나노기술 및 정책 정보

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□ 주요 내용

 

 

○ 고온 장치는 항공, 우주 및 군수 산업, 중공업 분야에서 모두 중대한 수요가 있을 뿐만 아니라 폭넓게 응용되고 있다.

 

○ 항공, 우주 및 군수 산업, 중공업 분야에서 하이 파워 밀도는 필수적이며 고온 환경을 피할 수 없는 특징을 보유하고 있기 때문에 고온 조건 하에서 작업할 수 있는 장치 개발은 중대 과제로 되고 있다.

 

○ 중국과학원 물리 연구소 산하 베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음) 소속 광 물리 실험실 인옌(尹彦), 왕리(汪力), 진쿠이쥐안(金奎娟) 연구원 연구팀은 나노 센터 팡잉(方英) 연구원 연구팀, 중앙민족대학 왕원중(王文忠) 교수 연구팀과 협력하여 라만 광 스펙트럼 방법과 전기 전송 측정 방법을 결합하여 전압 구동 자체 온도 상승의 그래핀 장치를 2400K 수준에 도달시켰다.

 

○ 연구팀은 라만 광 스펙트럼 방법과 전기 전송 측정 방법을 결합하여 2400K 대 온도 영역 하에서 그래핀의 특성 분석 캐리어 밀도, 드리프트 속도와 G 포논 에너지에 대한 특정 수량 측정을 실행하였는데 세 가지 량은 온도 변화에 따라 변화하는 것으로 나타났다.

 

○ 그림 1.은 그래핀 장치의 구조도 및 측정 시 연결 표시도 및 광학 상면도(Top View)이다. 장치 온도와 캐리어 농도는 장치 소스 드레인 전압(drain voltage) 변화에 따라 변화한다. 그림 2.와 그림 3.은 각각 G 모델 라만 피크 강도와 피크 위치의 실험 데이터와 시뮬레이션 결과이다.

 

○ 장치 중의 페르미 에너지 레벨은 G 라만 피크 강도와 여기 광자의 공진 행위를 통해 결정되며 페르미 에너지 레벨 결정을 통해 장치 캐리어 농도를 취득하게 된다. 장치 중의 온도는 G 라만 피크의 드리프트 량을 통해 취득되며 최종적으로 공동 매개 변수인 장치 소스 드레인 전압을 통해 장치 캐리어 농도와 온도 간의 관계를 확정하게 된다.

 

○ 그래핀 장치 본질 특징 페르미 에너지 레벨은 | EF | = 2.93kBT이고, 대응되는 본질 특징의 캐리어 농도는 nin=3.87×106cm-2K-2∙T2인 것으로 나타났다. 동 수치가 온도에 대한 민감성은 전통적인 반도체(예를 들면 실리콘 혹은 게르마늄)에 비해 한 개 수량 등급이 낮은 것으로 나타났다.

 

○ 연구팀은 관련 추산을 통해 제조가 양호한 그래핀 p-n 접합 혹은 결정체 튜브는 1500K 이상의 고온 조건 하에서 작동될 수 있으며 탄화규소(SiC)와 같이 작동된다면 그래핀은 미래 고온 장치를 개발하는 중요한 재료 중의 하나로 될 수 있다는 연구 결론을 도출하였다.

 

○ 연구팀은 관련 실험을 통해 캐리어 드리프트 속도가 온도 변화에 따라 변화하는 곡선을 그려냈다. 그림 4.는 그래핀 장치의 IV 곡선으로서 온도와 캐리어 드리프트 속도를 표시하는 곡선이다.

 

○ 연구팀이 취득한 최대 캐리어 드리프트 속도는 4×104m/s(장치 불순물 수준은 4×1012cm-2에 달함) 수준에 달하고 있는 것으로 나타났다. 장치 온도가 1000K를 초월한 후 캐리어 드리프트 속도는 전계 강도 증가와 온도 상승에 따라 감소되는데 이런 상황은 캐리어 퇴화와 Pauli가 호환되지 않는 원리의 결과에 의해 발생될 수 있다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 그래핀 G 모델 에너지가 2400K라는 큰 온도 범위 하에서의 온도 계수를 제시하였다

(ΩG=-4.596×10-6cm-1K-2T2+-0.0139cm-1K-1T+1584cm-1).

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 라만 광 스펙트럼 방법과 전기 수송 특정 수량을 결합하여 2400K 큰 온도 범위 내에서 그래핀의 본질 특징 캐리어 밀도, 드리프트 속도와 G 포논 에너지를 측정하였다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀의 본질 특성 캐리어 농도가 온도에 대한 민감성은 전통 반도체 재료보다 한 개 수량 등급이 낮다는 점을 발견하였으며 그래핀은 고온 장치 개발 재료로서 양호한 잠재력을 보유하고 있다는 점을 발견하였다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 캐리어 드리프트 속도가 강한 전계 강도와 고온 하에서의 나타내는 특정 수량 행위 곡선을 그려냈으며 G 모델 에너지가 2400K 온도 영역 하에서의 온도 커플링 계수를 분석하였다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀을 일종 고온 장치 재료로 사용할 때의 우수한 잠재력을 해석하였으며 그래핀 응용의 새로운 연구 방향을 제시하였다.

 

○ 이번 연구를 통해 달성한 연구 성과는 그래핀이 높은 전계 강도 및 고온 조건 하에서 나타내는 물리 행위를 이해하고 계량적 분석을 실행하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있다.

 

○ 연구팀의 관련 연구 성과는 ‘네이처(Nature)’ 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 실렸다(Scientific Reports 4,5758 (2014)；doi:10.1038/srep05758).

 

○ 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 '청년 과학기금 프로젝트' 비용, 국가과학기술부의 '중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)' 비용, 국가교육부의 '귀국 유학 기금 프로젝트' 비용 지원을 받아 추진되었다.

그림 1. (a) 그래핀 장치의 구조와 전자학 측정 표시도 (b) 장치 A의 광학 상면도

(c) 장치 B의 광학 상면도

장치의 길이와 폭을 그림에 표시하였는데 블루 색상의 원형 점은 측정 시의 광학 초점임. 자모 D와 S는 각각 드레인 전극과 소스 전국을 표시함

 

그림 2. G모델 강도는 장치 소스 드레인 전압 변화에 따른 측정과 시뮬레이션 결과임.

(a) 장치 A, 장치 소스 드레인 전압 하에서의 스캐닝 결과임. 피팅은 장치 소스 드레인 전압≥9 V의 데이터 점을 사용함으로써 고온 데이터 점은 더욱 이상적인 피팅 비중을 취득할 수 있도록 하였음. 최고 좌표는 취득한 장치가 다른 장치 소스 드레인 전압 하에서 대응되는 캐리어 페르미 레벨을 표시함.

 

그림 3. 장치 A의 G 모델 피크 위치와 장치 소스 드레인 전압 간의 관계를 표시함.

블루 색상의 4각형, 붉은 색상의 텐 포크와 블루 색상의 원형 데이터 점은 각각 장치 소스 드레인 전압 하에서의 다운스트림 스캐닝 데이터 점과 업스트림 스캐닝 데이터 점 및 수정을 거친 캐리어 농도 영향 하에서의 다운스트림 스캐닝 데이터임. 블루 색상의 곡선은 수정을 거친 데이터 점의 2차 곡선 피팅으로서 장치가 다른 장치 소스 드레인 전압 하에서의 대응 온도를 표시함.

 

그림 4. 그래핀 장치의 IV 곡선, 온도 및 캐리어 드리프트 속도 곡선임.

 

장치 중의 결함 수준은 4×1012cm-2보다 큼. 붉은 색과 검은 색 솔리드 기호는 장치 소스 드레인 전압의 다운스트림과 업스트림 스캐닝 IV 곡선으로서 좌측 Y축을 사용함. 붉은 색상과 검은 색상의 솔리드 기호는 전류와 캐리어 농도 추이를 통해 취득한 캐리어 드리프트 속도로서 우측 Y 축을 사용함. 상단 축에 표시된 장치의 온도와 장치 소스 드레인 전압은 직접적인 선형 관계를 보유하고 있음.