KR102581119B1 - 인화게르마늄 나노시트 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 갖는 광전소자용 인화게르마늄 나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 인화게르마늄 나노시트는 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 가지므로, 가시광선-근적외선을 효율적으로 수집하기에 충분하며, 태양광을 이용한 물분해에 적합하고, 양자구속효과에 의해 밴드갭이 크게 증가하여 전도성 반도체 소재로 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 인화게르마늄 나노시트 제조방법은 촉매를 사용하지 않음으로써 불순물 없는 순수한 결정상이며, 비교적 낮은 온도에서 저비용 공정으로 수행될 수 있다.
Description
본 발명은 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 갖는 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고체는 결정구조에 따라 0차원(0D), 1차원(1D), 2차원(2D), 3차원(3D)으로 구분되며, 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원이 달라지면 원자들 사이의 결합특성이 달라지므로, 기계적 강도나 전기전도도 등의 물성이 변하게 된다. 물질의 형태를 벌크 결정에서 2차원으로 줄이면 양자구속효과(quantum confinement effect)가 나타나면서 밴드갭(band gap)이 증가하거나 전기적 특성이 크게 변한다.
그 중, 그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 한 층으로 이루어진 2차원 구조의 대표적인 물질로서, 기계적 굽힘 및 늘림에 대한 강도가 우수하고, 다이아몬드보다 단단하며, 높은 캐리어 이동도(105 cm2/Vs)를 갖는다. 또한, 상기 그래핀(graphene)은 입사되는 빛의 대부분을 투과하는 특성을 가지고 있어, 투명전극 소재로 이용되며, 밴드갭이 콘 형태를 갖는 준금속과 비슷한 특성을 보여준다. 따라서, 플렉서블 태양전지, 플렉서블 디스플레이에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있으나, 실제적으로는 밴드갭이 없기 때문에 전계효과트랜지스터(field effect transistor, FET)와 같은 소자에 응용되기 쉽지 않다는 문제를 가지고 있다.
이를 해결하기 위하여, 그래핀처럼 원자층이 반데르발스 힘에 의해 쌓이는 새로운 2차원 소재를 찾기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.
최근 2차원 구조를 갖는 전이금속 다이칼코겐(transition metal dichalcogenides, TMD) 화합물로 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 등이 있으며, 이들은 큰 밴드갭 에너지로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 상기 전이금속 다이칼코겐(TMD) 화합물 단분자층은 3차원 결정에 비해 훨씬 큰 밴드갭 에너지를 갖는다. 즉, 상기 전이금속 다이칼코겐(TMD) 화합물 3차원 결정은 밴드갭이 1.1 eV인데 반하여 상기 전이금속 다이칼코겐(TMD) 화합물 단분자층은 1.9 eV으로 0.8 eV 정도 더 크다.
또한, 상기 전이금속 다이칼코겐(TMD) 화합물 단분자층은 광흡수 및 광방출 특성이 크게 증가하게 되는 밴드갭 구조를 가지므로, 붉은색 파장을 내는 뛰어난 발광 소재로서 주목받고 있다.
그리고, 2차원 구조를 갖는 V족 단일원소로 이루어진 흑린 또는 포스포렌(black phosphorus 또는 phosphorene)도 많은 관심을 받고 있다. 상기 흑린 또는 포스포렌(black phosphorus 또는 phosphorene)이 단분자층으로 되면, 밴드갭 에너지 값이 0.35 eV에서 1.7 eV로 증가하고, 캐리어 이동도가 104 cm2/Vs까지 증가하므로, 우수한 전도성 소재로서 기대를 모으고 있다. 그러나 상기 흑린 또는 포스포렌(black phosphorus 또는 phosphorene) 단분자층은 수분, 산소 및 열에 약한 문제가 있어, 이에 대한 보완방법이 개발 중에 있다.
상기 흑린 또는 포스포렌(black phosphorus 또는 phosphorene) 단분자층의 수분, 산소 및 열에 약한 문제가 해결된다면, 가격이 저렴한 고성능 전자장치를 설계할 수 있는 큰 기회를 제공할 수 있을 것이다.
이외에도 V족 As, Sb도 2차원 소재로 개발하고 있으며, IV족으로 Si, Ge도 2차원 소재로 은 기판을 사용한 화학기상증착법으로 2차원 소재 합성에 성공한 바 있다.
그리고, 2차원 V족의 불안정성을 보완하면서, 어려운 합성법을 적용하여 얻을 수 있는 IV족 대신에 IV족과 V족을 결합시킨 이성분 화합물 반도체가 관심을 끌고 있다. 즉, 상기 IV족과 V족을 결합시킨 이성분 화합물 반도체는 산소, 수분에 대해서도 안정적이며, 상기 IV족과 V족을 결합시킨 이성분 화합물 반도체 단일층의 밴드갭이 상기 전이금속 다이칼코겐(TMD) 화합물 단분자층 또는 흑린 또는 포스포렌(black phosphorus 또는 phosphorene)을 포함하는 V족보다 높다는 특징을 가지고 있어, 기존의 2차원 소재의 단점을 보완할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
또한, 최근 이론 계산으로부터 2차원 IV-V족 MX 화합물(M = Si, Ge, Sn 및 X = P, As, Sb, Bi)이 제안되었다. 즉, SiP, SiAs, GeP, GeAs, SnP 등을 2차원 층상구조로 예측하였다. 상기 이론 계산에 따르면 상기 MX 화합물(M = Si, Ge, Sn 및 X = P, As, Sb, Bi) 3차원 결정의 밴드갭은 1 eV 미만인 반면, MX 화합물 (M = Si, Ge, Sn 및 X = P, As, Sb, Bi)이 단분자층이 되면, 밴드갭이 2 내지 3 eV 영역대로 상승한다. 이에 따라, 가시광선을 효율적으로 수집하기에 충분하며, 태양광을 이용한 물분해에 적합한 밴드갭 위치를 가지고 있다고 예측하고 있다. 또한, MX 화합물(M = Si, Ge, Sn 및 X = P, As, Sb, Bi) 단분자층은 캐리어 이동도가 103 cm2/Vs까지 증가하는 우수한 전도성 반도체 소재로 평가되고 있다.
또한, 지금까지 2차원 물질 중 V족이 포함된 물질들은 결정성장방법으로 촉매를 이용한 고온 용융성장법을 사용하였다. 이때, 반응 촉매 물질로는 Bi, Pb, I2 등을 섞어 합성한다. 따라서, 촉매를 사용하여 합성된 결정은 상기 촉매 성분이 불순물로 남아 도핑이 되거나 결정으로 같이 석출되어, 이들에 대한 정제과정이 필요하고, 합성된 결정의 물성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명은 인화게르마늄 나노시트 및 이의 제조방법으로, 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 갖는 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트를 제공하며, 이러한 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트를 촉매를 사용하지 않음으로써 불순물 없는 순수한 결정상으로 저렴하게 생산할 수 있는 단순하고 경제적인 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 갖는 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트를 포함한다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 상기 밴드갭은 0.92 eV 내지 2.5 eV 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge)과 인(P)의 몰비가 1:5 내지 5:1 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge)과 인(P)이 상기 나노시트에 균일하게 분포될 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 공간군(space group)은 C2/m 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타날 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 단결정(single crystal) 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 층상 구조의 단분자층을 가지며, 상기 단분자층의 층간 거리는 1 내지 5 Å 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 (204) 면간거리 d204는 2.1 Å이고, 면간거리 은 6.4 Å 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 두께는 0.8 nm 내지 200 nm 일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트 제조방법은
게르마늄(Ge) 분말과 인(P) 분말을 몰비(Ge:P) 1:5 내지 5:1로 혼합하여 반응물을 준비하는 단계;
상기 반응물을 석영 앰플에 넣고 진공상태로 밀봉하는 단계;
온도 조절되는 전기로 안에 상기 반응물이 들어있는 석영 앰플을 넣고 반응온도 1000 내지 1400 ℃, 반응시간 12 내지 64 시간 동안 고온에서 용융하여 결정을 성장시키는 방법으로 합성하여 인화게르마늄 결정을 수득하는 단계;
상기 인화게르마늄 결정을 유기용매에 넣고, 2 내지 10 ℃의 온도에서 초음파장치를 사용하여 단속적으로 1 내지 5시간 동안 초음파처리하여 인화게르마늄 나노시트로 박리하는 단계; 및
박리 끝난 용액을 원심분리하여 상층의 액체를 수집한 후, 상기 액체의 유기용매를 증발시켜 인화게르마늄 나노시트 분말을 수득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예를 따르는 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
본 발명의 인화게르마늄 나노시트는 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 가지므로, 가시광선을 효율적으로 수집하기에 충분하며, 태양광을 이용한 물분해에 적합하다.
또한, 본 발명의 인화게르마늄 나노시트는 양자구속효과로 인해 밴드갭이 크게 증가하여 전도성 반도체 소재로 활용될 수 있다.
그리고, 본 발명의 인화게르마늄 나노시트는 상온 또는 고온의 고습 조건에서도 물성변화가 없다.
또한, 본 발명의 인화게르마늄 나노시트는 게르마늄과 인의 두 성분만으로 구성되므로 환경오염을 유발하지 않는다.
그리고, 본 발명의 인화게르마늄 나노시트의 제조방법은 비교적 낮은 온도에서 저비용 공정으로 수행될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 원료물질인 인화게르마늄 화합물 반도체 결정을 합성하는 용융성장법에 대한 모식도이고, 도 1b는 상기 용융성장법 반응조건에 대한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 용융성장법으로 합성된 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리를 기계적 방법으로 박리하여 인화게르마늄 나노시트를 제조하는 과정에 대한 도식화 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 X-선 회절(XRD, X-Ray Diffraction) 패턴이다.
도 5a는 본 발명의 비교예를 따르는 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 XRD 회절 패턴이고, 도 5b는 확대된 XRD 회절 패턴이다.
도 6a는 본 발명의 실시예를 따르는 볼 및 스틱(ball-and-stick) 모델에서 계산된 인화게르마늄 나노시트의 결정구조를 도식화한 이미지이고, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이고, 도 6i 및 도 6ii는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscope) 이미지이고, 도 6d는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 에너지분산형 분광분산법(EDX, energy-dispersive X-ray spectroscopy) 원소 맵핑 결과 및 원소 함량 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정한 흡수 모드에서의 확산 반사 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 용융성장법으로 합성된 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리를 기계적 방법으로 박리하여 인화게르마늄 나노시트를 제조하는 과정에 대한 도식화 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 X-선 회절(XRD, X-Ray Diffraction) 패턴이다.
도 5a는 본 발명의 비교예를 따르는 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 XRD 회절 패턴이고, 도 5b는 확대된 XRD 회절 패턴이다.
도 6a는 본 발명의 실시예를 따르는 볼 및 스틱(ball-and-stick) 모델에서 계산된 인화게르마늄 나노시트의 결정구조를 도식화한 이미지이고, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이고, 도 6i 및 도 6ii는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscope) 이미지이고, 도 6d는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 에너지분산형 분광분산법(EDX, energy-dispersive X-ray spectroscopy) 원소 맵핑 결과 및 원소 함량 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정한 흡수 모드에서의 확산 반사 스펙트럼이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 문구 또는 문장에서 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "바람직한" 및 "바람직하게"는 소정 환경 하에서 소정의 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 지칭한다. 그러나, 동일한 환경 또는 다른 환경 하에서, 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 실시 형태를 배제하고자 하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 갖는 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트를 포함한다.
고체는 결정구조에 따라 0차원(0D), 1차원(1D), 2차원(2D), 3차원(3D)으로 구분되며, 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원이 달라지면 원자들 사이의 결합특성이 달라지므로, 기계적 강도나 전기전도도 등의 물성이 변하게 된다.
특히, 물질의 형태를 벌크 결정에서 2차원으로 줄이면 양자구속효과(quantum confinement effect)가 나타나면서 밴드갭(band gap)이 증가하거나 전기적 특성이 크게 변한다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 나타낼 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 상기 밴드갭은 0.92 eV 내지 2.5 eV 일 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 상기 밴드갭은 파장으로 환산하면 500 nm 내지 1350 nm 일 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 상기 밴드갭은 바람직하게는 1.2 eV 내지 2.4 eV 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1.5 eV 내지 2.4 eV 일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 1.7 eV 내지 2.3 eV 일 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide)은 벌크 결정일 때 0.5 내지 0.9 eV의 밴드갭에서 다수층(단일층, 이중층, 삼중층 등을 포함하는 다중층)으로 구성된 나노시트가 되었을 때 0.92 내지 2.5 eV로 밴드갭의 변화를 유도할 수 있다.
여기서, 2차원 IV-V족 MX 화합물(M = Si, Ge, Sn 및 X = P, As, Sb, Bi)의 한 종류인 인화게르마늄(Germanium-Phosphide)은 다수층(단일층, 이중층, 삼중층 등을 포함하는 다중층)으로 구성된 나노시트가 되면 밴드갭이 상승한다. 이에 따라, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 가시광선을 효율적으로 수집하기에 충분하며, 태양광을 이용한 물분해에 적합한 밴드갭을 가지고 있다. 또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 양자구속효과가 증가하여 밴드갭이 매우 크게 증가하는 우수한 전도성 반도체 소재이다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge)과 인(P)의 몰비가 1:5 내지 5:1 일 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge)과 인(P)의 몰비가 바람직하게는 1:3 내지 3:1 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:1 일 수 있다.
게르마늄(Ge)과 인(P)의 몰비가 상기 범위내 포함될 때 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 양자구속효과로 인해 가시광선-근적외선 내의 밴드갭을 가지므로 가시광선-근적외선을 효율적으로 수집할 수 있다.
또한, 게르마늄(Ge)과 인(P)의 몰비가 상기 범위내 포함되지 않을 때 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 가시광선-근적외선 밖의 밴드갭을 가지므로 가시광선-근적외선을 효율적으로 수집할 수 없다.
여기서, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge)과 인(P)의 몰비가 1:5 내지 5:1 인 것은 에너지분산형 분광분산법(EDX, energy-dispersive X-ray spectroscopy) 스펙트럼 분석하여 확인할 수 있다.
그리고, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge)과 인(P)이 상기 나노시트에 균일하게 분포될 수 있다.
여기서, 상기 게르마늄(Ge)과 상기 인(P)이 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트에 균일하게 분포되어 있음을 확인하는 방법은 에너지분산형 분광분산법(EDX, energy-dispersive X-ray spectroscopy)으로 상기 게르마늄(Ge)과 상기 인(P) 맵핑을 수행하는 것이다.
상기 에너지분산형 분광분산법(EDX, energy-dispersive X-ray spectroscopy)으로 상기 게르마늄(Ge)과 상기 인(P) 맵핑하여 얻은 이미지에서 상기 게르마늄(Ge)과 상기 인(P) 원소가 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트에 골고루 분포되어 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
여기서, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타날 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 공간군(space group)은 C2/m 일 수 있다.
그리고, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°일 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 단결정(single crystal) 일 수 있다.
여기서, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트가 단결정(single crystal)인 것은 투과전자현미경(TEM)의 FFT(Fast Fourier Transform) 이미지와 SAED(Selected Area Electron Diffraction) 패턴에서 전자빔이 단결정에 의해 회절되어 점 형상으로 분리되어 보이는 것으로부터 확인할 수 있다.
그리고, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 층상 구조의 단분자층을 가지며, 상기 단분자층의 층간 거리는 1 내지 5 Å 일 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 층상 구조의 단분자층을 가지며, 상기 단분자층의 층간 거리는 바람직하게는 1 내지 4 Å 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1 내지 3 Å 일 수 있다.
그리고, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 (204) 면간거리 d204는 2.1 Å이고, 면간거리 은 6.4 Å 일 수 있다.
그리고, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 두께는 0.8 nm 내지 200 nm 일 수 있다. 여기서, 상기 인화게르마늄 나노시트는 일정하게 형성되어 상기 인화게르마늄 나노시트의 두께가 수 Å에서 수백 ㎛의 벌크 크기까지 증가될 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 두께는 바람직하게는 0.8 nm 내지 150 nm 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm 일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 1 nm 내지 50 nm 일 수 있다.
이하, 본 발명의 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트 제조방법은
게르마늄(Ge) 분말과 인(P) 분말을 몰비(Ge:P) 1:5 내지 5:1로 혼합하여 반응물을 준비하는 단계;
상기 반응물을 석영 앰플에 넣고 진공상태로 밀봉하는 단계;
온도 조절되는 전기로 안에 상기 반응물이 들어있는 석영 앰플을 넣고 반응온도 1000 내지 1400 ℃, 반응시간 12 내지 64 시간 동안 고온에서 용융하여 결정을 성장시키는 방법으로 합성하여 인화게르마늄 결정을 수득하는 단계;
상기 인화게르마늄 결정을 유기용매에 넣고, 2 내지 10 ℃의 온도에서 초음파장치를 사용하여 단속적으로 1 내지 5 시간 동안 초음파처리하여 인화게르마늄 나노시트로 박리하는 단계; 및
박리 끝난 용액을 원심분리하여 상층의 액체를 수집한 후, 상기 액체의 유기용매를 증발시켜 인화게르마늄 나노시트 분말을 수득하는 단계를 포함한다.
일 실시예로써, 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리를 기계적 방법으로 박리하여 인화게르마늄 나노시트를 제조하는 과정으로서, 용융성장법으로 합성된 상기 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리인 벌크 결정(bulk crystal)을 막자사발 또는 볼밀 등의 분쇄 장치를 이용하여 작은 결정으로 분쇄하기 위해 갈아준다.
상기 작은 결정으로 분쇄된 상기 인화게르마늄 결정을 유기용매에 첨가하여 인화게르마늄 결정이 분산된 용액을 준비한다. 그런 다음, 분산 용액이 담긴 반응기를 일반 초음파 장치(Hwashin 605, 40 kHz, 350 W)에서 1 내지 3 시간 동안 초음파 처리한다. 그 후, 진폭 20 %에서 작동하는 고밀도 프로브 초음파 장치(Sonics VCX-130; 20 kHz, a maximum power output of 130 W)에 배치한다. 상기 용액이 담긴 반응기를 온도 조절기가 있는 서큘레이터에 연결한 냉수통(water jacket)에 놓고, 반응기 온도를 2 내지 10 ℃로 유지한다. 상기 고밀도 프로브 초음파 장치의 초음파 팁은 과도한 가열을 방지하기 위하여 10 초 동안 반응시키고 2 초 동안 휴식기를 갖는 방식으로 1 내지 3 시간 동안 고밀도 프로브 초음파 장치를 이용하여 상기 인화게르마늄 결정을 박리한다. 박리가 끝나면 10 분 내지 1 시간 동안 3000 내지 15000 rpm으로 원심 분리하여 박리된 인화게르마늄 나노시트가 들어있는 상층 액체를 수집한다. 상기 상층 액체에서 유기용매를 증발시킨 후 인화게르마늄 나노시트를 파우더 형태로 수득한다.
여기서, 상기 인화게르마늄 결정 합성할 때 상기 게르마늄(Ge) 분말과 상기 인(P) 분말 외 다른 물질은 사용하지 않는다.
또한, 상기 인화게르마늄 결정 합성할 때, Bi, Pb, I2 등의 반응 촉매를 사용하지 않는다.
따라서, 상기 인화게르마늄 결정 합성 후, 상기 촉매 성분이 불순물로 남아 도핑이 되거나 결정으로 같이 석출되지 않고, 이들에 대한 정제과정이 필요하지 않으며, 고온에서 진공상태로 반응하고, 이물질이 없으므로 합성된 인화게르마늄 결정의 물성도 저하되지 않는다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 결정의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 결정의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타날 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 결정의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°일 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타날 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 공간군(space group)은 C2/m 일 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°일 수 있다.
상기 인화게르마늄 결정의 결정상과 인화게르마늄 나노시트의 결정상은 단사정계로 동일한 결정상을 나타낸다.
그리고, 상기 인화게르마늄 결정 및 상기 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정하기 위하여 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인을 사용하여, 상기 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인 표면에 인화게르마늄 벌크 박막 또는 인화게르마늄 나노시트를 형성한 후, 흡수 모드에서 확산 반사 스펙트럼을 측정하여 상기 인화게르마늄 벌크 박막 또는 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정한다.
먼저, 상기 인화게르마늄 결정이 분산된 분산액을 기공크기 10 내지 50 nm인 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인 표면에 떨어뜨려 도포한 후 진공건조하여 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 벌크 박막을 형성한다.
그런 다음 UV-Vis-NIR spectrometer(Agilent Cary 5000)로 흡수 모드에서 확산 반사 스펙트럼을 측정하여 상기 인화게르마늄(GeP) 벌크 박막의 밴드갭을 측정한다.
여기서, 상기 인화게르마늄 벌크 박막의 밴드갭은 0.5 내지 0.9 eV(빛 파장으로 환산시 1380 내지 2480 nm)로 가시광선-근적외선 영역대가 아니다.
또한, 상기 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정하기 위하여 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인을 사용한다.
먼저, 상기 박리된 인화게르마늄 나노시트가 들어있는 상층 액체를 기공크기 10 내지 50 nm인 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인 표면에 떨어뜨려 도포한 후 진공건조하여 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 나노시트를 형성한다.
그런 다음 UV-Vis-NIR spectrometer(Agilent Cary 5000)로 흡수 모드에서 확산 반사 스펙트럼을 측정하여 상기 인화게르마늄(GeP) 나노시트의 밴드갭을 측정한다.
여기서, 상기 인화게르마늄 니노시트의 밴드갭은 0.92 내지 2.5 eV(빛 파장으로 환산시 500 nm 내지 1350 nm)로 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 원료물질인 인화게르마늄 화합물 반도체 결정을 합성하는 용융성장법에 대한 모식도이고, 도 1b는 상기 용융성장법 반응조건에 대한 그래프이다.
도 1a 및 도 1b와 같이, 상기 인화게르마늄 결정 합성할 때, 상기 게르마늄(Ge) 분말과 상기 인(P) 분말을 몰비(Ge:P) 1:5 내지 5:1로 혼합한 후, 석영 앰플에 넣고, 진공상태로 밀봉하여, 온도 조절되는 전기로 안에 상기 반응물이 들어있는 석영 앰플을 넣고, 반응온도 1000 내지 1400 ℃, 반응시간 12 내지 64 시간 동안 고온에서 용융하여 결정을 성장시키는 방법(고온 용융성장법)을 사용하므로, 상기 합성된 인화게르마늄 결정은 불순물 없이 순수한 상태로 합성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 용융성장법으로 합성된 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리 사진이다.
도 2와 같이, 상기 인화게르마늄 화합물 결정은 검은 회색의 결정 덩어리 형상으로 얻어진다.
또한, 상기 고온 용융성장법으로 합성된 상기 인화게르마늄 결정은 단일상의 결정으로 성장할 수 있다.
이때, 상기 인화게르마늄 결정의 단일상의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
상기 합성된 인화게르마늄 결정을 다양한 기계적 박리법, 즉 스카치 테입법, 폴리디메틸실록산 (Poly (dimethylsiloxane), PDMS) 스탬프법, 또는 용매를 사용한 초음파 분쇄법을 포함한 기계적 박리법 중 어느 하나 이상의 방법으로 박리하여 0.8 nm 내지 200 nm 두께의 나노시트를 얻을 수 있다.
그러나, 상기 인화게르마늄 결정을 박리하여 상기 인화게르마늄 나노시트를 형성하는 방법은 상기 기계적 박리법에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리를 기계적 방법으로 박리하여 인화게르마늄 나노시트를 제조하는 과정에 대한 도식화 이미지이다.
도 3과 같이, 상기 용융성장법으로 합성된 상기 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리인 벌크 결정(bulk crystal)을 막자사발 또는 볼밀 등을 이용하여 작은 결정으로 분쇄하기 위해 갈아준 다음(grinding) 상기 스카치 테입법, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 스탬프법, 또는 용매를 사용한 초음파 분쇄법을 포함한 기계적 박리법 중 어느 하나 이상의 방법으로 박리하여 상기 인화게르마늄 나노시트를 형성할 수 있다.
그러나, 상기 인화게르마늄 결정을 박리하여 상기 인화게르마늄 나노시트를 형성하는 방법은 상기 기계적 박리법에 한정되지 않는다.
일 실시예로, 액체상 박리법인 용매를 사용한 초음파 분쇄법은 하기와 같다.
상기 작은 결정으로 분쇄된 상기 인화게르마늄 결정을 유기용매에 첨가한 다음 고밀도 프로브 초음파 장치를 이용하여 2 내지 10 ℃의 저온에서 3 내지 20 초간 초음파 반응시키고, 2 내지 5초간 휴식기를 갖는 방법으로 1 내지 5 시간 초음파 처리하여 박리시킨다. 박리가 끝나면 용액을 10 분 내지 1 시간 동안 2000 내지 5000 rpm으로 원심분리하여 박리된 인화게르마늄 나노시트가 들어있는 상층에 떠있는 액체를 수집한다. 상기 상층에 떠있는 액체에서 유기용매를 증발시킨 후 장축 1 내지 100 ㎛, 두께 0.8 내지 200 nm의 상기 인화게르마늄 나노시트를 파우더 형태로 수득한다.
도 4는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 X-선 회절 (XRD, X-Ray Diffraction) 패턴이다.
도 4와 같이, 상기 인화게르마늄 나노시트의 단일상의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 일 수 있다.
여기서, 상기 인화게르마늄 결정 및 상기 인화게르마늄 나노시트 모두 동일한 단사정계 결정상을 가질 수 있다.
상기 인화게르마늄 결정의 결정상이 단사정계이면 박리가 용이하게 수행되었을 때 상기 인화게르마늄 나노시트의 결정상도 동일하게 단사정계일 수 있다.
또한, 상기 박리된 인화게르마늄 나노시트의 결정상이 단사정계이면 상기 인화게르마늄 결정의 결정상도 동일하게 단사정계일 수 있다.
여기서, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타날 수 있다.
도 4의 하부 계산값은 VESTA 프로그램 (http://jp-minerals.org /vesta/en/)을 사용하여 인화게르마늄(GeP)의 계산된 XRD 패턴을 생성한 것이고, 도 4의 중간 측정값은 인화게르마늄 결정의 XRD 패턴이고, 도 4의 상부 측정값은 인화게르마늄 나노시트의 XRD 패턴이다. 인화게르마늄(GeP)의 계산된 XRD 패턴의 격자상수(a = 15.140 Å, b = 3.638 Å, c = 9.190 Å, β = 101.1°)는 합성한 인화게르마늄 나노시트의 측정된 XRD 패턴의 격자상수(a = 15.140 Å, b = 3.638 Å, c = 9.190 Å, β = 101.1°)와 일치하는 것을 확인할 수 있다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 공간군(space group)은 C2/m 일 수 있다.
즉, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°일 수 있다.
도 5a는 본 발명의 비교예를 따르는 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 XRD 회절 패턴이고, 도 5b는 확대된 XRD 회절 패턴이다.
도 5a 및 도 5b와 같이, 용융성장법 합성 시 반응온도 930 ℃로 합성한 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정은 XRD 패턴에서 27.3˚ 전후에서 게르마늄의 피크가 관찰되므로, 상기 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정은 인화게르마늄 화합물 및 잔여(Residue) 게르마늄이 혼재된 혼합 결정임을 확인할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예를 따르는 볼 및 스틱(ball-and-stick) 모델에서 계산된 인화게르마늄 나노시트의 결정구조를 도식화한 이미지이고, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이고, 도 6i 및 도 6ii는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscope) 이미지이고, 도 6d는 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 나노시트의 에너지분산형 분광분산법(EDX, energy-dispersive X-ray spectroscopy) 원소 맵핑 결과 및 원소 함량 분석 결과이다.
도 6a는 볼 및 스틱(ball-and-stick) 모델로 계산한 Ge:P 몰비가 1:1 인 인화게르마늄 나노시트의 결정구조를 도식화한 이미지이다. 도 6a와 같이, 측면도는 [010] 정대축에서의 게르마늄(Ge) 원자와 인(P) 원자의 배열을 보여주었고, 정면도는 정대축에서의 게르마늄(Ge) 원자와 인(P) 원자의 배열을 보여주었다.
모든 게르마늄(Ge) 원자는 3개의 인(P) 원자와 그리고 다른 하나의 게르마늄(Ge)원자에 배위되며, 모든 인(P) 원자는 3개의 게르마늄(Ge) 원자에 배위된다.
이때, 인화게르마늄 나노시트 각각의 단분자층은 반데르발스 상호작용으로 단분자층이 쌓이게 되며 1 내지 5 Å 간격으로 떨어진 층상구조 또는 시트구조를 이룬다.
즉, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 층상 구조의 단분자층을 가지며, 상기 단분자층의 층간 거리는 1 내지 5 Å 일 수 있다.
또한, 도 6b의 주사전자현미경(SEM) 이미지로부터 상기 인화게르마늄 나노시트는 얇은 판이 겹겹이 쌓여 있는 구조로 이루어진 것을 확인할 수 있다.
여기서, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 두께는 0.8 nm 내지 200 nm 일 수 있다. 그리고, 얇은 판이 겹겹이 쌓여 있는 구조의 상기 인화게르마늄 나노시트는 일정하게 형성되어 상기 인화게르마늄 나노시트의 두께가 수 Å에서 수백 ㎛의 벌크 크기까지 증가될 수 있다.
또한, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 두께는 바람직하게는 0.8 nm 내지 150 nm 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm 일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 1 nm 내지 50 nm 일 수 있다.
그리고, 도 6c의 주사전자현미경(SEM) 이미지와 SEM 이미지상의 특정 위치(i 또는 ii)에서 측정한 도 6i 및 도 6ii의 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 SAED점패턴으로부터 상기 인화게르마늄 나노시트는 단결정이고, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 층상 구조의 단분자층을 가지며, 상기 단분자층의 층간 거리는 1 내지 5 Å 이며, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 (204) 면간거리 d204는 2.1 Å이고, 면간거리 은 6.4 Å 임을 확인할 수 있다.
또한, 도 6d의 EDX 원소 맵핑 결과로부터, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 게르마늄(Ge) 원소와 인(P) 원소가 상기 인화게르마늄 나노시트에 골고루 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 그리고, 상기 EDX 원소 함량 분석 결과로부터 상기 게르마늄(Ge) 원소와 인(P)원소는 몰비(Ge:P)가 1:1로 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트를 구성함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정한 흡수 모드에서의 확산 반사 스펙트럼이다.
상기 인화게르마늄 결정 및 상기 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정하기 위하여 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인을 사용한다.
먼저, 상기 인화게르마늄 결정이 분산된 분산액을 기공크기 20 nm인 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인 표면에 떨어뜨려 도포한 후 진공건조하여 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 벌크 박막을 형성한다.
그런 다음, UV-Vis-NIR spectrometer(Agilent Cary 5000)로 흡수 모드에서 확산 반사 스펙트럼을 측정하여 상기 인화게르마늄(GeP) 벌크 박막의 밴드갭을 측정한다.
여기서, 상기 인화게르마늄 벌크 박막의 밴드갭은 0.9 eV(빛 파장으로 환산시 1380 nm)로 가시광선-근적외선 영역대가 아니다.
또한, 상기 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정하기 위하여 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인을 사용한다.
먼저, 상기 박리된 인화게르마늄 나노시트가 들어있는 상층 액체를 기공크기 20 nm인 양극 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인 표면에 떨어뜨려 도포한 후 진공건조하여 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 나노시트를 형성한다.
그런 다음, UV-Vis-NIR spectrometer (Agilent Cary 5000)로 흡수 모드에서 확산 반사 스펙트럼을 측정하여 상기 인화게르마늄(GeP) 나노시트의 밴드갭을 측정한다.
여기서, 상기 인화게르마늄 박막의 밴드갭은 2.3 eV(빛 파장으로 환산시 540 nm)로, 가시광선 영역대의 밴드갭을 나타낸다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
<실시예>
<실시예 1> 인화게르마늄(Germanium-Phosphide, GeP) 결정 제조
도 1a 및 도 1b와 같이, 게르마늄 분말(순도 99.999%, 제조사: 알파에이서)과 인 분말(순도 99.9%, 제조사: 알파에이서)을 1:1 몰비(Ge:P; 0.7 g: 0.3 g)로 혼합한 후 석영 앰플에 넣고 진공상태로 밀봉하였다. 상기 석영 앰플의 외경은 1 cm, 길이는 2 내지 3 cm이고, 벽 두께는 2 mm이였다. 혼합 분말 시료가 들어간 상기 석영 앰플을 온도 조절이 가능한 전기로 내부에 놓고, 용융성장법(melt-growth method)으로 합성하였다. 상기 용융성장법 합성 조건을 하기 표 1에 기재하였다. 즉, 반응온도 1100 ℃까지 24 시간에 걸쳐 승온 조건 44.8 ℃/hr에 따라 천천히 승온하고, 48 시간 동안 반응시킨 후, 24 시간에 걸쳐 상온까지 천천히 식혀주어 도 2와 같이 검은회색의 인화게르마늄(Germanium-Phosphide, GeP) 결정을 수득하였다.
| 화학식 | Ge 분말 : P 분말 함량 | 승온 조건 | 반응 온도(℃) | 반응 시간 (hr) | 냉각 시간 (hr) |
| GeP | 0.7 g : 0.3 g | 44.8 ℃/hr | 1100 | 48 | 24 |
<실시예 2> 인화게르마늄(Germanium-Phosphide, GeP) 나노시트 제조
도 3의 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리를 기계적 방법으로 박리하여 인화게르마늄 나노시트를 제조하는 과정에 대한 도식화 이미지와 같이, 실시예 1에서 용융성장법으로 합성된 상기 인화게르마늄 화합물 반도체 결정 덩어리인 벌크 결정(bulk crystal)을 막자사발을 이용하여 작은 결정으로 분쇄하기 위해 갈아주었다(grinding).
상기 작은 결정으로 분쇄된 상기 인화게르마늄 결정 20 mg을 유기용매인 10 mL의 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone, Sigma-Aldrich, anhydrous, 99.5%)에 첨가하여 인화게르마늄 결정이 분산된 용액을 준비하였다. 그런 다음, 용액이 담긴 반응기를 일반 초음파 장치(Hwashin 605, 40 kHz, 350 W)에서 2 시간 동안 초음파 처리하였다. 그런 다음, 진폭 20 %에서 작동하는 고밀도 프로브 초음파 장치(Sonics VCX-130; 20 kHz, a maximum power output of 130 W)에 배치하였다. 상기 용액이 담긴 반응기를 온도 조절기가 있는 서큘레이터에 연결한 냉수통(water jacket)에 놓고, 반응기 온도를 4 ℃로 유지하였다. 상기 고밀도 프로브 초음파 장치의 초음파 팁은 과도한 가열을 방지하기 위하여 10 초 동안 반응시키고, 2 초 동안 휴식기를 갖는 방식으로, 2 시간 동안 고밀도 프로브 초음파 장치를 이용하여 상기 인화게르마늄 결정을 박리하였다. 박리가 끝나면 20 분 동안 3000 rpm으로 원심 분리하여 박리된 인화게르마늄 나노시트가 들어있는 상층 액체를 수집하였다. 상기 상층 액체에서 유기용매를 증발시킨 후 장축 2 내지 10 ㎛, 두께 1 내지 30 nm의 인화게르마늄 나노시트를 파우더 형태로 수득하였다.
<실시예 3> 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 벌크 박막 형성
상기 실시예 1에서 제조한 인화게르마늄 결정이 분산된 분산액을 기공크기 20 nm인 양극 알루미나(anodized aluminum oxide (AAO)) 멤브레인 표면에 떨어뜨려 도포한 후 진공건조하여 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 벌크 박막을 형성하였다.
<실시예 4> 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 나노시트 형성
상기 실시예 2의 박리된 인화게르마늄 나노시트가 들어있는 상층 액체를 기공크기 20 nm인 양극 알루미나(anodized aluminum oxide (AAO)) 멤브레인 표면에 떨어뜨려 도포한 후 진공건조하여 양극 알루미나 표면에 인화게르마늄(GeP) 나노시트를 형성하였다.
<비교예 1> 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정 제조
용융성장법 합성 시 반응온도 930 ℃로 합성하는 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 합성하여 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정을 제조하였다.
<비교예 2> 인화게르마늄-게르마늄 혼합 나노시트 제조
상기 비교예 1의 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 2와 같은 방법으로 박리하여 인화게르마늄-게르마늄 혼합 나노시트를 수득하였다.
<실험예>
합성한 인화게르마늄 결정 및 상기 인화게르마늄 결정을 박리하여 얻은 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭, 형태 및 결정상을 관찰하고 격자 구조를 분석하기 위해 UV-Vis-NIR spectrometer (Agilent Cary 5000), SEM (Hitachi S-4700), 포항 방사성 가속기 XRD(9B beam line of the Pohang Light Source (PLS), 또는 Cu Kα radiation(λ = 1.54056 Å)를 사용하는 실험실용 XRD(Rigaku D/MAX-2500 V/PC), TEM(FEI TECNAI G2 200kV), High-Voltage TEM HVEM(Jeol JEM ARM 1300S, 1.25 MV) 등의 장비를 이용하였다.
<실험예 1> 인화게르마늄 나노시트의 X-선 회절(XRD) 패턴 측정
상기 실시예 1에서 제조한 인화게르마늄 결정 및 상기 실시예 2에서 제조한 인화게르마늄 나노시트의 X-선 회절(XRD) 패턴을 측정하였다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 인화게르마늄 결정 및 상기 실시예 2에서 제조한 인화게르마늄 나노시트의 XRD 회절 패턴이다. 도 4의 실시예 1의 인화게르마늄 결정 및 실시예 2의 인화게르마늄 나노시트의 X-선 회절(XRD, X-Ray Diffraction) 패턴을 얻기 위하여, 포항 방사성 가속기 XRD(9B beam line of the Pohang Light Source (PLS), 또는 Cu Kα radiation(λ = 1.54056 Å)를 사용하는 실험실용 XRD(Rigaku D/MAX-2500 V/PC)를 사용하였다.
도 4의 하부 계산값은 VESTA 프로그램 (http://jp-minerals.org /vesta/en/)을 사용하여 인화게르마늄(GeP)의 계산된 XRD 패턴을 생성한 것이고, 도 4의 중간 측정값은 상기 실시예 1에서 얻은 인화게르마늄 결정의 XRD 패턴이고, 도 4의 상부 측정값은 상기 실시예 2에서 얻은 인화게르마늄 나노시트의 XRD 패턴이다. 인화게르마늄(GeP)의 계산된 XRD 패턴의 격자상수(a = 15.140 Å, b = 3.638 Å, c = 9.190 Å, β = 101.1°)는 합성한 인화게르마늄 나노시트의 측정된 XRD 패턴의 격자상수(a = 15.140 Å, b = 3.638 Å, c = 9.190 Å, β = 101.1°)와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
상기 XRD 분석으로부터, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 결정의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 이였다.
여기서, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 실시예 1에서 제조된 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 결정의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타났다.
그리고, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 실시예 1에서 제조된 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 결정의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°이였다.
또한, 상기 XRD 분석으로부터, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 이였다.
여기서, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 실시예 2에서 제조된 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타났고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타났다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 공간군(space group)은 C2/m 이였다.
그리고, 상기 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상의 상기 실시예 2에서 제조된 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°이였다.
상기 실시예 1에서 제조된 인화게르마늄 결정의 결정상과 상기 실시예 2에서 제조된 인화게르마늄 나노시트의 결정상은 단사정계로 동일한 결정상을 나타내었다.
<실험예 2> 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 X-선 회절(XRD) 패턴 측정
상기 비교예 1에서 제조한 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 X-선 회절(XRD) 패턴을 측정하였다.
도 5a는 비교예 1에서 제조한 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 XRD 회절 패턴이고, 도 5b는 확대된 XRD 회절 패턴이다.
도 5a 및 도 5b와 같이, 상기 비교예 1에서 제조한 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정의 XRD 패턴에서 27.3˚ 전후에서 게르마늄의 피크가 관찰되었다. 따라서, 상기 비교예 1에서 제조한 인화게르마늄-게르마늄 혼합 결정은 인화게르마늄 화합물 및 잔여(Residue) 게르마늄이 혼재된 혼합 결정임을 확인하였다.
<실험예 3> 인화게르마늄 나노시트의 게르마늄과 인의 원자배열 모델링
도 6a는 볼 및 스틱(ball-and-stick) 모델로 계산한 Ge:P 몰비가 1:1 인 인화게르마늄 나노시트의 결정구조를 도식화한 이미지이다. 도 6a와 같이, 측면도는 [010] 정대축에서의 게르마늄(Ge) 원자와 인(P) 원자의 배열을 보여주었고, 정면도는 정대축에서의 게르마늄(Ge) 원자와 인(P) 원자의 배열을 보여주었다.
모든 게르마늄(Ge) 원자는 3개의 인(P) 원자와 그리고 다른 하나의 게르마늄(Ge)원자에 배위되었고, 모든 인(P) 원자는 3개의 게르마늄(Ge) 원자에 배위되었다.
<실험예 4> 인화게르마늄 나노시트의 SEM 이미지 측정
상기 실시예 2에서 제조된 인화게르마늄 나노시트의 형태를 알기 위하여 주사전자현미경(SEM, 장비: Hitachi S-4700)으로 측정하였다.
도 6b의 주사전자현미경(SEM) 이미지로부터 상기 실시예 2에서 제조된 인화게르마늄 나노시트는 얇은 판이 겹겹이 쌓여 있는 구조로 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
상기 얇은 판이 겹겹이 쌓여 있는 구조의 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 전체 두께는 2 ㎛ 내지 9 ㎛ 이였다.
<실험예 5> 인화게르마늄 나노시트의 TEM 이미지 측정
상기 실시예 2에서 제조된 인화게르마늄 나노시트의 형태를 알기 위하여 투과전자현미경(TEM, 장비: TEM(FEI TECNAI G2 200kV) 및 High-Voltage TEM HVEM(Jeol JEM ARM 1300S, 1.25 MV))으로 측정하였다.
도 6c의 주사전자현미경(SEM) 이미지와 SEM 이미지상의 특정 위치(i 또는 ii)에서 측정한 도 6i 및 도 6ii의 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 SAED 점패턴으로부터 상기 인화게르마늄 나노시트는 단결정임을 확인할 수 있었다.
여기서, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트가 단결정(single crystal)인 것은 투과전자현미경(TEM)의 FFT(Fast Fourier Transform) 이미지와 SAED(Selected Area Electron Diffraction) 패턴에서 전자빔이 단결정에 의해 회절되어 점 형상으로 분리되어 보이는 것으로부터 확인할 수 있었다.
또한, 상기 인화게르마늄 나노시트 각각의 단분자층은 반데르발스 상호작용으로 단분자층이 쌓이며 2 Å 간격으로 떨어진 층상구조 또는 시트구조를 이루었다.
상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 층상 구조의 단분자층을 가지며, 상기 단분자층의 층간 거리는 2 Å 간격이였다.
그리고, 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 (204) 면간거리 d204는 2.1 Å이고, 면간거리 은 6.4 Å 이라는 것을 확인할 수 있었다.
상기 격자 분해능 투과전자현미경과 고속 퓨리에 변환 (Fast-Fourier Transform, FFT) 분석 결과 (i)의 경우 [201] 정대축에서 [102] 방향은 [010] 방향에 수직이며 d204 = 2.1 Å으로 문헌값 (d204 = 2.117 Å)과 일치하며 (ii)의 경우 = 6.4 Å으로 문헌값( = 6.367 Å)과 일치하는 것을 확인하였다.
또한, TEM 측정에서의 상기 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 두께는 2 nm 내지 20 nm 이였다.
<실험예 6> 인화게르마늄 나노시트의 게르마늄 원소와 인 원소 분포 및 조성비율 측정
인화게르마늄 나노시트의 게르마늄 원소와 인 원소 분포 및 조성비율을 측정하기 위하여 HAADF(High-angle annular dark field) STEM(scanning transmission electron microscopy) 이미지, EDX 맵핑 이미지 및 EDX 원소 함량 분석하였다.
도 6d는 HAADF(High-angle annular dark field) STEM(scanning transmission electron microscopy) 이미지 및 EDX 맵핑 이미지로 게르마늄(Ge) 원소와 인(P) 원소가 상기 인화게르마늄 나노시트 전체에 균일하게 분포한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 EDX 원소 함량 분석 결과로부터 상기 게르마늄(Ge) 원소와 인(P)원소는 몰비(Ge:P)가 1:1로 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트를 구성함을 확인할 수 있었다. 상기 EDX 스펙트럼 분석 결과 게르마늄(Ge) 원소와 인(P) 원소의 비율이 1:1 임을 확인할 수 있었다.
<실험예 7> 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭 측정
도 7은 본 발명의 실시예를 따르는 인화게르마늄 결정 및 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 측정한 흡수 모드에서의 확산 반사 스펙트럼이다.
상기 실시예 3에서 제조한 양극 알루미나 표면에 형성된 인화게르마늄 벌크 박막 및 상기 실시예 4에서 제조한 양극 알루미나 표면에 형성된 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭을 흡수모두에서 확산 반사 스펙트럼(측정장비: UV-Vis-NIR spectrometer; Agilent Cary 5000)으로 측정하였다.
도 7과 같이, 상기 실시예 3의 인화게르마늄 벌크 박막의 밴드갭은 0.9 eV(빛 파장으로 환산시 1380 nm)이고, 상기 실시예 4의 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭은 2.3 eV(빛 파장으로 환산시 540 nm)이였다.
여기서, 상기 실시예 4의 인화게르마늄 나노시트의 밴드갭은 2.3 eV(빛 파장으로 환산시 540 nm)으로 가시광선 영역대의 밴드갭을 나타내었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
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- 게르마늄(Ge) 분말과 인(P) 분말을 몰비(Ge:P) 1:5 내지 5:1로 혼합하여 반응물을 준비하는 단계;
상기 반응물을 석영 앰플에 넣고 진공상태로 밀봉하는 단계;
온도 조절되는 전기로 안에 상기 반응물이 들어있는 석영 앰플을 넣고 반응온도 1000 내지 1400 ℃, 반응시간 12 내지 64 시간 동안 고온에서 용융하여 결정을 성장시키는 방법으로 합성하여 인화게르마늄 결정을 수득하는 단계;
상기 인화게르마늄 결정을 유기용매에 넣고, 2 내지 10 ℃의 온도에서 초음파장치를 사용하여 단속적으로 1 내지 5시간 동안 초음파처리하여 인화게르마늄 나노시트로 박리하는 단계; 및
박리 끝난 용액을 원심분리하여 상층의 액체를 수집한 후, 상기 액체의 유기용매를 증발시켜 인화게르마늄 나노시트 분말을 수득하는 단계를 포함하는
광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트 제조방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 인화게르마늄 결정의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 인 것을 특징으로 하는
광전소자용 인화게르마늄 나노시트 제조방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 결정상은 단사정계(Monoclinic crystal system) 결정상 인 것을 특징으로 하는
광전소자용 인화게르마늄 나노시트 제조방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 XRD 분석시 피크의 회절각 2θ는 13.0°내지 15.0°에서 나타나고, 피크의 회절각 2θ는 27.0°내지 29.0°에서 나타나는 것을 특징으로 하는
광전소자용 인화게르마늄 나노시트 제조방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트의 격자상수 a는 15.140 Å이고, 격자상수 b는 3.638 Å이고, 격자상수 c는 9.190 Å이고, 격자상수 β는 101.1°인 것을 특징으로 하는
광전소자용 인화게르마늄 나노시트 제조방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 광전소자용 인화게르마늄(Germanium-Phosphide) 나노시트는 가시광선-근적외선 영역대의 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는
광전소자용 인화게르마늄 나노시트 제조방법.
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