KR20150091577A - Graphdiyne-based semiconductor materials using hydrogenation or halogenation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소 또는 할로겐 원자가 흡착된 그래다인 반도체 소자용 물질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 또는 할로겐 원자의 흡착을 통해 에너지 밴드갭 조절이 가능한 그래다인을 이용한 반도체 소자용 물질에 관한 것이다.The present invention relates to a material for a semiconductor or a semiconductor material to which hydrogen or a halogen atom is adsorbed, and more particularly to a material for a semiconductor device using a grained material capable of controlling energy band gap through adsorption of hydrogen or a halogen atom.
최근, sp2-결합된 탄소 원자로 이루어진 2차원 원자층인 그래핀(graphene)이 디랙콘(Dirac cone) 및 높은 전자 이동성과 같은 독특한 전자적 특성으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 또한, 밴드갭을 열기 위한 다양한 방법이 제시되어 그래핀을 나노 전자 소자 개발에 활용하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. Recently, graphene, a two-dimensional atomic layer made of sp 2 -bonded carbon atoms, has attracted much attention because of its unique electronic properties such as Dirac cone and high electron mobility. In addition, various methods for opening the bandgap have been proposed, and efforts to utilize graphene in the development of nano-electronic devices have been actively conducted worldwide.
수직으로 적용된 전기장 하에서 이중층 그래핀은 전기장이 ~4 V/nm로 증가할 때 ~0.32 eV까지 조절 가능한 에너지 밴드갭을 갖는 것으로 알려져 있다. 이론적 근거에 기초하여 그래핀을 수소화 및 플루오린화하여 밴드갭을 각각 ~3.4 eV 및 ~2.7 eV까지 조절할 수 있는 방안이 제시되어 왔으나, 그래핀에 밴드갭 특성을 부여하기 위해 수소화나 플루오린화하는 방법은 그래핀 상에서 수소 또는 플루오린 원자가 서로 응집되는 경향으로 그래핀의 밴드갭 조절에 어려움이 있다. 그래핀을 이용한 광전자 소자와 관련된 선행기술로는 한국 등록특허 제10-1297434호(그래핀을 이용한 반도체 소자, 및 반도체 소자 어레이)가 있다.Under vertically applied electric fields, bilayer graphene is known to have an adjustable energy bandgap up to ~ 0.32 eV when the electric field increases to ~ 4 V / nm. A method of adjusting the band gap to ~ 3.4 eV and ~ 2.7 eV, respectively, by hydrogenating and fluorinating the graphene based on the theoretical basis has been proposed. However, in order to impart bandgap characteristics to graphene, a method of hydrogenation or fluorination Has a difficulty in controlling the band gap of graphene due to the tendency of hydrogen or fluorine atoms to coalesce on graphene. Prior art related to optoelectronic devices using graphene is Korean Patent No. 10-1297434 (semiconductor devices using graphene, and semiconductor device arrays).
한편, 그래파인(graphyne)은 sp-sp2 혼성 원자들로 구성된 2차원 탄소 동소체 레이어로서, 대칭 및 비대칭 디랙콘을 동시에 갖고 비대칭 디랙콘은 전자가 선호되는 방향으로 흐르는 것을 가능하게 한다. α- 그래파인의 에너지 밴드갭은 허니콤 격자의 AB 부격자 대칭 깨짐(AB sublattice symmetry breaking)에 의해 열릴 수 있고, γ-그래파인은 케쿨레 뒤틀림(Kekule distortion)에 의해 고유한 밴드갭을 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, 다공성 구조와 넓은 표면적은 수소 및 리튬 이온 전지와 같은 에너지 저장 물질로의 다양한 잠재적 적용을 가능하게 한다. 그래파인 상에서는 수소 또는 할로겐 원자의 응집 현상이 일어나지 않으며, 이는 그래핀에서 나타나는 기술적 어려움을 유발하는 분리 없이 다른 구성요소의 흡착에 의해 그래파인의 전자 특성을 조절할 수 있음을 시사한다. On the other hand, graphyne is a two-dimensional carbon isotope layer composed of sp-sp 2 hybrid atoms, which has both symmetric and asymmetric diamond cone and enables electrons to flow in the preferred direction. The energy band gap of a-graphene can be opened by the AB sublattice symmetry breaking of the honeycomb lattice, and the gamma-graphene can be opened by the kekule distortion with a unique bandgap . In addition, the porous structure and large surface area enable various potential applications to energy storage materials such as hydrogen and lithium ion cells. Suggesting that hydrogen or halogen atom aggregation does not occur on graphene and that electron nature of graphene can be controlled by adsorption of other components without separation leading to technical difficulties in graphene.
sp2-결합된 탄소 원자와 근접하게 위치한 두 개의 sp-결합된 탄소 원자로 이루어진 그래파인과 유사하게 그래다인(graphdiyne)은 sp2-결합된 탄소 원자와 근접하게 위치한 네 개의 sp-결합된 탄소 원자로 이루어지며, 그래파인 및 그래다인 합성이 가능함을 증명하는 그래파인 플레이크[참고문헌 1 내지 3], 그래다인 필름[참고문헌 4] 및 플레이크[참고문헌 5] 합성이 이루어져 왔다.sp 2 - and the carbon atom close to the two bonded carbon atoms sp- consisting Yes Yes Fine analogy dynes (graphdiyne) in combination are sp 2 - and a combination of carbon atoms located close to four carbon atoms bonded sp- A synthesis has been made of graphene flakes [
본 발명자는 이전 발명(수소흡착을 이용하여 에너지 밴드갭 조절 가능한 그래파인을 갖는 반도체 소자용 물질; 출원번호 10-2013-0055825)에서 수소화된 그래파인의 기하학적 및 전자적 특성을 나타내어 그래파인에서는 수소 원자의 응집 현상이 발생하지 않아 그래파인의 전자 특성 조절이 가능함을 나타낸 바 있다. 본 발명은 밴드갭 조절과 관련하여 그래다인의 수소화 및 할로겐화를 연구함으로써 그래다인의 전자 특성이 수소화 및 할로겐화에 의해 변화가 가능하고 이를 더욱 용이하게 다룰 수 있음을 개시하고자 한다.The present inventor has shown the geometrical and electronic characteristics of hydrogenated graphene in the prior invention (material for a semiconductor device having graphene capable of adjusting energy band gap using hydrogen adsorption; Application No. 10-2013-0055825) The coagulation phenomenon of graphene does not occur and it is possible to control electronic characteristics of graphene. The present invention discloses that the electronic properties of the grades can be changed by hydrogenation and halogenation and can be more easily handled by studying the hydrogenation and halogenation of the grades in connection with the bandgap control.
[참고문헌][references]
[1] Kehoe, J. M.; Kiley, J. H.; English, J. J.; Johnson,C. A.; Petersen, R. C. and Haley, M. M. Organic Lett. 2000, 2, 969.[1] Kehoe, J. M .; Kiley, J. H .; English, J. J .; Johnson, C. A .; Petersen, R. C. and Haley, M. M. Organic Lett. 2000, 2, 969.
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[3] Johnson II, A. C.; Lu,Y. and Haley, M. M. Organic Lett. 2007, 9, 3725.[3] Johnson II, A. C .; Lu, Y. and Haley, M. M. Organic Lett. 2007, 9, 3725.
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[5] Haley, M. M.; Brand, S. C. Park, J. J. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 836.[5] Haley, M. M .; Brand, S. C. Park, J. J. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 836.
본 발명의 목적은 그래다인에 수소 또는 할로겐 원자를 흡착시켜 에너지 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있는 반도체 소자용 물질을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a material for a semiconductor device capable of easily adsorbing hydrogen or halogen atoms to a gradane and easily controlling the energy band gap.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 sp-결합된 탄소 원자와 sp2-결합된 탄소 원자의 네트워크로 이루어진 2차원 레이어인 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자에 수소 또는 할로겐 원자가 부착되며, 상기 부착되는 원자의 종류 또는 농도에 의해 조절되는 밴드갭을 갖는 반도체 소자용 물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention sp- and sp-bonded carbon atom 2 - is a hydrogen or halogen atom attached to the carbon atom bonded sp- of two-dimensional layers Well Being made of a network of bonded carbon atoms, the There is provided a material for a semiconductor device having a band gap controlled by the kind or concentration of atoms to be attached.
상기 그래다인은 γ-그래다인인 것을 특징으로 한다.The gladine is characterized by being? -Gardine.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 수소 원자가 부착되며, 상기 수소 원자는 그래다인 레이어의 면내 또는 사면에 배치되는 것을 특징으로 한다.One hydrogen atom is attached to one of the sp-bonded carbon atoms of the gladene, and the hydrogen atom is disposed in a plane or a slope of the grained layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 두 개의 수소 원자가 부착되며, 상기 수소 원자는 그래다인 레이어의 면외에 배치되는 것을 특징으로 한다.Two hydrogen atoms are attached per sp-bonded carbon atom of the gladene, and the hydrogen atoms are arranged outside the plane of the graded layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 플루오린 원자가 부착되며, 상기 플루오린 원자는 그래다인 레이어의 면내 또는 면외에 배치되는 것을 특징으로 한다.One fluorine atom is attached to one of the sp-bonded carbon atoms of the gladene, and the fluorine atom is disposed in the plane or out of plane of the grained layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 두 개의 플루오린 원자가 부착되며, 상기 플루오린 원자는 그래다인 레이어의 사면에 배치되는 것을 특징으로 한다.Wherein two fluorine atoms are attached per sp-bonded carbon atom of said gladene, said fluorine atoms being arranged on the slope of the graded layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 클로린 또는 브로민 원자가 부착되며, 상기 클로린 또는 브로민 원자는 그래다인 레이어의 사면에 배치되는 것을 특징으로 한다.One chlorine or bromine atom is attached per sp-bonded carbon atom of the gramine, and the chlorine or bromine atom is disposed on the slope of the graded layer.
또한, 본 발명은 상기와 같은 반도체 소자용 물질을 이용한 반도체 장치를 제공한다.The present invention also provides a semiconductor device using the above-described semiconductor device material.
상기와 같은 본 발명에 따르면, sp-sp2 혼성 탄소 원자의 네트워크로 이루어진 2차원 원자층인 그래다인에 농도를 변화시켜 수소 또는 할로겐 원자를 부착시킴으로써, 수소화된 그래핀과 달리 에너지 밴드갭을 ~3 eV까지 조절 가능하고 그래다인 상에 할로겐 원자의 응집이 선호되지 않아 밴드갭 조절이 용이한 반도체 소자용 물질을 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, by attaching hydrogen or a halogen atom to a gradin, which is a two-dimensional atomic layer made of a network of sp-sp 2 hybrid carbon atoms, by changing the concentration, It is possible to control the bandgap to 3 eV and to prevent the aggregation of halogen atoms on the graphene phase.
또한, 본 발명에 따른 수소화 또는 할로겐화된 그래다인은 나노 전자 소자로의 적용에 있어 그래핀보다 우수한 특성을 지닐 뿐만 아니라 다공성 구조로 인해 이산화탄소 분리에도 적용이 가능하다.In addition, the hydrogenated or halogenated grindane according to the present invention is superior to graphene in application to a nano electron device, and is also applicable to carbon dioxide separation due to the porous structure.
도 1은 그래다인 상에 흡착된 수소 또는 할로겐 원자의 최적화된 원자 구조를 나타냄. 회색, 흰색, 보라색, 녹색 및 빨간색 원은 각각 탄소 원자, 수소 원자, 플루오린 원자, 클로린 원자 및 브로민 원자를 의미함. 최소한의 에너지 배열을 위한 기학학적 구조의 전체 에너지 E는 0으로 설정함.
도 2는 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 상에 흡착된 수소 또는 할로겐 원자의 최적화된 원자 구조를 나타냄. D1, D2, D3, Dad는 각각 C1-C2 결합 길이, C2-C3 결합 길이, C3-C4 결합 길이 및 C3-M 결합 길이를 의미함.
도 3은 x=2의 농도에서 sp-결합된 탄소 원자에 흡착된 (A) 수소 또는 (B) 플루오린 원자의 결합 구조를 나타냄.
도 4는 수소화 또는 할로겐화된 그래다인의 계산된 밴드 구조를 나타냄. 페르미 에너지는 0으로 설정함.
도 5는 농도 x의 변화에 따른 그래다인에 흡착된 수소 또는 할로겐 원자의 (a) 계산된 밴드갭, (b) 계산된 결합 에너지 그래프를 나타냄.Figure 1 shows the optimized atomic structure of a hydrogen or halogen atom adsorbed onto a graphite phase. The gray, white, purple, green and red circles represent carbon atoms, hydrogen atoms, fluorine atoms, chlorine atoms and bromine atoms, respectively. The total energy E of the geometric structure for the minimum energy arrangement is set to zero.
Figure 2 shows the optimized atomic structure of a hydrogen or halogen atom adsorbed on the sp-bonded carbon atom of the gardine. D 1 , D 2 , D 3 , and D ad denote a C 1 -C 2 bond length, a C 2 -C 3 bond length, a C 3 -C 4 bond length, and a C 3 -M bond length, respectively.
Figure 3 shows the bonding structure of (A) hydrogen or (B) fluorine atoms adsorbed on sp-bonded carbon atoms at a concentration of x = 2.
Figure 4 shows the calculated band structure of a hydrogenated or halogenated grindane. Fermi energy is set to zero.
FIG. 5 shows (a) the calculated bandgap of hydrogen or halogen atoms adsorbed to the graphene due to the change in concentration x, and (b) the calculated bond energy graph.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 sp2-결합된 탄소 원자와 근접하여 위치하는 4 개의 sp-결합된 탄소 원자의 네트워크로 이루어진 2차원 레이어인 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자에 수소 또는 할로겐 원자가 부착되며, 상기 부착되는 원자의 종류 또는 농도에 의해 조절되는 밴드갭을 갖는 반도체 소자용 물질을 제공한다.The present invention relates to a process for the attachment of a hydrogen or halogen atom to a sp-bonded carbon atom of a predominantly two-dimensional layer of a network of four sp-bonded carbon atoms located in close proximity to an sp 2 -bonded carbon atom, And a bandgap which is controlled by the kind or concentration of atoms to be formed.
상기 그래다인은 sp 결합된 탄소 원자 4개가 선형으로 연결된 탄소 사슬과 sp2 결합된 탄소 원자의 네트워크로 이루어진 벌집 격자 구조를 갖는 2차원 평면구조로서, γ-그래다인인 것이 바람직하다.So the dyne is a two-dimensional planar structure having a honeycomb lattice structure consisting of a network of the sp carbon atoms and four linear carbon chain attached to the sp 2 bond bond carbon atoms, preferably a γ- Yes dynes.
그래다인 상에 sp-결합된 탄소 원자와 sp2-결합된 탄소 원자 두 군데의 결합 부위가 존재하며, 상기 수소 또는 할로겐 원자는 sp2-결합된 탄소 원자보다 sp-결합된 탄소 원자에 우선적으로 흡착되어 sp2- 또는 sp3- 혼성화를 형성하며, 그래다인의 에너지 밴드갭은 수소화 또는 할로겐화를 통해 ~0.5 eV에서 ~3.5 eV까지 증가될 수 있다.There are two bonding sites of sp-bonded carbon atoms and sp 2 -bonded carbon atoms on the graphene phase, and the hydrogen or halogen atom preferentially bonds to the sp-bonded carbon atom over the sp 2 -bonded carbon atom Adsorbed to form sp 2 - or sp 3 - hybrids, and the energy band gap of the gradin can be increased from ~ 0.5 eV to ~ 3.5 eV through hydrogenation or halogenation.
상기 그래다인은 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 수소 원자가 부착되며, 상기 수소 원자는 그래다인 레이어의 면내(in-plane) 또는 사면(oblique-plane)에 배치된다.The gladene has one hydrogen atom attached to one sp-bonded carbon atom, and the hydrogen atom is disposed in an in-plane or oblique-plane of the graded layer.
상기 그래다인은 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 두 개의 수소 원자가 부착되며, 상기 수소 원자는 그래다인 레이어의 면외(out-of-plane)에 배치된다.The gladene has two hydrogen atoms attached to one sp-bonded carbon atom, and the hydrogen atoms are placed out-of-plane in the grained layer.
상기 그래다인은 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 플루오린 원자가 부착되며, 상기 플루오린 원자는 그래다인 레이어의 면내 또는 면외에 배치된다.The gladene is attached to one fluorine atom per sp-bonded carbon atom, and the fluorine atom is disposed in-plane or out-of-plane of the graded layer.
상기 그래다인은 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 두 개의 플루오린 원자가 부착되며, 상기 플루오린 원자는 그래다인 레이어의 사면에 배치된다.The gladene has two fluorine atoms attached per sp-bonded carbon atom, and the fluorine atoms are disposed on the slope of the graded layer.
상기 그래다인은 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 클로린 또는 브로민 원자가 부착되며, 상기 클로린 또는 브로민 원자는 그래다인 레이어의 사면에 배치된다.The gladene is attached to one chlorine or bromine atom per sp-bonded carbon atom, and the chlorine or bromine atom is disposed on the slope of the graded layer.
또한, 본 발명은 상기와 같은 반도체 소자용 물질을 이용한 반도체 장치를 제공한다.The present invention also provides a semiconductor device using the above-described semiconductor device material.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.
실험예.Experimental example.
할로겐 및 수소 원자에 의해 기능화된 그래다인의 기하학적인 구조를 분석하기 위해 다양한 대칭 구조를 갖는 그래다인 중에서 γ-그래다인을 이용하였다. γ-그래다인은 sp2-결합된 탄소 원자가 sp-결합된 탄소 원자에 대해 낮은 비율을 가짐으로써 가장 효과적으로 안정한 상을 갖는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 실험예에서는 수소 및 할로겐 원자의 흡착 원자를 M으로 표시하였다. To analyze the geometrical structure of the gladene functionalized with halogen and hydrogen atoms, γ-gladene was used among the gradients with various symmetric structures. γ-Gradine is known to have the most effective stable phase by having a low ratio of sp 2 -bonded carbon atoms to sp-bonded carbon atoms. In the experimental examples of the present invention, adsorbed atoms of hydrogen and halogen atoms are represented by M.
프로젝터 보충파(PAW; projector-augmented-wave) 방법이 마련된 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)에서 시행되는 밀도함수이론(DFT)에 기초하는 제일원리 방법을 이용하였다[참고문헌 6, 7]. 교환 상관성 에너지 함수가 PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof) 방법에서 표준 그래디언트 근사(GGA)와 함께 이용되었으며, 운동에너지 컷오프(cutoff)는 400 eV로 하였다[참고문헌 8]. 수소 또는 할로겐 흡착의 계산을 위한 γ-그래다인 모델로 1×1 육각형 슈퍼셀(supercell)을 이용하였다. 수소화된 그래다인의 기하학적 구조의 최적화는 각 원자에 작용하는 헬만-파이만(Hellman-Feynman) 힘이 0.01 eV/Å보다 작아질 때까지 수행되었다. 제1 브릴리앙 존(the first Brillouin zone) 적분은 몬크호스트-팩 방법(Monkhorst-Pack)에 의해 이루어졌다[참고문헌 9]. 4×4 k-포인트 샘플링은 1×1 그래다인 슈퍼셀에 대해 이루어졌다.The first principle method based on density function theory (DFT) implemented in Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) with a projector-augmented-wave (PAW) method has been used [6, 7]. The exchange correlation energy function was used with the standard gradient approximation (GGA) in the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) method and the kinetic energy cutoff was 400 eV [Ref. 8]. A 1 × 1 hexagonal supercell was used as a γ-grained model for the calculation of hydrogen or halogen adsorption. Optimization of the geometry of the hydrogenated gradain was performed until the Hellman-Feynman force acting on each atom was less than 0.01 eV / A. The first Brillouin zone integral was made by the Monkhorst-Pack method [Ref. 9]. The 4 × 4 k-point sampling was performed on a 1 × 1 graded supercell.
[참고문헌][references]
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[8] Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.[8] Perdew, J. P .; Burke, K .; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
[9] Monkhorst , H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188.[9] Monkhorst, HJ; Pack, JD Phys. Rev. B 1976, 13, 5188.
실험 결과.Experiment result.
(1) 도 1은 농도 x=1.0(C1M x 복합체에서 C와 M은 각각 sp-결합된 탄소 원자와 흡착된 원자를 의미)에서 수소 또는 할로겐 원자가 sp-결합된 탄소 원자와 결합하여 수소화 또는 할로겐화된 그래다인의 최적화된 원자의 기하학적인 구조를 나타낸다. 수소 원자는 면내 및 사면의 두 가지 배열 형태로 그래다인에 부착되었다. 사면 배열은 면내 배열보다 낮은 에너지를 가졌다. 플루오린화된 그래다인의 경우 면외 배열이 관찰되었고 면내 배열보다 낮은 에너지를 나타내었다. 대조적으로, Cl과 Br 원자는 H와 F보다 긴 이온 반지름으로 인한 입체 장애 때문에 사면 배열만이 존재할 것으로 나타났다. H, F, Cl, Br 및 I의 이온 반지름은 각각 0.35, 1.33, 1.74, 1.96 및 2.20 Å이었다.(1) Fig. 1 shows the relationship between the concentration x = 1.0 (C 1 M x In the complex, C and M each represent an atom that is adsorbed to a sp-bonded carbon atom.) Hydrogen or a halogen atom is bonded to a sp-bonded carbon atom to represent a geometric structure of an optimized atom of a hydrogenated or halogenated grindane . Hydrogen atoms were attached to the graphene in the form of two planes, in-plane and slope. The slope array had lower energy than the in - plane array. In the case of the fluorinated stargate, the out-of-plane arrangement was observed and showed lower energy than the in-plane arrangement. In contrast, Cl and Br atoms were found to have only slope arrays due to steric hindrance due to longer ionic radius than H and F. The ionic radii of H, F, Cl, Br and I were 0.35, 1.33, 1.74, 1.96 and 2.20 Å, respectively.
(2) 도 2는 수소화 또는 할로겐화된 그래다인의 결합 부위를 나타낸다. C-M 원자간의 결합 길이는 할로겐 원자의 원자번호가 증가함에 따라 증가하였다. 구체적으로, 계산된 C-H, C-F, C-Cl 및 C-Br 결합 길이는 각각 1.10, 1.38, 1.74 및 1.92 Å이었다. 이러한 길이는 할로겐 원자의 커져가는 이온 반지름으로부터 삼각형의 탄소 격자 안에서의 입체 효과와 관련되며, 가장 근접한 탄소-탄소 원자의 결합 길이는 흡착된 M 원자의 위치에 따라 약간의 차이가 있었다(표 1).(2) Figure 2 shows the bonding sites of hydrogenated or halogenated gradin. The bond length between C-M atoms increased with increasing atomic number of halogen atoms. Specifically, the calculated C-H, C-F, C-Cl and C-Br bond lengths were 1.10, 1.38, 1.74 and 1.92 Å, respectively. This length is related to the steric effect in the triangular carbon lattice from the increasing ionic radius of the halogen atom, and the bond length of the nearest carbon-carbon atom varies slightly depending on the position of the adsorbed M atoms (Table 1) .
(3) 그래다인의 각각의 sp-결합된 탄소 원자에 대한 2개 원자의 흡착을 분석한 결과, x=2의 농도에서 수소 또는 플루오린 원자의 흡착이 일어남을 확인하였다. 상기 농도에서 다른 할로겐 원자들의 흡착 과정은 흡열 반응으로 흡착되는 원자 간의 반발 상호작용이 원자의 이온 반지름이 증가함에 따라 증가하였다. 낮은 농도에서 Cl 및 Br 원자의 흡착은 발열 반응일 것으로 판단되며, 고농도에 비하여 작아진 반발 상호작용에 의해 각각의 sp-결합된 탄소 원자에 대한 단일 원자의 흡착이 선호적으로 발생하였다. 도 3에서 보는 바와 같이, sp-결합된 탄소 원자에 대해 수소 원자의 면외 흡착이 선호되었으며, 면외는 sp-결합된 원자 상에 흡착된 수소 원자들 사이의 중앙 지점에 의해 정의되었다. 대조적으로, 플루오린 원자는 플루오린 원자 사이의 거리가 증가함에 따라 반발 상호작용이 최소화되어 사면 흡착이 선호되었다. 수소 및 플루오린 원자의 결합 에너지는 각각 0.69 eV/H 및 2.28 eV/F이었다.(3) Analysis of the adsorption of two atoms on each sp-bonded carbon atom of the gradain showed that adsorption of hydrogen or fluorine atoms occurs at a concentration of x = 2. At this concentration, the adsorption process of the other halogen atoms increased as the ionic radius of the atoms increased due to the repulsive interaction between the atoms adsorbed by the endothermic reaction. The adsorption of Cl and Br atoms at low concentrations was considered to be exothermic, and adsorption of single atoms to each sp-bonded carbon atom preferentially occurred due to the repulsive interaction, which is smaller than at higher concentrations. As shown in Fig. 3, the out-of-plane adsorption of hydrogen atoms to sp-bonded carbon atoms was preferred, and the out-of-plane was defined by the central point between the hydrogen atoms adsorbed on sp-bonded atoms. In contrast, fluorine atoms were preferred to slope adsorption as the repulsive interactions were minimized as the distance between the fluorine atoms increased. The binding energies of hydrogen and fluorine atoms were 0.69 eV / H and 2.28 eV / F, respectively.
(4) 흡착 원자의 농도가 다른 기능화된 그래다인의 전자 구조를 분석하였다. 기능화되지 않은 그래다인의 계산된 밴드갭은 0.53 eV로서 기 공지된 값 ~0.48~0.53 eV과 동일성을 가졌다. 도 4에 나타난 바와 같이, 농도 x=1.0으로 H, F, Cl 및 Br 원자가 흡착된 그래다인의 계산된 에너지 밴드갭은 각각 0.69, 1.79, 1.81 및 1.86 eV로 나타났다. 흡착된 원자의 기하학적 구조는 상이하며, 흡착된 기하학적 구조의 차이로 인해 밴드갭은 원자가 그래다인에 결합되었는지에 따라 영향을 받는다. 도 5a에서 보는 바와 같이, 수소에서 할로겐으로 원자 종류가 변화함에 따른 밴드갭 조절은 ~1.2 eV인 것으로 나타났고, 할로겐 원자의 종류에 따른 변화는 작았다. 또한, 각각의 sp-결합된 탄소 원자에 두 개의 수소 또는 두 개의 할로겐 원자가 흡착될 때 C1H2 및 C1F2의 밴드갭은 3.56 eV 및 3.28 eV로 나타났다(도 4e, f). 이는 그래다인의 밴드갭은 수소화 및 할로겐화에 의해 ~2.5 eV까지 조절 가능함을 나타낸다.(4) We analyzed the electronic structure of functionalized gradin with different concentration of adsorbed atoms. The calculated bandgap of the unfunctionalized gradain was 0.53 eV and was identical to the known value ~ 0.48 ~ 0.53 eV. As shown in FIG. 4, the calculated energy band gaps of the graphene adsorbed with H, F, Cl, and Br atoms at the concentration x = 1.0 were 0.69, 1.79, 1.81, and 1.86 eV, respectively. The geometries of the adsorbed atoms are different, and due to differences in the adsorbed geometry, the bandgap is affected by whether the atoms are bonded to the graphene. As shown in FIG. 5A, the bandgap control by the change of the atom type from hydrogen to halogen was found to be ~1.2 eV, and the change with the kind of halogen atom was small. In addition, when two hydrogen or two halogen atoms were adsorbed to each sp-bonded carbon atom, the band gaps of C 1 H 2 and C 1 F 2 were 3.56 eV and 3.28 eV (Fig. 4e, f). This indicates that the bandgap of the graders can be controlled to ~ 2.5 eV by hydrogenation and halogenation.
(5) 농도를 변화시켜 할로겐 원자의 흡착으로 인한 밴드 구조 상의 영향을 분석하였다. 1×1 그래다인에서 할로겐 원자의 결합 에너지는 농도 x에 대한 함수로 계산되었고, 할로겐 원자의 결합 에너지는 
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
Having described specific portions of the present invention in detail, it will be apparent to those skilled in the art that this specific description is only a preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (8)
A hydrogen or halogen atom is attached to the sp-bonded carbon atom of the predominantly two-dimensional layer consisting of a network of sp-bonded carbon atoms and sp 2 -bonded carbon atoms, and is controlled by the type or concentration of the attached atoms A material for a semiconductor device having a band gap.
상기 그래다인은 γ-그래다인인 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 물질.
The method according to claim 1,
Characterized in that the gradain is gamma -gradine.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 수소 원자가 부착되며, 상기 수소 원자는 그래다인 레이어의 면내 또는 사면에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 물질.
The method according to claim 1,
Wherein one hydrogen atom is attached to one of the sp-bonded carbon atoms of the gladene, and the hydrogen atom is disposed in a plane or a slope of the grained layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 두 개의 수소 원자가 부착되며, 상기 수소 원자는 그래다인 레이어의 면외에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 물질.
The method according to claim 1,
Wherein two hydrogen atoms are attached to one of the sp-bonded carbon atoms of the gladene, and the hydrogen atoms are disposed outside the plane of the grained layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 플루오린 원자가 부착되며, 상기 플루오린 원자는 그래다인 레이어의 면내 또는 면외에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 물질.
The method according to claim 1,
Wherein one fluorine atom is attached per sp-bonded carbon atom of said gladene, said fluorine atom being disposed in-plane or out-of-plane of the grained layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 두 개의 플루오린 원자가 부착되며, 상기 플루오린 원자는 그래다인 레이어의 사면에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 물질.
The method according to claim 1,
Wherein two fluorine atoms are attached per sp-bonded carbon atom of said gladene, said fluorine atoms being disposed on the slope of the graded layer.
상기 그래다인의 sp-결합된 탄소 원자 한 개 당 한 개의 클로린 또는 브로민 원자가 부착되며, 상기 클로린 또는 브로민 원자는 그래다인 레이어의 사면에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 물질.
The method according to claim 1,
Wherein one chlorine or bromine atom is attached per sp-bonded carbon atom of said gladene, said chlorine or bromine atom being disposed on a slope of the graded layer.
A semiconductor device using the semiconductor device material according to any one of claims 1 to 7.
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