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KR101758649B1 - 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법 - Google Patents

게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법 Download PDF

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KR101758649B1
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Abstract

게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법이 개시된다. 개시된 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법은, 기판 상에 게르마늄층을 형성하는 단계와, 상기 기판이 배치된 챔버 내에 탄소함유 개스를 공급하여 상기 게르마늄층 상에 직접 그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 제조방법은 촉매금속층을 사용하지 않으므로, 촉매금속으로 오염되지 않은 그래핀층을 제조할 수 있다.

Description

게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법{Method of manufacturing graphene using germanium layer}
게르마늄층 또는 게르마늄 기판 위에 직접 그래핀을 성장시키는 그래핀 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 안전성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지므로, 전자 소자의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
그래핀은 화학 기상증착법을 이용하거나, 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판을 열분해하는 방법으로 제조될 수 있다.
SiC 기판의 열분해 방법은 대면적 그래핀을 제조하는 데 적용하기가 어려우며, 또한, SiC 기판이 고가이므로 그래핀 제조의 경제성이 낮다.
화학기상증착방법은 그래핀의 제조시 촉매금속을 이용한다. 그래핀은 촉매금속층 상에 판상으로 형성되므로, 그래핀에 촉매금속이 혼용될 수 있다. 그래핀으로부터 촉매금속을 제거하기가 어렵다. 촉매금속은 강산을 사용하여도 제거하기가 어렵다. 촉매금속을 제거하기 위해서 강산에 금속이온이 포함된 용액을 사용하는 데, 이 금속이온에 의해서 그래핀이 2차적으로 오염될 수 있다.
또한, 촉매금속층이 다결정 금속막인 경우, 그레인 바운더리에서 카본의 용해도(solubility)가 높아서 그레인 바운더리에서의 그래핀 두께가 증가할 수 있다. 그래핀의 두께가 일정하지 않게 되는 경우, 그래핀의 물성이 그래핀의 두께에 영향을 받기 때문에 합성된 그래핀의 반도체 성질이 국부적으로 달라지므로, 소자 응용이 어렵다.
금속 불순물이 포함되지 않게, 금속촉매 없이 그래핀을 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법은: 기판 상에 게르마늄층을 형성하는 단계; 및
상기 기판이 배치된 챔버 내에 탄소함유 개스를 공급하여 상기 게르마늄층 상에 직접 그래핀을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 기판은 실리콘, 실리콘 옥사이드, 석영, 글라스, 플라스틱, 사파이어 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 그래핀은 1-3 층으로 형성될 수 있다.
상기 그래핀은 화학기상증착방법으로 형성될 수 있다.
상기 게르마늄층은 단결정 또는 다결정층일 수 있다.
상기 게르마늄층은 100 nm - 10 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법은, 게르마늄 기판이 배치된 챔버 내에 탄소함유 개스를 공급하여 상기 게르마늄 기판 상에 직접 그래핀을 형성한다.
상기 게르마늄 기판은 단결정 기판일 수 있다.
상기 실시예의 그래핀 제조방법에 따르면, 금속촉매를 사용하지 않고 게르마늄층 또는 게르마늄 기판 상에 직접 순수한 그래핀을 제조할 수 있으며, 전자소자, 센서 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀의 제조방법법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 상기 실시예에 따라 게르마늄 기판 상에 두개의 그래핀층이 형성된 것을 보여주는 TEM 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 먼저 챔버(미도시) 내에 기판(110)을 배치한다. 기판(110)으로는 유리기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판, 실리콘 옥사이드 기판, 플라스틱 기판, 사파이어 기판 등이 사용될 수 있다. 하지만 본 발명의 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 물질로 형성된 기판도 사용될 수 있다.
이어서, 기판(110) 상에 게르마늄층(120)을 화학기상증착방법을 사용하여 형성한다. 챔버 내에 게르마늄을 포함하는 가스, 예를 들면, GeH4 또는 GeCl4 를 주입한다. 증착온도는 대략 200-900 ℃, 챔버내 총압력은 1-300 Torr 이다. 게르마늄층(120)은 대략 100 nm - 10 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
게르마늄층(120)은 화학기상증착방법과 다른 증착방법, 예컨대, 원자층 증착방법, 스퍼터링, 전자빔 증착 방법 등을 사용할 수도 있다.
게르마늄층(120)은 단결정 또는 다결정층일 수 있다.
도 2를 참조하면, 화학기상증착방법을 사용하여 게르마늄층(120)의 표면에 직접 그래핀층(130)을 형성한다. 그래핀층(130)을 형성하기 위해서, 기판(110)이 배치된 챔버 내에 탄소함유개스를 인입한다. 탄소함유개스로는 CH4, C2H2, C2H4, CO 등이 사용될 수 있다. 게르마늄층(120) 상에는 1-3층의 그래핀층이 형성된다. 그래핀층(130)의 증착은 대략 200-1100 ℃, 챔버내 총압력 0.1-760 torr에서 대략 10분~60분 정도 소요된다. 게르마늄은 탄소와의 공융 온도(eutectic temperature)가 약 937 ℃으로 비교적 높으며, 게르마늄 내 탄소의 고용한계는 약 108 atom/cm3　으로 매우 낮다. 즉, 탄소의 용해도가 그래핀의 통상적인 증착온도인 700~850 ℃ 에서 매우 낮으며, 따라서, 게르마늄층(120)으로부터 탄소는 용이하게 석출하여 그래핀층(130)을 형성한다.
상기 실시예에 따른 그래핀 제조방법은 촉매금속층을 사용하지 않으므로, 종래의 촉매금속에 의한 그래핀층(130)의 오염이 없다.
또한, 게르마늄층(120)은 물과 같은 용액에 쉽게 용해되므로, 그래핀층(130) 위에 지지부재, 예컨대 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 배치한 후, 결과물을 물에 담가서 용이하게 그래핀층(130)을 기판(110)으로부터 분리할 수 있으므로, 다른 기판에 그래핀층(130)을 용이하게 전사할 수 있다.
또한, 대면적으로 그래핀층을 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀의 제조방법법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저 챔버(미도시) 내에 게르마늄 기판(110)을 배치한 다음, 화학기상증착방법을 사용하여 게르마늄 기판(110)의 표면에 직접 그래핀층(130)을 형성한다. 그래핀층(130)을 형성하기 위해서, 기판(110)이 배치된 챔버 내에 탄소함유개스를 인입한다. 탄소함유개스는 CH4, C2H2, C2H4, CO 등이 사용될 수 있다. 게르마늄 기판(110) 상에는 1-3층의 그래핀층이 형성된다. 그래핀층의 증착은 대략 200-900 ℃, 챔버내 총압력 0.1-760 torr에서 대략 10분 정도 소요된다.
게르마늄 기판(110)은 단결정 기판일 수 있다.
도 4는 상기 실시예에 따라 게르마늄 기판 상에 두개의 그래핀층이 형성된 것을 보여주는 TEM 사진이다. 도 3에서 게르마늄 기판(Ge)과의 사이에 형성된 그래핀층을 잘 보이게 하기 위해서 지지부재인 PDMS(Polydimethylsiloxane)가 부착된 상태로 촬영되었다. 도면에서 "2L"은 2층구조로 형성된 그래핀을 가리키는 것이다.
상기 실시예에 따른 그래핀 제조방법은 게르마늄 기판 상에 직접 그래핀을 형성하므로, 촉매금속층을 사용하지 않으며, 따라서, 종래의 촉매금속에 의한 그래핀층의 오염이 발생되지 않는다. 따라서, 고순도의 그래핀층을 제조할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 기준으로 본 발명이 설명되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 게르마늄층을 형성하는 단계; 및
    상기 기판이 배치된 챔버 내에 탄소함유 개스를 공급하여 상기 게르마늄층 상에 직접 그래핀을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 그래핀은 상기 게르마늄층의 표면에 대해서 나란하게 형성되며,
    상기 그래핀은 1-3층의 그래핀으로 이루어진 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 실리콘 옥사이드, 석영, 글라스, 플라스틱, 사파이어 중 선택된 어느 하나로 이루어진 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀은 1 층으로 형성된 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀의 형성은 화학기상증착방법을 사용하는 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 게르마늄층은 단결정 또는 다결정층인 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 게르마늄층은 100 nm - 10 ㎛ 두께로 형성된 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  7. 게르마늄 기판이 배치된 챔버 내에 탄소함유 개스를 공급하여 상기 게르마늄 기판 상에 직접 그래핀을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 그래핀은 상기 게르마늄 기판의 표면에 대해서 나란하게 형성되며,
    상기 그래핀은 1-3층의 그래핀으로 이루어진 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀은 1 층으로 형성된 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀의 형성은 화학기상증착방법을 사용하는 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 게르마늄 기판은 단결정 기판인 게르마늄층을 이용한 그래핀 제조방법.
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