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공학석사학위논문

순수 그래핀과 질소도핑 그래핀의온도에 따른 전기전도도 변화

Temperature Dependence ofElectrical Conductivity of N-doped & Pristine Graphene

2014 년 2 월

서울대학교 대학원

기계항공공학부

임 규 민

공학석사학위논문

순수 그래핀과 질소도핑 그래핀의온도에 따른 전기전도도 변화

Temperature Dependence ofElectrical Conductivity of N-doped & Pristine Graphene

2014 년 2 월

서울대학교 대학원

기계항공공학부

임 규 민

순수 그래핀과 질소도핑 그래핀의온도에 따른 전기전도도 변화

Temperature Dependence ofElectrical Conductivity of N-doped & Pristine Graphene

지도교수 이 준 식

이 논문을 공학석사 학위논문으로 제출함

2013 년 10 월

서울대학교 대학원

기계항공공학부

임 규 민

임규민의 공학석사 학위논문을 인준함

2013 년 12 월

위 원 장 이 우 일 (인)부위원장 이 준 식 (인)위 원 김 민 수 (인)

초록

본연구에서는온도를변화시켜가며질소도핑그래핀과순수그래핀의

전기전도도를 측정하였다. 시편은 Si위에 SiO2가 있는 FET(Field Effect

Transistor)구조에전기전도도를측정하기위해 4점측정법이사용가능하

도록 Au와 Cr으로전극패턴을하였다. CVD(Chemical Vapor Deposition)

방식으로 Cu 위에합성된그래핀을 PMMA 방법을통해 시편으로 전사하

였다. 각 온도에서 Chemical Potential을가해주어 Charge Carrier Density

를 변화시키기 위해 Gate Voltage를 변화시켜가며 전기전도도를 측정하

였고 Gate Voltage와전기전도도의그래프의기울기를통하여 Mobility를

산출해내었다.

주요어: 질소도핑 그래핀, 온도에 따른 전기전도도, 4점 측정법, PMMA

전사, FET(Field Effect Transistor) 시편

학번: 2012-20697

i

목차

초록 i

목차 ii

그림 목차 iv

표 목차 vi

제 1 장서론 1

1.1 연구배경 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 연구범위 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

제 2 장실험 방법 3

2.1 시편 제작 및 PMMA 전사 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 시편 제작 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.2 PMMA 전사 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 4점 측정 방법 (4 Point Method) . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3 Annealing 방법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

ii

제 3 장질소 도핑 그래핀 합성 13

3.1 질소 도핑 그래핀 합성 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 SEM 이미지 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3 Raman 데이터 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 데이터 . . . . . . . 14

3.5 질소 도핑 그래핀 합성 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

제 4 장 PMMA 전사 후 그래핀 품질 확인 17

4.1 순수 그래핀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1.1 현미경 사진 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1.2 Raman 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2 질소 도핑 그래핀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2.1 현미경 사진 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.2.2 Raman 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

제 5 장실험 결과 및 토의 23

5.1 순수 그래핀 전기 전도도 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.2 질소 도핑 그래핀 전기 전도도 . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.3 치환도핑에 의한 전기 전도도에 대한 온도의 영향 차이 . . . 25

iii

제 6 장결론 29

참고문헌 29

Abstract 34

iv

그림 목차

그림 1.1 A schematic diagram for CVD synthesis of graphene . 2

그림 2.1 Mask design for substrate fabrication; (blue) the mask

design for metal patterning, (gray) the mask design for

Si exposed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

그림 2.2 A schematic diagram of Substrate production process 7

그림 2.3 A schematic diagram for explanation of PMMA transfer

method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

그림 2.4 A schematic diagram for explanation of 4 point method 9

그림 2.5 A schematic diagram for explanation of relation be-

tween gate voltage & charge carrier . . . . . . . . . . . 10

그림 2.6 a) XPS data after annealing at various temperatures

b) Topography check after annealing by AFM . . . . . 11

v

그림 2.7 a) Topography check after annealing at various temper-

atures by AFM b) Raman data after annealing at high

temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

그림 3.1 SEM image of N-doped Graphene growth after 3 min

& 20 min . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

그림 3.2 Raman data of N-doped Graphene . . . . . . . . . . . 15

그림 3.3 N peak of XPS data of N-doped Graphene . . . . . . 16

그림 4.1 Optical Microscope image of Pristine Graphene after

Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

그림 4.2 Raman data of Pristine Graphene after Transfer . . . 20

그림 4.3 Optical Microscope image of N-doped Graphene after

Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

그림 4.4 Raman data of N-doped Graphene after Transfer . . . 22

그림 5.1 Electrical Conductivity of Pristine Graphene . . . . . 26

그림 5.2 Electrical Conductivity of N-doped Graphene . . . . . 27

vi

표 목차

표 5.1 순수 그래핀의 전기 전도도 및 Mobility . . . . . . . . . . 28

표 5.2 질소 도핑 그래핀의 전기 전도도 및 Mobility . . . . . . . 28

vii

제 1 장 서론

1.1 연구배경

그래핀이발견된이래기존의재료들보다뛰어난전기적, 열적, 광학적

등의 특성에 의해 많은 연구가 이루어져 왔다. 전기적 특성의 경우 Band

Theory에서 Conduction Band와 Valence Band 사이의 Band gap이 0에

가까워서 전자가 쉽게 움직일 수 있어, 뛰어난 전기전도도와 Mobility를

보여왔다. 하지만 산업화에 있어서는 on/off ratio가 떨어지고 Chemical

Potential을 가하지 않았을 경우 Charge Carrier Density가 너무 낮아서

실용도가 떨어진다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해

그래핀에 질소를 치환도핑하여 전기적 특성을 변화시켜 보았다. 실제로

열전 소자 등으로 사용되기 위해서는 고온에서 또한 크게 다르지 않은

특성을 보여야 실용화에 용이하기 때문에 온도를 변화시켜가며 전기전도

도의 변화를 측정하였다.

1

1.2 연구범위

본 연구에서는 Gas CVD 방식으로 순수그래핀과 질소도핑 그래핀을

합성하였다. 그림 1.1에서 고온 진공의 Quartz tube 안에 Copper Foil

을 넣고 메탄과 수소를 흘려주어 순수 그래핀을 합성하며 암모니아를

같이 흘려주게 되면 질소 도핑 그래핀이 합성되게 된다. 합성한 그래핀

을 PMMA 방법으로 Si/SiO2 Substrate 위에 Transfer하였으며 Si을 통해

Gate Voltage를 가해주어 Charge Carrier Density를 변화시켜 가며 전기

전도도를측정하였다. 측정시접촉저항등의에러요인들을제거하기위해

4 point method(4점 측정법)을 사용하였으며 공기 중에서의 p-doping을

제거하기 위해 Sample을 진공에서 Annealing을 하여 보다 정밀한 실험을

계획하였다.

추후에 같은 Sample에서 제벡계수, 열전도도를 측정하여 열전소자 평

가계수인 ZT를산출하여질소도핑그래핀의열전소자로의활용가능성도

확인할 예정이다.

2

그림 1.1 A schematic diagram for CVD synthesis of graphene

3

제 2 장 실험 방법

2.1 시편 제작 및 PMMA 전사

2.1.1 시편 제작

그림 2.1은 4점 측정방법을 사용하기 위해 제작한 시편의 모식도이다.

이 시편은 이후 진행될 제벡 계수 측정까지 고려한 시편이다. 주황색이

SiO2 표면, 회색 전극이 Si이 들어나 있는 전극이고 파란색이 Au와 Cr

으로패턴한전극이다. 현재사용한전극은위의파란색 4개와아래의회색

전극이다. 위의 바깥쪽 2개 전극을 통해 VSD 전압을 일정하게 걸어주고

그 중 (-)전극과 회색 전극을 통해 VG 전압을 변화시키며 위의 가운데

두 전극을 통해 20�m의 그래핀에 걸리는 전압을 측정하여 전기전도도를

산출해 낸다.

그림 2.2는 시편 제작 방법의 모식도이다. 4점 측정방법을 사용하기

위해 먼저 Si/SiO2/Cr/Au로 이루어진 wafer에 금속 패턴을 해야 한다.

따라서 Au 위를 PR 코팅을 한 후 Aligner에서 Photo Mask를 사용하여

PR 패터닝을 먼저 한다. 이후 PR이 안 덮혀 있는 부분을 RI etcher로

식각한 후 PR을 제거하면 금속 패터닝이 완성된다. 이후 Gate Voltage

4

를 가해줄 Si이 드러난 전극을 만들기 위해 마찬가지로 PR 코팅을 한

후 전극을 만들 부분만 PR을 패터닝 한 후 PR이 안 덮혀 있는 부분만

SiO2를 식각하게 되면 Gate Voltage를 가해줄 SiO2가 드러난 Substrate

가 완성하게 된다.

2.1.2 PMMA 전사

CVD 방식으로 Cu 위에 합성된 그래핀을 PMMA 방법으로 시편 위

에전사한다. Poly(methyl methacrylate)를 Chlorobenzene에 46mg/mL의

농도로 용해시킨 후 교반기에 2일 이상 보관한다. 이후 PMMA를 CVD

그래핀 위에 400rpm에 40∼50초간 스핀 코팅한 후, 160℃에서 90초간

베이킹을 한다. CVD 합성할 때 Cu 포일 양쪽에 합성이 되었기 때문에

사용하지않을부분은 RI(reactive ion) etcher에서 O2 plasma로식각한후

copper etchant(DI water 500ml + Ammonium Peroxydisulfate 10g)에서

Cu를 2∼3시간 가량 녹인다. PMMA 코팅된 그래핀을 DI water에서 30

분씩 3번 Rinsing 해주고 시편 위에 얹은 다음 80℃에서 10분간 베이킹을

한다. 마지막으로 아세톤에 PMMA를 30분씩 2번 녹인 후 IPA를 거쳐

깨끗이 한 그래핀을 말린다.

5

2.2 4점 측정 방법(4 Point Method)

그림 2.4은 4점측정방법의모식도이다. 바깥쪽두개의전극을통해일

정한전압을걸어준후 (-)전극과 Si사이에 Gate Voltage를변화시켜주며

표준저항에 걸리는 전압을 측정하여 직렬회로의 전류를 산출해낸다. 이후

가운데 전극을 통해 그래핀에 걸리는 전압만을 측정하여 얻어진 전류와

전압에서그래핀의 Dimension을같이계산하여전기전도도를산출해낸다.

그림 2.5에서 양의 Gate Voltage를 걸어주게 되면 Si에 (+), SiO2의

아랫부분에 (-), SiO2의 윗부분에 (+)전하가 몰려 그래핀의 electron이

활성화된다. 음의 Gate Voltage를걸어주면반대로 hole이활성화된다. 이

상적인 그래핀에서 VG가 0일 때, 전기전도도가 최소가 되는 Dirac Peak

가 형성되며 I-V 그래프에서 VG에 따라 hole과 electron이 활성화 되는

그래핀의 bipolar 특성을 확인할 수 있다.

2.3 Annealing 방법

대기 중에서는 산소나 물 분자에 의해 그래핀이 p-doping 되어 Dirac

point가 양의 방향으로 이동하기 때문에 Dirac point를 확인하기 힘들다.

따라서 본 연구에서는 진공에서 그래핀을 가열하는 Annealing을 통해

p-doping의 영향을 제거한다.

6

그림 2.6 (a)는 Annealing 온도를 200℃, 250℃, 300℃도로 변화시켜가

며 XPS결과를확인한것이다. 250℃와 300℃에서 Annealing한결과가비

슷하기 때문에 critical point 이후에는 Annealing이 비효율적이다.(Yung-

Chang Lin et al., 2011)

그림 2.7는 Annealing 온도를 변화시켜가며 AFM으로 그래핀의 표면

의 높이를 본 것이다. 400℃의 경우 그래핀과 Substrate의 높이차가 거

의 없어지며 너무 강하게 들러붙게 되며 Raman의 결과에서도 G peak

와 2D peak의 비율 또한 많이 변하여 그래핀의 특성에 영향을 미치게

된다.(Zengguang et al., 2011)

그림 2.6 (b)는 300℃에서 Annealing을 한 후 AFM으로 본 결과 앞에

서 살펴본 고온에서 Annealing 후 그래핀의 높이와 비슷한 결과를 보이고

있다.(A. Pirkle et al., 2011)

이에 따라 본 연구에서는 가장 효율적일 250℃에서 2시간 동안 An-

nealing을하여그래핀의특성에영향을미치지않으며 p-doping의영향을

제거하도록 한다.

7

그림 2.1 Mask design for substrate fabrication; (blue) the mask design

for metal patterning, (gray) the mask design for Si exposed

8

그림 2.2 A schematic diagram of Substrate production process

9

그림 2.3 A schematic diagram for explanation of PMMA transfer method

10

그림 2.4 A schematic diagram for explanation of 4 point method

11

그림 2.5 A schematic diagram for explanation of relation between gate

voltage & charge carrier

12

그림 2.6 a) XPS data after annealing at various temperatures b) Topog-

raphy check after annealing by AFM

13

그림 2.7 a) Topography check after annealing at various temperatures by

AFM b) Raman data after annealing at high temperature

14

제 3 장 질소 도핑 그래핀 합성

3.1 질소 도핑 그래핀 합성

진공의 1000℃의 높은 온도에서 CVD 방식으로 CH4,H2를 흘려줘서

그래핀을합성하는동시에질소의공급원인 NH3를같이흘려준다. 사용된

catalyst는 30µm 두께의 Copper Foil이고 이는 NH3와 CH4의 분해를 도

와서구리포일위에질소도핑그래핀이합성된다. H2는합성초기에는 co-

catalyst 역할을 하다가 catalyst인 Cu foil이 덮이면서 나중엔 multi-layer

를 깎아내는 etchant의 역할도 한다.

3.2 SEM 이미지

그림 3.1의 왼쪽은 합성을 시작한지 3분 후의 이미지이고 오른쪽은

합성을시작한지 20분후의이미지이다. 초반에 island를형성하며자라기

시작하다가 20분 후에는 complete coverage를 보이고 있다.

15

3.3 Raman 데이터

Raman현미경은그래핀의품질측정에있어서표준적인기준이다. 그

림 3.2의 Raman데이터에서그래핀특유의 peak들로 D peak, G peak, 2D

peak 등이 있다. 기본적으로 그래핀의 경우 G peak와 2D peak가 있어야

하며 1 layer의경우 2D peak/G peak의비율이 2를넘어야하며 FWHM2D

가 40cm−1보다 작아야 한다. 위의 결과를 보면 이를 모두 만족하므로 1

layer임을 확인할 수 있다. D peak은 그래핀에 defect가 존재할 때 생기지

만 이 경우 N doping의 영향으로 볼 수 있으며 D peak이 보이는 것을 N

doping의 가능성으로 볼 수 있다. G peak 오른쪽에 보이는 D′ peak 또한

N doping의 가능성으로 볼 수 있다.

3.4 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 데이터

Raman 데이터는 Defect가 많은 순수 그래핀의 경우일 가능성도 있으

므로 N doping을확신할수없다. 반면, XPS는 electron의 binding energy

로부터 특정한 원소의 양을 얻어낼 수 있기 때문에 이를 이용하여 N

doping을 확신할 수 있다. 그림 3.3의 XPS 결과들을 보면 400eV 부근의

N bonding을 확인할 수 있으며 C와의 면적비를 계산해보면 평균적으로

N/C 비율이 2.9 at.%임을 확인하였다.

16

3.5 질소 도핑 그래핀 합성 결과

위의 SEM, Raman, XPS 결과들로부터 1 layer의 complete coverage를

가진 약 2.9 at.%의 질소도핑 그래핀이 합성되었음을 확인하였다.

17

그림 3.1 SEM image of N-doped Graphene growth after 3 min & 20 min

그림 3.2 Raman data of N-doped Graphene

18

그림 3.3 N peak of XPS data of N-doped Graphene

19

제 4 장 PMMA 전사 후 그래핀 품질 확인

4.1 순수 그래핀

4.1.1 현미경 사진

그림 4.1은 순수 그래핀의 현미경 사진으로 20µm의 간격을 두고 있는

사이의두전극에그래핀이잘올라가있는것을확인할수있다. Defect가

거의 없이 깨끗하게 올라가 있고 테두리 부근에만 원하는 크기로 자르는

과정에서 생긴 조금의 defect가 관찰되어 있다.

4.1.2 Raman 결과

그림 4.2의 Raman 결과 G peak와 2D peak가 선명하게 확인이 되었

고, 2D peak/G peak의 비율이 2를 넘는 걸 확인하여 1 layer의 그래핀이

시편에 잘 전사된 것을 확인할 수 있다. 다만 조금 기울어져 있는 것으로

보아 적은 residue가 남아있는 것으로 확인된다.

20

4.2 질소 도핑 그래핀

4.2.1 현미경 사진

그림 4.3은 질소도핑 그래핀의 현미경 사진으로 마찬가지로 전극 사

이에 그래핀이 잘 올라가 있는 것을 확인할 수 있다. Defect가 거의 없이

깨끗하게 올라가 있고 테두리 부근에 조금의 defect가 관찰되어 있다.

4.2.2 Raman 결과

Raman결과 G peak와 2D peak가선명하게확인이되었고, 2D peak/G

peak의비율이 2를넘는걸확인하여 1 layer의그래핀이시편에잘전사된

것을확인할수있다. 전사후에도확인되는 D peak를통해전사과정에서

질소도핑이 유지된 것을 확인할 수 있다.

21

그림 4.1 Optical Microscope image of Pristine Graphene after Transfer

22

그림 4.2 Raman data of Pristine Graphene after Transfer

23

그림 4.3 Optical Microscope image of N-doped Graphene after Transfer

24

그림 4.4 Raman data of N-doped Graphene after Transfer

25

제 5 장 실험 결과 및 토의

5.1 순수 그래핀 전기 전도도

SiO2에 축전기 원리를 이용하면 그래핀의 charge carrier density를 알

수있으며 gate voltage와 conductivity의기울기로부터그래핀의 mobility

를 구할 수 있다.

CSiO2 = ϵSiO2 ×A

d= 3.9× (8.85× 10−12)× 1

300× 10−9

= 1.15× 10−4F/m2

W = 1.565mm

L = 20µm

먼저 SiO2의 유전율은 3.9 × (8.85 × 10−12)이고 두께는 300nm이다.

이로부터 축전기 원리에서의 전기용량이 1.15× 10−4임을 얻을 수 있다.

σ(Vg) =

W

LCSiO2µe(Vg − Vg,Dirac) + σDirac Vg > Vg,Dirac

−WLCSiO2µh(Vg − Vg,Dirac) + σDirac Vg < Vg,Dirac

위의전기용량과그래핀의 Dimension을함께계산하게되면그래핀의

Charge Carrier Density의 전하량을 얻을 수 있다. Graphene의 너비는

26

Optical Microscope로측정해본결과 1.565mm이고두전극사이의길이

가 그래핀의 길이로 20µm이므로

Q = CV =W

L× CSiO2 × (Vg − Vg,Dirac)

이고 σ = µen = µQ 이므로 위의 식을 얻을 수 있어서 Mobility를 계산할

수 있다.

표 5.1에서 온도가 상승함에 따라 Dirac Point에서의 최소 전기전도

도가 증가하는 반면 Mobility는 감소하고 있다. 이는 Dirac Point에서는

온도가 상승할수록 전자가 에너지를 받아서 Charge Carrier가 많아져서

최소 전기전도도가 증가하고 고온에 따라 Lattice Vibration이 증가하여

전자의 충돌수가 증가하여 Mean Free Path가 감소하기 때문에 Mobility

는 감소하게 된다. 다만 Mobility가 너무 작게 나오는데 이는 앞에서 보인

Raman Data에서 보이듯이 그래핀에 남아있는 Residue의 영향으로 보인

다.

5.2 질소 도핑 그래핀 전기 전도도

5.1에서 설명하였듯이 마찬가지로 Gate Voltage와 전기전도도의 그

래프로부터 최소 전기전도도인 Dirac Point에서의 전기전도도와 Gate

27

Voltage와 전기전도도의 기울기로부터 Mobility 값을 산출해 낼 수 있다.

CSiO2 = ϵSiO2 ×A

d= 3.9× (8.85× 10−12)× 1

300× 10−9

= 1.15× 10−4F/m2

W = 1.853mm

L = 20µm

표5.2에서 보면 순수 그래핀과 비슷하게 온도가 상승함에 따라 Dirac

Point에서의최소전기전도도는증가하며 Mobility는감소하고있다. 순수

그래핀과 비교하여 Dirac Point가 왼쪽으로 더 가있는 것으로 보아 질소

도핑을 통해 반도체 N type 소자 개발의 가능성을 확인할 수 있다.

5.3 치환도핑에 의한 전기 전도도에 대한 온도의 영향 차이

Mattiessen’ s rule에 의하면 Probability Theory에 의해 1τ= 1

τT+ 1

τI로

Scattering 확률은 Lattice Vibration에 의한 확률과 Impurity Scattering

에 의한 확률로 나타낼 수 있다. 여기서, µ = eτm이므로1µ= 1

µL+ 1

µI이며

τT ∝ 1T 에 의해 그래핀의 비저항은

ρ =1

enµd=

1

enµL+

1

enµI= AT +B (Mattiessen′s rule)

28

로나타낼수있다.질소도핑그래핀의경우온도에비례하지않는 Impurity

Scattering이 증가하여 온도에 의한 영향이 순수 그래핀에 비해 작을 것

으로 예상되었지만 작은 온도 범위 내에서는 기존의 탄소들의 Lattice

Vibration이 Scattering의 주 원인이기 때문에 온도에 의한 영향이 큰 차

이를보이진않았다. 더넓은온도영역에서실험하려시도하였으나앞에서

설명하였듯이 너무 고온으로 가게 되면 Substrate와 Graphene의 접촉력

변화에 의해 Graphene의 성질에 영향을 끼치게 되기 때문에 실험하는

과정에서 repeatability가 다소 떨어져서 실험을 중지하였다. 추후 고온에

서도 실험을 개선하여 더 넓은 온도에서의 결과를 비교해 볼 필요성이

있다.

29

그림 5.1 Electrical Conductivity of Pristine Graphene

30

그림 5.2 Electrical Conductivity of N-doped Graphene

31

표 5.1 순수 그래핀의 전기 전도도 및 Mobility

Conductivity(mS) Slope µh(cm2/Vs) Slope µe(cm2/Vs)

23℃ 0.106569 0.0057 6.334213 0.0107 11.89054

50℃ 0.107654 0.0053 5.889707 0.0104 11.55716

100℃ 0.114103 0.0047 5.222948 0.0091 10.11252

165℃ 0.116097 0.0040 4.445062 0.0071 7.889985

표 5.2 질소 도핑 그래핀의 전기 전도도 및 Mobility

Conductivity(mS) Slope µh(cm2/Vs) Slope µe(cm2/Vs)

14℃ 0.202423 0.0108 10.13632 0.0156 14.64136

50℃ 0.203108 0.0097 9.103921 0.0154 14.45365

100℃ 0.206283 0.0083 7.789953 0.0133 12.4827

150℃ 0.208562 0.0051 4.786598 0.0113 10.6056

32

제 6 장 결론

Gate Voltage를 가해주면서 순수 그래핀과 질소도핑 그래핀의 온도에

따른전기전도도의변화를연구하였다. 두그래핀모두온도가상승함에따

라 Dirac Point에서의최소전기전도도는증가하였고,Mobility는감소하였

다.이는고온에따라전자가에너지를받아서 Charge Carrier Density가높

아짐에 따라 Dirac Point에서의 전기전도도가 증가하고 Lattice Vibration

이증가하여 Scattering이증가하여Mobility가감소하였다. 질소도핑그래

핀의경우 Dirac Point가왼쪽으로이동하여 N type소자개발의가능성을

확인하였다. 추후 Sample Quality와 실험과정을 개선하여 더 넓은 온도

범위에서재측정하여비교를하여야하며전기전도도뿐만아니라제벡계

수와 열전도도 측정 이후 열전소자 평가계수 ZT를 산출해내어 질소도핑

그래핀의 열전소자 활용 가능성을 확인해보도록 한다.

33

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38

Abstract

Temperature Dependence of Electrical

Conductivity of N-doped & Pristine

Graphene

Gyumin Lim

Department of Mechanical and Aerospace Engineering

College of Engineering

Seoul National University

In our work, we measured electrical conductivity of N-doped graphene &

pristine graphene while changing the temperature. In order to use 4 point

method, we patterned metal electrodes with Au & Cr on FET substrate

composed of Si and SiO2. Graphene was synthesized by CVD(Chemical

Vapor Deposition) method on Cu foil and transferred to target substrate

by PMMA method. At each temperature, we applied gate voltage to

39

change charge carrier density by applying chemical potential. We quanti-

tatively measured electrical conductivity and calculated mobility with the

slope of the graph of Gate voltage & electrical conductivity.

Keywords: N-doped Graphene, Temperature dependence of Electrical

conductivity, 4 point method, PMMA Transfer, FET(Field Effect Tran-

sistor) Substrate

Student Number: 2012-20697

40

제 1 장 서론1.1 연구배경 1.2 연구범위

제 2 장 실험 방법2.1 시편 제작 및 PMMA 전사 2.1.1 시편 제작 2.1.2 PMMA 전사

2.2 4점 측정 방법(4 Point Method) 2.3 Annealing 방법

제 3 장 질소 도핑 그래핀 합성3.1 질소 도핑 그래핀 합성 3.2 SEM 이미지 3.3 Raman 데이터 3.4 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 데이터 3.5 질소 도핑 그래핀 합성 결과

제 4 장 PMMA 전사 후 그래핀 품질 확인4.1 순수 그래핀 4.1.1 현미경 사진 4.1.2 Raman 결과

4.2 질소 도핑 그래핀 4.2.1 현미경 사진 4.2.2 Raman 결과

제 5 장 실험 결과 및 토의5.1 순수 그래핀 전기 전도도 5.2 질소 도핑 그래핀 전기 전도도 5.3 치환도핑에 의한 전기 전도도에 대한 온도의 영향 차이

제 6 장 결론참고문헌Abstract