Electrical Transport in Halogen-doped Graphene

Abstract

이 학위논문에서는 할로겐 분자(요오드, 브롬) 를 이용하여 화학적으로 도핑된 그래핀의 전하수송특성에 관한 연구에 대한 내용을 작성하였다. 도핑에 대한 증거는 또한 라만 스펙트럼으로 확인하였다. 여기에서 우리는 도핑된 그래핀의 전하수송 특성이 도핑 첨가물에 의한 산란현상을 탐구하는 기회를 제공할 것으로 기대한다.

우리는 할로겐 물질인 요오드와 브롬 분자를 이용하여 단 겹, 여러 겹 그래핀의 전하수송 현상을 연구하였다. 단 겹 그래핀에서 이 도핑의 경우, p 타입 도핑을 의미하는 전하 중성 점의 홀 영역 이동, 그리고 전하 이동도의 감소를 관찰하였다. 그러나, 다른 물질을 이용한 도핑의 경우와 비교했을 때, 할로겐 도핑에 의한 전하이동도 감소는 매우 약하다. 이에 할로겐 분자는 전하 이동도를 심하게 저하시키지 않는 동시에 전하밀도를 변화시킬 수 있는 효과적인 도핑 첨가물이라 할 수 있다. 이는 그래핀과 실리콘 옥사이드 사이에 삽입된 할로겐 분자에 의한 스크린 효과 때문에 전하 불순물 산란이 감소되었기 때문으로 이해된다. 또한 전하 중성 점에서 저항의 최대값이 연속되는 도핑에 따라 감소하는데, 이는 칼륨, 티타늄, 백금, 철, 금 과 같은 도핑 첨가물과 다른 특성이다. 이는 단 겹 그래핀의 경우 할로겐 도핑의 고유한 특성이다. 또한 전하 이동도와 저항의 최대값을 다른 도핑 결과와 비교하였다. 저항의 최대값은 할로겐 도핑에 의해 그래핀 표면에 형성된 불순물과 실리콘 옥사이드에 존재하는 불순물에 의해 형성된 전자-홀 웅덩이가 만들어 낸 잔여 전하밀도와 연관되어 있다. 할로겐 분자는 그래핀 표면의 전자-홀 웅덩이에 전하를 주입하는 역할을 한다. 따라서 도핑에 의한 잔여 전하밀도 증가는 전하 중성 점에서 그래핀의 전기전도도 증가에 기여한다. 이 결과를 확신하기 위해 그래핀의 가장자리를 고분자 충으로 덮고 선택적으로 도핑 하였다. 그 결과 앞서 관찰한 특이한 현상들이 더 이상 나타나지 않았다. 따라서, 이 실험 결과들은 그래핀과 실리콘 옥사이드 사이에 삽입된 할로겐 분자들이 실리콘 기판에 존재하는 전하 불순물을 스크린 한 결과로 이해할 수 있다. 여러 겹 그래핀에서 홀 도핑은 전하 중성 점의 이동으로 관찰되었다. 그러나, 단 겹 그래핀의 경우와 달리, 저항의 최대값은 도핑에 따라 증가하였다. 할로겐 분자들이 그래핀-그래핀 사이와 그래핀 층들의 하단에 삽입되었기 때문에 스크린 효과가 약해 질 수 있다. 하지만, 불행하게도 이 효과에 대한 분명한 원인은 밝혀지지 않았다. 이 효과를 이해하기 위해서는 정성적이고 정량적 분석이 더 이루어 져야 할 것으로 생각한다. 도핑 효과는 전하수송 측정 뿐 아니라 라만 스펙트럼을 통해서도 관측되었다. 비록 도핑 된 그래핀에 대한 여러 라만 결과들이 선행되었다고 할 지라도, 이는 할로겐 도핑에 대한 유용한 정보를 제공한다. 할로겐 도핑에 대한 두 가지 주된 효과는 다른 물질을 이용한 도핑에서도 잘 알려져 있다. 첫 번째는 요오드와 브롬 도핑 된 단 겹 그래핀에서 양의 뱡향으로의 G-밴드 이동이다. 특이하게도, 브롬 도핑 된 여려 겹 그래핀에서 G-밴드 갈라짐이 관측되었는데, 이는 그래핀 층 사이로 브롬 분자가 삽입된 결과이다. 두 번째로, 2D-밴드 크기의 감소이다. 이는 전자 간 산란 효과로서 이해되고 있다. 추가적으로 할로겐 도핑의 안정성을 G-밴드 이동으로 가늠하였다. 도핑 두 달 결과 후 G-밴드의 음의 방향 이동이 관측되었다. 그러나 겹 수가 증가함에 따라 그 이동은 작거나 무시 할 만한 수준이다. 이 실험은 전기 신호 측정을 위한 전극의 산화를 최소화 하기 위해 고 진공에서 수행되었다. 그리고 할로겐 도핑은 상온에서 할로겐 분자에 반응성이 없는 유리 튜브 내에서 이루어 졌다.

In this dissertation, electrical transport properties of chemically doped graphene with halogen molecules (I2 and Br2) are studied. The evidence of doping was also confirmed by Raman spectrum. Here, we expect that the carrier transport in doped graphene gives the chance to investigate the scattering mechanism by dopants.

We have investigated the transport properties of mono and multi-layer graphene doped with halogen molecules, iodine (I2) and bromine (Br2). For these doping on monolayer graphene, the charge neutrality point (CNP) shifts to the hole carrier regime indicating p-type doping, and the carrier mobility is reduced. As compared to doping with other dopants, however, the reduction of mobility is much weaker for halogen doping. Halogen molecules can be effective dopants for the graphene monolayer which change the carrier concentration without significant degrading of carrier mobility. This is understood as a reduction of charged impurity scattering by screening due to halogen molecules intercalated between graphene and SiO2. Also, the maximum resistances (Rmax) at the CNP are reduced with subsequent doping for the monolayer graphene, in strong contrast to the case with other dopants such as potassium (K), titanium (Ti), platinum (Pt), iron (Fe) and gold (Au). This result is considered as a fingerprint of monolayer graphene in halogen doping. In order to estimate the mobility and Rmax change, we compare the gate-dependent resistivity to the doping with other dopants. The Rmax is related with residual carrier density (n0) due to electron-hole puddle formed by the doping induced impurities on graphene or the charged impurities embedded on SiO2. The halogen molecules inject charge carriers into electron-hole puddle on graphene. Thus, the residual carrier density induced by doping contributes the conductivity of graphene at CNP. So as to confirm these results, the graphene layer was doped selectively by covering its edge with a polymer layer. As a result, such unconventional behaviors were not observed any more. Therefore, these observations can be understood that intercalated halogen molecules between the graphene layer and the underlying substrate leads to screening of the charged impurities embedded in SiO2 substrate. The hole doping effect by halogen molecules was measured in multi-layer graphene and CNP shift was observed, too. However, on the contrary to the result of monolayer graphene, the Rmax increasing with doping was observed. Because halogen molecules can be intercalated into graphene layers and underlying graphene, screening effect is considered to be weakened. However, unfortunately, the origin of this effect was not interpreted clearly. In order to understand the effect, further qualitative and quantitative descriptions are needed. The evidence of doping can be observed Raman spectrum as well as electrical transport measurement. Although there are several previous data of Raman spectrum for doped graphene, we can obtain the information of halogen doping on graphene. There are two main effects of halogen doping which are well known on other types of doping. One is the G-peak upshift which is observed in I2- and Br2-doped monolayer graphene. In particular, G-peak splitting was observed in multi-layer graphene doped with Br2 on account of intercalation between graphene layers. The other is reduction of 2D-peak intensity. It is interpreted as an electron-electron scattering effect. Additionally, the stability of halogen doping was estimated with the observation of G-band shifts by aging. After 2 months later, the G-peak downshifts were observed. However, as the number of layer increases, the shifts are small or negligible. The electrical transport measurement was performed in a high vacuum in order to minimize the oxidation of electrodes during detection of electrical signal. And the halogen doping was performed in a glass tube that is inert on halogen molecules at room temperature.