Chemical Bonding Elucidation of Graphene Films Synthesized by Low Temperature CVD-Growth

당신이 우주에서 가장 강하고, 가장 얇으며, 가장 마법 같은 재료인 그래핀을 만들려고 노력하는 아주 작은 건축가라고 상상해 보세요. 이 재료는 탄소 원자들이 미세한 닭장 울타리처럼 완벽한 벌집 모양으로 배열되어 만들어진 그래핀입니다. 이것은 매우 가볍고 강해서, 과학자들은 이를 이용해 더 빠른 컴퓨터, 유연한 화면, 그리고 초효율적인 태양광 패널을 만드는 것을 꿈꾸고 있습니다. 하지만 그래핀을 만드는 것은 까다롭습니다. 보통, 재료를 탄소 원자들이 올바르게 결합하도록 하려면 화산보다 뜨거운 온도(약 1000°C)로 요리해야 합니다. 이는 섬세한 재료에 적용하기에는 비용이 많이 들고 어렵습니다.

이 논문은 "화학 기상 증착법(CVD)"이라고 불리는 과학의 한 구석을 파고듭니다. CVD를 고성적 오븐이라고 생각하면 됩니다. 이 오븐은 금속판 위에 가스나 액체를 뿌리면, 그 스프레이 속의 원자들이 판에 달라붙어 새로운 층을 형성하는 방식입니다. 여기서 큰 질문은, 우리가 그래핀을 일반적인 불꽃 같은 뜨거운 열이 아니라 은근한 불꽃처럼 훨씬 낮은 온도에서 만들 수 있을까 하는 것입니다. 이를 위해 연구원들은 "전구체(precursor)", 즉 시작 재료를 만지고 있습니다. 단순한 메탄 가스를 사용하는 대신, 그들은 액체 용매(클로로벤젠)와 플라스틱 같은 폴리머(PMMA)를 혼합하고 있습니다. 이것은 마치 물과 밀가루 대신 복잡한 반죽을 사용하여 완벽한 케이크를 구우려는 것과 같습니다. 목표는 이 복잡하고 저온인 레시피가 여전히 완벽한 벌집 구조를 만들어낼 수 있는지, 그리고 만약 그렇다면 이들을 결합하는 화학적 "풀"이 어떤 모습인지 확인하는 것입니다.

저온 주방 실험

이 연구에서 연구원들은 PMMA와 클로로벤젠의 특수한 액체 혼합물을 사용하여 구리 박(foil) 위에서 그래핀을 성장시킬 수 있는지 테스트하기로 했습니다. 이때 오븐 온도는 400°C에서 700°C 사이로 유지했습니다. 이는 표준적인 그래핀 레시피에 필요한 일반적인 1000°C보다 현저히 낮은 온도입니다. 그들은 구리 박을 깨끗한 도화지처럼 취급하여, 녹이나 불순물을 닦아내기 위해 먼저 900°C로 가열하여 표면이 탄소 원자를 받아들일 준비가 되도록 했습니다.

구리가 준비되자, 그들은 특별한 액체 혼합물을 슬라이드 위에 떨어뜨린 후 탄소를 방출하기 위해 180°C로 가열했습니다. 이 탄소 증기는 뜨거운 구리 박 위로 떠다녔습니다. 팀은 구리의 온도를 400°C, 500°C, 600°C, 700°C로 테스트하며 어떤 설정이 최고의 "케이크"를 만들어내는지 관찰했습니다.

무엇을 발견했는가: 골디락스 존(Goldilocks Zone)

결과는 마치 일렬로 늘어선 오븐들 중에서 완벽한 지점을 찾는 것과 같았습니다. 그들이 600°C에서 그래핀을 성장시켰을 때, 그것은 너무 차갑지도, 너무 뜨겁지도 않은 "골디락스" 온도였습니다. 이 특정 온도에서 그래핀 층은 가장 균일했고 최고의 구조를 가졌습니다.

그들은 자신들의 작업을 확인하기 위해 라만 분광법(Raman spectroscopy)이라는 도구를 사용했는데, 이는 물질에 특수한 레이저 빛을 비추어 어떻게 진동하는지 보는 것과 같습니다. 레이저는 그래핀의 소리에서 두 가지 주요한 "음조" 또는 피크인 G 밴드와 2D 밴드를 드러냈습니다. 이 두 음조의 비율은 그들이 얼마나 많은 층의 그래핀을 가졌는지 알려주었습니다. 600°C에서 비율은 0.45였으며, 이는 그들이 성공적으로 몇 개의 층을 가진 고품질 그래핀을 성장시켰음을 시사했습니다. 온도가 너무 낮거나(400°C) 너무 높으면(700°C) 음조가 엉망이 되었는데, 이는 그래핀이 너무 두껍거나 결함이 많다는 것을 의미했습니다.

화학 탐정 작업

하지만 연구원들은 단순히 그래핀을 만들었는지 알고 싶었던 것이 아니라, 원자들이 어떻게 서로 손을 잡고 있는지 알고 싶었습니다. 그들은 전자의 에너지 준위를 보기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)이라는 기술을 사용했습니다. 그들은 탄소 원자들이 주로 평평한 벌집 스타일(sp2라고 불림)로 결합되어 있다는 것을 발견했는데, 이것이 그래핀을 특별하게 만드는 요소입니다. 이 결합의 에너지 준위는 약 284.3 eV였습니다. 또한 그들은 284.9 eV에서 약간의 다른 울퉁불퉁한 형태(sp3)의 탄소를 발견했는데, 이는 이러한 종류의 실험에서 정상적인 것입니다.

그들은 또한 산소가 주변에 존재하는 두 번째로 흔한 원소라는 점을 주목했습니다. 이것은 산소를 그곳에 두길 원해서가 아니라, 실험을 시작하기 전에 구리 표면에서 모든 산소 원자를 완벽하게 닦아내지 못했기 때문일 가능성이 큽니다. 이것은 베이킹을 하기 전에 주방 조리대를 완벽하게 청소하려고 노력하지만, 구석에 밀가루 부스러기가 여전히 붙어 있는 것과 같습니다.

전자의 구조를 더욱 자세히 보기 위해, 그들은 근단 X선 흡수 분광법(NEXAFS)을 사용했습니다. 이것은 전자 구름을 3D X선으로 찍는 것과 같습니다. 그들은 온도가 400°C에서 700°C로 올라감에 따라 그래핀의 "질서"가 개선되는 것을 보았습니다. 완벽한 탄소-탄소 결합을 나타내는 피크는 더 날카롭고 강해진 반면, 무질서한 결함과 산소 그룹을 나타내는 피크는 약해졌습니다. 이는 600°C까지 가열하는 것이 탄소 원자들이 더 깨끗하고 조직된 시트로 배열되는 데 도움이 되었음을 시사합니다.

최종적인 그림

그들이 투과 전자 현미경(TEM)을 통해 그래핀을 관찰했을 때, 즉 초강력 확대경으로 보았을 때, 그 유명한 벌집 패턴을 볼 수 있었습니다. 그러나 동시에 그들은 그래핀이 하나의 거대한 시트가 아니라는 것도 발견했습니다. 대신, 그것은 많은 작은 육각형 "섬" 또는 도메인들로 이루어져 있었으며, 그 주변은 무정형(amorphous, 무질서한) 탄소로 둘러싸여 있었습니다. 이것은 완벽한 육각형 타일로 만들어진 모자이크 바닥이지만, 타일 사이의 틈을 메우는 줄눈과 추가적인 찰흙이 있는 것과 같습니다.

연구는 이 PMMA-클로로벤젠 혼합물을 사용하는 것이 낮은 온도에서 그래핀을 성장시키는 실행 가능한 방법이라는 결론을 내립니다. 비록 그래핀이 구리 박 전체를 덮는 완벽한 단일 층 시트는 아니었지만, 600°C 설정은 가장 조직적인 구조와 가장 적은 결함을 가진 최상의 품질을 보여주었습니다. 연구원들은 이 방법이 더 지속 가능한 방식으로 그래핀을 만드는 길을 열어줄 것이라고 제안하며, 전통적인 방식의 극한 열에 녹아버릴 수 있는 재료 위에서도 그래핀을 성장시킬 수 있게 할 것이라고 말합니다. 그들이 모든 문제를 해결한 것은 아닙니다—여전히 무질서한 탄소와 산소가 남아 있습니다—하지만 그들은 낮은 온도의 레시피가 실제로 매우 유망한 케이크를 구울 수 있다는 것을 보여주었습니다.