[논문]광 결정의 나노 구조를 갖는 Rugate 다공성 실리콘의 반치폭 값에 대한 특성 분석

권용희

광 결정의 나노 구조를 갖는 Rugate 다공성 실리콘의 반치폭 값에 대한 특성 분석
Characteristic Analysis of Band Width Based on Rugate Porous Silicon Containing Photonic Nanocrystal 원문보기

Photonic crystals containing multiple rugate structure are prepared by electrochemical etchings. Typically etched rugate PSi prepared in this study. Etching is carried out in a Teflon cell by using a two-electrode configuration with a Pt mesh counter electrode. They exhibit sharp photonic band gaps in the optical reflectivity spectrum. This reflectivity can be tuned to appear anywhere in the visible to near-infrared spectral range, depending on the programmed etch waveform. We study the method of full width half maxima and reflectivity index control by using amplitude.

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문제 정의

우리는 여기서 다층 다공성 실리콘인 rugate 다공성 실리콘에 대해 연구해 보고자한다.^[14] 식각 과정 중 sine 파형의 진폭 값을 조절함으로써 rugate 다공성 실리콘의 반사 세기(intensity)나 반치폭값이 어떠한 변화를 보이는지에 대해 연구할 것이다.

제안 방법

식각된 rugate 다공성 실리콘 샘플들의 광학적 특징을 관찰하기 위하여 optical microscope가 장착된 Ocean Optics USB-2000 CCD spectrometer를 사용하여 관찰하였다. 각각의 샘플들의 식각 깊이를 측정하기 위해 cold field emission scanning electron microscope(FE-SEM, S-4700, Hitachi)에 의해서 측정하였다.
식각된 rugate 다공성 실리콘 샘플들의 광학적 특징을 관찰하기 위하여 optical microscope가 장착된 Ocean Optics USB-2000 CCD spectrometer를 사용하여 관찰하였다. 각각의 샘플들의 식각 깊이를 측정하기 위해 cold field emission scanning electron microscope(FE-SEM, S-4700, Hitachi)에 의해서 측정하였다.
식각된 rugate 다공성 실리콘은 광 결정의 나노 구조를 가지고 있으며, 매우 좁은 반치 폭의 반사스펙트럼을 나타내고 있다. 우리는 이번 실험을 통해 rugate 다공성 실리콘 제작 시 흘려주는 전류의 진폭 값을 조절함으로써, 스펙트럼의 특성변화에 대해 알아보았다. 전폭 값이 증가되면 rugate 다공성 실리콘의 반치 폭 값이 증가하면서 스펙트럼의 파장이 단파장 쪽으로 이동하였다.
부식용매로는 HF 용액 (48% by weight: Fisher Scientific)과 에탄올(Fisher Scientific)을 사용하였으며 HF : EtOH = 3 : 1 의 부피비를 갖도록 준비하였다. 전기화학적 부식은 두개의 전극을 사용하여 Teflon cell안에서 수행하였다. 다층의 식각환경을 만들어주기 위해 흘려준 전류는 주기적으로 변하는 서로 다른 다공성(porosity)을 생성하기 위해 sine 파형의 전류를 흘려주었다.
최초의 sine 파형의 전류밀도는 60 mA/cm²를 이용하였으며, 4번의 서로 다른 진폭값 (10 mA/cm², 20 mA/cm², 30 mA/cm² 그리고 40 mA/cm²)을 통하여 각각의 반사 스펙트럼을 분석하였다.

대상 데이터

0012 Ω)를 Potentiostat/ Galvanostat 363모델 (EG & E Instrument)을 이용하여 전류를 흘려주어 전기 화학적 부식을 하게 되면 rugate 다공성 실리콘을 합성할 수 있다. 부식용매로는 HF 용액 (48% by weight: Fisher Scientific)과 에탄올(Fisher Scientific)을 사용하였으며 HF : EtOH = 3 : 1 의 부피비를 갖도록 준비하였다. 전기화학적 부식은 두개의 전극을 사용하여 Teflon cell안에서 수행하였다.
는 식각시간, 그리고 B는 센터전류 값을 나타내며 각각의 값을 통하여 모조의 sine 파형을 이용한 rugate 다공성 실리콘을 제작하기 위해 이용되었다. 실험에 사용된 진동수의 값은 0.34 Hz이고, 센터전류 값은 60 mA/cm², 그리고 식각시간은 1000 s이다. Fig.

데이터처리

다층의 식각환경을 만들어주기 위해 흘려준 전류는 주기적으로 변하는 서로 다른 다공성(porosity)을 생성하기 위해 sine 파형의 전류를 흘려주었다. 다층의 전류를 흘려주기 위해 modulated Sinusoidal Function을 간단히 구현하기위해서 가상의 sine 파형 프로그램인 Matlab 7.0을 이용하여 다층의 식각환경을 조성하였다. (Fig.

성능/효과

또한 진폭 값이 커질수록 파장의 세기도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 rugate 다공성 실리콘의 반치 폭의 경우 12 nm(10 mA/cm²), 18 nm(20 mA/cm²), 24 nm (30 mA/cm²) 그리고 30 nm(10mA/cm²)로 측정되었으며, 진폭 값의 값이 커질수록 반사스펙트럼의 반치폭의 값은 증가하는 것으로 확인되었다.
)에서 특정 파장의 빛을 반사하는 반사스펙트럼을 보여주었으며, 진폭 값의 값이 커질수록 반사스펙트럼은 단파장 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 진폭 값이 커질수록 파장의 세기도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 rugate 다공성 실리콘의 반치 폭의 경우 12 nm(10 mA/cm²), 18 nm(20 mA/cm²), 24 nm (30 mA/cm²) 그리고 30 nm(10mA/cm²)로 측정되었으며, 진폭 값의 값이 커질수록 반사스펙트럼의 반치폭의 값은 증가하는 것으로 확인되었다.
전폭 값이 증가되면 rugate 다공성 실리콘의 반치 폭 값이 증가하면서 스펙트럼의 파장이 단파장 쪽으로 이동하였다. 또한, 진폭 값이 커짐에 따라 반사파장의 세기도 증가됨을 확인했다.
제작된 각각의 rugate 다공성 실리콘은 560 nm (10 mA/cm²), 552 nm(20 mA/cm²), 544 nm(30 mA/cm²) 그리고 536 nm (10 mA/cm²)에서 특정 파장의 빛을 반사하는 반사스펙트럼을 보여주었으며, 진폭 값의 값이 커질수록 반사스펙트럼은 단파장 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 진폭 값이 커질수록 파장의 세기도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
제한된 가시광선영역 내에서 더 많은 경우의 수를 만들기 위해서는 반치 폭 값이 작을수록 유리하기 때문에, rugate 다공성 실리콘의 제조 과정에서 최대한 작은 진폭을 사용하면 반치 폭 값을 줄이는데 도움을 주므로 다공성 실리콘을 이용한 응용분야에서 더 효율적임을 확인하였다. 하지만 너무 작은 진폭으로 실험하였을 경우 반사 스펙트럼의 세기가 너무 낮아지고 스펙트럼 자체를 확인 할 수 없는 상황이 되므로 주의하 여야 할 것이다.

후속연구

[14] 식각 과정 중 sine 파형의 진폭 값을 조절함으로써 rugate 다공성 실리콘의 반사 세기(intensity)나 반치폭값이 어떠한 변화를 보이는지에 대해 연구할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

다공성 실리콘은 어디에 이용되고 있는가?

[1,2] 다공성 실리콘은 실리콘 나노구조로 이루어져 높은 표면적을 가지고 있으며, 나노크기의 기공과 나노미터 스케일의 광 발광성과 광 반사성이라는 독특한 광학적 특성을 갖는 재료이다.[3-6] 다공성 실리콘은 현제 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이러한 광학적 특성들을 이용하여 switching devices, implantable biomaterials, drug delivery, 그리고 high-throughput screening applications 등과 같은 화학적, 생물학적 센서로 이용하고 있다.[7-10] 다공성 실리콘은 높은 표면적을 갖는 실리콘 나노구조의 3차원 네트워크로 탐지하고자 하는 물질과 상호작용으로 프린지 패턴의 변화와 발광성의 소광을 관찰하여 분석물질을 쉽게 탐지할 수 있다.

다공성 실리콘이란?

1990년대 다공성 실리콘의 효율적인 발광성을 발견한 이래로, 이 분야는 화학, 물리학적으로 매우 광범위하게 응용되고 있다.[1,2] 다공성 실리콘은 실리콘 나노구조로 이루어져 높은 표면적을 가지고 있으며, 나노크기의 기공과 나노미터 스케일의 광 발광성과 광 반사성이라는 독특한 광학적 특성을 갖는 재료이다.[3-6] 다공성 실리콘은 현제 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이러한 광학적 특성들을 이용하여 switching devices, implantable biomaterials, drug delivery, 그리고 high-throughput screening applications 등과 같은 화학적, 생물학적 센서로 이용하고 있다.

본 논문에서 알 수 있는 rugate 다공성 실리콘 제작 시 흘려주는 전류의 진폭 값을 조절에 의한 스펙트럼의 특성변화는?

우리는 이번 실험을 통해 rugate 다공성 실리콘 제작 시 흘려주는 전류의 진폭 값을 조절함으로써, 스펙트럼의 특성변화에 대해 알아보았다. 전폭 값이 증가되면 rugate 다공성 실리콘의 반치 폭 값이 증가하면서 스펙트럼의 파장이 단파장 쪽으로 이동하였다. 또한, 진폭 값이 커짐에 따라 반사파장의 세기도 증가됨을 확인했다.

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