플라즈마 처리에 따른 그래핀의 물성 변화 연구
Control of Graphene Properties with Plasma Treatment
- 주제(키워드) 그래핀 , 트랜지스터 , 플라즈마
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박지용
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032576
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
그래핀(Graphene)은 2차원 평면 구조의 탄소 동소체이며, 철보다 높은 강도, 뛰어난 전기적 특성, 우수한 열 전도도 및 유연성 등 다양한 특성을 가지는 물질이다. 이와 같은 우수한 물성을 바탕으로 투명전극, 초고속 트랜지스터, 센서 등 다양한 분야에서 응용될 가능성이 크기 때문에, 대면적 합성과 다양한 응용 기술 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 단일층 그래핀 합성과, 합성한 그래핀을 바탕으로 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제작하여 향후 다양한 분야로의 응용에 기반이 될 그래핀의 물성을 연구하였다. 구리 금속막과 Low Pressure Chemical Vapor Deposition(LPCVD)를 이용하여 합성을 진행했고, 단일 층 그래핀을 합성하기 위한 조건을 설정과 이를 최적화하기 위한 연구를 진행하였다. 추가적으로 플라즈마 처리에 따라 변화하는 그래핀의 물성을 확인하였다. Plasma cleaner 장비를 기반으로 산소(O_2) 플라즈마와 아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 진행한 뒤, 변화하는 그래핀의 물성을 확인하였다. 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy)을 사용하여 표면 특성 및 단차 변화를, 라만 분광기(Raman spectroscopy)을 사용하여 광학적 특성 및 격자구조의 변화를, 전류-전압 특성을 이용하여 전기적 특성 변화 및 doping 여부를 파악하였다. 산소 플라즈마 처리 하에서 그래핀은 1초 단위의 짧은 시간에도 상당한 결함이 형성된 것을 확인했고, 아르곤 플라즈마 처리 하에서는 산소 플라즈마에 비해 상대적으로 결함 생성 속도가 느린 것을 확인하였다. 또한 산소, 아르곤 플라즈마 처리는 그래핀에 P-type doping을 유발하는 것을 알 수 있었다. 그래핀의 합성과 플라즈마 처리에 따른 그래핀의 물성 변화에 대한 본 연구는 단일층 그래핀 합성조건 연구에 기반이 될 수 있고, 결함 생성에 따라 변화하는 그래핀의 물성 이해를 통해 향후 다양한 산업에 응용될 수 있다.
more초록/요약
Graphene is a carbon isotope with a two-dimensional planar structure, and a material with various characteristics such as higher strength than iron, excellent electrical characteristics, thermal conductivity, and flexibility. Based on these excellent physical properties, it is highly likely to be applied in various fields such as transparent electrodes, high-speed transistors, and sensors, so research on large-area synthesis and various application technologies is being actively conducted. In this study, a single-layer graphene was synthesized, and we manufactured graphene field effect transistor to study the various properties of graphene, which will be the basis for future applications to various fields. We tried to synthesis the graphene using a copper metal film and low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD), and research was conducted to set conditions for synthesizing single-layer graphene and optimize the synthesis conditions. Additionally, we investigated the various properties of graphene that change according to plasma treatment. After oxygen (𝑂2) plasma and argon (Ar) plasma treatment were performed to the graphene, the changing properties of graphene were confirmed. Surface properties and steps changes were investigated using atomic force microscopy, optical properties and lattice structures were identified using Raman spectroscopy, and electrical properties changes and doping effect were confirmed using current-voltage measurement. Under the oxygen plasma treatment, it was confirmed that graphene was significantly damaged even in a short time of 1 second, and under the argon plasma treatment, the defect generation rate was relatively slow compared to the oxygen plasma. In addition, it was found that oxygen and argon plasma treatment caused P-type doping in graphene. This study on the graphene synthesis and changes in graphene properties due to plasma treatment can be used on the study of single-layer graphene synthesis conditions and can be applied to various industries in the future through understanding the properties of graphene that change as defects are generated.
more목차
제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 기초 이론 4
2.1. 그래핀의 구조 4
2.2. 그래핀의 특성 5
2.3. 그래핀의 합성 방법 8
2.3.1. 기계적 박리법 8
2.3.2. 화학적 박리법 9
2.3.3. 에피택셜(Epitaxial) 합성법 10
2.3.4. 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition) 11
2.4. 플라즈마(Plasma) 14
2.5. 원자 힘 현미경(AFM, Atomic Force Microscopy) 15
2.6. 라만 분광법(Raman spectroscopy) 17
제 3 장. 실험 방법 19
3.1. 그래핀의 합성 19
3.2. 그래핀의 전사 20
3.3. 그래핀 트랜지스터 소자 제작 23
제 4 장. 실험 결과 및 분석 29
4.1. 그래핀 합성 조건 설정 29
4.1.1. 그래핀 합성 조건 설정 배경 및 측정 방법 29
4.1.2. 단일 구리 금속막에서의 그래핀 합성 30
4.1.3. 이중 구리 금속막에서의 그래핀 합성 35
4.2. 그래핀 채널 형성을 위한 플라즈마 조건 설정 40
4.3. 플라즈마 처리에 따른 그래핀의 물성 변화 연구 49
4.3.1. 산소 플라즈마 50
4.3.2. 아르곤 플라즈마 56
제 5 장. 결 론 62
참고문헌 64
영문요약 70
