As properties of 3D crystals including metal, organic and inorganic semiconductors are governed by their shape of crystal domains and defect structures, controlling the domain is one of the most important issues to prepare the high-quality 2D materials. Thus, a number of works have been conducted over the last decade to control the domain structure of graphene and recently 2D transition metal dichalcogenides.
Because graphene, two-dimensional thin carbon film with single atom thickness is fundamental building block to fabricate the various structures of graphitic materials, understanding the polycrystalline nature of graphene domains is highly important to optimize the properties of graphene. Unfortunately, conventional tools used for the analysis of nano structure are unavailable in the case of graphene because graphene is too thin to be investigated, or spend huge time to observe the narrow region around several nano meter scale when use the scanning tunneling microscopy or low energy electron diffraction. So, new method to observe the graphene domain is developed by using the alignment of nematic LCs on the surface of graphene. By observing the aligned LCs following the crystalline orientation of graphene domain using polarized optical microscopy, graphene domains are easily visualized in large area.
Because properties of molybdenum disulfide (MoS2), representative semiconducting 2D material, are strongly influenced by the sizes and boundaries of its domains, the direct visualization of large-area MoS2 domains is one of the most important challenges in MoS2 research. In the current study, we developed a sim-ple and rapid method to observe and determine the boundaries of MoS2 domains. The technique, which de-pends on observations of nematic liquid crystal textures on the MoS2 surface, does not damage the sample and is not limited by domain size. Thus, this approach should significantly aid not only efforts aimed at gaining an understanding of the relationships between grain boundaries and properties of MoS2 but also those focusing on how domain sizes are controlled during large-area synthesis
The influence of various Cu lattices on the texturing of graphene domains during low-pressure CVD was investigated in a large-area. The results show that the sizes and shapes of graphene domains grown on Cu (111) substrates match well with those of the underlying Cu (111) domains, which seem to be quasi-single crystalline. In contrast, in other Cu domains such as (100) and more intermediate domains, graphene islands with poly-domains (ca. 85%) are significantly nucleated to be merged into poly crystalline graphene. In the overall range of channel length, graphene from Cu foil shows higher resistance than graphene from Cu (111) domain, in which extracted average channel resistances are 34.51 Ω/㎛ for Cu (111) and 66.17 Ω/㎛ for Cu foil, respectively.
Epitaxial crystallization of various metals including Ni, Cu, Au, Pt, Fe is demonstrated on the surface of graphene. Target metals were evaporated on the graphene surface and then additionally thermal annealed to induce the crystallization of deposited metal films. Our observation using electron back scattered diffraction and transmittance electron microscopy reveals that deposited metals are crystallized with the preferred crystalline direction to relax the stress from the lattice misfit between graphene surface and metals. And the shape and size of metal domains are highly governed by those of underlying graphene domains. We believe this discovery will not only aid understanding the interaction of metals and graphene at their interface, but also bring insight to use graphene as a substrate to control the crystalline direction of metals in catalytic applications.
2004년 Geim과 Novoselov는 일반적인 스카치 테이프을 이용하여 흑연에서 단층의 그래핀 박리에 성공함으로써, 원자 단일 층으로 되어 있는 이차원 물질이 안정적으로 존재할 수 있음을 증명하였다. 그래핀은, 매우 얇은 층의 박막임에도 불구하고 상온에서 quantum hall 효과와 같은 특이한 물리적 성질이 발견될 뿐 아니라, 기존의 금속 소재 보다 우수한 전기 전도도 및 열전도도, 기계적 특성을 지님이 밝혀 졌다. 이러한 그래핀의 우수한 성질을 이용하고자 기상화학증착 방법, 산화 방법 등을 이용한 합성 방법 또한 폭 넓게 연구 되고 있으며, 이에 기반한 전자 소재, 촉매 소재, 고분자 복합체 등 다양한 분야에서 그래핀 응용 연구가 진행 중이다.
그래핀이 최초로 발견된 원자 두께의 이차원 물질이지만, 자연상에 존재하거나 인위적으로 합성될 수 있는 이차원 물질의 수는 무궁무진할 것으로 예상된다. 그래핀과 같이 단일 원소의 결합으로 이루어진 물질과, BN, MoS2, WS2 과 같은 두 가지 이상의 원소로 이루어진 화합물, 또는 이온성 층간 물질은 그러한 부분의 일부분일 것이다. 이러한 이차원 물질은 구성하는 원자와 구조에 따라서 금속, 반도체성, 절연체의 성질이 될 뿐 만 아니라, 다양한 전기적 광학적 특성을 제어할 수 있다. 또한 다양한 이차원 물질의 적층을 통한 고성능의 태양전지, 센서, 트랜지스터에의 응용이 가능하다.
이차원 물질의 장점에 기반한 다양한 응용연구가 활발히 진행되는 것에 비해, 대면적, 대용량의 이차원 물질 합성 연구는 상대적으로 저조한 편이다. 대표적인 합성 방법인 화학기상증착은 센티미터 정도의 이차원 물질 필름을 제조하는데 이용되지만, 합성된 물질의 특성은 자연상에서 얻어진 물질이나 이론적으로 예측되는 특성보다 현저히 저조하다. 그래핀의 경우 단일 원소로 되어 있고, 10년간 축전된 연구 결과, 특성에 영향을 미치는 다양한 인자들이 밝혀 졌지만, 다른 이차원 물질의 경우 주요 공정 인자뿐만 아니라, 특성에 영향을 미치는 주요 사항 조차 밝혀 지지 않은 상태이다. 또한 이러한 현상의 원인은 다양하게 제조될 수 있는 이차원 물질에 비해서, 그것을 분석하고 이해하는데 상당한 장비와 노력이 요구되기 때문일 것으로 여겨진다.
삼차원 물질이 그러했듯, 이차원 물질 또한 결정의 구조에 의해서 특성이 좌우될 것으로 여겨진다. 특히 이차원 구조의 특성상 결정 경계는 전기적, 열적, 기계적 특성을 저하시키는 동시에, 화학적 반응성을 높일 것으로 예상된다. 따라서 전자 소자에 쓰일 수 있는 양질의 물질을 합성하기 위해서는, 이러한 결정 구조에 미치는 다양한 인자와 결정 구조에 따른 물질의 특성 변화를 규명하는 것이 중요하다.
이차원 물질은 매우 얇은 원자 단위의 층을 이루고 있기 때문에 구조 분석 시 기존의 bulk 물질의 분석과는 다른 접근이 필요하다. 이차원 물질의 결정 구조 분석에는 대표적으로 STM, TEM 등의 장비들이 이용되고 있다. 이러한 장비들은 나노 미터 또는 마이크로 미터 이하의 영역에 대하여 원자의 배열을 확인 할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 고가의 장비 가격, 샘플 준비의 복잡함, 긴 측정 시간 그리고 무엇보다도 넓은 영역에서 관찰이 불가능하다는 단점을 지니고 있다. 위의 방법을 해결할 수 있는 이차원 물질의 결정 구조를 쉽게 시각화 할 수 있는 방법의 개발이 양질의 이차원 물질 합성을 위해서 필수 적이다.
본 연구에서는 규칙적인 격자 구조를 가지고 있는 표면 위에서 결정의 방향을 따라 배향이 되는 액정을 편광 광학 현미경을 이용하여 관찰함으로써 대면적에 또한 매우 쉽게 이차원 물질의 결정구조를 관찰할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이러한 방법은 관찰 시 기판 등 샘플 준비에 제한이 없을 뿐만 아니라, 샘플 손상이 없고, 수 센티미터 수준의 넓은 영역 관찰도 가능하며, 범용적인 광학현미경을 이용하기 때문에, 이차원 물질의 결정 분석에 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 실제 대면적의 그래핀, MoS2 필름을 이용하여 관찰해본 결과, 액정을 이용하여 결정의 시각화가 매우 쉽고 효과적으로 이루어짐을 확인 할 수 있었다.
또한 개발한 결정구조 분석 방법을 이용하여 그래핀 합성 시에 촉매 기판이 미치는 영향을 규명할 수 있었다. 구리를 이용한 화학기상증착법의 경우 그래핀이 구리의 표면에서 자라게 된다. 따라서 구리의 결정 방향에 따라 그래핀의 결정 모양이 크게 영향을 받을 것으로 예상되어 왔다. 하지만 기존의 STM, LEEM 등을 이용한 규명은 대부분 좁은 영역과 한정된 구리 결정에 대해서만 연구가 이루어져, 실제 다결정을 뛰고 있는 구리 호일에서의 현상을 이해하기에는 부족한 부분이 있다. 따라서 다결정 구리 필름 위에서 자라난 그래핀의 결정 구조와 구리의 결정 구조를 비교해본 결과 구리 (111) 결정이 고품질의 그래핀을 성장하는데 유리함을 밝혀 낼 수 있었다.
이차원 물질은 그 자체의 결정구조를 조절하는 것도 중요하지만, 동시에 이차원 물질의 표면에 접합되어 있는 물질이 이차원 물질의 결정 구조에 의하여 변화되는 것을 분석하는 것이 다양한 복합 물질의 특성을 예측하는데 있어서 중요하다. 따라서 본 연구를 통하여 그래핀의 표면에서 다양한 금속 물질의 결정이 변환하는 것을 체계적으로 관찰하였다. 연구 결과 FCC 금속의 경우 111 방향으로 결정이 생성되고, BCC의 경우 100 방향으로 결정이 생성되는 경향을 확인하였다. 이는 두 물질의 계면에서 발생하는 stress를 줄이는 결정 방향으로 결정화되려는 금속의 특성에 기인하는 것으로 여겨진다. 또한 그래핀의 결정 구조가 접합되어 있는 금속 물질의 결정 구조에도 크게 영향을 미친다. 일반적으로 그래핀의 결정 구조가 컸을 때, 질 좋은 금속 단결정을 얻을 수 있었다.
