In this research, a precipitation method was used to synthesize ${\beta}-Ga_2O_3$ powders with various particle morphologies and sizes under varying precipitation conditions, such as gallium nitrate concentration, pH, and aging temperature, using ammonium hydroxide and ammonium carbonate ...
In this research, a precipitation method was used to synthesize ${\beta}-Ga_2O_3$ powders with various particle morphologies and sizes under varying precipitation conditions, such as gallium nitrate concentration, pH, and aging temperature, using ammonium hydroxide and ammonium carbonate as precipitants. The obtained powders were characterized in detail by XRD, SEM, FT-IR, and TG-DSC. From the TG-DSC result, GaOOH phase was transformed to ${\beta}-Ga_2O_3$ at around $742^{\circ}C$, and weight loss percent was about 14 % when $NH_4OH$ was used as a precipitant. Also, ${\beta}-Ga_2O_3$ formed at $749^{\circ}C$ and weight loss percent was about 15 % when $(NH)_2CO_3$ was used as a precipitant. XRD results showed that the obtained $Ga_2O_3$ had pure monoclinic phase in both cases. When $(NH)_2CO_3$ was used as a precipitant, the particle shape changed and became irregular. The range of particle size was about $500nm-4{\mu}m$ based on various concentrations of gallium nitrate solution with $NH_4OH$. The particle size was increased from $1-2{\mu}m$ to $3-4{\mu}m$ and particle shape was changed from spherical to bar type by increasing aging temperature over $80^{\circ}C$.
In this research, a precipitation method was used to synthesize ${\beta}-Ga_2O_3$ powders with various particle morphologies and sizes under varying precipitation conditions, such as gallium nitrate concentration, pH, and aging temperature, using ammonium hydroxide and ammonium carbonate as precipitants. The obtained powders were characterized in detail by XRD, SEM, FT-IR, and TG-DSC. From the TG-DSC result, GaOOH phase was transformed to ${\beta}-Ga_2O_3$ at around $742^{\circ}C$, and weight loss percent was about 14 % when $NH_4OH$ was used as a precipitant. Also, ${\beta}-Ga_2O_3$ formed at $749^{\circ}C$ and weight loss percent was about 15 % when $(NH)_2CO_3$ was used as a precipitant. XRD results showed that the obtained $Ga_2O_3$ had pure monoclinic phase in both cases. When $(NH)_2CO_3$ was used as a precipitant, the particle shape changed and became irregular. The range of particle size was about $500nm-4{\mu}m$ based on various concentrations of gallium nitrate solution with $NH_4OH$. The particle size was increased from $1-2{\mu}m$ to $3-4{\mu}m$ and particle shape was changed from spherical to bar type by increasing aging temperature over $80^{\circ}C$.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 입자크기 및 입자형상의 β-Ga2O3를 합성하기 위하여 침전제의 종류, 반응시간, 반응온도, 갈륨나이트레이트 수용액의 농도 및 pH에 관해 조사하였다.
이에 따라 본 연구에서는, 침전법을 이용하여 열처리 후 완전한 β-Ga2O3를 합성할 수 있는 조건을 확립하고, 침전제의 종류에 따른 영향 및 다양한 입자의 크기 및 형상을 조절할 수 있는 효과에 관하여 연구하였다.
제안 방법
3~5 µm 크기를 갖는 막대 형태의 β-Ga2O3의 합성을 위해서 pH에 따른 분말의 특성을 조사하였고, pH 범위는 7.5, 8, 8.5, 9로 각각 변화시키면서 실험을 실시하였다.
8은 반응시간 및 반응온도의 영향에 따른 열처리 후 분말의 SEM 결과를 보여준다. NH4OH를 사용하여 침전 반응을 거친 GaOOH에 대한 반응시간 및 반응온도에 따른 입자의 성장 및 형상변화를 관찰하기 위하여 반응시간과 반응온도를 변화시켜 실험을 실시하였다. 이 때의 갈륨나이트레이트 수용액의 농도는 1M, pH는 8로 고정시켰으며 건조 후 열처리 온도는 850 ℃ 3시간 동안 유지시켰다.
TG-DSC의 결과를 바탕으로 GaOOH에서 βGa2O3로의 완전한 상 전이 현상을 확인 하기 위하여, NH4OH를 침전제로 사용한 샘플에 대하여 열처리 온도를 700 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃로 각각 변경 하여 XRD를 분석하였다.
건조 후 GaOOH 입자의 표면에 부착된 화합물의 분자구조와 분자 결합에 관한 정보를 확인하기 위하여 FT-IR 분석을 실시하였고, 650~4000 cm−1의 범위로 측정하였다.
2에는 침전제의 종류에 따른 GaOOH의 TG-DSC결과를 나타내었다. 건조 후의 GaOOH에 대한 열적 거동 및 열량 분석을 확인하고, 상 전이 현상을 분석하기 위해, TG-DSC분석을 실시하였으며, 측정조건은 2 ℃/min의 온도로 1100 ℃까지 측정하였다. 사용된 GaOOH는 1M 갈륨나이트레이트 수용액의 농도와 pH 8의 조건에서 제조되었으며, 이론적인 질량감소량은 아래와 같이 계산될 수 있다.
다양한 입자크기 및 입자형상의 β-Ga2O3를 합성하기 위해 침전제의 종류, 갈륨나이트레이트 수용액의 농도, 반응 시간, 반응 온도, 열처리 온도 등에 관해 연구하였다.
10은 각각의 몰 수 별 SEM, XRD 분석결과를 나타내었다. 몰 농도(M)에 따른 입자의 형상 및 결정상을 확인하기 위하여, 0.1M, 0.5M, 1M의 조건으로 실험을 진행하였고, pH 8, 6시간 실온에서 반응을 하였으며, 열처리 온도는 850 ℃로 일정하게 유지시켰다. 먼저, 0.
열처리 후 얻어진 분말은 XRD(CuKα1(λ = 0.15406 nm), D1w, Shimadzu), FE-SEM(FE-SEM, S-4800, Hitachi), TG-DSC(TG-1280, Rigaku)를 이용하여 분석을 실시하였다.
침전제로 NH4OH(28 %, EP grade)와 (NH4)2CO3 (20 %, EP grade) 두 가지를 사용하여 침전제의 종류에 따라 합성된 β-Ga2O3 분말의 특성을 분석하였다. 이 후 얻어진 GaOOH의 반응시간 및 온도에 따른 입자의 형태를 관찰하기 위하여 상온 및 80 ℃에서 반응을 시켰으며, 0시간, 6시간, 24시간 동안 각각 반응을 실시 하였다. 세척 후 얻어진 GaOOH 침전물을 초순수를 이용해 3회 세척을 실시 하였으며, 건조기를 이용하여 24시간, 100 ℃에서 건조를 진행하였다.
침전제로 NH4OH(28 %, EP grade)와 (NH4)2CO3 (20 %, EP grade) 두 가지를 사용하여 침전제의 종류에 따라 합성된 β-Ga2O3 분말의 특성을 분석하였다.
3, 4는 건조 후 얻어진 GaOOH의 열처리 전, 후 XRD 분석결과이다. 침전제의 종류, 열처리에 따른 상 전이 현상을 확인 하기 위하여 850 ℃ 3시간 동안 열처리하여, 건조 후와 열처리 후의 샘플에 대해 XRD분석을 실시하였다. 분석결과 건조 후 얻어진 분말은 모두 사방정계(orthorhombic) 의 결정구조를 갖는 GaOOH(JCPDS06-0180)로 확인이 되었으며, 열처리 후 모든 peak은 모두 단사정계(mon℃linic)의 형태를 갖는 β-Ga2O3(a = 12.
침전제의 종류에 따른β-Ga2O3 분말의 특성을 파악하기 위하여 28 %의 NH4OH와 20 %의 (NH4)2CO3를 각각 침전제로 사용하여 실험을 진행하였고, pH는 8, 열처리 온도는 850 ℃, 3시간으로 일정하게 유지시켰다.
대상 데이터
먼저, Ga metal(99.99 %)을 6M의 HNO3(65%, EP grade)를 사용하여 80 ℃에서 24시간 용해하여 갈륨나이트레이트 수용액(Ga(NO3)3·xH2O)을 제조 하였고, 제조 된 갈륨나이트레이트 수용액에 초순수를 일정량 첨가 하여 0.1M, 0.5M, 1M의 갈륨나이트레이트 수용액을 각각 제조 하였다.
성능/효과
0.5M은 입자의 형태가 타원형 모양으로 0.1M의 형태에서 좀 더 성장 한 것을 확인 할 수 있었고, 입자의 크기는 약 1~2 µm로 확인되었다.
3) 하지만, 앞서 언급한 5가지의 결정구조 중 β상을 제외한 4가지의 결정상은 870 ℃ 이상에서 모두 β상으로의 상 전이 가 일어난다.
5M의 분말과 비교 하였을 때, c축으로의 입자 성장이 좀 더 이루어져 2~3 µm 크기의 막대형태로 성장하였다. SEM의 결과로써 몰 농도가 낮을수록 입자의 크기는 작고, 구형의 형태를 갖고 있지만, 농도가 높아지면서 결정 핵의 응집 및 성장으로 인해 입자의 형태가 바뀌는 결과를 보여준다. XRD 분석결과 몰 농도와는 관계 없이 모두 순수한 β-Ga2O3로 확인이 되었다.
807 Å, JCPDS41-1103) 상으로 TG-DSC 결과의 상 전이 온도인 740~750 ℃ 이상에서 열처리 하여 모두 상 전이 된 것으로 확인이 되었다. 따라서, 침전제의 종류는 결정상에 영향을 끼치지 않는 것으로 확인되었다.
2 %의 질량감소가 일어났으며, 약 390 ℃에서의 열분해에 의한 흡열 피크는 암모니아 성분 및 수분이 분해(mass loss)가 되며 발생하는 peak, 740 ℃ 부근의 발열 피크는 GaOOH에서 β-Ga2O3 로의 상 전이가 일어나면서 발생한 것으로 나타났다. 또한, (NH4)2CO3를 사용하였을 경우도 질량감소는 약 15.4 %로 나타났으며, 암모니아 성분의 분해 및 상 전이 온도 또한 NH4OH를 사용한 것과 유사하게 나타났다.16)
분석 결과 2990 cm−1의 wavenumber에서 H-O-H의 분자구조가 확인 되었고, 1950 cm−1의 wavenumber에서는 O-H peak을 확인 할 수 있었다.
분석결과 건조 후 얻어진 분말은 모두 사방정계(orthorhombic) 의 결정구조를 갖는 GaOOH(JCPDS06-0180)로 확인이 되었으며, 열처리 후 모든 peak은 모두 단사정계(mon℃linic)의 형태를 갖는 β-Ga2O3(a = 12.22 Å, b = 3.038 Å, c = 5.807 Å, JCPDS41-1103) 상으로 TG-DSC 결과의 상 전이 온도인 740~750 ℃ 이상에서 열처리 하여 모두 상 전이 된 것으로 확인이 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
β-Ga2O3의 특성은?
산화물 반도체의 주요 조성 중 하나인 β-Ga2O3는 4.9eV의 높은 band gap을 갖고 있어서, In2O3, ZnO와 함께 산화물 반도체의 주요 조성으로 평가 받고 있는데, Ga2O3는 Al2O3와 유사하게 α, β, γ, δ, ε의 5가지의 결정구조를 이루고 있는 것으로 알려져 있다.1-2) 일반적으로 알려진 β-Ga2O3는 단사정계(monoclinic)의 결정상을 갖고, 100~300 oC에서 Ga(OH)3에서 α-GaOOH로의 상 전이(phase conversion)가 일어나며, 850 oC 이상의 온도에서 열처리를 하게 되면 완전한 β-Ga2O3로의 상 전이가 일어난다.
Ga2O3가 가지는 α, β, γ, δ, ε의 5가지의 결정구조의 상전이는 어떻게 일어나는가?
9eV의 높은 band gap을 갖고 있어서, In2O3, ZnO와 함께 산화물 반도체의 주요 조성으로 평가 받고 있는데, Ga2O3는 Al2O3와 유사하게 α, β, γ, δ, ε의 5가지의 결정구조를 이루고 있는 것으로 알려져 있다.1-2) 일반적으로 알려진 β-Ga2O3는 단사정계(monoclinic)의 결정상을 갖고, 100~300 oC에서 Ga(OH)3에서 α-GaOOH로의 상 전이(phase conversion)가 일어나며, 850 oC 이상의 온도에서 열처리를 하게 되면 완전한 β-Ga2O3로의 상 전이가 일어난다. 또한, 삼방정계(rhombohedral)형태의 α-Ga2O3는 GaOOH를 산소 분위기에서 열처리 속도를 빠르게 하여 약 420 oC의 온도에서 α-Ga2O3가 형성된다.3) 하지만, 앞서 언급한 5가지의 결정구조 중 β상을 제외한 4가지의 결정상은 870 oC 이상에서 모두 β상으로의 상 전이 가 일어난다.4-6)
산화물 반도체의 장점은?
최근, 산화물 반도체가 디스플레이 시장의 핵심으로 부각되고 있는 상황으로, 산화물 반도체의 전하 이동도는 약 7 cm2/V·sec로 p-Si 보다는 낮지만 a-Si 보다는 15배나 빠르고, 타겟 제조 후 기존의 투명전극에서 확립된 스퍼터링 방법에 의해 대면적화가 가능함에 따라 공정 비용도 저렴해지는 장점을 갖고 있다.
참고문헌 (19)
L. Binet, D. Gourier, C. Minot, J. Solid State. Chem., 113(2), 420 (1994).
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