Refractive index characterization of CVD graphene using near-field optical techniques

Abstract

탄소원자 단일층인 그래핀은 전기적, 광학적, 열적, 기계적인 특성이 매우 뛰어난 물질로 최근 다양한 분야에서 활발히 연구가 진행 중이다. 나노미터 미만에서 수 나노미터의 두께를 가진 그래핀의 신뢰성 있는 가시화 및 측정은 기초연구뿐만 아니라 실용적인 측면에서도 상당히 중요한 연구 주제이다. 본 연구에서는 그래핀을 가시화하고, 그 층수를 판별하고, 복소 굴절률을 계측하는 새로운 광학적인 방법을 개발하였다. 이를 위해 세 가지 근접장 광학 현상 또는 방법인 표면 플라즈몬 공명(SPR), 감쇠전반사(ATR), 타원편광 분광법(SE)가 사용되었고, 세 경우 모두 주사 탐침이 사용되지 않는 방법이다. 높은 신뢰성으로 CVD (화학기상증착) 그래핀의 층수를 세기 위해서 48 nm 두께의 금박 위에 그래핀을 올리고 SPR 반사광을 측정하였다. SPR 방법은 가장 민감하게 굴절률 변화를 감지할 수 있는 방법으로, 본 연구에서도 1장, 3장, 5장 그래핀을 성공적으로 구별해내었다. 입사각에 따른 반사도, 즉 R(θ)뿐만 아니라 반사가 최소인 입사각에 해당하는 SPR 각도 또한 Fresnel의 반사 공식으로부터 계산된 이론과 잘 맞게 측정되었다. 그래핀이 원자 한 층으로 이루어져 매우 얇지만, SPR 측정 환경을 그래핀 판별에 최적화하여 근접장 감도가 매우 좋기 때문에 이렇게 층수를 판별해 낼 수 있었다. 이는 그래핀의 층수를 판별하기 위해 진행된 선행연구인 라만 분광법, 원자 힘 현미경(AFM), 반사 분광법 등이 모두 정확도, 신뢰성, 측정 범위 등에 뚜렷한 한계가 있는 것과 대조적이다. 이러한 단점들은 특히 CVD 그래핀의 층수를 셀 때에 더욱 부각되는데, 이는 CVD 그래핀의 넓이가 넓고, 물리적인 두께가 불규칙적이며, 격자(grain) 도메인이 임의적으로 정렬되어 있으며, 전사 도중에 불순물이 남기 때문이다. 그래핀의 복소 굴절률을 측정하기 위해 SPR과 ATR의 반사광을 동시에 이용하는 방법이 새롭게 개발되었다. 기존의 그래핀 굴절률 측정법들이 하나의 계측과 피팅으로 2개의 결과를 얻는 것과는 다르게, 이 방법은 2개의 독립적 계측으로 2개의 결과를 얻으므로 보다 근본적인 정확도 확보가 가능하다. 더욱이, 이 두 계측은 모두 그래핀과 근접장과의 상호작용에 기반을 두고 있기 때문에 더욱 굴절률 감도가 높으며, 이는 감도와 측정의 불확도에 대한 이론적 분석으로 알아볼 수 있었다. 1층, 3층, 5층 CVD 그래핀의 634 nm 파장에 대한 굴절률은 기존 선행 연구들에서 보고되었던 값들의 중간 지점에 위치하고 있으며, 그 산포는 ±3% 이내이고, 본 연구에서 수행된 밀도범함수(DFT) 계산 결과와도 근접하였다. 그래핀의 광학적 물성의 정확한 측정은 opto-thermal 라만 분광법을 통한 그래핀 열전도도 계측, 유연한 디스플레이나 투명 전극 등의 설계에서의 광학적인 설계 등에 크게 도움이 될 것이다. 마지막으로, 타원편광 분광법을 통해 질소 도핑된 그래핀의 복소 굴절률 계측하였다. 본 연구에서 수행된 DFT 계산 결과 및 기존의 선행 연구 결과에 따르면 질소 도핑은 그래핀의 광학적 물성을 특정한 파장에 대해서만 변화시킬 수 있으므로 다양한 파장에서의 계측, 또는 궁극적으로 전 파장에 대한 계측을 통해서 순수 그래핀과 비교를 하는 것이 바람직하다. 본 연구에서 개발된 SPR과 ATR을 동시에 이용하는 방법은 단일 파장 측정에 최적화되어 있기 때문에 타원편광 분광법이 사용되었다. 측정 결과 질소 도핑된 그래핀은 순수 그래핀에 비해 굴절률의 실수부와 허수부가 줄어들었으며, 이는 도핑 과정에서 그래핀 층에 결점(defects)이 늘어나서 전하의 이동도가 줄어든 결과로 볼 수 있다. 향후 그래핀 합성, 전사 및 측정 기법을 더욱 개선하면 질소 도핑만의 효과를 관찰할 수 있을 것이다.