KR20190088267A - Manufacturing method of nanomaterial with controlled shape and size - Google Patents

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KR20190088267A KR1020180006604A KR20180006604A KR20190088267A KR 20190088267 A KR20190088267 A KR 20190088267A KR 1020180006604 A KR1020180006604 A KR 1020180006604A KR 20180006604 A KR20180006604 A KR 20180006604A KR 20190088267 A KR20190088267 A KR 20190088267A
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이한보람
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인천대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method for a nanomaterial catalyst with an adjustable shape and size. The present invention relates to a technique of metalizing the surface of a carbon material with nickel by using an atomic layer deposition method and using the metalized carbon material as a catalyst. According to the present invention, the shape and size of the nickel metalized on the surface of the carbon material by the atomic layer deposition method using NH_3 gas or NH_3 plasma can be controlled. Moreover, the carbon material can maximize the surface area of the nickel metalized on the surface. So, the carbon material has a remarkable effect to improve performance when being applied as the catalyst or an electrode material.

Description

모양과 크기 조절이 가능한 나노 소재의 제조방법{Manufacturing method of nanomaterial with controlled shape and size}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a nanomaterial,

본 발명은 모양과 크기 조절이 가능한 나노 소재의 제조방법에 관한 것으로, 원자층 증착법을 이용하여 탄소 소재의 표면에 니켈을 증착시켜 이를 촉매 및 전극 소재로 응용하고자 하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of fabricating a nanomaterial capable of adjusting shape and size, and relates to a technique for depositing nickel on the surface of a carbon material by atomic layer deposition and applying it to a catalyst and an electrode material.

니켈(Ni)은 가장 널리 사용되는 금속 중 하나이며, 마이크로 스케일과 나노 스케일의 응용 범위가 있다. 예를 들면, 합금용 부품, 자기 기록 매체 및 배터리 전극, 반도체 소자 용접점, 연료 전지 촉매로서의 용도가 있다. Ni의 많은 실제적인 적용은 그 표면 특성을 이용하기 때문에, 벌크 물질에서 가능한 것보다 높은 표면 대 용적비를 얻기 위한 박막 형태의 니켈 코팅이 제조 비용을 감소시키는데 유리할 수 있다. Nickel (Ni) is one of the most widely used metals and has applications in both microscale and nanoscale. For example, there are applications for alloy parts, magnetic recording media and battery electrodes, semiconductor device welding points, and fuel cell catalysts. Because many practical applications of Ni utilize their surface properties, a thin-film nickel coating to achieve a higher surface-to-volume ratio than is possible in bulk materials may be advantageous in reducing manufacturing costs.

원자층 증착법(ALD)은 두께를 정밀하게 제어하여 나노 스케일 3D 구조를 균일하게 코팅할 수있는 유용한 방법이다. 지금까지 Ni 전구체와 카운터 반응물을 이용하는 몇가지 연구가 진행되어 왔다. 그러나 ALD Ni에 대한 이전 연구의 대부분은 반도체 장치 및 자기 매체와 같은 몇 가지 응용 분야를 대상으로 하였으므로, Si, SiO2, Al2O3 등과 같이 제한된 기판의 유형만이 연구되었다. ALD는 순차적 표면 반응을 기반으로 하기 때문에 ALD 동안의 성장 특성은 기판에 크게 의존하게 된다(특허문헌 1). 따라서 다양한 기판에서의 ALD Ni에 대한 이해는 응용을 확장할 수 있어야 한다.Atomic layer deposition (ALD) is a useful method for uniformly coating nanoscale 3D structures with precise thickness control. So far, several studies have been conducted using Ni precursors and counteractants. However, most of the previous studies on ALD Ni have focused on several applications such as semiconductor devices and magnetic media, so only limited substrate types such as Si, SiO 2 , and Al 2 O 3 have been studied. Since ALD is based on sequential surface reactions, the growth characteristics during ALD are highly dependent on the substrate (Patent Document 1). Therefore, understanding of ALD Ni on various substrates should be able to expand applications.

탄소 표면은 다양한 용도에 매우 중요하다. 예를 들어, 다공성 탄소는 높은 표면적 구조로 쉽게 제조될 수 있기 때문에 가장 널리 사용되는 전극 및 촉매 지지체 물질이다. 또한, 탄소 지지체는 산성 및 염기성 매체 모두에서 화학적으로 불활성이며, 촉매 공정 중 바람직하지 않은 부반응을 방지한다. 또한, ALD는 다른 증착 방법과 비교할 때 뛰어난 균일성을 제공하기 때문에 복잡한 탄소 구조 내부의 촉매 형성하기 위한 효과적인 증착 방법이다.Carbon surfaces are very important for many applications. For example, porous carbon is the most widely used electrode and catalyst support material because it can be easily fabricated with a high surface area structure. In addition, the carbon support is chemically inert in both acidic and basic media and prevents undesirable side reactions in the catalytic process. In addition, ALD is an effective deposition method for forming catalysts within complex carbon structures because it provides superior uniformity compared to other deposition methods.

그러나 앞서 언급한 응용 분야의 잠재적인 이점에도 불구하고 탄소 표면의 ALD Ni에 대한 유사한 연구는 아직까지 수행되지 않았다.Despite the potential benefits of the aforementioned applications, however, a similar study of ALD Ni on carbon surfaces has not yet been conducted.

따라서, 본 발명에서는 탄소 소재의 표면에 ALD 증착방법을 니켈을 안정적으로 증착시키고자 하는 것이며, 나아가 상기 증착되는 니켈의 모양과 크기를 조절할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
Accordingly, in the present invention, the ALD deposition method on the surface of the carbon material stably deposits nickel, and further, a method of controlling the shape and size of the deposited nickel.

한국등록특허 제1581613호Korean Patent No. 1581613

본 발명의 목적은 탄소 소재의 표면에 원자층 증착법으로 니켈을 안정적으로 증착시키고자 하는 것이며, 나아가 상기 증착되는 니켈의 모양과 크기를 조절할 수 있는 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.It is an object of the present invention to stably deposit nickel on the surface of a carbon material by atomic layer deposition, and to provide a manufacturing method capable of controlling the shape and size of the deposited nickel.

또한, 상기 니켈이 증착된 탄소 소재는 나노 소재로서 촉매 및 전극 소재로 응용하고자 하는 것이다.
In addition, the carbon material on which nickel is deposited is intended to be used as a catalyst and an electrode material as a nano material.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 원자층 증착법을 이용하여 탄소 소재의 표면에 니켈을 증착시키는 단계를 포함하는 나노 소재의 제조방법으로서,According to a representative aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nano material including depositing nickel on the surface of a carbon material by atomic layer deposition,

(a) 탄소 소재 표면에 니켈 전구체를 투입하여 흡착시키는 노출 단계;(a) an exposure step of adsorbing a nickel precursor on a surface of a carbon material to adsorb it;

(b) 상기 흡착되지 않은 니켈 전구체를 제거하는 퍼징 단계;(b) purging the unadsorbed nickel precursor;

(c) 상기 니켈 전구체가 흡착된 탄소 소재를 반응물과 반응시키는 단계; 및(c) reacting the nickel precursor adsorbed carbon material with the reactants; And

(d) 상기 반응이 완료된 후 잔존하는 미반응물을 제거하는 최종 퍼징 단계;를 포함하며,(d) a final purging step of removing remaining unreacted material after completion of the reaction,

상기 반응물은 NH3 가스 또는 NH3 플라즈마인 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법에 관한 것이다.Wherein the reactant is NH 3 gas or NH 3 plasma.

상기 NH3 가스는 50 내지 100 ℃의 온도에서 100 내지 400 sccm의 유량으로 5 내지 10초 동안 주입하는 것이 바람직하다.The NH 3 gas is preferably injected at a temperature of 50 to 100 ° C at a flow rate of 100 to 400 sccm for 5 to 10 seconds.

상기 NH3 플라즈마는 100 내지 400 W의 전력을 가하여 5 내지 10초 동안 수행되는 것이 바람직하다.The NH 3 plasma is preferably performed by applying a power of 100 to 400 W for 5 to 10 seconds.

상기 (a) 단계는 니켈 전구체를 투입하기 전에 탄소 소재를 반응물로 전처리하는 것이 바람직하다.In the step (a), the carbon precursor is pre-treated with a reactant before the nickel precursor is introduced.

상기 탄소 소재의 표면에 증착된 니켈은 나노와이어 또는 나노 필름으로 형성되는 것이 바람직하다.The nickel deposited on the surface of the carbon material is preferably formed of nanowires or nanofilms.

상기 나노와이어는 탄소 소재 표면의 스텝 엣지를 따라 형성된 것이 바람직하다.The nanowire is preferably formed along the step edge of the carbon material surface.

상기 제조방법은 상기 (a) 내지 (d) 단계로 이루어진 사이클이 반복적으로 수행되는 것이 바람직하다.In the above production method, it is preferable that the cycle consisting of steps (a) to (d) is repeatedly performed.

상기 사이클의 횟수가 증가할수록 탄소 표면에 증착된 니켈은 나노와이어의 길이가 길어지거나, 또는 나노 필름의 두께가 증가하는 것이 바람직하다.As the number of cycles increases, the length of the nanowires deposited on the carbon surface increases, or the thickness of the nanofilm increases.

상기 탄소 소재는 흑연이고, 상기 니켈 전구체는 Nickel(dmamb)2인 것이 바람직하다. 본 발명에서 dmamb는 1-디메틸아미노-2-메틸-2-부타놀레이트를 의미한다.Preferably, the carbon material is graphite and the nickel precursor is Nickel (dmamb) 2 . In the present invention, dmamb means 1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 제조방법을 통해 제조된 나소 소재를 포함하는 촉매 또는 전극에 관한 것이다.
According to another exemplary aspect of the present invention, there is provided a catalyst or an electrode comprising a Naso material produced by the method.

본 발명에 따르면, NH3 가스, 또는 NH3 플라즈마를 이용한 원자층 증착법을 통해 탄소 소재의 표면에 증착되는 니켈의 모양과 크기를 제어할 수 있다.According to the present invention, the shape and size of the nickel deposited on the surface of the carbon material can be controlled through atomic layer deposition using NH 3 gas or NH 3 plasma.

나아가, 상기 탄소 소재는 표면에 증착된 니켈의 표면적을 극대화시킬 수 있어, 촉매 또는 전극 소재로 적용시켰을 때 성능을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
Furthermore, the carbon material can maximize the surface area of the nickel deposited on the surface, and has a remarkable effect in improving the performance when applied as a catalyst or electrode material.

도 1의 (a)-(d)는 ALD(Atomic layer deposition) 사이클 수가 증가함에 따라 열적 ALD에 의해 증착되는 HOPG(Highly ordered pyrolytic graphite) 상에 형성된 Ni의 AFM(Atomic force microscopy) 이미지를 나타낸 것이고, (e)는 ALD 사이클의 횟수에 따른 HOPG 상에 형성된 Ni 나노와이어 길이와 SiO2 상에 형성된 Ni 필름의 두께를 나타낸 그래프이다.
도 2의 (a)-(d)는 다양한 기간 동안 NH3 가스에 노출된 HOPG의 O1s, N1s 및 C1s 영역으로부터의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프이고, (e)는 NH3의 노출 시간(tNH3,g)에 대한 함수로서 HOPG상에 형성된 관능기에 대한 상대적인 양을 도시한 그래프이며, (f)는 Ni 나노와이어의 길이(width)를 tNH3,g으로 나타낸 것이다.
도 3의 (a)와 (b)는 NH3 플라즈마를 이용하여 Ni 증착된 PE-ALD의 평면 SEM(Scanning electron microscopy) 이미지와 HOPG 상에 100 및 500 사이클 동안 증착된 것을 보여주는 이미지이다.
도 4의 (a)는 NH3 플라즈마에 5 분간 노출한 직후, HOPG 표면을 나타낸 AFM 이미지이고, (b)와 (c)는 XPS 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프이고, (d)는 흑연 표면의 초기 핵 형성 동안 Ni 전구체의 DFT 계산 흡착 에너지(Eads)를 보여주는 그래프이다.
1 (a) to 1 (d) show AFM (atomic force microscopy) images of Ni formed on HOPG (Highly ordered pyrolytic graphite) deposited by thermal ALD as the number of ALD (Atomic layer deposition) cycles increases (e) are graphs showing the lengths of the Ni nanowires formed on the HOPG and the thickness of the Ni film formed on the SiO 2 according to the number of ALD cycles.
2 (a) - (d) are X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra of H 1 O, N 1 s and C 1 s regions of HOPG exposed to NH 3 gas for various periods, 3 is a graph showing the relative amount to the functional group formed on the HOPG as a function of the exposure time (tNH 3 , g ), and (f) shows the width of the Ni nanowire as tNH 3 , g .
3 (a) and 3 (b) are images showing a planar SEM (Scanning Electron Microscopy) image of Ni-deposited PE-ALD using NH 3 plasma and deposition for 100 and 500 cycles on HOPG.
4 (a) is an AFM image showing the surface of HOPG immediately after exposure to NH 3 plasma for 5 minutes, (b) and (c) are graphs showing XPS spectrum results, (d) Lt; / RTI > is the graph showing the DFT calculated adsorption energies (Eads) of Ni precursor during formation.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 원자층 증착법을 이용하여 탄소 소재의 표면에 니켈을 증착시키는 단계를 포함하는 나노 소재의 제조방법으로서,According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nano material including depositing nickel on a surface of a carbon material by atomic layer deposition,

(a) 탄소 소재 표면에 니켈 전구체를 투입하여 흡착시키는 노출 단계;(a) an exposure step of adsorbing a nickel precursor on a surface of a carbon material to adsorb it;

(b) 상기 흡착되지 않은 니켈 전구체를 제거하는 퍼징 단계;(b) purging the unadsorbed nickel precursor;

(c) 상기 니켈 전구체가 흡착된 탄소 소재를 반응물과 반응시키는 단계; 및(c) reacting the nickel precursor adsorbed carbon material with the reactants; And

(d) 상기 반응이 완료된 후 잔존하는 미반응물을 제거하는 최종 퍼징 단계;를 포함하며,(d) a final purging step of removing remaining unreacted material after completion of the reaction,

상기 반응물은 NH3 가스 또는 NH3 플라즈마인 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법을 제공한다.Wherein the reactant is NH 3 gas or NH 3 plasma.

상기 탄소 소재는 다공성 탄소 등과 같이 높은 표면적 구조로 쉽게 제조될 수 있기 때문에 가장 널리 사용되는 전극 및 촉매 지지체 물질이다. 특히, 촉매 지지체로 사용될 경우, 산성 및 염기성 매체 모두에서 화학적으로 불활성이며, 촉매 공정 중 바람직하지 않은 부반응을 방지할 수 있다.The carbon material is the most widely used electrode and catalyst support material because it can be easily produced with a high surface area structure such as porous carbon. In particular, when used as a catalyst support, it is chemically inert in both acidic and basic media and can prevent undesirable side reactions in the catalytic process.

본 발명에서는 탄소 소재 중에서도 흑연(Highly ordered pyrolytic graphite, HOPG)을 사용하여 이를 촉매 및 전극 소재로 활용하고자 한다.In the present invention, highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) is used as a catalyst and an electrode material among carbon materials.

본 발명에 의하면 상기 니켈(Ni)은 나노 스케일로 상기 탄소 소재의 표면에 증착시키는 것으로서, 원자층 증착법을 통해 높은 표면 대 용적비를 갖는 나노 와이어 또는 나노 필름의 형태로 증착되어, 이는 촉매 및 전극 소재의 성능을 향상시키는데 현저한 효과를 나타내었다.According to the present invention, the nickel (Ni) is deposited on the surface of the carbon material at a nanoscale, and is deposited in the form of nanowires or nanofilms having a high surface-to-volume ratio through atomic layer deposition, The present invention has a remarkable effect in improving the performance of the device.

본 발명에서 사용된 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)은 기판의 표면에 흡착시키고자 하는 물질을 화학적 흡착 및 탈착 반응을 통해 나노 스케일로 박막 증착시킬 수 있는 기술이다.Atomic layer deposition (ALD) used in the present invention is a technique capable of depositing a substance to be adsorbed on the surface of a substrate by nanoscale thin film deposition through chemical adsorption and desorption reaction.

본 발명에 의하면, 상기 원자층 증착법을 통해 니켈을 탄소 소재의 표면에 증착시킬 수 있으며, 카운터 반응물(이하 '반응물')을 조절하는 간단한 방법을 통해 증착된 니켈의 모양과 크기를 조절할 수 있다.According to the present invention, nickel can be deposited on the surface of the carbon material through the atomic layer deposition method, and the shape and size of the deposited nickel can be controlled by a simple method of controlling the counteractant (hereinafter, 'reactant').

상기 나노 소재의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A method for producing the nanomaterial will be described in detail as follows.

먼저, 상기 (a) 단계는 탄소 소재 표면에 니켈 전구체를 투입하여 흡착시키는 노출 단계이다.First, in the step (a), a nickel precursor is put on a surface of a carbon material and is adsorbed.

상기 (a) 단계를 수행하기 앞서 탄소 소재의 기판은 별도의 세척 공정 없이 공정 챔버에 넣기 전 테이프를 붙였다가 떼어내는 방식으로 표면에 노출되었던 레이어(layer)를 제거하여 깨끗한 표면을 준비하였다. 그리고 여기에 니켈 전구체를 아르곤 가스와 함께 투입하여 흡착시켰다. 이때, 상기 니켈 전구체의 적절한 증기압을 얻기 위해, 전구체가 담긴 버블러(bubbler)는 60 내지 80 ℃로 가열하였다.Before performing the step (a), the carbon substrate was cleaned by removing the layer exposed on the surface by attaching and peeling the tape before putting it into the process chamber without a separate cleaning process. Then, a nickel precursor was added thereto together with argon gas for adsorption. At this time, in order to obtain a proper vapor pressure of the nickel precursor, the bubbler containing the precursor was heated to 60 to 80 캜.

바람직하게는 상기 니켈 전구체를 투입하기 전에 탄소 소재를 반응물(NH3 가스 또는 NH3 플라즈마)로 전처리하는 것이다. 이는 상기 NH3 가스로 전처리하는 경우에는 Ni 전구체의 화학적 흡착에 대한 선택성을 향상시키고, 나노와이어의 성장을 유도하였며, 상기 NH3 플라즈마로 전처리하는 경우에는 탄소 소재의 전면에 Ni을 고르게 증착시킬 수 있는 역할을 하였다.Preferably, the carbon precursor is pre-treated with a reactant (NH 3 gas or NH 3 plasma) before the nickel precursor is introduced. This When pre-treated with the NH 3 gas, and improve the selectivity to the chemical adsorption of a Ni precursor, said lead did induce growth of the nanowires, when the pre-processing to the NH 3 plasma is evenly Ni on the entire surface of the carbon material deposited It was a role to play.

상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계를 통해 탄소 소재와 니켈 전구체를 반응시킨 후에, 상기 반응을 통해 흡착되지 않은 니켈 전구체를 제거하는 퍼징 단계이다.The step (b) is a purging step of reacting the carbon precursor with the carbon precursor through the step (a), and then removing the unadsorbed nickel precursor through the reaction.

상기 퍼징(purging)은 아르곤과 같은 불활성 가스를 흘려주어 흡착되지 않은 니켈 전구체를 제거하였다.The purging was performed by flowing an inert gas such as argon to remove the unadsorbed nickel precursor.

상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계를 통해 니켈 전구체가 흡착된 탄소 소재를 반응물과 반응시키는 단계이다.In the step (c), the carbon precursor-adsorbed carbon material is reacted with the reactant through the step (b).

상기 (c) 단계에서는 반응물에 탄소 소재를 노출시켜 흡착된 니켈 전구체를 환원시킴과 동시에 부산물을 생성시킨다.In the step (c), the carbon material is exposed to the reactants to reduce the adsorbed nickel precursor and produce by-products.

본 발명에 의하면, 상기 반응물을 다르게 실시하여 최종 흡착되는 니켈의 형태를 제어할 수 있다.According to the present invention, it is possible to control the morphology of the finally adsorbed nickel by performing the reactants differently.

즉, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 반응물로 NH3 가스를 사용하여 니켈을 나노 와이어 형태로 증착시킬 수 있다.That is, according to an embodiment of the present invention, the NH 3 gas may be used as the reactant to deposit nickel in nanowire form.

이때, 상기 NH3 가스는 50 내지 100 ℃의 온도에서 100 내지 400 sccm의 유량으로 5 내지 10초 동안 주입하는 것이 바람직한데, 상기 온도 범위와 유량의 범위를 NH3 가스를 시료에 고르게 반응시킬 수 없어 바람직하지 않다.At this time, the NH 3 gas 50 to a temperature of 100 ℃ it is preferred that the injection for 5 to 10 seconds at a flow rate of 100 to 400 sccm, a range of the temperature and the flow rate can be uniformly reacting the NH 3 gas to the sample Not desirable.

또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 반응물로 NH3 플라즈마 처리를 하여 니켈을 나노 필름 형태로 증착시킬 수 있다.According to another embodiment of the present invention, NH 3 plasma treatment may be performed on the reactants to deposit nickel in the form of nanofilms.

상기 NH3 플라즈마는 100 내지 400 W의 전력을 가하여 5 내지 10초 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만일 상기 범위를 벗어나는 경우에는 플라즈마의 레디컬(radical)에 의한 시료가 심각하게 손상될 우려가 있어 바람직하지 않다.The NH 3 plasma is preferably performed by applying a power of 100 to 400 W for 5 to 10 seconds. If it is out of the above range, the sample due to the radical of the plasma may be seriously damaged, which is not preferable.

즉, 상기 반응물의 형태를 조절함으로써 탄소 소재의 표면에 형성되는 니켈의 형태를 나노와이어 또는 나노 필름으로 증착시킬 수 있다. 이러한 증착 물질의 제어는 탄소 소재로 반드시 Highly ordered pyrolytic graphite를 사용하고 증착 물질로는 니켈을 사용할 때 가능한 것으로, 상기 다른 종류의 탄소 소재를 사용하거나, 또는 탄소계가 아닌 다른 소재의 기판을 사용하는 경우에는 상기 니켈의 모양이나 크기가 제어되지 않는 것을 확인하였다.That is, the shape of the nickel formed on the surface of the carbon material can be deposited as nanowires or nanofilms by controlling the shape of the reactants. The control of such a deposition material is possible when highly ordered pyrolytic graphite is used as the carbon material and nickel is used as the deposition material. When the above-mentioned carbon material is used or a substrate of a material other than carbon is used It was confirmed that the shape and size of the nickel were not controlled.

상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 반응이 완료된 후 잔존하는 미반응물을 제거하는 최종 퍼징 단계이다.The step (d) is a final purging step of removing remaining unreacted material after completion of the reaction of step (c).

상기 (d) 단계에서는 아르곤 가스와 같은 불활성 기체를 사용하여 미반응물을 제거하였고, 유량과 노출시간은 상기 (b) 단계와 같은 조건으로 유지하였다.In step (d), an inert gas such as argon gas was used to remove unreacted materials. The flow rate and exposure time were maintained in the same conditions as in step (b).

본 발명에 의하면, 상기 나노 소재의 제조방법은 상기 (a) 내지 (d) 단계로 이루어진 사이클이 반복적으로 수행될 수 있다.According to the present invention, in the method of manufacturing a nanomaterial, the cycle consisting of the steps (a) to (d) may be repeatedly performed.

상기 반응물로 NH3 가스를 사용하는 경우에는 상기 사이클은 1 내지 200 사이클로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 사이클은 그 횟수를 증가시킬수록 탄소 소재 표면에 증착된 니켈 나노와이어의 길이를 증가시킬 수 있으며, 상기 나노와이어는 탄소 소재 표면의 스텝 엣지를 따라 형성된다.When NH 3 gas is used as the reactant, the cycle is preferably performed in 1 to 200 cycles. The cycle can increase the number of times the length of the nickel nanowire deposited on the carbon material surface increases, and the nanowire is formed along the step edge of the carbon material surface.

만일, 상기 사이클이 200 사이클을 초과하는 경우에는 Ni 나노와이어의 길이 증가율이 오히려 감소하기 때문에 바람직하지 않다.If the cycle exceeds 200 cycles, the rate of increase of the length of the Ni nanowires is rather reduced, which is not preferable.

또한, 상기 반응물로 NH3 플라즈마를 사용하는 경우에는 상기 사이클은 1 내지 500 사이클로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 사이클의 횟수를 증가시켜 니켈 필름의 두께를 증가시킬 수 있다.When the NH 3 plasma is used as the reactant, the cycle is preferably performed in 1 to 500 cycles. The number of cycles may be increased to increase the thickness of the nickel film.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 나노 소재의 제조방법에 있어서, 니켈 전구체 및 탄소 소재의 종류, 상기 니켈 전구체와 상기 탄소 소재의 반응전 처리 조건 등을 달리하여 제조된 나소 소재를 전극에 사용하여, 300회까지 사용한 후 상기 전극의 내구성을 확인하였다.Particularly, although not explicitly described in the following examples or comparative examples, in the method for producing a nano material according to the present invention, it is preferable that the kind of the nickel precursor and the carbon material, the pretreatment conditions of the nickel precursor and the carbon material Was used for the electrodes, and the durability of the electrode was confirmed after 300 times of using.

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서 실험을 수행한 경우와 달리, (ⅰ) 상기 니켈 전구체는 Ni(dmamb)2를 사용하고, (ⅱ) 상기 탄소 소재는 흑연을 사용하며, (ⅲ) 상기 니켈 전구체를 탄소 소재에 반응시키기 전에 반응물(NH3 가스 또는 NH3 플라즈마)로 전처리하고, (ⅳ) 상기 니켈 전구체를 반응기로 이동시킬 때는 아르곤 기체 분위기 하에서 수행하되, 65 내지 75 ℃의 온도를 유지시키는 유리 버블러 안에서 반응기로 이동시키는 경우, 화학적 반응성이 감소되는 스텝 엣지인 내부 스텝 엣지가 Ni에 발생하지 않을 뿐 아니라, 300회까지의 사용 시에도 내구성에 있어서 초기 성능을 그대로 유지하는 것을 확인하였다.As a result, unlike the case where experiments were conducted under different conditions and different numerical ranges, (i) the nickel precursor uses Ni (dmamb) 2 , (ii) the carbon material uses graphite, (iii) The nickel precursor is pre-treated with a reactant (NH 3 gas or NH 3 plasma) before being reacted with the carbon material, and (iv) the nickel precursor is transferred to the reactor in an argon atmosphere, , It was confirmed that not only the internal step edge which is a step edge in which the chemical reactivity is reduced does not occur in Ni but also maintains initial performance in durability even when used up to 300 times .

반면, 상기 (ⅰ) 내지 (ⅳ) 조건 중 하나라도 충족시키지 못하는 경우에는 나노 소재 중 탄소 소재의 표면에 형성되는 Ni에 내부 스텝 엣지가 급격히 발생할 뿐 아니라, 상기 나노 소재를 사용한 전극은 300회까지의 사용 시 초기 성능보다 급격히 성능이 저하되는 것을 확인하였다.
On the other hand, if any one of the conditions (i) to (iv) is not satisfied, the internal step edge is rapidly generated in the Ni formed on the surface of the carbon material in the nanomaterial, It was confirmed that the performance was deteriorated sharply than the initial performance.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 나노 소재의 제조방법에 따라 제조된 나노 소재를 포함하는 촉매 또는 전극 소재를 제공할 수 있다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a catalyst or an electrode material including a nanomaterial manufactured according to the method for manufacturing a nanomaterial.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

실시예Example

로드-락(진공 장치 전체의 진공 상태를 깨지 않고 시료를 넣고 빼는 방법)이 장착된 상용 더블-샤워 헤드 타입의 ALD 챔버(CN-1, Atomic premium)는 ALD Ni용으로 사용되었다. 고주파 플라즈마 발생기(radio frequency plasma generator)는 샤워 헤드와 지면 스테이지는 연결되어 있으며, 챔버 구성은 'Yoon J, Song J-G, Kim H and Lee H-B-R 2015 Plasmaenhanced atomic layer deposition of Co on metal surfaces Surf. Coat. Technol. 264 60-5'에 기재된 내용과 동일하게 실시하였다.A commercial double-showerhead type ALD chamber (CN-1, Atomic premium) equipped with a rod-lock (a way of inserting and removing samples without breaking the vacuum of the entire vacuum system) was used for ALD Ni. The radio frequency plasma generator is connected to the showerhead and the ground stage. The chamber configuration is described in 'Yoon J, Song J-G, Kim H and Lee H. 2015 Plasmaenhanced atomic layer deposition of Co on metal surfaces Surf. Coat. Technol. 264 60-5 '.

니켈 전구체는 Ni(dmamb)2(dmamb=1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate)를 사용하고, 카운터 반응물은 NH3를 사용하였다. 니켈 전구체는 적절한 증기 압력을 만들 수 있도록 온도를 70 ℃로 유지시키는 유리 버블러를 포함하였다. 증발된 Ni(dmamb)2(dmamb=1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate)는 아르곤 기체 분위기하의 메인 챔버로 이동되었다. 상기 아르곤 가스는 초과 반응 및 전구체 주입과 NH3 노출 단계에서 발생하는 부산물 정화에 사용되었다. 상기 NH3 가스는 400 sccm의 유량으로 챔버에 투입하였다. 플라즈마 강화용 ALD(Pasma enhanced atomic layer deposition, PE-ALD), 플라즈마는 NH3가 300W의 전력으로 노출되는 동안에 기판과 샤워 해드 사이에서 발생되었다. 단일 ALD 사이클은 10 s, 5 s, 10 s 및 5 s의 지속 시간으로 전구체 노출, 퍼징, 반응물 노출 및 최종 퍼징 단계로 구성된다.Ni (dmamb) 2 (dmamb = 1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate) was used as the nickel precursor and NH 3 was used as the counteractant. The nickel precursor contained a glass bubbler to maintain the temperature at 70 [deg.] C to create the proper vapor pressure. The evaporated Ni (dmamb) 2 (dmamb = 1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate) was transferred to the main chamber under an argon gas atmosphere. The argon gas was used for over-reaction and precursor injection and by-product purification during the NH 3 exposure step. The NH 3 gas was introduced into the chamber at a flow rate of 400 sccm. Plasma enhanced ALD (plasma-enhanced atomic layer deposition, PE-ALD), plasma was generated between the substrate and the showerhead while the NH 3 was exposed to 300 W of power. A single ALD cycle consists of precursor exposure, purging, reactant exposure and final purging with a duration of 10 s, 5 s, 10 s and 5 s.

기판 온도는 300 ℃로 유지하였다. Ni은 SiO2와 HOPG의 기판(size: 10 mm×10 mm, ZYB quality, K-TEK Nanotechnology)에 각각 증착되었다. HOPG(Highly oredred pyrolytic graphite)의 표면은 흑연으로부터 프레쉬한 그래핀 층을 얻기 위하여 잘 알려진 방법인 스카치 테이프를 사용하여 표면 흑연을 박리함으로써 세정시켰다('Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V and Firsov A A 2004 Electric. field effect in atomically thin carbon films Science 306 666-9'에 기재된 방법으로 실시함). HOPG는 깨끗한 표면이 준비되자마자 챔버에 로드되었다. SiO2 기판은 아세톤, IPA 및 탈 이온수에 침지하여 세정하고 N2를 불어주어 건조시켰다. The substrate temperature was maintained at 300 占 폚. Ni was deposited on SiO 2 and HOPG substrates (size: 10 mm x 10 mm, ZYB quality, K-TEK Nanotechnology). The surface of HOPG (Highly oredred pyrolytic graphite) was cleaned by stripping the surface graphite using a well-known method of scotch tape to obtain a fresh graphene layer from graphite ('Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Zhang Y, Dubonos SV, Grigorieva IV and Firsov AA 2004 Electric field effect in atomically thin carbon films Science 306 666-9). HOPG was loaded into the chamber as soon as a clean surface was ready. The SiO 2 substrate was immersed in acetone, IPA and deionized water, washed, and dried by blowing N 2 .

ALD 공정에 대한 NH3의 효과를 연구하기 위해 열적 ALD Ni 공정 이전에 NH3 가스와 NH3 플라즈마로 HOPG 기판의 전처리를 수행하였다. 전처리와 ALD 공정은 지속적인 진공 분위기하에 같은 챔버안에서 이루어졌다. 탭핑 모드(tapping mode)의 FE-SEM(Field emission scanning electron microscopy)과 AFM은 ALD Ni을 포함하는 HOPG 표면의 형태(morphology)를 분석하는데 사용되었다. Ni 나노와이어의 길이는 이미지 프로세스 프로그램(XEI)을 이용한 AFM 이미지로부터 30포인트를 직접 측정하여 얻어졌다. 물질의 화학적 결합은 XPS로 분석하였다. ALD Ni 필름의 경도 및 Ni과 SiO2 기판 사이의 접착력은 ASTM D3363 펜슬 테스트와 ASTM D3359 테이프 테스트로 측정하였다. ALD Ni 필름은 1mm 간격의 가이드 라인을 따라 날카로운 칼로 커팅하였다. 시판되는 3M(No.550R) 테이프는 표면에 견고하게 부착하고 지우개로 문질렀다. 테이프는 빠르게 뒤로 제거하였다. SiO2 기판 상의 30 nm 두께의 ALD Ni은 펜슬 경도 테스트에 사용되었다. 펜슬 테스트를 위해 7H의 펜슬(Mitsubishi pencil)은 샘플의 표면에 부착하고 스크레치 형성을 모니터하였다. Before the thermal ALD process by Ni NH 3 gas and the NH 3 plasma to study the effects of NH 3 for the ALD process were carried out pre-processing of the HOPG substrate. Pretreatment and ALD processes were performed in the same chamber under constant vacuum conditions. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and AFM of the tapping mode were used to analyze the morphology of the HOPG surface including ALD Ni. The length of Ni nanowires was obtained by direct measurement of 30 points from AFM images using the image processing program (XEI). Chemical binding of the material was analyzed by XPS. The hardness of the ALD Ni film and the adhesion between the Ni and the SiO 2 substrate were measured by ASTM D3363 pencil test and ASTM D3359 tape test. The ALD Ni film was cut with a sharp knife along a guide line spaced at 1 mm intervals. A commercially available 3M (No.550R) tape was firmly attached to the surface and rubbed with an eraser. The tape was quickly removed back. A 30 nm thick ALD Ni on a SiO 2 substrate was used for pencil hardness testing. For pencil testing, a 7H pencil (Mitsubishi pencil) was attached to the surface of the sample and monitored for scratch formation.

밀도 함수 이론(DFT)은 Orca 버전 3.0.3을 통해 계산하였다. 분자 Ni 촉매에 대해 잘 수행된 분산-보정 PBE0-D3 기능은 def2-SVP 기본 세트 및 RIJCOSX 근사법과 함께 사용되었다. HOPG의 기저면(basal plane)은 H-terminated edges를 갖는 C37H16 클러스터로 모델링되었으며, 이는 그래핀 상의 ALD Pt의 조사에서 이전에 사용된 클러스터와 유사하다. 클러스터 중앙에 흑연 N와 아미노 그룹을 포함하는 표면 질소 종도 고려되었다. Ni 전구체는 다음과 같이 펄스 동안 표면 상에 초기 물리 흡착된다고 가정되었다:The density function theory (DFT) was calculated using Orca version 3.0.3. A well-performed dispersion-corrected PBE0-D3 function for the molecular Ni catalyst was used with the def2-SVP base set and the RIJCOSX approximation. The basal plane of HOPG was modeled as a C 37 H 16 cluster with H-terminated edges, similar to the clusters previously used in the investigation of ALD Pt on graphene. Surface nitrogen species including graphite N and amino groups were also considered at the center of the cluster. The Ni precursor was assumed to be initially physisorbed on the surface during the pulse as follows:

cluster + precursor → (full precursor adsorbate) (1)cluster + precursor → (full precursor adsorbate) (1)

그리고, 카운터 반응물인 NH3 양성자와 기판은 하기 단계적 반응(2), (3)에 따르면 흡착된 전구체의 리간드이다.The NH 3 proton as a counteractant and the substrate are ligands of the adsorbed precursor according to the following stepwise reactions (2) and (3).

(full precursor adsorbate) + 2NH3 → (-1L adsorbate) + LH ↑ (2)(full precursor adsorbate) + 2NH 3 ? (-1L adsorbate) + LH? (2)

(-1L adsorbate) + 2NH3 → (-2L adsorbate) + LH ↑ (3)(-1 L adsorbate) + 2 NH 3 - (-2 L adsorbate) + LH ↑ (3)

여기서 LH는 1-dimethylamino-2-methyl-2-butanol을 의미한다. 표면 Ni 종의 흡착 에너지(Eads)는 반응물과 생성물의 전기적 에너지 간의 차이로 정의되며, 하기 식(4)로 표기될 수 있다.Here, LH means 1-dimethylamino-2-methyl-2-butanol. The adsorption energy (Eads) of the surface Ni species is defined as the difference between the electrical energy of the reactants and the product, and can be expressed by the following equation (4).

(Eads = ∑[E(adsorbate) + αE(LH)] - ∑[E(cluster) + E(precursor) + bE(NH3)] (4)(Eads = Σ [E (adsorbate ) + αE (LH)] - Σ [E (cluster) + E (precursor) + bE (NH 3)] (4)

여기서 a 및 b는 각각의 화학 반응식의 계수이다
Where a and b are the coefficients of each chemical equation

실험예 1: ALD 사이클 횟수에 따른 HOPG 상에 형성된 Ni의 변화 분석Experimental Example 1: Analysis of Ni formed on HOPG according to the number of ALD cycles

도 1의 (a) 내지 (d)는 ALD 사이클 수가 증가함에 따라 열적 ALD에 의해 증착되는 HOPG 상에 형성된 Ni의 AFM 이미지를 나타낸 것이다. 도 1의 (a)는 ALD 이후에 Ni 입자에 의해 엣지가 증착된 HOPG의 원자 스텝과 기저면(basal plane)의 플랫 표면을 나타낸다. 도 1의 (b) 내지 (d)에서 ALD 사이클이 지속될수록 입자가 연결되고 결과적으로 나노와이어 모양을 형성하게 된다. 이를 통해, 이전 사이클에서 나노와이어가 형성되지 않은 기저면(basal plane) 영역에 입자가 추가로 형성되는 것이 아니라, 생성된 Ni 나노와이어의 길이(width)가 증가하는 것을 알 수 있다. HOPG 상에서 ALD Ni의 이러한 성장 거동은 HOPG 상의 ALD Pt와 유사하게 관측되었다. 이러한 경우에, 스텝 엣지(step edge)는 기저면(basal plane) 보다 화학 반응성이 높기 때문에 Pt는 스텝 엣지에 지배적으로 핵을 형성한다. HOPG 상에 ALD Ni의 선택적 형성은 동일한 이유에 기인한 것으로 예상할 수 있다. 또한, 도 1의 (a)에서 Ni의 핵이 생성되지 않고 그대로 남아있는 몇 개의 스텝 엣지가 있다. 이것은 더 높은 반응성을 갖는 외부 스텝 엣지와 형태가 유사함에도 불구하고 그 위에 다른 그래파이트 시트의 존재로 인해 화학적 반응성이 감소되는 내부 스텝 엣지의 존재로 설명할 수 있다.Figures 1 (a) - (d) show AFM images of Ni formed on HOPG deposited by thermal ALD as the number of ALD cycles increases. Figure 1 (a) shows the atomic step and flat surface of the basal plane of the HOPG with the edges deposited by Ni particles after ALD. In FIGS. 1 (b) to (d), as the ALD cycle continues, the particles are connected and consequently form a nanowire shape. As a result, it can be seen that the width of the generated Ni nanowires is increased rather than the particles are formed in the basal plane region where no nanowires are formed in the previous cycle. This growth behavior of ALD Ni on HOPG was observed similar to ALD Pt on HOPG. In this case, because the step edge is more chemically reactive than the basal plane, Pt forms nuclei predominantly at the step edge. The selective formation of ALD Ni on HOPG can be expected due to the same reason. Also, in Fig. 1 (a), there are several step edges in which nuclei of Ni are not generated and remain as they are. This can be explained by the presence of an internal step edge whose chemical reactivity is reduced due to the presence of another graphite sheet on top of it, although the shape is similar to that of an external step edge with higher reactivity.

도 1의 (e)는 ALD 사이클의 횟수에 따른 HOPE 상에 형성된 Ni 나노와이어 길이와 SiO2 상에 형성된 Ni 필름의 두께를 나타낸 것이다. SiO2 상에 형성된 Ni 얇은 필름의 경우에는 ALD 사이클 횟수가 증가할수록 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. 기존에 발표된 연구에 따르면 SiO2 상에서 측정된 성장률은 0.63 Å/cycle이다. HOPG 상의 나노와이어는 길이 증가의 관측되는 두 가지 다른 이유가 있다. 200 사이클 까지의 Ni 나노와이어 길이 증가율은 2.07 Å/cycle이고, 200 사이클을 넘어가면 0.79 Å/cycle로 감소한다. 만약 HOPG 상의 ALD Ni의 성장이 가로 및 세로 방향으로 등방성을 가지면, 나노와이어의 길이 증가율은 1.26 Å/cycle로, 수직 성장율인 0.63 Å/cycle의 두배일 것이다. 초기 성장 기간 동안에 Ni 나노와이어의 길이 증가율은 등방성 성장률 보다 높고 200 사이클 후에는 작아진다. 이러한 차이는 HOPG 상의 금속의 다양한 젖음성에 의해 설명될 것이다.FIG. 1 (e) shows the Ni nanowire length formed on the HOPE and the thickness of the Ni film formed on SiO 2 according to the number of ALD cycles. In the case of Ni thin films formed on SiO 2 , the thickness increases as the number of ALD cycles increases. According to a previously published study, the growth rate measured on SiO 2 is 0.63 Å / cycle. There are two different reasons for the observed increase in length of nanowires on HOPG. The Ni nanowire length increase rate up to 200 cycles is 2.07 Å / cycle and decreases to 0.79 Å / cycle after 200 cycles. If the growth of ALD Ni on HOPG is isotropic in the transverse and longitudinal directions, the nanowire length growth rate would be 1.26 A / cycle, twice the vertical growth rate of 0.63 A / cycle. During the initial growth period, the length growth rate of the Ni nanowires is higher than the isotropic growth rate and becomes smaller after 200 cycles. This difference will be explained by the various wettability of the metal on the HOPG.

HOPG상의 금속의 접촉 각(Contact angle, CA)은 표면상의 입자의 폭과 높이(gw/2gt)의 비율로부터 알 수 있다. 즉, 도 1의 (e)에서 보는 바와 같이, Ni 나노와이어의 gw/2gt 값은 각각 1.643과 0.627이며, 이는 각각 = 62.6°와 = 115.5°에 해당한다. 이러한 접촉 각 값은 초기 성장 중에 Ni 핵이 HOPG 표면을 비교적 잘 젖게 하지만, 이후 성장 단계에서는 젖음성이 감소함을 나타낸다. 이러한 현상은 도 1의 (e)에 의해 설명된다. 초기 ALD Ni의 접촉 각은 62.6°로, ALD Pt 75°보다 작은 값이다. 일반적으로 액체 물질의 경우 접촉 각은 물질, 기질 및 증기의 세 가지 성분 간의 상호 작용에 의해 결정된다. 만약, 물질의 표면 에너지가 높으면 접촉 각은 물질 내의 큰 응집력 때문에 더 높다. Pt 및 Ni의 (111), (110) 및 (100)면의 표면 에너지에 대한 다양한 문헌 값이 실험적 방법 및 이론적 방법에 의해 결정된다. 이 데이터를 분석한 결과, 몇 가지 주요 Ni 결정 면의 표면 에너지는 (100)면에서 2.426 Jm-2이고, (110)면에서 2.011 Jm-2인 것으로 이론적 방법에 의해 얻어진 Pt 값인 (100)면에서 2.734 Jm-2, (110)면에서 2.819 Jm-2, (111)면에서 2.299 Jm-2의 평균값보다 작다. 그러므로, Ni 나노와이어의 접촉 각이 Pt 나노와이어의 접촉 각보다 작으면 Ni의 표면 에너지가 작아지는 것을 알 수 있다. 흥미롭게도, Ni 나노와이어의 접촉 각은 ALD 200 사이클 이상으로 증가하는 것으로 관찰되었다. The contact angle (CA) of the metal on the HOPG can be determined from the ratio of the width and height of the particles on the surface (g w / 2g t ). That is, as shown in FIG. 1 (e), g w / 2 g t of the Ni nanowire The values are 1.643 and 0.627, respectively, corresponding to = 62.6 ° and = 115.5 °. This contact angle value indicates that the Ni nuclei wet the HOPG surface relatively well during the initial growth, but then the wettability decreases at the growth stage. This phenomenon is explained by Fig. 1 (e). The initial contact angle of ALD Ni is 62.6 °, which is smaller than ALD Pt 75 °. Generally, for liquid substances, the contact angle is determined by the interaction between the three components of matter, substrate and vapor. If the surface energy of the material is high, the contact angle is higher due to the large cohesion within the material. The various literature values for the surface energies of the (111), (110) and (100) planes of Pt and Ni are determined by experimental and theoretical methods. As a result of analysis of this data, the surface energies of some major Ni crystal planes were 2.426 Jm -2 on the (100) plane and 2.011 Jm -2 on the (110) plane, (111) plane is smaller than the mean value of 2,799 Jm -2 , (110) plane is 2.819 Jm -2 , and (111) plane is 2.299 Jm -2 . Therefore, when the contact angle of the Ni nanowires is smaller than the contact angle of the Pt nanowires, the surface energy of the Ni decreases. Interestingly, the contact angle of the Ni nanowires was observed to increase to over 200 ALD cycles.

횡 방향(lateral) 성장 속도가 변함과 동시에, HOPG상의 ALD Ni의 수직(Vertical) 성장 속도(AFM 데이터로부터 결정된 바와 같이) 역시 약간 증가 하였다. 이것은 두 가지 요인 중 하나 때문일 수 있다. 첫째로, Ni 증착으로 이끄는 ALD 반응이 횡 방향보다 수직 방향에서 지배적이라는 것이다. 두 번째는 비록 Ni의 수직 및 횡 방향 성장률이 초기 성장 단계에서 변하지 않더라도 Ni 핵의 유착과 조대화(coarsening)으로 인해 변화하는 것처럼 보인다는 것이다. ALD Ni의 화학적 반응성에는 방향 의존성이 없기 때문에 200 사이클 이상의 성장률 변화는 후자의 이유 때문일 가능성이 있다. Ni 필름에서 비정상적으로 빠른 응집 현상과 결정립 조대화 현상(coarsening phenomena: 다결정체를 고온으로 가열함에 따라 결정립이 커지는 현상을 말함)이 발생하게 된다. 이는 무정형 탄소상의 Ni 필름은 623K에서 6 시간 동안 어닐링될 때 상대적으로 빠른 이동과 결정립 조대화를 갖는 것으로 나타났는데, 이는 기존의 원자 모델에 의해 설명될 수 없는 관찰이었다. 이를 바탕으로, HOPG 상에 성장한 Ni 나노와이어의 200 사이클 이하의 빠른 성장률은 HOPG의 스텝 엣지가 무정형 탄소의 표면과 유사하다는 것을 고려하면 이해할 수 있으며, 그리고 300 ℃의 증착온도는 이전에 보고된 어닐링 온도와 유사하다.
At the same time as the lateral growth rate changed, the vertical growth rate of ALD Ni on HOPG (as determined from AFM data) also increased slightly. This may be due to one of two factors. First, the ALD reaction leading to Ni deposition is dominant in the vertical direction than in the transverse direction. The second is that even though the vertical and lateral growth rates of Ni do not change at the initial growth stage, they seem to change due to the adhesion and coarsening of Ni nuclei. Since the chemical reactivity of ALD Ni has no directional dependence, it is possible that the growth rate change over 200 cycles is due to the latter reason. In Ni film, an abnormally fast aggregation phenomenon and a coarsening phenomena (a phenomenon in which a crystal grain becomes larger as a polycrystal is heated to a high temperature) occurs. This indicates that Ni films on amorphous carbon have relatively fast migration and crystal grain coarsening when annealed at 623 K for 6 hours, which was an observation that can not be explained by conventional atomic models. Based on this, the rapid growth rate of less than 200 cycles of Ni nanowires grown on HOPG can be understood by considering that the step edge of HOPG is similar to the surface of amorphous carbon, and the deposition temperature of 300 ° C is the annealing temperature It is similar to temperature.

실험예 2: HOPG 표면에 미치는 NHExperimental Example 2: Effect of NH on HOPG surface 33 가스의 영향 분석 Gas impact analysis

Ni ALD 동안 NH3 가스가 HOPG 표면에 미치는 영향을 분석하기 위해 HOPG를 Ni ALD 이전에 NH3 가스에 노출시켰다. 도 2의 (a) 내지 (d)는 다양한 기간 동안 NH3 가스에 노출된 HOPG의 O1s, N1s 및 C1s 영역으로부터의 XPS 스펙트럼을 보여준다. To analyze the effect of NH 3 gas on HOPG surface during Ni ALD, HOPG was exposed to NH 3 gas prior to Ni ALD. (A) to (d) of Figure 2 shows the XPS spectra from the O1s, N1s and C1s region of the HOPG exposed to the NH 3 gas for various lengths of time.

도 2를 참조하면, NH3 가스 노출 후에도 도 2(a)의 XPS 결과에서 보듯이 N은 관찰되지 않았다. Ni ALD 처리되기 이전의 HOPG의 O1s 피크는 도 2 (b)에서 보는 바와 같이 부가 피크(shoulder peak)가 534 eV이고 꼬리가 530.9 eV인 대략 532.6 eV에서 검출되었다. O 1s 피크는 탄소의 1s 영역에서 도 관찰되는 -OH, O = C-OH 및 C-O와 같은 다양하게 나타난다.(도 2의 (c) 및 (d)). 이러한 유형의 산소화된 화학 종은 기저면(basal plane)이 아닌 단글링 본드(dangling bond)를 가진 스텝 엣지로부터 기인한 것으로 보인다. Referring to FIG. 2, no N was observed even after NH 3 gas exposure, as shown in the XPS results of FIG. 2 (a). The O1s peak of HOPG before Ni ALD treatment was detected at about 532.6 eV with a shoulder peak of 534 eV and a tail of 530.9 eV as shown in Fig. 2 (b). O 1s peaks appear in a variety of ways such as -OH, O = C-OH, and CO, which are also observed in the 1s region of carbon (FIGS. 2c and 2d). This type of oxygenated species appears to originate from a step edge with a dangling bond rather than a basal plane.

도 2의 (b)에서 보는 바와 같이, 60 분 까지 NH3 가스에 장기간 노출해도 O 종의 조성은 변하지 않는다는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 2 (b), it can be seen that even when the NH 3 gas is exposed to the NH 3 gas for 60 minutes, the composition of the O species does not change.

도 2의 (e)는 NH3의 노출 시간(tNH3,g)에 대한 함수로서 HOPG상에 형성된 관능기에 대한 상대적인 양을 도시한 것이다. 스텝 엣지에서 각 화학 종의 상대적인 양은 NH3가 60 분의 NH3까지 거의 일정하며, 이는 tNH3,g가 HOPG 표면을 크게 변화시키지 않음을 나타낸다.Figure 2 (e) shows the relative amount to the functional groups formed on HOPG as a function of exposure time (NH 3 , g ) of NH 3 . And substantially constant at the step edge to the relative amount of the NH 3 NH 3 for 60 minutes for each species, which indicates the tNH 3, g does not significantly change the HOPG surface.

도 2의 (f)는 Ni 나노와이어의 길이(width)를 tNH3,g으로 나타낸 것이다. 도 2의 (f)에 따르면, 전처리하지 않고 HOPG 상에 증착된 Ni 나노와이어는 26.42nm의 길이를 나타내며, 이것은 NH3 가스 전처리가 HOPG 표면을 크게 변화시키지 않는다는 것을 다시 의미하며, tNH3,g 값은 60 분까지 일정하다. 이는 NH3가 환원력 때문에 탄소 표면에서 기능을 제거하기 때문이다. 유사하게, NH3 가스가 HOPG의 산화를 억제함으로써, 스텝 엣지의 Ni 전구체의 화학적 흡착에 대한 선택성을 향상시키고, Ni 나노와이어의 성장을 유도할 수 있음을 의미하는 것이다. NH3 가스가 탄소 표면을 감소시킨다고 가정하더라도, 도 2의 (b) 내지 (d)에 나타난 C와 O 사이의 결합은 여전히 감지될 수 있다. 이것은 ALD에서 XPS로 시료를 옮길 때 대기에 노출되어 HOPG가 산화될 수 있기 때문이다. 대기 노출에 의한 프레쉬한 탄소 표면에서의 산소 관련 종의 형성은 널리보고된 현상이기 때문이다. 따라서 대기 노출 후 탄소 표면의 XPS 스펙트럼은 ALD 챔버에서 NH3 가스에 의한 환원 후에도 산화를 나타낼 수 있다.
2 (f) shows the width of the Ni nanowire as tNH 3 , g . According to FIG. 2 (f), Ni nanowires deposited on HOPG without pretreatment show a length of 26.42 nm, again indicating that NH 3 gas pretreatment does not significantly change the HOPG surface, and tNH 3 , g The value is constant up to 60 minutes. This is because NH 3 removes the function from the carbon surface due to the reducing power. Similarly, it is meant that the NH 3 gas suppresses the oxidation of HOPG, thereby improving the selectivity for the chemical adsorption of the Ni precursor of the step edge and inducing the growth of Ni nanowires. Even if the NH 3 gas reduces the carbon surface, the bond between C and O shown in FIGS. 2 (b) to 2 (d) can still be detected. This is because HOPG can be oxidized by exposure to air when transferring samples from ALD to XPS. The formation of oxygen-related species on a fresh carbon surface by atmospheric exposure is a well-known phenomenon. Therefore, the XPS spectrum of the carbon surface after atmospheric exposure can show oxidation even after reduction with NH 3 gas in the ALD chamber.

실험예 3: NHExperimental Example 3: Preparation of NH 33 플라즈마에 따른 HOPG 표면상의 Ni 성장 거동 분석 Analysis of Ni Growth Behavior on HOPG Surface by Plasma

플라즈마는 가스보다 높은 반응성을 가지므로, NH3 플라즈마를 사용할 때 HOPG상에 ALD Ni의 상이한 성장 거동이 예상될 수 있다. Since plasma has higher reactivity than gas, different growth behavior of ALD Ni on HOPG can be expected when NH 3 plasma is used.

도 3의 (a)와 (b)는 NH3 플라즈마를 이용하여 Ni 증착된 PE-ALD의 평면 SEM 이미지와 HOPG 상에 100 및 500 사이클 동안 증착된 것을 보여주는 이미지이다. NH3 가스를 사용하는 열적 ALD에 의해 증착된 Ni와는 대조적으로, 두 SEM 이미지 모두 Ni가 HOPG의 전체 표면에 균일하게 증착되었음을 명확하게 보여준다. 3 (a) and 3 (b) are images showing a planar SEM image of Ni-deposited PE-ALD using NH 3 plasma and deposited for 100 and 500 cycles on HOPG. In contrast to Ni deposited by thermal ALD using NH 3 gas, both SEM images clearly show that Ni was uniformly deposited on the entire surface of the HOPG.

추가 실험에서, 5분 동안 NH3 플라즈마로 HOPG 표면을 전처리 한 후에 Ni의 열적 ALD를 수행하였다. 이 샘플의 평면 이미지는 도 3의 (c)에 나타내었다. 흥미롭게도, NH3 플라즈마 전처리 후에 NH3 가스를 이용하여 Ni의 열적 ALD로도 증착 선택도가 관찰되지 않았고, 도 3 (c)의 Ni의 형태는 도 3 (b)의 Ni와 거의 동일하다. 이러한 결과는 NH3 플라즈마가 Ni의 열적 ALD로 HOPG의 표면을 활성화 시킨다는 것을 나타낸다. NH3 플라즈마는 그래핀 시트에 흡착되는 H, N, NH 및 NH2와 같은 다양한 원자 및 분자 라디칼을 형성하여 sp2 탄소 골격을 파괴하기 때문이다.In a further experiment, thermal ALD of Ni was performed after pretreatment of HOPG surface with NH 3 plasma for 5 minutes. A planar image of this sample is shown in Figure 3 (c). Interestingly, no deposition selectivity was observed with the thermal ALD of Ni using NH 3 gas after NH 3 plasma pretreatment, and the type of Ni in FIG. 3 (c) was almost the same as Ni in FIG. 3 (b). These results indicate that NH 3 plasma activates the surface of HOPG with thermal ALD of Ni. NH 3 plasma forms various atomic and molecular radicals such as H, N, NH and NH 2 adsorbed on the graphene sheet to destroy the sp2 carbon skeleton.

따라서, 기저면(basal plane) 상에 NH3 플라즈마에 의해 도입된 결함은 HOPG상의 핵 형성 사이트로서 작용하여 Ni의 핵 형성을 향상시킬 것으로 기대할 수 있다.
Thus, defects introduced by NH 3 plasma on the basal plane can be expected to act as nucleation sites on the HOPG to enhance nucleation of Ni.

실험예 4: 기판에 미치는 NHExperimental Example 4: Effect of NH on the substrate 33 플라즈마의 영향 분석 Analysis of influence of plasma

NH3 플라즈마가 기판에서 미치는 영향을 명확히 하기 위하여, NH3 플라즈마 처리 후 HOPG 표면의 형태 및 화학적 상태를 AFM 및 XPS로 분석하였다. In order to clarify the effect of NH 3 plasma on the substrate, the morphology and chemical state of HOPG surface after NH 3 plasma treatment were analyzed by AFM and XPS.

도 4의 (a)는 NH3 플라즈마에 5 분간 노출한 직후, HOPG 표면을 나타낸 AFM 이미지이다. 도 4의 (a)를 참조하면, HOPG의 표면이 거칠어지고, 울퉁불퉁한 모양이 표면의 전체로 형성되어 있는 것을 알 수 있다. NH3-플라즈마-전처리된 HOPG의 표면 거칠기는 레드 사각형안의 1.44 Å이며, 대조군인 프레쉬한 HOPG의 기저면(basal plane)은 AFM 기기에서 0.74 Å의 거칠기를 나타내었다. 4 (a) is an AFM image showing the HOPG surface immediately after exposure to NH 3 plasma for 5 minutes. Referring to FIG. 4 (a), it can be seen that the surface of the HOPG is rough and the rugged shape is formed entirely of the surface. The surface roughness of the NH 3 - plasma - pretreated HOPG was 1.44 Å in the red square, and the basal plane of the fresh HOPG as a control group showed a roughness of 0.74 Å in the AFM apparatus.

도 4의 (b)와 (c)의 XPS 스펙트럼에 따르면, C 1s와 N 1s 영역은 흑연의 N, 아민, 피리딘 N 및 이민(imine)과 같은 표면 질소 화학 종이 NH3 플라즈마에 의해 HOPG 표면에 통합되었음을 보여준다. 그러므로, NH3 플라즈마에 의해 도입된 표면 질소 종은 열적 ALD 또는 PE-ALD 동안 Ni의 증착을 위한 핵 생성 사이트로서 작용할 수 있다. 이미드(imide) 및 아미드와 같은 산화된 기능성은 실험하는 동안에 발생하는 공기 오염으로부터 기인할 수 있음을 유의해야 한다.According to the XPS spectra of FIGS. 4 (b) and 4 (c), the C 1s and N 1s regions are formed by NH 3 plasma of surface nitrogen species such as N, amine, pyridine N and imine of graphite on the HOPG surface Integration. Therefore, surface nitrogen species introduced by NH 3 plasma can act as nucleation sites for the deposition of Ni during thermal ALD or PE-ALD. It should be noted that oxidized functionality, such as imide and amide, may result from air contamination that occurs during the experiment.

도 4의 (d)는 표면 질소 종의 유무에 관계 없이 흑연 표면의 초기 핵 형성 동안 Ni 전구체의 DFT 계산 흡착 에너지(Eads)를 보여준다. 동일한 유형의 흡착물의 형성이 Eads의 관점에서 초기 표면 또는 흑연 N보다 아미노 - 기능화된 표면에서 일관되게 선호되는 것이 관찰되었다. 아미노기가 제공하는 이러한 안정화는 아마도 니켈 흡착물에 수소 결합을 주고받는 아미노기의 능력 때문인 것이다. 기저면(basal plane)과 아미노 기능화된 표면 사이의 에너지 차이는 두 리간드의 제거로 11.6 내지 13.2 kcal mol-1 만큼 커진다. 300 ℃의 ALD 공정 온도에서, Eads의 이러한 차이는 기저면의 위치보다는 오히려 아미노 결함의 점유 가능성이 4 배 이상으로 커질 수 있다. 반면에, 표면에 수소 결합 복합체가 형성되면 NH3의 해리 흡착에 대한 활성화 장벽이 현저하게 낮아지고, 따라서 아미노 작용기가 NH3의 해리 흡착에 비해 증착 반응의 속도를 가속시킬 수 있다. 따라서 NH3 플라즈마에 의해서 흑연 표면에 아미노 결함을 도입하면 ALD Ni의 핵 형성을 향상시킬 수 있다.
Figure 4 (d) shows the DFT calculated adsorption energies (Eads) of the Ni precursor during the initial nucleation of the graphite surface, with or without surface nitrogen species. It has been observed that the formation of the same type of adsorbate is consistently preferred on the initial surface or on amino-functionalized surfaces than graphite N in the Eads's view. This stabilization provided by the amino group is probably due to the ability of the amino group to transfer hydrogen bonds to the nickel adsorbate. The difference in energy between the basal plane and the amino-functionalized surface is as large as 11.6 to 13.2 kcal mol -1 due to the elimination of both ligands. At an ALD process temperature of 300 ° C, this difference in Eads may be greater than four times the likelihood of occupation of the amino defects rather than the location of the basal plane. On the other hand, if a hydrogen bonding complex is formed on the surface, the activation barrier for NH 3 dissociation adsorption is significantly lowered, and thus the amino functional group can accelerate the deposition reaction rate compared to NH 3 dissociation adsorption. Therefore, introduction of amino defects on the graphite surface by NH 3 plasma can improve nucleation of ALD Ni.

따라서, 가스 및 플라즈마 상태의 NH3를 카운터 반응물로 사용하여 HOPG상의 ALD Ni를 형성한 결과, NH3 가스를 이용하는 열적 ALD에서 Ni는 HOPG의 스텝 엣지에서 우선적으로 핵을 형성하여 스텝 엣지를 따라 나노와이어를 형성한다. 또한, Ni 나노와이어는 ALD 사이클 횟수에 따라 두 개의 다른 측면 성장 속도로 성장하는 반면, 수직 성장 속도는 일정하며 SiO2상의 Ni 박막 성장 속도와 비슷하다. 이러한 두 단계는 초기 성장 영역에서 스텝 엣지를 따라 형성된 Ni 핵의 유착 및 결정립 조대화와 기존 나노와이어의 선택적 핵 형성에 의해 설명된다. Therefore, as a result of forming ALD Ni on HOPG using NH 3 in gas and plasma state as a counteractant, in thermal ALD using NH 3 gas, Ni preferentially nucleates at the step edge of HOPG, Thereby forming a wire. In addition, the Ni nanowires grow at two different lateral growth rates depending on the number of ALD cycles, while the vertical growth rate is constant and is similar to the growth rate of Ni film on SiO 2 . These two steps are explained by the coalescence and grain coarsening of Ni nuclei formed along the step edge in the initial growth region and the selective nucleation of existing nanowires.

게다가, XPS 결과에 기초하여 HOPG의 NH3 가스 노출이 표면 특성을 크게 변화시키지 않는 것으로 밝혀졌다. 한편, PE-ALD 공정을 도입하거나 NH3 플라즈마로 HOPG를 전처리함으로써 HOPG 전면에 Ni를 증착시킬 수 있다. 뿐만 아니라, HOPG 표면 전체에 질소 종의 생성은 XPS 분석에 의해 확인하였다. DFT 결과는 플라즈마 처리된 HOPG의 표면 질소 종이 흡착 상태를 안정화시킴으로써, Ni 전구체의 화학 흡착을 향상시킬 수 있음을 입증했다. 이러한 결과는 탄소 표면에 금속 ALD의 초기 성장 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하고 다양한 응용 분야에 ALD Ni의 확장시킬 수 있음을 보여주는 결과이다.
In addition, it has been found that NH 3 gas exposure of HOPG does not significantly change surface properties based on XPS results. On the other hand, Ni can be deposited on the entire HOPG by introducing a PE-ALD process or pretreating HOPG with NH 3 plasma. In addition, the generation of nitrogen species on the entire HOPG surface was confirmed by XPS analysis. The DFT results have shown that by stabilizing the adsorbed state of the surface nitrogen species of the plasma treated HOPG, it is possible to improve the chemisorption of the Ni precursor. These results provide insight into the initial growth mechanism of metal ALD on the carbon surface and show that ALD Ni can be extended for various applications.

Claims (11)

원자층 증착법을 이용하여 탄소 소재의 표면에 니켈을 증착시키는 단계를 포함하는 나노 소재의 제조방법으로서,
(a) 탄소 소재 표면에 니켈 전구체를 투입하여 흡착시키는 노출 단계;
(b) 상기 흡착되지 않은 니켈 전구체를 제거하는 퍼징 단계;
(c) 상기 니켈 전구체가 흡착된 탄소 소재를 반응물과 반응시키는 단계; 및
(d) 상기 반응이 완료된 후 잔존하는 미반응물을 제거하는 최종 퍼징 단계;를 포함하며,
상기 반응물은 NH3 가스 또는 NH3 플라즈마인 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
A method of manufacturing a nano material comprising depositing nickel on the surface of a carbon material by atomic layer deposition,
(a) an exposure step of adsorbing a nickel precursor on a surface of a carbon material to adsorb it;
(b) purging the unadsorbed nickel precursor;
(c) reacting the nickel precursor adsorbed carbon material with the reactants; And
(d) a final purging step of removing remaining unreacted material after completion of the reaction,
Wherein the reactant is NH 3 gas or NH 3 plasma.
제1항에 있어서,
상기 NH3 가스는 50 내지 100 ℃의 온도에서 100 내지 400 sccm의 유량으로 5 내지 10초 동안 주입하는 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the NH 3 gas is injected at a temperature of 50 to 100 ° C at a flow rate of 100 to 400 sccm for 5 to 10 seconds.
제1항에 있어서,
상기 NH3 플라즈마는 100 내지 400 W의 전력을 가하여 5 내지 10초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the NH 3 plasma is performed by applying a power of 100 to 400 W for 5 to 10 seconds.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는 니켈 전구체를 투입하기 전에 탄소 소재를 반응물로 전처리하는 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (a) comprises pretreating the carbon material with a reactant prior to the introduction of the nickel precursor.
제1항에 있어서,
상기 탄소 소재의 표면에 증착된 니켈은 나노와이어 또는 나노 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the nickel deposited on the surface of the carbon material is formed of a nanowire or a nanofilm.
제5항에 있어서,
상기 나노와이어는 탄소 소재 표면의 스텝 엣지를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the nanowire is formed along a step edge of a surface of a carbon material.
제1항에 있어서,
상기 제조방법은 상기 (a) 내지 (d) 단계로 이루어진 사이클이 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cycle consisting of the steps (a) to (d) is repeatedly performed.
제7항에 있어서,
상기 사이클의 횟수가 증가할수록 탄소 표면에 증착된 니켈은 나노와이어의 길이가 길어지거나, 또는 나노 필름의 두께가 증가하는 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the nanowires deposited on the carbon surface have a longer length or a greater thickness of the nanofilm as the number of cycles increases.
제1항에 있어서,
상기 탄소 소재는 흑연이고,
상기 니켈 전구체는 Nickel(1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate)2인 것을 특징으로 하는 나노 소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
The carbon material is graphite,
Wherein the nickel precursor is nickel (1-dimethylamino-2-methyl-2-butanolate) 2 .
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 제조된 나노 소재를 포함하는 촉매.
A catalyst comprising a nanomaterial produced according to any one of claims 1 to 9.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 제조된 나노 소재를 포함하는 전극.
An electrode comprising a nanomaterial produced according to any one of claims 1 to 9.
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