Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2010.05a
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pp.3.2-3.2
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2010
There have been many efforts to utilize the outstanding properties of graphene for macroscopic applications such as transparent conducting films useful for flexible/stretchable electronics. However, the lack of efficient synthesis, transfer, and doping methods limited the scale and the quality needed for the practical production of graphene films. In this presentation, we introduce ultra-large scale (~30 inch) synthesis, roll-to-roll transfer, and chemical doping of graphene films showing excellent electrical and physical properties suitable for practical applications. Considering the outstanding scalability/processibility of roll-to-roll and CVD methods and the extraordinary flexibility/conductivity of graphene films, we expect the commercial production and application electrodes replacing the use of ITO can be realized in near future.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.02a
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pp.196-196
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2012
Graphene, two-dimensional one-atom-thick planar sheet of carbon atoms densely packed in a honeycomb crystal lattice, has grabbled appreciable attention due to its extraordinary mechanical, thermal, electrical, and optical properties. Based on the graphene's high carrier mobility, high frequency graphene field effect transistors have been developed. Graphene is useful for photonic components as well as for the applications in electronic devices. Graphene's unique optical properties allowed us to develop ultra wide-bandwidth optical modulator, photo-detector, and broadband polarizer. Graphene can support SPP-like surface wave because it is considered as a two-dimensional metal-like systems. The SPPs are associated with the coupling between collective oscillation of free electrons in the metal and electromagnetic waves. The charged free carriers in the graphene contribute to support the surface waves at the graphene-dielectric interface by coupling to the electromagnetic wave. In addition, graphene can control the surface waves because its charge carrier density is tunable by means of a chemical doping method, varying the Fermi level by applying gate bias voltage, and/or applying magnetic field. As an extended application of graphene in photonics, we investigated the characteristics of the graphene-based plasmonic waveguide for optical signal transmission. The graphene strips embedded in a dielectric are served as a high-frequency optical signal guiding medium. The TM polarization wave is transmitted 6 mm-long graphene waveguide with the averaged extinction ratio of 19 dB at the telecom wavelength of $1.31{\mu}m$. 2.5 Gbps data transmission was successfully accomplished with the graphene waveguide. Based on these experimental results, we concluded that the graphene-based plasmonic waveguide can be exploited further for development of next-generation integrated photonic circuits on a chip.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.429-429
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2013
We present a systematic study of the electrical, optical and electromechanical properties of flexible graphene/metal grid hybrid transparent conductive electrodes using 4-point prove method, ultraviolet/visible spectrometer and inner/outer bending test system. The hybrid electrodes were synthesized by depositing a silver grid on a graphene surface. The sheet resistance of hybrid electrodes was as low as 30 Ω/square, while the transmittance was 90%. The electromechanical properties as a function of the change of bending radius were evaluated by measuring the change in resistance. The result will be presented in detail. We believe that these results will provide useful information for the flexible optoelectronic devices based on graphene transparent electrodes.
The wettability is one of the most fundamental properties of a material surface. Especially, graphene, two-dimensional (2D) surface material in which all the carbon atoms are exposed to the environment, is the best choice of template to study about the surface wettability. However, most studies have focused on the mechanical and electrical properties of graphene, not the surface wettability. This review article covers the wettability of graphene and provides recent research regarding the engineering of the surface wettability. This paper would be helpful for researchers working in this field and provides perspective for future carbon-liquid interacting applications.
Kim, Yoo-Seok;Song, Woo-Seok;Kim, Sung-Hwan;Jeon, Cheol-Ho;Lee, Seung-Youb;Park, Chong-Yun
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.08a
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pp.388-388
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2011
Graphene, with its unique physical and structural properties, has recently become a proving ground for various physical phenomena, and is a promising candidate for a variety of electronic device and flexible display applications. The physical properties of graphene depend directly on the thickness. These properties lead to the possibility of its application in high-performance transparent conducting films (TCFs). Compared to indium tin oxide (ITO) electrodes, which have a typical sheet resistance of ~60 ${\Omega}/sq$ and ~85% transmittance in the visible range, the chemical vapor deposition (CVD) synthesized graphene electrodes have a higher transmittance in the visible to IR region and are more robust under bending. Nevertheless, the lowest sheet resistance of the currently available CVD graphene electrodes is higher than that of ITO. Here, we report an ingenious strategy, irradiation of MeV electron beam (e-beam) at room temperature under ambient condition,for obtaining size-homogeneous gold nanoparticle decorated on graphene. The nano-particlization promoted by MeV e-beam irradiation was investigated by transmission electron microscopy, electron energy loss spectroscopy elemental mapping, and energy dispersive X-ray spectroscopy. These results clearly revealed that gold nanoparticle with 10~15 nm in mean size were decorated along the surface of the graphene after 1.0 MeV-e-beam irradiation. The fabrication high-performance TCF with optimized doping condition showed a sheet resistance of ~150 ${\Omega}/sq$ at 94% transmittance. A chemical transformation and charge transfer for the metal gold nanoparticle were systematically explored by X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy. This approach advances the numerous applications of graphene films as transparent conducting electrodes.
$La/TiO_2$ - graphene composites were synthesized in this study, and applied to the photocatalytic degradation of Rhodamine B (RhB) under UV-visible light irradiation. X-ray diffraction (XRD), surface analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM), and Transmission electron microscopy (TEM) analysis demonstrated that $La/TiO_2$ nanoparticles were well distributed on the surface of graphene, and formed the heterostructure of $La/TiO_2$-graphene. Compared to the pure $TiO_2$, $La/TiO_2$-graphene composites displayed much higher photocatalytic activities in RhB degradation under UV-visible light irradiation. The photocatalytic data of $La/TiO_2$-graphene composites exhibit extended light absorption in the visible light region, and possess better charge separation capability than that of pure $TiO_2$. The high photocatalytic activity was attributed to the composite's high adsorptivity, extended light absorption, and increased charge separation efficiency, due to the excellent electrical properties of graphene, and the large surface contact between graphene and $La/TiO_2$ nanoparticles.
Here, we introduce porous graphene balls (PGB) showing superior electrochemical properties as supercapacitor electrode materials. PGB was fabricated via activation of graphene oxides (GO) by H2O2 and aerosol spray drying in series. Effect of activation on the morphology, specific surface area, pore volume, and electrochemical properties were investigated. As-prepared PGB showed spherical morphology containing pores, which lead to the effective prevention of restacking in graphene sheets. It also exhibited a large surface area, unique porous structures, and high electrical conductivity. The electrochemical properties of the PGB as electrode materials of supercapacitor are investigated by using aqueous KOH under symmetric two-electrode system. The highest specific capacitance of PGB was 279 F/g at 0.1 A/g. In addition, the high rate capability (93.8% retention) and long-term cycling stability (92.2%) of the PGB were found due to the facilitated ion mobility between the porous graphene layers.
Tungsten carbide has many industrial applications due to its high electrical and thermal conductivity, high melting temperature, high hardness and good chemical stability. Because tungsten carbide is difficult to sinter, it is sintered with nickel or cobalt as a binder and is currently used in nozzles, cutting tools, and molds. Alumina is reported to be a viable binder for tungsten carbide due to its higher oxidation resistance and lower cost than nickel and cobalt. The ultrafine tungsten carbide-graphene-alumina composites were rapidly sintered in a high frequency induction heating active sintering unit. The microstructure and mechanical properties (fracture toughness and hardness) of the composites were investigated and analyzed by Vickers hardness tester and electron microscope. Since the high-frequency induction heating sintering method enables high-speed sintering, ultrafine composites can be prepared by preventing grain growth. In the tungsten carbide-graphene-alumina composites, the grain size of tungsten carbide increased with the amount of alumina participation. The hardness and fracture toughness of the tungsten carbide-5% graphene- x% alumina (x = 0, 5, 10,15) composites were 5.1, 8.6, 8.6, and 8.4 MPa-m1/2 and 2384, 2168, 2165, and 2102 kg/mm2, respectively. The fracture toughness increased without a significant decrease in hardness. Sinterability was improved by adding alumina to tungsten carbide-graphene.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.08a
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pp.119-119
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2011
This study examined the synthesis of large area graphene and the change of its characteristics depending on the ratio of CH4/H2 by using the thermal CVD methods and performed the experiments to control the electron-hole conduction and Dirac-point of graphene by using chemical doping methods. Firstly, with regard to the characteristics of the large area graphene depending on the ratio of CH4/H2, hydrophobic characteristics of the graphene changed to hydrophilic characteristics as the ratio of CH4/H2 reduces. The angle of contact also increased to 78$^{\circ}$ from 58$^{\circ}$. According to the results of Raman spectroscopy showing the degree of defect, the ratio of I(D)/I(G) increases to 0.42% from 0.25% and the surface resistance also increased to 950 ${\Omega}$ from 750 ${\Omega}$/sq. As for the graphene synthesis at the high temperature of 1,000$^{\circ}$ by using CH4/H2 in a Cu-Foil, the possibility of graphene formation was determined as a function of the ratio of H2 included in the fixed quantity of CH4 as per specifications of every equipment. It was observed that the excessive amount of H2 prevented graphene from forming, as extra H-atoms and molecules activated the reaction to C-bond of graphene. Secondly, in the experiment for the electron-hole conduction and the Dirac-point of graphene using the chemical doping method, the shift of Dirac-point and the change in the electron-hole conduction were observed for both the N-type (PEI) and the P-type (Diazonium) dopings. The ID-VG results show that, for the N-type (PEI) doped graphene, Dirac-point shifted to the left (-voltage direction) by 90V at an hour and by 130 V at 2 hours respectively, compared to the pristine graphene. Carrier mobility was also reduced by 1,600 cm2/Vs (1 hour) and 1,100 cm2/Vs (2 hours), compared to the maximum hole mobility of the pristine graphene.
We analyzed the effect of etchants for metal catalysts in terms of the characteristics of resulting graphene films, such as sheet resistance, hall mobility, transmittance, and carrier concentration. We found the residue of $FeCl_3$ etchant degraded the sheet resistance and mobility of graphene films. The residue was identified as an iron oxide containing a small amount of Cl through elemental analysis using X-ray photoelectron spectroscopy. To remove this residue, we provide an alternative etching solution by introducing acidic etching solutions and their combinations ($HNO_3$, HCl, $FeCl_3$ + HCl, and $FeCl_3+HNO_3$). The combination of $FeCl_3$ and acidic solutions (HCl and $HNO_3$) resulted in more enhanced electrical properties than pure etchants, which is attributed to the elimination of left over etching residue, and a small amount of amorphous carbon debris after the etching process.
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