$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

MPCVD를 이용하여 밀리미터 길이로 수직 정렬된 탄소나노튜브의 합성
Millimeter-Scale Aligned Carbon Nanotubes Synthesized by Oxygen-Assisted Microwave Plasma CVD 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.18 no.3, 2009년, pp.229 - 235  

김유석 (나노튜브 및 나노복합구조 연구센터, 성균나노과학기술원, BK21 물리연구단, 성균관대학교) ,  송우석 (나노튜브 및 나노복합구조 연구센터, 성균나노과학기술원, BK21 물리연구단, 성균관대학교) ,  이승엽 (나노튜브 및 나노복합구조 연구센터, 성균나노과학기술원, BK21 물리연구단, 성균관대학교) ,  최원철 (나노튜브 및 나노복합구조 연구센터, 성균나노과학기술원, BK21 물리연구단, 성균관대학교) ,  박종윤 (나노튜브 및 나노복합구조 연구센터, 성균나노과학기술원, BK21 물리연구단, 성균관대학교)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 연구에서는 철(Fe)을 촉매금속으로 사용하고 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법(microwave plasma CVD)을 이용하여 얇은 다중벽 탄소나노튜브를 합성하였다. 촉매금속으로 사용된 철은 직류 마그네트론 스퍼터를 사용하여 증착하였으며, 탄소나노튜브의 합성에는 플라즈마 공급원인 수소($H_2$), 탄소 공급원인 메탄($CH_4$)과 함께 미량의 산소($O_2$) 또는 아르곤(Ar)과 함께 물을 수증기의 형태로 사용하였다. 산소 또는 수증기의 추가에 따른 탄소나노튜브의 성장률의 변화를 주사전자현미경으로 조사하였으며, 결정구조투과전자 현미경을 통해 관찰하였다. 또한 라만 분광법을 이용하여 추가 주입 기체의 종류에 따른 탄소나노튜브의 결정성의 변화를 분석하였다. 실험결과, 산소를 추가로 주입하였을 때 성장률이 가장 컸고 결정성도 개선되는 것을 확인하였다. 최종적으로 150 분 동안 합성하여 기판 위에 2.7 mm 이상의 수직 정렬된 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin-multiwalled CNTs)를 합성할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Millimeter-scale aligned arrays of thin-multiwalled carbon nanotube (t-MWCNT) on layered Si substrates have been synthesized by oxygen-assisted microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD). We have succeeded in growth of vertically aligned MWCNTs up to 2.7 mm in height for 150 min. The effect ...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

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

제안 방법

  • 탄소나노튜브의 성장은 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 기구에 따르며, 이는 합성방법, 촉매금속의 증착 방법 및 버퍼층(buffer layer)의 특성 등에 따라 tip growth model과 bottom growth model로 구분 된다 [1,22]. O2를 주입하여 70 분 동안 합성된 시료의 성장 기구 특성을 EDS(energydispersive spectroscopy)를 통하여 분석하였다. 그 결과 Fig.
  • 탄소나노튜브의 합성에 사용된 기판의 제작 과정은 다음과 같다. n형 Si 웨이퍼(001) 위에 직류 마그네트론 스퍼터(DC magnetron sputter)를 이용하여 알루미늄(Al)을 수십 nm 두께로 증착 후, Al/Si(001) 기판을 대기 중에서 열적산화과정(thermal oxidation process, 650℃, 10 분)을 통해 산화알루미늄(Al2O3) 막을 형성시켰다. 촉매금속인 철(Fe) 역시 직류 마그네트론 스퍼터를 이용하여 3 nm 두께로 증착하였다.
  • 합성 과정에서 사용된 가스는 플라즈마 공급원으로써 수소(H2)와 탄소 공급원의 역할을 하는 메탄(CH4)를 각각 90, 10 sccm 사용하였다. 또한 앞서 언급한 산소(O2)의 효과를 알아보기 위해 합성 과정 중에 O2를 ~2.5 sccm 주입해 주었으며, 탄소나노튜브의 성장률을 향상시키는데 가장 효과적인 것으로 잘 알려진 물(H2O)을 아르곤(Ar) ~10 sccm과 함께 수증기 형태로 주입해 주어 두 경우를 비교하였다. 합성 중 진공도는 약 20 Torr, 기판의 온도는 700 ℃, 마이크로웨이브(2.
  • 본 연구에서는 단층벽 탄소나노튜브(singlewalled carbon nanotubes; SWCNTs)의 뛰어난 전기적 특성과 다중벽 탄소나노튜브(multiwalled carbon nanotubes; MWCNTs)의 열적, 전기적 안정성을 동시에 지닌 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin-multiwalled carbon nanotubes; t-MWCNTs)를 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법(microwave plasma chemical vapor deposition; MPCVD)을 이용하여 합성하였다. 본 실험에서 사용된 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법은 기존의 다른 화학기상증착법에 비해 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 장점을 가지며, 고출력(~600 W 이상)의 플라즈마를 사용하기 때문에 성장률(growth rate; 단위시간당 합성된 탄소나노튜브의 길이)이 높고 고밀도의 탄소나노튜브의 합성이 가능하다 [17].
  • 본 실험에서 사용된 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법은 기존의 다른 화학기상증착법에 비해 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 장점을 가지며, 고출력(~600 W 이상)의 플라즈마를 사용하기 때문에 성장률(growth rate; 단위시간당 합성된 탄소나노튜브의 길이)이 높고 고밀도의 탄소나노튜브의 합성이 가능하다 [17]. 우리는 우선 합성 시간에 따른 탄소나노튜브의 성장률을 연구하였고, 탄소나노튜브의 합성과정에서 미량의 산소를 주입함으로써, 산소가 탄소나노튜브의 합성에 미치는 효과를 여러 측정 방법을 이용하여 연구하였다.
  • 7 mm 이었으며, 비교적 수직으로 잘 정렬된 탄소나노튜브를 확인할 수 있었다. 이러한 결과들의 보다 자세한 분석을 위하여 라만 분광기와 투과전자현미경을 이용하여 합성된 탄소나노튜브의 결정성과 표면 특성을 관찰해 보았다.
  • 탄소나노튜브의 결정성을 알아보기 위해 라만 분광기(excitation wavelength : 632.8 nm)를 이용하여 각기 다른 3가지 방법으로 70 분간 합성한 탄소나노튜브를 비교해 보았다. 일반적으로 라만 분광기를 측정함으로서 탄소나노튜브의 종류, 직경, 전기적 특성(금속성 또는 반도체성) 및 그 결정성을 손쉽게 획인해 볼 수 있다.
  • 합성 시간에 따른 탄소나노튜브의 길이 변화를 확인하기 위해 우선 시간을 10 분~70 분 까지 20 분 간격으로 변화시키며 탄소나노튜브의 길이 변화를 관찰했다. Fig.
  • 45 GHz)의 출력은 800 W로 유지시켜주었다. 합성된 시료의 표면 특성은 주사전자 현미경(SEM, JEOL, JSM6700F)을 통하여 관찰하였고, 결정성의 변화는 라만 분광기(Renishaw, Invia Basic)와 투과전자현미경(TEM, JEOL, JEM2100F)을 통하여 분석하였다.

대상 데이터

  • 이렇게 준비된 기판에 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성시켰다. 합성 과정에서 사용된 가스는 플라즈마 공급원으로써 수소(H2)와 탄소 공급원의 역할을 하는 메탄(CH4)를 각각 90, 10 sccm 사용하였다. 또한 앞서 언급한 산소(O2)의 효과를 알아보기 위해 합성 과정 중에 O2를 ~2.

이론/모형

  • Si 기판위에 Al2O3와 촉매금속인 Fe를 증착한 후 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하였다. 합성과정 중 O2를 주입하였을 경우, 그렇지 않은 경우에 비하여 성장률이 증가하여 그 길이는 약 300% 이상 향상된 탄소나노튜브를 합성할 수 있었다.
  • 위의 구조에서 버퍼층(buffer layer)으로 사용된 Al2O3는 촉매금속인 Fe와 Si 사이의 반응으로 발생하는 철-실리사이드의 형성을 막을 뿐만 아니라 Fe 입자들의 뭉치는 현상을 방지하는 효과가 탁월하여 TiO2나 TiN을 버퍼층으로 사용하는 경우에 비하여 직경이 작은 탄소나노튜브를 합성하는데 도움을 준다고 보고된바 있다[18]. 이렇게 준비된 기판에 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성시켰다. 합성 과정에서 사용된 가스는 플라즈마 공급원으로써 수소(H2)와 탄소 공급원의 역할을 하는 메탄(CH4)를 각각 90, 10 sccm 사용하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소나노튜브의 특징은? 탄소나노튜브(carbon nanotubes; CNTs)는 강철 보다 10-100배 견고할 뿐만 아니라 영률과 탄성률은 각각 1.8 TPa, 1.3 TPa에 달하는 매우 우수한 역학적, 기계적 강도를 지니고 있다. 또한 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합하여 육각형의 형태를 이루고 있는 단일층 흑연판을 말아 놓은 구조를 갖는 탄소나노튜브는 축에 대해 감기는 형태(chirality)와 그 직경에 따라 도체 또는 반도체 특성을 나타낸다 [1]. 보통의 재료에서는 찾아보기 힘들게 탄소나노튜브는 직경이 나노 크기인 반면 길이는 수 μm에서 수 mm까지 길어 길이 대 직경의 비(aspect ratio)가 수만이 넘기 때문에 다른 물질보다 강한 전기장을 갖는 전계 방출 효과와 구리 이상의 전기전도도, 다이아몬드의 2배에 이르는 열전도도와 대기에서 750 ℃까지 안정한 열안정성으로 인하여 전계방출소자(field emitter) [2,3], 전기적 특성을 활용한 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistors; FET) [4], 박막 트랜지스터(thin-film transistor; TFT)[5], 논리게이트(logic gates) [5], 태양전지(solar cell)[6], 나노소자, 다양한 가스 검출을 위한 고감도 센서 [7], 물리적강도와 높은 전기전도도를 활용한 고분자-탄소나노튜브의 고기능 복합체 [8] 등 많은 분야에서 연구가 활발히 전개되고 있다.
탄소 나노튜브의 화학기상증착법으로의 제작의 문제점은? 합성 방법 중 성장 변수를 비교적 용이하게 조절, 변경하는 것이 가능한 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD)을 이용하여 수 mm의 탄소나노튜브를 합성한 연구 결과들이 발표되고 있다 [9,10]. 그러나 아직은 수직 성장인 경우에는 그 성장 속도가 매우 느릴 뿐만 아니라 합성 시간이 길어지면 도리어 성장 속도가 감소하는 경향을 보이고 있다. 최근에는 탄소나노튜브의 성장 속도를 증가시키기 위해서 합성 과정 중 탄화수소 이 외에 물, 알코올, 공기 등을 넣어주어 비정질 탄소의 흡착으로 인해 활성화된 촉매금속의 반응시간을 증가시키는 성장 방법에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다 [11-16].
탄소나노튜브의 열전도도 및 열안정성으로 인한 사용처는? 또한 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합하여 육각형의 형태를 이루고 있는 단일층 흑연판을 말아 놓은 구조를 갖는 탄소나노튜브는 축에 대해 감기는 형태(chirality)와 그 직경에 따라 도체 또는 반도체 특성을 나타낸다 [1]. 보통의 재료에서는 찾아보기 힘들게 탄소나노튜브는 직경이 나노 크기인 반면 길이는 수 μm에서 수 mm까지 길어 길이 대 직경의 비(aspect ratio)가 수만이 넘기 때문에 다른 물질보다 강한 전기장을 갖는 전계 방출 효과와 구리 이상의 전기전도도, 다이아몬드의 2배에 이르는 열전도도와 대기에서 750 ℃까지 안정한 열안정성으로 인하여 전계방출소자(field emitter) [2,3], 전기적 특성을 활용한 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistors; FET) [4], 박막 트랜지스터(thin-film transistor; TFT)[5], 논리게이트(logic gates) [5], 태양전지(solar cell)[6], 나노소자, 다양한 가스 검출을 위한 고감도 센서 [7], 물리적강도와 높은 전기전도도를 활용한 고분자-탄소나노튜브의 고기능 복합체 [8] 등 많은 분야에서 연구가 활발히 전개되고 있다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (23)

  1. R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, "Physical Properties of Carbon Nanotubes" Imperial College, London (1998). Dresselhaus, Phys. Rev. Lett. 86, 1118 (2001) 

  2. D. Ferrer, T. Tanii, I. Matsuys, G. Zhong, S. Okamoto, and H. Kawarada, Appl. Phys. Lett., 88, 033116 (2006) 

  3. Seung Youb Lee, Dong Heon Ryu, Jun Yong Hong, Min Hyeng Yeom, Ji Hoon Yang, Won Chel Choi, Myeng Hoi Kwon, and Chong-Yun Park, J. Korean. Vac. Soc., 16, 291 (2007) 

  4. Ali Javey, Jing Guom Qian Wang, Mark Lundstrom, and Hongjie Dai, Nature, 424, 654 (2003) 

  5. Qing Cao, Ming-Gang Xia, Moonsub Shim, and A. Rogers, Adv. Funct. Mater., 16, 2355 (2006) 

  6. Ji Ung Lee, Appl. Phys. Lett., 87, 073101 (2005) 

  7. J. Kong, N. R. Franklin, C. Zhou, M. G. Chapline, S. Peng, K. Cho, and H. Dai, Science, 287, 622 (2000) 

  8. J. S. Sakamoto and B. Dunn, J. Electrochem. Soc., 149, A26 (2002) 

  9. H. M. Christen, A. A. Puretzky, H. Cui, K. Belay, P. H. Fleming, D. B. Geohegan, and D. H. Lowndes, Nano Lett., 4, 1939 (2004) 

  10. Gyula Eres, A. A. Puretzky, D. B. Geohegan, and H. Cui, Appl. Phys. Lett., 84, 1759 (2004) 

  11. Kenji Hata, Don N. Futaba, Kohei Mizuno, Tatsunori Namai, Motoo Yumura, and Sumio Iijima, Science, 306, 1362 (2004) 

  12. Don N. Futaba, Kenji Hata, Takeo Yamada, Kohei Mizuno, Motoo Yumura, and Sumio Iijima, Phys. Rev. Lett., 95, 056104 (2005) 

  13. Byung Hee Hong, Ju Young Lee, Tobias Beetz, Yimei Zhu, Philip Kim, and Kwang S. Kim, J. Am. Chem. Soc., 127, 15336 (2005) 

  14. Guangyu Zhang, David Mann, Li Zhang, Ali Javey, Yiming Li, Erhan Yenilmez, Qian Wang, James P. McVittie, Yoshio Nishi, James Gibbons, and Hongjie Dai, Proc. Natl Acad. Sci., 102, 16141 (2005) 

  15. Anastasios John Hart and Alexander H. Slocum, J. Phys. Chem. B., 110 8250 (2006) 

  16. YeoHeung Yun, Vesselin Shanov, Yi Tu, Srinivas Subramaniam, and Mark J. Schulz, J. Phys. Chem. B., 110, 23920 (2006) 

  17. Guofang Zhong, Takayuki Iwasaki, John Robertson, and Hiroshi Kawarada, J. Phys. Chem. B., 111, 1907 (2007) 

  18. Teresa de los Arcos, Michael Gunnar Garnier, Jin Won Seo, Peter Oelhafen, Verena Thommen, and Daniel Mathys, J. Phys. Chem. B., 108, 7728 (2004) 

  19. A. Jorio, R. Saito, J. H. Hafner, C. M. Lieber, M. Hunter, T. McClure, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. Lett., 86, 1118 (2001) 

  20. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and A. Jorio, J. Phys. Chem. C., 111, 17887 (2007) 

  21. W. Song, W. C. Choi, C. Jeon, D. H. Ryu, S. Y. Lee, Y. S. Shin, and C.-Y. Park, J. Korean. Vac. Soc., 16, 377 (2007) 

  22. R. S. Wagner and W. C. Ellis, Appl. Phys. Letts., 4, 8 (1964) 

  23. YeoHeung Yun, Vesselin Shanov, Yi Tu, and Srinivas Subramaniam, and Mark J. Schulz, J. Phys. Chem. B., 110, 23920 (2006) 

저자의 다른 논문 :

LOADING...

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로