단층 그래핀 표면에서의 금속 나노입자 성장 메커니즘과 소자 응용
Growth Mechanism of Metal Nanoparticles on Monolayer Graphene and Device Applications
- 주제(키워드) Monolayer graphene , Metal nanoparticle , Graphene Field-Effect Transistor（GFET） , p-type doping
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박지용
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036600
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
그래핀은 우수한 전기적·광학적 특성으로 인해 차세대 전자소자 및 광소자의 핵심 소재로 주목받고 있으며, 그래핀 표면에 금속 나노입자를 결합한 하이브리드 구조는 SERS 활성화, 채널 도핑을 통한 전기적 특성 제어 등 다양한 기능성을 부여할 수 있다는 점에서 활발히 연구되고 있 다. 그러나 그래핀 위에서 금속 나노입자가 형성되는 과정은 증착 조건, 금속의 종류, 그래핀 표면의 상태 등 다양한 요인에 의해 영향을 받음에 도, 이들 요인이 나노입자의 형상학적 거동에 미치는 영향에 대한 체계 적인 이해는 충분히 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 화학기상증착법 으로 합성한 단층 그래핀 위에 Au 및 Pd 나노입자를 형성하고, 증착 시 간, 금속 종류, 표면 오염도라는 세 가지 변수에 따른 형상학적 거동과 광학적·전기적 특성 변화를 체계적으로 분석하였다. 단층 그래핀 위에 Au를 80 s, 110 s, 480 s로 전자빔 증착하고 500 ℃ 에서 열처리한 결과, 증착 직후 Au는 시간이 증가함에 따라 고립된 입 자 → percolation 단계 → 연속막 형태로 순차적으로 성장하였으며, 어 닐링을 거치면서 Ostwald ripening 및 dewetting을 통해 구형 나노입자 로 재구성되었다. SERS 활성은 단순한 증착량이 아니라 어닐링을 통한 나노입자의 응집 정도에 의해 결정됨을 확인하였다. 동일한 조건에서 Au와 Pd를 병행 증착하여 금속 종류에 따른 성장 메커니즘을 비교하였다. 두 금속 모두 Volmer-Weber 성장 모드를 따 랐으나, Au는 낮은 확산 장벽으로 인해 적은 핵생성 지점에 집중 응집하 여 균일한 구형 나노입자를 형성한 반면, Pd는 높은 확산 장벽으로 표면 전반에 고르게 핵생성되어 조밀한 클러스터 형태로 성장하였다. 이러한 형상학적 균일성의 차이는 SERS 재현성에도 직접 영향을 미쳐, Au는 안정적인 전자기장 증강을 보인 반면 Pd는 비정형적인 신호 증폭 양상 을 나타내었다. 표면 오염도의 영향을 확인하기 위해 ＂As Transferred＂, ＂Developed＂, ＂NMP Treated＂의 세 가지 그래핀 표면 상태를 비교하였 다. ＂Developed＂ 표면에서는 포토레지스트 잔여물로 인해 Au의 핵생성 과 나노입자 분포가 불균일하게 나타났으며, SERS 신호 왜곡으로 이어 졌다. 반면 NMP 처리를 거친 표면은 전사 직후의 그래핀과 유사한 수 준의 형상학적 균일성과 SERS 활성을 회복하였다. 마지막으로 Au 나노입자가 그래핀 FET 채널에 형성될 경우, 어닐링 후 Dirac point가 양의 게이트 전압 방향으로 이동하는 p-type 도핑 거 동이 관찰되었다. 이는 Au의 일함수가 그래핀의 페르미 준위보다 높아 발생하는 전하 이동 메커니즘에 기인하며, Au 나노입자의 존재 자체가 도핑 효과의 직접적인 원인임을 대조군 실험을 통해 명확히 확인하였다. 본 연구는 금속 나노입자의 형상학적 거동이 증착 조건, 금속-그래 핀 상호작용, 표면 오염도라는 다층적 요인에 의해 결정되며, 이것이 SERS 활성 및 전기적 특성을 직접 좌우함을 보여주었다. 이는 향후 Au 나노입자-그래핀 FET를 활용한 LSPR 기반 광검출 소자 개발의 실험 적 기초를 제공한다.
more목차
제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 기초 이론 5
2.1. 그래핀 5
2.1.1 그래핀의 구조 5
2.1.2 그래핀의 특성 6
2.2. 그래핀 전계효과 트랜지스터 (Graphene Field Effect Transistor) 7
2.3. 그래핀 박리 및 합성 방법 11
2.3.1. 기계적 박리법 (Physical exfoliation) 11
2.3.2. 화학적 박리법 (Chemical exfoliation) 12
2.3.3. 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition) 14
2.4. 원자 힘 현미경 (Atomic Force Microscopy) 17
2.4.1. 원자 힘 현미경의 구조와 측정 원리 17
2.4.2. 비접촉 방식 AFM (Non-contact mode AFM) 20
2.5. 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 22
2.5.1 SEM 의 구조와 측정 원리 22
2.6. 플라즈마 (Plasma) 23
2.7. 라만 분광법 (Raman spectroscopy) 29
2.7.1 라만분광법의 유래 29
2.7.2. 라만산란의 원리와 산란의 종류 29
2.7.3. 그래핀의 주요 라만 피크와 그 유래 31
2.7.4. 표면증강 라만산란(SERS)과 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 35
2.8. 그래핀 위 박막 성장모드 37
2.8.1 박막 성장의 열역학적 분류 37
2.8.2 핵생성과 흡착에너지, 확산장벽 39
제 3 장. 실험 방법 41
3.1. 그래핀의 합성 및 전사 41
3.1.1 그래핀의 합성 41
3.2. 그래핀의 전사 43
3.2.1 그래핀의 습식 전사 43
3.2.2. 전사된 단층 그래핀 품질 평가 46
3.3. 그래핀 전계 효과 트랜지스터 소자 제작 49
3.3.1 그래핀 전계 효과 트랜지스터 소자 제작 49
3.3.2 포토리소그래피 공정 51
3.3.3 포토리소그래피 후 플라즈마 식각 공정 52
3.3.4 금속 증착(PVD) 및 lift off 공정 52
3.3.5 그래핀 채널 형성 53
제 4 장. 실험 결과 및 분석 55
4.1. 증착 시간에 따른 단층 그래핀 위 Au 나노입자의 형상 및 SERS 활성 55
4.1.1. 증착 시간에 따른 Au 박막의 표면 형상 56
4.1.2. 열처리에 따른 Au 나노입자의 형상 변화 57
4.1.3. 증착 시간 및 열처리에 따른 표면 거칠기 변화 59
4.1.4 표면증강라만산란(SERS) 활성 분석 60
4.2. Au 와 Pd 의 단층 그래핀 위 성장 메커니즘 및 형상 차이 비교 62
4.2.1. 표면 에너지 및 확산 거동에 따른 성장 모드 분석 63
4.2.2. 증착 직후 Au 와 Pd 의 표면 형상 비교 65
4.2.3. 어닐링 후 Au 와 Pd 의 형상 변화 비교 68
4.2.4. 어닐링 후 Au 와 Pd 의 SERS 활성 비교 70
4.3. 그래핀 표면 오염도에 따른 Au 핵생성 및 응집에 미치는 영향 71
4.3.1. 표면 오염도에 따른 Au 핵생성 거동 비교 (110 s 증착 조건) 74
4.3.2. 표면 오염도에 따른 Au 박막의 나노입자화 거동 비교 (480 s 증착조건) 76
4.3.3. 표면 오염도에 따른 표면증강라만산란(SERS) 활성 비교 78
4.４. Au 나노입자에 의한 그래핀 FET 채널 도핑 및 소자 특성 분석 80
4.4.1. Au 증착에 따른 그래핀 FET 채널의 표면 형상 변화 81
4.4.2. Au 나노입자에 의한 그래핀 채널의 전기적 특성 변화 82
제 5 장. 결 론 84
참 고 문 헌 87
