[논문 리뷰] Controlling the macroscopic electrical properties of reduced graphene oxide by nanoscale writing of electronic channels

Arijit Kayal, G Harikrishnan외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 25.

Graphene research and applications참고 문헌 70인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 프로브 히드로젠화된 산화 그래핀(rGO)의 절연성 기질 내에서 전도성 sp² 다량체를 포함한 그래핀 채널을 나노스케일로 작성하는 데 성공했다. 적용된 전압과 환경 습도를 조절함으로써 감소 정도, 밴드 갭 조절, 매크로스코픽 전기적 성질에 대한 정밀한 제어가 가능하며, 전자 상태에 따라 전도도가 가변 범위 터널링 또는 터널링에 의해 지배되며, 이는 온도 및 전압 의존성 전도도 측정 및 표면 전위 측정을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

The allure of all carbon electronics stems from the spread in physical properties, across all its allotropes. The scheme also harbours unique challenges, like tunability of band-gap, variability of doping and defect control. Here, we explore the technique of scanning probe tip induced nanoscale reduction of graphene oxide (GO), which nucleates conducting, sp2 rich graphitic regions on the insulating GO background. Flexibility of direct writing is supplemented with control over degree of reduction and tunability of bandgap, through macroscopic control parameters. The fabricated reduced - GO channels and ensuing devices are investigated via spectroscopic, and temperature and bias dependent electrical transport and correlated with spatially resolved electronic properties, using surface potentiometry. Presence of carrier localization effects, induced by the phase-separated sp2/sp3 domains, and large local electric field fluctuations are reflected in the non-linear transport across the channels. Together the results indicate a complex transport phenomena which may be variously dominated by tunnelling, variable range hopping or activated depending on the electronic state of the material.

연구 동기 및 목표

• 감소된 그래핀 산화물(rGO)의 매크로스코픽 전기적 성질을 국소적이고 히드로젠화된 산화물에 의한 감소를 통해 제어 가능한 방법을 개발한다.
• 특히 적용된 전압과 환경 습도와 같은 외부 매개변수가 감소 정도와 그로 인한 전자적 성질에 미치는 영향을 조사한다.
• 표면 전위 측정을 통해 공간적으로 해상도가 높은 전자 구조와의 연관성을 통해 rGO 내에서 지배적인 전하 이동 메커니즘을 명확히 한다.
• rGO 내 전도도가 온도 및 전압 의존성에 따라 열적으로 활성화된 과정, 가변 범위 힘(Hopping, VRH), 또는 터널링에 의해 지배되는지 여부를 판단한다.
• 매크로스코픽 전기적 거동과 전자 국소화 및 전기장 변동과 같은 나노스케일 전자 비균일성 간의 직접적인 연관성을 설정한다.

제안 방법

• C-AFM를 사용하여 히드로젠화된 산화물(GO)에 음성 전압을 가함으로써 전도성 채널을 나노스케일로 작성한다.
• 표면 전위 측정을 통해 표면 전위의 공간 분포를 매핑하고, 국소적 전자 비균일성 및 전자 국소화와 연관시킨다.
• 온도 및 전압 의존성 전류-전압(I-V) 특성을 측정하여 전도도 메커니즘을 규명하며, 열적으로 활성화된 전도도 및 2차원 가변 범위 힘(VRH)을 포함한다.
• Mott-VRH 모델(G𝑠 ∝ exp[−(𝑇₀/𝑇)¹ᐟ³])과 열적으로 활성화된 모델(G𝑠 ∝ exp[−𝐸𝑎/𝑘𝐵𝑇])을 사용하여 시트 전도도(𝐺𝑠)의 온도 의존성을 분석하여 전도도 영역을 구분한다.
• 감소 전압과 상대 습도를 체계적으로 변화시켜 접합 전류와 감소 효율성에 미치는 영향을 정량화하며, 전류 및 전도도 맵을 통해 데이터를 수집한다.
• 실험 데이터에 대한 피팅에서 힘 매개변수 𝑇₀와 활성화 에너지 𝐸𝑎를 추출하는 모델을 적용하여 rGO의 전자 상태를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 C-AFM를 통한 나노스케일 글쓰기 중 적용된 전압의 크기가 rGO 내 감소 정도와 그로 인한 매크로스코픽 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 환경 습도가 GO의 히드로젠화된 산화물 감소의 효율성과 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 감소 수준과 결함 농도에 따라 rGO 채널 내에서 지배적인 전하 이동 메커니즘은 열적으로 활성화된 전도도, Mott-VRH, 또는 Efros-Shklovskii-VRH 중 어느 것인가?
• RQ4 표면 전위의 공간적 변동과 국소 전기장이 rGO 내 비선형 I-V 특성과 전자 국소화와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 나노스케일 글쓰기를 통해 rGO의 밴드 갭을 제어적으로 조절할 수 있으며, 이 조절은 sp² 도메인의 크기와 연결성과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 상대 습도가 20%에서 80%로 증가함에 따라 접합 전류(𝐼𝑗)가 약 10³ 배 증가하여 감소 과정의 강한 환경 의존성을 입증하였다.
• 감소 전압을 낮은 값에서 높은 값으로 증가시킴에 따라 평균 접합 전류가 약 10⁶ 배 증가하여 적용된 전압에 의한 전도도 조절 가능성이 매우 높음을 나타냈다.
• 매우 높은 저항성 rGO 장치(𝑅 ~ 300 kΩ)에서는 온도 의존 전도도가 활성화 에너지 𝐸𝑎 ≈ 160 meV를 가지는 열적으로 활성화된 모델을 따르며, 이는 밴드 기반 전도도를 의미한다.
• 낮은 저항성 rGO 장치(𝑅 ~ 50 kΩ)에서는 2차원 Mott-VRH 모델이 지수 1/3을 따르며, 이는 전도도가 불순물이 많은 시스템에서 가변 범위 힘에 의해 지배된다는 것을 나타낸다.
• 비선형 I-V 특성과 큰 국소 전기장 변동이 관찰되어 강한 전자 국소화 및 phase-separated sp²/sp³ 도메인에 의해 영향을 받는 복잡한 전도도 거동을 시사한다.
• 저온에서 2차원 Mott-VRH 모델의 이탈은 전기장에 의해 유도되는 힘(예: Efros-Shklovskii VRH)으로의 전이를 시사하며, 전기장이 전도도 조절에 중요한 역할을 한다는 것을 강조한다.