[논문 리뷰] Turbostratic graphitic microstructures: electronically decoupled multilayer graphene devices with robust high charge carrier mobility

Yenny Hernández, S. Schweitzer외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 25.

Graphene research and applications참고 문헌 26인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 회전 배열이 무작위로 이루어진 다층 그래핀 미세구조(터보스트라틱 다층 그래핀)가 전자적으로 분리된 거동를 나타내며, 층 두께와 무관하게 10⁵ cm²/(V·s)를 초과하는 높은 전하 운반자 이동도를 유지함을 보여준다. Raman 스펙트로스코피와 TEM을 통해 확인된 구조적 및 전자적 분리로 인해, 기계적 내구성이 뛰어나 고장에 강하며 열화에 대한 민감도가 낮은 안정적인 고성능 전자 소자가 가능해진다.

ABSTRACT

Carbon nanomaterials continue to amaze scientists due to their exceptional physical properties. Recently there have been theoretical predictions and first reports on graphene multilayers, where, due to the rotation of the stacked layers, outstanding electronic properties are retained while the susceptibility to degradation and mechanical stress is strongly reduced due to the multilayer nature. Here we show that fully turbostratic multilayer graphitic microstructures combine the high charge carrier mobilities necessary for advanced electronic and spintronic devices with the robustness of graphitic structures. Structural characterization of disk-shaped graphitic microstructures using Raman spectroscopy and Transmission Electron Microscopy (TEM) reveals Moiré and diffraction patterns corroborating their turbostratic nature. Electronic transport characterization yields reproducible high mobilities > 105 cm^2(Vs)^(-1) independent of the disks thickness, which is a direct consequence of the electronic decoupling induced by the turbostratic stacking.

연구 동기 및 목표

• 고성능 전자 및 스핀트로닉스 응용을 위한 높은 전하 운반자 이동도와 기계적 내구성을 갖춘 다층 그래핀 구조를 개발하기 위해.
• 비균일하고 회전 배열된 층을 가진 다층 그래핀에서의 전자적 분리 효과를 조사하기 위해.
• 특히 터보스트라틱 배열을 포함한 구조적 형태와 그래픽 미세구조에서의 전자적 운반 특성 간의 상관관계를 설정하기 위해.
• 기존의 다층 그래핀에 한계가 있는 바탕으로 두께에 영향을 받지 않는 재현 가능한 고이동도를 다층 그래핀 소자에서 실현하기 위해.

제안 방법

• 화학 기상 에피택시 또는 유사한 방법을 이용한 디스크형 다층 그래핀 미세구조의 합성.
• 모리 패턴 및 층 배열의 무질서를 탐지하기 위해 Raman 스펙트로스코피를 이용한 구조적 특성 분석.
• 터보스트라틱 배열과 장거리 질서의 부재를 확인하기 위해 투과형 전자 현미경(TEM) 분석.
• 다양한 층 두께에서 전하 운반자 이동도를 측정하기 위한 전자 운반 특성 측정.
• 베르날 또는 회전 정렬이 없는지를 검증하기 위해 각도 의존성 Raman 스펙트로스코피 및 衍射 패턴 분석.
• 다른 두께에서의 이동도 값을 비교하여 전자적 분리를 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터보스트라틱 배열을 가진 다층 그래핀 미세구조에서 전자적으로 분리된 층이 유지되면서도 고전하 운반자 이동도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 그래핀 층의 무작위 회전 배열은 베르날 정렬된 다층 그래핀에 비해 전자 운반 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 터보스트라틱으로 배열된 시스템에서 다층 구조의 두께가 전하 운반자 이동도에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 TEM 및 Raman 스펙트로스코피에서 관찰되는 모리 패턴과 衍射 패턴 등의 구조적 특징이 미세구조의 터보스트라틱 성격을 확인하는 데 기여하는가?
• RQ5 터보스트라틱 그래핀에서의 전자적 분리는 전자 소자의 기계적 내구성과 열화에 대한 저항성을 향상시키는가?

주요 결과

• 터보스트라틱 다층 그래핀 미세구조는 층 두께와 무관하게 10⁵ cm²/(V·s)를 초과하는 전하 운반자 이동도를 나타낸다.
• Raman 스펙트로스코피는 터보스트라틱 배열에 부합하는 특징적인 모리 패턴과 무질서에 기인한 특징을 보여준다.
• 투과형 전자 현미경(TEM) 분석에서 층 간의 회전 불일치를 나타내는 명확한 衍射 패턴이 관찰되어 장거리 질서의 부재를 확인한다.
• 무작위 층 배열에 의해 유도된 전자적 분리로 인해 층 간 결합이 방지되어 다양한 두께에서 고이동도가 유지된다.
• 소자는 열화가 최소화된 안정적인 성능을 보이며, 기계적 및 환경적 안정성이 향상됨을 시사한다.
• 결과적으로, 구조적 무질서(터보스트라틱 배열)를 공학적으로 설계함으로써 다층 그래핀에서 높은 전자적 품질을 유지할 수 있음을 확인하였다.