PFO-BPy로 코팅된 (6,5) 단일벽 탄소나노튜브 기반 장효과 트랜지스터의 특성

Abstract

단일벽탄소나노튜브는 그래핀과 풀리렌 같이 탄소 기반 물질로서 물리/화학적 특성이 뛰어나다. 또한 1차원 물질로서 전기적 특성과 광학적 특성에 관련해 많은 연구가 되었다. 제작 방법부터 응용 소자까지 그래핀과 같이 많은 연구가 이루어질 것으로 예상된다. 제작 방법에서는 촉매를 이용한 화학 기상 증착법이 상업적으로 제작된다. 여기서 대표적으로 사용되는 촉매가 고압력 일산화탄소과 Co와 Mo의 혼합물을 이용한 정제법이 있다. 단일벽탄소나노튜브는 구조적으로 정의할 때 3가지 형태(zigzag, armchair, chiral)를 가진다. 일반적으로 정의하기 위해 구조적인 특성을 키랄성(Chirality)으로 정의하고 lattice index를 사용하여 (n,m) 단일벽 탄소나노튜브라 칭한다. (n-m) = ±3q (q 는 정수) 와 같은 식을 만족하는 2가지 구조를 가진 단일벽 탄소나노튜브는 전기적 성질이 금속의 성질을 가지고 그렇지 않은 경우는 반도체의 성질을 가진 것으로 알려져 있다. 촉매를 이용하여 제작된 단일벽탄소나노튜브는 하나의 키랄성이 고순도로 정제되는 형태이지 100%의 순도를 가진 한가지 구조의 단일벽탄소나노튜브를 정제해내는 방법은 아직 많은 연구가 이루어지고 있다. 대표적으로 추가 보완하기 위해 1가지 정제방법을 더 거치게 된다. 여기서, polyfluorene copoly-mer을 사용하여 한번 더 정제과정을 거치게 된다. 이 copolymer는 키랄성이 (6,5)와 (7,5) 반도체 성질을 가진 단일벽탄소나노튜브를 선택적으로 뽑아낼 수 있는 역할을 하게 된다. 만약 이 과정을 거치지 않고 탄소나노튜브 기반 소자를 제작할 경우, 다른 구조의 단일벽 탄소나노튜브도 포함이 되므로 만약 금속의 성질을 가진 나노튜브가 소자로 제작되어버리면 반도체 소자 자체의 성능이 떨어지게 된다. 일반적으로 탄소나노튜브 기반 트랜지스터의 경우 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transis-tor의 경우를 따르므로 이 트랜지스터의 성능에 on-off ratio에서 금속 성질의 단일벽탄소나노튜브가 떨어뜨리는 역할을 한다. 또한 광학적 현상을 관측할 경우 단일벽탄소나노튜브는 1차원 물질로서 Van Hove singularity 을 따라 예상되는 광학적 전이 현상이 아니면 구분하기가 힘든 것이 사실이다. 하지만 단 하나의 키랄성을 갖는 단일벽탄소나노튜브의 경우 이러한 연구에 많은 기본적인 연구를 할 수 있을 것으로 예상된다. Co와 Mo의 혼합물을 촉매제로 이용하여 정제된 단일벽탄소나노튜브를 한번 더 9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl and bipyridine (PFO-BPy)을 이용하여 정확히 키랄성이 (6,5)인 단일벽탄소나노튜브만 선택적으로 정제해낼 수 있게 된다.(≥ 99.999%) 이 단일벽탄소나노튜브를 이용하여 소자 제작을 진행하였다. 3개의 터미널을 가진 트랜지스터를 제작 후 전기적 특성을 측정하였다. 소스와 드레인의 전극은 Pd을 사용하였다. Pd는 단일벽탄소나노튜브의 가전자대와 일치가 잘되어 전위장벽이 없는 것으로 알려져 있다. 이러한 방법으로 만들어진 (6,5) 단일벽탄소나노튜브 기반 트랜지스터는 p-type 거동을 보였고 on-off ratio는 >100 를 가졌다. 또한 mobility는 (8.6 ± 1.3)  10-2 cm2/V-s을 측정하였다. 전기-광학적 특성을 또한 보기 위해 Xe lamp 와 단색화 장치를 이용하여 가시광선 영역 (400-700 nm)에 대해 광전류 측정을 진행하였다. Gate 전압이 상대적으로 작을 때, 즉 채널이 형성이 시작될 때쯤, 1차원 물질로서 발생되는 Van Hove singularity S22가 측정되었다. 여기서, 흡수 스펙트럼과 다르게 10-20 nm 청색 이동하여 광전류로 측정되었다. 또한, Gate가 상대적으로 클 때, 즉 채널이 형성이 완료될 경우, S22에서 발생되는 광전류가 증폭되지 않고 포논의 작용에 의해 S22의 피크점이 갈라지는 듯한 현상을 보였다. 이러한 결과를 토대로 분석을 하자면 기존에 보고된 단일벽탄소나노튜브의 도핑을 Gate가 해준 것으로 예상된다. 즉, Gate의 전압에 따라 단일벽탄소나노튜브의 채널이 형성되는 동시에 doping의 역할까지 진행된 것으로 예상된다. 결론적으로 Gate의 역할로 인해 광학적 특성에서 S22 transition과 S22+phonon transition을 확인하였다.