행되었으며, 스팟 사이즈는 0.5μm2이었다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the defect repair graphene prepared in the examples was performed using Al K? X-ray ((Multilab 2000, Thermo), and the spot size was 0.5 μm 2 .
실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 라만 분석은 라만 분석 장치(inVia Raman microscope, Renishaw)를 이용하여 수행되었으며, 514nm 레이저를 이용하되, 레이저에 의한 가열을 피하기 위해 레이저 파워 밀도는 100 μW/μm2이하로 유지되었다. The Raman analysis of the defect-healing graphenes prepared in the examples was performed using a Raman analyzer (InVia Raman microscope, Renishaw), using a 514 nm laser, and the laser power density was 100 μW / μm 2 or less.
실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 AFM(Atomic force microscopy) 분석은 접촉 모드나 비접촉 모드로 수행되었으며, AFM 팁에는 5nN의 힘이 인가되었다. 스캔 속도는 0.5Hz였으며, 스캔 영역은 5x5μm였고, 분해능은 256x256 픽셀이었다. Atomic force microscopy (AFM) analysis of defective healing grains produced in the examples was performed in a contact mode or a noncontact mode, and a force of 5 nN was applied to the AFM tips. The scan speed was 0.5 Hz, the scan area was 5 x 5 m, and the resolution was 256 x 256 pixels.
도 1은 원자층 증착 전 후의 그래핀 표면을 관찰한 AFM(Atomic force microscopy) 이미지와 AFM 이미지에서 푸른색 점선으로 표시된 부분에 해당하는 높이 프로파일(height profile) 및 AFM 분석 결과에 기반한 모식 단면도이다. 상세하게, 도 1(a) 및 도 1(d)는 원자층 증착 전의 그래핀(이하, bare 그래핀으로 지칭) 표면을 관찰한 결과 및 해당 모식도이며, 도 1(b) 및 도 1(e)는 실시예에서 원자층 증착에서 사이클을 10회 반복 수행하여 얻어진 그래핀 표면을 관찰한 결과 및 해당 모식도이며, 1(c) 및 도 1(f)는 실시예에서 원자층 증착에서 사이클을 100회 반복 수행하여 얻어진 그래핀 표면을 관찰한 결과 및 해당 모식도이다. FIG. 1 is an atomic force microscopy (AFM) image showing the surface of the graphene before and after the atomic layer deposition, and a schematic cross-sectional view based on the height profile and the AFM analysis result corresponding to the portion indicated by the blue dotted line in the AFM image. 1 (a) and 1 (d) show the result of observing the surface of graphene (hereinafter referred to as bare graphene) before atomic layer deposition and the corresponding schematic diagrams, and Figs. 1 1 (c) and 1 (f) show the result of observing the graphene surface obtained by repeating the
도 1에서 알 수 있듯이, bare 그래핀에 약 2nm의 높이를 갖는 많은 수의 주름(wrinkle)이 존재함을 알 수 있으며, 10회의 사이클 수행시 1차원 선 결함을 포함하는 결함 영역에 선택적으로 이종 화합물이 핵생성됨을 알 수 있다. 도 1에서, 아일랜드(island) 형태의 이종 화합물들은 그래핀에 존재하는 0차원 결함인 점 결함을 핵 생성 장소(nucleation site)로 하여 형성된 것으로 해석될 수 있다. 1차원 결함과 0차원 결함 모두 거의 같은 속도로 이종 화합물이 핵생성 및 성장함을 확인 할 수 있으며, 결함의 종류 및 크기에 무관하게 이종 화합물이 결함 영역에 선택적으로 형성됨을 확인할 수 있다. 사이클이 100회 반복 수행된 샘플의 경우, 이종 화합물이 핀홀을 갖는 불연속적 막 형태로 그래핀의 거의 전 표면을 덮는 것을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 1, a large number of wrinkles having a height of about 2 nm are present in the bare graphenes. When performing a cycle of 10 times, a defect region including a one- It can be seen that the compound is nucleated. In FIG. 1, island compounds in island form can be interpreted as nucleation sites, which are point defects which are zero-dimensional defects existing in graphene. It can be confirmed that both the one-dimensional defect and the zero-dimensional defect are nucleated and grown at almost the same rate, and that the heterogeneous compound is selectively formed in the defect region irrespective of the type and size of the defect. In the case of a sample in which the cycle was repeated 100 times, it can be seen that the heterogeneous compound covers almost the entire surface of the graphene in the form of a discontinuous film having pinholes.
도 2는 실시예에서 사이클이 4회 반복 수행된 샘플의 HR-TEM 이미지(도 3(a))이며, 도 2(b)는 도 2(a)에서 노란색으로 도시된 선 윗 부분의 전자회절패턴이며, 도 2(c)는 도 2(a)에서 노란색으로 도시된 선 아랫 부분의 전자회절패턴이며, 도 2(d)는 도 2(a)의 전 영역의 전자회절패턴이다. FIG. 2 shows an HR-TEM image (FIG. 3 (a)) of the sample in which the cycle was repeated four times in the embodiment, FIG. 2 (b) FIG. 2 (c) is an electron diffraction pattern at the lower portion shown in yellow in FIG. 2 (a), and FIG. 2 (d) is an electron diffraction pattern at the entire region in FIG.
도 2(b) ~ 도 2(d)를 통해, 도 2(a)의 그래핀 영역이 총 3개의 그래인(grain)으로 이루어져 있음을 알 수 있으며, 단일한 하부 그래핀층 상에 2개의 상부 그래핀층이 위치함을 알 수 있다. 도 2(a)에 도시된 노란 색 선은 전자회절패턴 분석 결과를 바탕으로 분석된 상부 두 그래핀 층간의 입계(grain boundary)를 도시한 것이다. 도 2(a) 내지 도 2(d)를 통해 그래핀의 입계가 존재하는 영역에 선택적으로 이종 화합물이 형성된 것을 알 수 있다. It can be seen from FIGS. 2 (b) to 2 (d) that the graphene region of FIG. 2 (a) consists of three grains in total, It can be seen that the graphene layer is located. The yellow line shown in FIG. 2 (a) shows the grain boundary between the upper two graphene layers analyzed based on the result of the electron diffraction pattern analysis. It can be seen from FIG. 2 (a) to FIG. 2 (d) that the heterogeneous compound is selectively formed in the region where the grain boundary of graphene exists.
도 3(a)는 실시예에서 사이클이 4회 반복 수행된 샘플의 투과전자현미경 암시야상(dark field image)이며, 도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 영역의 TEM-EDX를 이용한 원소분석 결과를 맵핑한 것으로, Al 원소의 맵핑 결과를 도시한 것이다. 도 3에서 알 수 있듯이 Al이 그래핀 표면 전체에서 전반적으로 검출되지 않고, 결함이 위치하는 특정 영역에서만 검출되는 것을 확인할 수 있다.3 (a) is a transmission electron microscope dark field image of a sample in which the cycle is repeated four times in the embodiment, and Fig. 3 (b) is a TEM-EDX of the region shown in Fig. And the result of mapping the Al element is shown. As can be seen from FIG. 3, it can be seen that Al is not detected as a whole on the entire surface of the graphene but only in a specific region where the defect is located.
도 4는 사이클이 0회, 2회, 4회, 6회, 8회, 10회 또는 100회 반복 수행된 샘플의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과를 도시한 도면으로, 도 4(a)는 Al 2p 피크를, 도 4(b)는 C1s 피크를 도시한 도면이다. 도면에서 0c, 2c, 4c, 6c, 8c, 10c 및 100c는 사이클이 0회, 2회, 4회, 6회, 8회, 10회 및 100회 반복 수행된 샘플의 결과임을 의미한다. 도 4에서 알 수 있듯이 단 2회의 사이클 반복 수행으로도 Al이 검출됨을 확인할 수 있다. 284.6 eV에 위치하는 C 1s 피크는 그래핀 내 탄소의 SP2결합에 의한 것이며, 사이클 반복 수행 횟수에 거의 무관하게 동일한 위치에서 피크가 검출되는 것을 확인할 수 있다. Al의 경우, 메탈 알루미늄의 Al 2p 피크의 위치는 74 eV이고, Al2O3의 Al 2p 피크의 위치는 76 eV이다. 도 4(a)에서 알 수 있듯이, Al 2p의 피크가 금속 알루미늄 상태(74eV)와 화학양론비의 알루미늄 산화물 상태(76 eV)사이에 위치하는 것을 알 수 있으며, 사이클 반복 수행 횟수가 증가할수록 알루미늄 산화물 상태 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. Al의 낮은 결합 에너지는 산소 부족 상태에서 기인된 전형적인 결과이며, 이를 통해 비화학양론 상태인 AlxOy가 형성된 것을 알 수 있다. FIG. 4 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of a sample in which the cycle was repeated 0 times, 2 times, 4 times, 6 times, 8 times, 10 times or 100 times, ) Shows an
도 5는 실시예에서 제조된 샘플의 라만 분석 결과를 도시한 도면으로, 도 5(a)는 사이클 반복 수행 횟수에 따른 라만 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 5(a)에서 0c, 2c, 4c, 6c, 8c, 10c, 20c 및 100c는 실시예에서 사이클이 0회, 2회, 4회, 6회, 8회, 10회, 20회 또는 100회 반복 수행된 샘플의 결과임을 의미한다. 도 5(b)는 도 5(a)의 라만 스펙트럼상 G밴드의 위치를 x축으로, 2D 밴드의 위치를 y축으로 하여 G밴드와 2D 밴드간의 상관 관계를 도시한 도면이다. bare 그래핀의 경우, 원자층 증착 전 열처리를 통해 수분과 잔류 불순물(유기물)을 제거했음에 따라, 그래핀 고유의 라만 스펙트럼을 가짐을 알 수 있다. 원자층 증착이 수행되며 비화학양론비의 AlxOy가 결함 영역에 형성됨에 따라, G 밴드 및 2D 밴드의 단파장 이동(blue shift)을 확인할 수 있다. 2D 밴드의 이동은 주로 전하 이동(charge transfer)에 의한 것으로 단파장 이동은 정공 도핑, 장파장 이동(red shift)은 전자 도핑에 의한 것으로 알려져 있다. 도 5를 통해, 단지 사이클을 두 번 반복 수행한 경우에도, 그래핀의 p형 도핑이 발생하는 것을 알 수 있으며, 8회의 반복 수행시 G 밴드가 1603cm-1까지, 2D 밴드가 2707cm-1까지 단파장 이동함을 확인할 수 있다. FIG. 5 is a graph showing a result of Raman analysis of the sample prepared in the embodiment, and FIG. 5 (a) is a diagram showing a Raman spectrum according to the number of times of cycle repetition. In FIG. 5 (a), 0c, 2c, 4c, 6c, 8c, 10c, 20c and 100c show the case where the cycle is 0, 2, 4, 6, 8, 10, Which is the result of repeatedly performed samples. 5 (b) is a diagram showing the correlation between the G band and the 2D band, with the position of the G band in the Raman spectra of FIG. 5 (a) as the x axis and the position of the 2D band as the y axis. In the case of bare graphene, it is found that graphene has a unique Raman spectrum as moisture and residual impurities (organic matter) are removed through heat treatment before atomic layer deposition. As the atomic layer deposition is performed and the nonstoichiometric ratio of AlxOy is formed in the defect region, the blue shift of the G band and the 2D band can be confirmed. It is known that the 2D band is mainly due to charge transfer, and that the short wavelength shift is caused by hole doping and the long wavelength shift (red shift) is caused by electron doping. 5, it can be seen that p-type doping of graphene occurs even when the cycle is repeated twice. In the case of repeating 8 times, the G band is increased up to 1603 cm -1 and the 2D band is increased up to 2707 cm -1 It can be confirmed that the short wavelength is moved.
도 6은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 면 저항을 측정 도시한 도면으로, 사이클의 반복 수행 횟수 별 그래핀의 면 저항을 도시한 도면이다. 도 6에서 x축은 실시예에서 수행된 사이클의 반복 횟수이며, y축은 x축에 해당하는 횟수로 사이클이 반복 수행되어 원자층 증착이 수행된 그래핀의 면 저항을 원자층 증착이 이루어지기 전 그래핀(bare 그래핀)의 면 저항으로 나눈 비이다. FIG. 6 is a graph showing the surface resistance of the defect repair graphene fabricated in the embodiment and showing the surface resistance of the graphenes according to the repetition frequency of the cycle. FIG. In FIG. 6, the x axis is the number of repetitions of the cycle performed in the embodiment, and the y axis is the number of times corresponding to the x axis, and the cycle is repeated so that the surface resistance of the graphene on which the atomic layer deposition has been performed is performed before the atomic layer deposition And the surface resistance of the pin (bare graphene).
도 6에서 알 수 있듯이, 단 2회의 사이클 반복 수행에도 그래핀의 면 저항이 감소하는 것을 알 수 있으며, bare 그래핀이 열처리에 의해 유기 잔류물이 제거된 것임에 따라, 그래핀의 면 저항 감소는 그래핀의 구조적 결함의 치유에 의한 것임을 알 수 있다. 2회 내지 30회로 사이클 반복 수행된 샘플의 경우 모두 bare 그래핀보다 낮은 면 저항을 가짐을 알 수 있으며, 나아가 6회 및 8회의 사이클 반복 수행시 15%에 이르는 현저한 면 저항의 감소가 발생함을 알 수 있다. 100회의 사이클 반복 수행시, 알루미늄산화물이 그래핀의 표면 대부분을 덮어 절연층으로 작용함에 따라 면 저항이 오히려 증가함을 알 수 있다. 이때, 도 6의 면 저항 비(결함 치유 그래핀의 면저항/bare 그래핀의 면저항)는 동일 그래핀에 대해 원자층 증착 전/후의 면저항 비임에 따라, 그래핀의 면저항 측정 자체에 의한 손상으로 실제 그래핀의 면 저항보다도 더 높은 면저항이 측정될 수 있다. 이를 감안하는 경우, 실시예를 통해 결함을 치유한 그래핀의 면 저항은 측정 값보다도 더 낮은 값을 가질 것으로 예측할 수 있다.As can be seen from FIG. 6, the surface resistance of the graphene decreases even after performing the cycle of only two cycles. As the bare graphene is the organic residue removed by the heat treatment, the surface resistance of the graphene decreases Is due to the healing of structural defects of graphene. It can be seen that both the samples subjected to the cycle of 2 to 30 cycles repeatedly had a lower surface resistance than that of the bare graphenes and furthermore, a remarkable reduction of the surface resistance of 15% occurred in 6 and 8 cycles Able to know. It can be seen that when the aluminum oxide is covered with the majority of the surface of the graphene and acts as an insulating layer, the surface resistance is increased during the repeated 100 cycles. In this case, the surface resistance ratio (defect resistance / graphene sheet resistance / bare graphene sheet resistance) of FIG. 6 is determined by the sheet resistance measurement itself of the graphene according to the sheet resistance before / A sheet resistance higher than the surface resistance of graphene can be measured. In view of this, it can be predicted that the surface resistance of the graphene healing the defect through the embodiment will have a lower value than the measured value.
도 7은 실시예에서 제조된 결함 치유 그래핀의 수 접촉각을 측정 도시한 도면으로, 사이클의 반복 수행 횟수 별 그래핀의 수 접촉각을 도시한 도면이다. 도 7에서 알 수 있듯이 bare 그래핀(도 7의 A)의 경우 84.7˚에 이르는 수 접촉각을 가져 발수 특성을 나타냄을 알 수 있다. 반면, 100회의 반복 수행이 이루어진 샘플(도 7의 D)의 경우 알루미늄 산화물의 통상적인 수 접촉각인 19˚정도의 접촉각을 가져, 도 6의 결과와 부합하게 그래핀의 표면 거의 대부분이 알루미늄 산화물로 덮인 것을 알 수 있다. 반면, 결함 영역에 선택적으로 비화학양론비를 갖는 알루미늄 산화물이 결합 형성되는 경우, 즉, 사이클이 2 내지 30회 반복 수행되는 경우, bare 그래핀 보다도 수 접촉각이 증가함을 확인할 수 있다. 면저항의 큰 감소가 발생하는, 사이클이 2 내지 10회의 반복 수행된 샘플의 경우 수 접촉각의 증가 정도 또한 커짐을 알 수 있으며, 15%에 이르는 현저한 면저항의 감소가 발생하는, 사이클이 6 내지 8회의 반복 수행된 샘플의 경우 수 접촉각의 증가가 10˚에 이름을 알 수 있다. FIG. 7 is a view showing the measurement of the water contact angle of the defect repair graphene manufactured in the embodiment, and is a view showing the water contact angle of the graphenes according to the number of repetition of the cycle. As can be seen from FIG. 7, bare graphene (A in FIG. 7) has a water contact angle of 84.7 °, indicating water repellency. On the other hand, in the case of the sample (D in FIG. 7) in which 100 repetitions were performed, the contact angle of the aluminum oxide was about 19 °, which is the normal water contact angle, It can be seen that it is covered. On the other hand, when the aluminum oxide having a nonstoichiometric ratio is selectively formed in the defect region, that is, when the cycle is repeatedly performed 2 to 30 times, it is confirmed that the water contact angle is higher than that of bare graphene. It can be seen that the increase in the water contact angle is also greater for samples in which the cycle is repeated 2 to 10 times, where a large decrease in sheet resistance occurs, and a significant reduction in sheet resistance of up to 15% For repeated samples, the increase in the water contact angle is known to be 10 °.
도 8은 실시예에서 10회 반복 사이클이 수행된 샘플의 횡력(lateral force) 측정 결과를 도시한 도면으로, 접촉 모드의 AFM을 이용한 결과이다. 도 8(a)는 10회 반복 사이클이 수행된 샘플의 AFM 이미지이며, 도 8(b)는 도 8(a)에 도시된 영역의 횡력 이미지이며, 도 8(c)는 도 8(b)의 실 세로선으로 표시된 영역의 전압 프로파일을 도시한 도면이다. 도 8에서 알 수 있듯이, 비화학양론 상태의 AlxOy가 결합 형성된 결함 영역은 그래핀 자체의 표면보다 더 큰 마찰력을 가짐을 알 수 있으며, 이를 통해 비화학양론 상태의 AlxOy와 그래핀이 매우 공고하게 결합되어 있는 것을 확인할 수 있다.FIG. 8 is a graph showing a lateral force measurement result of a sample in which ten cycles were repeated in the embodiment, and is a result of using the contact mode AFM. Fig. 8 (a) is an AFM image of a sample in which 10 cycles are repeated, Fig. 8 (b) is a lateral force image of the area shown in Fig. 8 (a) In the area indicated by the actual vertical line in FIG. As can be seen from FIG. 8, it can be seen that the defective region to which the non-stoichiometric AlxOy is bonded has a larger frictional force than the surface of the graphene itself, and thus the non-stoichiometric AlxOy and the graphene are very solid It can be confirmed that they are combined.
결함 치유 직후 면 저항을 측정하고, 상온 상압에서 한 달동안 방치한 후 면 저항을 재 측정하여, 결함 치유된 그래핀의 안정성을 시험하였다. 2회 내지 30회로 사이클이 반복 수행된 샘플의 경우, 면저항의 변화가 10 %((한달후 면저항-결함 치유 직후 면저항)/결함 치유 직후 면저항 * 100) 이내임을 확인하였으며, 특히 2 내지 10회로 사이클이 반복 수행된 샘플의 경우 면저항의 변화가 5 % 이내로 거의 변화가 없음을 확인하였다. 나아가, 2 내지 10회로 사이클이 반복 수행된 샘플의 경우 10개월이 흐른 시점에서도 면저항의 변화가 거의 발생하지 않음을 확인하였다. The surface resistance was measured immediately after the defect healing, and after standing for one month at room temperature and normal pressure, the surface resistance was again measured to test the stability of the defect-healed graphene. In the case of the sample in which the cycle of 2 to 30 cycles was repeated, it was confirmed that the change in the sheet resistance was within 10% ((surface resistance immediately after the month after the defect) / surface resistance immediately after the defect healing * 100) It was confirmed that the change of the sheet resistance within the range of 5% was almost the same for the repeated samples. Furthermore, it was confirmed that the change of the sheet resistance was hardly occurred even at 10 months after the sample in which the cycle of 2 to 10 cycles was repeated.
도 9는 실시예와 동일하게 실시하되, 아르곤 분위기에서 350℃로 1시간동안 열처리하지 않은 그래핀을 그 대상으로 사이클을 반복 수행한 경우, 사이클 반복 수행 횟수에 따른 그래핀의 면 저항 비를 측정 도시한 도면이다. 도 9에서 알 수 있듯이, 그래핀 표면에 유기물이 잔류하는 경우 유기물에 히드록시기가 결합하며 유기물 상 원치 않는 알루미늄 산화물층이 형성됨을 알 수 있다. 이에 의해, 그래핀의 표면에 비전도성의 알루미늄 산화물이 불필요하게 형성됨에 따라 그래핀의 면저항이 오히려 증가함을 알 수 있다. 이를 통해, 그래핀 자체의 구조적 결함을 치유하기 위해, 그래핀에 존재하는 유기 잔류물질들을 먼저 제거한 후, 그래핀의 결함 영역에 이종 물질을 선택적으로 결합 형성시키는 것이 바람직함을 알 수 있다. 9 is a graph showing the ratio of the surface resistance of graphene to the graphene according to the number of times of cyclic repetition when the cycle is repeated with respect to graphene which is not heat-treated at 350 DEG C for 1 hour in an argon atmosphere Fig. As can be seen from FIG. 9, when an organic matter remains on the surface of the graphene, a hydroxyl group binds to the organic material and an undesirable aluminum oxide layer is formed in the organic material. As a result, it can be seen that the sheet resistance of the graphene is rather increased as the nonconductive aluminum oxide is unnecessarily formed on the surface of the graphene. Thus, it is preferable to remove the organic residues present in the graphene first, and selectively bond the heterogeneous material to the defective region of the graphene, in order to heal structural defects of the graphene itself.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
Claims (18)
상기 그래핀과 상기 전구체 가스의 불연속적인 반복 접촉은 하기의 i) 내지 iv) 스텝을 일 사이클로 하여 반복 수행하는 그래핀의 결함 치유 방법.
i) 산소, 수소, 질소 및 황 중에서 선택되는 하나 이상의 이종원소를 함유하는 제1전구체 가스를 챔버에 도입한 후 1 내지 100초 동안 노출하는 단계,
ii) 불활성 가스 퍼징 단계,
iii) 제 2이종원소로 금속원소를 포함하는 제2전구체 가스를 챔버에 1초 내지 100초 동안 노출하는 단계 단계,
iv) 불활성 가스 퍼징 단계The precursor gas containing a hetero element and graphen having a defective area including at least one structural defect selected from point defects, line defects, cracks, folds, and wrinkles on the surface are discontinuously and repeatedly contacted to the defective area A defect repair method of graphene comprising the step of bonding a heterogeneous material,
Wherein the discontinuous repetitive contact of the graphene and the precursor gas is repeated by repeating the following steps i) to iv).
i) introducing a first precursor gas containing at least one heteroatom selected from oxygen, hydrogen, nitrogen and sulfur into the chamber and then for 1 to 100 seconds,
ii) an inert gas purging step,
iii) exposing the chamber to a second precursor gas comprising a second heterogeneous elemental metal for 1 second to 100 seconds,
iv) inert gas purge step
상기 그래핀과 상기 전구체 가스와의 접촉 전,
상기 그래핀을 열처리하여 상기 그래핀의 표면에 존재하는 유기물을 제거하는 단계를 더 포함하는 그래핀의 결함 치유 방법.The method according to claim 1,
Before contacting the graphene with the precursor gas,
And heat treating the graphene to remove organic matter present on the surface of the graphene.
상기 이종 물질은 금속 또는 금속화합물인 그래핀의 결함 치유 방법.The method according to claim 1,
Wherein the dissimilar material is a metal or a metal compound.
상기 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속황화물에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 그래핀의 결함 치유 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the metal compound is selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides and metal sulfides.
상기 금속화합물은 비화학양론 상태인 그래핀의 결함 치유 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the metal compound is in a non-stoichiometric state.
상기 그래핀의 결함 영역은 상기 이종 물질에 의해 p형 또는 n형으로 도핑되는 그래핀의 결함 치유 방법.The method according to claim 1,
Wherein the defective region of graphene is doped p-type or n-type by the dissimilar material.
상기 반복 접촉은 100회 이하인 그래핀의 결함 치유 방법.The method according to claim 1,
Wherein the repetitive contact is less than 100 times.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020140039789A KR101580252B1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Method of Healing Defective Graphene and the Defect-healing Graphene |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020140039789A KR101580252B1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Method of Healing Defective Graphene and the Defect-healing Graphene |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20150115176A KR20150115176A (en) | 2015-10-14 |
KR101580252B1 true KR101580252B1 (en) | 2015-12-24 |
Family
ID=54357379
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020140039789A KR101580252B1 (en) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | Method of Healing Defective Graphene and the Defect-healing Graphene |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101580252B1 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102313052B1 (en) | 2016-02-02 | 2021-10-15 | 버세리엔 피엘씨 | Method of preparing a graphene-based thin-film laminate and the graphene-based thin-film laminate |
KR20180014554A (en) * | 2016-08-01 | 2018-02-09 | 해성디에스 주식회사 | Graphene wire and Manufacturing method thereof |
KR102545055B1 (en) * | 2021-11-03 | 2023-06-21 | 성균관대학교산학협력단 | Pseudo-heterogeneous semiconductor junction electronic device for multinary numeral system, and manufacturing method thereof |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101405256B1 (en) | 2011-09-16 | 2014-06-10 | 엠파이어 테크놀로지 디벨롭먼트 엘엘씨 | Graphene defect alteration |
WO2013039508A1 (en) | 2011-09-16 | 2013-03-21 | Empire Technology Development Llc | Alteration of graphene defects |
-
2014
- 2014-04-03 KR KR1020140039789A patent/KR101580252B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
H.-B. Lee et al. Nano Lett. 2013, Vol. 13, pp. 457-463 (2013.01.14.)* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20150115176A (en) | 2015-10-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lim et al. | Wafer‐scale, homogeneous MoS2 layers on plastic substrates for flexible visible‐light photodetectors | |
Kim et al. | Self-oriented Sb 2 Se 3 nanoneedle photocathodes for water splitting obtained by a simple spin-coating method | |
Zhang et al. | Considerations for utilizing sodium chloride in epitaxial molybdenum disulfide | |
Wang et al. | Chemical vapor deposition of trigonal prismatic NbS 2 monolayers and 3R-polytype few-layers | |
Zou et al. | Epitaxial synthesis of ultrathin β-In 2 Se 3/MoS 2 heterostructures with high visible/near-infrared photoresponse | |
Wang et al. | Large scale ZrS 2 atomically thin layers | |
US20190006605A1 (en) | Germanane analogs and optoelectronic devices using the same | |
Kumar et al. | Horizontally and vertically aligned growth of strained MoS 2 layers with dissimilar wetting and catalytic behaviors | |
Kang et al. | Direct growth of doping controlled monolayer WSe 2 by selenium-phosphorus substitution | |
Yu et al. | A hydrogen/methane sensor based on niobium tungsten oxide nanorods synthesised by hydrothermal method | |
Sun et al. | P-Type conductivity of hexagonal boron nitride as a dielectrically tunable monolayer: Modulation doping with magnesium | |
Abdulrahman | The effect of different substrate-inclined angles on the characteristic properties of ZnO nanorods for UV photodetectors applications | |
Romanov et al. | Thickness-dependent structural and electrical properties of WS2 nanosheets obtained via the ALD-grown WO3 sulfurization technique as a channel material for field-effect transistors | |
KR101580252B1 (en) | Method of Healing Defective Graphene and the Defect-healing Graphene | |
Bansal et al. | Substrate modification during chemical vapor deposition of hBN on sapphire | |
Moon et al. | Iron pyrite thin films deposited via non-vacuum direct coating of iron-salt/ethanol-based precursor solutions | |
Wree et al. | Plasma-enhanced atomic layer deposition of molybdenum oxide thin films at low temperatures for hydrogen gas sensing | |
Kwak et al. | Microwave-assisted synthesis of group 5 transition metal dichalcogenide thin films | |
Wang et al. | Manufacturing strategies for wafer-scale two-dimensional transition metal dichalcogenide heterolayers | |
Kim et al. | Fabrication of a novel hierarchical assembly of ZnO nanowires on WO x nanowhiskers for highly efficient field electron emission | |
Choi et al. | Large-scale self-limiting synthesis of monolayer MoS2 via proximity evaporation from Mo films | |
Liu et al. | Morphological and structural evolutions of α-MoO3 single crystal belts towards MoS2/MoO2 heterostructures upon post-growth thermal vapor sulfurization | |
Liu et al. | Synthesis, characterization and fabrication of ultrathin iron pyrite (FeS 2) thin films and field-effect transistors | |
Chuang et al. | Local anodic oxidation kinetics of chemical vapor deposition graphene supported on a thin oxide buffered silicon template | |
Qiu et al. | ILGAR CuInS2 films from various preparation conditions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |