Proton irradiation energy dependence of defect formation in graphene

연구 배경

우주와 저궤도에서 쓰는 전자소자는 주로 고에너지 양성자로 이루어진 우주선에 의해 원자 변위 손상을 입습니다. 그래핀은 격자 상수가 작고 변위 문턱 에너지(Td)가 18~22 eV이며 두께가 0.34 nm여서 내방사선 소자의 채널 재료 후보로 거론됩니다. 그러나 MeV 양성자를 조사한 그래핀에 관한 기존 보고는 많지 않았고, 열화 기전 이해에 필요한 양성자 에너지 의존성은 다루지 않았습니다.

설계와 접근

구리 포일에서 화학기상증착으로 성장시킨 그래핀을 300 nm SiO2/Si 기판에 전사하고, Ti/Au 전극과 10 μm 채널을 갖는 전계효과 트랜지스터로 패터닝했습니다. 한국원자력의학원 MC-50 사이클로트론에서 20 MeV로 가속한 양성자를 알루미늄 감속재로 목표 에너지까지 낮추어, 총 플루언스는 같고 양성자 에너지만 다르도록 조사했습니다.

평가 방법

조사 전후의 라만 스펙트럼(532 nm, G 피크로 정규화)과 트랜지스터 전달 특성을 비교했으며, 모든 측정은 조사 5일 후에 수행했습니다. 표적에 전달된 에너지는 NIST PSTAR 보정을 적용한 Bethe 식으로 계산한 흑연 내 양성자 저지능과, 이온 저지·비정(SRIM) 몬테카를로 시뮬레이션으로 추정했습니다.

연구 내용과 주요 결과

조사 전에는 D 피크(1341 cm^-1)가 거의 없고 2D 피크가 강해 고품질 단층 그래핀임을 확인했습니다. 5와 10 MeV 조사 후에는 D 피크, D + G 피크(2934 cm^-1), Dτ 피크(1620 cm^-1)가 증가했고, I_D/I_D' 비 8~9는 결함 대부분이 공공임을 나타냈습니다. 15 MeV 시료에서는 이들 피크가 뚜렷하게 증가하지 않은 반면, sp3형 결함과 관련된 D'' 피크(1130 cm^-1)는 조사한 모든 시료에서 나타났고 2D 피크 세기는 모든 시료에서 감소했습니다.

트랜지스터에서는 5와 10 MeV 조사 후 디랙점이 이동했으며, 연구진은 그 원인으로 SiO2 내 전하 축적 가능성을 제시했고 5 MeV에서 이동 폭이 더 컸습니다. 디랙점 전류는 두 조건 모두 약 21% 감소했습니다. 15 MeV 시료는 전류 감소와 디랙점 이동과 함께 디랙점 부근에 평탄한 구간을 보였으며, 이 변화는 이 에너지에서만 나타났습니다.

흑연에서 5, 10, 15 MeV 양성자의 계산 저지능은 각각 1.20, 0.72, 0.50 eV/Å이었고 시뮬레이션한 침투 깊이는 약 178, 605, 1237 μm여서, 에너지가 낮은 양성자일수록 표면 부근에 더 많은 에너지를 전달합니다. 인용된 시뮬레이션은 5~15 MeV 양성자의 전달 에너지를 Td 경계에 해당하는 약 15~20 eV로 예측했으며, 연구진은 실험 결과에서 공공형 결함이 생기는 문턱 양성자 에너지가 10~15 MeV 사이라고 밝혔습니다.

남은 과제

연구진은 15 MeV 조사 후 디랙점이 평탄해지는 정확한 원인은 완전히 이해되지 않았다고 밝히고, 라만 결과와 비교해 sp3형 결함과 관련지었습니다. 또한 가시광 라만 분광은 sp2 자리에 sp3 자리보다 50~230배 민감하므로 D'' 피크의 낮은 세기를 다른 피크와 직접 비교할 수 없다고 적었습니다.

다른 연구와의 연결

이 논문이 인용한 Mathew 등의 연구는 MeV 양성자 조사에서 지지형·부유형 그래핀과 층수를 비교했으며, 이 연구는 플루언스와 기판을 고정하고 양성자 에너지를 바꾸었습니다.