KR102425891B1 - Layered compounds and nanosheets containing gallium and antimony, and electrical devices using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알칼리 금속을 포함하는 안티몬화 갈륨 층상구조 화합물과 이를 통해 만들어질 수 있는 나노시트 및 상기 물질들을 포함하는 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, [화학식 1] M1-xGaySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)로 표현되는 층상구조 화합물을 제공할 수 있다.An object of the present invention is to provide a gallium antimonide layered structure compound containing an alkali metal, a nanosheet that can be made therethrough, and an electrical device including the materials. In the present invention to achieve the above object, in the present invention, [Formula 1] M 1-x Ga y Sb z (M is at least one of group 1 elements, 0 < x ≤ 1.0, 0.75 ≤ y ≤ 1.25, 1.25 ≤ z It is possible to provide a layered structure compound represented by ≤2.25).

Description

갈륨과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자{Layered compounds and nanosheets containing gallium and antimony, and electrical devices using the same}Layered compounds and nanosheets containing gallium and antimony, and electrical devices using the same

본 발명은 갈륨과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물과 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼리금속을 포함하고 다양한 전기적 특성을 가지는 갈륨과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물과 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a layered compound and nanosheet containing gallium and antimony, and an electric device using the same, and more particularly, to a layered compound and nanosheet containing an alkali metal and gallium and antimony having various electrical properties. And it relates to an electric device using the same.

층간(interlayer)에 반데르발스 결합을 통해 연결되는 층상구조 화합물은 다양한 특성을 나타낼 수 있고, 이를 물리적 또는 화학적 방법으로 분리함으로써 두께 수 나노미터에서 수백 나노미터 수준의 이차원(2D) 나노시트를 제조할 수 있어 이에 대한 연구가 활발하다.Layered compounds connected to interlayers through van der Waals bonds can exhibit various properties, and two-dimensional (2D) nanosheets with a thickness of several nanometers to hundreds of nanometers are manufactured by separating them by physical or chemical methods. Research on this is active.

특히, 나노시트와 같은 저차원의 소재는 기존의 벌크 소재가 가지지 못하는 획기적인 신기능이 기대되고 기존소재를 대체할 차세대 미래 소재로서 가능성이 매우 크다.In particular, low-dimensional materials such as nanosheets are expected to have innovative new functions that existing bulk materials do not have, and have great potential as next-generation future materials to replace existing materials.

하지만 2차원적 결정구조를 가지는 층상구조 화합물은 지금까지 흑연이나 전이금속 칼코겐화합물 등의 물질로 제한되어 다양한 조성의 재료로의 전개가 되지 않는 문제가 있었다. However, layered structure compounds having a two-dimensional crystal structure have been limited to materials such as graphite or transition metal chalcogen compounds so far, and there is a problem in that they do not develop into materials of various compositions.

한편, 안티몬화 갈륨(Gallium Antimonide)은 화합물 반도체 물질로서, 다양한 전기 소자에 사용될 수 있지만, 현재까지 층상구조를 가지는 안티몬화 갈륨에 대해서는 알려진 바가 없다. On the other hand, gallium antimonide (Gallium Antimonide) is a compound semiconductor material and can be used in various electrical devices, but there is no known about gallium antimonide having a layered structure to date.

층상구조로 이루어진 안티몬화 갈륨 화합물은 다른 결정구조를 가지는 기존의 안티몬화 갈륨 화합물 보다 적용을 다양화시킬 수 있을 뿐 아니라, 기존에 적용되지 않았던 새로운 영역으로의 적용도 기대할 수 있다.The antimony antimonide compound composed of a layered structure can not only diversify the application than the existing gallium antimonide compound having a different crystal structure, but can also be expected to be applied to a new area that has not been applied before.

본 발명은 알칼리 금속을 포함하는 안티몬화 갈륨 층상구조 화합물과 이를 통해 만들어질 수 있는 나노시트 및 상기 물질들을 포함하는 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a gallium antimonide layered structure compound containing an alkali metal, a nanosheet that can be made therethrough, and an electrical device including the materials.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, [화학식 1] M1-xGaySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)로 표현되는 층상구조 화합물을 제공할 수 있다.In the present invention to achieve the above object, in the present invention, [Formula 1] M 1-x Ga y Sb z (M is at least one of group 1 elements, 0 < x ≤ 1.0, 0.75 ≤ y ≤ 1.25, 1.25 ≤ z It is possible to provide a layered structure compound represented by ≤2.25).

또한 본 발명에서는 상기 [화학식 1] M1-xGaySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)로 표현되는 조성물을 포함하고, 물리적 또는 화학적 박리 방법으로 만들어지는 나노시트를 제공할 수 있다.In addition, in the present invention, the composition represented by the [Formula 1] M 1-x Ga y Sb z (M is at least one of group 1 elements, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25) Including, it is possible to provide a nanosheet made by a physical or chemical peeling method.

또한, 본 발명에서는 상기와 같은 층상구조 화합물 또는 나노시트를 포함하는 전기소자를 제공할 수 있다.In addition, in the present invention, it is possible to provide an electric device including the layered structure compound or nanosheet as described above.

또한, 상기 전기소자는 멤리스터일 수 있다. In addition, the electric device may be a memristor.

본 발명을 통해 제공할 수 있는 층상구조 화합물과 나노시트는 다양한 전기적 특성을 가질 수 있고, 이를 통해 새로운 전기 소자의 개발이 가능하게 된다.The layered structure compounds and nanosheets that can be provided through the present invention may have various electrical properties, thereby enabling the development of new electrical devices.

도 1은 본 발명에 따라 만들어지는 층상구조 화합물과 나노시트에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 XRD 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 층상구조 화합물의 구조를 나타내는 모식도와 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) 분석 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 XRD 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 층상구조 화합물과 나노시트에 대한 SEM과 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 SEM 이미지 및 EDS 분석결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 층상구조 화합물의 구조를 나타내는 모식도와 STEM 분석 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 나노시트에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지 및 그에 따른 라인 프로파일(line profile)을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 나노시트에 대한 PFM(Piezoresponse Force Microscopy)을 통한 강유전 특성 평가 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 나노시트에 대한 TEM 이미지와 회절 패턴을 나타낸다.
1 is a conceptual diagram of a layered structure compound and a nanosheet made according to the present invention.
2 is a graph showing the XRD diffraction pattern for the layered compound according to the present invention.
3 shows a scanning electron microscope (SEM) image and an energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis result for the layered structure compound according to the present invention.
Figure 4 shows a schematic diagram showing the structure of the layered structure compound according to the present invention and STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) analysis results.
5 is a graph showing the XRD diffraction pattern for the layered structure compound according to the present invention.
6 is a SEM and TEM (Transmission Electron Microscope) images of the layered structure compound and the nanosheet according to the present invention.
7 shows the SEM image and EDS analysis results for the layered compound according to the present invention.
8 is a schematic diagram showing the structure of the layered compound according to the present invention and shows the results of STEM analysis.
9 shows an atomic force microscopy (AFM) image of a nanosheet according to the present invention and a line profile thereof.
10 is a ferroelectric property evaluation result through PFM (Piezoresponse Force Microscopy) of the nanosheet according to the present invention.
11 shows a TEM image and a diffraction pattern of a nanosheet according to the present invention.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, when a part 'includes' a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.The layered structure compound or nanosheet according to the present invention may be represented by the following formula (1).

[화학식 1] M1-xGaySbz [Formula 1] M 1-x Ga y Sb z

(M은 1족 원소 중 1종 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)(M is at least one type of group 1 element, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)

일반적으로 GaSb는 징크 블렌드(Zinc Blende) 결정구조로서 층상구조가 나타날 수 없고, 따라서 이를 박리해서 나노시트를 만들기도 불가능하였다. In general, GaSb has a zinc blende crystal structure and a layered structure cannot appear, so it is impossible to make a nanosheet by exfoliating it.

이를 극복하기 위해 발명자들은 GaySbz 에 1족 원소(이하 "첨가원소"라 함)를 첨가함으로써 GaySbz 층간에 첨가원소를 위치시켜 결과적으로 GaySbz 층이 이어지는 층상구조 화합물을 만들 수 있게 되었다. 이러한 GaySbz 층 사이에 위치하는 첨가원소는 GaySbz 층을 반데르발스 결합을 통해 약하게 결합시켜서, 이들 첨가원소가 위치하는 면은 이 면을 따라 쉽게 갈라지게 되는 벽개면을 이루게 된다.In order to overcome this, the inventors place an additive element between Ga y Sb z layers by adding a Group 1 element (hereinafter referred to as "additive element") to Ga y Sb z , resulting in a layered structure compound followed by a Ga y Sb z layer. was able to make The additive elements positioned between these Ga y Sb z layers weakly couple the Ga y Sb z layers through van der Waals bonds, so that the surface on which these additional elements are positioned forms a cleavage plane that is easily split along this plane.

이에 따라 본 발명에 따른 층상구조 화합물은 이러한 벽개면을 따라 GaySbz 층으로 쉽게 물리적 또는 화학적 방법 중 어느 하나 또는 둘 모두를 통해 박리될 수 있게 되는데, 이러한 박리는 첨가원소가 제거될 수록 더 쉽게 이루어진다. 따라서, 이러한 층상구조 화합물로부터 물리적 또는 화학적 박리 방법을 통해 쉽게 GaySbz 나노시트를 만들 수 있고, 여기서 GaySbz 나노시트에는 첨가원소가 일부 잔류할 수도 있다.Accordingly, the layered compound according to the present invention can be easily exfoliated through either or both physical or chemical methods into a Ga y Sb z layer along this cleavage plane, and this exfoliation becomes easier as the additive element is removed is done Therefore, Ga y Sb z nanosheets can be easily made from such a layered compound by a physical or chemical exfoliation method, where some of the additive elements may remain in the Ga y Sb z nanosheets.

첨가원소를 지속적으로 제거하면 화합물에서 GaySbz 층간 거리가 점차 벌어져 층간의 결합력이 약화되고 결국 층 사이의 결합이 없어지면서 층 사이에 크랙(crack)을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명에서 설명하는 층상구조 화합물의 층상구조는 반복되는 이차원의 GaySbz 층이 첨가원소에 의해 반데르발스 결합으로 층간에 결합이 이루어진 경우 뿐만 아니라 GaySbz 층 간의 결합력이 제거되어 층간의 거리가 벌어지면서 크랙을 나타내는 경우도 포함한다.If the additive element is continuously removed, the Ga y Sb z interlayer distance in the compound gradually widens, weakening the bonding force between the layers, and eventually the bonding between the layers disappears and cracks may appear between the layers. Therefore, in the layered structure of the layered structure compound described in the present invention, the bonding force between the Ga y Sb z layers is eliminated as well as when the repeated two-dimensional Ga y Sb z layer is bonded to each other through van der Waals bonding by an additive element. This includes the case where the distance between the layers becomes wider and cracks appear.

이러한 층상구조 화합물에서 박리되어 만들어지는 나노시트는 GaySbz 단일층일 수도 있지만, 복수의 층이 겹쳐져서 만들어질 수도 있기 때문에 수백 nm 두께일 수도 있다. 일반적으로 나노시트는 횡방향 너비 대비해서 두께가 일정 수준 이하이어야 2차원적인 형상에 따른 이방성을 나타낼 수 있는데, 이를 위해 나노시트의 너비(L) 대비 두께(d)의 비(d/L)는 0.1 이하인 것이 바람직하다. 본 발명을 통해 만들어지는 나노시트 너비는 5 ㎛ 이상도 가능하기 때문에, 나노시트의 두께는 500nm 이하인 것이 바람직하다. 여기서 GaySbz 나노시트에는 첨가원소가 일부 잔류할 수도 있다.The nanosheet made by exfoliating from such a layered compound may be a Ga y Sb z single layer, but may be several hundred nm thick because it may be made by overlapping a plurality of layers. In general, nanosheets can exhibit anisotropy according to a two-dimensional shape only when the thickness is below a certain level compared to the width in the transverse direction. For this, the ratio (d/L) of the width (L) to the thickness (d) of the nanosheet is It is preferable that it is 0.1 or less. Since the width of the nanosheet made through the present invention can be 5 μm or more, the thickness of the nanosheet is preferably 500 nm or less. Here, some of the additive elements may remain in the Ga y Sb z nanosheet.

이처럼 본 발명에 따르는 나노시트는 층상구조 화합물에서 물리적 또는 화학적 방법으로 박리되는 시트를 의미하며, GaySbz 층이 단일층인 경우뿐만 아니라 복수의 층으로 이루어지는 경우도 포함하게 된다.As such, the nanosheet according to the present invention refers to a sheet that is peeled off by a physical or chemical method from a layered compound, and includes a case in which the Ga y Sb z layer is formed of a plurality of layers as well as a single layer.

이러한 층상구조 화합물과 나노시트의 예에 대한 개념도는 도 1에서 나타내었는데, MGaySbz 의 GaySbz층(10) 사이에 첨가원소인 M(11)이 위치하여 GaySbz층(10) 간에 결합을 유지하는 것을 나타내고 있고, 여기서 M(11)이 제거되어 M1-xGaySbz 로 되면서 GaySbz층(10) 간의 결합이 약해지고, 이를 물리적 또는 화학적으로 박리하면 최종적으로 GaySbz 나노시트(20)로 만들어지는 것을 보여준다. 이렇게 만들어지는 나노시트에는 여전히 M(11)이 일부 포함될 수 있게 된다.A conceptual diagram of an example of such a layered compound and nanosheet is shown in FIG. 1 , where M(11), an additive element, is positioned between the Ga y Sb z layer 10 of MGa y Sb z , and the Ga y Sb z layer ( 10 ) indicates that the bond is maintained between It shows that the Ga y Sb z nanosheets 20 are made. The nanosheets made in this way may still contain some M(11).

첨가원소가 제거되기 전의 층상구조 화합물은 종래에 알려진 Cmca의 공간군을 가지는 KGaSb2 또는 P21/c의 공간군을 가지는 K2Ga2Sb3 가 될 수 있고, 이를 통해 만들어질 수 있는 M1-xGaySbz 화학식의 층상구조 화합물은 본 발명의 범위에 포함된다고 할 수 있다.The layered compound before the additive element is removed may be KGaSb 2 having a space group of Cmca or K 2 Ga 2 Sb 3 having a space group of P2 1 /c known in the prior art, and M 1 that can be made through this -x Ga y Sb z The layered structure compound of the formula can be said to be included in the scope of the present invention.

또한, 이외에도 계산을 통해 예측한 결과 Li, Na, K 등의 다양한 1족 원소를 이용하여 MGaySbz 화학식에 따르는 층상구조 화합물이 가능함을 알 수 있는데, 이를 통해 만들어질 수 있는 M1-xGaySbz 화학식의 층상구조 화합물 또는 나노시트도 본 발명의 범위에 속한다고 할 수 있다. In addition, as a result of prediction through calculation, it can be seen that a layered structure compound according to the MGa y Sb z formula is possible using various Group 1 elements such as Li, Na, K, and M 1-x that can be made through this It can be said that the layered structure compound or nanosheet of the Ga y Sb z formula also falls within the scope of the present invention.

이러한 층상구조 화합물로부터 첨가원소를 완전히 제거하지 않고 일부 잔류하는 상태로도 층상구조 화합물과 이를 통한 나노시트를 만들 수 있는데, 이러한 잔류하는 첨가원소로 인해 층상구조 화합물과 나노시트는 다양한 전기적 특성을 나타낼 수 있게 된다.A layered structure compound and nanosheets can be made through the layered structure compound and nanosheets using the layered structure compound without completely removing the additive element from the layered structure compound, but the layered structure compound and the nanosheet exhibit various electrical properties be able to

한편, 첨가원소는 x가 0.95를 초과하여 과도하게 제거되면 MGaySbz 이 가지던 결정구조가 변하면서 비정질상을 나타낼 수도 있다. 이러한 경우에도 일부 첨가원소가 잔류하거나 제거된 면은 여전히 물리적 박리가 쉽게 일어나는 벽개면이 되거나 GaySbz 층 간의 결합력이 제거되어 층간의 거리가 벌어지면서 크랙을 나타내고 이에 따라 GaySbz 층은 이차원 층을 유지하게 되어 화합물은 층상구조를 가지게 되고, 이로부터 박리된 나노시트를 제조할 수 있다.On the other hand, if the additive element is excessively removed when x exceeds 0.95, the crystal structure of MGa y Sb z may be changed and an amorphous phase may be exhibited. Even in this case, the surface on which some additional elements are left or removed still becomes a cleaved surface where physical exfoliation occurs easily, or the bonding force between the Ga y Sb z layers is removed, so that the distance between the layers increases and cracks appear. Accordingly, the Ga y Sb z layer becomes two-dimensional. By maintaining the layer, the compound has a layered structure, and a nanosheet exfoliated therefrom can be prepared.

따라서, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 박리가 쉽고 첨가원소 제거 전의 결정구조를 유지하면서 동시에 첨가원소에 의한 다양한 전기적 특성이 유지되도록 상술한 [화학식1]에서 x는 0.10≤x≤0.95일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.3≤x≤0.8 인 범위일 수 있다. Therefore, in the above-mentioned [Formula 1], x is 0.10≤x≤0.95 so that the layered structure compound or nanosheet according to the present invention is easy to peel and maintains the crystal structure before removal of the additive element and at the same time, various electrical properties by the additive element are maintained. , and more preferably 0.3≤x≤0.8.

여기서 층상구조 화합물 또는 나노시트의 결정구조는 첨가원소를 제거하기 전의 결정구조인 Cmca의 공간군을 그대로 유지할 수 있다. Here, the crystal structure of the layered compound or nanosheet may maintain the space group of Cmca, which is the crystal structure before removing the additive element.

첨가원소의 제거는 질산이나 염산과 같은 강산을 이용할 수 있는데, 이러한 강산을 통해 첨가원소가 제거되면서 강산에 포함되는 수소 이온이 첨가원소가 제거된 자리로 치환되어 결합되면서 수소가 포함되는 층상구조 화합물과 이를 통한 나노시트를 제공할 수도 있게 된다. A strong acid such as nitric acid or hydrochloric acid can be used to remove the additive element. As the additive element is removed through such a strong acid, the hydrogen ion contained in the strong acid is replaced with a site from which the additive element has been removed and combined with a layered structure compound containing hydrogen. Through this, it is also possible to provide a nanosheet.

상술한 층상구조 화합물 또는 나노시트는 분석 결과 다양한 특성을 나타내는데, 이러한 특성을 아래에서 설명한다. 여기서 설명하는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 첨가원소가 있는 경우와 없는 경우를 모두 포함한다.The above-described layered compound or nanosheet exhibits various properties as a result of analysis, and these properties will be described below. The layered structure compound or nanosheet described herein includes both cases with and without additional elements.

CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 상술한 층상구조 화합물 또는 나노시트는 Cmca인 공간군을 가질 수 있다. In XRD measurement using CuKα ray, the above-described layered compound or nanosheet may have a space group of Cmca.

또한, 첨가원소의 잔류량에 따라 층상구조 화합물은 비정질상을 포함할 수도 있다. In addition, depending on the residual amount of the added element, the layered structure compound may include an amorphous phase.

한편, 상술한 층상구조 화합물 또는 나노시트는, CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 2θ = 25.3°± 0.50°, 29.3°±0.50°, 41.9°±0.50°, 49.6°±0.50°, 52.0°±0.50°의 위치에서 피크가 나타나지 않는 층상구조 화합물 또는 나노시트일 수 있다. 상기 피크는 가장 큰 강도를 가지는 피크 대비 3% 이상의 강도를 가지는 피크를 의미할 수 있다. On the other hand, the above-described layered structure compound or nanosheet, 2θ = 25.3 ° ± 0.50 °, 29.3 ° ± 0.50 °, 41.9 ° ± 0.50 °, 49.6 ° ± 0.50 °, 52.0 ° ± 0.50 ° in XRD measurement using CuKα ray It may be a layered compound or nanosheet in which a peak does not appear at the position of The peak may mean a peak having an intensity of 3% or more compared to a peak having the greatest intensity.

일반적으로 자연적으로 존재하는 GaSb 화합물은 3차원의 징크 블렌드 구조로서 25.3°, 29.3°, 41.9°, 49.6°, 52°에서 회절 패턴이 나타나지만, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 징크 블렌드 구조가 아니기 때문에 이러한 각도에서 회절 패턴이 나타나지 않게 된다.In general, the naturally occurring GaSb compound has a three-dimensional zinc blend structure, and diffraction patterns appear at 25.3°, 29.3°, 41.9°, 49.6°, and 52°, but the layered structure compound or nanosheet according to the present invention has a zinc blend structure Since it is not, the diffraction pattern does not appear at these angles.

상술한 바와 같은 층상구조 화합물 또는 나노시트는 고유의 층상구조와 잔류하는 첨가원소로 인해 다양한 전기적 특성을 나타낼 수 있게 된다.The layered structure compound or nanosheet as described above can exhibit various electrical properties due to its inherent layered structure and residual additive elements.

우선, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 강유전 유사(ferroelectric-like) 특성을 나타낸다. First, the layered compound or nanosheet according to the present invention exhibits ferroelectric-like properties.

강유전 특성은 일반적으로 페로브스카이트 구조의 BaTiO3와 같은 비대칭 구조의 산화물에서 나타나는 특성으로 중심에 위치하는 Ba의 위치의 변화에 따라 강유전특성이 나타나게 된다. The ferroelectric characteristic is generally a characteristic of an oxide having an asymmetric structure such as a perovskite structure BaTiO 3 , and the ferroelectric characteristic appears according to a change in the position of Ba located at the center.

하지만, 본 발명에 따른 층상구조 화합물 또는 나노시트는 이러한 비대칭구조를 가지지 않는데, 그럼에도 불구하고 강유전 유사 특성을 나타내게 된다. 비대칭구조가 아님에도 강유전 유사 특성을 나타내는 이유는 잔류하는 첨가원소의 위치가 외부 전계에 따라 이동함에 따른 것으로 생각된다.However, the layered compound or nanosheet according to the present invention does not have such asymmetric structure, but nevertheless exhibits ferroelectric-like properties. The reason why it exhibits ferroelectric-like properties even though it is not an asymmetric structure is thought to be that the positions of the remaining additive elements move according to the external electric field.

이러한 본 발명에 따른 층상구조 화합물 또는 나노시트의 강유전 유사 특성을 통해 다양한 전기 소자에 적용이 가능하게 된다. Through the ferroelectric-like properties of the layered structure compound or nanosheet according to the present invention, it can be applied to various electrical devices.

또한, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 저항 스위칭 특성을 나타낸다. In addition, the layered compound or nanosheet according to the present invention exhibits resistance switching properties.

어떠한 물질이 저항 스위칭 특성을 가지면 그 물질에 인가하는 전압에 따라 선형적으로 전류가 증가하는 것이 아니라 초기 전압을 인가할 때는 물질이 고저항 상태를 유지하여 전류의 증가가 미미하다가 일정한 임계점에 도달하면 저저항 상태로 변하면서 급격하게 전류가 증가하게 된다.If a material has resistance switching characteristics, the current does not increase linearly according to the voltage applied to the material, but when an initial voltage is applied, the material maintains a high resistance state and the increase in current is insignificant and reaches a certain critical point. As it changes to a low-resistance state, the current rapidly increases.

이러한 저항 스위칭 특성은 일반적으로 산화물에서 나타나는 특징으로 최근에는 이러한 특성을 이용하여 플래시 메모리와 같이 정보의 저장이 가능한 멤리스터(memristor)와 같은 메모리소자의 개발이 활발하고, 본 발명의 층상구조 화합물과 나노시트는 저항 스위칭 특성을 활용하여 이러한 멤리스터와 같은 메모리소자의 개발에 적극 활용될 수 있다.This resistance switching characteristic is a characteristic generally found in oxides. Recently, the development of memory devices such as memristors that can store information such as flash memories using these characteristics is active, and the layered structure compound of the present invention and the Nanosheets can be actively used in the development of memory devices such as memristors by utilizing resistance switching characteristics.

[실시예][Example]

1) 층상 KGaSb2 합성1) Layered KGaSb 2 Synthesis

K와 Ga, Sb 금속 조각을 몰비에 맞게 칭량하여 혼합 후 알루미나 도가니에 투입하였다. 이 후 쿼츠 튜브에 넣이 이중 밀봉하여 외부 공기를 차단하였다. 이 과정은 아르곤 분위기의 글로브 박스에서 진행하였다. 이후 박스로에서 750℃로 3시간 동안 승온하고 15시간 유지하였다. 이후 재결정화 및 결정 성장을 위해 500℃로 100시간 동안 천천히 냉각한 후 다시 100시간을 유지하고 상온으로 냉각하여 최종 KGaSb2 샘플을 얻을 수 있었다. K, Ga, and Sb metal pieces were weighed according to the molar ratio, mixed, and then put into an alumina crucible. After that, it was placed in a quartz tube and double-sealed to block outside air. This process was carried out in a glove box in an argon atmosphere. Thereafter, the temperature was raised to 750° C. for 3 hours in a box furnace and maintained for 15 hours. After slowly cooling to 500° C. for 100 hours for recrystallization and crystal growth, it was maintained for 100 hours again and cooled to room temperature to obtain a final KGaSb 2 sample.

2) K의 제거2) removal of K

아세토니트릴(acetonitrile)에 GaCl3을 녹이고 에탄올 베이스의 HCl 2ml를 추가로 넣어 용액을 제조한 후, 이 용액에서 시간별로 반응시켜 층상 KGaSb2 에서 K를 제거하였다. 그 결과는 아래표에서 나타내었다. 표 1에서 잔류 K는 EDS분석을 통해 얻은 결과를 나타낸다.GaCl 3 was dissolved in acetonitrile (acetonitrile) and 2 ml of ethanol-based HCl was added to prepare a solution, and then reacted in this solution for time to remove K from the layered KGaSb 2 . The results are shown in the table below. Residual K in Table 1 shows the results obtained through EDS analysis.

샘플명sample name 반응시간reaction time 잔류 K(at%)Residual K (at%) 샘플 Asample A -- 29.929.9 샘플 Bsample B 0.5시간0.5 hours 17.517.5 샘플 Csample C 2시간2 hours 1515 샘플 Dsample D 4시간4 hours 6.66.6 샘플 Esample E 8시간8 hours 4.94.9 샘플 Fsample F 12시간12 hours 0.290.29

3) 나노시트화 공정3) Nanosheeting process

상기 표 2와 같이 제조된 샘플들에 대해서 에탄올에서 초음파를 조사한 후 테이프를 이용하여 박리된 나노시트를 제조하였다.After irradiating ultrasonic waves in ethanol with respect to the samples prepared as shown in Table 2, peeled nanosheets were prepared using a tape.

도 2는 XRD 회절 피크를 나타내는 그래프로 일반적인 징크 블렌드 구조의 비층상형 GaSb의 회절 피크(3D GaSb), KGaSb2 단결정의 레퍼런스 회절 피크(KGaSb2 Ref) 그리고 상술한 방법으로 만들어진 KGaSb2 (샘플 A)에 대한 회절 피크를 나타낸다. Figure 2 is a graph showing the XRD diffraction peak, the diffraction peak of a non-layered GaSb having a general zinc blend structure (3D GaSb), a reference diffraction peak of a KGaSb 2 single crystal (KGaSb 2 Ref), and KGaSb 2 made by the above method (Sample A) shows the diffraction peak for .

샘플 A와 징크 블렌드 구조의 GaSb 회절 피크(3D GaSb)를 비교하면, 샘플 A에서는 징크 블렌드 구조에서 나타나는 25.3°, 29.3°, 41.9°, 49.6°, 52°에서 회절 피크가 나타나지 않는 것을 볼 수 있었다. Comparing the GaSb diffraction peaks (3D GaSb) of the zinc blend structure with Sample A, it was found that in Sample A, the diffraction peaks at 25.3°, 29.3°, 41.9°, 49.6°, and 52° did not appear in the zinc blend structure. .

한편, KGaSb2 단결정의 레퍼런스 회절 피크(KGaSb2 Ref)와 샘플 A의 회절 피크를 비교하면 주요 피크에서 강도는 조금 차이가 있지만 주 피크가 나타나는 각도는 일치하는 것을 볼 수 있었다. 따라서, 상술한 합성 과정을 통해 합성된 샘플 A는 층상구조를 가지는 KGaSb2 임을 알 수 있었다.On the other hand, when the reference diffraction peak of the KGaSb 2 single crystal (KGaSb 2 Ref) and the diffraction peak of Sample A were compared, the intensity at the main peak was slightly different, but the angle at which the main peak appeared was the same. Therefore, it was found that the sample A synthesized through the above-described synthesis process was KGaSb 2 having a layered structure.

또한, XRD 분석을 통해 합성된 샘플 A는 공간군 Cmca인 사방정계 결정구조를 가지는 것을 확인하였다. In addition, it was confirmed through XRD analysis that the synthesized sample A had an orthorhombic crystal structure of the space group Cmca.

도 3은 합성된 샘플 A에 대한 SEM(Scanning Electron microscope) 이미지와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 결과를 나타낸다. 샘플 A는 SEM 이미지 상으로 층상구조가 확인되었고, EDS분석결과 K:Ga:Sb의 몰비는 이론 조성비인 1:1:2 에 근접하는 결과를 얻을 수 있었다. 3 shows a scanning electron microscope (SEM) image and an energy dispersive spectroscopy (EDS) result of the synthesized sample A. FIG. The layered structure of Sample A was confirmed on the SEM image, and as a result of EDS analysis, the molar ratio of K:Ga:Sb was close to the theoretical composition ratio of 1:1:2.

도 4는 KGaSb2 의 구조를 나타내는 모식도와 샘플 A에 대한 [110] 방향으로의 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) 분석 결과 그리고 SAED(Selected Area Diffraction) 패턴을 나타낸다. SAED 패턴을 분석한 결과 측정된 (004)면 패턴의 면간 거리는 7.404Å, 측정된 (114)면 패턴의 면간거리는 5.12Å이었다. 이론적으로 (004)면과 (114)면의 면간거리는 각각 7.408Å, 5.10Å이므로 상기 측정값은 이론값에 거의 일치하였다. 그런데, 이러한 측정값은 비층상형 징크 블렌드 구조의 GaSb에서는 나올 수 없는 값이다. 측정된 패턴은 Cmca 공간군에서만 나타는 패턴이다. SAED 패턴에서 존-엑시스(Zone-axis)는 패턴으로 측정된 면으로부터 외적을 통해서 구할 수 있으며, (004)와 (114)면의 외적을 통해서 구해지는 벡터는 [1-10]이다. 그러므로 존-엑시스(Zone-axis)는 [1-10]임을 확인할 수 있었고, [1-10]존으로부터 보이는 실제 측정된 STEM 이미지에서의 격자의 구조와 이론상으로 구해진 원자구조 모델의 형태를 비교해보니 정확히 일치하였다. 이를 통해 합성된 샘플은 Cmca 공간군을 가지는 KGaSb2임을 확인하였다.4 is a schematic diagram showing the structure of KGaSb 2 , a Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) analysis result in the [110] direction for Sample A, and a Selected Area Diffraction (SAED) pattern. As a result of analyzing the SAED pattern, the interplanar distance of the measured (004) plane pattern was 7.404 Å, and the measured (114) plane pattern was The interplanar distance of the pattern was 5.12 Å. Theoretically, since the interplanar distances of the (004) plane and the (114) plane were 7.408 Å and 5.10 Å, respectively, the measured values almost coincided with the theoretical values. However, such a measured value is a value that cannot be obtained from GaSb having a non-layered zinc blend structure. The measured pattern is a pattern that appears only in the Cmca space group. In the SAED pattern, the zone-axis can be obtained through the cross product from the surface measured by the pattern, and the vector obtained through the cross product of the (004) and (114) surfaces is [1-10]. Therefore, it was confirmed that the zone-axis was [1-10], and the lattice structure in the STEM image actually measured from the [1-10] zone was compared with the theoretically obtained atomic structure model. exactly matched. It was confirmed that the synthesized sample was KGaSb 2 having a Cmca space group.

이처럼 XRD, SEM, EDS, STEM 결과를 통해 샘플 A는 층상구조이고 Cmca 공간군을 가지는 KGaSb2 임을 확인하였다. As such, it was confirmed through XRD, SEM, EDS, and STEM results that sample A was KGaSb 2 having a layered structure and a Cmca space group.

도 5는 일반적인 징크 블렌드 구조의 비층상형 GaSb의 회절 피크(3D GaSb), 샘플 A의 회절 피크 그리고 K가 일부 제거된 샘플 C에 대한 회절 피크를 나타낸다. 샘플 C의 XRD 회절 패턴은 K 제거에 따라 샘플 A와 비교했을 때 동일한 각도 범위에서 주요 피크를 나타내고 있어 샘플 A의 Cmca인 사방정계 결정구조를 여전히 유지하고 있는 것으로 판단되었다. 5 shows the diffraction peak (3D GaSb) of non-layered GaSb having a general zinc blend structure, the diffraction peak of sample A, and the diffraction peak of sample C from which K is partially removed. The XRD diffraction pattern of sample C showed major peaks in the same angular range as compared to sample A according to the removal of K, so it was judged that the orthorhombic crystal structure of sample A, Cmca, was still maintained.

도 6은 샘플 A에서 K를 제거하여 샘플 C가 되고 이로부터 테이프를 이용하여 박리되어 만들어진 나노시트를 나타낸다. 샘플 A는 층간의 벽개면이 관찰되지만 샘플 C에서는 K가 제거됨에 따라 벽개면뿐만 아니라 층 간격이 벌어져 크랙이 형성된 것을 볼 수 있었다.6 shows a nanosheet made by removing K from Sample A to become Sample C, which is then peeled off using a tape. In Sample A, a cleavage plane between the layers was observed, but in Sample C, as K was removed, not only the cleavage plane but also the layer gap was widened and cracks were formed.

도 7은 샘플 E의 SEM(Scanning Electron microscope) 이미지와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 결과를 나타낸다. SEM 이미지 상으로 벽개면 또는 크랙을 가지는 층상구조가 확인되었고, EDS분석결과 K의 함량은 4.9 at%로 나타났다.7 shows a scanning electron microscope (SEM) image of sample E and an energy dispersive spectroscopy (EDS) result. A layered structure with cleavage planes or cracks was confirmed on the SEM image, and the K content was found to be 4.9 at% as a result of EDS analysis.

도 8은 K를 선택적으로 제거한 후의 층상형 K1-xGaSb2 원자 구조 모식도와 샘플 D에 대해서 [010] 방향에서의 STEM 이미지 그리고 SAED 패턴 이미지이다. 잔류하는 K 이온의 원자 비율은 6.59 at% 이었다. SAED 분석결과 (004)면 회절패턴의 면간거리는 7.465Å, (114)면의 회절패턴의 면간거리는 5.07Å이었다. 이론적인 (004)면과 (114)면의 면간거리는 각각 7.408Å, 5.10Å인 것과 비교할 때 상기 측정값은 이론값과 같다고 볼 수 있었다. 이러한 측정값은 비층상형 징크 블렌드 구조의 GaSb에서는 나올 수 없는 값이다. 또한 모상구조 KGaSb2의 K 비율은 25%이지만 측정된 K1-xGaSb2의 Na 비율은 6.59%이므로 일부의 K가 제거된 것을 확인할 수 있었고 측정된 패턴은 Cmca 공간군에서만 나타는 패턴이었다. SAED 패턴에서 존-엑시스(Zone-axis)는 패턴으로 측정된 면으로부터 외적을 통해서 구할 수 있으며, (004)와 (114)면의 외적을 통해서 구해지는 벡터는 [1-10]이다. 그러므로 존-엑시스(Zone-axis)는 [1-10]임을 확인할 수 있었고, [1-10]존으로부터 보이는 실제 측정된 STEM 이미지에서의 격자의 구조와 이론상으로 구해진 원자구조 모델의 형태를 비교해보니 정확히 일치하였다. 이를 통해 K를 제거한 물질도 모상물질 KGaSb2의 Cmca 공간군을 그대로 유지하는 것을 확인하였다. 8 is a schematic diagram of the layered K 1-x GaSb two -atom structure after K is selectively removed, and a STEM image and SAED pattern image for sample D in the [010] direction. The atomic ratio of the remaining K ions was 6.59 at%. As a result of SAED analysis, the interplanar distance of the diffraction pattern of the (004) plane was 7.465 Å, and that of the diffraction pattern of the (114) plane was 5.07 Å. Compared with the theoretical (004) plane and (114) plane interplanar distances of 7.408 Å and 5.10 Å, respectively, it can be seen that the measured value is the same as the theoretical value. These measurements cannot be obtained from GaSb having a non-layered zinc blend structure. In addition, although the K ratio of the matrix structure KGaSb 2 was 25%, the measured Na ratio of K 1-x GaSb 2 was 6.59%, so it was confirmed that some K was removed, and the measured pattern was a pattern that appeared only in the Cmca space group. In the SAED pattern, the zone-axis can be obtained through the cross product from the surface measured by the pattern, and the vector obtained through the cross product of the (004) and (114) surfaces is [1-10]. Therefore, it was confirmed that the zone-axis was [1-10], and the lattice structure in the STEM image actually measured from the [1-10] zone was compared with the theoretically obtained atomic structure model. exactly matched. Through this, it was confirmed that the material from which K was removed also maintained the Cmca space group of the parent material KGaSb 2 as it is.

도 9는 샘플 C에서 박리된 나노시트에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지 및 그에 따른 라인 프로파일을 나타낸다. 10nm 의 두께를 가지는 나노시트로 박리되었음을 확인할 수 있었다. 9 shows an AFM (Atomic Force Microscopy) image of the exfoliated nanosheet in Sample C and the resulting line profile. It was confirmed that the nanosheet was peeled off with a thickness of 10 nm.

또한, K를 제거한 샘플 C에 대해서 나노시트를 만든 후 이에 대해 PFM(Piezoresponse Force Microscopy)을 통해 강유전 특성을 측정하였고 그에 따른 결과를 도 10에서 나타내었다. 이를 통해 강유전 유사 특성이 나타나고 있는 것을 관찰할 수 있었다. In addition, ferroelectric properties were measured through PFM (Piezoresponse Force Microscopy) for a nanosheet of sample C from which K was removed, and the results are shown in FIG. 10 . Through this, it was possible to observe that ferroelectric-like characteristics appeared.

이러한 강유전 유사 특성을 이용하면 다양한 전기 소자로의 적용이 가능하고 최근 뉴로모픽 메모리 소자로 개발이 활발하게 이루어지고 있는 멤리스터 소자로 적용할 수 있음을 알 수 있었다.It was found that by using such ferroelectric-like characteristics, it can be applied to various electrical devices and can be applied to memristor devices, which are being actively developed as neuromorphic memory devices in recent years.

한편, K를 과도하게 제거한 샘플 E에 대해서 TEM 분석을 진행하였고, 그 결과를 도 11 에서 나타내었다. TEM 분석결과에서 샘플 D로부터의 나노시트는 비정질상임을 알 수 있었다. Meanwhile, TEM analysis was performed on sample E from which K was excessively removed, and the results are shown in FIG. 11 . TEM analysis showed that the nanosheet from sample D was an amorphous phase.

Claims (26)

하기 화학식 1로 표시되고, 강유전 유사 특성을 가지는 층상구조 화합물.
[화학식 1] M1-xGaySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0.3≤x≤0.8, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)
A layered structure compound represented by the following Chemical Formula 1 and having ferroelectric-like properties.
[Formula 1] M 1-x Ga y Sb z (M is at least one group 1 element, 0.3≤x≤0.8, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 M은 K인, 층상구조 화합물.
The method of claim 1,
Wherein M is K, the layered structure compound.
제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물은 H를 더 포함하는, 층상구조 화합물.
The method of claim 1,
The layered structure compound further comprises H, the layered structure compound.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물의 결정구조는 Cmca의 공간군을 나타내는, 층상구조 화합물.
The method of claim 1,
The crystal structure of the layered structure compound represents a space group of Cmca, a layered structure compound.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물은, CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 2θ = 25.3°± 0.50°, 29.3°±0.50°, 41.9°±0.50°, 49.6°±0.50°, 52.0°±0.50°의 위치에서 피크가 나타나지 않고, 상기 피크는 가장 큰 강도를 가지는 피크 대비 3% 이상의 강도를 가지는 피크를 의미하는, 층상구조 화합물.
The method of claim 1,
The layered compound has a peak at the positions of 2θ = 25.3°±0.50°, 29.3°±0.50°, 41.9°±0.50°, 49.6°±0.50°, 52.0°±0.50° in XRD measurement using CuKα ray. Without, the peak means a peak having an intensity of 3% or more compared to the peak having the greatest intensity, a layered structure compound.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물은 저항 스위칭 특성을 나타내는, 층상구조 화합물.
The method of claim 1,
The layered structure compound exhibits resistance switching properties, a layered structure compound.
하기 화학식 1로 표시되는 조성물을 포함하고, 물리적 또는 화학적 박리 방법으로 만들어지며, 강유전 유사 특성을 가지는 나노시트.
[화학식 1] M1-xGaySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0.3≤x≤0.8, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)
A nanosheet comprising a composition represented by the following Chemical Formula 1, made by a physical or chemical exfoliation method, and having ferroelectric-like properties.
[Formula 1] M 1-x Ga y Sb z (M is at least one group 1 element, 0.3≤x≤0.8, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤2.25)
삭제delete 삭제delete 제 12 항에 있어서,
상기 M은 K인, 나노시트.
13. The method of claim 12,
Wherein M is K, nanosheet.
제 12 항에 있어서,
상기 조성물은 H를 더 포함하는, 나노시트.
13. The method of claim 12,
The composition further comprises H, nanosheets.
삭제delete 제 12 항에 있어서,
상기 조성물의 결정구조는 Cmca의 공간군을 나타내는, 나노시트.
13. The method of claim 12,
The crystal structure of the composition represents a space group of Cmca, nanosheets.
삭제delete 제 12 항에 있어서,
상기 조성물은, CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 2θ = 25.3°± 0.50°, 29.3°±0.50°, 41.9°±0.50°, 49.6°±0.50°, 52.0°±0.50°의 위치에서 피크가 나타나지 않고, 상기 피크는 가장 큰 강도를 가지는 피크 대비 3% 이상의 강도를 가지는 피크를 의미하는, 나노시트.
13. The method of claim 12,
The composition does not show a peak at the positions of 2θ = 25.3 ° ± 0.50 °, 29.3 ° ± 0.50 °, 41.9 ° ± 0.50 °, 49.6 ° ± 0.50 °, 52.0 ° ± 0.50 ° in XRD measurement using CuKα rays, The peak means a peak having an intensity of 3% or more compared to the peak having the greatest intensity, nanosheet.
삭제delete 제 12 항에 있어서,
상기 조성물은 저항 스위칭 특성을 나타내는, 나노시트.
13. The method of claim 12,
The composition exhibits resistance switching properties, nanosheets.
제 12 항에 있어서,
상기 나노시트의 두께는 500nm 이하인, 나노시트.
13. The method of claim 12,
The thickness of the nanosheet is 500 nm or less, nanosheet.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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