Development of Nanoscale Graphitic Devices and The Transport Characterization

Abstract

본 학위논문에서는 그래파이트재료기반의 나노스케일 전자소자의 제작 및 전송특성에 대하여 연구를 수행하였으며, 집속이온빔의 3차원 가공기술을 이용한 나노크기 그래파이트 적층구조접합의 제작, 단층의 그래파이트 (graphene)의 제작 및 전기전송특성분석, 그리고 산화물그래핀재료의 합성 및 전계효과트랜지스터의 전송특성에 대하여 조사하였다.

제1장에서는 탄소족으로 구성되는 그래파이트, 그래핀, 그래핀산화물의 전자특성과 구조등을 포함하는 기초물성을 위주로 토론하였으며, 나노스케일에 이르는 그래파이트기반의 전자소자개발의 필요성에 대하여 설명하였다. 제2장에서는 물성특성분석 및 소자제작을 위하여 사용된 3차원 집속이온빔가공법, 기계적박리기술 및 식각방법 등 3가지 소작제작기술에 대하여 설명하였다. 제3장에서는 면내(in-plane)결정방향에 따라 제작된 그래파이트 평판형구조소자의 온도의존성에 대하여 보고하였다. 제4장과 5장에서는 대면적의 면내그래파이트평판구조 (면내 혹은 c축에 따라 제작된)의 제작 및 전기전송특성에 대하여 토론하였고, 제작구조의 전기전송이방성에 대하여 간단히 기술하였다 제6장에서는 서브마이크론크기의 그래파이트적층구조의 제작 및 전기전송특성에 관한 소자제작 및 실험결과에 중점을 두고 설명하였으며, 다양한 면내크기 (동일적층높이)의 서브마이크론크기의 접합과 전기전송특성에 대하여 비교 설명하였다. 제7장에서는 나노스케일의 그래파이트 적층구조의 다양한 면내크기 및 적층높이에 따른 저항-온도의존성, 전류-전압특성 등을 조사하였다. 비선형전송특성의 발견과 그 원인에 대하여 자세히 설명 하였다. 제8장에서는 그래핀전계효과트랜지스터의 온도의존성에 대하여 연구하였으며, 소자제작을 위하여 식각기술과 기계적인 박리방법을 사용하였다. 마지막장인 제9장에서는 산화그래핀나노입자의 합성에 대하여 설명하였으며, 그래핀산화물 박막의 극저온에서의 전기전송특성에 대하여 조사하였다. 특성분석을 위하여, XRD, UV-Vis, FT-IR 그리고 SEM관찰을 실시하였으며, 산화물그래핀 박막소자의 전계효과트랜지스터의 특성에 대하여 보고 하였다.

This dissertation describes the development of graphitic based nanoscale devices with its fabrication and transport characterization results. It covers graphite nano-scale stacked-junctions fabricated using focused ion beam (FIB) 3-D etching technique, a single layer graphite layer (graphene) preparation and its electrical transport characterization results and the synthesis and investigation of electrical transport behavior of graphene oxide based thin film devices. The first chapter describes the basic information about the carbon family in detail in which the electronic properties and structure of graphite, graphene and graphene oxide are discussed. In addition, the necessity of developing nanoscale graphitic devices is given. The second chapter explains the experimental techniques used in this research for fabricating nanoscale devices which includes focused ion beam 3-D fabrication procedures, mechanical exfoliation technique and photolithographic methods. In third chapter, we have reported the results on temperature dependence of graphite planar-type structures fabricated along ab-plane. In the fourth and fifth chapters, the fabrication and electrical transport characteristics of large in-plane area graphite planar-type structures (fabricated along ab-plane and c-axis) were discussed and their transport anisotropy properties were investigated briefly. In the sixth chapter, we focused the fabrication of the submicron sized graphite stacked junctions and their electrical transport characterization studies. In which, FIB was used to fabricated the submicron junctions with various in-plane area (with same stack height) are and their transport characteristics were compared. The seventh chapter reports investigation of electrical transport results of nanoscale graphite stacked-junctions in which the temperature dependent transport (R-T) studies, current-voltage measurements for the various in-plane areas and for various stack height samples were analyzed. The observation of nonlinear transport characteristics and their origin were explained in detail. The graphene field effect transistor characteristics with temperature dependence were studied in the chapter 8. These devices were patterned using mechanical exfoliation method followed by photolithographic techniques. In final, the synthesis of graphene oxide (GO) nano particles is explained in the chapter 9. In addition, the electrical transport of GO thin films was investigated in which low temperature properties are also given. The characterization techniques like XRD, UV-Vis, FT-IR and SEM analysis are also included in this chapter. The field effect transistor characteristics of GO thin film devices are also reported in this chapter.