그래핀 기반의 고성능 광전자 소자를 위한 그래핀 표면의 일함수 제어 및 플라즈몬 효과 제어

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We have controlled the graphene surface in two ways to improve the device performance of optoelectronics based on graphene transparent conductive films. We controlled multilayer graphene (MLG) work function and localized surface plasmon resonance wavelength using a silver nanoparticles formed on graphene surface. Graphene substrates were prepared using a chemical vapor deposition and transfer process. Various size of silver nanoparticles were prepared using a thermal evaporator and post annealing process on graphene surface. Silver nanoparticles were confirmed by using scanning electron microscopy (SEM). Work functions of graphene surface with various sizes of Ag nanoparticles were measured using ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). The result shows that the work functions of MLG could be controlled from 4.39 eV to 4.55 eV by coating different amounts of silver nanoparticles while minimal changes in the sheet resistance and transmittance. Also the Localized surface plasmon resonance (LSPR) wavelength was investigated according to various sizes of silver nanoparticles. LSPR wavelength was measured using the absorbance spectrum, and we confirmed that the resonance wavelength could be controlled from 396nm to 425nm according to the size of silver nanoparticles on graphene surface. To confirm improvement of the device performance, we fabricated the organic solar cell based on MLG electrode. The results show that the work function and plasmon resonance wavelength could be controlled to improve the performance of optoelectronics device.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 유연하면서도 투명하고 전기적, 기계적 등의 성질이 뛰어난 그래핀 기반의 광전자 소자의 성능 향상 방법에 대한 기초 연구를 진행하였다. 연구는 2가지 방안에 대해 이루어졌으며 첫 번째로 그래핀의 일함수를 제어하는 연구를 진행하였으며, 두 번째로 그래핀 은 나노입자 하이브리드 박막을 제작하여 플라즈몬 현상에 대한 기초 연구를 수행하였다.
본 연구에 사용 된 그래핀은 CVD method와 transfer process를 이용하여 기판에 전사하여 제작하였으며, 그래핀 표면에 은 나노 입자를 thermal evaporator를 이용하여 증착시켜 주어서 일함수 변화 및 플라즈몬 현상을 관찰하였다. 첫 번째로 일함수 제어 연구는 은 나노 입자를 MLG에 증착시켜 주어 MLG의 광학적, 전기적 특성의 변화가 거의 변하지 않는 범위 내에서 MLG의 일함수를 UPS를 통하여 측정하였으며, 측정 결과 MLG의 일함수를 4.39eV에서 4.55eV까지의 변화를 관찰하였다. 두 번째로 그래핀 표면에 다양한 크기의 은 나노 입자를 증착시켜 주어서 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 특정 파장 영역을 측정 하였으며, 증착 및 열처리를 진행하여 다양한 기판을 제작하여 absorbance spectrum을 이용하여 플라즈몬 현상을 관찰 하였다. 그래핀과 은나노 입자의 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 파장 영역을 396nm에서 425nm까지 은 나노 입자의 크기에 따라 변화 시킬 수 있는 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 유기 태양 전지를 제작하여 이러한 일함수 변화와 플라즈몬 공명 현상이 그래핀 기반의 광전자 소자의 성능 향상에 도움이 되었음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 광전자 소자 2
• 1.1.1 태양 전지 4
• 1.2. 투명 전극 7
• 1.2.1 ITO 투명 전극 8
• 1.2.2 ITO 대체 투명 전극 9
• 1.2.3 그래핀 투명 전극 11
• 1.3. 그래핀 기반의 광전자 소자 14
• 1.3.1 그래핀 일함수 제어 15
• 1.3.2 플라즈몬 현상 유발 17
• 2. 실험방법 18
• 2.1. 그래핀 성장 및 기판 전사 18
• 2.1.1. 그래핀 성장 18
• 2.1.2. Transfer process 22
• 2.2. 그래핀 일함수 제어 23
• 2.2.1. 그래핀 기판 제작 23
• 2.2.2. 은 나노 입자 증착 23
• 2.2.3. 일함수 측정 24
• 2.3. 플라즈몬 현상 제어 25
• 2.3.1. 그래핀-은 나노 입자 hybrid film 25
• 2.3.2. 은 나노 입자 열처리 25
• 2.3.3. 흡광도 측정 26
• 2.3.4. Raman spectroscopy 측정 26
• 2.4. 유기 태양 전지 제작 27
• 3. 결과 29
• 3.1. 그래핀 일함수 제어 29
• 3.2. 플라즈몬 현상 제어 34
• 3.2. 유기 태양 전지 41
• 4. 결론 46
• 5. 참고문헌 48