KR102055776B1 - 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)을 이용한 n형 반도체의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 및 이를 이용한 n형 반도체의 제조 방법은 산화그래핀(GO)을 생성하는 단계, 상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성하는 단계, 상기 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 스핀코팅(spin-coating)기법에 의해 기판에 도포하는 단계, 및 상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성하는 단계를 포함한다. 따라서, 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)을 이용하여 n형 반도체 제작이 가능하여, 일반적인 p형 그래핀과 접목을 통해 상보형 회로에 적용이 가능할 수 있다.

Description

질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)을 이용한 n형 반도체의 제조 방법 {Method of FABRICATING n-type semiconductor using N-doped reduced GRAPHENE OXIDE}
본 발명은 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 및 이를 이용한 n형 반도체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소를 포함하는 환원된 그래핀 산화물(N-doped rGO)을 형성하여 이를 기반으로 n형 반도체를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
반도체에는 n형과 p형이 있어 이 두 종류를 이용해 논리소자를 만든다. 지금까지는 실리콘 소재는 n형p형 반도체로 논리소자를 만들었으나 연성이 없고 쉽게 꺾인다는 문제점이 있었다.
그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며, 가볍고 단단하며 유연성이 좋아 꿈의 신소재로 주목받고 있다. 또한, 그래핀은 투명하며 빛의 2.3%만을 흡수해도 상온에서 은보다 열전도성이 높으며, 전자가 마치 질량이 없는 것처럼 움직여 기존 반도체보다 전기의 흐름이 빨라질 수 있어 실리콘 기판을 대체할 수 있는 차세대 재료로 각광받고 있다.
그래핀의 제조 방법에는 일반적으로 기계적 박리법(Mechanical exfoliation), 비산화 박리법(Nonoxidative exfoliation), 및 화학적 박리법(Chemical exfoliation) 등이 있다.
이 중, 화학적 박리법은 산화그래핀 제조를 통한 그래핀 층간 산소관능기의 삽입 후 간단한 분쇄를 통해 이루어진다.
그래핀 소재 반도체는 일반적으로 공기 중에서 p형의 특성을 지닌다. 논리소자를 제조하기 위해서는 n형 반도체와 p형 반도체가 필요하므로, 공기 중에서 오랫동안 유지될 수 있는 n형 반도체의 개발이 요구되고 있다.
일반적으로, n형 반도체들은 그래핀 프레임워크(framework)안에 있는 탄소 분자들을 질소 분자와 바꿈으로써 얻을 수 있다. 이 때, 질소의 고립전자쌍(lone electron pairs of nitrogen atoms)들은 그래핀의 반응성(reactivity)과 전기촉매성(electrocatalytic)을 높일 수 있는 sp2 혼성화 탄소 원자(sp2 hybridized carbon frameworks)와 함께 비국소 공액계(conjugated system)를 생성하는 것에 대해 중요한 역할을 한다.
질소가 첨가된 그래핀과 통해 환원된 그래핀 산화물(rGO, reduced graphene oxide)는 암모니아(NH3)와 전기줄가열방식(electrical joule heating)과 열처리 방법을 통해 n형 반도체를 생산한다.
한편, 고농도의 질소가 첨가된 그래핀를 획득하기 위해서는 멜라민(C3H6N6, melamine)와 산화 그래핀(GO)를 열처리하여 획득할 수 있다. 그러나, 산화 그래핀을 이용하여 만든 전계효과 트랜지스터(FET 장치) 위에 스핀코트(spin-coated)하는 것은 멜라민(melamine)의 높은 승화 온도 때문에 매우 어렵기 때문에 n형 그래핀 반도체 제조가 어려웠다.
또한, 질소가 포함된 산화 그래핀 제작시에 사용되는 암모니아(NH3)와 히드라진(Hydrazine)은 환경을 오염시키고, 가격이 비싸다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 질소를 포함하는 환원된 그래핀 산화물(n-doped rGO) 소재로 한 n형 반도체 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 및 이를 이용한 n형 반도체의 제조 방법은 산화그래핀(GO)을 생성하는 단계, 상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성하는 단계, 상기 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 스핀코팅(spin-coating)기법에 의해 기판에 도포하는 단계, 및 상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성하는 단계를 포함한다.
예를 들면, 상기 유기 용매는 DMF(N-dimethylformamide)일 수 있다.
예를 들면, 상기 이온성 액체(ionic liquid)는 아민-말단 이온성 액체(amine-terminated IL, 1-(3-aminopropyl)-3-methylimidazolium bromide(IL-NH2(Br-))일 수 있다.
한편, 상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성하는 단계는, 상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매는 150℃ 내지 170℃에 온도 조건에서 3시간 내지 5시간동안 교반(stirring)하여 반응할 수 있다.
또한, 상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성하는 단계는, 400℃ 내지 1000℃ 온도 조건에서 열처리를 할 수 있다.
위에서 설명한 방법으로 생성된 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)으로 제조된 반도체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 및 이를 이용한 n형 반도체의 제조 방법에 의하면, 공기 중에서 오랫동안 유지되는 n형 반도체 소자를 제조할 수 있다.
또한, 산화그래핀의 환원시 사용되는 하이드라진(hydrazine) 및 암모니아(NH3)가스 대신 이온성 액체(ionic liquid)를 사용함으로써 환경 오염을 줄이며 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 2는 도 1을 도식적으로 나타낸 반응식이다.
도 3은 산화그래핀(GO), 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 (PrGO-IL) 및 각각 400℃, 500℃, 800℃ 및 1000℃에서의 열처리를 한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 XPS 스펙트럼를 나타낸 그래프이다.
도 4는 산화그래핀(GO)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 이온성 액체(ionic liquid)가 포함된 부분적으로 환원된 그래핀 산화물(PrGO-IL)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 400℃ 온도조건에서 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 원소 분석(elemental analysis)으로부터 획득한 질소 원소의 함유량을 나타낸 막대 그래프(bar graph)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 제조 방법에 의해 제조된 FET의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 도8에서 도시된 FET 디바이스를 이용하여, 400℃ 온도조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때)곡선을 나타낸 그래프이다.
도 10은 도8에서 도시된 FET 디바이스를 이용하여, 500℃ 온도조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때)곡선을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도8에서 도시된 FET 디바이스를 이용하여, 800℃ 온도조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때) 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12는 질소가 이온성 액체로부터 획득되었는지를 확인하기 위하여 대조실험의 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때) 곡선을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 제조 방법을 도시하는 순서도이다. 도 2는 도 1을 도식적으로 나타낸 반응식이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 및 이를 이용한 n형 반도체의 제조 방법은 산화그래핀(GO)을 생성하는 단계(S100), 상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성하는 단계(S200), 상기 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 스핀코팅(spin-coating)기법에 의해 기판에 도포하는 단계 (S300), 및 상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성하는 단계(S400)를 포함한다.
먼저, 상기 산화그래핀(GO)을 생성한다(S100). 이 때 상기 산화그래핀 (graphene oxide, GO)는 황산(sulfuric acid), 과망간산칼륨(potassium permanganate), 및 질산나트륨(sodium nitrate)을 혼합하는 Hummers and Offeman 방법을 이용하여 흑연으로부터 산화그래핀을 제조할 수 있다.
이어서, 상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성한다(S200).
예를 들면, 산화 그래핀(GO)와 아미노기를 가지는 이온성 액체(ionic liquid)를 유기 용매에 녹여 반응을 진행하여 공유 결합을 한 아미노기를 가지는 이온성 액체를 포함한 부분적으로 환원된 산화 그래핀(PrGO-IL, partially reduced graphene oxide-ionic liquid)를 생성할 수 있다. 이 때, 상기 유기 용매는 예컨대, DMF(N-dimethylformamide) 유기 용매일 수 있다. 한편, 산화 그래핀(GO)와 이온성 액체(ionic liquid)를 유기 용매에 녹이는 반응의 온도 조건은 예컨대, 150℃ 내지 170℃ 온도 조건에서, 바람직하게는 160℃ 온도 조건에서, 3시간 내지 5시간, 바람직하게는 4시간동안, 교반(stirring)하여 반응을 진행할 수 있다.
예를 들면, 상기 이온성 액체(ionic liquid)은 먼저 125mL의 에탄올(ethanol)에 12g, 0.05m의 3-브롬오프로필아민 하이브로브로마이드(3-bromopropylamine hydrobromide)과 4.35 mL, 0.05 mol의 1-메틸아미다졸(1-methylimidazole)를 반응시킨다. 이 후, 24시간동안 반응을 진행한다. 이 때, 아세트산에틸(ethyl acetate)과 에탄올(ethanol)를 사용하여 재결정(re-crystallization)를 하여 반응물은 정제된다. 마지막으로, 반응물은 진공의 60℃ 온도 조건에서 건조된다. 이 때, 생성된 반응물은 아민-말단 이온성 액체(amine-terminated IL, 1-(3-aminopropyl)-3-methylimidazolium bromide(IL-NH2(Br-)))일 수 있다.
일반적으로 이온성 액체(ionic liquid)는 액체는 비휘발성(non-volatility), 비인화성(non-flammability), 및 내열성(thermal stability)특성을 지닌다. 이러한, 이온성 액체 내의 질소 분자의 함유량과 고내열성 특성 때문에 질소 분자를 포함하는 이온성 액체(ionic liquid)는 환원된 그래핀 산화물(rGO)내에 높은 비율의 질소를 함유할 수 있다. 한편, 질소가 포함된 친핵체와 산소를 포함하는 작용기는 쉽게 교환이 가능하다. 또한, 이온성 액체와 반응한 후에도 산화그래핀의 뼈대에는 질소가 남아 있어서, 그래핀 FET를 제조할 경우, 산화그래핀(rGO)의 친수성과 좋은 분산성을 제공할 수 있다.
또한, 환원된 산화그래핀(rGO) 내의 질소 분자의 첨가 비중이 높을수록, Ids/ Vgs 곡선의 DP 쉬프트(DP shift)가 더 커지고 n형 성질이 좋아져서, 반도체 소자의 성능은 향상된다.
이 후, 상기 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 스핀코팅(spin-coating)기법에 의해 기판에 도포한다(S300).
예를 들면, 상기 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 기판 위에 올리고 스핀 코팅(spin-coating)기법을 이용하여 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 기판 위에 도포할 수 있다.
마지막으로, 상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성한다(S400).
예를 들면, 상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성하는 단계는, 400℃ 내지 1000℃ 온도 조건에서 열처리(annealing)를 할 수 있다.
도 3은 산화그래핀(GO), 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 (PrGO-IL) 및 각각 400℃, 500℃, 800℃ 및 1000℃에서의 열처리를 한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 XPS 스펙트럼를 나타낸 그래프이다. 도 4는 산화그래핀(GO)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 5는 이온성 액체(ionic liquid)가 포함된 부분적으로 환원된 그래핀 산화물(PrGO-IL)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 6은 400℃ 온도조건에서 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 7은 원소 분석(elemental analysis)으로부터 획득한 질소 원소의 함유량을 나타낸 막대 그래프(bar graph)이다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 다양한 온도에서 PrGO-IL와 N-첨가된 rGO의 관계를 나태기 위해 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 방법을 사용하였다. 이 때, 미리 준비된 산화그래핀(GO)는 64%의 산소를 포함하며, 질소는 포함하지 않았다.
도 3은 산화그래핀(GO), 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 (PrGO-IL) 및 각각 400℃, 500℃, 800℃ 및 1000℃에서의 열처리를 한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 XPS 스펙트럼를 나타낸 그래프이다.
도 4는 산화그래핀(GO)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 이 때, C-C 결합은 284.4 eV, C-O결합은 286.3 eV, 및 C=O결합은 288.3 eV에서 피크를 갖는 것을 볼 수 있었다.
도 5 내지 도 6를 참조하면, 285.9 eV에서 C-N 결합과 관련하여 새로운 신호가 포착되었다. 이 때, PrGO-IL의 탄소/산소 비율(4.75)은 미리 준비된 산화그래핀(GO)의 탄소/산소비율보다(0.5) 휠씬 높았다. 또한, 286.9(C-O)과 288.7(C=O) eV에서 매우 낮은 신호를 얻었다.
도 5는 이온성 액체가 포함된 부분적으로 환원된 그래핀 산화물(PrGO-IL)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 이 때, C-C 결합은 284.6 eV, C-N 결합은 285.9 eV, C-O 결합은 286.9 eV, C=O 결합은 288.7 eV, 및 C(O)OH 는 289.4 eV에서 피크를 갖는 것을 볼 수 있었다. 특히, 각각 C-O과 C=O 결합 에너지와 대응하는 286.9과 288.7 eV 부근에서 상대적으로 낮은 신호의 세기를 보여주는데, 이는 산소 작용기과 sp3 탄소(sp3 carbon)가 제거되었음을 알 수 있다.
도 6은 400℃ 온도조건에서 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 고해상도 C1s XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 이 때, C-C 결합은 284.6 eV, C-N결합은 285.8 eV, C-O결합은 286.9 eV, 및 C=O결합은 288.9 eV에서 피크를 갖는 것을 볼 수 있었다.
도 7은 원소 분석(elemental analysis)으로부터 획득한 질소 원소의 함유량을 나타낸 막대 그래프이다. 이 때, 높은 온도에서 열처리를 할수록 질소 원자의 함유량은 낮아지는 것을 볼 수 있었다. PrGO-IL의 질소 분자 비율은 15.2%이였으며, PrGO-IL을 400℃ 내지 1000℃로 급속 열처리 공정을 한 후의 N-doped rGO의 질소 분자 비율은 6 % 내지 2.7 %로 변화되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 제조 방법에 의해 제조된 FET의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8를 참조하면, 백-게이트(back-gate) FET 장치를 이용하여 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 전기적 특성을 분석하였다.
도 9는 도8에서 도시된 FET 디바이스를 이용하여, 400℃ 온도조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때)곡선을 나타낸 그래프이다. 도 10은 도8에서 도시된 FET 디바이스를 이용하여, 500℃ 온도조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때)곡선을 나타낸 그래프이다. 도 11은 도8에서 도시된 FET 디바이스를 이용하여, 800℃ 온도조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때) 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, PrGO-IL의 Ids-Vgs 곡선은 L-형태로 나타났다. 또한, 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)를 열처리한 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Vgs는 -38.0V 에서 -17.0V으로 음성값이 나타났다. 이것은 환원된 산화 그래핀(rGO) 내의 질소 도핑에 의해 n형 전자 도핑의 운동이 나타난 것을 나타낸다. 또한, 도 8의 디바이스를 800℃에서 열처리한 저항값은 400℃에서 열처리한 저항값보다 낮게 측정되었다. 이는 열처리 온도가 높아질수록 저항값이 더욱 효과적으로 낮아졌기 때문이다. 한편, 진공 상태에서의 실험은 공기 중의 산소와의 반응을 방지하기 위해 4 x 10-4 Torr인 조건에서 실험하였다.
도 12는 질소가 이온성 액체로부터 획득되었는지를 확인하기 위하여 대조실험의 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO)의 Ids/Vgs(Vds=0.5V일 때) 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12을 참조하면, 질소가 이온성 액체로부터 획득되었는지를 확인하기 위하여 대조실험을 하였다. 이 때, 대조실험은 이온성 액체를 사용하지 않고, 산화그래핀(GO) 디바이스에 DMF 유기용매를 140℃ 온도 조건에서 반응한 후에 400℃ 온도 조건에서 열처리를 하였다. 한편, 대조실험에서 DP값이 양성을 나타난 이유는 물과 같이 흡수력이 강한 물질들이 잔류하였기 때문이다. 열처리 온도를 높일수록 DP의 n형 특성은 감소하였고, DP 시프트의 가장 커다란 변동은 400℃ 온도 조건에서 열처리를 할 때였다.
상기와 같이, 본 발명은 400 ℃ 온도 조건에서 부분적으로 환원된 산화그래핀 (PrGO-IL)을 열처리(RTA)을 이용하여 6% N-doped rGO 시트들과 38.0 V DP를 획득하였다. 친환경적인 이온성 액체(ionic liquid)를 사용하여 질소 도핑한 환원된 산화 그래핀(N-doped rGO) 생성 및 이를 이용하여 n형 반도체를 제조하였다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : FET 디바이스

Claims (6)

  1. 산화그래핀(GO)을 생성하는 단계;
    상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성하는 단계;
    상기 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 스핀코팅(spin-coating)기법에 의해 기판에 도포하는 단계; 및
    상기 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 열처리(annealing)하여 질소 도핑한 환원된 산화그래핀(N-doped rGO)를 생성하는 단계를 포함하는, n형 반도체의 제조 방법으로서,
    상기 기판에 도포된 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)의 열처리는 환원제 없이, 400℃ 내지 1000℃ 온도 조건에서 수행되는 것인,
    n형 반도체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기 용매는 DMF(N-dimethylformamide)인 것을 특징으로 하는, n형 반도체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온성 액체(ionic liquid)는 아민-말단 이온성 액체(ionic liquid) 액체(amine-terminated IL, 1-(3-aminopropyl)-3-methylimidazolium bromide(IL-NH2(Br-))인 것을 특징으로 하는, n형 반도체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 반응시켜 부분적으로 환원된 산화그래핀(PrGO-IL)을 생성하는 단계는,
    상기 산화그래핀(GO)과 이온성 액체(ionic liquid)를 유기용매에 150℃ 내지 170℃에 온도 조건에서 3시간 내지 5시간동안 교반(stirring)하여 반응하는 것을 특징으로 하는, n형 반도체의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101615094B1 (ko) * 2014-12-19 2016-04-27 한국과학기술원 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 포함된 전자소자
KR102198212B1 (ko) * 2015-03-02 2021-01-06 한국전기연구원 그래핀 나노 패턴 인쇄 방법,그에 사용되는 장치 및 잉크
CN105758918B (zh) * 2016-04-08 2018-10-12 青岛科技大学 一种基于电还原氧化石墨烯和纳米金修饰电极的dna传感器的制备及应用方法
KR101958302B1 (ko) * 2017-10-11 2019-03-15 한국전력공사 슈퍼커패시터용 그래핀 전극의 제조 방법
KR102426898B1 (ko) 2018-01-04 2022-07-28 한국전기연구원 광소결을 통해 질소가 도핑된 산화그래핀 환원물 및 그 제조방법
CN108649191B (zh) * 2018-03-30 2020-09-18 南京师范大学 一种用于钠离子电池的锑/氮掺杂石墨烯复合物的制备方法及其所得材料和应用
KR102212999B1 (ko) * 2019-02-20 2021-02-05 충남대학교산학협력단 질소-도핑된 그래핀층을 활성층으로 포함하는 그래핀 기반의 tft
CN111081532B (zh) * 2019-11-22 2023-03-07 华侨大学 一种制备半导体石墨晶圆的方法及其应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120161192A1 (en) * 2010-12-22 2012-06-28 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Nitrogen-doped transparent graphene film and manufacturing method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102712779A (zh) * 2009-12-22 2012-10-03 徐光锡 石墨烯分散液以及石墨烯-离子液体聚合物复合材料
KR101418050B1 (ko) * 2011-07-19 2014-07-10 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 산소환원 전극용 촉매 및 이의 제조방법
KR101275282B1 (ko) * 2011-09-07 2013-06-18 성균관대학교산학협력단 N―도핑된 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터 및 그의 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120161192A1 (en) * 2010-12-22 2012-06-28 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Nitrogen-doped transparent graphene film and manufacturing method thereof

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