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고성능 리튬이온 전지를 위한 저마늄 나노입자의 가스상 레이저 광분해 대량 합성법 개발
High-Yield Gas-Phase Laser Photolysis Synthesis of Germanium Nanocrystals for High-Performance Lithium Ion Batteries 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.15 no.3, 2012년, pp.181 - 189  

김창현 (고려대학교 소재화학과) ,  임형순 (고려대학교 소재화학과) ,  조용재 (고려대학교 소재화학과) ,  정찬수 (고려대학교 소재화학과) ,  장동명 (고려대학교 소재화학과) ,  명윤 (고려대학교 소재화학과) ,  김한성 (고려대학교 소재화학과) ,  백승혁 (고려대학교 소재화학과) ,  임영록 (고려대학교 소재화학과) ,  박정희 (고려대학교 소재화학과) ,  송민섭 (한국과학기술연구원 이차전지연구센터) ,  조원일 (한국과학기술연구원 이차전지연구센터) ,  차은희 (호서대학교 그린에너지 공학과 대학원)

초록
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ND-YAG 펄스 레이저를 사용하여 밀폐 반응기에서 가스상 $Ge(CH_3)_4$ (tetramethyl germanium, TMG)을 광분해하여 Ge (germanium) 나노입자를 합성하는 새로운 합성법을 개발하였다. 나노입자의 크기는 간단히 충돌이완가스를 사용하여 5-100 nm로 조절할 수 있었다. $Ge_{1-x}Si_x$ 합금 나노입자는 TMG와 $Si(CH_3)_4$ (tetramethyl silicon, TMS) 혼합가스를 광분해하여 합성하였으며, 이때 반응기 안의 가스 혼합비율에 따라 나노입자의 조성을 조절할 수 있었다. 합성된 나노입자는 얇은 탄소층(1-2 nm) 에 싸여있고, 안정한 콜로이드 용액형태로 잘 분산되어 있다. 합성된 Ge 나노입자와 Ge-RGO (reduced graphene oxide) 하이브리드 구조체 모두 리튬이온전지 특성이 50 사이클 이후 각각 800, 1,100 mAh/g의 높은 방전용량을 갖는 것을 확인하였고, 이 방법은 이전의 Ge 나노입자 합성법과 비교하여 높은 수득률, 우수한 재현성, 성분조절의 용이 하므로, 고성능 리튬 전지의 개발을 위한 음극소재로 기대된다. 이와 같은 Ge 나노입자의 새로운 대량 합성법은 고성능 에너지 변환 소재 실용화에 기여할 것으로 예상된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We developed a new high-yield synthesis method of free-standing germanium nanocrystals (Ge NCs) by means of the gas-phase photolysis of tetramethyl germanium in a closed reactor using an Nd-YAG pulsed laser. Size control (5-100 nm) can be simply achieved using a quenching gas. The $Ge_{1-x}Si_x...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 용매 분산력이 뛰어난 특성으로 분산만으로 RGO와 복합체를 형성할 수 있어 좀 더 향상된 리튬이온 충방전 특성을 얻을 수 있었다. 본 논문은 이러한 고수율 및 저비용의 대량합성 기술로 합성된 Ge 나노입자가 우수한 성능의 리튬 이온 전지의 소재에 응용될 수 있는 가능성을 보여주고자 한다.
  • 본 연구에서는 지금까지 보고된 합성법과 전혀 다른 새로운 합성법을 개발하였다. 즉 532 nm 또는 1064 nm 파장의 Nd-YAG 펄스 레이저를 이용하여 밀폐 반응기 안에서 tetramethyl germanium (TMG, Ge(CH3)4) 의 가스상 광분해를 통해 리간드 없는 Ge 나노입자를 합성하였다.

가설 설정

  • 4(a)) 및 XPS (Fig. 5(b)) 분석에서 알 수 있듯이 GeOx 상이 존재하지 않으므로 이에 대한 기여는 무시할 수 있을 것이다. 첫 번째 사이클 후, 두 샘플은 최대 50사이클 동안 99% 이상의 높은 쿨롱 효율성을 나타내며 충방전 동안 훌륭한 높은 가역성의 전기화학적 특성을 보여주었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Ge의 특징은? Ge (Germanium) 은 중요한 IV 족 반도체물질로서, silicon (Si) 처럼 rock-salt(면심입방구조) 구조를 갖고 있으며, 좁은 밴드갭(실온에서 벌크 형태로 0.67 eV) 과 큰 보어 반경(ca. rB = 24 nm) 으로 인한 큰 양자 가둠 효과의 특징으로 많은 관심의 대상이 되고 있다.1-6 Ge 나노구조의 응용성은 전계효과 트랜지스터, 태양 전지, 리튬이온 전지, 광검출기, 적외선 발광 다이오드, 생물학적 광열요법 등으로 매우 광범위하다.
Germanium을 이용하여 응용할 수 있는 산업은? rB = 24 nm) 으로 인한 큰 양자 가둠 효과의 특징으로 많은 관심의 대상이 되고 있다.1-6 Ge 나노구조의 응용성은 전계효과 트랜지스터, 태양 전지, 리튬이온 전지, 광검출기, 적외선 발광 다이오드, 생물학적 광열요법 등으로 매우 광범위하다.7-25
Ge 나노입자의 실제적인 응용을 위해 반드시 작업해야하는 것은? Ge 나노입자의 실제적인 응용을 위해서는 안정적인 콜로이드 나노입자를 대량으로 합성할 수 있는 고효율 저비용의 제조가 필수적이다.27-29 지금까지 개발된 대부분의 용액상 합성방법은 나노입자 사이에서 전하 운반자의 이동을 방해하는 리간드가 형성되어 캐스팅 이후 전기적으로 절연체를 만들기 때문에 이를 제거하기 위하여 고온, 고압의 반응과정, 표면 처리과정 등의 추가적인 공정을 반드시 포함하게 된다.
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참고문헌 (45)

  1. J. Heath, J. Shiang, and A. Alivisatos, 'Germanium quantum dots: Optical properties and synthesis.' J. Chem. Phys., 101, 1607 (1994). 

  2. Y. Maeda, 'Visible photoluminescence from nanocrystallite Ge embedded in a glassy $SiO_{2}$ matrix: Evidence in support of the quantum-confinement mechanism' Phys. Rev. B, 51, 1658 (1995). 

  3. C. Bostedt, T. van Buuren, T. Willey, N. Franco, L. Terminello, C. Heske, and T. Moller, 'Strong quantumconfinement effects in the conduction band of germanium nanocrystals' Appl. Phys. Lett., 84, 4056 (2004). 

  4. D. Lee, J. Pietryga, I. Robel, D. Werder, R. Schaller, and V. Klimov, 'Colloidal Synthesis of Infrared-Emitting Germanium Nanocrystals' J. Am. Chem. Soc., 131, 3436 (2009). 

  5. D. Ruddy, J. Johnson , E. Smith, and N. Neale, 'Size and Bandgap Control in the Solution-Phase Synthesis of Near-Infrared-Emitting Germanium Nanocrystals' ACS Nano, 4, 7459 ( 2010). 

  6. G. Armatas and M. Kanatzidis, 'Size Dependence in Hexagonal Mesoporous Germanium: Pore Wall Thickness versus Energy Gap and Photoluminescence.' Nano Lett., 10, 3330 (2010). 

  7. D. Wang, Q. Wang, A. Javey, R. Tu, H. Dai, H. Kim, P. McIntyre, T. Krishnamohan, and K. Saraswat, 'Germanium nanowire field-effect transistors with $SiO_{2}$ and high- ${\kappa}$ $HfO_{2}$ gate dielectrics' Appl. Phys. Lett., 83, 2432 (2003). 

  8. A. Greytak, L. Lauhon, M. Gudiksen, and C. Lieber. 'Growth and transport properties of complementary germanium nanowire field-effect transistors' Appl. Phys. Lett., 84, 4176 (2004). 

  9. T. Hanrath and B. Korgel, 'Chemical Surface Passivation of Ge Nanowires.'J. Am. Chem. Soc., 126, 15466 (2004). 

  10. T. Lambert, N. Andrews, H. Gerung, T.Boyle, J. Oliver, B. Wilson, and S. Han, 'Water-Soluble Germanium(0) Nanocrystals: Cell Recognition and Near-Infrared Photothermal Conversion Properties' Small, 3, 691 (2007). 

  11. X. Meng, R. Al-Salman, J. Zhao, N. Borissenko, Y. Li, and F. Endres, 'Electrodeposition of 3D Ordered Macroporous Germanium from Ionic Liquids: A Feasible Method to Make Photonic Crystals with a High Dielectric Constant' Angew. Chem. Int. Ed., 48, 2703 (2009). 

  12. B. Sun, G. Zou, X. Shen, and X. Zhang, 'Exciton dissociation and photovoltaic effect in germanium nanocrystals and poly(3-hexylthiophene) composites' Appl. Phys. Lett., 94, 233504 (2009). 

  13. S. Assefa, F. Xia, and Y. A. Vlasov, 'Reinventing germanium avalanche photodetector for nanophotonic on-chip optical interconnects' Nature, 464, 80 (2010). 

  14. J. Michel, J. Liu, and L. Kimerling, 'High-performance Ge-on-Si photodetectors' Nat. Photonics, 4, 527 (2010). 

  15. E. Henderson, M. Seino, D. Puzzo, and G. A. Ozin, 'Colloidally Stable Germanium Nanocrystals for Photonic Applications' ACS Nano, 4, 7683 (2010). 

  16. L. Cao, J. Park, P. Fan, B. Clemens, and M. L. Brongersma, 'Resonant Germanium Nanoantenna Photodetectors' Nano Lett., 10, 1229 (2010). 

  17. D. Xue, J. Wang, Y. Wang, S. Xin, Y. Guo, and L. Wan, 'Facile Synthesis of Germanium Nanocrystals and Their Application in Organic-Inorganic Hybrid Photodetectors' Adv. Mater., 23, 3704 (2011). 

  18. C. Chan, X. Zhang, and Y. Cui, 'High Capacity Li Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires' Nano Lett., 8, 307 (2008). 

  19. M. Kim and J. Cho, 'Nanocomposite of Amorphous Ge, and Sn Nanoparticles as an Anode Material for Li Secondary Battery' J. Electrochem. Soc., 156, A277 (2009). 

  20. M. Park, K. Kim, J. Kim, and J. Cho, 'Flexible Dimensional Control of High-Capacity Li-Ion- Battery Anodes: From 0D Hollow to 3D Porous Germanium Nanoparticle Assemblies' Adv. Mater., 22, 415 (2010). 

  21. M. Seo, M. Park, K. Lee, K. Kim. J. Kim, and J. Cho, 'High performance Ge nanowire anode sheathed with carbon for lithium rechargeable batteries' Energy Environ. Sci., 4, 425 (2011). 

  22. M. Park, Y. Cho, K. Kim, J. Kim, Liu, and M. J. Cho, 'Germanium Nanotubes Prepared by Using the Kirkendall Effect as Anodes for High-Rate Lithium Batteries' Angew. Chem. Int. Ed., 50, 9647 (2011). 

  23. K. Seng, M. Park, Z. Cuo, H. Liu, and J. Cho, 'Self- Assembled Germanium/Carbon Nanostructures as High- Power Anode Material for the Lithium-Ion Battery' Angew. Chem. Int. Ed., 51, 5657 (2012). 

  24. X. Wang, W. Han, H. Chen, J. Bai, T. Tyson, X. Yu, X. Wang, and X. Yang, 'Amorphous Hierarchical Porous $GeO_{x}$ as High-Capacity Anodes for Li Ion Batteries with Very Long Cycling Life' J. Am. Chem. Soc., 133, 20692 (2011). 

  25. T. Song, H. Cheng, H. Choi, J. Lee, H. Han, D. Lee, D. Yoo, M. Kwon, J. Choi, S. Doo, H. Chang, J. Xiao, Y. Huang, W. Park, Y. Chung, H. Kim, J. Rogers, and U. Paik, 'Si/Ge Double-Layered Nanotube Array as a Lithium Ion Battery Anode' ACS Nano, 6, 303 (2012). 

  26. G. Jo, I. Choi, H. Ahn, and M. Park, 'Binder-free Ge nanoparticles-carbon hybrids for anode materials of advanced lithium batteries with high capacity and rate capability' Chem. Commun., 48, 3987 (2012). 

  27. D. Xue, S. Xin, Y. Yan, K. Jiang, Y. Yin, Y. Guo, and L. Wan, 'Improving the Electrode Performance of Ge through Ge@C Core-Shell Nanoparticles and Graphene Networks' J. Am. Chem. Soc., 134, 2512 (2012) . 

  28. L. Tan, Z. Lu, H. Tan, J. Zhu, X. Rui, Q. Yan, and H. Hng, 'Germanium nanowires-based carbon composite as anodes for lithium-ion batteries' J. Power Sources, 206, 253 (2012). 

  29. N. Rudawski, B. Darby, B.Yates, K. Jones, R. Elliman, and A. Volinsky, 'Nanostructured ion beam-modified Ge films for high capacity Li ion battery anodes' Appl. Phys. Lett., 100, 083111 (2012). 

  30. M. R. St. John, A. J. Furgala, and A, F. Sammells, 'Thermodynamic Studies of Li-Ge Alloys: Application to Negative Electrodes for Molten Salt Batteries' J. Electrochem. Soc., 129, 246 (1982). 

  31. J. Luther, M. Law, M. Beard, Q. Song, M. Reese, R. Ellingson, and A. Nozik, 'Schottky Solar Cells Based on Colloidal Nanocrystal Films' Nano Lett., 8, 3488 (2008). 

  32. O. Semonin, J. Luther, S. Choi, H. Chen, J. Gao, A. Nozik, and M. Beard, 'Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100% via MEG in a Quantum Dot Solar Cell' Science, 334, 1530 (2011). 

  33. J. Tang, K. Kemp, S. Hoogland, K. Jeong, H. Liu, L. Levina, M. Furukawa, X. Wang, R. Debnath, D. Cha, K. Chou, A. Fischer, A. Amassian, J. Asbury, and E. Sargent, 'Colloidal-quantum-dot photovoltaics using atomic-ligand passivation' Nat. Mater., 10, 765 (2011). 

  34. R. Gresback, Z. Holman and U. Kortshagen, 'Nonthermal plasma synthesis of size-controlled, monodisperse, freestanding germanium nanocrystals' Appl. Phys. Lett., 91, 093119 (2007). 

  35. Z. Holman and U. Kortshagen, 'Nanocrystal Inks without Ligands: Stable Colloids of Bare Germanium Nanocrystals' Nano Lett., 11, 2133 (2011). 

  36. Erogbogbo, T. Liu, N. Ramadurai, P. Tuccarione, L. Lai, M. Swihart, and P. Prasad, 'Creating Ligand-Free Silicon Germanium Alloy Nanocrystal Inks' ACS Nano, 5, 7950 (2011). 

  37. W. Hummers Jr and R. Offeman, 'Preparation of Graphitic Oxide' J. Am. Chem. Soc., 80, 1339 (1958). 

  38. J. Pola and R. Taylor, 'Excimer laser photolysis of tetramethylgermane' Organometallic Chem., 437, 271 (1992). 

  39. M. Jakoubkova1, Z. Bastl, P. Fiedler, and J. Pola, 'IR laser thermolysis of tetramethylgermane for CVD of germanium' Infrared Phys. Technol., 35, 633 (1994). 

  40. F. Ishihara, H. Uji, T. Kamimura, S. Matsumoto, H. Higuchi, and S. Chichibu, 'Use of Tetraethylgermane in ArF Excimer Laser Chemical Vapor Deposition of Amorphous Silicon-Germanium Films' Jpn. J. Appl. Phys., 34, 2229 (1995). 

  41. A. Stanley, 'Laser sensitized dissociation of tetramethyl germane' J. Photochem. Photobio. A: Chem., 99, 1 (1996). 

  42. M. Antman, L. Hilt, E. Christophy, and J. BelBruno, 'Multiphoton ionization spectroscopy of germanium atoms produced by multiphoton dissociation of Ge $(C_{2}H_{5})_{4})$ ' Chem. Phys. Lett., 221, 294 (1994). 

  43. J. Park, Y. Kang, N. Song, and D. Kim, 'Multiphoton Ionization/Dissociation of Ge $(CH_{3})_{4}$ and Ge $(C_{2}H_{5})_{4})$ ' Bull. Korean. Chem. Soc., 20, 367 (1999). 

  44. N. Haider, D. Husain and M. Kabir, 'The collisional behaviour of electronically excited germanium atoms, Ge $(4p^{2}(^{1}D_{2}))$ , with simple molecules investigated by time-resolved atomic resonance absorption spectroscopy in the UV' J. Photochem. Photobio. A: Chem., 72, 97 ( 1993). 

  45. D. Husain, A. Ioannou, and M. Kabir, 'Collisional quenching of electronically excited germanium atoms, Ge[4p2(1S0)], by small molecules investigated by timeresolved atomic resonance absorption spectroscopy' J. Photochem. Photobio. A: Chem., 110, 213 (1997). 

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