[논문]Skull melting법에 의해 성장된 rutile 단결정 분석

석정원; 최종건

Skull melting법에 의해 성장된 rutile 단결정 분석
Analysis of rutile single crystals grown by skull melting method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.16 no.5, 2006년, pp.181 - 188

초록
AI-Helper

스컬용융법에 의해 성장시킨 rutile단결정을 성장 축과 수평 또는 수직으로 절단한 후 ${\phi}5.5mmx1.0mm$ 크기의 웨이퍼로 양면연마 하였다. 연마한 흑색 웨이퍼들은 $1200^{\circ}C$에서 $3{\sim}15$시간, $1300^{\circ}C$에서 $10{\sim}50$시간 annealing을 행함에 의해 옅은 황색으로 변화되었다. Annealing 후 구조적 및 광학적 특성은 비중, SEM-EBSP, XRD, FT-IR, laser Raman, PL 그리고 XPS 등으로 분석하였고, 이들 결과들은 공기중의 무게 증가, 수중의 무게 및 비중의 감소,침상의 2차상, 산소이온 확산 및 $Ti^{3+}$ 이온이 감소되는 것으로 분석되었다. 이는 스컬용융법에 의해 성장된 rutile 단결정에 $O_v,\;Ti^{3+},\;O_v-Ti^{3+}$ interstitial 그리고 $F^+-H^+$와 같은 결함의 존재를 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Rutile single crystals grown by skull melting method were cut parallel and perpendicular to growth axis, and both sides of the cut wafers (${\phi}5.5mmx1.0mm$) were then polished to be mirror surfaces. The black wafers were changed into pale yellow color by annealing in air at 1200 and $1300^{\circ}C$ for $3{\sim}15\;and\;10{\sim}50$ hours, respectively. After annealing, structural and optical properties were examined by specific gravity (S.G), SEM-electron backscattered pattern (SEM-EBSP), X-ray diffraction (XRD), FT-IR transmittance spectra, laser Raman spectroscopy (LRS), photoluminescence (PL) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). These results are analyzed increase of weight in air, decrease of weight in water and specific gravity, shown secondary phase of needle shape, diffusion of oxygen ion and increase of $Ti^{3+}$. From the above results, we suggest that the skull melting method grown rutile single crystals contain defect centers such as $O_v,\;Ti^{3+},\;O_v-Ti^{3+}$ interstitials and $F^+-H^+$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 skull melting 법으로 성장시킨 rutile 단결정을[6] air 분위기의 전기로 내에서 서로 다른 시간과 온도 조건하에 annealing하여 비중측정, SEM-EBSP, XRD, FT-IR, Raman spectroscopy, PL, XPS 등의 분석을 통해 기존 rutile의 결함에 대한 검증과 skull melting법으로 성장시킨 rutile 단결정 특성을 분석하고자 하였다.
4와 같이 분석하였다. 이는 소결체의 임의의 면을 SEM-EBSP를 통해 inverse pole figure로 나타낼 때 입자(grain)들의 방위 분석이 가능한 원리를 응용해 단결정의 성장방위를 분석하고자 하였다. Annealing하기 전(Fig.

제안 방법

Rutile 단결정의 점결함에 관련된 분석을 위해 He-Cd laser(325 nm)를 이용해 300~700 nm 영 역에서 Fig. 12 및 13과 같이 emission 특성을 측정하였으며, 이들 두 데이터는 거의 유사한 패턴을 보였다. 422 nm(2.
Skull melting법으로 성장시킨 rutile ingot에서 단결정을 분리하여 wafer 형태로 가공하였다. wafeit 결정성장 방향과 수직방향 및 수평방향으로 절단하여 diamond disk판을 이용해 #180, #600, #1500순으로 3차 연마까지 행한 후 5만 mesh의 diamond 분말을 혼합하여 제작한 마광제를 사용하여 polishing하였으며, 크기는 직경 5.
XPS를 이용해 Fig. 1 sample들의 Ti 2p, O ls 오비탈(orbital) binding energy를 측정하였다. Fig.
이는 annealing 시간에 따른 산소이온 확산증가에 따른 O-O에 의한 진동이 증가했기 때문이라 사료된다. 산소이온의 확산은 O_v의 존재를 추론할 수 있으며 이는 PL 측정을 통해 확인하였다.
5 mm, 두께 LOmm이다. 연마된 wafer들은 1300°C에서 3~15시간 및 1200℃에서 10~50 시간 annealing 하여 중량 및 비중 변화, SEM(scanning electron microscope)- EBSP(electron back-scattered pattern, JSM-6330F, Japan) 법을 이용한 성장방위분석, XRD(D/Max-2400, Rigaku, Japan) 측정을 통한 결정성 검사 및 Ti₂O₃, Ti₃O₅, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇의 변화양상, FT-IR spectrophotometer (DA-8, Bomen, America) 측정을 ₆Ti³⁺-OH,₄Ti⁴⁺-OH 의 변화양상 비교분석, laser Raman spectrophotometer (Invia ram an spectrophotometer, Renishaw, England) 측정을 통한 E_g 및 A_lg vibration mode 변화 및 oxygen 이온의 확산여부, PL 측정을 통한 oxygen vacancy에 self-trap된 exciton 및 그에 따른 Franck-Condon 효과에 의한 emission 특성, XPS(MS 257, Oriel, America) 분석을 통한 O ls, Ti 2p orbital 에너지 분석 및 Ti⁴⁺ 및 Ti³⁺의 변화량 등을 분석하였다.
이는 사용원료의 순도(3N) 및 성장방법을 고려할 때 다른 불순물에 의해 기인한 것이 아니라 annealing] 따른 산소확산에 의해 TiO₂(rutile phase)이외의 결정상이 형성된 것이라 사료된다. 즉 침상들의 형성은 Ti⁴⁺에의한 것이 아니라 Ti³⁺에 의해 형성된 것이라 사료되며, 이들의 확인을 위해 XRD를 측정하였다.
추가적인 물리 광학적 특성평가를 위해 광학현미경, XRD, FT-IR, Raman, PL, XPS 등의 기기분석을 행하였다. 광학현미경을 통한 관찰 결과 100㎛ 내외의 침상들이 형성되어 있었으며, 이는 불순물에 의한 것이 아니라 산소이온 확산에 의해 자체적으로 형성된 것으로써 Ti³⁺에 기인한 것이라 사료되어 XRD 분석을 행한 결과 TiO₂ 이외에 Ti₂O₃, Ti₃O₅, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅,Ti₉O₁₇에 의한 peak를 확인할 수 있었다.

대상 데이터

분리하여 wafer 형태로 가공하였다. wafeit 결정성장 방향과 수직방향 및 수평방향으로 절단하여 diamond disk판을 이용해 #180, #600, #1500순으로 3차 연마까지 행한 후 5만 mesh의 diamond 분말을 혼합하여 제작한 마광제를 사용하여 polishing하였으며, 크기는 직경 5.5 mm, 두께 LOmm이다. 연마된 wafer들은 1300°C에서 3~15시간 및 1200℃에서 10~50 시간 annealing 하여 중량 및 비중 변화, SEM(scanning electron microscope)- EBSP(electron back-scattered pattern, JSM-6330F, Japan) 법을 이용한 성장방위분석, XRD(D/Max-2400, Rigaku, Japan) 측정을 통한 결정성 검사 및 Ti₂O₃, Ti₃O₅, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇의 변화양상, FT-IR spectrophotometer (DA-8, Bomen, America) 측정을 ₆Ti³⁺-OH,₄Ti⁴⁺-OH 의 변화양상 비교분석, laser Raman spectrophotometer (Invia ram an spectrophotometer, Renishaw, England) 측정을 통한 E_g 및 A_lg vibration mode 변화 및 oxygen 이온의 확산여부, PL 측정을 통한 oxygen vacancy에 self-trap된 exciton 및 그에 따른 Franck-Condon 효과에 의한 emission 특성, XPS(MS 257, Oriel, America) 분석을 통한 O ls, Ti 2p orbital 에너지 분석 및 Ti⁴⁺ 및 Ti³⁺의 변화량 등을 분석하였다.

데이터처리

투명으로의 변화가 있었다. 단결정의 성장방위는 SEM-EBSP를 이용해 inverse pole figure 분석으로 (001)면임을 알았다. 비중은 정수법을 이용하여 측정하였다.
성장방위 측정을 위해 성장방향으로 연마한 Fig. 1의 sample들을 SEM-EBSP를 통해 Fig. 4와 같이 분석하였다. 이는 소결체의 임의의 면을 SEM-EBSP를 통해 inverse pole figure로 나타낼 때 입자(grain)들의 방위 분석이 가능한 원리를 응용해 단결정의 성장방위를 분석하고자 하였다.

이론/모형

단결정의 성장방위는 SEM-EBSP를 이용해 inverse pole figure 분석으로 (001)면임을 알았다. 비중은 정수법을 이용하여 측정하였다. 대기 중의 무게는 annealing 후 증가, 수중의 무게는 감소를 보였으며 이는 산소이온의 확산에 의한 것이라 사료된다.

성능/효과

6시간 동안 annealing한 Fig. 1(c) sample은 (b) sample에 비해 청색영역이 감소되었으며 황색영역이 증가함을 보였다. 9시간 동안 annealing한 Fig.
11(c)), C 축과 평행한 (001) 방향에서 2개의 산소이온의 진동과 관련된 E_g(Fig. 11(b)) 진동모드 peak 패턴은 annealing하기 전의 비화학양론적 조성을 갖는 rutile 단결정에서 O_v, 때문에 나타나지 않거나 미약하게 나타났으나 annealing 시간에 따른 산소이온 확산량의 증가에 따라 O-O에 의한 진동이 증가하여 이들의 진동모드에 의해 흡수패턴이 증가하게 되었을 것이라 사료된다.
Annealing 하기전의 sample은 JCPDS 데이터와 비교했을 때 전형적인 합성 rutile(TiO₂)과 Ti³⁺에 의한 미약한 peak를 볼 수 있었으며, 10시간 annealing한 sample에서부터 Ti₂O₃, Ti₃O₅, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅, Ti₉O₁₇에 의한 peak 가 현저히 나타나거나 intensity/} 증가함을 보였다. 즉 Ti³⁺ 에 의한 결합이 증가함을 보였다.
Annealing 후 모든 sample에서 A_1g, Eg 진동모드, 그리고 multi-phonon process 관련된 peak들의 intensity가 증가되었다. 특히 (001)면은 Fig.
Skull melting법으로 성장시킨 ruitle 단결정들을 서로 다른 조건에서 annealing한 결과 온도가 높아지거나 시간이 길어질수록 흑색 불투명에서 청색의 투명, 그리고 황색의 투명으로의 변화가 있었다. 단결정의 성장방위는 SEM-EBSP를 이용해 inverse pole figure 분석으로 (001)면임을 알았다.
광학현미경을 통한 관찰 결과 100㎛ 내외의 침상들이 형성되어 있었으며, 이는 불순물에 의한 것이 아니라 산소이온 확산에 의해 자체적으로 형성된 것으로써 Ti³⁺에 기인한 것이라 사료되어 XRD 분석을 행한 결과 TiO₂ 이외에 Ti₂O₃, Ti₃O₅, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅,Ti₉O₁₇에 의한 peak를 확인할 수 있었다. 즉 annealing 후 Ti interstitial site에 있던 Ti 이온이 전형적인 octahedral site의 Ti_v 자리를 채움으로써 Ti³⁺-O_v의 결합이 증가되었으며, 이는 확대검사에서 관찰된 침상의 형태로 형성되었을 것이라사료된다.
이들의 변화 패턴들은 1200℃에서 10~50시간 annealing한 wafer들에서도 유사한 양상을 보였다. 변화의 정도는 annealing 온도가 높을수록, 시간이 길어질수록 황색으로 더 많이 변화되는 양상을 보였다.
즉 annealing 후 Ti interstitial site에 있던 Ti 이온이 전형적인 octahedral site의 Ti_v 자리를 채움으로써 Ti³⁺-O_v의 결합이 증가되었으며, 이는 확대검사에서 관찰된 침상의 형태로 형성되었을 것이라사료된다. 산소이온의 확산 증거는 Raman 측정을 통해 분석하였으며 annealing 시간이 길어질수록 (001)면은 E_g, (001)면과 수직인 면은 A_lg 진동모드의 intensity가 증가하였다. 이는 annealing 시간에 따른 산소이온 확산증가에 따른 O-O에 의한 진동이 증가했기 때문이라 사료된다.
이상과 같은 실험결과를 통해 알 수 있는 것은 rutile 단결정에는 Ti_v, O_v, H⁺, Ti interstitial 등이 존재하며, 이들은 octahedral site에 있는 Ti³⁺에 의한 O_v-Ti³⁺, O_v- Ti³ interstitial 그리고 F⁺-H⁺ 결함형태로 존재한다는 것이다.
광학현미경을 통한 관찰 결과 100㎛ 내외의 침상들이 형성되어 있었으며, 이는 불순물에 의한 것이 아니라 산소이온 확산에 의해 자체적으로 형성된 것으로써 Ti³⁺에 기인한 것이라 사료되어 XRD 분석을 행한 결과 TiO₂ 이외에 Ti₂O₃, Ti₃O₅, Ti₆O₁₁, Ti₈O₁₅,Ti₉O₁₇에 의한 peak를 확인할 수 있었다. 즉 annealing 후 Ti interstitial site에 있던 Ti 이온이 전형적인 octahedral site의 Ti_v 자리를 채움으로써 Ti³⁺-O_v의 결합이 증가되었으며, 이는 확대검사에서 관찰된 침상의 형태로 형성되었을 것이라사료된다. 산소이온의 확산 증거는 Raman 측정을 통해 분석하였으며 annealing 시간이 길어질수록 (001)면은 E_g, (001)면과 수직인 면은 A_lg 진동모드의 intensity가 증가하였다.
이를 통해 2가지 추론이 가능하다. 첫째, annealing하기 전 sample에서 Ti³⁺에 의한 peak가 나타난다는 것은 O_v의 존재를 의미하며, 둘째, 만약 비화학양론적 rutile단결정을 annealing할 때 산소 이온이 결정내부로 침투된다면 Ti³⁺에 의한 결합이 줄어들어야 하나 Ti³⁺에 의한 peak들이 annealing 한 후에 증가하거나 새로운 peak가 나타난 것으로 보아 Ti inter- stitial의 존재를 의미한다고 할 수 있다. 이는 annealing 에 의해 Ti interstitial site에 있던 Ti_v 이온이 전형적인 octahedral site의 Ti_v 자리를 채움으로써 Ti³⁺-O_v의 결합이 증가되었으며 광학현미경을 통해 내·외부를 촬영한 Fig.

참고문헌 (10)

M.A. Henderson, 'A surface perspective on self-diffusion in rutile $TiO_{2}$ ' , Surface Science 419 (1999) 174

상세보기
P. Kofstad, 'Thermogravimetric studies of the defect structure of rutile ( $TiO_{2}$ )', J. Physics and Chemistry of Solids 23(11) (1962) 1579

상세보기
J.F. Marucco, J. Gautron and P. Lemasson, 'Thermogravimetric and electrical study of non-stoichiometric titanium dioxide $TiO_{2-x}$ , between 800 and $1100^{\circ}C$ ', J. Physics and Chemistry of Solids 42(5) (1981) 363

상세보기
F. Millot, M.-G. Blanchin, R. Tetot, J.-F. Marucco, B. Poumellec, C. Picard and B. Touzelin, 'High temperature nonstoichiometric rutile $TiO_{2-x}$ ', Progress in Solid State Chemistry 17(4) (1987) 263

상세보기
TC. Lu, S.Y. Wu, L.B. Lin and W.C. Zheng, 'Defects in the reduced rutile single crystal', Physica B 304 (2001) 147

상세보기
J.W. Seok and J.K. Choi, 'A study on the growth mechanism of rutile single crystal by skull melting method and conditions of RF generator', J. Korean Crystal Growth & Crystal Technology 15(5) (2005) 175
T. Umebayashi, K. Asai, S. Yamamoto, A. Miyshita and M. Yoshikawa, 'Effects of hydrogen impurities on photoelectrochemical properties of $TiO_{2}$ ', Abs. 26, 204th Meeting (2003)
T.C. Lu, L.B. Lin, X.T Zu, S. Zhu and L.M. Wang, 'Influence of high-fluence neutron and/or proton irradiation on the optical properties and microstructure of rutile', Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 218 (2004) 113
P.M. Kumar, S. Badrinarayanan and M. Sastry, 'Nanocrystalline $TiO_{2}$ studied by optical, FTIR and X-ray photoelectron spectroscopy: correlation to presence of surface states', Thin Solid Films 358 (2000) 126
M.M. Rahman, K.M. Krishna, T Soga, T Jimbo and M. Umeno, 'Optical preoperties and X-ray photoelectron spectroscopic study of pure and Pb-doped $TiO_{2}$ thin films', J. Physics and Chemistry of Solids 60 (1999) 205

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증