[논문]열처리를 통한 금 나노입자의 크기 제어와 일벽 탄소나노튜브의 합성 촉매로의 이용

이승환; 정구환

doi:10.3740/mrsk.2013.23.12.737

[국내논문] 열처리를 통한 금 나노입자의 크기 제어와 일벽 탄소나노튜브의 합성 촉매로의 이용
Size Control of Gold Nanoparticles by Heat Treatment and Its Use as a Catalyst for Single-Walled Carbon Nanotube Growth 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.12, 2013년, pp.737 - 744

이승환 (강원대학교 나노응용공학과) , 정구환 (강원대학교 나노응용공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We demonstrated size control of Au nanoparticles by heat treatment and their use as a catalyst for single-walled carbon nanotube (SWNTs) growth with narrow size distribution. We used uniformly sized Au nanoparticles from commercial Au colloid, and intentionally decreased their size through heat treatment at 800 oC under atmospheric Ar ambient. ST-cut quartz wafers were used as growth substrates to achieve parallel alignment of the SWNTs and to investigate the size relationship between Au nanoparticles and SWNTs. After the SWNTs were grown via chemical vapor deposition using methane gas, it was found that a high degree of horizontal alignment can be obtained when the particle density is low enough to produce individual SWNTs. The diameter of the Au nanoparticles gradually decreased from 3.8 to 2.9 nm, and the mean diameter of the SWNTs also changed from 1.6 to 1.2 nm for without and 60 min heat treatment, respectively. Raman results reconfirmed that the prolonged heat treatment of nanoparticles yields thinner tubes with narrower size distribution. This work demonstrated that heat treatment can be a straightforward and reliable method to control the size of catalytic nanoparticles and SWNT diameter.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 SWNTs의 합성촉매로서 콜로이드 상태로 존재하는 평균직경 5 nm의 금 나노입자를 기판에 분산시킨 후, 고온 열처리를 통하여 직경을 제어하고 나아가 이를 좁은 직경분포를 갖는 SWNTs의 합성에 이용한 연구결과를 보고하고자 한다.
본 논문에서는 열처리를 통한 금 나노입자의 크기 제어와 그 입자를 좁은 직경분포를 갖는 SWNTs의 합성 촉매로 응용한 연구 결과를 소개하였다. 700-900 ℃ 영역에서 최대 60분까지 열처리를 실시하여 금 촉매입자의 크기 감소를 조사하였으며, 촉매입자와 SWNTs의 직경과의 크기 유사성에 착안하여 균일 직경을 갖는 SWNTs를 합성함으로써, 최종적으로는 전도성이 제어된 SWNTs를 합성하고자 하였다.

제안 방법

Fig. 1은 열처리에 따른 금 나노입자의 크기 변화를 살펴보기 위한 실험결과로서, APTES를 이용하여 표면처리된 석영기판 위에 금 나노입자를 도포한 후, 온도를 달리하여 열처리한 후 AFM을 이용하여 나노입자의 크기 변화를 측정하였다. Fig.
본 논문에서는 열처리를 통한 금 나노입자의 크기 제어와 그 입자를 좁은 직경분포를 갖는 SWNTs의 합성 촉매로 응용한 연구 결과를 소개하였다. 700-900 ℃ 영역에서 최대 60분까지 열처리를 실시하여 금 촉매입자의 크기 감소를 조사하였으며, 촉매입자와 SWNTs의 직경과의 크기 유사성에 착안하여 균일 직경을 갖는 SWNTs를 합성함으로써, 최종적으로는 전도성이 제어된 SWNTs를 합성하고자 하였다. 합성 기판은 SWNTs의 수평배향 성장을 위해서 석영기판을 이용하였으며, 메탄 CVD법으로 SWNTs를 합성하였다.
우선 열처리를 거친 석영기판을 1 cm × 1 cm 크기로 절단한 후, APTES 처리 후 금 나노입자를 스핀코팅으로 도포시키고 CVD 챔버에 넣은 후, 대기상태에서 각각 700, 800, 900 ℃까지 승온을 한다. 각 온도에서 열처리 시간에 따른 금 나노입자의 크기 변화를 조사하기 위하여 5, 10, 20, 30, 60분씩 시간을 달리하여 열처리를 실시한 후, 로터리 펌프를 이용하여 기저압력을 4 × 10−2Torr 이하로 유지한 후, 아르곤(Ar, 900 sccm)과 수소(H2, 100 sccm)의 혼합가스를 흘려주며 대기압 상태로 만들고, 이후 CVD 챔버의 압력은 상압으로 유지하였다. SWNTs 합성온도는 900 ℃로 고정시켰으며, 메탄(CH4, 900 sccm)과 수소(H2, 100 sccm)를 흘려주며 5분 동안 합성한 후, 아르곤 가스로 전환하여 상온까지 노냉하였다.
금 나노입자 및 합성된 SWNTs의 직경은 원자간힘현 미경(AFM, Park Systems XE-70)을 이용하여 비접촉식 탭핑(tapping) 모드로 측정하였으며, 수평배향 SWNTs의 합성 양상은 전계방출형 주사전자현미경(FESEM, Hitachi S-4300)을 이용하여 관찰하였다. 특히 열처리를 통하여 크기가 제어된 금 입자를 이용하여 합성된 SWNTs의 직경을 광학적인 방법으로도 측정하기 위하여 Raman분광기(HORIBA, Aramis)를 이용하여 분석하였다.
일반적으로 공중에 뜬 SWNTs의 라만산란 강도는 기판 위에 존재하는 SWNTs의 그것에 비해 훨씬 큰 것으로 알려져있다. 따라서 본 실험에서도 석영기판 위에 합성된 수평배향 SWNTs를 3차원 구조의 패턴기판에 전사(transfer)함으로써 SWNTs의 일부를 공중에 뜬 상태로 만들어서 라만 분석을 실시하였다. 분석 조건은 여기 파장 532 nm, 직경 1 µm의 레이저를 이용하여, 동일 위치에서 3회 측정한 평균값을 데이터로 이용하였다.
본 연구에서는 SWNTs의 배향성 향상을 위해서 ST-cut 석영기판을 열처리하여 표면의 스텝구조의 안정화를 도모하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
본 연구에서는 석영기판 위에 수평배향 합성한 SWNTs를 PMMA를 이용하여 떼어낸 후, 미리 제작된 패턴구조를 갖는 기판에 옮겨놓는 전사공정을 통하여, SWNTs를 공중에 띄운 구조를 제작하였다. Fig.
SWNTs의 합성은 직경 1인치의 석영관으로 제작된 수평 CVD 장치를 사용하였다. 우선 열처리를 거친 석영기판을 1 cm × 1 cm 크기로 절단한 후, APTES 처리 후 금 나노입자를 스핀코팅으로 도포시키고 CVD 챔버에 넣은 후, 대기상태에서 각각 700, 800, 900 ℃까지 승온을 한다. 각 온도에서 열처리 시간에 따른 금 나노입자의 크기 변화를 조사하기 위하여 5, 10, 20, 30, 60분씩 시간을 달리하여 열처리를 실시한 후, 로터리 펌프를 이용하여 기저압력을 4 × 10−2Torr 이하로 유지한 후, 아르곤(Ar, 900 sccm)과 수소(H2, 100 sccm)의 혼합가스를 흘려주며 대기압 상태로 만들고, 이후 CVD 챔버의 압력은 상압으로 유지하였다.
분산된 금 나노입자는 700~900 ℃의 온도구간에서 대기 중 열처리를 실시함으로써 금의 증발을 유도하였으며, 열처리 시간을 달리하여 금 나노입자의 크기를 제어하고자 하였다. 이러한 열처리를 통하여 크기가 감소된 금 나노입자를 합성촉매로 이용하여 SWNTs의 직경에 미치는 영향을 체계적으로 살펴보았다. SWNTs의 합성은 직경 1인치의 석영관으로 제작된 수평 CVD 장치를 사용하였다.
700-900 ℃ 영역에서 최대 60분까지 열처리를 실시하여 금 촉매입자의 크기 감소를 조사하였으며, 촉매입자와 SWNTs의 직경과의 크기 유사성에 착안하여 균일 직경을 갖는 SWNTs를 합성함으로써, 최종적으로는 전도성이 제어된 SWNTs를 합성하고자 하였다. 합성 기판은 SWNTs의 수평배향 성장을 위해서 석영기판을 이용하였으며, 메탄 CVD법으로 SWNTs를 합성하였다. 800 ℃ 에서 금 촉매미립자를 60분 열처리한 결과, 직경이 최초 3.

대상 데이터

수평배향 SWNTs의 합성기판으로는 석영기판(ST-cut quartz, MTI)을 구매하여 사용하였으며, 석영기판에 금 나노입자가 안정적으로 분산되도록 APTES(aminopropyltriethoxysilane)을 이용하여 표면처리를 실시하였다. 자세한 표면처리 방법은 이전의 논문에서 찾을 수 있다.

데이터처리

금 나노입자 및 합성된 SWNTs의 직경은 원자간힘현 미경(AFM, Park Systems XE-70)을 이용하여 비접촉식 탭핑(tapping) 모드로 측정하였으며, 수평배향 SWNTs의 합성 양상은 전계방출형 주사전자현미경(FESEM, Hitachi S-4300)을 이용하여 관찰하였다. 특히 열처리를 통하여 크기가 제어된 금 입자를 이용하여 합성된 SWNTs의 직경을 광학적인 방법으로도 측정하기 위하여 Raman분광기(HORIBA, Aramis)를 이용하여 분석하였다. 일반적으로 공중에 뜬 SWNTs의 라만산란 강도는 기판 위에 존재하는 SWNTs의 그것에 비해 훨씬 큰 것으로 알려져있다.

이론/모형

SWNTs의 합성촉매로는 평균직경 5 nm의 금 나노입자(Sigma)를 구매하여 합성기판에 스핀코팅법으로 분산하여 사용하였다. 스핀코팅의 조건은 4000 rpm에서 2분으로, 금 나노입자의 농도는 0.
한편 3 nm 이하의 SWNTs 직경을 분석하는 방법에는 상기와 같은 AFM 이외에도 TEM에 의한 직접관찰법 및 라만분광법에 의한 간접적 방법이 이용되고 있다. 본 연구에서는 라만분광법을 이용하여 SWNTs의 직경을 분석하고자 하였다. 특히 개별 SWNTs의 라만스펙트럼은 튜브가 부유상태에 있으면 그 신호가 증폭되는 것이 알려져 있어서, 높은 스펙트럼 강도를 얻기 위해서는 액상에 분산하거나 공중에 띄운 구조(suspended structure)를 제작하여 측정하는 것이 정확한 분석에 유리하다.

성능/효과

합성 기판은 SWNTs의 수평배향 성장을 위해서 석영기판을 이용하였으며, 메탄 CVD법으로 SWNTs를 합성하였다. 800 ℃ 에서 금 촉매미립자를 60분 열처리한 결과, 직경이 최초 3.8 nm에서 2.9 nm까지 감소하는 것을 알 수 있었고, 그에 따른 SWNTs의 평균 직경은 1.6 nm에서 1.2 nm로 감소하는 것을 알 수 있었다. 이러한 SWNTs의 직경 변화는 라만분광 분석을 통하여 재확인하였다.
따라서 본 실험에 이용된 촉매입자의 크기 범위에서는 SWNTs 보다 촉매입자가 여전히 큰 것을 알 수 있었으며, 보다 작은 크기의 촉매입자를 이용한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구는 SWNTs 직경제어 합성을 위하여 촉매 나노입자의 크기를 제어하는 것이 중요하며, 나노입자의 크기를 손쉬우면서도 재현성이 높은 열처리로 제어가 가능하다는 것을 보여주었다.

후속연구

이러한 SWNTs의 직경 변화는 라만분광 분석을 통하여 재확인하였다. 따라서 본 실험에 이용된 촉매입자의 크기 범위에서는 SWNTs 보다 촉매입자가 여전히 큰 것을 알 수 있었으며, 보다 작은 크기의 촉매입자를 이용한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구는 SWNTs 직경제어 합성을 위하여 촉매 나노입자의 크기를 제어하는 것이 중요하며, 나노입자의 크기를 손쉬우면서도 재현성이 높은 열처리로 제어가 가능하다는 것을 보여주었다.
4(e)). 따라서 촉매입자의 크기가 2 nm 이하로 작아질 경우, SWNTs의 직경과 어떤 관계를 나타내는 가에 대하여 체계적인 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다. 한편 3 nm 이하의 SWNTs 직경을 분석하는 방법에는 상기와 같은 AFM 이외에도 TEM에 의한 직접관찰법 및 라만분광법에 의한 간접적 방법이 이용되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 사용되는 도핑물질은?	3)따라서 합성과 정제를 통하여 불순물을 제거한 뒤 SWNTs의 표면에 전자공여(donor)의 성질을 갖는 물질을 도핑하는 방법이다. 일반적으로 Na, K, Cs, Rb 등의 알칼리 금속이 도핑물질로 이용되어 왔고, 전자이송특성에 관한 많은 연구들이 보고되어 왔다.4,5) 하지만 산화되기 쉬운 알칼리금속의 특성상 제작된 전자소자의 대기안정성에 관한 문제가 예상되어 그 응용에 한계점으로 남아 있다.
	일반적인 SWNTs는 어떤 튜브들로 이루어져 있는가?	전도성 제어의 두 번째 접근 방법으로는 후 처리에 의한 도핑법이다. 일반적으로 합성된 SWNTs는 금속성 튜브와 p-형 반도체성 튜브가 주를 이루고 있으며, 극히 일부의 양극성 전도특성을 갖는 튜브들로 이루어져 있다.3)따라서 합성과 정제를 통하여 불순물을 제거한 뒤 SWNTs의 표면에 전자공여(donor)의 성질을 갖는 물질을 도핑하는 방법이다.
	아크방전법 및 화학기상증착법 등으로 대량합성된 SWNTs를 정제과정을 거친 후 금속성 튜브와 반도체성 튜브를 분리하는 방법의 문제점은?	은 이 방법을 이용하여 금속성 튜브와 반도체성 튜브의 분리 정밀도 및 재현성을 대폭 향상시켰다고 보고했다.2) 하지만 이 방법은 액상에서 진행되기 때문에 전자소자의 제작을 위해서는 액상에 분산된 SWNTs를 원하는 곳에 위치시켜야 한다는 기술적 문제점이 남게 된다. 따라서 향후 나노소자로 응용하기에는 적절하지 않을 것으로 여겨지고 있다.

참고문헌 (24)

Z. Liu, L. Jial, Y. Yao, X. Xian and J. Zhang, Adv. Mater., 22, 1 (2010).

상세보기
H. Liu, T. Tanaka, Y. Urabe and H. Kataura, Nano Lett., 13, 1996 (2013).

상세보기
R. Saito, M. S. Dresselhaus and G. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, London, (1998).
A. M. Rao, P. C. Eklund, S. Bandow, A. Thess and R. E. Smalley, Nature, 388, 257 (1997).

상세보기
G. H. Jeong, A. A. Farajian, R. Hatakeyama, T. Hirata, T. Yaguchi, K. Tohji, H. Mizuseki and Y. Kawazoe, Phys. Rev. B, 68, 075410 (2003).

상세보기
M. Ishida, H. Hongo, F. Nihey and Y. Ochiai, Jpn. J. Appl. Phys., 43, L1356 (2004).

상세보기
A. Javey and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 127, 11942 (2005).

상세보기
Y. Li, W. Kim, Y. Zhang, M. Rolandi, D. Wang and H. Dai, J. Phys. Chem. B, 105, 11424 (2001).

상세보기
H. C. Choi, W. Kim, D. Wang and H. Dai, J. Phys. Chem. B, 106, 12361 (2002).

상세보기
G. H. Jeong, S. Suzuki, Y. Kobayashi, A. Yamazaki, H. Yoshimura and Y. Homma, J. Appl. Phys., 98, 124311 (2005).

상세보기
G. H. Jeong, S. Suzuki, Y. Kobayashi, A. Yamazaki, H. Yoshimura, and Y. Homma, Appl. Phys. Lett., 90, 043108 (2007).

상세보기
W. S. Song, C. H. Jeon, Y. S. Kim, Y. T. Kwon, D. S. Jung, S. W. Jang, W. C. Choi, J. S. Park, R. Saito and C. Y. Park, ACS Nano, 4, 1012 (2010).

상세보기
H. Ago, Y. Ayagaki, Y. Ogawa and M. Tsuji, J. Phys. Chem. C, 115, 13247 (2011).

상세보기
Y. Li, D. Mann, M. Rolandi, W. Kim, A. Ural, S. Huang, A. Javey, J. Cao, D. Wang, E. Yenilmez, Q. Wang, J. F. Gibbons, Y. Nishi and H. Dai, Nano Lett., 4, 317 (2004).

상세보기
T. Kato and R. Hatakeyama, J. Am. Chem. Soc., 130, 8101 (2008).

상세보기
X. Yu, J. Zhang, W. Choi, J. Y. Choi, J. M. Kim, L. Gan and Z. Liu, Nano Lett., 10, 3343 (2010).

상세보기
J. Liu, C. Wang, X. Tu, B. Liu, L. Chen, M. Zheng and C. Zhou, Nat. Commun., 3, 1199 (2012).

상세보기
J. J. Kim, B. J. Lee, S. H. Lee and G. H. Jeong, Nanotechnology, 23, 105607 (2012).

상세보기
H. Ago, K. Nakamura, K. Ikeda, N. Uehara, N. Ishigami and M. Tsuji, Chem. Phys. Lett., 408, 433 (2005).

상세보기
C. Kocabas, S. H. Hur, A. Gaur, M. Meitl, M. Shim and J. Rogers, Small, 11, 1110 (2005).
S. J. Kang, C. Kocabas, T. Ozel, M. Shim, N. Pimparkar, M. A. Alam, A. V. Rotkin and J. A. Rogers, Nat. Nanotechnol., 2, 230 (2007).

상세보기
G. H. Jeong, A. Yamazaki, S. Suzuki, H. Yoshimura, Y. Kobayashi and Y. Homma, Carbon, 45, 978 (2007).

상세보기
A. M. Rao, E. Richter, S. Bandow, B. Chase, P. C. Eklund, K. A. Williams, S. Fang, K. R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R. E. Smalley, G. Dresselhaus and M. S. Dresselhaus, Science, 275, 187 (1997).

상세보기
J. Meyer, M. Paillet, T. Michel, A. Moreac, A. Neumann, G. Duesberg, S. Roth and J.-L. Sauvajol, Phys. Rev. Lett., 95, 217401 (2005).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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