단결정 게르마늄 기판을 이용한 평면 내 그래핀 육방정계 질화붕소 이종접합 구조의 성장과 특성

Abstract

본 연구팀은 단결정 게르마늄 (Ge) (110) wafer의 표면에서 평면 내 그래핀 육방정계 질화붕소 이종접합 구조 (in-plane GBN heterostructure)의 성장이 잘 된다는 것을 보였다. IV 족 반도체 재료인 Ge은 그래핀 (graphene)과 육방정계 질화붕소 (h-BN)의 에피택시 (epitaxy)한 성장에 적합한 촉매이다. 따라서 가열 영역이 두 부분인 저압 화학 기상 증착 (LPCVD) 장비를 사용하여 Borane-Ammonia 복합체 (NH3-BH3)와 메테인 (CH4) 가스를 순차적으로 반응하도록 하여 in-plane GBN heterostructure를 합성하였다. 전자 현미경을 비롯하여 다양한 분광 분석을 기반으로 Ge (110) wafer에서 합성된 h-BN의 도메인 (domain)의 가장자리부분은 graphene이 측면 epitaxy 성장을 할 수 있게 해주는 핵 형성 부위가 되어 손쉽게 in-plane GBN heterostructure를 합성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 우리는 그래핀 육방정계 질화붕소 (GBN)에서 h-BN domain의 면적과 밀도를 시간만을 변수로 두어 체계적으로 제어하고 전도체인 graphene과 부도체인 h-BN의 비율을 기반으로 GBN의 전기전도도 변화를 관찰하였다. 이 결과는 2차원 벌집 구조 재료의 퍼콜레이션 이론 (percolation theory)을 따른다. 본 연구팀의 합성에 대한 접근 방식은 평면 내 이종접합 구조 (in-plane heterostructure)의 대면적 합성이나 물성 제어를 위한 실용적인 방법의 교두보가 될 수 있다. 이 방식은 다양한 유형의 2차원 재료들의 이종접합 구조에 적용할 수 있을 것이며 전자 장치와 같은 광범위한 응용 분야에 대해 높은 잠재력을 가지고 있다.