그래핀 촉매를 이용한 금속 산화물의 선택적 성장 연구
Selective growth of metal oxides on graphene catalyst
초록/요약
금속 산화물의 증착 및 성장 방법은 다양한 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 기존 기술을 이용한 증착 방법은 성장 시에 방향성을 조절할 수 없거나 사용된 금속 촉매를 제거할 수 없는 단점이 존재했다. 본 연구에서는 여러 가지 금속 산화물을 성장시키기 위해 일반적으로 사용되는 금속 촉매를 대체하여 단일 층 그래핀 (monolayer graphene)을 먼저 합성 후, 다양한 기판 위에 전사하여 나노구조 성장 촉매로 이용하는 실험을 진행하였다. 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 산화 마그네슘 (MgO)는 각각 다른 탄소 용해도를 가지는데 전이 금속인 니켈과 구리의 빈 오비탈이 고온에서 메탄의 열분해를 도와 촉매 역할을 하게 한다. 반면에 산화 마그네슘은 표면 촉매로 역할을 할 수 없을 뿐 아니라, 탄소 용해도도 매우 떨어져 표면에서 그래핀을 형성하지 못한다. 따라서 먼저 선택적 위치 조정을 위해 MgO, Cu, Ni을 이용한 패터닝된 이종 접합 (Heterojunction) 촉매를 포토리소그래피 (Photo-lithography) 기술과 전자빔 증착기 (E-beam evaporator)로 제조한 후 그래핀을 합성해 목표 기판 위에 전사하였다. 이로써 먼저 위치 조정과 층 수 조정이 가능한 그래핀 성장 기술을 확보하였다. 또 합성 및 전사된 그래핀을 촉매로 이용해 금속 산화물을 성장할 때 선택적인 성장까지 가능할 수 있음을 확인하였다. 이후 실제 소자에 적용할 가능성을 확인하기 위해, 수소 가스 센서에 적용하여 특성을 확인하였다. 본 연구의 결과를 이용해 합성된 그래핀과 금속 산화물은 선택적 성장이 가능할 뿐만 아니라, 기존보다 다양한 기판을 이용할 수 있어 실제 산업에 적용하여 금속 산화물의 특성을 향상시키고 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 판단된다.
more목차
1. 서론 1
2. 이론적 배경 4
A. 그래핀 4
가) 그래핀 특성 4
나) 화학 기상 증착법 (CVD method) 7
B. 금속 산화물 9
가) ZnO 9
나) MoO3 9
다) WO3 10
라) SnO2 10
C. 금속 산화물 증착 기술 12
가) Carbothermal Deposition 12
나) Sputtering 13
3. 실험 방법 15
A. 그래핀 성장 및 전사 15
가) Pre-patterned Catalyst 15
나) CVD Growth 15
다) Graphene Transfer 16
B. 금속 산화물 성장 18
가) Carbothermal Transfer Method 18
나) Sputtering 18
C. 분석 방법 20
가) X-ray Diffration (XRD) 분석 20
나) 현미경 분석 22
다) 분광 분석 23
라) 전기적 분석 28
4. 결과 및 고착 30
A. Hetero Pre-patterned Catalyst를 이용한 Graphene 성장 30
가) Peeled-off Catalyst의 표면 특성 분석 30
나) XPS 분석 35
다) 라만 분광 분석 37
라) 전기적 분석 42
B. 그래핀 촉매를 이용한 금속 산화물 성장 44
가) Carbothermal Transfer Deposition 44
나) ZnO의 나노 구조 변화 49
다) Sputtered ZnO 53
라) H2 Sensing Test 59
5. 결론 64
참고문헌 65
