KR101692445B1 - Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom - Google Patents

Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom Download PDF

Info

Publication number
KR101692445B1
KR101692445B1 KR1020140173640A KR20140173640A KR101692445B1 KR 101692445 B1 KR101692445 B1 KR 101692445B1 KR 1020140173640 A KR1020140173640 A KR 1020140173640A KR 20140173640 A KR20140173640 A KR 20140173640A KR 101692445 B1 KR101692445 B1 KR 101692445B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
alkali metal
metal ion
bandgap
forming
Prior art date
Application number
KR1020140173640A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20160068222A (en
Inventor
정진욱
성시진
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020140173640A priority Critical patent/KR101692445B1/en
Publication of KR20160068222A publication Critical patent/KR20160068222A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101692445B1 publication Critical patent/KR101692445B1/en

Links

Images

Abstract

본 발명은 그래핀의 밴드갭 형성에 대한 것으로, 100 eV 이하의 낮은 에너지를 갖는 이온화된 알칼리 금속(Na+)을 그래핀 위에 자극 없이 흡착시킴으로써 그래핀을 전자 소자로 만들기 위해 필요한 밴드갭을 형성하고, 흡착량에 따라 그 크기를 조절할 수 있는 방법이다.The present invention relates to the formation of a bandgap of graphene, and it forms a band gap necessary to make graphene an electronic device by adsorbing an ionized alkali metal (Na + ) having a low energy of 100 eV or less on the graphene without stimulation And the size of the adsorbent can be adjusted according to the adsorption amount.

Description

밴드갭 보유 그래핀 제조 방법 및 이로부터 제조한 밴드갭 보유 그래핀{METHOD OF PRODUCING BAND GAP IN GRAPHENE AND GRAPHENE WITH A BAND GAP THEREFROM}METHOD OF PRODUCING BAND GAP IN GRAPHENE AND GRAPHENE WITH A BAND GAP THEREFROM BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 저 에너지 나트륨 이온을 이용한 그래핀의 밴드 갭 형성기술 및 그래핀 제조 방법과 이로부터 생성한 밴드갭 보유 그래핀에 대한 것으로, 100 eV 이하의 낮은 에너지를 갖는 이온화된 알칼리 금속(Na+)을 그래핀 표면 위에 흡착시킴으로써 그래핀을 전자 소자로 만들기 위해 필요한 밴드갭을 형성하고, 흡착량에 따라 밴드갭 크기를 조절할 수 있는 기술적 방법이다.The present invention relates to a graphene bandgap formation technique using low energy sodium ions, a graphene fabrication method, and a bandgap retained graphene produced therefrom. The present invention relates to an ionized alkali metal (Na + ) Is adsorbed on the surface of graphene to form a band gap necessary to make graphene an electronic device, and it is a technical method to adjust the band gap size according to the amount of adsorption.

그래핀은 2차원 탄소 단일 원자층 박막으로서 강철의 200배 이상인 우수한 강도, 실온에서 탄소나노튜브보다 50% 정도 우수한 열전도성, 실리콘보다 100배 이상 빠른 전자이동도, 면적의 20%까지 늘려도 되는 유연성, 98% 정도의 광학적 투과성 등의 특성으로 조만간 물리적 한계에 도달할 것으로 보이는 실리콘 기반 전자소자를 대체할 차세대 전자소자 재료로서 기대되고 있다.Graphene is a two-dimensional carbon single atom layer thin film with excellent strength of more than 200 times that of steel, 50% better thermal conductivity than carbon nanotubes at room temperature, 100 times more electron mobility than silicon, and flexibility of up to 20% of area , And optical transparency of about 98%, it is expected to be a next-generation electronic device material to replace silicon-based electronic devices that are expected to reach the physical limit in the near future.

무엇보다도 놀라운 그래핀의 고유물성은 전도전자의 에너지-모멘텀 분산 관계 E(k)가 전형적인 2차원 전자계의 포물선적인 의존도(∝k 2)가 아니라 소위 디락 밴드라고 불리는 직선적인 의존도(∝k)에 기인한다는 것이며, 페르미 속도가 실리콘의 그것보다 수백 배에 이르는 106 m/s에 해당한다는 것이다(비특허문헌 1). 이러한 이유로 그래핀은 새로운 고속전자소자 및 나노 디바이스, 화학센서·테라헤르츠(㎔) 소스(source)와 검출기 등과 같이 초고속의 새로운 전자산업에 태동될 것으로 기대된다.The momentum dispersion relation E (k) is a typical two-dimensional parabola of dependence (α k 2) (α k ) that is not linear, so-called Dirac band dependency of the magnetic field - above all surprising yes unique physical properties of the pin of the conduction electron energy And the Fermi speed corresponds to 10 6 m / s, hundreds of times that of silicon (Non-Patent Document 1). For this reason, graphene is expected to emerge in the new high-speed electronics industry, such as new high-speed electronic devices and nano devices, chemical sensors, terahertz sources and detectors.

그러나, 그래핀은 그 특성상 페르미 에너지 주변에서 선형의 에너지-모멘텀 분산을 가진 특성으로 인해 뛰어난 전기 전도성을 가지고 있지만 동시에 밴드갭이 없기 때문에 소자로 이용하기 위해 필요한 on/off 스위칭 기능을 할 수 없다는 문제가 있으며, 이를 해소하고자 하는 요구가 있어 왔다. 이러한 요구에 따라 그래핀의 고유한 물리적 성질을 유지하며, 일정한 크기의 밴드갭을 형성하고, 그 크기를 인위적으로 조절하는 연구들이 많이 진행되어 왔다.However, graphene has excellent electrical conductivity due to its linear energy-momentum dispersion around its Fermi energy, but it does not have the bandgap at the same time, so it does not have the on / off switching function required for the device And there has been a demand to solve this problem. According to this demand, many studies have been carried out to maintain the inherent physical properties of graphene, to form a band gap of a certain size, and to artificially control the size thereof.

이러한 연구들, 즉, 그래핀의 디락점(DP)에서 Eg를 형성하려는 최근 시도는 3개의 기술적 수단, (1) 전자 구속(electron confinement), (2) 이중층 그래핀 형성(forming a bilayer graphene), 및 (3) 화학적 기능화(chemical functionalization)로 분류할 수 있다. 예를 들어, 리소그래피 패턴화된(lithographically patterned) 좁은 그래핀 나노리본으로 밴드갭을 형성하는 것은 리소그래피의 한계 및 불균일한 가장자리와 관련하여 어려움이 있다. 이중층 그래핀의 경우, 샘플에 전기장이 수직으로 인가하여 조절 가능한 밴드갭을 형성할 수 있으나, 밴드갭의 크기가 최대 0.4 eV로 한정된다. 즉, 실제로 활용 가능한 조건인 상온에서 충분한 안정성을 가지면서 최소 0.5 eV 이상의 밴드갭을 갖는 그래핀을 합성하는데 어려움이 따른다. 그래핀 기능화의 경우, 그래핀의 2개의 탄소 부격자(sublattice) 사이의 전하 분포 상에 비대칭을 유도하는 경향이 있는, 흡착 또는 치환된 원자의 정렬로부터 그래핀 상에 주기적 포텐셜을 생성하여 밴드갭을 형성할 수 있다. 기능화에는 알칼리 금속(AM) 원자의 흡착이 이용되어 왔는데, 이는 AM 원자가 밴드갭을 형성하는 n-도핑 효과 또는 전하 비대칭을 나타내는 밴드 다운쉬프트(downshift)를 유발시키는 그래핀 π-밴드의 효과적인 전하 공여체이기 때문이다. 그래핀 상의 비틀어진 나트륨 나노 스트립은, 예를 들어 그래핀 상의 불균일한 전하 분포로 주로 생성되는 넓은 밴드갭(0.74 eV)을 나타낸다. 그러나, 이러한 밴드갭의 원리는 2개의 가능성, 흡착물로 인한 구조 변형과 다체 효과(many-body effects)로 인해 아직 정립되지 않았다.These studies, a recent attempt to form E g at the de-laction point (DP) of graphene, have shown three technical means: (1) electron confinement, (2) forming a bilayer graphene ), And (3) chemical functionalization. For example, the formation of band gaps with narrowly grafted nanoribbon lithographically patterned has difficulties with respect to lithographic limitations and non-uniform edges. In the case of bilayer graphene, an electric field can be vertically applied to the sample to form an adjustable bandgap, but the bandgap size is limited to a maximum of 0.4 eV. That is, it is difficult to synthesize graphene having a band gap of at least 0.5 eV with sufficient stability at room temperature, which is a practically usable condition. In the case of graphene functionalization, a periodic potential is generated on the graphene from the alignment of adsorbed or substituted atoms, which tends to induce asymmetry on the charge distribution between the two carbon sublattices of graphene, Can be formed. The adsorption of alkali metal (AM) atoms has been used for functionalization, which is an effective charge donor of the graphene π-band which causes a downshift that exhibits an n-doping effect or charge asymmetry that forms an AM atomic bandgap . Twisted sodium nano-strips on graphene exhibit a broad bandgap (0.74 eV), which is predominantly produced, for example, by uneven charge distribution on graphene. However, this principle of band gap has not yet been established due to the two possibilities, structural deformations due to adsorbates and many-body effects.

상기 연구 중, 그래핀 위에 수소와 산소 원자를 스퍼터링(sputtering)을 이용한 흡착 방법을 통해 패터닝함으로써 0.5 eV 이상의 그래핀 밴드갭을 형성시킨 기술이 개시되어 있다(비특허문헌 2,3). 하지만 이 방법을 통한 그래핀 밴드갭 형성은 수소와 산소 원자가 그래핀의 탄소와 공유 결합을 하기 때문에 그래핀의 고유 특성인 2차원의 벌집 격자에 영향을 줌으로써 전자이동도 감소와 같은 문제점을 가지고 있다(비특허문헌 4).In the above research, a technique in which a graphene band gap of 0.5 eV or more is formed by patterning hydrogen and oxygen atoms on a graphene through an adsorption method using sputtering (Non-Patent Documents 2 and 3). However, the formation of graphene band gap through this method has problems such as decrease of electron mobility by affecting the honeycomb lattice of two dimensions which is a characteristic of graphene because hydrogen and oxygen atoms are covalently bonded to carbon of graphene (Non-Patent Document 4).

비특허문헌 1: K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov., "Electric field effect in atomically thin carbon films," Science, 306, 666?669 (2004)Non-Patent Document 1: KS Novoselov, AK Geim, SV Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, SV Dubonos, IV Grigorieva, and AA Firsov., "Electric field effect in atomically thin carbon films," Science, 306, 666? 669 (2004) 비특허문헌 2: R. Balog, B. Jorgensen, L. Nilsson, M. Andersen, E. Rienks, M. Bianchi, M. Fanetti, E. Laegsgaard, A. Baraldi, S. Lizzit, Z. Sljivancanin, F. Besenbacher, B. Hammer, T. G. Pedersen, P. Hofmann, and L. Hornekaer., "Bandgap opening in graphene induced by patterned hydrogen adsorption," Nat. Mater., 9, 315-319 (2010).Non-Patent Document 2: R. Balog, B. Jorgensen, L. Nilsson, M. Andersen, E. Rienks, M. Bianchi, M. Fanetti, E. Laegsgaard, A. Baraldi, S. Lizzit, Z. Sljivancanin, F . Besenbacher, B. Hammer, TG Pedersen, P. Hofmann, and L. Hornekaer., "Bandgap opening in graphene induced by patterned hydrogen adsorption," Nat. Mater., 9, 315-319 (2010). 비특허문헌 3: Toru Takahashi, Katsuaki Sugawara, Eiichi Noguchi, Takafumi Sato, Takashi Takahashi., "Band-gap tuning of monolayer graphene by oxygen adsorption," Carbon, 73, 141-145 (2014).Non-Patent Document 3: Toru Takahashi, Katsuaki Sugawara, Eiichi Noguchi, Takafumi Sato, Takashi Takahashi, "Band-gap tuning of monolayer graphene by oxygen adsorption," Carbon, 73, 141-145 (2014). 비특허문헌 4: Manu Jaiswal, Candy Haley Yi Xuan Lim, Qiaoliang Bao, Chee Tat Toh, Kian Ping Loh and Barbaros Ozyimaz., "Controlled Hydrogenation of Graphene Sheets and Nanoribbons," ACS Nano., 5, 888-896 (2011).Non-Patent Document 4: Manu Jaiswal, Candy Haley Yi Xuan Lim, Qiaoliang Bao, Chee Tat Toh, Kian Ping Loh and Barbaros Ozyimaz., "Controlled Hydrogenation of Graphene Sheets and Nanoribbons," ACS Nano., 5, 888-896 ).

본 발명은 그래핀을 전자 소자로 이용하기 위해 필요한 밴드갭 형성에 있어 그래핀의 고유한 물성을 유지하며, 최소 0.5 eV 이상의 밴드갭을 형성시키고, 상온에서도 충분한 안정성과 재현성을 갖게 하는 데 목적을 두고 있다. The object of the present invention is to maintain the inherent physical properties of graphene in formation of a band gap necessary for using graphene as an electronic device, to form a band gap of at least 0.5 eV and to provide sufficient stability and reproducibility even at room temperature I have left.

또한 본 발명은 그래핀의 밴드갭을 알칼리 금속 이온 흡착량에 따라 인위적으로 그 크기를 조절함으로써 그래핀이 논리(logic) 소자의 기본 요소인 on/off 스위칭 기능을 갖게 하는데 목적이 있다. Further, the present invention aims at artificially adjusting the band gap of graphene according to the adsorption amount of alkali metal ions, so that graphene has an on / off switching function which is a basic element of a logic element.

본 발명의 한 양태에서, 밴드갭 보유 그래핀으로서, 그래핀, 및 상기 그래핀에 형성되어 있는 알칼리 금속 이온을 포함하는 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In an aspect of the present invention, bandgap retaining graphene is provided, which comprises graphene and alkali metal ions formed on the graphene.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 그래핀은 결정성 그래핀인 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the graphene is a crystalline graphene.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 결정성 그래핀은 기판 상에 제공되고, 상기 결정성 그래핀은 그 기판 온도를 50℃ ∼ 100℃씩 단계적으로 올려 성장된 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the crystalline graphene is provided on a substrate, wherein the crystalline graphene is raised by stepping up the substrate temperature by 50 DEG C to 100 DEG C to provide a bandgap retention graphene grown do.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 50 eV ~ 100 eV의 에너지로 형성되는 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, a bandgap retained graphene is provided wherein the alkali metal ion is formed with an energy of 50 eV to 100 eV.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 기판에 대한 이온 빔 전류 밀도가 1 nA/cm2 ∼ 2 nA/cm2로 유지되고 진공압이 1 x 10-10 Torr ∼ 2 x 10-10 Torr인 환경 하에서 형성되는 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the alkali metal ion is maintained at an ion beam current density of 1 nA / cm 2 to 2 nA / cm 2 for the substrate and a vacuum pressure of 1 x 10 -10 Torr to 2 x 10 -10 Lt; RTI ID = 0.0 > Torr. ≪ / RTI >

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 형성 중 상기 기판은 200℃ ∼ 250℃로 유지되는 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the bandgap retention graphene is provided wherein the substrate is maintained at 200 DEG C to 250 DEG C during the alkali metal formation.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 0.1 x 1015 원자/cm2 ~ 4.2 x 1015 원자/cm2 범위의 함량으로 존재하는 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, a bandgap retained graphene is provided wherein the alkali metal ion is present in an amount ranging from 0.1 x 10 15 atoms / cm 2 to 4.2 x 10 15 atoms / cm 2 .

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온인 것인 밴드갭 보유 그래핀이 제공된다.In another embodiment of the present invention, there is provided a bandgap retaining graphene wherein the alkali metal ion is a sodium ion.

본 발명의 또 다른 양태에서, 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법으로서, 그래핀을 제공하는 그래핀 제공 단계; 및 상기 그래핀에 알칼리 금속 이온을 형성시키는 알칼리 금속 형성 단계를 포함하는 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다. In another aspect of the present invention, there is provided a bandgap retention graphene fabrication method comprising: providing a graphene; And an alkaline metal forming step of forming an alkali metal ion on the graphene.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 그래핀 제공 단계는 결정성 그래핀 형성 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In another aspect of the present invention, a method of manufacturing a bandgap retained graphene is provided, wherein the graphene providing step comprises a crystalline graphene forming step.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 결정성 그래핀 형성 단계는 기판 상에 결정성 그래핀을 형성하는 단계; 및 상기 기판 온도를 50℃ ∼ 100℃씩 단계적으로 올리는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the crystalline graphene forming step comprises the steps of: forming crystalline graphene on a substrate; And gradually raising the substrate temperature by 50 DEG C to 100 DEG C stepwise.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 형성 단계는 상기 알칼리 금속 이온을 50 eV ~ 100 eV의 에너지로 형성시키는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the alkali metal forming step comprises forming the alkali metal ion at an energy of 50 eV to 100 eV.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 형성 단계는 기판에 대한 이온 빔 전류 밀도가 1 nA/cm2 ∼ 2 nA/cm2로 유지되고 진공압이 1 x 10-10 Torr ∼ 2 x 10-10 Torr인 환경 하에서 수행하는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In yet another aspect of the invention, the alkali metal forming stage is the ion beam current density on the substrate 1 nA / cm 2 ~ 2 nA / is maintained and the vacuum pressure in cm 2 1 x 10 -10 Torr ~ 2 x 10 - Lt; RTI ID = 0.0 > 10 < / RTI > Torr.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 형성 단계는 상기 기판을 200℃ ∼ 250℃로 유지하는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, the alkali metal forming step comprises maintaining the substrate at 200 ° C to 250 ° C.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 0.1 x 1015 원자/cm2 ~ 4.2 x 1015 원자/cm2 범위의 함량으로 존재하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In another aspect of the present invention, there is provided a process for producing a bandgap retained graphene wherein the alkali metal ion is present in an amount ranging from 0.1 x 10 15 atoms / cm 2 to 4.2 x 10 15 atoms / cm 2 .

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온인 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, there is provided a process for producing a bandgap retained graphene wherein the alkali metal ion is a sodium ion.

본 발명의 한 양태에서, 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법으로서, 알칼리 금속 이온이 형성된 그래핀을 제공하는 단계; 및 상기 알칼리 금속 이온의 형성량을 일함수 변화를 이용하여 산출하는 단계를 포함하는 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법이 제공된다.In one aspect of the present invention, there is provided a method for determining the formation amount of an alkali metal ion, comprising the steps of: providing graphene formed with an alkali metal ion; And a step of calculating the formation amount of the alkali metal ion using a change in work function.

본 발명의 또 다른 양태에서, 단위층(1 ML: 1 Monolayer) 단위의 형성량에 대한 일함수 변화를 측정하는 단계; 및 상기 일함수 변화를 형성된 알칼리 금속 이온 함량으로 환산하는 단계를 포함하는 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method comprising: measuring a work function change with respect to a forming amount of a unit layer (1 ML: 1 Monolayer) unit; And converting the work function change into an alkali metal ion content to be formed.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온인 것인 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method for determining the amount of alkali metal ions formed, wherein the alkali metal ion is a sodium ion.

본 기술은 기존의 중성 알칼리 금속이 그래핀에 n-도핑 이외에 아무런 영향을 주지 못하는 것에 반해, 이온화된 나트륨 원자는 이미 전하를 띤 상태로 그래핀에 흡착하기 때문에 그래핀의 밴드갭 형성에 있어 커다란 요인으로 작용할 수 있고, 수소나 산소와 같이 그래핀의 탄소와 공유결합을 하지 않기 때문에 그래핀 본연의 우수한 성질은 유지한 채 밴드갭 형성을 통해 전자소자 등으로 응용될 수 있다.This technology has the disadvantage that since the existing neutral alkali metal has no effect on graphene except n-doping, the ionized sodium atom is already adsorbed on the graphene in a charged state, And can not be covalently bonded to carbon of graphene like hydrogen or oxygen. Therefore, it can be applied to electronic devices by forming a bandgap while maintaining excellent properties of graphene.

도 1은 본 발명의 알칼리 이온을 이용하여 그래핀에 밴드갭을 형성시키는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2a는 본 발명에 있어 그래핀의 디락 밴드에 형성된 갭을 보여주는 각 분해 광전자 분광 장치(ARPES: Angle Resolved Photoemission Spectroscopy)의 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 2b는 알칼리 금속 이온의 흡착량에 따라 디락점이 변하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 있어 알칼리 금속이온을 그래핀 위에 흡착시키고, 기판의 온도를 변화시킬 때 나타나는 원자들의 구조를 분석할 수 있는 고 분해능 광전자 분광 장치(HRCLS: High resolution core level spectroscopy)의 측정 결과를 나타내는 그래프로서 각각 도 3a는 C 1s를 나타내고, 도 3b는 Na 2p를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 있어 고 분해능 광전자 분광 장치(HRCLS) 측정 결과를 바탕으로 알칼리 금속 이온 (Na+)의 탈착 온도를 알 수 있는 그래프이다.
도 5는 그래핀의 원자밀도를 1 단위층(Monolayer: ML, 1 ML=3.82x1015 원자/cm2)으로 한 알칼리 금속 이온 흡착량에 대한 일함수의 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 알칼리 금속 이온 흡착량에 대한 실제 그래핀에 증착된 이온 함량을 나타낸 그래프로서, 도 5의 일함수 변화를 알칼리 금속 이온의 함량으로 환산한 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic view showing a method of forming a bandgap in graphene using the alkali ion of the present invention. Fig.
FIG. 2A is a graph showing the measurement result of an angularly resolved photoemission spectroscopy (ARPES) showing a gap formed in the dirac band of graphene in the present invention. FIG. This graph shows that the point changes.
FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams of a high-resolution core-level spectroscopy (HRCLS) system capable of analyzing the structure of atoms appearing when alkali metal ions are adsorbed on graphene and the temperature of the substrate is changed. As a graph showing the measurement results, FIG. 3A shows C 1s and FIG. 3B shows Na 2p, respectively.
FIG. 4 is a graph showing the desorption temperature of alkali metal ion (Na + ) based on the results of the high resolution photoelectron spectroscopy (HRCLS) measurement in the present invention.
5 is a graph showing a result of measuring a change in work function with respect to an adsorption amount of an alkali metal ion, wherein the atom density of graphene is 1 unit layer (monolayer: ML, 1 ML = 3.82x10 15 atoms / cm 2 ) .
FIG. 6 is a graph showing the ion content of the actual graphene in relation to the alkali metal ion adsorption amount, which is a graph in which the work function change of FIG. 5 is converted into the content of the alkali metal ion.

본 발명은 그래핀의 밴드갭 형성에 대해 알아보기 위해 실리콘 카바이드 기판을 이용한 결정성 그래핀을 선택하였다. 이러한 그래핀의 결정성 형성 방법은 기존의 기계적 박리법이나 화학증기증착(CVD) 방법에 의해 성장한 그래핀보다 높은 결정성을 갖고 웨이퍼 크기 정도까지 균일한 그래핀을 합성할 수 있다는 장점을 가졌고, 적층(Layer by layer) 방식으로 그래핀이 성장하기 때문에 디락 밴드의 특성이 가장 잘 보이는 단일층의 그래핀 연구에 적합하다. 또한 그래핀의 성장과 그 위로 흡착하는 물질의 형성이 초고진공(~10-10 Torr) 하에 함께 이루어지기 때문에 그래핀 성장에 따른 결점을 최소화하고, 추가적인 불순물이 없는 상태에서 성장이 이루어질 수 있다.The present invention selected crystalline graphene using a silicon carbide substrate to study the bandgap formation of graphene. This method of crystallinity formation of graphene has an advantage that it can synthesize graphene uniformly to a wafer size with higher crystallinity than conventional graphene grown by a mechanical peeling method or a chemical vapor deposition (CVD) method, Because of the growth of graphene by layer by layer method, it is suitable for graphene study of single layer which shows the best characteristics of dirac band. In addition, since the growth of graphene and the formation of adsorbed material are performed together under ultrahigh vacuum (~ 10 < -10 > Torr), growth can be achieved with minimal impurities due to graphene growth and without additional impurities.

구체적인 성장 방법은 초고진공의 챔버 안에서 단계적으로 실리콘 카바이드 기판의 온도를 증가시키면서 진행된다. 상기 온도는 50℃ ∼ 100℃ 범위에서 50℃씩 단계적으로 상승시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 100℃씩 단계적으로 상승시키는 것이 바람직하다. 기판을 100℃ 이상의 온도로 한꺼번에 올릴 경우 온도 변화에 따른 표면의 원자 구조를 단계적으로 확인할 수 없으며, 결국 결정화된 양질의 그래핀을 얻을 수 없다. 특히 실리콘 원자의 탈착이 일어나는 1000℃ 이상부터는 기판의 온도에 따라 미세하게 그래핀의 층 수가 결정되기 때문에 50~100℃씩 단계적인 온도 상승이 필요하다. 이후, 저에너지 전자회절(LEED) 장치를 이용하여 기판의 온도 변화에 따른 표면의 원자 구조 변화를 확인할 수 있으며, 기판 온도 850℃ 부근에서 표면의 원자 배치 구조가 3 x 3가 되고, 980℃ 부근에서는

Figure 112014118500194-pat00001
의 구조임을 확인할 수 있다. 1050℃ 이상부터는
Figure 112014118500194-pat00002
의 구조를 보이며 결정성 그래핀의 특징인 그래핀 구조는 동일하지만 기판과의 강한 결합으로 인해 그래핀의 특성을 보이지 않는 버퍼층(buffer layer)의 탄소 구조가 만들어지는 것을 확인할 수 있다. 1200℃ 이상부터는 더 이상의 표면의 원자 구조가 LEED 장치로 자세히 구별되지 않기 때문에 각 분해 광전자 분광 장치(ARPES) 및 고 분해능 광전자 분광 장치(HRCLS)를 통해 양질의 단층 그래핀 성장여부를 확인한다.The specific growth process proceeds with increasing the temperature of the silicon carbide substrate stepwise in the ultra-high vacuum chamber. The temperature is preferably raised stepwise by 50 ° C in the range of 50 ° C to 100 ° C, and more preferably by stepwise increasing by 100 ° C. When the substrate is heated at a temperature of 100 ° C or more at a time, the atomic structure of the surface due to the temperature change can not be confirmed step by step. As a result, crystallized high-quality graphene can not be obtained. Particularly, since the number of graphene layers is finely determined according to the temperature of the substrate at a temperature of 1000 ° C. or higher at which the silicon atoms are desorbed, a stepwise temperature rise is required from 50 to 100 ° C. Thereafter, the atomic structure change of the surface due to the temperature change of the substrate can be confirmed by using the low energy electron diffraction (LEED) apparatus. At the substrate temperature of around 850 ° C., the atomic arrangement structure of the surface becomes 3 × 3,
Figure 112014118500194-pat00001
. At temperatures above 1050 ℃
Figure 112014118500194-pat00002
And the carbon structure of the buffer layer, which does not show graphene characteristics due to strong bonding with the substrate, can be confirmed, although the graphene structure characteristic of crystalline graphene is the same. Since the atomic structure of the surface is not clearly distinguished from the LEED device beyond 1200 ° C, it is confirmed that the quality of the single-layer graphene is grown through the angular resolution optoelectronic spectroscopy (ARPES) and the high resolution optoelectronic spectrometer (HRCLS).

이후, 기판 표면에 형성된 단일층 그래핀(SLG: Single Layer Graphene) 상에 저 에너지 Na+ 이온을 도핑하여 그래핀 밴드갭을 형성한다. 구체적으로, 단층의 그래핀 확인 후 알칼리 금속 이온(예를 들어, Na+)을 기판에 대한 이온 빔 전류 밀도 1 nA/cm2 ∼ 2 nA/cm2, 바람직하게는 약 1 nA/cm2을 유지하며 흡착시킨다. 빔 전류 밀도가 2 nA/cm2 이상일 경우 그래핀에 대한 나트륨 이온 흡착량의 변화 폭이 커지므로 나트륨 이온 흡착량에 따른 그래핀 밴드갭의 변화를 자세히 관찰할 수 없다. 특히 본 발명에서는 나트륨 이온 흡착량 증가에 따라 그래핀 밴드갭 크기가 점차적으로 증가하며, 그래핀과 비교해 한 층이 되었을 때(1ML) 그 크기가 최대가 되므로 나트륨 이온 흡착량의 미세한 조절이 필요하다. 특히, SLG 샘플을 200℃ ∼ 250℃의 범위, 바람직하게는 200℃로 유지시키면서 50 eV ∼ 100 eV의 범위, 바람직하게는 100 eV 에너지의 Na+ 이온을 흡착시킨다. 샘플을 상온에서 유지하고 나트륨 이온 흡착 시 100 eV의 이온 에너지에 의해 그래핀 표면이 상할 수 있으며, 흡착된 나트륨 이온 또한 그래핀 위에서 균일한 구조를 형성 할 수 없다. 300℃ 이상의 샘플 온도는 그래핀 표면에서 나트륨 이온의 탈착 조건이며, 100 eV 이상의 나트륨 이온 에너지는 아르곤, 질소 스퍼터링과 마찬가지로 표면의 원자를 탈착시키는 작용을 하기 때문에 그래핀 상의 손상을 일으킬 수 있다. Then, low energy Na + ions are doped on a single layer graphene (SLG) formed on the substrate surface to form a graphene band gap. Specifically, alkali metal ions (for example, Na + ) are applied to the substrate at an ion beam current density of 1 nA / cm 2 to 2 nA / cm 2 , preferably about 1 nA / cm 2 , And adsorbs it. When the beam current density is more than 2 nA / cm 2, the change in the amount of sodium ion adsorption to graphene is increased, so that the change in graphene band gap due to the amount of sodium ion adsorption can not be observed in detail. Particularly, in the present invention, the graphene band gap size gradually increases with increasing sodium ion adsorption amount, and when it becomes one layer (1ML) compared to graphene, its size becomes maximum, so that the fine adjustment of sodium ion adsorption amount is required . In particular, the Na + ions in the range of 50 eV to 100 eV, preferably 100 eV, are adsorbed while maintaining the SLG sample in the range of 200 ° C to 250 ° C, preferably 200 ° C. When the sample is held at room temperature and sodium ion is adsorbed, the graphene surface may be broken by ion energy of 100 eV, and the adsorbed sodium ion also can not form a uniform structure on the graphene. The sample temperature above 300 ° C is the desorption condition of sodium ion on the graphene surface. Sodium ion energy above 100 eV can cause graphene damage because it acts to desorb the atoms on the surface like argon and nitrogen sputtering.

상기 알칼리 금속 이온 흡착 후, 싱크로트론 광자를 사용하는 ARPES 및 HRCLS를 이용하여, 도핑된 Na+ 이온으로 생성된 그래핀 π-밴드 및 내각 준위(C 1s, Na 2p 및 Si 2p) 변화를 측정하고, 그래핀의 밴드갭 형성 유무를 확인하였다.After the alkali metal ions were adsorbed, changes in the graphene? -Bands and the intrinsic energy levels (C 1s, Na 2p and Si 2p) produced by doped Na + ions were measured using ARPES and HRCLS using synchrotron photons, The presence or absence of band gap formation of graphene was confirmed.

도 2(a)의 각 분해 광전자 분광 장치(ARPES) 측정 결과에서 확인되는 바와 같이, 선형의 에너지 분산관계를 통해 단층의 그래핀이 형성되었음이 확인되며, 그 다음 나트륨 이온(Na+)을 흡착하면 선형의 그래핀 밴드 구조가 전도대의 위쪽 영역 부분이 사라지고, 동시에 페르미 에너지 주변에 전자 밀도가 확연히 줄어듦을 알 수 있다. 이것은 단순한 도핑효과가 아닌 그래핀의 밴드갭 형성이라고 할 수 있다. 이렇게 형성된 밴드갭은 나트륨 이온의 흡착량이 커지면 점점 증가함을 알 수 있고, 도 2(b)를 보면 나트륨 흡착량이 그래핀과 비교해 한 층이 되었을 때(1 ML) 페르미 에너지 기준으로 약 0.7 eV 정도 디락점이 최대로 이동함을 알 수 있다.As can be seen from the measurement results of the ARPES of each decomposition photoelectron spectrometer of FIG. 2 (a), it was confirmed that a single layer of graphene was formed through a linear energy dispersion relationship, and then sodium ion (Na + ) was adsorbed The linear graphene band structure disappears in the upper region of the conduction band, and at the same time, the electron density around the Fermi energy is remarkably reduced. This is not a simple doping effect, but a band gap formation of graphene. As shown in FIG. 2 (b), when the amount of sodium adsorption is one layer (1 ml) as compared with that of graphene, the band gap becomes about 0.7 eV on the basis of the Fermi energy It can be seen that the declamp point moves to the maximum.

이러한 밴드갭의 크기는 이온 흡착량을 변경하여 보다 용이하게 제어할 수 있다. 흥미롭게도, 큰 밴드갭이 형성되지만, 디락 페르미온으로 인한 그래핀의 신규한 전자 특성, 예컨대 π-밴드의 선형 특성 및 이동성은 Na+ 이온 도핑 시에도 거의 온전히 유지된다. 또한, Na+ 이온의 그래핀 상의 결합은 중성 수소 또는 질소 원자의 결합보다 약한 것으로 확인되었는데, 이는 Na+ 도핑된 그래핀을 수소 또는 질소의 탈착 온도보다 낮은 온도에서 플래싱하여 깨끗한 그래핀을 복원할 수 있기 때문이다. 따라서, SLG 상의 Na+ 이온을 도핑하는 것은 그래핀의 신규한 전기적 특성을 악화시키지 않고 그래핀에 조절가능한 밴드갭을 형성할 수 있는 효과적인 방법인 것으로 확인되었다.The size of the band gap can be more easily controlled by changing the amount of adsorbed ions. Interestingly, a large bandgap is formed, but the novel electronic properties of graphene due to dirac fermions, such as linearity and mobility of the? -Bands, remain almost intact even during Na + ion doping. Also, the graphene bond of Na + ions was found to be weaker than the bond of neutral hydrogen or nitrogen atoms, which was to flash Na + doped graphene at a temperature lower than the desorption temperature of hydrogen or nitrogen to restore clean graphene It is because. Thus, it has been found that doping Na + ions on SLG is an effective way to form an adjustable bandgap in graphene without deteriorating the novel electrical properties of graphene.

이와 더불어, 밴드갭 보유 그래핀에 대한 특성을 고 분해능 광전자 분광 장치를 통한 C 1s, Na 2p 스펙트럼에서 확인할 수 있다. 도 3(a)에서 확인되는 바와 같이, Na+ 이온의 흡착 전에, 깨끗한 SLG의 C 1s는 잘 알려진 4개의 서브피크를 나타낸다. 이는 상이한 소스: SiC 기판의 SiC, 제로층의 S1 및 S2, 및 그래핀의 G의 탄소 원자로부터 유래한다. 그래핀 상의 손상을 최소화하기 위해 50∼100 eV, 바람직하게는 100 eV 에너지의 Na+ 이온을 흡착시킬 때, 그래핀의 C 원자와 결합한 Na+ 이온으로부터 도 2a의 (b)~(f)에 도시된 바와 같이 결합 에너지 Eb = 285.9 eV의 서브피크가 나타난다. 이 때 그래핀 상의 손상 여부는 도 3(a)에서 그래핀의 G 서브피크와 SiC 기판의 SiC 서브피크의 상대적인 크기가 깨끗한 그래핀 일 때의 값(SiC/G?0.7)과 비교해 거의 차이가 없는 것으로 확인할 수 있다. 또한, 중성 Na 원자의 그래핀 상의 흡착 온도 Td = 270℃보다 훨씬 높은 온도인 450℃에서도 Na-C 서브피크는 지속되기 때문에, Na+ 이온은 C 원자 중 상이한 전하 분포로 중성 Na 원자보다 그래핀 C 탄소 원자와의 결합 강도가 높다는 것을 알 수 있다.In addition, the characteristics of the bandgap retained graphene can be confirmed in the C 1s, Na 2p spectrum through a high resolution photoemission spectrometer. As can be seen in Fig. 3 (a), before adsorption of Na + ions, C 1 s of clean SLG represents four well-known sub-peaks. This is from the SiC of the different source: SiC substrate, S 1 and S 2 of the zero layer, and G carbon atoms of the graphene. (B) to (f) of FIG. 2 (a) from Na + ions bonded with C atoms of graphene when adsorbing Na + ions of 50 to 100 eV, preferably 100 eV, As shown, a sub-peak of binding energy E b = 285.9 eV appears. In this case, the damage on the graphene is almost the same as that in the case where the relative size of the G sub-peak of graphene and the SiC sub-peak of the SiC substrate is clean graphene (SiC / G? 0.7) in FIG. It can be confirmed that there is no. In addition, the Na + C subpixel remains at 450 ° C, which is much higher than the adsorption temperature of graphene on the graphene atom, T d = 270 ° C. It can be seen that the bonding strength with the pin C carbon atom is high.

또한, 나트륨 이온 흡착에 따른 새로운 스펙트럼 (Na-C) 형성 및 그 크기의 변화를 통해 각각의 구조적 변화를 예측해 볼 수 있다. 예를 들어, 회색 스펙트럼 (SiC)이 기판의 온도 변화에도 거의 이동하지 않는다는 것은 흡착된 나트륨 이온이 그래핀 안쪽으로 들어가지 않는다는 것을 말한다. 이것은 기존의 연구에서 수소와 리튬이 각각 0.7 eV, 2 eV 이동을 보인다고 하는 것을 통해 비교 분석할 수 있다. 또한 다른 스펙트럼에 비해 회색 스펙트럼이 450℃까지 크기가 증가한다는 것으로 나트륨 이온 흡착 때문에 그래핀의 표면 구조가 바뀌었다는 것을 알 수 있다.In addition, a new spectrum (Na-C) due to adsorption of sodium ions and a change in the size thereof can be predicted for each structural change. For example, the fact that the gray spectrum (SiC) scarcely shifts to the temperature change of the substrate means that the adsorbed sodium ions do not enter into the graphene. This is comparable to the previous studies in which hydrogen and lithium migrate by 0.7 eV and 2 eV, respectively. In addition, the gray spectrum shows an increase in size up to 450 ° C compared to other spectra, indicating that the surface structure of graphene has changed due to the adsorption of sodium ions.

이러한 분석은 Na 2p 스펙트럼을 통해서도 확인할 수 있는데, 도 3(b)에서 보는 것처럼 가장 많은 부분을 차지하고 있는 노란색 스펙트럼이 온도 변화에 따라 급격히 변하는 것을 확인할 수 있으며, 즉, 350℃에서 노란색 스펙트럼이 가장 많이 변하고 450℃ 부근에선 나머지 스펙트럼과 그 크기가 거의 같아짐을 알 수 있다. 이로써 노란색 스펙트럼을 제외한 나머지 스펙트럼에 해당하는 원자 구조가 노란색 스펙트럼에 해당하는 구조 보다 더 강하게 그래핀과 결합하고 있다는 것을 알 수 있으며, 이 구조가 결국 그래핀에 밴드갭을 형성시키는데 기인하는 구조임을 또한 알 수 있다. This analysis can also be confirmed by the Na 2p spectrum. As shown in FIG. 3 (b), it can be seen that the yellow spectrum, which occupies the most part, changes abruptly with temperature, that is, And it can be seen that its size is almost equal to the remaining spectrum at around 450 ° C. As a result, it can be seen that the atomic structure corresponding to the remaining spectrum except for the yellow spectrum is bonded to the graphene more strongly than the structure corresponding to the yellow spectrum, and this structure is the structure resulting from the formation of the band gap in the graphene Able to know.

또한, 수소와 산소의 경우 그래핀에서 탈착 온도가 각각 900℃ 및 1000℃임에 반해, 도 4에서 보는 것처럼 나트륨 이온의 경우 450℃ 이하이기 때문에 그래핀과 나트륨 이온의 결합 원리는 수소와 산소와 같은 공유 결합이 아님을 알 수 있다. 특히, 높은 흡착 온도로 외부 원자와 관능기화된 일부 그래핀이 흔히 감퇴된 전기적 특성, 예컨대 감소된 전하 캐리어 운동성을 나타내지만, Na+ 이온 도핑된 그래핀은 디락 페르미온에서 이러한 감퇴를 나타내지 않는다. 따라서, 이온 흡착량을 조절하여 밴드 갭을 형성 및 조절하기에 용이하고 효과적인 그래핀 관능화 방법이 개시된다.In the case of hydrogen and oxygen, the desorption temperatures of the graphene are 900 ° C. and 1000 ° C., respectively. As shown in FIG. 4, since the sodium ion is 450 ° C. or less, It is not the same covalent bond. In particular, Na + ion doped graphenes do not exhibit such decay in dirac fermions, although some graphene functionalized with external atoms at high adsorption temperatures often exhibit degraded electrical properties such as reduced charge carrier mobility. Accordingly, a graphene functionalization method which is easy and effective to control and form the band gap by controlling the amount of ion adsorption is disclosed.

즉, 본 발명에서는 이 결과를 도 2a의 밴드갭 형성 시 에너지 분산관계에 따른 기울기 분석을 통해 페르미 속도가 단층의 그래핀과 비교해 거의 차이가 없음을 확인할 수 있고, 따라서 나트륨 이온 흡착을 통해 형성된 밴드갭은 그래핀의 고유의 특성을 유지한 채 조절 가능하다는 것을 알 수 있다.That is, according to the present invention, it can be confirmed that the result is almost the same as that of the single-layer graphene when the Fermi speed is compared with that of the single layer by the slope analysis according to the energy dispersion relation when forming the band gap of FIG. It can be seen that the gap is adjustable while maintaining the inherent characteristics of the graphene.

이와 더불어, 상기 흡착 중 한 층의 그래핀 위에 나트륨 이온의 흡착량은 흡착 시간에 따른 일함수 변화를 통해 정의한다. 여기서 일함수 변화는 광전자 측정을 통한 2차 전자(secondary electron)의 상태밀도 변화에 의해 나타낼 수 있으며, 특히 그래핀 위에 나트륨 이온 흡착량이 한 층(1ML)이 되면 이러한 일함수 변화가 포화(saturation)하는 경향을 보이기 때문에 이 때의 조건을 1 ML라고 정의 할 수 있다. 보다 구체적으로, 그래핀에 흡착된 알카리 이온의 함량은 먼저 이온 흡착량을 그래핀의 원자밀도를 1 단위층(Monolayer: ML, 1 ML=3.82x1015 원자/cm2)으로 하여 흡착량에 따른 일함수의 변화를 측정함으로써 시작한다(도 5 참조). 이렇게 측정된 자료는 도 6에 도시된 바와 같이 흡착량에 대한 실제 그래핀에 증착된 이온 함량의 함수로 환산된다. 사용한 이온 함량의 범위는 0.1 x 1015 원자/cm2 ~ 4.2 x 1015 원자/cm2 이다. 이 범위 내에서 밴드 갭이 형성되며 이온 함량이 증가하면서 밴드 갭이 최대 0.7 eV까지 증가한다. 이 이상의 이온 함량에서는 그래핀 기준 알카리 이온 흡착량이 1 단위층 이상이 되므로 도 2(a)에 도시된 바와 같이 밴드 갭은 더 이상 증가하지 않는 포화 증착 상태가 된다. In addition, the adsorption amount of sodium ions on the graphene of one of the adsorption layers is defined by a change in work function with the adsorption time. The change in work function can be explained by the change of state density of secondary electrons through photoelectron measurement. Especially, when the sodium ion adsorption amount on graphene is one layer (1ML), this work function change saturation, The condition at this time can be defined as 1 ML. More specifically, the content of alkali ions adsorbed on the graphene was determined by firstly determining the ion adsorption amount according to the amount of adsorption, with the atom density of graphene being 1 monolayer (ML, 1 ML = 3.82x10 15 atoms / cm 2 ) By measuring the change in work function (see FIG. 5). The data thus measured are converted to a function of the ion content deposited on the actual graphene for the adsorption amount as shown in FIG. The range of ion content used is 0.1 x 10 15 atoms / cm 2 to 4.2 x 10 15 atoms / cm 2 . Within this range, a bandgap is formed and the bandgap increases up to 0.7 eV as the ion content increases. At an ion content higher than this range, the amount of graphene-based alkali ion adsorption becomes one unit or more, so that the band gap is in a saturated deposition state, as shown in Fig. 2 (a).

실시예Example

에피텍셜 그래핀이 형성된 6H-SiC(0001) 기판 샘플을 제공한다. 이후, 34 eV 에너지의 싱크로트론 광자를 이용하여 한국의 포항 가속기 연구소(PAL: Pohang Accelerator Laboratory)의 빔라인 4A2에서 그래핀의 원자가 전자대에 대한 ARPES 데이터를 획득하였다. 또한, 상기 기판 샘플의 내각 준위 스펙트럼(C 1s, Na 2p, Si 2p)을 전체 에너지 분해능(energy-resolution) 200 meV의 PAL 빔라인 8A2에서 130 eV 또는 510 eV의 광자 에너지로 측정하였다. 측정에 사용된 기기는 전체 분해능이 100 meV 미만인 반구형 사이엔타 R4000 분석기(hemispherical Scienta R4000 analyzer)(ARPES) 및 사이엔타 SES100(Scienta SES100)(HRCLS)였다. A sample of 6H-SiC (0001) substrate on which an epitaxial graphene is formed is provided. Then, ARPES data for the graphene electron band of graphene was obtained at beamline 4A2 of Korea Pohang Accelerator Laboratory (PAL) using a synchrotron photon of 34 eV energy. In addition, the internal state level spectrum (C 1s, Na 2p, Si 2p) of the substrate sample was measured with a photon energy of 130 eV or 510 eV at a PAL beamline 8A2 of an energy-resolution of 200 meV. The instruments used for the measurements were a hemispherical Scientific R4000 analyzer (ARPES) and a Scientific SES100 (HRCLS) with a total resolution of less than 100 meV.

측정 중 챔버의 압력은 1 x 10-10 Torr로 유지하였으며, Na+ 이온은 저에너지 알칼리 금속 이온 건(Kimball Physics)을 이용하여 생성하고, 표적으로의 이온 빔 전류 밀도는 1 nA cm-2로 조절하였다. 상기 샘플을 200℃로 유지시키면서 100 eV 에너지의 Na+ 이온을 흡착시켰다. SLG 상에 흡착된 Na+ 이온 흡착량은 하나의 단일층(1 ML)을 고려하여 일함수 변화 대 노출 곡선을 측정하여 보정하였다. 표면 브릴루앙 영역(brillouin zone)의 Γ→Κ에 수직인 방향으로 모멘텀(k)을 변화시켜 Na+ 도핑된 샘플로부터 얻은 일련의 전자대 이미지를 산출하였다. 이후, 사이엔타 SES100(Scienta SES100)(HRCLS)을 통해 내각 준위(C 1s, Na 2p 및 Si 2p) 변화를 측정하고, 그래핀의 밴드갭 형성 유무를 확인하였다. Measuring the pressure in the chamber was maintained at 1 x 10 -10 Torr, Na + ions are ion beam current density to the target generation, and using a low energy ion gun alkali metal (Kimball Physics) is adjusted to 1 nA cm -2 Respectively. The sample was held at 200 DEG C and Na + ions of 100 eV energy were adsorbed. The amount of adsorbed Na + ions on SLG was calibrated by measuring the work function versus exposure curve taking into account a single layer (1 ml). The momentum (k ) in the direction perpendicular to Γ → K of the Brillouin zone of the surface was varied to yield a series of electron-to-image images from the Na + doped sample. Subsequently, the changes in the inner level (C 1s, Na 2p and Si 2p) were measured by using SIE100 (Scienta SES100) (HRCLS), and the presence or absence of bandgap formation of graphene was confirmed.

결과적으로, 도 2a 및 2b, 그리고 도 3a 및 3b와 동일한 그래프를 산출하였으며, 그래핀이 0.7 eV의 밴드 갭을 형성했을 때 페르미 속도는 0.8 x 106 m/s으로 확인되어, 청결한 그래핀의 속도 1.0 x 106 m/s 보다 다소 줄어 들었지만 선형 디락 밴드에서 보듯이 고유물성의 변화는 거의 없는 것으로 판단되었다. 결과적으로, 상기 설명한 바와 같이 밴드갭 형성 및 그래핀 고유의 특성을 유지한 그래핀을 확인할 수 있었다.As a result, the same graph as FIGS. 2A and 2B and FIGS. 3A and 3B was calculated. When the graphene formed a band gap of 0.7 eV, the Fermi speed was found to be 0.8 x 10 6 m / s, The velocity was slightly reduced from 1.0 x 10 6 m / s, but as shown in the linear dirac band, the change in inherent properties was considered to be little. As a result, it was confirmed that graphenes retaining band gap formation and graphene specific characteristics as described above.

그래핀은 디락 밴드의 특성을 가지고 타 물질에 비해 월등한 물성을 보이기 때문에 본 발명을 기반으로 실리콘을 대체하는 것은 물론, 반도체, 투명전극, 2차전지, 초경량 복합재, 인쇄전자용 소재, 배리어 소재 사업 등의 다양한 산업분야에서 활용될 수 있을 것으로 보인다. 비록 그래핀이 투명 전극의 소재로는 이미 상용화 단계에 들어섰다는 평가를 받고 있고, 2차 전지 등 에너지용 전극재료, 방열 소재 산업에서 빠른 성장을 보일 것으로 기대되지만 상기한 바와 같이 반도체 소자로 사용하기엔 아직도 해결해야 할 부분이 많다. 따라서 본 발명을 통한 그래핀 나노물질의 물성개발 및 관련 기술개발은 새로운 산업영역을 개척하고 국가적 신 성장동력의 소재 및 소자 산업의 원천이 될 수 있다.Since graphene exhibits superior properties compared to other materials with the characteristics of dirac bands, it can be used not only as a substitute for silicon based on the present invention, but also as a material for semiconductors, transparent electrodes, secondary batteries, It can be used in various industrial fields such as business. Although graphene has been evaluated as a material for transparent electrodes, it is expected to show rapid growth in the electrode materials for energy and heat-dissipating materials such as secondary batteries. However, as described above, There are still a lot of things to solve. Therefore, development of material properties and related technology of graphene nanomaterial through the present invention can pioneer new industrial field and become a source of national new growth power material and device industry.

10: 그래핀
20: 실리콘 카바이드 기판
30: 알칼리 금속이온 (Na+)
10: Grain Fins
20: silicon carbide substrate
30: alkali metal ion (Na + )

Claims (19)

밴드갭 보유 그래핀으로서,
그래핀, 및
상기 그래핀에 0.1 x 1015 원자/cm2 ~ 4.2 x 1015 원자/cm2 범위의 함량으로 형성되어 있는 알칼리 금속 이온
을 포함하는 밴드갭 보유 그래핀.
As a bandgap retaining graphene,
Graphene, and
An alkali metal ion formed in the graphene in a content ranging from 0.1 x 10 15 atoms / cm 2 to 4.2 x 10 15 atoms / cm 2
Gt; graphene < / RTI >
제1항에 있어서, 상기 그래핀은 결정성 그래핀인 것인 밴드갭 보유 그래핀.The bandgap retained graphene of claim 1, wherein the graphene is crystalline graphene. 제2항에 있어서, 상기 결정성 그래핀은 기판 상에 제공되고, 상기 결정성 그래핀은 그 기판 온도를 50℃ ∼ 100℃씩 단계적으로 올려 성장된 것인 밴드갭 보유 그래핀.3. The bandgap retained graphene according to claim 2, wherein the crystalline graphene is provided on a substrate and the crystalline graphene is grown by stepping up the substrate temperature by 50 DEG C to 100 DEG C. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온은 50 eV ~ 100 eV의 에너지로 형성되는 것인 밴드갭 보유 그래핀.The bandgap retaining graphene according to claim 1, wherein the alkali metal ion is formed at an energy of 50 eV to 100 eV. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온은 기판에 대한 이온 빔 전류 밀도가 1 nA/cm2 ∼ 2 nA/cm2로 유지되고 진공압이 1 x 10-10 Torr ∼ 2 x 10-10 Torr인 환경 하에서 형성되는 것인 밴드갭 보유 그래핀.The method of claim 1, wherein the alkali metal ions are maintained at an ion beam current density of 1 nA / cm 2 to 2 nA / cm 2 with respect to the substrate and a vacuum pressure of 1 x 10 -10 Torr to 2 x 10 -10 Torr Bandgap retained graphene. 제3항에 있어서, 상기 알칼리 금속 형성 중 상기 기판은 200℃ ∼ 250℃로 유지되는 것인 밴드갭 보유 그래핀.4. The bandgap retained graphene of claim 3 wherein the substrate is maintained at 200 DEG C to 250 DEG C during alkali metal formation. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온인 것인 밴드갭 보유 그래핀.The bandgap retaining graphene according to claim 1, wherein the alkali metal ion is a sodium ion. 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법으로서,
그래핀을 제공하는 그래핀 제공 단계; 및
상기 그래핀에 0.1 x 1015 원자/cm2 ~ 4.2 x 1015 원자/cm2 범위의 함량으로 알칼리 금속 이온을 형성시키는 알칼리 금속 형성 단계
를 포함하는 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.
As a band gap-holding graphene fabrication method,
Providing a graphene; And
An alkali metal forming step of forming an alkali metal ion in the graphene in a content ranging from 0.1 x 10 15 atoms / cm 2 to 4.2 x 10 15 atoms / cm 2
≪ / RTI >
제9항에 있어서, 상기 그래핀 제공 단계는 결정성 그래핀 형성 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.10. The method of claim 9, wherein the providing of the graphene comprises forming a crystalline graphene. 제10항에 있어서, 상기 결정성 그래핀 형성 단계는 기판 상에 결정성 그래핀을 형성하는 단계; 및 상기 기판 온도를 50℃ ∼ 100℃씩 단계적으로 올리는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.11. The method of claim 10, wherein the crystalline graphene forming step comprises: forming crystalline graphene on a substrate; And raising the substrate temperature step by step from 50 ° C to 100 ° C. 제9항에 있어서, 상기 알칼리 금속 형성 단계는 상기 알칼리 금속 이온을 50 eV ~ 100 eV의 에너지로 형성시키는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.10. The method of claim 9, wherein the step of forming an alkali metal comprises forming the alkali metal ion at an energy of 50 eV to 100 eV. 제9항에 있어서, 상기 알칼리 금속 형성 단계는 기판에 대한 이온 빔 전류 밀도가 1 nA/cm2 ∼ 2 nA/cm2로 유지되고 진공압이 1 x 10-10 Torr ∼ 2 x 10-10 Torr인 환경 하에서 수행하는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.Claim 9 wherein the alkali metal forming stage is the ion beam current density on the substrate 1 nA / cm 2 ~ 2 nA / a 1 x maintained and vacuum pressure to the cm 2 10 -10 Torr ~ 2 x 10 -10 Torr in Wherein the step of forming the bandgap retained graphene comprises: 제11항에 있어서, 상기 알칼리 금속 형성 단계는 상기 기판을 200℃ ∼ 250℃로 유지하는 단계를 포함하는 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the alkali metal forming step comprises maintaining the substrate at 200 [deg.] C to 250 [deg.] C. 삭제delete 제9항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온인 것인 밴드갭 보유 그래핀 제조 방법.10. The method of claim 9, wherein the alkali metal ion is a sodium ion. 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법으로서,
0.1 x 1015 원자/cm2 ~ 4.2 x 1015 원자/cm2 범위의 함량으로 알칼리 금속 이온이 형성된 그래핀을 제공하는 단계; 및
상기 알칼리 금속 이온의 형성량을 일함수 변화를 이용하여 산출하는 단계
를 포함하는 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법.
As an alkali metal ion formation amount confirmation method,
Providing graphene in which alkali metal ions are formed in a content ranging from 0.1 x 10 15 atoms / cm 2 to 4.2 x 10 15 atoms / cm 2 ; And
Calculating a formation amount of the alkali metal ion using a change in work function
Wherein the alkaline metal ion forming amount is determined based on the alkali metal ion formation amount.
제17항에 있어서,
단위층(1 ML: 1 Monolayer) 단위의 형성량에 대한 일함수 변화를 측정하는 단계; 및
상기 일함수 변화를 형성된 알칼리 금속 이온 함량으로 환산하는 단계
를 포함하는 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법.
18. The method of claim 17,
Measuring a work function change with respect to a forming amount of a unit layer (1 ML: 1 Monolayer) unit; And
Converting the work function change into an alkali metal ion content;
Wherein the alkaline metal ion forming amount is determined based on the alkali metal ion formation amount.
제17항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온인 것인 알칼리 금속 이온 형성량 확인 방법.18. The method according to claim 17, wherein the alkali metal ion is a sodium ion.
KR1020140173640A 2014-12-05 2014-12-05 Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom KR101692445B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140173640A KR101692445B1 (en) 2014-12-05 2014-12-05 Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140173640A KR101692445B1 (en) 2014-12-05 2014-12-05 Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160068222A KR20160068222A (en) 2016-06-15
KR101692445B1 true KR101692445B1 (en) 2017-01-03

Family

ID=56134955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140173640A KR101692445B1 (en) 2014-12-05 2014-12-05 Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101692445B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9281385B2 (en) * 2010-06-18 2016-03-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconducting graphene composition, and electrical device including the same
KR101479217B1 (en) * 2014-05-07 2015-01-06 중앙대학교 산학협력단 Decrease of work function using doped graphene

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160068222A (en) 2016-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ben Aziza et al. van der Waals epitaxy of GaSe/graphene heterostructure: electronic and interfacial properties
Pierucci et al. Tunable doping in hydrogenated single layered molybdenum disulfide
Yue et al. Two-dimensional high-quality monolayered triangular WS2 flakes for field-effect transistors
Zhou et al. Metal to insulator transition in epitaxial graphene induced by molecular doping
Xu et al. Ultrathin Single‐Crystalline Boron Nanosheets for Enhanced Electro‐Optical Performances
US8142754B2 (en) Method for synthesis of high quality graphene
US9964846B2 (en) Two-dimensional heterostructure materials
Clark et al. Scalable patterning of encapsulated black phosphorus
Oh et al. Architectured van der Waals epitaxy of ZnO nanostructures on hexagonal BN
US9620665B1 (en) Method for improved growth of two-dimensional transition metal dichalcogenides
Song et al. Graphene/h‐BN heterostructures: recent advances in controllable preparation and functional applications
CN104919077A (en) Method and system for graphene formation
US10829381B2 (en) Borophenes, boron layer allotropes and methods of preparation
Fabbri et al. Edge defects promoted oxidation of monolayer WS2 synthesized on epitaxial graphene
Kim et al. Tuning of thermoelectric properties of MoSe2 thin films under helium ion irradiation
Sant et al. Decoupling molybdenum disulfide from its substrate by cesium intercalation
Jian et al. A mechanism for the variation in the photoelectric performance of a photodetector based on CVD-grown 2D MoS 2
Ahmad et al. Substitutional carbon doping of hexagonal multi-walled boron nitride nanotubes (h-MWBNNTs) via ion implantation
Chong et al. Selective growth of two-dimensional heterostructures of gallium selenide on monolayer graphene and the thickness dependent p-and n-type nature
KR101692445B1 (en) Method of producing band gap in graphene and graphene with a band gap therefrom
KR101726735B1 (en) Method of producing band gap in graphene using cs+ ions and graphene with a band gap therefrom
Sung et al. Band gap engineering for graphene by using Na+ ions
Jacobberger et al. Effect of Germanium Surface Orientation on Graphene Chemical Vapor Deposition and Graphene-Induced Germanium Nanofaceting
KR101884678B1 (en) Graphene having band gap and manufacturing method thereof
Schuler et al. Comparison of DC and RF sputtered zinc oxide films with post-annealing and dry etching and effect on crystal composition

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