KR20220098367A - 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조, 그래핀막 및 광전 소자 - Google Patents

약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조, 그래핀막 및 광전 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 제공하는 바, 이러한 그래핀 구조는 약한 커플링 작용에 의해 벌크 물질이 선형 에너지 밴드 특징을 갖도록 하여, 열전자의 전이를 촉진하고, 접합 상태 밀도를 증가하며; AB 구조의 존재와 두께 증가가 협력하여 열전자의 이완 시간을 연장함으로써, 고에너지 상태의 열전자 수를 향상시키는 동시에, 막 제조 공법의 요구 및 비용을 감소하고, 막 제조의 성공률을 증가시킨다. 이 밖에, 그래핀/반도체 쇼트키 접합에 기반하여, 저에너지 빛을 탐지할 수 있고, 그래핀/실리콘 광전 소자의 탐지 범위를 가시광선 및 근적외선으로부터 원적외선으로 확장한다. 본 발명은 또한 약한 커플링이 강화된 그래핀 광전 막을 제공하는 바, 약한 커플링에 의해 다층 그래핀의 광흡수의 중첩을 구현하며, 그래핀막의 광흡수율을 향상시킴으로써, 저에너지 대역에서 열전자가 여전히 축적될 수 있다.

Description

약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조, 그래핀막 및 광전 소자
본 발명은 그래핀 기능성 물질에 관한 것이고, 특히 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조, 그래핀막 및 소자 및 이의 물질 제조 방법에 관한 것이다.
2010년 영국 맨체스터 대학교의 안드레 가임(Andre Geim) 교수와 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 교수는 안정적인 그래핀을 최초로 성공적으로 분리하여 노벨 물리학상을 수상했으며, 이는 그래핀 연구의 세계적 급증을 일으켰다. 그래핀은 우수한 전기적 성능(전자 이동도가 실온에서 2 × 105 cm2/Vs에 달할 수 있음), 뛰어난 성능(5000 W/(mK), 비범한 비표면적(2630 m2/g), 영률(1100 GPa) 및 파괴 강도(125 GPa)를 구비한다. 그래핀의 우수한 전기 전도성 및 열 전도성은 금속보다 훨씬 우수하며 아울러 그래핀은 고온 저항 및 내식성의 장점이 있으며 기계적 성능이 우수하고 밀도가 낮아 전열재료 분야에서 금속을 대체할 가능성이 높다.
거시적으로 산화 그래핀 또는 그래핀 나노시트가 조립된 그래핀막은 나노스케일 그래핀의 주요 응용 형태이며 일반적으로 사용되는 제조 방법은 흡입 여과, 스크래핑, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 침지 코팅 등이다. 추가적인 고온 처리를 통해 그래핀의 결함을 보완할 수 있고, 그래핀막의 전기 전도성 및 열 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 소리 발생, 음파 탐지, 광전 탐지, 스마트 폰, 스마트 휴대용 하드웨어, 태블릿 컴퓨터 및 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 기기에 널리 적용될 수 있다.
그러나 단층 그래핀은 흡광도가 매우 낮기 때문에 충분한 세기의 빛을 흡수하지 못하고 적외선, 테라헤르츠 및 더 낮은 기타 에너지 대역에서 전자파에 응답하지 않는다. 이를 위해 연구자들은 소자의 광흡수를 향상시키기 위한 그래핀 소자 변성에 많은 노력을 기울였다. 또한, 일반적으로, 단층 그래핀은 열전자를 효과적으로 축적할 수 없고 그래핀과 반도체의 장벽을 넘지 못하기 때문에 그래핀은 낮은 에너지 대역에서 크게 응답하지 않는다고 간주한다.
기존의 쇼트키 접합은 금속/반도체 구조이지만 금속 물질 자체가 광여기 열전자 수명이 매우 낮고(약 0.1 ps) 노이즈가 높아 상온 광전자 소자 분야에서 응용하기 어렵다. 단층 그래핀은 금속 물질에 비해 열전자 수명이 약 1단계(1 ps) 증가하고, 상온에서 노이즈는 크게 억제되지만, 그래핀의 우수한 투명도로 인해 열전자를 효과적으로 축적할 수 없게 되어 그래핀과 반도체 사이의 장벽을 넘을 수 없으므로, 그래핀은 낮은 에너지 대역에서 크게 응답하지 않는다. 또한, 단층 그래핀막의 전사가 어렵고 금속 및 폴리머의 오염을 완전히 제거할 수 없으며; 열전자 축적이 효과적인 그래핀막(AB 구조로 적층된 다층 그래핀막)이 초보적으로 보고되었으나, 이의 열전자 축적 효율이 낮고, 그 이유는 AB 구조의 그래핀막의 전자 구조가 흑연 구조에 더 가까워져 있고 이의 전자 상태 밀도가 상대적으로 낮으며 고에너지 상태 궤도 점유 능력이 상대적으로 약하므로, 탐지 능력이 상대적으로 낮기 때문이다.
또한, 그래핀의 결함 구조는 그래핀 열전자-포논 산란을 증가시키는 경향이 있으므로, 그래핀 열전자의 이완 시간을 개선하기 위해서는 가능한 결함 구조를 보완하도록 고온 처리를 수행해야 하며, 이는 광전자 탐지 소자의 제조 난이도를 증가한다. 그러나 결함 상태의 존재는 소자의 온도를 상승시켜 응답 속도를 손상시킬 뿐만 아니라 열전자 전이에 도움을 주고 응답도를 향상시킨다.
본 발명의 일 양태로서, 본 발명은 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 제공하는 바, 이러한 그래핀 구조는 비-AB 구조의 약한 커플링 작용에 의해 전자 접합 상태 밀도를 증가함으로써, 광흡수를 촉진하는 동시에; 비-AB 구조의 그래핀 선형 에너지 밴드를 도입하여, 열전자의 전이를 촉진하고, 고에너지 상태의 열전자의 점유 확률을 향상시킨다.
본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 약한 커플링 강화 기반의 그래핀막을 제공하는 바, 이는 약한 커플링 작용에 의해 전자 접합 상태 밀도를 증가함으로써, 광흡수를 증가하고, 열전자의 전이를 촉진한다 이러한 구조는 또한 막 제조 공법의 요구 및 비용을 감소하고, 막 제조의 성공률을 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 광전 소자를 제공하는 바, 예를 들어 그래핀/실리콘 쇼트키 접합에 기반하여, 그래핀막의 밴드 갭이 0이므로, 장파장 저에너지 빛의 흡수를 구현할 수 있어, 한편으로는 그래핀/실리콘 광전 소자의 응답도를 향상시킬 수 있고, 다른 한편으로는 탐지 범위가 가시광선 및 근적외선으로부터 원적외선 대역으로 확장되어, 넓은 스펙트럼 탐지를 구현할 수 있다. 이 아이디어는 마찬가지로 다른 그래핀/반도체 쇼트키형 광전 탐지기(예를 들어 그래핀/게르마늄 탐지기 등)로 확장될 수 있다. 상기 그래핀막은 또한 다른 광전 탐지기 시스템(예를 들어 광전도 탐지기, PIN 탐지기, 눈사태 탐지기)를 도입하여, 적외선 대역의 흡수를 강화하고, 넓은 스펙트럼 탐지 및 적외선 탐지를 구현할 수 있다. 광전 탐지기는 현재 군사, 국방, 의료, 생물학, 및 소비자 전자 제품 등 많은 분야에서 모두 널리 응용되고 있다. 예를 들어 군사에서는 적외선 광전 탐지기를 사용하여 정찰 및 원격탐사를 진행해야 하고; 의료 검출 및 물질 분석에 사용되는 다양한 스펙트럼 분석기에도 고정밀 광전 탐지기를 사용하여 흡수 스펙트럼, 투과 스펙트럼, 방출 스펙트럼을 수집 및 추출해야 하며; 현재 발전하고 있는 스마트 홈 분야에서, 무선 적외선 탐지기는 기기의 연결 및 인터랙션을 구현하는 데 중요한 작용을 한다. 현재 인기 있는 무인 운전 분야의 핵심 기술인 레이저 레이더에서, 고속 및 고감도 광전 탐지기는 이의 핵심 부재 중 하나이기도 하다. 소비자 전자 제품에 있어서, 촬상 과정에서, 이 그래핀막에 기반한 광전 탐지기가 넓은 스펙트럼의 탐지를 구현할 수 있으므로, 멀티 스펙트럼 융합 기술을 결부하여 가시적 이미지 및 적외선 이미지를 융합 처리함으로써, 이미지의 디테일 강화, 선명도 향상을 구현할 것으로 기대된다. 의료 분야에서도, 광전 탐지가 널리 응용되고 있는 바, 예를 들어, 혈액산소 검출이 바로 웨이러블 기기 상의 적외선 탐지기에 의해 적외선에 대한 헤모글로빈의 반사를 추출하는 것이며, 미래의 웨이러블 및 이식 가능한 바이오 센싱 분야에서도, 마이크로 광전 탐지가 중요한 작용을 할 것이다.
본 발명의 목적은, 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 제공하는 것인 바, 이는 다수의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지고; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나, 2층 이상의 그래핀 시트가 적층되어 이루어진 것이며, 상기 적층 방식은 AB 적층이고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위는 비-AB 적층 구조 영역으로, 2개의 그래핀 단위 사이가 약하게 커플링되도록 한다. AB 적층 영역에서, 전자구름은 일체로 융합되고, 그래핀막의 전자 구조는 흑연 구조에 더 가까워지며, 이러한 구조에서 그래핀의 전자-포논 산란이 약화되고, 열전자의 이완 시간이 연장되며; 비-AB 적층 구조 영역에서, 전자구름은 층층이 분리되고, 그래핀막의 전자 구조가 그래핀 구조에 더 가까워지므로, 전자 접합 상태 밀도가 증가하고, 광흡수가 증가하며, 열전자의 전이가 용이해진다.
본 발명의 다른 목적은, 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 제공하는 것인 바, 이는 다수의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지고; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나, 2~9층의 그래핀 시트가 적층되어 이루어진 것이며, 상기 적층 방식은 AB 적층이고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링되어, 접합 상태 밀도가 높고, 광흡수가 강화된다. 9층 이내의 그래핀 시트로 구성된 구조 단위로 인한 시트 중첩 간극(수직 방향)은 3 nm 정도로 제어할 수 있으며, 접합 상태 밀도가 높은 열전자는 영향을 받지 않고 터널링할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 제공하는 것인 바, 이는 다수의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지고; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다. 단층 그래핀의 전자 구조는 효과적으로 접합 상태 밀도를 보조 증가시키고, 광흡수를 촉진하며, 열전자의 전이를 촉진하고, 고에너지 상태의 열전자의 점유 확률을 증가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태로서, 본 발명은, 약한 커플링이 강화된 그래핀 광전 막을 제공하는 바, 약한 커플링에 의해 다층 그래핀의 광흡수의 중첩을 구현하며, 그래핀막의 광흡수율 및 열전자 수명을 향상시킴으로써, 저에너지 대역에서 열전자가 여전히 축적될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 약한 커플링이 강화된 그래핀 광전 막을 제공하는 것인 바, 이는 그래핀 구조를 포함한다. 그래핀 구조는 다수의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지고; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나, 2층 이상의 그래핀 시트가 적층되어 이루어진 것이며, 상기 적층 방식은 AB 적층이고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다. 상기 그래핀 구조 중의 그래핀 단위의 적층 방향은 상기 그래핀막의 두께 방향을 따른다. 빛이 그래핀막의 표면에 조사되면, 광전자는 표면으로부터 AB 적층 영역 및 비-AB 적층 영역을 통과하고, 여기서 AB 적층 영역에서, 전자구름은 일체로 융합되고, 그래핀막의 전자 구조는 흑연 구조에 더 가까워지며, 열전자 및 포논 산란이 약화되고, 열전자의 이완 시간을 증가하며; 비-AB 적층 구조 영역에서, 전자구름은 층층이 분리되고, 그래핀막의 전자 구조가 그래핀 구조에 더 가까워지므로, 접합 상태 밀도가 증가하고, 광흡수가 증가하며, 열전자의 전이를 촉진한다
본 발명은 또한 약한 커플링이 강화된 그래핀 광전 막을 제공하는 바, 이는 상기 그래핀 구조를 포함한다. 상기 그래핀 구조 중의 그래핀 단위의 적층 방향은 상기 그래핀막의 두께 방향을 따른다. 전체 막의 비-AB 구조 함량은 5% 이상이고, 심지어는 90% 이상이다. 대량의 비-AB 구조 함량은 그래핀막 내에 대량의 약한 커플링 작용 영역이 존재하도록 하여, 그래핀막의 전체 전자 구조가 단층 그래핀에 근접하게 하여, 접합 상태 밀도를 크게 증가하고, 흡수를 강화하며 열전자의 전이를 촉진하고, 나아가 고에너지 상태의 열전자 수를 증가시킨다.
일부 실시예에서, 그래핀막의 ID/IG는 0.05 이하이다. 일반적으로, 그래핀의 결함은 그래핀의 산란을 증가시켜, 그래핀 열전자의 이완 시간을 감소하지만, 그래핀의 결함에 의한 포논의 산란은 수평 방향에서 더 많이 나타나고, 수직 방향에 대한 영향은 작으며; 그래핀 단위의 비-커플링 적층이 열전자의 산란에 대한 작용은 주로 수직 방향이므로, 열전자 산란에 대한 영향이 더 크고, 결정적인 작용을 한다. 요컨대, 약한 커플링 작용의 존재는, 그래핀막 광전 효과의 결함 내성을 향상시킨다.
일부 실시예에서, 용액 조립(흡인 여과, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 막 코팅 등)에 의해 획득된 산화 그래핀막을 열처리(흑연화로 어닐링, 레이저 가열 어닐링, 마이크로파 가열 어닐링 등)를 거쳐 결함을 보완한 후, 상기 약한 커플링이 강화된 그래핀막을 얻는다.
베이스는 고온 열처리에 적합하지 않으므로, 일반적으로 산화 그래핀막을 베이스로부터 박리한 후 열처리를 수행해야 한다. 본 발명자는 대량의 그래핀 박리 실험을 거쳐, 환원 과정에서 요오드화 수소산 증기 농도가 충분하지 않고, 상대적 증기압이 작으며, HI 증기가 그래핀막과 베이스의 접촉 계면에 완전히 침투하기에는 불충하고; 이 밖에 HI 증기에 수증기가 혼합되어, 침윤 작용을 하며, 한편으로는 HI의 빠른 침투를 방해하고, 다른 한편으로는 계면을 침윤하여 계면 분리를 억제한다는 것을 발견하였다. 요오드화 수소산의 비대칭 환원 및 침투 작용은 계면제의 접촉 면적 및 작용력을 크게 감소하고, 이 약한 접촉 계면은 이소프로판올과 같은 용매 작용에 의해 박리될 수 있지만; 수증기의 침윤 및 불충분한 HI 증기 압력으로 인해 박막은 베이스에서 분리될 수 없다. 본 발명에서, 간극이 있는 강성 베이스에 대해, 그래핀막의 박리 방법을 제공하는 바, HI를 조절 및 제어하고 수분의 증기압을 제어함으로써, HI의 비대칭 환원 및 계면 침투 작용이 강화되어, 그래핀막 및 베이스가 점진적으로 분리된다(도 8). 구체적으로, 상기 산화 그래핀막의 두께는 20 ~ 120 nm이고, 용액 조립에 의해 60%보다 큰 기공률을 갖는 하나의 강성 베이스에 증착된 후, 상기 강성 베이스로부터 박리되며, HI 증기가 있는 하나의 환원 챔버에 배치하고 산화 그래핀이 베이스로부터 자동 박리될 때까지 화학적 환원을 수행하는 방법에 의해 박리되고; 환원 과정에서, 적어도 HI의 농도가 0.3 g/L 이상이고, 수증기의 농도가 0.07 g/L 이하인 환경에서 10 min 이상 환원을 수행한다.
본 발명에서, 수증기 함량이 낮은 HI 증기를 직접 입력하거나 상기 환원 챔버와 연통되는 하나의 증발 챔버를 사용하여 요오드화 수소산을 증발시켜, 상기 환원 챔버에 HI 증기를 입력할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 환원 챔버 및 증발 챔버는 동일한 밀폐 캐비티에 위치하고, 상기 증발 챔버는 상기 환원 챔버의 하방에 위치하며, 증발 챔버는 온도가 80 ~ 120 ℃인 오일 배스 또는 워터 배스에 위치하고; 상기 환원 챔버의 최상부는 응축 영역이며, 응축 영역의 온도는 0 ~ 40 ℃로 제어한다(일반적으로 실온에서 수행할 수 있음). 요오드화 수소산 용액은 HI 증기 및 수증기로 증발되고, 수증기가 한편으로는 최상부에서 응결되어, 캐비티 내의 수증기 함량이 감소되지만, HI의 응축 온도가 낮아, 여전히 기체 상태를 유지한다. 보다 바람직한 해결 수단으로서, 응축 영역에 흡수성 물질을 설치하여, 수증기 및 응축수를 흡수함으로써, 응축수가 다시 떨어져 재증발하는 것을 방지한다. 본 분야의 통상적인 과제 해결 수단으로서, 상기 흡수성 물질은, 흡수성 여과지, 고흡수성 수지와 같은 다공성 강한 친수성의 물질, 및 염화칼슘, 오산화인 등과 같은 강한 흡수성의 화학품이다.
제조의 편의를 위해, 폴리테트라플루오로에틸렌 메쉬 랙, 중공 유리 랙과 같은 상기 베이스를 탑재하기 위한 HI 저항 캐리어가 환원 챔버 내에 설치된다.
일부 실시예에서, 상기 환원 챔버 및 증발 챔버는 각각 하나의 밀폐 캐비티에 위치한다. 2개의 밀폐 캐비티는 하나의 응축관을 통해 연통되며; 상기 응축관은 상기 증발 챔버에서 증발된 수증기를 응축하여 상기 증발 챔버로 환류시킨다. 요오드산 용액은 HI 증기 및 수증기로 증발되고, 수증기는 응축관 내에서 응축되어, 증발 챔버로 환류되지만, HI의 응축 온도가 낮아, 여전히 기체 상태를 유지한다. 본 분야에 잘 알려진 상식에 따르면, 응축관의 길이, 경사도, 응축 환경 등 파라미터를 설정함으로써, 환원 챔버로 진입하는 수증기 함량을 효과적으로 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 증발 챔버 및 환원 챔버는 모두 온도가 80 ~ 120 ℃인 오일 배스 또는 워터 배스에 위치하고, 보다 바람직한 일부 해결 수단에서, 상기 환원 챔버의 온도는 상기 증발 챔버보다 낮아, 요오드화수소 가스가 환원 챔버로 빠르게 확산되는 데 유리하다. 아울러, 요오드화수소가 전부 증발된 후, 온도차의 존재는 양측에 압력차가 존재하도록 하여, 저온 영역의 환원 챔버에 더 높은 질량 밀도를 갖는 요오드화수소가 분포되도록 한다.
본 발명에서, 베이스는 양극 산화 알루미늄, 테트라플루오로에틸렌 여과막, 유리섬유 여과막 등이다.
고체상 전사의 제조 방법에 비해, 상기 기상 분리법은 보다 온화하고, 박막에 대한 어떠한 강한 인열 효과가 거의 없지만, 고체상 전사법은 이와 반대된다. 구체적으로 하기와 같이 나타내는 바: 그중 하나는, AAO가 취성 물질이고, 고체상 전사제 조작 과정에서 AAO에 대해 무게 부담을 가하므로, AAO 막을 손상시키거나 완전한 커버리지 연속성을 구비할 수 없게 하여, 고체상 전사제가 불연속적으로 박리되어, 최종적으로 완전한 그래핀 나노 막(도 9)을 얻을 수 없게 되지만; 기상 환원은 이러한 문제가 존재하지 않으므로, 완벽한 빅사이즈 그래핀막을 얻을 수 있다. 미시적 구조에서, 고체상 전사법은 그래핀 환원이 충분하지 않아 산화 그래핀과 AAO 베이스의 강한 접착을 유발할 수 있어, 냉수축 작용하에 부분적으로 동공형 인열(도 10의 A1 ~ A2)을 형성할 수 있지만, 온화한 기상 전사법은 이러한 문제가 존재하지 않아, 어떠한 인열도 없는 완벽한 그래핀막(도 10의 B ~ D)을 얻을 수 있다. 종합하면, 고체상 전사법에 의해 분리 시, 실험자의 세심한 조작이 필요하고, 조작이 불적절하거나, 집중하지 않으면 그래핀 나노 막이 손상되기 매우 쉽고, 특히 전사제의 냉간 파지 과정에서 동공 손상이 부분적으로 발생할 수 있는 바, 도 10의 A1 ~ A2를 참조한다. 이 밖에, 그래핀과 베이스는 여전히 부분적으로 접착된다. 거시적으로, 온도 또는 전사제의 증착이 불균일하기에, 응력 분포가 부분적으로 불균일해지고, 고체상 전사제가 수축하여 불균일하게 파지되어, 완전한 빅사이즈 그래핀막(도 10의 A1)을 얻을 수 없다. 미시적으로, 매우 작은 접착 또는 불균일한 환원으로 인해, 파지 과정에서 이 부분의 그래핀을 효과적으로 박리할 수 없어, 미세 동공이 형성되어, 물질이 불균일하게 되고, 응용 장면에서 이의 성능 안정성에 영향을 미친다.
일부 실시예에서, CVD 법으로 성장된 그래핀 박막을 층층이 적층한 후, 열처리(흑연화로 어닐링, 레이저 가열 어닐링, 마이크로파 가열 어닐링 등)를 거쳐 치밀한 구조를 형성하여, 상기 약한 커플링이 강화된 그래핀막을 얻는다.
일부 실시예에서, 흑연화 가능한 물질을 용액 조립한 후 열처리(흑연화로 어닐링, 레이저 가열 어닐링, 마이크로파 가열 어닐링 등)를 거쳐 흑연화시켜, 상기 약한 커플링이 강화된 그래핀막을 얻는다. 상기 흑연화 가능한 물질은 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 아스팔트를 포함한다.
일부 실시예에서, 유리화 가능한 소분자(포도당, 멘톨, 나프탈렌, 안트라센 등)를 니켈 촉매로 촉매화하여 상기 약한 커플링이 강화된 그래핀막을 얻는다.
일부 실시예에서, 산화 그래핀, 폴리이미드, 산화 그래핀 및 흑연화가 불가능한 고분자 또는 저흑연화성 고분자의 혼합물(예를 들어 아스팔트, 리그닌, 중합 및 천연 다환 방향족 탄화수소 등 폴리 벤젠고리 구조 및 폴리아크릴로니트릴 등 선형 공액 구조 시스템; 혼합 질량비는 1:6(일반적으로, 산화 그래핀의 탄소 수율은 66%이고, 폴리머가 흑연화된 후의 탄소 수율은 50% 이하임) 이내이고, 벤젠고리 구조가 많을수록, 이의 최대 혼합 비율은 더 작음). 혼합물의 특징은, 그래핀은 주형으로서 저흑연화성 고분자 또는 흑연화가 불가능한 고분자가 그래핀 평면을 따라 질서정연하게 흑연화되도록 유도할 수 있고; 아울러 산화 그래핀 표면의 관능기가 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴 등 사전 산화가 필요한 고분자에 산소 원자를 제공함으로써, 물질이 사전 산화 과정에서 존재하는 코어-쉘 현상을 방지할 수 있고, 물질의 균일한 사전 산화을 보장하며, 나아가 고온 과정에서 물질 구조의 균일성을 보장한다. 또한, 이 방법은 폴리머 흑연화 과정에서 높은 배향성 요구를 방지하고, 폴리머 흑연화 공법 조건을 감소한다. 그래핀이 흑연화 원자를 효과적으로 촉매화한 층수는 4층으로, 상하에 각각 2층이며, 4층을 초과하면, 고온 촉매화 후 결함이 많다. 폴리머 공액 구조의 매칭이 약해짐에 따라 이의 촉매 효과도 약해진다.
본 발명은 또한 그래핀 기반 광전 소자를 제공하는 바, 이는 약한 커플링이 강화된 그래핀막 및 반도체 기판을 포함하며, 상기 그래핀막은 약한 커플링에 의해 광흡수의 적층을 구현하고, 그래핀막의 광흡수율을 향상시킴으로써, 저에너지 대역에서 열전자가 여전히 축적될 수 있어, 고에너지 상태 영역의 열전자가 그래핀/반도체 장벽을 넘어 최종적으로 수집 가능한 전기 신호를 얻을 수 있다.
본 발명은 또한 그래핀 기반 광전 소자를 제공하는 바, 이는 약한 커플링이 강화된 그래핀막 및 반도체 기판을 포함하며, 상기 그래핀막은 약한 커플링이 강화된 그래핀 구조를 포함한다. 약한 커플링이 강화된 그래핀 구조는 다수의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지고; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나, 2층 이상의 그래핀 시트가 적층되어 이루어진 것이며, 상기 적층 방식은 AB 적층이고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다. 상기 그래핀 구조 중의 그래핀 단위의 적층 방향은 상기 그래핀막의 두께 방향을 따른다. 광전자는 표면으로부터 AB 적층 영역 및 비-AB 적층 영역을 통과한 후 반도체층으로 전이하며, 여기서 AB 적층 영역에서, 전자구름은 일체로 융합되고, 그래핀막의 전자 구조는 흑연 구조에 더 가까워지며, 이러한 구조에서 그래핀 열전자의 이완 시간은 연장되고; 비-AB 적층 구조 영역에서, 전자구름은 층층이 분리되고, 그래핀막의 전자 구조가 그래핀 구조에 더 가까워지므로, 접합 상태 밀도가 증가하고, 적외선 영역의 광흡수가 증가함으로써, 열전자의 전이를 촉진하고, 더 높은 에너지 상태의 열전자가 그래핀에서 반도체로 더 많이 전이된다.
상기 그래핀막은, 그래핀막을 반도체 기판 상에 배치하고, 그래핀막의 가장자리에 표면 장력이 큰 용매를 적가하여, 용매가 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투되는 과정에서 그래핀막의 주름이 펼쳐지도록 한 후; 용매를 휘발시키는 방법에 의해 반도체 기판에 평평하게 펴진다.
본 발명에서, 상기 표면 장력이 큰 용매는 탈이온수, dmf, dmac, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, o-자일렌, 톨루엔, 부틸아세테이트 및 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직하게, 용매가 휘발된 후, 추가로 소결 처리를 수행한다. 400 ~ 1000 ℃의 소결 온도에서 그래핀－반도체 계면을 구축하고, 암전류를 더 감소시킨다.
본 발명에 따른 반도체 기판은 원소 반도체, 화합물 반도체를 포함하고, Si, Ge, C, Sn, GaAs, InP, AlGaAs, InGaP, InGaAs, AlInGaP, AlInGaAs, InGaAsP, AlInGaAsP, GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, GaP, 이들의 합금 또는 이들의 유도체 중 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 또 다른 목적은, 그래핀 기반 광전 소자의 제조 방법을 제공하는 것인 바, 상기 방법은,
먼저 반도체 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 전극층을 스퍼터링하는 단계 (1);
먼저 다층 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 유기 용매를 적가하고, 유기 용매가 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻는 단계 (2);
패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하는 단계 (3)을 포함한다.
본 발명은 또한 열전자가 그래핀막 수직 전송 방향에서의 열전자의 전이 확률을 증가하는 방법을 제공하는 바, 상기 방법은, 수직 전송 방향에서 상기 그래핀막의 비-AB 구조의 개수를 증가하여, 비-AB 구조의 약한 커플링 작용에 의해 열전자의 전이를 촉진하는 단계를 적어도 포함한다.
본 발명은 또한 열전자가 그래핀막 수직 전송 방향에서의 축적을 강화하는 방법을 제공하는 바, 상기 방법은, 수직 전송 방향에서 그래핀막의 비-AB 구조의 개수를 증가하고, 비-AB 구조의 약한 커플링 작용에 의해 열전자의 전이 확률을 증가하는 단계; 및 수직 방향에서 그래핀의 AB 적층 구조를 조절 및 제어하고, 열전자의 이완 시간을 연장하여, 고에너지 상태 영역의 열전자의 생성 및 축적을 촉진하는 단계를 적어도 포함한다.
또한, 상기 방법은, 두께 ≤ 60 nm 범위에서, 막의 두께를 증가시키는 단계를 더 포함하고; 두께가 클수록 층수가 더 크며, 광흡수 및 열전자의 이완 시간도 증가되고, 생성되는 열전자도 많아지며, 비-AB 구조의 약한 커플링에 의해 열전자의 전이 확률이 더 증가되고, 아울러 그래핀 접합 상태 밀도도 증가되어, 고에너지 상태 영역의 열전자의 생성 및 축적을 촉진한다. 두께가 60 nm보다 크게되면, 과도하게 높은 두께가 열전자의 재결합을 증가시키고, 장벽을 넘어 전이하는 열전자 수를 감소한다.
도 1은 실시예 1에서 제조된 2개의 그래핀막의 xps 스펙트로그램이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 2개의 그래핀막의 라만 그래프이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 2개의 그래핀막의 TEM 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 2개의 그래핀막의 전자 회절 패턴이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 2개의 그래핀막의 전자의 이완 시간 그래프이다.
도 6은 상이한 온도 처리로 처리한 후의 전자 회절 패턴 및 대응하는 전자 수명이다.
도 7은 약한 커플링에 의해 다층 그래핀의 광흡수의 중첩을 구현하는 개략도이다.
도 8은 그래핀막과 베이스가 점차 분리되는 공정도이다.
도 9는 강성 양극 산화 알루미늄 여과막에서 흡인 여과를 통해 획득한 산화 그래핀막(4인치)이다.
도 10은 분리된 산화 그래핀막(4인치)이고, 여기서, A1은 고체상 전사제로 보조 전사된 그래핀 나노 막이며, B1 ~ D1은 본 발명의 무전사제 방법으로 제조된 손상이 없는 그래핀 나노 막(순차적으로 실시예 2 ~ 4에 대응됨)이며; A2 ~ D2는 대응하는 확대도이다.
도 11은 실시예 2의 분리 장치의 평면 모식도 a 및 개략 사시도 b이다.
도 12는 실시예 3의 분리 장치도이다.
도 13은 실시예 4의 분리 장치도이다.
이하의 설명은 당업자가 본 발명을 구현할 수 있도록 본 발명을 개시하는 것이다. 하기 설명에서 바람직한 실시예는 단지 예로서 주어지고, 당업자라면 다른 명백한 수정을 가할 수 있다. 하기 설명에서 정의된 본 발명의 기본 원리는 다른 구현 수단, 변형 수단, 개선 수단, 균등 수단 및 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않은 다른 과제 해결수단에 적용될 수 있다.
하기 실시예에서, ID/IG의 테스트 방법은 하기와 같은 바: 박막을 실리콘 베이스에 전사하고, 532 레이저를 광원으로 전체 전력하에 라만 전체 대역 테스트를 수행하여, D 피크, G 피크 및 2D 피크를 포함하는 라만 그래프를 획득하였다. D 피크 및 G 피크의 면적을 각각 D 피크 및 G 피크의 강도 ID, IG로 정의하고, 나누어 ID/IG를 산출하였다.
하기 실시예에서, AB 구조 함량의 테스트 방법은 문헌 Measuring the degree of stacking order in graphite by Raman spectroscopy, Carbon, 2008, 46(2), 272-275를 참조한다.
단층 그래핀 또는 다층의 AB 적층된 그래핀은 6개의 회절 반점으로 구성된 회절 패턴을 나타내고(동일한 원주에 균일하게 분포됨), 아울러 AB 적층 그래핀 층수가 많을 수록, 반점(spot) 밝기가 더 밝고; 비-AB 구조의 존재는 회절 패턴에 중첩되지 않는 반점 세트가 다수 나타난다. 이에 기반하여, 하기 실시예에서, 제조된 박막을 고해상도 TEM에 배치하고 전자 회절 패턴을 수집하며, 회절 패턴에 따라 수직 적층 구조를 테스트할 수 있다. 한편으로는, 회절 반점 세트 수를 통해 산출 박막의 구조 단위 수를 산출할 수 있고; 다른 한편으로는, 회절 반점의 밝기 값과 단층 그래핀 회절 밝기의 비율에 의해 다양한 구조 단위의 적층 수를 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 약한 커플링 작용은 그래핀 시트층 사이의 무질서 적층으로 인한 전자구름 커플링 작용이고, 이때 시트층 사이의 전자구름은 완전한 커플링 효과를 구현하지 못하고, 층간격은 0.334 ~ 0.36 nm이며; AB 적층 구조에서 그래핀 시트층 사이의 전자구름 궤도의 커플링 강도는 가장 크고, 층간격은 0.334 nm이며, 이를 강한 커플링 작용이라고 한다.
본 발명에서, 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나, 2 ~ 9층의 그래핀 시트가 적층되어 이루어진 것이고, 그래핀막에서 수직 방향의 그래핀 단위 수는 그래핀막 전체 두께를 측정한 후 단층 그래핀 두께로 나누어 산출할 수 있으며, 아울러, 단일 그래핀 단위에서 그래핀 시트의 층수는 라만 방법으로 AB 구조 함량을 측정 및 산출하고 평균 방법에 의해 얻을 수 있다.
실시예 1: 약한 커플링 강화 산출
본 실시예는 동일한 두께를 갖는 박막을 제조하고, 결함이 모두
Figure pct00001
0인 전제하에 그래핀막 구조의 변화가 열전자의 이완 시간 및 광전 탐지에 대한 영향을 검증하였다. 제조 방법은 하기와 같다.
비-AB 구조 그래핀막: 산화 그래핀을 스핀 코팅 방법으로 24 nm의 박막을 제조하고, 10 ℃/min의 속도로 2000 ℃까지 승온하여 16 시간 동안 유지하였다. 비-AB 구조 함량
Figure pct00002
100%이고, 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 30이며, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 1이다.
AB 구조 그래핀막: 산화 그래핀을 스핀 코팅 방법으로 24 nm의 박막을 제조하고, 10℃의 속도로 2800 ℃까지 승온하여 2 시간 동안 유지하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고온 소결을 거친 후, 두 가지 물질에서 산소가 완전히 제거되었고, xps 스펙트럼에서 어떠한 O의 신호 피크도 탐지되지 않았다. 이 기초상에서, 본 특허는 라만 수단으로 박막의 sp3 구조 함량 및 적층 방식을 특성화하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 양자의 D 피크는 모두 보이지 않는데, 이는 양자의 sp3 구조가 더 이상 존재하지 않음을 설명하고; 2D 피크는 유의하게 차이가 있으며, AB 구조 함량이 높은 박막 2D 피크는 보다 강한 비대칭성을 갖는다.
TEM의 테스트 결과와 라만 결과는 완전히 일치하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, AB 구조의 그래핀막의 전자 회절 표면에서, 이 그래핀막은 단지 2개의 구조 단위가 적층되어 이루어지며, 그중 하나의 구조 단위 반점 밝기는 다른 하나의 구조 단위보다 유의하게 높고, 즉 2개의 구조 단위에서 하나는 두께가 매우 높고, 하나는 원자 층수가 매우 적으며, 양자는 비-AB 방식으로 서로 적층된다. 비-AB 구조의 그래핀막은 더 많은 회절 반점 세트를 구비하고(도 4), 심지어는 비정질 회절 고리를 형성하며, 이는 박막이 대량의 구조 단위가 비-AB 형식으로 서로 적층되어 이루어진 것임을 설명한다.
상술한 구조에 기반하여, 본 특허는 양자의 열전자의 이완 시간을 테스트하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 동일한 200 fs의 여기 시간에서, AB 구조를 갖는 그래핀막의 열전자의 이완 시간은 25 ps에 달하고, 비-AB 구조의 그래핀막의 열전자의 이완 시간은 10 ps 이내로 유지하였다. 보다시피, 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링되어, 이의 구조가 단층 그래핀 단위에 더 가까워지고, 접합 상태 밀도를 증가하며, 나아가 고에너지 상태의 열전자 수를 증가할 수 있다.
위에서 제조된 두 가지 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압(실리콘 단자가 접지됨)을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있으며 하기 표 1과 같다.
테스트 항목 비-AB 구조 그래핀막 AB 구조 그래핀막
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사 20 ns 이내에 600 μA의 광전류 신호를 측정 20 ns 이내에 98 μA의 광전류 신호를 측정
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사 25 ns 이내에 35 μA의 광전류 신호를 측정 25 ns 이내에 4 μA의 광전류 신호를 측정
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사 80 ns 이내에 2.5 μA의 광전류 신호를 측정 80 ns 이내에 1.1 μA의 광전류 신호를 측정
실시예 2
단계 1에서, hummer법으로 획득한 산화 그래핀을 0.5 μg/mL 농도의 산화 그래핀 수용액으로 조제하고, 기공률이 60%인 강성 테트라플루오로에틸렌 여과막을 베이스로 사용하여 막으로 흡인 여과하며, 상기 산화 그래핀막의 두께는 100 nm이고, 면적은 80±5 cm2이다.
본 실시예는 도 11a ~ 도 11b에 도시된 장치를 이용하여 산화 그래핀막의 박리를 수행하고, 상기 장치는 원통형 캐비티(3)를 포함하며, 캐비티(3) 내에는 요오드화 수소산 용액(2)이 담겨져 있고, 요오드화 수소산 용액 액면의 상방에는 폴리테트라플루오로에틸렌 메쉬 랙(2)이 고정되며, 상기 원통형 캐비티를 밀봉하기 위한 상부 덮개(4)에는 흡수성 여과지(5)가 설치되었다.
상기 원통형 캐비티 하부는 80 ℃의 워터 배스(1)에 있고, 폴리테트라플루오로에틸렌 메쉬 랙(2) 상에는 박리할 샘플이 안착되었다.
가열하에, 요오드화 수소산 용액은 HI 증기 및 수증기로 증발되며, 수증기가 한편으로는 최상부에서 응결되고, 흡수성 여과지에 의해 흡수되어, 캐비티 내의 수증기 함량이 감소되지만, HI의 응축 온도가 낮아, 여전히 기체 상태를 유지하였다.
본 실시예에서, 원통형 캐비티(3)의 용적은 1 L이고, 밑면적은 120 cm2이다. 캐비티(3) 내의 요오드화 수소산 용액의 질량 농도는 50%이고, HI 질량 함량은 0.42 g이며, 나머지는 물(0.42 g)이다. 흡수성 여과지(2 g)의 흡수성 한계는 그 질량의 60%이다. 캐비티(3) 상부의 환경 온도는 0 ℃이다.
5분 동안 가열한 후, 요오드화 수소산 용액(2)은 완전히 증발되고, 담겨있는 요오드화 수소산 용액은 육안으로 보이지 않을 정도로 감소되었다. 최상층에서 일부 물방울 응결이 보였고, 흡수지가 습기를 흡수하여 팽윤되었다. 샘플링 테스트를 거쳐, 흡수성 여과지의 무게가 0.44 g 증가하였고, 이때 가스를 샘플링하여 산-염기 테스트를 수행하면, 요오드화 수소산의 농도는 여전히 0.33 g/L을 유지하였다. 이는 캐비티(3) 내의 수증기 함량이 0.07 g/L 이하임을 증명한다. 1 h 유지 후, 가스를 샘플링하여 산-염기 테스트를 수행하면, 요오드화 수소산의 농도는 여전히 0.32 g/L을 유지하였다.
상기 샘플링 측정이 그래핀막에 대한 영향을 피하기 위해, 본 실시예는 동일한 장치를 별도로 설치하고, 흡수성 여과지(2 g) 샘플링 및 캐비티 내의 가스의 샘플링을 수행하지 않고, 동일한 산화 그래핀막을 직접 박리하였으며, 처리 시간은 4 h이고, 4 h 후, 그래핀이 분리되었고, 도 10의 B1 ~ B2를 참조한다. 도면으로부터 알 수 있는 바, 요오드화 수소산의 환원 작용하에, 그래핀막은 응력 작용에 의해 베이스에서 완전히 분리되었고, 분리 과정에서 어떠한 거시적 손상 및 미시적 동공도 나타나지 않았다.
단계 1에 따라 3개의 그래핀막을 제조하였다.
단계 2에서, 3개의 샘플 막을 1600 ℃, 1800 ℃, 2000 ℃의 흑연화로에서 2 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG 및 비-AB 구조 함량은 표 2와 같다.
도 6의 A1 ~ A3에 도시된 바와 같이, 수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과와 실시예 1의 분석으로부터 결정할 수 있는 바: 3개의 그래핀막은 대량의 약한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 다수의 그래핀 단위는 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 비질서적으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
200 fs의 여기 시간에서, 상기 그래핀막의 열전자의 이완 시간은 도 6의 B1 ~ B3에 도시된 바와 같고, 모두 5 ps보다 짧지 않다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압(실리콘 단자가 접지됨)을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있으며 하기 표 2.
테스트 항목 1600℃의 흑연화로 어닐링 처리 1800℃의 흑연화로 어닐링 처리 2000℃의 흑연화로 어닐링 처리
ID/IG 0.23 0.08 0.005
비-AB 구조 함량
Figure pct00003
100%
Figure pct00004
100%
Figure pct00005
100%
수직 방향의 그래핀 구조 단위 수
Figure pct00006
200
Figure pct00007
200
Figure pct00008
200
구조 단위 중의 그래핀 층수
Figure pct00009
1
Figure pct00010
1
Figure pct00011
1
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사 52 ns 이내에 1.54 mA의 광전류 신호를 측정 31 ns 이내에 1.58 mA의 광전류 신호를 측정 20 ns 이내에 1.6 mA의 광전류 신호를 측정
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사 18 ns 이내에 155 μA의 광전류 신호를 측정 18 ns 이내에 161 μA의 광전류 신호를 측정 18 ns 이내에 164 μA의 광전류 신호를 측정
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사 20 ns 이내에 10.7 μA의 광전류 신호를 측정 20 ns 이내에 11.2 μA의 광전류 신호를 측정 20 ns 이내에 12 μA의 광전류 신호를 측정
실시예 3
(1) hummer법으로 획득한 산화 그래핀을 0.5 μg/mL 농도의 산화 그래핀 수용액으로 조제하고, 기공률이 80%인 강성 양극 산화 알루미늄 여과막을 베이스로 사용하여 막으로 흡인 여과하며, 산화 그래핀막의 두께는 60 nm이고, 면적은 80±5 cm2이다.
본 실시예는 도 12에 도시된 장치를 이용하여 산화 그래핀막의 박리를 수행하고, 상기 장치는 좌우 2개의 캐비티(11 및 12)를 포함한다. 캐비티(11 및 12)는 하나의 경사진 응축관(13)을 통해 연통된다. 캐비티(11 및 12)는 모두 80 ℃의 워터 배스(14)에 있다.
캐비티(11) 내에는 요오드화 수소산 용액이 담겨져 있고, 캐비티(12)는 박리할 산화 그래핀막을 안착시키기 위한 것이다. 캐비티(11) 내의 요오드화 수소산 용액은 휘발되고, 그중의 수증기는 응축관에서 응축되어 캐비티(11)로 환류되며, 응축관(13)을 통해 캐비티(12)로 입력되는 HI의 응축 온도가 비교적 높아, HI 농도가 높고 수증기 농도가 낮은 캐비티(12)의 환경을 구축한다.
본 실시예에서, 캐비티(11 및 12)의 용적은 400 mL이고, 밑면적은 50 cm2이다. 캐비티(11) 내의 요오드화 수소산 용액 함량은 0.5 g(HI 질량 농도는 55%임)이고, 응축관(13)의 환경 온도는 40 ℃이며, 응축관의 길이는 20 cm이고, 경사도는 30도이므로, HI 농도가 높고 수증기 농도가 낮은 캐비티(12) 환경의 구축을 효과적으로 보장할 수 있다.
실험을 거쳐 증명한 바에 따르면, 5분 동안 가열한 후, 요오드화 수소산 용액은 완전히 증발되고, 수증기는 응축관 앞부분에서 응축되어 캐비티(11)로 환류되며, 응축관의 뒷부분에는 어떠한 응축수도 생성되지 않았는데, 이는 우측의 환원 챔버에 수증기가 거의 유입되지 않았음을 설명한다. 환원 챔버의 가스를 샘플링하여 산-염기 테스트를 수행한 결과, 요오드화 수소산의 농도는 여전히 0.43 g/L을 유지하였다.
30분 후, 우측의 증발 챔버는 증발-응축 환류를 유지하였고, 응축관의 뒷부분에는 여전히 어떠한 응축수도 생성되지 않았으며, 환원 챔버의 가스를 샘플링하여 산-염기 테스트를 수행한 결과, 요오드화 수소산의 농도는 여전히 0.41 g/L을 유지하였다.
상기 샘플링 측정이 그래핀막에 대한 영향을 피하기 위해, 본 실시예는 동일한 장치를 별도로 설치하고, 캐비티 내의 가스의 샘플링을 수행하지 않고, 동일한 산화 그래핀막을 직접 박리하였으며, 환원 1 h 후, 그래핀이 분리되었고, 도 10의 C1 ~ C2를 참조한다. 도면으로부터 알 수 있는 바, 요오드화 수소산의 환원 작용하에, 그래핀막은 응력 작용에 의해 베이스에서 완전히 분리되었고, 분리 과정에서 어떠한 거시적 손상 및 미시적 동공도 나타나지 않았다.
(2) 2000 ℃의 흑연화로를 사용하여 0.5 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG는 0.05이고, 비-AB 구조 함량
Figure pct00012
100%이며; 비-AB 구조 함량
Figure pct00013
100%이고, 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 60이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 1이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 약한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 다수의 그래핀 단위는 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 비질서적으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 1.1 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 97 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 8.3 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 4
(1) hummer법으로 획득한 산화 그래핀을 0.5 μg/mL 농도의 산화 그래핀 수용액으로 조제하고, 기공률이 80%인 강성 양극 산화 알루미늄 여과막을 베이스로 사용하여 막으로 흡인 여과하며, 상기 산화 그래핀막의 두께는 60 nm이고, 면적은 80±5 cm2이다.
본 실시예는 도 13에 도시된 장치를 이용하여 산화 그래핀막의 박리를 수행하고, 상기 장치는 좌우 2개의 캐비티(11 및 12)를 포함한다. 캐비티(11 및 12)는 하나의 경사진 응축관(13)을 통해 연통된다. 캐비티(11)는 120 ℃의 오일 배스(14)에 놓고, 캐비티(12)는 모두 80 ℃의 워터 배스(14)에 있다.
캐비티(11) 내에는 요오드화 수소산 용액이 담겨져 있고, 캐비티(12)는 박리할 산화 그래핀막을 안착시키기 위한 것이다. 캐비티(11) 내의 요오드화 수소산 용액은 휘발되고, 그중의 수증기는 응축관에서 응축되어 캐비티(11)로 환류되며, 응축관(13)을 통해 캐비티(12)로 입력되는 HI의 응축 온도가 비교적 높아, HI 농도가 높고 수증기 농도가 낮은 캐비티(12)의 환경을 구축한다.
실시예 2와 마찬가지로, 본 실시예에서, 캐비티(11 및 12)의 용적은 400 mL이고, 밑면적은 50 cm2이다. 캐비티(11) 내의 요오드화 수소산 용액 함량은 0.3 g(HI 질량 농도는 55%임)이고, 응축관(13)의 환경 온도는 20 ℃이며, 응축관의 길이는 20 cm이고, 경사도는 30도이므로, HI 농도가 높고 수증기 농도가 낮은 캐비티(12) 환경의 구축을 효과적으로 보장할 수 있다.
실험을 거쳐 증명한 바에 따르면, 5분 동안 가열한 후, 요오드화 수소산 용액은 완전히 증발되고, 수증기는 응축관 앞부분에서 응축되어 캐비티(11)로 환류되며, 응축관의 뒷부분에는 어떠한 응축수도 생성되지 않았는데, 이는 우측의 환원 챔버에 수증기가 거의 유입되지 않았음을 설명한다. 환원 챔버의 가스를 샘플링하여 산-염기 테스트를 수행한 결과, 요오드화 수소산의 농도는 여전히 0.33 g/L을 유지하였다.
10분 후, 우측의 증발 챔버는 증발-응축 환류를 유지하였고, 응축관의 뒷부분에는 여전히 어떠한 응축수도 생성되지 않았으며, 환원 챔버의 가스를 샘플링하여 산-염기 테스트를 수행한 결과, 요오드화 수소산의 농도는 여전히 0.30 g/L을 유지하였다.
상기 샘플링 측정이 그래핀막에 대한 영향을 피하기 위해, 본 실시예는 동일한 장치를 별도로 설치하고, 캐비티 내의 가스의 샘플링을 수행하지 않고, 동일한 산화 그래핀막을 직접 박리하였으며, 환원 2 h 후, 그래핀이 분리되었고, 도 10의 D1 ~ D2를 참조한다. 도면으로부터 알 수 있는 바, 요오드화 수소산의 환원 작용하에, 그래핀막은 응력 작용에 의해 베이스에서 완전히 분리되었고, 분리 과정에서 어떠한 거시적 손상 및 미시적 동공도 나타나지 않았다.
(2) 2000℃의 흑연화로를 사용하여 12 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG는 0.003이고, 비-AB 구조 함량
Figure pct00014
100%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 60이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 1이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 약한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 다수의 그래핀 단위는 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 비질서적으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 1.13 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 99 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 8.1 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 5
(1) hummer법으로 획득한 산화 그래핀을 0.5 μg/mL 농도의 산화 그래핀 수용액으로 조제하고, 양극 산화 알루미늄을 베이스로 사용하여 막으로 흡인 여과하며, 그래핀 원자 층수는 120이다.
본 실시예는 기존의 고체 전사제를 사용하여 양극 산화 알루미늄 상에 증착된 산화 그래핀막을 미세하게 전사하고, 여러 번의 시도 끝에 완성된 독립된 자립막을 획득하였다.
(2) 2300℃의 흑연화로를 사용하여 4 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00015
0(라만 검출 라인 이하)이고, 비-AB 구조 함량은 50%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 60이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 2이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 약한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 다수의 그래핀 단위는 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 비질서적으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 1.3 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 122 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 10 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 6
(1) hummer법으로 획득한 산화 그래핀을 0.5 μg/mL 농도의 산화 그래핀 수용액으로 조제하고, 양극 산화 알루미늄을 베이스로 사용하여 막으로 흡인 여과하며, 산화 그래핀 원자 층수는 120이다.
본 실시예는 기존의 고체 전사제를 사용하여 양극 산화 알루미늄 상에 증착된 산화 그래핀막을 미세하게 전사하고, 여러 번의 시도 끝에 완성된 독립된 자립막을 획득하였다.
(2) 2800℃의 흑연화로를 사용하여 2 h동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00016
0이고, AB 구조 함량은 90%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 13이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 9이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 1.1 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 113 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 9 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 7
(1) 구리 CVD 법에서 제조된 단층 그래핀를 수소 방출법으로 베이스를 제거하고, 그래핀 원자 층수가 150이 될 때까지 층층이 적층하였다.
(2) 2000℃의 흑연화로를 사용하여 12 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG는 0.003이고, 비-AB 구조 함량
Figure pct00017
100%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 150이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 1이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 약한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 다수의 그래핀 단위는 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 비질서적으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 4 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 160 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 15 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 8
(1) 구리 CVD 법에서 제조된 단층 그래핀를 수소 방출법으로 베이스를 제거하고, 그래핀 원자 층수가 150이 될 때까지 층층이 적층하였다.
(2) 2800℃의 흑연화로를 사용하여 2 h동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00018
0이고, AB 구조 함량
Figure pct00019
50%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 75이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 2이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 3.3 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 18 ns 이내에 130 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 14 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 9
(1) 니켈 CVD 법에서 제조된 다층 그래핀을 염산과 과산화수로 식각하는 방법으로 베이스를 제거하고, 그래핀 원자 층수가 180이 될 때까지 층층이 적층하였다.
(2) 2000℃의 흑연화로를 사용하여 12 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG는 0.003이고, 비-AB 구조 함량은 50%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 90이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 2이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 약한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 다수의 그래핀 단위는 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 비질서적으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 5.0 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 190 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 17 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 10
(1) 니켈 CVD 법에서 제조된 다층 그래핀을 염산과 과산화수로 식각하는 방법으로 베이스를 제거하고, 그래핀 원자 층수가 180이 될 때까지 층층이 적층하였다.
(2) 2800℃의 흑연화로를 사용하여 2 h동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00020
0이고, AB 구조 함량은 89%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 60이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 3이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 4.1 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 120 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 11 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 11
(1) 니켈 CVD 법에서 제조된 다층 그래핀을 염산과 과산화수로 식각하는 방법으로 베이스를 제거하고, 구리 단층 흑연으로 제조된 단층 그래핀과 함께 그래핀 원자 층수가 180이 될 때까지 혼합하여 층층이 적층하였다.
(2) 2800℃의 흑연화로를 사용하여 2 h동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00021
0이고, AB 구조 함량은 75%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 60이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 3이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 4.4 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 130 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 14 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 12
(1) 니켈 CVD 법에서 제조된 다층 그래핀 상에 폴리이미드 용액을 스핀 코팅하여, 전체 두께가 100 nm인 폴리이미드/그래핀 복합 막을 획득하고, 염산 및 과산화수소로 식각하는 방법으로 베이스를 제거하였다.
(2) 2800℃의 흑연화로를 사용하여 2 h동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00022
0이고, AB 구조 함량은 90%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 14이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 9이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 0.91 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 97 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 7.3 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 13
(1) 구리 CVD 법에서 제조된 단층 그래핀 상에 두께가 100 nm인 폴리아크릴로니트릴을 스핀 코팅한 후, 수소 방출법으로 베이스를 제거하였다.
(2) 2300℃의 흑연화로를 사용하여 12 h 동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG는 0.04이고, 비-AB 구조 함량은 50%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 60이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 2이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 1.21 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 109 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 9.2 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
실시예 14
(1) 흡인 여과법으로 양극 산화 알루미늄 표면에 단층 그래핀을 흡인 여과한 후, 두께가 200 nm인 아스팔트 및 산화 그래핀 혼합물을 흡인 여과(혼합 질량비는 1:1임)하고, 그 다음 장뇌 전사법으로 베이스를 제거하였다.
(2) 2800℃의 흑연화로를 사용하여 2 h동안 어닐링 처리하였다.
라만 테스트 결과, 이의 ID/IG
Figure pct00023
0이고, AB 구조 함량은 95%이며; 수직 방향에서 그래핀 구조 단위 수는 8이고, 단일 그래핀 구조 단위 중의 그래핀 시트 수는 19이다.
수직 적층 구조에 대한 TEM 전자 회절의 테스트 결과, 상기 그래핀막은 대량의 강한 커플링 작용에 의한 그래핀 구조를 포함하고; 소량의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지며; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트가 AB 구조 방식으로 적층되어 이루어지고; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링된다.
위에서 제조된 그래핀막을 하기 단계에 따라 광전 소자로 제조하였다
단계 (1)에서, 먼저 Si 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 Pt 전극층을 스퍼터링하였다.
단계 (2)에서, 먼저 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 에틸렌글리콜을 적가하고, 에틸렌글리콜이 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻었다.
단계 (3)에서, 패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하였다.
소자의 전극 및 반도체에 keithley 소스미터를 사용하여 -2V ~ -1V의 역방향 바이어스 전압을 인가하여 테스트하고; 증폭기 회로에 연결한 후 오실로스코프에 연결하면 검출 데이터를 획득할 수 있다.
파장이 1 μm이고, 전력이 5 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 20 ns 이내에 3.1 mA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 4 μm이고, 전력이 20 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 25 ns 이내에 112 μA의 광전류 신호를 측정하였다.
파장이 10.6 μm이고, 전력이 50 mW인 적외선을 그래핀층에 조사하고, 80 ns 이내에 12.5 μA의 광전류 신호를 측정하였다.

Claims (31)

  1. 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조에 있어서,
    다수의 그래핀 단위가 상하로 적층되어 이루어지고; 상기 그래핀 단위는 단층 그래핀 시트이거나, 2층 이상의 그래핀 시트가 AB 적층 방식으로 적층되어 이루어진 것이며; 상하 2개의 인접한 그래핀 단위 사이는 약하게 커플링되어, 열전자의 전이를 촉진하고, 전자 접합 상태 밀도를 증가함으로써, 고에너지 상태의 열전자 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 그래핀 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    단일 그래핀 단위의 그래핀 층수는 9층보다 작은 것을 특징으로 하는 그래핀 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    단일 그래핀 단위의 그래핀 층수는 1층인 것을 특징으로 하는 그래핀 구조.
  4. 열전자 축적의 강화에서 제1항에 따른 그래핀 구조의 응용에 있어서,
    상기 응용은, 상술한 그래핀 AB 적층 구조를 통해 열전자의 이완 시간을 증가하고, 약한 커플링 구조는 열전자의 전이 확률을 증가하여, 최종적으로 고에너지 상태 영역의 열전자의 생성 및 축적을 촉진하는 것을 특징으로 하는 응용.
  5. 약한 커플링이 강화된 그래핀막에 있어서,
    제1항에 따른 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 포함하고, 상기 그래핀 구조 중의 그래핀 단위의 적층 방향은 상기 그래핀막의 두께 방향을 따르며; 상기 그래핀막은 상기 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 통해 고에너지 상태 영역의 열전자 축적을 강화하는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그래핀막의 ID/IG는 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 그래핀막의 비-AB 구조 함량은 5% 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  8. 제5항에 있어서,
    용액 조립에 의해 획득된 산화 그래핀막을 열처리하여 결함을 보완함으로써 얻어진 것임을 특징으로 하는 그래핀막.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산화 그래핀막의 두께는 20 ~ 120 nm이고, 용액 조립에 의해 60%보다 큰 기공률을 갖는 하나의 강성 베이스에 증착된 후, 상기 강성 베이스로부터 박리되며, HI 증기가 있는 하나의 환원 챔버에 배치하고 산화 그래핀이 베이스로부터 자동 박리될 때까지 화학적 환원을 수행하는 방법으로 박리되고; 환원 과정에서, 적어도 HI의 농도가 0.3 g/L 이상이고, 수증기의 농도가 0.07 g/L 이하인 환경에서 10 min 이상 환원을 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방법은 또한 상기 환원 챔버와 연통되는 하나의 증발 챔버를 사용하여 요오드화 수소산을 증발시켜, 상기 환원 챔버에 HI 증기를 입력하는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 환원 챔버 및 증발 챔버는 동일한 밀폐 캐비티에 위치하고, 상기 증발 챔버는 상기 환원 챔버의 하방에 위치하며, 증발 챔버는 온도가 80 ~ 120 ℃인 오일 배스 또는 워터 배스에 위치하고; 상기 환원 챔버의 최상부에는 응축 영역이 구비되며, 응축 영역의 온도는 0 ~ 40 ℃인 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 응축 영역에는 흡수성 물질이 설치되고, 상기 흡수성 물질은, 흡수성 여과지, 고흡수성 수지와 같은 다공성 강한 친수성의 물질, 및 염화칼슘, 오산화인 등과 같은 강한 흡수성의 화학품인 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 환원 챔버 내에는 상기 베이스를 탑재하기 위한 HI 저항 캐리어가 설치되는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 환원 챔버 및 증발 챔버는 각각 하나의 밀폐 캐비티에 위치하고; 2개의 밀폐 캐비티는 하나의 응축관을 통해 연통되며; 응축관의 온도는 0 ~ 40 ℃이고; 상기 응축관은 상기 증발 챔버에서 증발된 수증기를 응축하여 상기 증발 챔버로 환류시키는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 증발 챔버 및 환원 챔버는 모두 온도가 80 ~ 120 ℃인 오일 배스 또는 워터 배스에 위치하고, 상기 환원 챔버의 온도는 상기 증발 챔버의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  16. 제9항에 있어서,
    베이스는 양극 산화 알루미늄, 테트라플루오로에틸렌 여과막, 유리섬유 여과막인 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  17. 제5항에 있어서,
    CVD 법으로 성장된 그래핀 박막을 층층이 적층한 후, 열처리를 거쳐 치밀한 구조를 형성하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  18. 제5항에 있어서,
    흑연화 가능한 물질을 용액 조립한 후 열처리를 거쳐 흑연화시킴으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 흑연화 가능한 물질은 산화 그래핀, 폴리이미드 및 산화 그래핀과 흑연화가 불가능한 고분자 또는 저흑연화성 고분자의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  20. 제5항에 있어서,
    유리화 가능한 소분자를 니켈 촉매로 촉매화하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 그래핀막.
  21. 광전 변환에서 제5항에 따른 그래핀막의 응용에 있어서,
    상기 그래핀막은 상기 약한 커플링 강화 기반의 그래핀 구조를 통해 열전자의 전이를 촉진하고, 고에너지 상태 영역의 열전자의 생성 및 축적을 촉진하는 것을 특징으로 하는 응용.
  22. 그래핀 광전 소자에 있어서,
    제5항에 따른 약한 커플링이 강화된 그래핀막 및 반도체 기판을 포함하고, 상기 약한 커플링이 강화된 그래핀막은 반도체 기판에 평평하게 펴져있는 것을 특징으로 하는 그래핀 광전 소자.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 그래핀막은, 그래핀막을 반도체 기판 상에 배치하고, 그래핀막의 가장자리에 표면 장력이 큰 용매를 적가하여, 용매가 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투되는 과정에서 그래핀막의 주름이 펼쳐지도록 한 후; 용매를 휘발시키는 방법에 의해 반도체 기판에 평평하게 펴지는 것을 특징으로 하는 그래핀 광전 소자.
  24. 제22항에 있어서,
    표면 장력이 큰 용매는 탈이온수, dmf, dmac, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, o-자일렌, 톨루엔, 부틸아세테이트, 액체 파라핀, 멘톨 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 것을 특징으로 하는 그래핀 광전 소자.
  25. 제22항에 있어서,
    용매가 휘발된 후, 추가로 소결 처리를 수행하고; 소결 온도는 400 ~ 1000 ℃인 것을 특징으로 하는 그래핀 광전 소자.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 원소 반도체, 화합물 반도체를 포함하고, Si, Ge, 금강석, Sn, InP, GaAs, AlGaAs, InGaP, InGaAs, AlInGaP, AlInGaAs, InGaAsP, AlInGaAsP, GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, GaP, 이들의 합금 또는 이들의 유도체 중 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 것을 특징으로 하는 그래핀 광전 소자.
  27. 제22항에 따른 그래핀 기반 광전 소자의 제조 방법에 있어서,
    먼저 반도체 기판에 하나의 작업창을 확보하고, 작업창을 제외한 부분에 절연층을 도금한 후, 절연층 내에 전극층을 스퍼터링하는 단계 (1);
    먼저 다층 그래핀막을 작업창 상에 평평하게 펴고, 전극층과 접촉시키며, 그래핀막의 가장자리에 유기 용매를 적가하고, 유기 용매가 그래핀막의 가장자리에서 내부로 침투한 후, 용매를 휘발시키며, 용매의 표면 장력을 이용하여 막과 반도체의 긴밀한 결합을 구현하여, 하나의 독립적인 광전 소자를 얻는 단계 (2); 및
    패키징하고, 리드와이어를 이용하여 광전 소자의 전극층, 반도체 기판과 각각 연결하여, 검출 신호를 출력하는 단계 (3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 그래핀 비-AB 구조의 약한 커플링 작용에 의해 열전자의 전이를 촉진하는 방법.
  29. 열전자가 그래핀막 수직 전송 방향에서의 열전자의 전이 확률을 증가하는 방법에 있어서,
    상기 방법은, 수직 전송 방향에서 그래핀막의 비-AB 구조의 개수를 증가하고, 비-AB 구조의 약한 커플링 작용에 의해 열전자의 전이를 촉진하는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 열전자가 그래핀막 수직 전송 방향에서의 축적을 강화하는 방법에 있어서,
    상기 방법은, 수직 전송 방향에서 그래핀막의 비-AB 구조의 개수를 증가하고, 비-AB 구조의 약한 커플링 작용에 의해 열전자의 전이 확률을 증가하는 단계; 및 수직 방향에서 그래핀의 AB 적층 구조를 조절 및 제어하고, 열전자의 이완 시간을 연장하여, 고에너지 상태 영역의 열전자의 생성 및 축적을 촉진하는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 방법은, 두께 ≤ 60 nm 범위에서, 막의 두께를 증가시키는 단계를 더 포함하고; 두께가 클수록 층수가 더 크고, 광흡수 및 열전자의 이완 시간도 증가되어 열전자가 더 많이 생성되며, 비-AB 구조의 약한 커플링에 의해 열전자의 전이 확률이 더 증가되며, 아울러 그래핀 접합 상태 밀도도 증가되어, 고에너지 상태 영역의 열전자의 생성 및 축적을 촉진하는 것을 특징으로 하는 방법.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9187824B2 (en) * 2011-10-07 2015-11-17 Purdue Research Foundation Rapid synthesis of graphene and formation of graphene structures
EP2850032B1 (en) * 2012-05-17 2022-05-04 National University of Singapore Methods of growing uniform, large-scale, multilayer graphene films
US9577176B1 (en) * 2015-06-18 2017-02-21 Raytheon Bbn Technologies Corp. Josephson junction readout for graphene-based single photon detector
CN107857251B (zh) * 2017-10-13 2019-11-22 长兴德烯科技有限公司 一种纳米级厚度独立自支撑发泡石墨烯膜及其制备方法
US11834336B2 (en) * 2017-10-13 2023-12-05 Zhejiang University Independent free-standing graphene film and method of preparing the same
CN107651673B (zh) * 2017-10-13 2020-01-10 长兴德烯科技有限公司 一种纳米级厚度独立自支撑褶皱石墨烯膜及其制备方法
CN109911888B (zh) * 2019-03-17 2021-04-09 杭州高烯科技有限公司 一种无缺陷乱层堆叠石墨烯纳米膜的制备方法与应用
CN112071978B (zh) * 2020-09-14 2022-08-09 杭州高烯科技有限公司 一种大面积石墨烯基磁阻器件的制备方法

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