Structural, Optical, and Electrical Characterization of p-type Graphene for Various AuCl3 Doping Concentrations

Single-layer graphene layers have been synthesized by using chemical vapor deposition, subsequently transferred on 300 nm $SiO_2/Si$ and quartz substrates, and doped with $AuCl_3$ by spin coating for various doping concentrations ($n_D$) from 1 to 10 mM. Based on the $n_D$-dependent variations of Raman frequencies/peak-intensity ratios, sheet resistance, work function, and Dirac point, measured by structural, optical, and electrical analysis techniques, the p-type nature of graphene is shown to be strengthened with increasing $n_D$. Especially, as estimated from the drain current-gate voltage curves of graphene field effect transistors, the hole mobility is very little varied with increasing $n_D$, in strong contrast with the $n_D$-dependent large variation of electron mobility. These results suggest that $AuCl_3$ is one of the best p-type dopants for graphene and is promising for device applications of the doped graphene.

AuCl3를 도핑하여 제작한 p형 그래핀의 도핑농도에 따른 구조적, 광학적, 및 전기적 특성 연구

화학 기상 증착법에 의해 제작한 단층 그래핀을 300 nm $SiO_2$/Si와 석영기판 위에 전사한 후 도핑하기 위해 그래핀 표면에 $AuCl_3$ 용액의 농도를 1에서 10 mM까지 변화시키면서 스핀코팅 하였다. 도핑농도에 따른 그래핀의 특성을 여러 구조적, 광학적, 및 전기적 실험기법으로 분석한 결과, 도핑 농도가 증가함에 따라 그래핀의 p형 특성이 더욱 강해진다는 것을 라만 주파수/최고점 세기 비율, 면저항, 일함수, 및 디락점 등의 변화로 확인할 수 있었다. 특히, 그래핀 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류-게이트 전압 곡선 측정을 통해 처음으로 도핑농도의 증가에 따라 전하 이동도를 자세히 측정한 결과, 도핑농도가 증가할 때 전자의 이동도는 크게 감소한 것에 비해 정공의 이동도는 매우 적게 변화하였다. 이 결과는 $AuCl_3$가 그래핀의 p형 도핑 불순물로서 매우 우수하다는 것을 의미하여 향후 도핑된 그래핀의 소자활용에 있어 매우 유용할 것으로 전망된다.