KR100661696B1 - 이종 구조의 반도체 나노 와이어 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 나노결정 씨드(seed)의 표면으로부터 선택적인 방향에 물질 조성이 다른 반도체 나노결정을 와이어 형태로 성장시킨 이종 구조(heterostructure)의 반도체 나노 와이어 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 나노 와이어의 성장이 나노 결정 씨드에 의해 개시되므로, 나노 결정 씨드의 종류, 형태 및 크기를 조절함으로써 나노 와이어의 직경을 조절할 수 있고, 전기 광학적 특성이 조절된 와이어를 습식 공정으로 제조할 수 있다.
반도체 나노 결정, 씨드, 이종 구조 반도체 나노 와이어, 습식 공정

Description

이종 구조의 반도체 나노 와이어 및 그의 제조방법{Semiconductor Nanowire of Heterostructure and Method for Producing the same}
도 1은 종래기술에 의한 금 나노 입자를 촉매로 사용한 InAs 나노 와이어의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 CdSe 나노 입자에 의하여 개시된 ZnSe 나노 와이어의 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 CdSe 나노 결정 씨드의 UV 및 PL 스펙트럼을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 의한 CdSe-ZnSe 나노 와이어의 반응시간에 따른 TEM 사진,
도 5는 본 발명의 실시예 2에 의한 CdSe-ZnSe 나노 와이어의 UV 및 PL 스펙트럼을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예 3에 의한 CdSe-ZnSe 나노 와이어의 UV 및 PL 스펙트럼을 도시한 그래프, 및
도 7은 본 발명의 실시예 3에 의한 CdSe-ZnSe 나노 와이어의 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 데이터이다.
본 발명은 이종 구조의 반도체 나노 와이어 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 나노결정 씨드(seed)의 표면으로부터 선택적인 방향에 물질 조성이 다른 반도체 나노결정을 와이어 형태로 성장시킨 이종 구조(heterostructure)의 반도체 나노 와이어 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
화학적 습식방법에 의해 제조된 반도체 나노 결정은 작은 크기로 인하여 미세 소자에 응용될 수 있고, 양자 제한 효과 등에 의하여 물질 고유의 특성을 조절할 수 있으며, 그에 따라 전기 광학적인 다양한 특성을 도출할 수 있어 최근 많은 주목을 받고 있다.
특히, 한 쪽 축을 중심으로 방향성을 가진 로드(rod) 또는 와이어(wire)의 형태로 나노 결정을 제조하게 되면, 특정 방향에 따른 전자의 이동 특성이나, 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있어, 이러한 물질을 합성하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.
이와 관련하여, 일본 특개평 14-220300호에서는 실리콘 기판 표면에 실리콘 미결정 입자를 증착하는 공정; 및 진공 하에서 실리콘 기판의 표면이 용해되는 온도까지 가열하는 공정으로서, 상기 가열 공정이 실리콘 미결정 입자의 결정면에 표면 편석을 발생시킴으로써 복수의 나노 와이어를 성장시키는 공정을 포함하는 나노 와이어의 제조방법을 소개하고 있다.
그러나, 상기한 기술 내용은 기판 위에 실리콘 입자를 형성시키는 일차 공정과 존재하는 실리콘 미립자의 결정면에서 실리콘 나노 와이어를 성장시키는 공정이 모두 기판 위에서 이루어지고 있으며, 기상 증착 방법을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 문제점이 있다.
한편, 한국 공개 특허 제2004-000418호에서는 실질적으로 결정질 물질로 된 제 1 세그먼트 및 상기 제 1 세그먼트에 결합되는 상이한 조성의 물질로 된 제 2 세그먼트를 포함하고, 상기 세그먼트 중 적어도 하나가 대략 200nm 이하의 실질적으로 균일한 직경을 가지는 나노 와이어에 대하여 소개하고 있다. 상기의 물질 특허는 2가지 이상의 종류를 가진 다양한 구조의 나노 와이어를 개시하고 있으며, 이러한 물질이 다양한 응용처에 가능성이 있음을 시사하고 있다.
그러나, 원천적인 물질 구조에 대한 개념만을 제시하고 있을 뿐, 상세한 제조방법, 즉 1차 세그먼트로 분류될 수 있는 씨드 물질이 2차 세그먼트의 반응성을 조절하여 형태를 조절하고, 씨드 물질의 크기에 따라 2차 세그먼트의 직경을 조절하며, 씨드 물질과 2차 세그먼트의 합금 형태를 유도하여 밴드 갭을 더 다양하게 조절하는 기술에 관해서는 전혀 개시되어 있지 않다.
한편, 일본 특개평 15-277029호에서는 기판 상에 나노 탄소재료를 배치하고, 카본 나노 튜브를 기판에 대해 수직으로 선택 성장시키는 카본 나노 튜브의 제조방법에 대해 소개하고 있으나, 본 특허와는 해당 물질 및 공정 방법에 큰 차이가 있다.
또한, 일본 특개평 16-122283호에서는 기판에 재료층을 형성하는 공정; 재 료층에 각뿔(角錐)형 입자를 이용하여 패턴을 형성하는 공정; 패터닝된 재료층에 촉매 금속을 증착하는 공정; 재료층을 박리하여 패터닝된 촉매 금속을 형성하는 공정; 및 촉매 금속을 결정 성장시켜 나노 사이즈의 미세 구조물을 형성하는 공정 등으로 이루어지는 미세 구조물 제조방법에 대하여 소개하고 있으나, 본 특허와는 해당 물질 및 공정 방법에 큰 차이가 있다.
본 발명은 상기한 기술적 요구에 부응하기 위한 것으로, 나노 와이어의 직경 조절이 용이할 뿐만 아니라 광학적, 전기적 특성이 향상된 이종 구조(heterostructure)의 반도체 나노 와이어 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 측면은 반도체 나노결정 씨드(seed)의 표면으로부터 선택적인 방향에 물질 조성이 다른 반도체 나노결정이 와이어 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 구조(heterostructure)의 반도체 나노 와이어에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은 (a) 반도체 나노 결정 씨드(seed)를 제조하는 단계; (b) 전단계에서 수득한 나노결정 씨드를 나노 와이어의 금속 전구체 용액에 주입하는 단계; (c) 상기 혼합 용액에 나노 와이어의 비금속 전구체 용액을 주입하여 반응시킴으로써 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 나노 결정에 의해 개시된 나노 와이어의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 하나의 양상은 반도체 나노결정 씨드(seed)의 표면으로부터 선택적인 방향에 물질 조성이 다른 반도체 나노결정이 와이어 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 구조(heterostructure)의 반도체 나노 와이어에 관련된다.
기존의 하이브리드 나노 와이어는 촉매 금속과 실리콘으로 구성된 복합구조의 나노 와이어가 공지되어 있었으나, 본 발명에서와 같이 특징적으로 이종의 반도체로 구성된 하이브리드 나노 와이어는 아직까지 존재하지 않았다. 나노 와이어가 본 발명에서와 같이 이종의 반도체로 구성되면 가전자대와 전도대의 차이가 있는 물질이 결합되어 있으므로, 전자와 정공의 분리를 효율적으로 유도할 수 있기 때문에 광검출기(photodetector) 등의 광전류(photocurrent)를 이용할 수 있는 다양한 소자에 응용이 가능하다.
구체적으로, 본 발명의 나노결정 씨드 또는 나노 와이어를 구성하는 물질은 II-VI족, III-V족, IV-VI족 등의 반도체 화합물 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있다. 이때, 나노결정 씨드 및 나노 와이어는 반드시 다른 물질로 조성된 것이 특징이라고 할 수 있다. 동일 물질인 경우 에너지 밴드의 차이를 이용한 전자와 정공의 분리는 유도되지 않으므로, 이종 구조의 물질로 구성될 때 더 효율적인 전기 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 나노결정 씨드 또는 나노 와이어를 구성하는 물질은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, GaP, TlP 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 나노 결정 씨드의 형태는 구형, 쌀형(rice shape), 큐브(cube)형, 정사면체, 정팔면체 등으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 나노 결정 씨드의 크기는 제조하고자 하는 나노 와이어의 규격에 따라 달라지며 1nm 내지 50nm로 조절할 수 있다. 상기와 같은 크기로 하면 양자 제한 효과로 인하여 전기 광학적인 특성을 벌크 물질과는 다르게 다양하게 조절할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 반도체 나노 와이어는 디스플레이, 센서, 에너지, 반도체 분야 등과 같은 다양한 분야에서 응용될 수 있고, 특히 광전류(photocurrent) 특성을 이용할 수 있는 광검출기(photodetector)나 태양전지 또는 광메모리 등과 같은 에너지 및 반도체 분야에 유용하다.
본 발명의 다른 양상은 반도체 나노 결정에 의해 개시된 이종 구조의 반도체 나노 와이어의 제조방법에 관련된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 금 나노 입자를 촉매로 사용하여 InAs 나노 로드를 제조한 기술이 알려져 있으나, 본 발명에서는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 금속 촉매가 아닌 반도체 나노 와이어를 반도체 나노 결정 씨드에 의하여 개시되며, 크기와 특성이 씨드의 성질로부터 유도될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 같이, 나노 결정 씨드를 사용하여 나노 와이어를 성장시키게 되 면, 씨드의 반응성 있는(active) 표면으로부터 와이어의 성장이 이루어지므로 더 낮은 농도 및 더 낮은 온도에서 성장이 가능하게 되며, 씨드의 크기를 조절하면 씨드의 일정면에서 성장하는 와이어의 직경을 조절할 수 있게 된다.
금속 나노 입자를 사용한 종래 기술과는 달리, 씨드의 표면 위에서 성장시킨 나노 와이어의 경우, 성장점이 씨드 로부터 점차 멀어지는 것이 반응의 특징적인 차이라고 할 수 있다. 씨드를 사용하여 와이어를 성장시키게 되면, 계면 활성제(surfactant)의 종류나 전구체의 농도, 반응 온도를 조절하여 한 가지 종류의 나노결정을 성장시킬 때 형태를 조절하여 와이어를 만드는 것 보다, 형태와 크기를 제어하기가 쉬울 뿐만 아니라, 씨드와 나노 와이어의 특성을 조합하여 다양한 물질을 디자인할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같은 본 발명의 상기 제조방법을 각 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
(a) 나노 결정 씨드(seed)를 제조하는 단계
본 발명의 나노 결정 씨드는 예를 들어, 산화 카드뮴을 트리 옥틸 아민 등의 용매 및 올레인산 등의 분산제와 혼합하고, 질소 분위기 하에서 반응온도를 300℃로 올린 후, Se/트리옥틸 포스핀 용액을 빠르게 주입한 후, 급속 냉각 시킴으로써 제조할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 씨드로 사용될 수 있는 나노 결정으로는 II-VI족, III-V족, IV-VI족 등의 반도체 화합물 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있다.
구체적으로, 씨드를 구성하는 물질은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, GaP, TlP 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 나노 결정 씨드의 형태는 구형, 쌀형(rice shape), 큐브(cube)형, 정사면체, 정팔면체 등으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 나노 결정 씨드의 크기는 제조하고자 하는 나노 와이어의 규격에 따라 달라지며 1nm 내지 50nm로 조절할 수 있다. 상기와 같은 크기로 하면 양자 제한 효과로 인하여 전기 광학적인 특성을 벌크 물질과는 다르게 다양하게 조절할 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 씨드로 사용되는 물질의 종류, 형태, 크기 등을 조절하여 씨드의 일정면으로 나노 와이어를 성장시킴으로써, 씨드 표면의 특성에 따라 반응성을 조절할 수 있게 되어 나노 와이어로 성장 시키는 것이 더 유리하고, 사용된 씨드의 표면을 나노 와이어가 성장되는 초기에 결함(defect)을 감소시키는 효과를 주어 발광 효율이 향상될 수 있고, 와이어의 성장이 진행될수록 전자와 정공의 분리가 쉬워지므로 발광 효율은 낮아질 수 있으나 전자의 이동특성이 좋아질 수도 있게 된다.
이와 같이 수득한 나노 결정 씨드는 원심분리와 같은 통상의 방법에 따라 분리할 수 있다. 분리된 나노 결정 씨드의 광학 특성을 측정하는 한편, 크기와 형태를 분석하기 위하여 전자 현미경 사진(TEM)을 관찰함으로써 성장 메카니즘 및 효 과를 확인할 수 있다.
(b) 전단계에서 수득한 나노결정 씨드를 나노 와이어의 금속 전구체 용액에 주입하는 단계
본 발명의 나노 와이어를 제조하는 방법은 예를 들면, 아연 아세테이트를 트리 옥틸 아민 등의 용매 및 올레인산 등의 분산제와 혼합하고, 질소 분위기 하에서 반응온도를 300℃로 올린 후, 전 단계에서 수득한 나노 결정 씨드를 톨루엔과 같은 적당한 용매에 용해시켜 빠르게 주입함으로써 진행된다.
본 발명의 제조방법에서 나노 와이어의 금속 전구체로 사용될 수 있는 물질은 구체적으로, 디메틸 아연(dimethyl zinc), 디에틸 아연 (diethyl zinc), 아연 아세테이트(Zinc acetate), 아연 아세틸아세토네이트 (Zinc acetylacetonate), 아연 아이오다이드(Zinc iodide), 아연 브로마이드(Zinc bromide), 아연 클로라이드(Zinc chloride), 아연 플루오라이드(Zinc fluoride), 아연 카보네이트(Zinc carbonate), 아연 시아나이드(Zinc cyanide), 아연 나이트레이트(Zinc nitrate), 아연 옥사이드(Zinc oxide), 아연 퍼옥사이드(Zinc peroxide), 아연 퍼클로레이트(Zinc perchlorate), 아연 설페이트(Zinc sulfate), 디메틸 카드뮴(dimethyl cadmium), 디에틸 카드뮴(diethyl cadmium), 카드뮴 아세테이트(Cadmium acetate), 카드뮴 아세틸아세토네이트(Cadmium acetylacetonate), 카드뮴 아이오다이드(Cadmium iodide), 카드뮴 브로마이드(Cadmium bromide), 카드뮴 클로라이드(Cadmium chloride), 카드뮴 플루오라이드(Cadmium fluoride), 카드뮴 카보네이트 (Cadmium carbonate), 카드뮴 나이트레이트(Cadmium nitrate), 카드뮴 옥사이드(Cadmium oxide), 카드뮴 퍼클로레이트(Cadmium perchlorate), 카드뮴 포스파이드(Cadmium phosphide), 카드뮴 설페이트(Cadmium sulfate), 수은 아세테이트(Mercury acetate), 수은 아이오다이드(Mercury iodide), 수은 브로마이드(Mercury bromide), 수은 클로라이드(Mercury chloride), 수은 플루오라이드(Mercury fluoride), 수은 시아나이드(Mercury cyanide), 수은 나이트레이트(Mercury nitrate), 수은 옥사이드(Mercury oxide), 수은 퍼클로레이트(Mercury perchlorate), 수은 설페이트(Mercury sulfate), 납 아세테이트(Lead acetate), 납 브로마이드(Lead bromide), 납 클로라이드(Lead chloride), 납 플루오라이드(Lead fluoride), 납 옥사이드(Lead oxide), 납 퍼클로레이트(Lead perchlorate), 납 나이트레이트(Lead nitrate), 납 설페이트(Lead sulfate), 납 카보네이트(Lead carbonate), 주석 아세테이트(Tin acetate), 주석 비스아세틸아세토네이트(Tin bisacetylacetonate), 주석 브로마이드(Tin bromide), 주석 클로라이드(Tin chloride), 주석 플루오라이드(Tin fluoride), 주석 옥사이드(Tin oxide), 주석 설페이트(Tin sulfate), 게르마늄 테트라클로라이드(Germanium tetrachloride), 게르마늄 옥사이드(Germanium oxide), 게르마늄 에톡사이드(Germanium ethoxide), 갈륨 아세틸아세토네이트(Gallium acetylacetonate), 갈륨 클로라이드(Gallium chloride), 갈륨 플루오라이드(Gallium fluoride), 갈륨 옥사이드(Gallium oxide), 갈륨 나이트레이트(Gallium nitrate), 갈륨 설페이트(Gallium sulfate), 인듐 클로라이드(Indium chloride), 인듐 옥사이드(Indium oxide), 인듐 나이트레이트 (Indium nitrate), 인듐 설페이트(Indium sulfate)를 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
(c) 상기 혼합 용액에 나노 와이어의 비금속 전구체 용액을 주입하여 반응시킴으로써 나노 와이어를 형성하는 단계
상기와 같이 혼합 용액이 제조되면, Se/트리옥틸포스핀(TOP)와 같은 나노 와이어의 비금속 용액을 서서히 주입하여 반응시킴으로써 나노 와이어를 형성시킨다.
구체적으로, 본 발명의 제조방법에서 나노 와이어의 비금속 전구체로 사용될 수 있는 물질은 헥산 싸이올, 옥탄 싸이올, 데칸 싸이올, 도데칸 싸이올, 헥사데칸 싸이올, 머캡토 프로필 실란 등과 같은 알킬 싸이올 화합물, 설퍼-트리옥틸포스핀(S-TOP), 설퍼-트리부틸포스핀(S-TBP), 설퍼-트리페닐포스핀(S-TPP), 설퍼-트리옥틸아민(S-TOA), 트리메틸실릴 설퍼(trimethylsilyl sulfur), 황화 암모늄, 황화 나트륨, 셀렌-트리옥틸포스핀(Se-TOP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP), 텔루르-트리부틸포스핀(Te-TBP), 텔루르-트리페닐포스핀(Te-TPP), 트리메틸실릴 포스핀(trimethylsilyl phosphine) 및 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로 헥실포스핀을 포함하는 알킬 포스핀(alkyl phosphine), 알세닉 옥사이드 (Arsenic oxide), 알세닉 클로라이드(Arsenic chloride), 알세닉 설페이트(Arsenic sulfate), 알세닉 브로마이드(Arsenic bromide), 알세닉 아이오다이드(Arsenic iodide), 나이트릭 옥사이드 (Nitroud oxide), 나이트릭산(Nitric acid), 암모늄 나이트레이트(Ammonium nitrate) 등을 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 금속 전구체와 비금속 전구체의 농도는 나노 결정 씨드의 농도에 비례하여 조절할 수 있으며, 씨드의 농도가 높을 수록 나노 와이어의 길이는 짧은 경향을 나타낸다. 또한 씨드의 결정면에 따라 나노 와이어의 성장 속도 및 결정성이 좌우 될 수 있게 된다.
구체적으로, 나노 와이어는 나노결정 씨드의 결정면 위에 에피텍셜형으로 성장될 수 있으며, 이때 씨드로 사용한 나노 결정은 나노 와이어의 일정 부분에 포함되어 존재한다. 또한, 상기 씨드로 사용한 나노 결정과 나노 와이어의 전구체의 농도 비는 0.01:1 ~ 1:0.01 정도의 범위인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1. CdSe 나노 결정 씨드의 제조
트리 옥틸 아민(trioctyl amine, 이하 TOA라 함) 용매 20ml에 산화 카드뮴 (cadmium oxide, CdO)를 1.6mmol, 올레인 산 (Oleic acid) 3.2mmol을 250ml 둥근 플라스크에 넣고, 150℃까지 진공을 유지하고 교반하였다. 150℃에 도달하면, 질소로 3번 정도 퍼지(purge)하고 300℃까지 반응 온도를 올리면서 교반하였다. 300℃가 되면, 0.2M의 Se/트리 옥틸 포스핀(trioctyl phosphine, 이하 TOP라 함) 용액 을 1ml 취하여 빠르게 주입하였다. 반응 시간이 1분 30초 경과한 뒤 반응 온도를 급격히 떨어뜨리기 위하여 맨틀을 제거하고, 에탄올 등의 끓는 점이 낮은 용액을 가하였다. 원심 분리하여 침전을 분리한 후 다시 톨루엔 등의 유기 용매 5ml에 분산시켰다. 이렇게 제조된 CdSe 나노 결정의 UV 및 PL 스펙트럼을 측정하고, 이를 도 3에 나타내었다. 최대 흡수 파장은 약 560nm, 최대 발광 파장은 590nm 정도에서 나타났다.
실시예 2. CdSe 나노 결정 씨드를 이용한 ZnSe 나노 와이어의 제조
TOA 용매 20ml에 아연 아세테이트(zinc acetate) 0.4mmol을 넣고, 올레인 산 0.8mmol을 250ml 둥근 플라스크에 넣어, 150℃까지 진공을 유지하고, 교반하였다. 150℃에 도달하면, 질소로 3번 정도 퍼지(purge)하고 300℃까지 반응 온도를 올리면서 교반하였다. 300℃가 되면, 실시예 1에서 제조된 CdSe 나노 결정 씨드 용액 1ml를 취하여 빠른 속도로 반응기에 주입하였다. 0.2M Se/TOP 1ml를 아주 천천히 주입하고, 반응 시간을 한 시간 동안 유지하면서 반응시켰다.
반응 도중 시간에 따라 20분 간격으로 샘플을 취하여 전자 현미경 사진으로 분석함으로써 와이어의 길이가 늘어나는 것을 확인하였다. 이것을 도 4에 나타내었다. 도 4를 참고하면, 시간에 따라 나노 와이어의 길이가 늘어나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 반응시간에 따른 CdSe-ZnSe 나노 와이어의 UV 및 PL 스펙트럼을 측정하고, CdSe 나노결정 씨드의 UV 및 PL 스펙트럼과 함께 도 5에 도시하였다. 도 5 를 참고하면, CdSe 나노결정 씨드에 ZnSe를 성장시킬수록 에너지 밴드 갭이 작은 ZnSe의 영향으로 최대 흡수 파장이 550nm 에서 538nm로 청색 천이(blue shift)를 하고 있으나, 흡수 시작점은 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 발광 스펙트럼 (photoluminescent spectrum)의 경우도 CdSe 나노결정 씨드에 ZnSe를 성장시킬수록 최대 발광 파장이 568nm 에서 558nm로 청색 천이를 하고 있으나, 초기 나노결정 씨드의 발광 파장(590nm)이 여전히 나타나는 넓은 스펙트럼을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
실시예 3. CdSe 나노 결정 씨드를 이용한 ZnSe 나노 와이어의 직경 조절
실시예 1에서 CdSe 나노 결정을 만드는 조건과 동일한 조건에서 Se의 전구체 농도만은 2.0M Se/TOP로 하여 1ml를 가하고 반응 시간을 30초로 단축하였다. 동일한 방법으로 분리하고 톨루엔 유기 용매 5ml에 분산시킨 후 흡수 스펙트럼을 측정하면, 최대 흡수 파장은 500nm에서 나타났고 이를 도 6에 나타내었다.
이렇게 제조된 나노 결정을 실시예 2와 같은 조건에서 씨드로 사용하여 동일하게 반응을 수행하였다. 이렇게 제조된 CdSe-ZnSe 나노 와이어의 UV 및 PL 스펙트럼을 측정하면, 최대 흡수 파장은 약 418nm, 최대 발광 파장은 502nm에서 나타나며, 이것을 도 6에 함께 나타내었다. 도 6을 참고하면, 최대 흡수 파장이 500nm에서 418nm로 청색 천이한 것으로부터 나노 와이어가 형성되었다는 것을 형태 분석이 없이도 확인할 수 있다.
또한, CdSe-ZnSe 나노 와이어의 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 을 실시하여 그 데이터를 도 7에 나타내었다. 도 7을 참고하면, CdSe-ZnSe 구조에서 카드뮴(Cd), 아연, 셀레늄이 모두 검출된 것으로부터 씨드 위에 나노 와이어가 성장된 이종 구조(heterostructure)가 형성되었음을 확인할 수 있다.
본 발명에 의하면, 씨드로 사용되는 나노 결정의 결정면의 반응성(activity)이 다른 점을 이용함으로써, 그 표면 위에 자라는 나노 와이어의 방향성을 조절할 수 있고, 또한 씨드의 크기에 따라서 나노 와이어의 직경(diameter)을 조절할 수 있다.
또한, 씨드인 나노 결정 표면에 나노 와이어를 성장시킬 때 반응의 진행 정도에 따라 발광 효율이 향상되도록 만들 수도 있고, 전자의 이동도가 향상되도록 만들 수도 있다. 이렇게 제조된 두 가지 이상의 물질로 구성된 다양한 구조의 나노 와이어는 발광 또는 수광 특성이 개선되고, 방향성을 가지고 있어 편광 특성을 나타낼 수 있으며, 전자와 정공의 이동이 용이하여 광전자 소자에 다양하게 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 반도체 나노결정 씨드(seed)의 표면으로부터 선택적인 방향에 물질 조성이 다른 반도체 나노결정이 와이어 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 구조(heterostructure)의 반도체 나노 와이어.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 나노 결정 씨드 또는 나노 와이어를 구성하는 물질이 II-VI족, III-V족, IV-VI족의 반도체 화합물 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 와이어.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 나노결정 씨드의 형태가 구형, 쌀형(rice shape), 큐브(cube)형, 정사면체, 및 정팔면체로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 와이어.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 나노결정 씨드의 크기가 1nm 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 나노 와이어.
  5. (a) 나노 결정 씨드(seed)를 제조하는 단계; (b) 전단계에서 수득한 나노결정 씨드를 나노 와이어의 금속 전구체 용액에 주입하는 단계; (c) 상기 혼합 용액에 나노 와이어의 비금속 전구체 용액을 주입하여 반응시킴으로써 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 나노 결정에 의해 개시된 나노 와이어의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, (a) 단계의 나노 결정 씨드가 II-VI족, III-V족, IV-VI족의 반도체 화합물 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서, (a) 단계의 나노 결정 씨드의 형태가 구형, 쌀형(rice shape), 큐브(cube)형, 정사면체, 및 정팔면체로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5항에 있어서, (a) 단계의 나노 결정 씨드의 크기가 1nm 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5항에 있어서, (b) 단계의 나노 와이어의 금속 전구체가 디메틸아연(dimethyl zinc), 디에틸아연(diethyl zinc), 아연아세테이트(zinc acetate), 아연아세틸아세토네이트(zinc acetylacetonate), 아연아이오다이드(zinc iodide), 아연브로마이드(zinc bromide), 아연클로라이드(zinc chloride), 아연플루오라이드(zinc fluoride), 아연카보네이트(zinc carbonate), 아연시아나이드(zinc cyanide), 아연나이트레이트(zinc nitrate), 아연옥사이드(zinc oxide), 아연퍼옥사이드(zinc peroxide), 아연퍼클로레이트(zinc perchlorate), 아연설페이트(zinc sulfate), 디메틸카드뮴(dimethyl cadmium), 디에틸카드뮴(diethyl cadmium), 카드뮴아세테이트(cadmium acetate), 카드뮴아세틸아세토네이트(cadmium acetylacetonate), 카드뮴아이오다이드(cadmium iodide), 카드뮴브로마이드(cadmium bromide), 카드뮴클로라이드(cadmium chloride), 카드뮴플루오라이드(cadmium fluoride), 카드뮴카보네이트(cadmium carbonate), 카드뮴나이트레이트(cadmium nitrate), 카드뮴옥사이드(cadmium oxide), 카드뮴퍼클로레이트(cadmium perchlorate), 카드뮴포스파이드(cadmium phosphide), 카드뮴설페이트(cadmium sulfate), 수은아세테이트(mercury acetate), 수은아이오다이드(mercury iodide), 수은브로마이드(mercury bromide), 수은클로라이드(mercury chloride), 수은플루오라이드(mercury fluoride), 수은시아나이드(mercury cyanide), 수은나이트레이트(mercury nitrate), 수은옥사이드(mercury oxide), 수은퍼클로레이트(mercury perchlorate), 수은설페이트(mercury sulfate), 납아세테이트(lead acetate), 납브 로마이드(Lead bromide), 납클로라이드(Lead chloride), 납플루오라이드(Lead fluoride), 납옥사이드 (Lead oxide), 납퍼클로레이트(Lead perchlorate), 납나이트레이트(Lead nitrate), 납설페이트(Lead sulfate), 납카보네이트(Lead carbonate), 주석아세테이트(Tin acetate), 주석비스아세틸아세토네이트(Tin bisacetylacetonate), 주석브로마이드 (Tin bromide), 주석클로라이드(Tin chloride), 주석플루오라이드(Tin fluoride), 주석옥사이드(Tin oxide), 주석설페이트(Tin sulfate), 게르마늄테트라클로라이드 (Germanium tetrachloride), 게르마늄옥사이드(Germanium oxide), 게르마늄에톡사이드(Germanium ethoxide), 갈륨아세틸아세토네이트(Gallium acetylacetonate), 갈륨클로라이드(Gallium chloride), 갈륨플루오라이드(Gallium fluoride), 갈륨옥사이드(Gallium oxide), 갈륨나이트레이트(Gallium nitrate), 갈륨설페이트(Gallium sulfate), 인듐클로라이드(Indium chloride), 인듐옥사이드 (Indium oxide), 인듐나이트레이트(Indium nitrate), 인듐설페이트(Indium sulfate)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 5항에 있어서, (c) 단계의 나노 와이어의 비금속 전구체가 헥산 싸이올, 옥탄 싸이올, 데칸 싸이올, 도데칸 싸이올, 헥사데칸 싸이올, 머캡토 프로필 실란 등과 같은 알킬 싸이올 화합물, 설퍼-트리옥틸포스핀(S-TOP), 설퍼-트리부틸포스핀(S-TBP), 설퍼-트리페닐포스핀(S-TPP), 설퍼-트리옥틸아민(S-TOA), 트리메틸실릴 설퍼(trimethylsilyl sulfur), 황화 암모늄, 황화 나트륨, 셀렌-트리옥틸포스핀(Se-TOP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP), 텔루르-트리옥틸포스핀(Te-TOP), 텔루르-트리부틸포스핀(Te-TBP), 텔루르-트리페닐포스핀(Te-TPP), 트리메틸실릴 포스핀(trimethylsilyl phosphine) 및 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀을 포함하는 알킬 포스핀(alkyl phosphine), 알세닉 옥사이드(Arsenic oxide), 알세닉 클로라이드(Arsenic chloride), 알세닉 설페이트(Arsenic sulfate), 알세닉 브로마이드(Arsenic bromide), 알세닉 아이오다이드(Arsenic iodide), 나이트릭 옥사이드(Nitroud oxide), 나이트릭산(Nitric acid), 암모늄 나이트레이트(Ammonium nitrate)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 5항에 있어서, (c) 단계의 나노 와이어가 나노결정 씨드의 결정면 위에 에피텍셜형으로 성장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 5항에 있어서, 씨드로 사용한 나노 결정이 나노 와이어의 일정 부분에 포함된 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 5항에 있어서, 씨드로 사용한 나노 결정과 나노 와이어의 전구체의 농도 비가 0.01:1 ~ 1:0.01 정도의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
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