KR20200005801A - Plasmon Induced Photovoltaic Effect in Vertical Homojunction of Multilayer Graphene - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플라즈몬 결합을 통한 다층그래핀 기반의 광전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빛에 의한 캐리어 생성(carrier generation)을 하는 역할을 함과 동시에 플라즈몬 분리막으로 작용하는 다층그래핀을 포함하는 광전소자에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-layer graphene-based optoelectronic device through the plasmon bond, and more particularly to a photoelectric comprising a multi-layer graphene to act as a carrier generation (carrier generation) by light and at the same time act as a plasmon separator It relates to an element.
그래핀의 겝리스(gapless) 구조는 자외선부터 적외선까지 넓은 영역의 빛을 흡수 할 수 있다. 하지만 단원자 층의 두께를 가지는 그래핀은 기본적으로 빛의 흡수율이 매우 낮기 때문에 광소자로서의 응용이 제한되어 왔다. 그렇게 때문에 그래핀은 빛 흡수를 잘하는 다른 반도체 물질들과 같이 사용되었다. 예를 들어 그래핀 위쪽에 양자점(quantum dot)이나 2차원 물질(2d material)을 올려서 전자와 정공 중 한가지 캐리어만 그래핀쪽으로 이동시켜 광전류를 얻어내는 방식이다. 이 경우 그래핀은 빛의 흡수를 위한 역할이 아니라 높은 이동도를 통해 캐리어(carrier)를 이동시키는 채널의 역할을 수행하는 것에 불과하다. 그렇기 때문에 빛의 흡수를 반도체물질의 밴드겝(bandgap)에 제한되며 그래핀 고유의 특성인 광대역 흡수(broad band absorption)의 장점을 살릴 수 없다. 또 다른 그래핀 기반의 광소자의 단점은 그래핀의 휴지시간(relaxation time)이 매우 짧아, 빛에 의해 생성된 캐리어들의 이동거리가 매우 짧다는 점이다. 광전류는 그래핀과 맞닿아있는 전극 부근에서만 강하게 생성되며 거리가 멀어짐에 따라 광전류는 사라진다. Graphene's gapless structure can absorb a wide range of light from ultraviolet to infrared. However, since graphene having a monoatomic layer thickness is basically low in light absorption, its application as an optical device has been limited. That's why graphene has been used with other semiconductor materials that absorb light well. For example, by placing a quantum dot or 2d material on the graphene, only one carrier of electrons and holes is moved toward the graphene to obtain a photocurrent. In this case, graphene does not play a role of absorbing light but merely plays a role of a channel for moving a carrier through high mobility. Therefore, the absorption of light is limited to the bandgap of the semiconductor material and can not take advantage of the broad band absorption that is inherent in graphene. Another drawback of the graphene-based optical device is that the relaxation time of the graphene is very short, so that the carriers generated by light travel very short. The photocurrent is generated strongly only near the electrodes in contact with the graphene, and the photocurrent disappears as the distance increases.
이러한 그래핀의 흡수율을 높여주는 방법으로 귀금속 나노구조체를 그래핀 위쪽에 형성하는 방법이 도입되어 왔다. 이 금속 나노구조체는 빛과 상호작용하여 플라즈몬을 생성하며 빛이 나노구조체 안에 트랩되어 그래핀이 상대적으로 큰 흡수율을 가지게 만들 수 있다. 이러한 국부적인 표면 플라즈몬(localized surface plasmon)은 공명 파장 근처의 빛을 강하게 흡수하며 나노구조체의 모양과 물질의 변경하여 공명 파장을 조절 할 수 있다. 흡수율을 높일 수 있는 더 효과적인 방법은 그래핀의 위쪽과 아래쪽 모두에 나노구조체를 만드는 방법이다. 그래핀의 얇은 두께는 위쪽과 아래쪽에 있는 금속 사이에서 플라즈몬 결합을 유도한다. 플라즈몬 결합은 두 귀금속이 가까이에 위치해 있을 때 서로 간의 공명으로 인해 새로운 플라즈몬 모드(mode)를 생성하며 일반적으로 두 금속의 간격이 작을수록 더 강하게 공명한다. 더 강한 공명은 더 강한 전자기장을 금속 사이에 집적시키며 이는 빛의 흡수율을 더 높일 수 있는 방법이다. 이러한 구조에서 그래핀은 반도체(semi-metallic)의 특성을 가지지만 금속에 비해 높은 수직 저항을 가지고 있으므로 일종의 절연체처럼 동작할 수 있다. As a method of increasing the absorption rate of the graphene, a method of forming a noble metal nanostructure on the graphene has been introduced. The metal nanostructures interact with light to produce plasmons, which can trap light in the nanostructures, making graphene a relatively high absorption. These localized surface plasmons strongly absorb light near the resonant wavelength and can control the resonant wavelength by altering the shape and material of the nanostructures. A more effective way to increase the absorption is to create nanostructures on both the top and bottom of graphene. The thin thickness of graphene induces plasmon bonding between the metal above and below. Plasmon bonds create new plasmon modes due to resonances between two precious metals when they are in close proximity, and generally the smaller the gap between the two metals, the stronger the resonance. Stronger resonance integrates a stronger electromagnetic field between the metals, which is a way to increase the absorption of light. In this structure, graphene is semi-metallic but has higher vertical resistance than metal, so it can act as a kind of insulator.
다만 그래핀의 경우 두께가 매우 얇으므로 플라즈몬 분리막으로 사용되는 경우 양자터널링 현상이 발생하게 되어 플라즈몬 결합의 세기를 약화시킬 수 있다는 단점을 가지고 있어 이를 해결하기 위한 노력이 필요하다.However, since graphene has a very thin thickness, when used as a plasmon separator, a quantum tunneling phenomenon may occur, which may weaken the strength of plasmon bond.
본 발명은 빛에 의한 캐리어 생성(carrier generation)을 하는 역할을 함과 동시에 플라즈몬 분리막으로 작용하는 다층그래핀을 포함하는 것으로 기존 그래핀 기반의 광검출기의 낮은 흡수율과 짧은 캐리어 완화시간 (relaxation time)을 극복할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. The present invention includes a multilayer graphene that acts as a carrier generation (carrier generation) by light and acts as a plasmon separator, the low absorption rate and short carrier relaxation time of the conventional graphene-based photodetector To provide a way to overcome this.
또한, 본 발명의 다층 그래핀 기반의 수직구조는 채널길이(channel length)를 매우 짧게 만들 수 있기 때문에 기존 광검출기의 성능제한을 야기시키는 광반응도 (photo-responsivity)와 응답시간 (response time)의 트레이드오프 (trade-off) 관계를 극복하고 각각의 성능들을 독립적으로 최대화 시킬 수 있는 새로운 소자구조를 제공한다.In addition, the multi-layered graphene-based vertical structure of the present invention can make the channel length very short, so that the photo-responsivity and response time which causes the performance limitation of the conventional photodetector are caused. It provides a new device structure that overcomes the trade-off relationship and maximizes each performance independently.
전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 기판; (b) 하부전극; (c) 나노구조층; (d) 다층 그래핀층; 및 (e) 상부전극을 포함하는 플라즈몬 결합을 통한 다층그래핀 기반의 광전소자를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is (a) a substrate; (b) a lower electrode; (c) a nanostructured layer; (d) multilayer graphene layers; And (e) provides a multi-layer graphene-based optoelectronic device through the plasmon coupling comprising an upper electrode.
상기 기판은 유리, 석영, 고분자 또는 실리콘(Si)으로 구성될 수 있다.The substrate may be made of glass, quartz, polymer, or silicon (Si).
상기 하부전극은 ITO, 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 크롬, 주석, 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The lower electrode may include ITO, gold, silver, copper, iron, aluminum, titanium, nickel, chromium, tin, carbon nanotubes, or a mixture thereof.
상기 나노구조층은 나노입자 또는 나노와이어를 포함할 수 있다.The nanostructure layer may include nanoparticles or nanowires.
상기 나노입자는 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The nanoparticles may comprise rhenium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum, gold or mixtures thereof.
상기 다층그래핀 층은 2~50층의 그래핀층을 포함할 수 있다.The multilayer graphene layer may include a graphene layer of 2 to 50 layers.
상기 상부전극은 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The upper electrode may include rhenium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum, gold, or a mixture thereof.
상기 광전소자는 상기 (c) 나노구조층과 상기 (e) 상부전극사이에 수직방향으로 플라즈몬 결합이 형성될 수 있다.In the optoelectronic device, plasmon bonds may be formed in a vertical direction between the nanostructure layer (c) and the upper electrode (e).
상기 다층 그래핀 층은 빛에 의한 캐리어 생성 역할을 함과 동시에 나노구조층과 상부전극 사이에 플라즈몬 결합을 유도할 수 있다.The multilayer graphene layer may induce plasmon bonding between the nanostructure layer and the upper electrode at the same time plays a role of carrier generation by light.
본 발명에 따른 플라즈몬 결합을 통한 다층그래핀 기반의 광전소자는 빛에 의한 캐리어 생성(carrier generation)을 하는 역할을 함과 동시에 플라즈몬 분리막으로 작용하는 다층그래핀을 포함하는 것으로 기존 그래핀의 단점인 낮은 흡수율과 짧은 캐리어 완화시간 (relaxation time)을 극복할 수 있어, 기존 광검출기의 성능 제한을 야기시키는 광반응성(responsivity), 응답시간 (response time)의 트레이드오프 관계 (trade-off)를 극복하고 각각의 성능들을 독립적으로 최대화 시킬 수 있다.Multilayer graphene-based photovoltaic device through the plasmon bond according to the present invention includes a multi-layer graphene to act as a plasmon separator at the same time to play a role (carrier generation) by light, which is a disadvantage of the conventional graphene It can overcome low absorption and short carrier relaxation time, overcoming the trade-off of photoresponsivity and response time that causes performance limitations of conventional photodetectors. Each performance can be maximized independently.
도 1은 (a)본 발명의 일 실시예에 의하여 제작된 소자의 개략도, (b)본 발명의 일 실시예에 의하여 제작된 소자의 평면도, (c)레이저의 조사여부에 따른 IV커브 및 (d) 637nm 레이저의 세기에 빠른 광전류를 각각 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 (a) 나노구조층 (나노파티클이 도포된 층)의 유무에 따른 광전류의 창, (b) 나노구조층의 유무에 따른 광전압의 차이를 나타낸 것이다.
도 3은 (a) 본 발명의 일 실시예에 의한 각 전극에 따른 그래핀의 일함수 및 (b) 실제측정결과를 각각 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 파장에 따른 광반응도를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a device manufactured according to an embodiment of the present invention, (b) a plan view of a device manufactured according to an embodiment of the present invention, (c) an IV curve according to whether the laser is irradiated, and ( d) Fast photocurrent is shown for the intensity of 637nm laser respectively.
Figure 2 shows a window of the photocurrent with or without the nanostructure layer (nanoparticle coated layer) according to an embodiment of the present invention, (b) the difference in the photovoltage with or without the nanostructure layer .
Figure 3 shows (a) the work function of the graphene according to each electrode according to an embodiment of the present invention and (b) the actual measurement results, respectively.
Figure 4 shows the photoreactivity according to the wavelength according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, the terms including or having are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features or numbers, step It is to be understood that the present invention does not exclude in advance the possibility of the presence or the addition of operations, components, components, or a combination thereof.
본 발명은 (a) 기판; (b) 하부전극; (c) 나노구조층; (d) 다층 그래핀층; 및 (e) 상부전극을 포함하는 플라즈몬 결합을 통한 다층그래핀 기반의 광전소자에 관한 것이다.The present invention (a) a substrate; (b) a lower electrode; (c) a nanostructured layer; (d) multilayer graphene layers; And (e) relates to a multi-layer graphene-based optoelectronic device through the plasmon coupling comprising an upper electrode.
상기 기판은 상기 광전소자의 베이스가 됨과 동시에 상기 광전소자에 입사되는 빛이 투과되어 상기 다층 그래핀층으로 전달될 수 있도록 제작될 수 있다. 따라서 상기 기판은 유리(Glass), 석영(Quartz), 고분자(Polymer) 또는 실리콘(Silicon, Si)으로 구성될 수 있으며 바람직하게는 유리로 제작될 수 있다. 또한 상기 기판은 빛이 원활하게 투과할 수 있도록 투명성이 높은 기판을 사용하는 것이 바람직하며, 특정 색상의 빛을 투과하기 위하여 일정한 색상을 가지거나 필터가 부착될 수 있다. 아울러 상기 기판에는 편광필름이 부착되거나 편광 코팅되어 일정한 방향의 파장을 가지는 빛을 선택적으로 투과하는 것도 가능하다. 이러한 빛의 선택성을 가지는 기판을 사용하는 경우 일정파장 또는 편광을 가지는 빛에만 반응하는 광전소자의 제작이 가능하다.The substrate may be manufactured to be a base of the optoelectronic device and to transmit light incident on the optoelectronic device to be transmitted to the multilayer graphene layer. Therefore, the substrate may be made of glass, quartz, polymer, or silicon, and preferably made of glass. In addition, it is preferable to use a substrate having a high transparency so that the light can be transmitted through smoothly, and in order to transmit light of a specific color, a certain color or a filter may be attached. In addition, the polarizing film is attached or polarized coating on the substrate it is also possible to selectively transmit light having a wavelength in a certain direction. When using a substrate having such light selectivity, it is possible to manufacture an optoelectronic device that responds only to light having a constant wavelength or polarization.
상기 하부전극은 ITO, 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 크롬, 주석, 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물을 포함하여 제작될 수 있으며, 상기 기판을 통과한 빛이 상기 다층 그래핀층에 도달될 수 있도록 투명 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 ITO를 사용할 수 있다. The lower electrode may be fabricated including ITO, gold, silver, copper, iron, aluminum, titanium, nickel, chromium, tin, carbon nanotubes, or mixtures thereof, and the light passing through the substrate may pass through the multilayer graphene layer. It is preferable to use a transparent electrode so that it can be reached. Most preferably ITO can be used.
또한 상기 상부전극은 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 입사된 빛을 반사하여 광전효율을 높임과 동시에 상기 나노구조층과 플라즈몬 결합을 유도하기 위하여 금을 사용하는 것이 가장 바람직하다. In addition, the upper electrode may include rhenium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum, gold, or a mixture thereof. The upper electrode may reflect incident light to increase photoelectric efficiency and simultaneously bond the nanostructure layer with the plasmon bond. Most preferably, gold is used to induce.
상기와 같이 ITO가 하부전극으로 사용된 이유는 레이저 또는 빛이 유리기판과 하부전극인 ITO를 통해 다층 그래핀에 도달해야 되기 때문이다. 금과 같은 낮은 투명도를 가지는 전극을 하부전극으로 사용하는 경우 레이저 또는 빛이 전극을 통과하면 대부분의 빛이 반사되고 매우 작은 (3%정도) 빛만이 통과할 수 있기 때문에 그래핀에 굉장히 작은 양의 광자가 도달하여 응답도(responsivity)가 매우 작게 된다. 또한 ITO를 그래핀 위쪽에 증착하여 사용하는 경우 스퍼터(sputter)를 통해 증착되는 ITO가 증착과정 중에서 그래핀에 심각한 데미지를 입히기 때문에 아래쪽 전극으로 ITO를 사용하는 것이 바람직하다. 도 1b에 나타난 바와 같이 ITO와 금(Au) 전극이 크로스바(crossbar) 형태로 제작되었고 그 사이에 그래핀이 끼워져 있는 형태로 제작되는 것이 바람직하다. 다층 그래핀은 하부의 금 나노입자와 상부의 금 상부전극 사이에 플라즈몬 결합을 위한 분리막으로 사용됨과 동시에 빛에 의한 캐리어를 생성한다. 금 나노입자는 그에 상응하는 image charge를 금 전극에서 만들어내서 플라즈몬 결합을 수직방향으로 발생시킬 수 있다. The reason why the ITO is used as the lower electrode as described above is that the laser or light must reach the multilayer graphene through the glass substrate and the lower electrode ITO. When using an electrode with low transparency, such as gold, as the lower electrode, a very small amount of graphene can be passed through because the laser or light passes through the electrode and most of the light is reflected and only a very small amount (3%) can pass. Photons arrive and the response becomes very small. In addition, when ITO is deposited on top of graphene, it is preferable to use ITO as a lower electrode because ITO deposited through a sputter causes severe damage to graphene during the deposition process. As shown in FIG. 1B, it is preferable that the ITO and gold (Au) electrodes are manufactured in a crossbar shape and graphene is sandwiched therebetween. The multilayer graphene is used as a separator for plasmon bonding between the gold nanoparticles at the bottom and the gold upper electrodes at the same time, and simultaneously generates a carrier by light. Gold nanoparticles can generate a corresponding image charge in the gold electrode to generate plasmon bonds in the vertical direction.
상기 나노구조층은 나노입자 또는 나노와이어를 포함할 수 있으며 바람직하게는 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 상기 상부전극와 플라즈몬 결합을 유도하기 위하여 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 나노입자로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 금 나노입자일 수 있다. 상기 나노입자는 입사되는 빛에 의하여 상기 상부전극과의 사이에서 수직방향으로 플라즈몬 효과를 일으킬 수 있다. 이때 상기 나노구조층과 상기 상부전극이 접촉하지 않도록 상기 나노구조층과 상기 상부전극사이에 다층 그래핀을 삽입하여 상기 그래핀의 내부에서 플라즈몬 효과가 일어나도록 하는 것이 바람직하다. The nanostructure layer may include nanoparticles or nanowires, and may preferably include nanoparticles. The nanoparticles may be composed of nanoparticles including rhenium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum, gold, or mixtures thereof to induce plasmon bonding with the upper electrode, preferably gold nanoparticles. Can be. The nanoparticles may cause a plasmon effect in the vertical direction between the upper electrode and the upper electrode by the incident light. In this case, it is preferable to insert a multilayer graphene between the nanostructure layer and the upper electrode so that the nanostructure layer and the upper electrode do not come into contact with each other so that the plasmon effect occurs in the graphene.
이렇게 그래핀 내부에서 발생하는 플라즈몬 결합은 그래핀의 빛 흡수를 도와주며 그래핀의 한쪽에 나노구조층을 증착했을 때 보다 다음과 같은 세 가지 이유로인해 더 높은 효율을 보여준다. 1) 그래핀의 한쪽에만 나노구조층을 증착할 경우 플라즈몬 결합은 lateral 방향으로 형성되며 이는 그래핀을 통해 생기는 플라즈몬 결합이 아니기 때문에 그래핀의 흡수에 크게 도움주지 못한다. 2) lateral 방향으로 플라즈몬 결합은 서로 간의 크고 랜덤한 interparticle distance인데 반해 그래핀 분리막을 통한 플라즈몬 결합은 거리가 일정하며 그래핀의 두께만큼 매우 짧은 거리에서 결합이 일어나기 때문에 lateral coupling 보다 크다. 3) 수직방향으로 플라즈몬 결합에 의해 생성된 강한 전자기장은 전자의 이동을 수월하게 만들어주며 수직구조의 소자에서 전류가 더 잘 흐르게 만드는 역할을 한다. 따라서, 기존 그래핀의 단점인 낮은 흡수율과 짧은 캐리어 완화시간 (relaxation time)을 극복할 수 있어, 기존 광검출기의 성능 제한을 야기시키는 광반응성(responsivity), 응답시간 (response time)의 트레이드오프 관계 (trade-off)를 극복하고 각각의 성능들을 독립적으로 최대화할 수 있다.The plasmon bonds generated inside graphene help the light absorption of graphene and show higher efficiency due to the following three reasons than depositing nanostructured layer on one side of graphene. 1) If the nanostructure layer is deposited on only one side of the graphene, the plasmon bond is formed in the lateral direction, which does not greatly help the absorption of graphene because it is not a plasmon bond formed through the graphene. 2) Plasmon bonds in the lateral direction are larger and random interparticle distances from each other, whereas plasmon bonds through graphene membranes are larger than lateral coupling because the bonds occur at a very short distance as the thickness of graphene. 3) The strong electromagnetic field generated by the plasmon bond in the vertical direction facilitates the movement of electrons and plays a role in the flow of current in the vertical device. Therefore, it is possible to overcome the low absorption rate and short carrier relaxation time, which are disadvantages of the conventional graphene, so that the trade-off relationship between photoresponsiveness and response time causes performance limitation of the conventional photodetector. It can overcome trade-off and maximize each performance independently.
상기 다층그래핀 층은 2~50층의 그래핀층을 포함할 수 있다. 상기 그래핀층은 위에서 살펴본 바와 같이 상기 나노구조층과 상부전극사이에 위치하며, 상기 나노구조층과 상부구조층 사이에서 플라즈몬 효과가 일어나도록 하는 역할을 수행한다. 이때 단일층 그래핀을 사용하는 경우 플라즈몬 분리막에서 일어나는 양자 터널링 효과가 발생할 수 있으므로, 2~50층의 그래핀을 사용하는 것이 바람직하다.The multilayer graphene layer may include a graphene layer of 2 to 50 layers. As described above, the graphene layer is positioned between the nanostructure layer and the upper electrode, and serves to cause a plasmon effect between the nanostructure layer and the upper structure layer. In this case, when the single layer graphene is used, quantum tunneling effects occurring in the plasmon separator may occur, so it is preferable to use 2 to 50 layers of graphene.
상기 광전소자는 상기 (c) 나노구조층과 상기 (e) 상부전극사이에 수직방향으로 플라즈몬 결합이 형성될 수 있다. 상기 다층 그래핀의 광 흡수율을 높이기 위하여 상기 나노구조층과 상기 상부전극사이에 수직방향으로 플라즈몬 결합을 발생시키는 것은 위에서 살펴본 바와 같다.In the optoelectronic device, plasmon bonds may be formed in a vertical direction between the nanostructure layer (c) and the upper electrode (e). In order to increase the light absorption rate of the multilayer graphene, as described above, plasmon bonding is generated between the nanostructure layer and the upper electrode in a vertical direction.
상기 다층 그래핀 층은 빛에 의한 캐리어 생성 역할을 함과 동시에 나노구조층과 상부전극 사이에 플라즈몬 결합을 유도할 수 있다. 상기 (c) 나노구조층 과 (e) 상부전극은 (d) 다층 그래핀층을 통한 플라즈몬 결합을 야기시키며, 이를 통해 광반응도를 나노구조층이 없는 소자에 비해 약 38배 정도 증가시킬 수 있다 (도2 참조). 또한 단지 2.5 nm에 불과하는 매우 짧은 수직 채널길이(channel length)로 인해 광캐리어(photo-carriers)들을 수 ps 내에 이동시킬 수 있다. 이렇듯, 본 광전소자는 기존 그래핀 기반의 광전소자의 단점인 낮은 흡수율과 짧은 캐리어 완화시간 (relaxation time)을 개선할 수 있는 구조적인 장점을 가지고 있으며, 광검출기의 성능 제한을 야기시키는 광반응성(responsivity), 응답시간 ( response time)의 트레이드오프 관계 (trade-off)를 극복하고 각각의 성능들을 독립적으로 최대화 시킬 수 있다. The multilayer graphene layer may induce plasmon bonding between the nanostructure layer and the upper electrode at the same time plays a role of carrier generation by light. The (c) nanostructure layer and (e) the upper electrode cause (d) plasmon bonding through the multilayer graphene layer, thereby increasing photoreactivity by about 38 times compared to the device without the nanostructure layer ( 2). In addition, the very short vertical channel length of only 2.5 nm allows the photo-carriers to move within a few ps. As such, the photoelectric device has a structural advantage to improve low absorption rate and short carrier relaxation time, which are disadvantages of the conventional graphene-based photoelectric device, and has photoreactivity that causes performance limitation of the photodetector. Overcoming the trade-off of responsivity, response time and maximizing each performance independently.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present disclosure. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention.
실시예Example
도 1a는 본 발명에서 사용된 소자의 schematic을 보여주고 있다. 유리기판 위에 ITO(하부전극)를 증착하고 금 나노파티클(나노구조층)을 증착하고 다층 그래핀을 wet transfer 방식으로 전사한 후 마지막으로 상부전극이 증착된다. ITO가 하부전극으로 사용된 이유는 레이저가 유리기판과 투명전극인 ITO를 통해 그래핀에 도달해야 되기 때문이다. 레이저가 금과 같은 불투명한 전극을 통과하면 대부분의 빛이 반사되고 매우 작은 (3%정도) 만이 통과할 수 있기 때문에 그래핀에 굉장히 작은 양의 광자가 도달하여 응답도(responsivity)가 매우 작게 된다. 또한 ITO를 위쪽에 증착 할 경우 스퍼터(sputter)를 통해 증착되는 ITO가 증착과정 중 그래핀에 심각한 데미지를 입히기 때문에 아래쪽 전극을 사용하게 되었다. 도 1b의top view에서 보이는 것처럼 ITO와 금(Au)을 크로스바(crossbar) 형태로 제작되었고 그 사이에 그래핀이 끼워져 있는 형태로 제작하였다. 다층 그래핀의 아래쪽의 금 나노파티클과 위쪽 금 전극 사이에 플라즈몬 결합을 위한 분리막으로 사용됨과 동시에 빛에 의한 캐리어를 생성한다. 금 나노파티클은 그에 상응하는 image charge를 금 전극에서 만들어내서 플라즈몬 결합을 수직방향으로 발생시킨다. Figure 1a shows a schematic of the device used in the present invention. After depositing ITO (lower electrode) on the glass substrate, depositing gold nanoparticles (nano structure layer), transferring the multilayer graphene by wet transfer method, and finally, upper electrode is deposited. The reason why the ITO is used as the lower electrode is that the laser must reach the graphene through the glass substrate and the transparent electrode ITO. When the laser passes through an opaque electrode such as gold, most of the light is reflected and only a small amount (about 3%) can pass through it, resulting in very small amounts of photons reaching the graphene, resulting in very low response. . In addition, when ITO is deposited on the upper side, the lower electrode is used because ITO deposited through the sputter causes severe damage to graphene during the deposition process. As shown in the top view of Figure 1b ITO and gold (Au) was produced in the form of a crossbar (crossbar) and a graphene sandwiched between them. It is used as a separator for plasmon bonding between the gold nanoparticles at the bottom of the multilayer graphene and the gold electrode at the same time, and simultaneously generates a carrier by light. Gold nanoparticles produce a corresponding image charge in the gold electrode, generating plasmon bonds in the vertical direction.
이렇게 그래핀 내부에서 발생하는 플라즈몬 결합은 그래핀의 흡수를 도와주며 그래핀의 한쪽에만 금 나노입자를 증착했을 때 보다 다음과 같은 세 가지 이유로인해 더 높은 효율을 보여준다. 1) 그래핀의 한쪽에만 나노입자를 증착할 경우 플라즈몬 결합은 lateral 방향으로 형성되며 이는 그래핀을 통해 생기는 플라즈몬 결합이 아니기 때문에 그래핀의 흡수에 크게 도움주지 못한다. 2) lateral 방향으로 플라즈몬 결합은 서로 간의 크고 랜덤한 interparticle distance인데 반해 그래핀 분리막을 통한 플라즈몬 결합은 거리가 일정하며 그래핀의 두께만큼 매우 짧은 거리에서 결합이 일어나기 때문에 lateral coupling 보다 크다. 3) 수직방향으로 플라즈몬 결합에 의해 생성된 강한 전자기장은 전자의 이동을 수월하게 만들어주며 수직구조의 소자에서 전류가 더 잘 흐르게 만드는 역할을 한다. These plasmon bonds inside graphene help the graphene absorption and show higher efficiency for three reasons than depositing gold nanoparticles on only one side of graphene. 1) When nanoparticles are deposited on only one side of graphene, the plasmon bonds are formed in the lateral direction, which does not greatly help the absorption of graphene because it is not a plasmon bond formed through graphene. 2) Plasmon bonds in the lateral direction are larger and random interparticle distances from each other, whereas plasmon bonds through graphene membranes are larger than lateral coupling because the bonds occur at a very short distance as the thickness of graphene. 3) The strong electromagnetic field generated by the plasmon bond in the vertical direction facilitates the movement of electrons and plays a role in the flow of current in the vertical device.
도 1c는 레이저가 조사될 때와 안될 때의 IV curve이다. 레이저가 조사되는 상황에서 dark condition에 비해 같은 기울기를 유지하며 한쪽 방향으로 쉬프트(shift)되어 있는 모양은 비대칭접합(asymmetric junction)에 의해 광전지효과(photovoltaic effect)가 나타남을 의미한다. 이는 다층 그래핀의 위쪽과 아래쪽이 서로 다른 크기의 도핑이 되어 있기 때문에 일종의 PN접합(pn junction)으로 생각이 되기 때문이다. 0V에서 흐르는 전류는 단락전류(short circuit current, Isc), 0A의 전류의 흐를 때 나타나는 전압은 개방회로전압(open circuit voltage, Voc)로 그래프에 표기되었다. 다층 그래핀의 아래쪽은 그래핀이 전사되어 위에서 얹어진 모양이기 때문에 도핑 정도가 약할 것이고 약한 p-doping 또는 고유도핑 레벨(intrinsic doping level)을 유지할 것이다. 하지만 그래핀의 위쪽은 기화기(evaporator)에 의해서 증착되는 전극이 전면을 덮기 때문에 많이 알려진 것처럼 금의 경우 강한 p-doping이 될 것이다. 도 3a의 schematic band diagram의 첫 번째 그림에서 보여지는 것처럼 빛에 의해 생성된 캐리어(carrier)들은 도핑(doping)에 의한 포텐셜(potential) 차이에 의해 나노파티클 쪽으로 이동하며 드레인 바이어스(drain bias)에 상관없이 dark condition에 비해 일정하게 낮은 전류를 보여준다. 도 1d 는 637nm 레이저의 세기에 따른 광전류로, 파워에 따라 일정하게 증가하는 광전류를 보여줌으로서 빛에 의해 증가하는 전류가 다른 열(thermal) 효과 없이 빛에 의해서만 증가하는 것을 보여준다.1C shows IV curves with and without laser irradiation. When the laser is irradiated, the shape that is maintained in the same inclination compared to the dark condition and shifted in one direction means that the photovoltaic effect is caused by the asymmetric junction. This is because it is considered as a kind of PN junction because the upper and lower portions of the multilayer graphene are doped with different sizes. The current flowing at 0V is short circuit current (Isc), and the voltage appearing when the current of 0A flows is shown in the graph as an open circuit voltage (Voc). The lower side of the multilayered graphene will have a weaker doping and maintain a weaker p-doping or intrinsic doping level since the graphene is transferred and placed on top. But the top of graphene will be a strong p-doping for gold, as is widely known because the electrode deposited by the evaporator covers the front. As shown in the first figure of the schematic band diagram of FIG. 3A, carriers generated by light move toward nanoparticles due to potential differences due to doping and correlate with drain bias. It shows consistently low current compared to dark condition. FIG. 1D shows the photocurrent according to the intensity of the 637nm laser, which shows a constant photocurrent that increases with power, indicating that the current increased by light increases only by light without other thermal effects.
금 나노입자의 유무에 따른 Isc와 Voc의 관계를 측정해보았다. 나노입자가 없는 소자는 나노입자를 증착하는 과정을 제외하고는 모두 동일하게 제작되었다. 플라즈몬 공명을 통한 그래핀에서의 흡수율의 증가를 알아봐야 하기 때문에 사용된 파장은 플라즈몬 공명파장 근처인 637nm가 사용되었다. 나노입자의 유무에 따라 Isc와 Voc에 영향을 주는 요소는 다음의 3가지가 있다. 1) 플라즈몬 공명에 의한 흡수율 증가, 2) 그래핀의 위쪽과 아래쪽의 다른 도핑으로 인한 일함수 차이, 3) 컨택 저항. The relationship between Isc and Voc with and without gold nanoparticles was measured. Devices without nanoparticles were all manufactured identically except for the deposition of nanoparticles. The wavelength used was 637nm, which is near the plasmon resonance wavelength, because the increase in absorption in graphene through plasmon resonance was found. There are three factors that affect Isc and Voc depending on the presence or absence of nanoparticles. 1) increased absorption due to plasmon resonance, 2) difference in work function due to different doping above and below graphene, 3) contact resistance.
이러한 3가지 요소가 독립적으로 작용하여 광전류(photocurrent)에 영향을 줄 것이다. 앞서 말했듯이 나노입자의 존재에 의해 플라즈몬 공명이 형성되고 그래핀의 흡수율에 영향을 줄 것이다. 그래핀의 아래쪽 면에 닿는 것은 나노입자가 없을 경우 ITO가 될 것이고 나노입자가 있을 때는 금일 것이다. 금 나노입자의 경우 약한 n-doping을 유발 시킬 것이므로 금 전극과 닿아있는 위쪽 그래핀과의 일함수 차이를 ITO의 경우보다 더 크게 만들 것이다. 큰 일함수 차이는 광전지 효과(photovoltaic effect)에서 더 큰 Isc를 유발시킨다. 마지막으로 컨택저항은 금 나노파티클이 있을 경우 ITO의 경우 보다 작은 저항을 만들어 전류를 더 잘 흐르게 한다. 위의 3가지 요소는 독립적이기 때문에 곱하기로 작용하고 따라서 대략 37.5 배 높은 Isc를 만들어 내는 것으로 나타났다. Voc도 마찬가지로 측정되었는데 2배 정도 높은 전압을 나타내었다. Isc에 비해서 적은 증가를 나타내는데 이는 나노파티클이 없을 때 상대적으로 높은 저항을 가지기 때문이다. (Voc = R * Isc)These three factors will work independently to affect the photocurrent. As mentioned earlier, plasmon resonance is formed by the presence of nanoparticles and will affect the absorption of graphene. Touching the bottom side of graphene will be ITO in the absence of nanoparticles and gold in the presence of nanoparticles. Gold nanoparticles will cause weak n-doping, making the work function difference between the upper graphene in contact with the gold electrode larger than that of ITO. Large work function differences cause larger Isc in the photovoltaic effect. Finally, the contact resistance creates a smaller resistance in the presence of gold nanoparticles than ITO, allowing the current to flow better. Since these three factors are independent, they work by multiplying and thus produce Isc approximately 37.5 times higher. Voc was also measured, showing a voltage twice as high. It shows a small increase compared to Isc because it has a relatively high resistance in the absence of nanoparticles. (Voc = R * Isc)
다음으로 금 나노입자가 있는 상황에서 그래핀 위쪽의 전극의 종류를 변화하며 Isc를 측정해보았다. 도 3a는 각 전극에 따른 그래핀의 일함수를 나타낸다. 금의 경우 강한 p-doping, 은의 경우 약한 p-doping, 알루미늄의 경우 약한 n-doping을 나타낸다. 이는 측정결과(도 3b)에서도 나타난다. 일함수의 차이는 앞서 말했듯이 Isc에 영향을 미치므로 아래쪽의 금 나노입자에 의해서 약하게 p-doping된 그래핀과의 일함수 차이에 따라서 Isc의 크기와 부호가 바뀐다. 따라서 은보다 강한 p-doping을 유발시키는 금의 경우 더 큰 Isc를 얻을 수 있었고, 알루미늄의 경우 n-doping 된 위쪽 그래핀에 따라 반대 부호의 Isc를 얻었다. 은의 경우 그래핀의 fermi level보다 작은 4.2eV 정도의 일함수를 가지기 때문에 n-doping을 유발시킬 것으로 보이지만 실제로는 그래핀과의 접촉되는 거리에 따라 p-doping 또는 n-doping을 유발시킨다. 은은 그래핀과의 접촉시 서로 간의 결합을 만들어내지 않기 때문에 그래핀의 반데르발스 갭을 통해 전자가 이동할 것이다. 따라서 그래핀과의 접촉 거리 또한 길어져서 p-doping을 유발시킨다. 알루미늄의 경우 도핑이 아래쪽과는 반대로 이루어지기 때문에 큰 일함수 차를 가질 것으로 예상되는 것에 반해 적은 Isc를 보여주었다. 이는 그래핀과 알루미늄의 컨택 저항이 금에 비해 상당히 크기 때문이다. 또 다른 이유로는 플라즈몬 결합의 크기가 금에 비해서 작기 때문이다. 이러한 두 가지 이유로 인해 알루미늄이 상대적으로 작은 Isc를 나타내는 것으로 보인다. Next, Isc was measured by changing the type of electrode on the graphene in the presence of gold nanoparticles. 3A illustrates a work function of graphene according to each electrode. Strong p-doping for gold, weak p-doping for silver, and weak n-doping for aluminum. This is also shown in the measurement result (Fig. 3b). Since the difference in work function affects Isc as mentioned above, the size and sign of Isc change according to the work function difference from graphene weakly p-doped by gold nanoparticles below. Thus, for gold, which causes stronger p-doping than silver, a larger Isc was obtained, and for aluminum, an opposite sign of Isc was obtained according to n-doping upper graphene. Silver appears to induce n-doping because it has a work function of 4.2 eV less than graphene's fermi level, but it actually causes p-doping or n-doping depending on the contact distance with graphene. Since silver does not create bonds with each other upon contact with graphene, electrons will move through the van der Waals gap of graphene. Therefore, the contact distance with the graphene is also long, causing p-doping. In the case of aluminum, the doping is reversed from the lower side, so it shows less Isc than expected to have a large work function difference. This is because the contact resistance of graphene and aluminum is considerably larger than gold. Another reason is that the size of the plasmon bond is smaller than that of gold. For these two reasons, aluminum appears to have a relatively small Isc.
가장 큰 Isc를 보이는 금 전극에서의 광반응도를 계산해보면, 2.9mA/W로 다른 그래핀 만을 사용한 문헌들에 비해서 상대적으로 높은 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이는 수직구조를 통해 그래핀의 휴지시간(relaxation time) 이전에 캐리어(carrier)들을 분리시킬 수 있으며 그래핀의 얇은 두께를 통해 강한 플라즈몬 결합을 만들어냈기 때문이다. 속도 측정은 fs레이저를 이용해 측정하였으며, 그래핀 ps의 짧은 캐리어 수명(carrier lifetime) 이내에 캐리어가 전극으로 이동하여 Isc를 만들내고 있으며, 수직(vertical) 구조로 매우 짧은 체널 길이(channel length)를 가지고 있음으로 응답시간(response time)이 매우 짧은 것으로 나타났다. 일반적으로 광반응성이 높으면 응답시간(response time)도 길어지지만 본 발명에서는 수직 구조와 수직 플라즈몬 결합을 이용하여 짧은 응답시간을 가지면서도 높은 광반응성을 가지도록 하였다.The photoreactivity of the gold electrode showing the largest Isc was found to be 2.9 mA / W, which is relatively higher than the literatures using only other graphene. This is because the vertical structure allows carriers to be separated before the relaxation time of graphene, and because of the thin thickness of graphene, strong plasmon bonds are produced. Velocity measurements were performed using an fs laser and within a short carrier lifetime of graphene ps, carriers moved to the electrodes to produce Isc, with a vertical structure with very short channel lengths. The response time was very short. In general, when the photoreactivity is high, the response time is increased, but in the present invention, the vertical structure and the vertical plasmon bond are used to have high photoreactivity while having a short response time.
도 4는 파장에 따른 광 반응도의 차이를 나타낸다. 측정 시 사용된 파장은 총 5가지로 각각 405, 532, 637, 975, 1550nm 이다. 나노입자가 존재할 때는 (red and blue line) 광 반응도가 637nm 레이저에서 가장 큰 것을 알 수 있다. 이는 광 반응성이 플라즈몬 결합의 공명을 따라가기 때문이다. 플라즈몬 결합의 공명파장에서 가장 강하므로 더 강한 흡수율을 가질 수 있으며 이에 따라 더 높은 광 전류가 흐르기 때문이다. 금 나노입자가 있을 때 비록 광반응도가 플라즈몬 결합의 공명을 따라가긴 하지만 그래핀의 밴드갭이 없는 장점으로 인해 전 파장 영역에서 비교적 높은 광반응도를 가진다. 반면에 나노입자가 없을 경우엔 플라즈몬 결합이 존재하지 않아 파장에 따라 광 반응도가 크게 변하지 않으며, 파장이 커짐에 따라 광반응도가 조금씩 커지는 것을 보이는데, 이는 파장이 큰 영역에서는 기본적으로 단일 광자의 에너지가 작기 때문에 전체적으로 같은 양의 에너지가 들어가기 위해서는 더 많은 광자가 들어가기 때문이다. 따라서 파장이 클수록 더 많은 광자의 수로 인해서 큰 광반응도를 가지게 된다. 또 한가지 주목할 점은 금 전극을 사용하였을 때는 637nm에서 광반응도의 peak 값을 가지는 반면 은 전극의 경우 532nm 레이저와 637nm에서 비슷한 광반응도를 가진다. 이는 은과 금 나노파티클에서 일어나는 플라즈몬 결합의 공명이 금 전극의 경우보다 더 짧은 파장 영역에 있기 때문이다. 상기 실험결과에 의하면 은 전극의 경우 650nm 영역까지 금 전극에 비해서 더 높은 흡수율을 가진다. 은 전극에서 더 높은 흡수율임에도 불구하고 도 4의 실험적 결과에서 더 작은 광반응도를 가지는 것은 그래핀의 위쪽과 아래쪽의 일함수 차이가 금의 경우보다 현저하게 작기 때문이다. 알루미늄의 경우 더 짧은 파장에서 공명파장을 가지며 이러한 결과들은 이전의 논문 데이터와 일치한다. 4 shows the difference in optical reactivity with wavelength. A total of five wavelengths were used for measurement, 405, 532, 637, 975, and 1550 nm, respectively. In the presence of nanoparticles (red and blue line), the light responsiveness can be seen to be greatest in the 637nm laser. This is because photoreactivity follows the resonance of the plasmon bond. It is the strongest at the resonance wavelength of the plasmon bond, so it can have a stronger absorption rate, so that a higher light current flows. In the presence of gold nanoparticles, although the photoresponsiveness follows the resonance of the plasmon bonds, it has a relatively high photoreactivity over the entire wavelength range due to the absence of a bandgap of graphene. On the other hand, in the absence of nanoparticles, there is no plasmon bond, so the optical reactivity does not change significantly with the wavelength, and as the wavelength increases, the photoreactivity gradually increases. Because it's small, more photons go in to get the same amount of energy overall. Therefore, the larger the wavelength, the larger the photon number, the greater the photoreactivity. It is also worth noting that when the gold electrode is used, the peak value of the photoreactivity at 637nm is similar, while the silver electrode has similar photoreactivity at 532nm and 637nm. This is because the resonance of plasmon bonds occurring in silver and gold nanoparticles is in the shorter wavelength range than that of gold electrodes. According to the experimental results, the silver electrode has a higher absorption rate than the gold electrode up to the 650 nm region. Despite the higher absorption at the silver electrode, the smaller photoreactivity in the experimental results of FIG. 4 is because the difference in work function between the top and bottom of graphene is significantly smaller than that of gold. Aluminum has resonance wavelengths at shorter wavelengths and these results are in agreement with previous paper data.
본 발명에서는 수직 구조의 금 상부전극/다층그래핀/금 나노입자 구조를 만들어 광전지 효과(photovoltaic effect)를 관찰하였다. 금 나노입자는 다층 그래핀을 분리막으로 사용하여 금 전극에 있는 영상 전하와 결합하여 그래핀의 흡수율을 도와준다. 이는 기본적으로 낮은 흡수율을 가지는 그래핀과 같은 이차원 물질의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 제시될 수 있다. 레이저를 조사하였을 때 Isc와 Voc를 모두 관찰하여 본 소자가 외부 전압인가 없이 빛만으로 전류를 만들어내는 광전지(photovoltaic) 소자임을 확인하였으며 여기서 생기는 전자 캐리어들은 열적 효과 없이 오직 빛만으로 생성되는 캐리어임을 확인하였다. 광전류(Photocurrent)는 본 소자에서 다음과 같은 4가지 주요한 요소들에 의해서 변화한다. 1) 나노입자를 통해 만들어지는 플라즈몬 결합에 의한 흡수율 증가. 2) 위쪽 전극의 종류에 따라 변화하는 그래핀 위쪽과 아래쪽의 일함수 차이. 또한 이러한 차이는 하나의 pn junction 처럼 생각될 수 있어 빛에 의해 전류를 생성하게 된다. 3) 조사되는 레이저 파장. 파장에 따라 나노입자가 존재할 때는 플라즈몬 결합의 공명을 따라가게 되며 나노입자가 없을 경우 전반적으로 비슷한 광전류를 생성하게 된다. 4) 컨택저항은 생성된 캐리어들의 이동을 제한시킬 수 있는 요소로 작용하며 나노입자가 그래핀과 ITO 사이에 컨택저항을 감소시키는 역할을 하여 더 높은 광전류를 만들어낸다. In the present invention, the photovoltaic effect was observed by making a gold upper electrode / multilayer graphene / gold nanoparticle structure having a vertical structure. Gold nanoparticles use multilayer graphene as a separator to help absorb graphene by combining with the image charge on the gold electrode. This can be presented as a way to overcome the limitations of two-dimensional materials such as graphene having a low water absorption basically. When the laser is irradiated, both Isc and Voc are observed to confirm that the device is a photovoltaic device that generates current with only light without applying an external voltage. . Photocurrent is changed by four main factors in this device. 1) Increased absorption by plasmon bonds made through nanoparticles. 2) Work function difference between the upper and lower graphene, which varies depending on the type of upper electrode. In addition, this difference can be thought of as a single pn junction, which generates a current by light. 3) Laser wavelength irradiated. Depending on the wavelength, the presence of nanoparticles follows the resonance of the plasmon bond, and in the absence of nanoparticles, a similar photocurrent is generated. 4) Contact resistance acts as a factor to limit the movement of generated carriers, and nanoparticles act to reduce contact resistance between graphene and ITO, resulting in higher photocurrent.
본 발명에서는 그래핀 만을 사용하여 2.9mA/W로 다른 그래핀 lateral 소자에 비해 높은 광반응도를 만들어냈다. 다른 반도체 물질을 사용하지 않았기 때문에 그래핀 고유의 장점인 광대역 흡수(broadband absorption)를 유지할 수 있었다. 또한 플라즈몬 결합이 그래핀을 통과하며 형성되기 때문에 더 큰 흡수율을 만들어 낼 수 있다. 이러한 수직 방향의 플라즈몬 결합은 그래핀의 얇은 두께를 통해 형성되기 때문에 그 세기가 매우 강하며 일정한 두께를 통해 랜덤하지 않고 일정하게 형성될 수 있다. 매우 얇고 투명한 물질들은 그 자체의 흡수율이 매우 낮아 광소자로서의 응용이 제한 될 수 있다. 본 발명에서 쓰인 구조적 장점들은 이러한 모든 물질들의 하나의 플랫폼으로 작용하여 광소자로서의 응용이 가능하다.In the present invention, using only graphene produced a high photoreactivity compared to other graphene lateral device at 2.9mA / W. Since no other semiconductor material was used, it was possible to maintain broadband absorption, which is inherent in graphene. In addition, because plasmon bonds are formed through graphene, they can produce greater absorption. Since the plasmon bond in the vertical direction is formed through the thin thickness of the graphene, its strength is very strong and can be formed constantly without being random through a constant thickness. Very thin and transparent materials have a very low absorption rate, which may limit their application to optical devices. The structural advantages used in the present invention serve as a platform of all these materials, allowing for application as an optical device.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail specific parts of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that these specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. will be. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (9)
(b) 하부전극;
(c) 나노구조층;
(d) 다층 그래핀층; 및
(e) 상부전극;
을 포함하는 플라즈몬 결합을 통한 다층그래핀 기반의 광전소자.
(a) a substrate;
(b) a lower electrode;
(c) a nanostructured layer;
(d) multilayer graphene layers; And
(e) an upper electrode;
Multilayer graphene-based optoelectronic device through the plasmon bond comprising a.
상기 기판은 유리, 석영, 고분자 또는 실리콘(Si)으로 구성된 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자
The method of claim 1,
The substrate is a multilayer graphene-based optoelectronic device, characterized in that consisting of glass, quartz, polymer or silicon (Si)
상기 하부전극은 ITO, 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 크롬, 주석, 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.
The method of claim 1,
The lower electrode is ITO, gold, silver, copper, iron, aluminum, titanium, nickel, chromium, tin, carbon nanotubes or a mixture thereof.
상기 나노구조층은 나노입자 또는 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.
The method of claim 1,
The nanostructure layer is a multi-layer graphene-based optoelectronic device, characterized in that it comprises nanoparticles or nanowires.
상기 나노입자는 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.
The method of claim 4, wherein
The nanoparticles are rhenium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum, gold or a multi-layer graphene-based optoelectronic device comprising a mixture thereof.
상기 다층그래핀 층은 2~50층의 그래핀층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.
The method of claim 1,
The multilayer graphene layer is a multilayer graphene-based optoelectronic device, characterized in that it comprises a graphene layer of 2 to 50 layers.
상기 상부전극은 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.
The method of claim 1,
The upper electrode is a multi-layer graphene-based optoelectronic device comprising a rhenium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum, gold or a mixture thereof.
상기 광전소자는 상기 (c) 나노구조층과 상기 (e) 상부전극사이에 수직방향으로 플라즈몬 결합이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.
The method of claim 1,
The optoelectronic device is a multilayer graphene-based optoelectronic device, characterized in that the plasmon bond is formed in the vertical direction between the (c) nanostructure layer and the (e) the upper electrode.
상기 다층 그래핀 층은 빛에 의한 캐리어 생성 역할을 함과 동시에 나노구조층과 상부전극 사이에 플라즈몬 결합을 유도하는 것을 특징으로 하는 다층그래핀 기반의 광전소자.The method of claim 1,
The multilayer graphene layer is a multi-layer graphene-based optoelectronic device, characterized in that the plasmon bond between the nanostructure layer and the upper electrode and at the same time plays a role of carrier generation by light.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Publication of correction |