KR102347937B1 - 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법 및 2차원 페로브스카이트 박막 - Google Patents
2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법 및 2차원 페로브스카이트 박막 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 ⅰ) 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물에 1차 알코올 및 2차 알코올을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 ⅱ) 기재 상에 상기 코팅 용액을 도포하여 2차원 페로브스카이트 박막을 제조하는 단계;를 포함하는 것인 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 상기 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따라 제조된 것인 2차원 페로브스카이트 박막을 제공한다.
Description
본 발명은 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법 및 2차원 페로브스카이트 박막에 관한 것이다.
페로브스카이트 (perovskite)는 러시아 광물학자 Lev Perovski의 이름을 딴 것으로, 양이온(A2+ 및 M4+)과 음이온(X2-)이 AMX3의 화학식으로 구성되며, 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물을 의미한다. 페로브스카이트 물질은 최초의 페로브스카이트형 물질인 Ural 산에서 발견된 CaTiO3와 같은 구조를 가지는 물질을 통틀어 의미하는 개념으로 사용된다.
최근 태양 전지, 전기 소자 등에 응용이 가능한 열전 및/또는 자성 물성을 가진 기능성 유무기 복합 페로브스카이트 물질이 주목받고 있다. 이러한 유무기 복합 페로브스카이트 물질은 무기물(M2+)과 유기물(A+ 및 X-)이 혼성화되어 페로브스카이트 결정구조를 갖는 할로겐화물을 기반으로 하고 있다.
특히 태양 전지나 전기 소자 등에 적용시키기 위해서는 박막 제조 공정이 필수이다. 이러한 박막 제조는 다양한 분야에서 필수적으로 수반되는 기술로서 물리적 박막 증착 (Physical Vapor Deposition, PVD), 화학적 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 등 다양한 기술이 개발되어 있다.
현재 유무기 복합 페로브스카이트 물질은 주로 롤투롤 (roll-to-roll), 슬롯 다이 (slot die) 등의 기법을 이용하여 박막을 제조하는데, 유무기 복합 페로브스카이트 물질은 스핀 코팅 방법으로 박막 제조시에는 대면적의 박막 구현과 재현성이 어렵다는 단점이 있었다. 한국 등록특허번호 제10-1967666호에는 페로브스카이트 물질을 이용하여 대면적 페로브스카이트 박막을 제조하는 기술이 개시되어 있기는 하나, 페로브스카이트 물질이 3차원의 큐빅 구조를 가지기 때문에, 박막 제조 시에 특정 축으로 고정되지 않고 무작위로 쌓이는 문제가 있어서 재현성에 문제가 있다. 또한 페로브스카이트 물질을 스핀 코팅 방법을 이용하여 박막 제조 시에는 대면적과 재현성 구현이 어렵기 때문에, 바코팅을 이용하고 있다.
종래 페로브스카이트 물질을 스핀 코팅 기법을 이용하여 대면적의 자성 박막을 제조하는 기술은 보고된 바가 없으며, 위와 같은 필요에 의하여 균질하고 재현성 있는 대면적의 자성 박막을 제조하기 위한 기술 연구가 지속되고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1967666호
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하고자, 대면적의 2차원 페로브스카이트 박막을 재현성 있게 제조할 수 있기 위한 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 제공하고자 하며, 이에 더하여 대면적의 자성 박막을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, ⅰ) 2차원 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물에 1차 알코올 및 2차 알코올을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 ⅱ) 기재 상에 상기 코팅 용액을 도포하여 2차원 페로브스카이트 박막을 제조하는 단계;를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 전술한 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따라 제조된 2차원 페로브스카이트 박막을 제공한다.
본 발명은 2차원 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물에 1차 알코올과 2차 알코올을 병용하여 코팅 용액을 제조하고, 이를 이용하여 2차원 페로브스카이트 박막을 제조함에 따라, 표면이 균질하고도 대면적의 2차원 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다. 나아가 본 발명의 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따르면 벌크 단결정과 동등한 수준의 자성을 가지는 2차원 페로브스카이트 박막을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2차원 페로브스카이트 물질의 구조를 나타낸 도시이다.
도 2는 한국 등록특허번호 제10-1967666호에 개시된 3차원 페로브스카이트 물질의 구조를 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 16 ㎚ 두께의 2차원 페로브스카이트 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 18 ㎚ 두께의 2차원 페로브스카이트 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따라 제조예 1의 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 실험예 3에 따라 제조예 1의 페로브스카이트 박막의 자성 평가 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실험예 4에 따라 유기 용매 종류에 따른 XRR 결과를 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 실험예 4에 따라 유기 용매 종류에 따른 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 실험예 5에 따라 물, 메탄올, 물 및 메탄올을 이용하여 제조한 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 실험예 6에 따라 메탄올과 이소프로판올의 혼합 부피비에 따른 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 실험예 6에 따라 메탄올과 이소프로판올의 혼합 부피비에 따른 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 2는 한국 등록특허번호 제10-1967666호에 개시된 3차원 페로브스카이트 물질의 구조를 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 16 ㎚ 두께의 2차원 페로브스카이트 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 18 ㎚ 두께의 2차원 페로브스카이트 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따라 제조예 1의 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 6은 본 발명의 실험예 3에 따라 제조예 1의 페로브스카이트 박막의 자성 평가 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 본 발명의 실험예 4에 따라 유기 용매 종류에 따른 XRR 결과를 나타낸 도시이다.
도 8은 본 발명의 실험예 4에 따라 유기 용매 종류에 따른 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 9는 본 발명의 실험예 5에 따라 물, 메탄올, 물 및 메탄올을 이용하여 제조한 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 본 발명의 실험예 6에 따라 메탄올과 이소프로판올의 혼합 부피비에 따른 박막의 XRR 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 본 발명의 실험예 6에 따라 메탄올과 이소프로판올의 혼합 부피비에 따른 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도시이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법
본 발명은 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법은, ⅰ) 2차원 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물에 1차 알코올 및 2차 알코올을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및 ⅱ) 기재 상에 상기 코팅 용액을 도포하여 2차원 페로브스카이트 박막을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 구조는 티탄산 칼슘(CaTiO3)의 결정 구조와 같은 형식의 결정 구조를 의미하는 것으로서, 상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물이란, 상기 화합물의 결정 구조가 티탄산 칼슘의 결정 구조와 동일하거나 유사한 구조를 가지는 화합물을 의미할 수 있다.
상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물은 2차원의 페로브스카이트(K2NiF4 type, A2BX4) 구조일 수 있다. 상기 2차원의 페로브스카이트 구조는 도 1에 나타낸 바와 같이 방향성 있게 박막에 수직한 방향이 c-축으로 고정되어 쌓이고, 박막에 수평한 방향으로 a-축, b-축이 자유롭게 분배되어 있다 (Dalton Trans., 2012, 41, 1237-1242).
반면에 한국 등록특허번호 제10-1967666호에 개시된 페로브스카이트 물질은 도 2에 나타낸 바와 같이 3차원의 큐빅 구조를 가지기 때문에, 특정한 축으로 고정되지 않고 무작위로 박막 상에 쌓이는 문제가 있다 (J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 5628-5641).
상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
A2BX4
상기 화학식 1에 있어서,
A는 유기 화합물 유래의 1+ 양이온이고, B는 2+ 금속 양이온이고, X는 할라이드 음이온이다.
상기 A의 유기 화합물은 아민 화합물을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로는 상기 A의 유기 화합물은 탄소수 3 내지 10의 알킬아민, 탄소수 6 내지 20의 아릴아민, 및 탄소수 6 내지 20의 아릴알킬아민 중에서 선택되는 적어도 하나의 아민 화합물을 포함할 수 있다.
상기 알킬아민의 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 3 내지 10일 수 있으며, 알킬기의 구체적인 예로는 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸부틸기, 1-에틸부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸 부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸프로필기, 1,1-디메틸프로필기, 이소헥실기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기, 또는 벤질기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴알킬아민의 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 1 내지 10일 수 있으며, 알킬기의 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸부틸기, 1-에틸부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸 부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥실메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸프로필기, 1,1-디메틸프로필기, 이소헥실기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기, 또는 벤질기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 아릴아민 또는 아릴알킬아민의 아릴기는 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있으며, 탄소수는 6 내지 20일 수 있고, 구체적으로는 탄소수 6 내지 10일 수 있으며, 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 또는 트리페닐렌기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 A의 유기 화합물은 프로필아민, n-부틸아민, t-부틸아민, n-펜틸아민, n-헥실아민, 메틸에틸아민, 메틸프로필아민, 메틸부틸아민, 에틸프로필아민, 에틸부틸아민, 페닐메틸아민, 페닐에틸아민, 페닐프로필아민, 또는 페닐부틸아민 등을 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로 상기 A의 유기 화합물은 페닐에닐아민일 수 있다.
상기 B의 금속은 2+ 전이금속인 Mn, Fe, 또는 Cu 등을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 B의 금속은 Mn일 수 있다.
상기 X의 할라이드는 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I)일 수 있고, 구체적으로는 염소(Cl)일 수 있다.
상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물은 페닐에틸암모늄 망간 클로라이드 (Mn-PEA)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 코팅 용액에는 상기 1차 알코올 및 2차 알코올을 2:1 내지 5:1의 부피비로 혼합되는 것일 수 있다. 상기 1차 알코올 및 2차 알코올의 부피비가 상기 범위를 만족하는 경우에는 제조된 페로브스카이트 박막의 표면이 균질하게 형성될 수 있다. 상기 1차 알코올 및 2차 알코올의 부피비가 2:1 미만인 경우에는 유기 금속 할라이드 화합물 결정이 골고루 퍼지지 않고 두껍게 뭉쳐서 자람에 따라 박막이 대면적으로 제조되지 못하는 문제가 있으며, 부피비가 5:1을 초과하는 경우에는 페로브스카이트 결정이 잘 생성되지 못하여서 박막의 표면이 균질하게 되지 못하는 문제가 있다.
상기 1차 알코올은 탄소수 1 내지 3의 1차 알코올을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 1차 알코올은 메탄올, 에탄올, 또는 프로판올을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 1차 알코올은 메탄올을 포함할 수 있다. 상기 1차 알코올의 탄소수가 3을 초과하는 경우에는 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물의 용해도가 크게 저하되어 결정 성장에 방해가 될 수 있다. 한편 알코올이 아닌 물을 이용하는 경우에는 페로브스카이트 구조가 습기, 수분에 약한 편이어서 박막의 결정 성장 자체를 방해할 우려가 있다.
상기 2차 알코올은 탄소수 1 내지 6의 2차 알코올을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 2차 알코올은 이소프로판올, 1-메틸프로판올, 1-메틸부탄올, 1-에틸프로판올, 1-메틸펜탄올, 1,3-디메틸부탄올, 또는 1,2-디메틸부탄올 등을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 2차 알코올은 이소프로판올을 포함할 수 있다. 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물의 용해도가 큰 경우에 결정 성장(석출)이 원활하게 이루어지지 못하는 문제가 있기 때문에, 상대적으로 1차 알코올보다 용해도가 작은 2차 알코올을 포함함에 따라 용해도를 조절하여서 결정 성장 및 대면적의 박막 형성이 가능해진다.
상기 ⅰ) 단계는, 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물을 1차 알코올에 혼합한 후에, 이어서 2차 알코올을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
이 때 상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물을 1차 알코올에 혼합한 후 음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 음파 처리는 통상적으로 이용되는 초음파 세정기를 사용할 수 있고, 약 20~30 kHz에서 약 5 내지 15분간, 구체적으로는 약 10분간 음파 처리하는 것일 수 있다.
또한 상기 2차 알코올을 혼합한 후 음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 음파 처리는 전술한 음파 처리 장치를 이용하여 약 3 내지 7분간, 구체적으로는 약 5분간 음파 처리하는 것일 수 있다.
상기 ⅰ) 단계는, 1차 알코올 및 2차 알코올을 먼저 혼합한 후에, 이어서 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수도 있다.
또한 상기 1차 알코올 및 2차 알코올의 혼합 용액에 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물을 혼합한 후에 음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 음파 처리는 전술한 음파 처리 장치를 이용하여 약 3 내지 15분간 음파 처리하는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 페로브스카이트 박막의 제조 방법은, 상기 ⅰ) 단계 이전에, 상기 기재를 극성 용매를 이용하여 세척하는 단계; 및 상기 세척 단계 후에 상기 기재로부터 극성 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 극성 용매는 알코올 용매를 포함할 수 있으며, 구체적으로는 이소프로판올, 에탄올, 및 메탄올 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용매일 수 있다.
상기 기재로부터 극성 용매를 제거하는 단계는 아세톤을 이용하는 것일 수 있다. 상기 아세톤을 이용하는 경우에는 아세톤이 증발하면서 극성 용매도 함께 증발되는 현상을 이용함에 따라, 남아 있는 물 또는 물 때 등에 의해 얼룩과 이물질이 생기는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기 기재는 실리콘 웨이퍼 등을 포함할 수 있다.
상기 ⅱ) 단계는, 상기 코팅 용액을 기판 상에 도포한 후에, 2,000 내지 3,000 rpm에서 10 내지 60초 동안 스핀 코팅 방법을 이용하여 페로브스카이트 박막을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로 본 발명의 페로브스카이트 박막의 제조 방법은 특정한 알코올을 소정의 비율로 혼합한 코팅 용매를 이용하여 스핀 코팅 방법을 이용함으로써, 대면적의 재현성있는 균질한 박막을 제조할 수 있다.
상기 스핀 코팅 방법의 스핀 속도(rpm)가 상기 범위를 만족하는 경우에 표면이 균질한 대면적의 박막을 제조할 수 있다. 상기 스핀 코팅 방법의 스핀 속도는 2,300 내지 2,500 rpm일 수 있다.
상기 스핀 코팅 방법의 스핀 속도가 2,000 내지 3,000 rpm을 만족하지 않는 경우에는 유기 금속 할라이드 화합물 결정 형성에 영향을 미쳐서 결정이 두껍고 뭉쳐서 자람에 따라 대면적의 박막을 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 스핀 코팅 방법의 코팅 시간이 10초 미만인 경우에는 1차 알코올 및 2차 알코올이 충분히 증발되지 않기 때문에 대면적으로 제작되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
2. 2차원 페로브스카이트 박막
본 발명은 2차원 페로브스카이트 박막을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 2차원 페로브스카이트 박막은 전술한 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따라 제조된 것일 수 있다.
구체적으로 상기 2차원 페로브스카이트 박막의 두께는 15 내지 20 ㎚인 것일 수 있고, 구체적으로는 16 내지 18 ㎚일 수 있다.
또한 상기 2차원 페로브스카이트 박막은 자성 박막일 수 있는데, 이 때 상기 2차원 페로브스카이트 박막의 자성은 페로브스카이트 벌크 단결정과 같은 성질인 강자성(ferromagnetic) 인 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
실리콘 웨이퍼(기재)를 극성 용매인 이소프로판올, 에탄올, 메탄올을 이용하여 세척하였다. 아세톤을 이용하여 용매를 제거하였다.
Mn-PEA (Phenylethylammonium Manganese(II) chloride) 30 mg을 메탄올 4 mL에 첨가한 후 초음파 세정기 (새한초음파 SH-1070, 28 kHz)로 10 분간 음파 처리하였다. 이어서 이소프로판올 2 mL를 추가로 넣어주고 동일한 초음파 세정기로 5 분간 음파 처리하여 코팅 용액을 제조하였다. 총 6 mL의 용액 중 3 mL를 채취하여 실리콘 웨이퍼에 올린 후 2,500 rpm에서 30 초간 스핀 코팅(spin-coating) 기법을 이용하여 2차원 페로브스카이트 박막을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 제조예 1에 따라 제조된 2차원 페로브스카이트 박막에 대해 X-ray reflection (XRR) 테스트 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4의 XRR 결과에서 피크는 구조적 결정성을 의미하며, 피크 좌우의 엣지(edge: Kiessing fringe)는 층의 개수, 두께, 대면적과 관련이 있다. 피크가 샤프하지 않으면서 엣지 개수가 많이 관찰된다는 것은, 박막이 얇고 전체적으로 결정이 고르게 형성되었다는 것을 의미하므로, 결과적으로 본 발명의 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따르면 페로브스카이트 박막이 대면적으로 제조된 것이라는 점을 확인할 수 있었다.
또한 도 3의 2차원 페로브스카이트 박막의 두께는 16 ㎚이었고, 도 4의 2차원 페로브스카이트 박막의 두께는 18 ㎚이었다. 이는 본 발명의 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따르면 박막 두께가 15 내지 20 ㎚의 박막이 제조되며, 도 3 및 도 4의 XRR 테스트 결과에 따르면 해당 범위에서 대면적의 박막이 재현성을 가진다는 것을 의미하는 것이다.
<실험예 2>
상기 제조예 1의 페로브스카이트 박막에 대해 SEM 이미지를 도 5에 나타내었다.
도 5에 따르면 본 발명의 페로브스카이트 박막은 500 ㎛ 내에 3~4개의 단위포(unit cell)인 16 ㎚의 두께를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3>
상기 제조예 1의 2차원 페로브스카이트 박막에 대해 SQUID 장비(제작사 : Quantum Design, 모델명: MPMS3)를 이용하여 2K 내지 300K 온도 범위에서 자기장을 5 kOe으로 고정하여 자성을 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 따르면 본 발명의 2차원 페로브스카이트 박막(Si/16-nm Mn-PEA)에서도 벌크 단결정과 같은 강자성(ferromagnetic)이 보이는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 4>
상기 제조예 1에서 메탄올 및 이소프로판올 대신에 디클로로메탄(DCM), 아세톤(Act), 메탄올(MeOH), 아세토니트릴(AcN), 헥산(Hx), 벤젠(Bz), 에테르(Et), 클로로포름(Cf) 용매를 이용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 2차원 페로브스카이트 박막을 형성한 후, XRR 측정한 결과를 도 7에 나타내었고, 박막 표면의 SEM 이미지를 도 8에 나타내었다.
도 7에 따르면 제조된 모든 박막에서 결정 구조의 피크가 나타나지만, 메탄올을 이용한 박막을 제외한 나머지 박막에서는 Kiessing fringe가 나타나지 않았으므로, 대면적의 박막 제조에는 적합하지 않다는 것을 의미한다.
또한 도 8에 따른 박막 표면의 SEM 이미지는 상기 도 7의 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 5>
상기 제조예 1에서 메탄올 및 이소프로판올 대신에 물 단독(water), 메탄올 단독(MeOH), 또는 물과 메탄올의 혼합 용매(water+MeOH)를 이용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 2차원 페로브스카이트 박막을 형성한 후, XRR 측정한 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9에 따르면 물 단독(water) 또는 메탄올 단독(MeOH)으로 이용하여 제조한 박막의 XRR 데이터상, Bragg 피크가 약하고 Kiessing fringe가 전혀 관찰되지 않아서, 대면적으로 적층되지 않았다는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 6>
상기 제조예 1에서 메탄올 4 mL 및 이소프로판올 2 mL 대신에 각각 1) 메탄올 0 mL 및 이소프로판올 6 mL, 2) 메탄올 1 mL 및 이소프로판올 5 mL, 3) 메탄올 2 mL 및 이소프로판올 4 mL, 4) 메탄올 3 mL 및 이소프로판올 3 mL, 5) 메탄올 5 mL 및 이소프로판올 1 mL, 6) 메탄올 6 mL 및 이소프로판올 0 mL을 이용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 박막을 형성한 후, XRR 측정한 결과를 도 10에 나타내었고, 박막 표면의 SEM 이미지를 도 11에 나타내었다.
도 10에 따르면 메탄올(MeOH)과 이소프로판올(IPOH)의 혼합 부피비가 3:3일 때부터 Kiessing fringe가 나타나기 시작하였고, Kiessing fringe가 가장 두드러지게 확인되는 것은 메탄올과 이소프로판올의 혼합 부피비가 2:1 내지 5:1인 것을 확인할 수 있었다.
또한 도 11에 따른 박막 표면의 SEM 이미지는 상기 도 10의 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (18)
- ⅰ) 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물에 1차 알코올 및 2차 알코올을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및
ⅱ) 기재 상에 상기 코팅 용액을 도포하여 2차원 페로브스카이트 박막을 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 1차 알코올은 탄소수 1 내지 3의 1차 알코올을 포함하고
상기 2차 알코올은 탄소수 1 내지 6의 2차 알코올을 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법:
[화학식 1]
A2BX4
화학식 1에 있어서,
A는 유기 화합물 유래의 1+ 양이온이고, B는 2+ 금속 양이온이고, X는 할라이드 음이온이다. - 청구항 2에 있어서,
상기 A의 유기 화합물은 아민 화합물을 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 A의 유기 화합물은 탄소수 3 내지 10의 알킬아민, 탄소수 6 내지 20의 아릴아민, 및 탄소수 6 내지 20의 아릴알킬아민 중에서 선택되는 적어도 하나의 아민 화합물을 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 A의 유기 화합물은 프로필아민, n-부틸아민, t-부틸아민, n-펜틸아민, n-헥실아민, 메틸에틸아민, 메틸프로필아민, 메틸부틸아민, 에틸프로필아민, 에틸부틸아민, 페닐메틸아민, 페닐에틸아민, 페닐프로필아민, 및 페닐부틸아민 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 B는 2+ 전이금속인 Mn, Fe 및 Cu 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 X의 할라이드는 염소(Cl)인 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 알코올 및 2차 알코올을 2:1 내지 5:1의 부피비로 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 1차 알코올은 메탄올, 에탄올, 및 프로판올 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차 알코올은 이소프로판올, 1-메틸프로판올, 1-메틸부탄올, 1-에틸프로판올, 1-메틸펜탄올, 1,3-디메틸부탄올 및 1,2-디메틸부탄올 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 알코올은 메탄올을 포함하고,
상기 2차 알코올은 이소프로판올을 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 ⅰ) 단계는, 페로브스카이트 구조를 가지는 유기 금속 할라이드 화합물을 1차 알코올에 혼합한 후에, 이어서 2차 알코올을 혼합하여 코팅 용액을 제조하는 단계를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 ⅰ) 단계 이전에, 상기 기재를 극성 용매를 이용하여 세척하는 단계; 및
상기 세척 단계 후에 상기 기재로부터 극성 용매를 제거하는 단계;
를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 ⅱ) 단계는, 상기 코팅 용액을 기판 상에 도포한 후에, 2,000 내지 3,000 rpm에서 10 내지 60초 동안 스핀 코팅 방법을 이용하여 페로브스카이트 박막을 제조하는 단계를 포함하는 것인, 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법. - 청구항 1 내지 청구항 8 및 청구항 11 내지 청구항 16 중의 어느 한 항의 2차원 페로브스카이트 박막의 제조 방법에 따라 제조된 것인, 2차원 페로브스카이트 박막.
- 청구항 17에 있어서,
상기 2차원 페로브스카이트 박막의 두께는 15 내지 20 ㎚인 것인, 2차원 페로브스카이트 박막.
Priority Applications (1)
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-
2020
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