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전자 소자에 그래핀을 적용하기 위해서는 채널 영역의 전하를 정교하게 제어할 필요가 있다. 따라서 유기 분자, 알칼리 금속, 또는 가스상의 도핑을 통해 다수 캐리어(majority carrier) 및 그 농도를 제어하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 유기 분자 및 알칼리 금속의 경우 그래핀 표면에 흡착된 도핑 요소와의 페르미 준위와의 상대적 위치에 따라, 전하가 이동하게 된다. 도핑은 전기 전도도, 전하 이동도, 그리고 완화 시간에 영향을 주기 때문에, 고주파회로, 광검출기, 광변조기, 그리고 전압 증폭기 등의 응용 분야에 있어 그래핀 내 전하의 거동을 분석할 필요가 있다.
국내 서울시립대학교 손주혁 교수 및 성균관대학교 이영희 교수가 이끄는 공동 연구진은 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 통해 성장한 대면적의 그래핀을 이용해 terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) 분석을 진행했다. 연구 결과는 2012년 1월 3일자 Nano Letters지 속보란에 “Gate-controlled nonlinear conductivity of Dirac fermion in graphene field-effect transistors measured by terahertz time-domain spectroscopy”란 제목으로 게재됐다.
지금까지 그래핀 내 전하의 거동을 이해하기 위해서 광학적 분석이 이루어졌다. 즉, 그래핀에 대한 투과 및 반사된 빛의 차이를 통해 전기적 변화를 분석할 수 있었다. 하지만 흥미롭게도, 이러한 광학 신호는 적외선에서부터 테트라헤르츠 영역에 더욱 민감하다.
"그림 설명:
(a) 그래핀 FET에 대한 모식도 및 채널 영역의 그래핀에 대한 원자힘현미경 이미지.
(b) 그래핀 FET에 대한 THz 시간 영역 투과 진폭으로 게이트 전압에 대한 의존성을 나타낸다.
(c) 좌측은 주파수 의존성 투과도를 나타내며, 게이트 전압에 대한 변화를 확인할 수 있고, 우측의 그래프는 게이트 전압에 대한 평균 투과도를 나타낸 그래프이다."
먼저 일반적인 CVD 시스템 내에 구리 호일을 이용해 고품질의 그래핀을 합성하고, 통상적인 PMMA 전사 기법을 활용해 산화실리콘 기판 위에 그래핀을 옮겼다. 그리고 그림 1(a)와 같이 은 전극 형성하고, 하부의 실리콘 게이트 구조를 형성했다. 채널 영역은 6 x 6 mm2의 크기로, 원자힘현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 측정 결과 주름(ripple) 구조를 포함하고 있었다. 그래핀은 자연적으로 p 타입 특성을 갖기 때문에, 1몰의 비올로겐(viologen)을 포함하는 톨루엔(toluene)을 드랍 및 스핀코팅 했다.
그림 1(b)는 영역 내에서 그래핀 FET의 시간 영역 투과 진폭을 보여준다. 게이트 전압이 0 V일 때, 그래핀이 없는 비교 샘플에 대해 94%에 이르는 투과 피크, 그리고 각각 45 V, -30 V에 대해서는 97%, 90%의 피크가 나타남으로써, 게이트 전압에 따른 확실한 변화가 나타났다. 이는 공간적 투과 진폭이 그래핀 채널의 전하 밀도에 민감함을 의미한다. 연구진은 그림 1(c)와 같이 0.2~1.5 THz 영역 내에서 게이트 전압에 따른 투과도를 분석하고, 그래핀의 전하 밀도가 가장 적은 CNP(Charge Neutrality Point)에서 최대의 투과도가 나타난다고 설명했다.
마지막으로 낮은 전하 밀도에 대해서는 광학적 전도도가 게이트 전압에 의존하지 않는 것으로 나타났다. 외부 도핑 요소에 의한 그래핀과의 상호작용에 매우 약하게 나타남으로써, 화학적 도핑이 그래핀 내 전기적 거동에 저하 없이 페르미 준위를 제어할 수 있는 효율적인 방법임을 입증할 수 있었다.
출처: 경기과학기술진흥원
원본출처: acs.org
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