[논문 리뷰] Production, Processing and Placement of Graphene and Two Dimensional Crystals

Francesco Bonaccorso, Antonio Lombardo외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 13.

Graphene research and applications참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 그래핀과 이차원(2D) 결정의 스케일러블한 제조, 가공 및 배치 기법을 종합적으로 검토하며, 화학기상증착(CVD), 액체상 분리 및 이송 방법을 중심으로 다룹니다. 이러한 접근 방식이 전자기기, 옵토일렉트로닉스 및 복합재료 분야에서 고성능 2D 재료의 대량·저비용 제조를 가능하게 함을 보여줍니다.

ABSTRACT

Graphene is at the centre of an ever growing research effort due to its unique properties, interesting for both fundamental science and applications. A key requirement for applications is the development of industrial-scale, reliable, inexpensive production processes. Here we review the state of the art of graphene preparation, production, placement and handling. Graphene is just the first of a new class of two dimensional materials, derived from layered bulk crystals. Most of the approaches used for graphene can be extended to these crystals, accelerating their journey towards applications.

연구 동기 및 목표

• 실제 응용을 가능하게 하기 위해 산업 규모의 저비용·신뢰성 있는 그래핀 및 2D 재료의 제조 기술에 대한 필수적 수요를 해결한다.
• 기계적 분리, 화학기상증착(CVD), 액체상 분리와 같은 주요 합성 기법을 체계적으로 평가하고 비교한다.
• 유연성 및 유전체 기반 플랫폼을 포함한 다양한 기질에 그래핀 및 2D 재료를 통합하기 위한 이송 및 배치 전략을 탐색한다.
• 검토된 방법을 다른 2D 재료 및 이종구조로 확장하여 나노전자 및 포토닉스 분야의 새로운 장치 개념을 가능하게 한다.
• 향후 2D 재료 기반 기술의 상용화를 위한 스케일업, 결함 제어 및 통합 분야의 주요 과제를 규명한다.

제안 방법

• 마이크로기계적 균열, CVD, SiC 기반 에pitaxial 성장, 화학적 합성 등을 포함한 11가지 주요 그래핀 제조 기법을 검토하고 분류한다.
• 기판으로의 이송, 도핑, 자가 배열 단층막을 이용한 표면 기능화를 포함한 후처리 가공 방법을 분석한다.
• 잉크 제조 및 대면적 필름 증착을 위한 액체상 분리(LPE) 및 분산 기반 기법을 평가한다.
• 정밀한 이종구조 조립을 위한 디에일렉트로포레시스(DEP), 잉크젯 프린팅, 용매열 합성과 같은 고급 이송 기법을 조사한다.
• 이온성 액체 및 계면활성제(예: SDBS, SC)를 사용하여 분산 안정화 및 플레이크 크기 및 층 수 제어를 분석한다.
• 고성능 이종구조를 위해 헥사고날 붕소 nitride(h-BN) 및 SiO₂와 같은 유전체와 2D 재료를 통합하는 전략을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산업 규모에서 고성능 그래핀 및 2D 결정을 대량·저비용으로 생산하기 위한 가장 스케일러블하고 비용 효율적인 방법은 무엇인가요?
• RQ2 기질에 그래핀 및 2D 재료를 이송할 때 재료 품질을 유지하고 장치 통합을 가능하게 하기 위해 이송 과정을 어떻게 최적화할 수 있나요?
• RQ3 액체상 분리 및 분산 기법을 얼마나 제어할 수 있을지, 조절 가능한 면적을 갖는 균일한 소수층 또는 단일층 플레이크를 생산할 수 있는지의 정도는 어느 정도인가요?
• RQ4 DEP, 잉크젯 프린팅 또는 용매열 합성 같은 기법을 통해 2D 재료의 이종구조를 원자 수준 정밀도로 조립할 수 있는가요?
• RQ5 실제 전자 기기용으로 사용하기 위해 유전체 기질 상에 대면적·균일·고이동도 2D 필름을 직접 형성하는 데 있어 주요 과제는 무엇인가요?

주요 결과

• 화학기상증착(CVD)은 투명 전도 필름 및 터치 스크린 등에 적합한 대면적·고품질 그래핀 필름 제조를 위한 주요 방법으로 부상하고 있습니다.
• 액체상 분리(LPE)는 2D 재료의 잉크 및 분산액을 생산할 수 있게 하며, 프린팅 및 복합재 제조 분야에서의 스케일러블한 응용 가능성을 지닙니다.
• 이송 기법은 여전히 주요 난제로 남아 있으며, 비록 진전이 있었지만 신뢰성 있고 저비용이며 결함 최소화를 위한 이송 과정 개발은 여전히 진행 중입니다.
• 그래핀/h-BN와 같은 다양한 2D 재료를 스택한 이종구조는 전자적 성질을 조절할 수 있어 새로운 전자기기 및 옵토일렉트로닉스 장치에 대한 잠재력을 지닙니다.
• 계면활성제 엔지니어링 및 밀도 기반 초순수 분리 기법인 밀도 기반 경량화 초순수 분리(DGU)를 통해 LPE에서 유도된 분산액의 층 수, 면적 및 두께 제어를 향상시킬 수 있습니다.
• 벤젠을 구조 블록로 사용한 화학적 합성 및 표면 기능화를 통한 합성 방법은 원자 구조가 정밀하게 제어된 그래핀 나노리본 및 양자점의 제작을 가능하게 하며, 도핑 또한 제어할 수 있습니다.