산화아연 나노구조의 탄소나노튜브와의 혼성구조 형성 특성 연구 Parametric Characterization of Zinc Oxide Nanostructures Forming Three-Dimensional Hybrid Nanoarchitectures on Carbon Nanotube Constructs원문보기
본 논문에서는 순차적 화학기상증착법에 기반하여 다양한 구조적 특성을 갖는 산화아연 나노구조체를 탄소나노튜브 상에 3 차원 혼성구조로 형성하는 공정을 개발하고 그 형성 메커니즘을 논한다. 이어서 나노와이어, 나노로드, 나노플레이트, 다결정 나노박막 등 다양한 형상의 산화아연 나노구조를 온도, 압력, 개스유량 등 주요 파라미터들의 조절을 통해 형성할 수 있음을 보이며, 이의 형성 원리에 대해 기본적인 형성 메커니즘과 연계하여 고찰한다. 본 연구 결과를 통해, 압전 및 광전 에너지변환 특성 등 풍부한 기능성을 보유하되 다소 높은 전기저항을 갖는 산화아연 나노구조체를 다양한 포맷으로 양전도성의 탄소나노튜브와 혼성화 함으로써, 각각의 포맷 별로 특화된 보다 폭넓은 응용 분야로의 활용을 구현해 나갈 수 있을 것이다.
본 논문에서는 순차적 화학기상증착법에 기반하여 다양한 구조적 특성을 갖는 산화아연 나노구조체를 탄소나노튜브 상에 3 차원 혼성구조로 형성하는 공정을 개발하고 그 형성 메커니즘을 논한다. 이어서 나노와이어, 나노로드, 나노플레이트, 다결정 나노박막 등 다양한 형상의 산화아연 나노구조를 온도, 압력, 개스유량 등 주요 파라미터들의 조절을 통해 형성할 수 있음을 보이며, 이의 형성 원리에 대해 기본적인 형성 메커니즘과 연계하여 고찰한다. 본 연구 결과를 통해, 압전 및 광전 에너지변환 특성 등 풍부한 기능성을 보유하되 다소 높은 전기저항을 갖는 산화아연 나노구조체를 다양한 포맷으로 양전도성의 탄소나노튜브와 혼성화 함으로써, 각각의 포맷 별로 특화된 보다 폭넓은 응용 분야로의 활용을 구현해 나갈 수 있을 것이다.
We study the structural and functional characteristics of zinc oxide (ZnO) nanostructures that are grown on carbon nanotube (CNT) constructs via step-wise chemical vapor deposition (CVD). First, we optimize the CVD process to directly grow ZnO nanostructures on CNTs by controlling the growth tempera...
We study the structural and functional characteristics of zinc oxide (ZnO) nanostructures that are grown on carbon nanotube (CNT) constructs via step-wise chemical vapor deposition (CVD). First, we optimize the CVD process to directly grow ZnO nanostructures on CNTs by controlling the growth temperature below $600^{\circ}C$, where CNTs can be sustained in a ZnO-growing oxidative atmosphere. We then investigate how the morphology and areal density of ZnO nanostructures evolve depending on process parameters, such as pressure, temperature, and gas feeding composition, while focusing on the effect of underlying CNT topology on ZnO nucleation and growth. Because various types of ZnO nanostructures, including nanowires, nanorods, nanoplates, and polycrystalline nanocrystals, can be conformally formed on highly conductive CNT platforms, this electrically addressable three-dimensional hybrid nanoarchitecture may better meet a wide range of nanoelectronic application-specific needs.
We study the structural and functional characteristics of zinc oxide (ZnO) nanostructures that are grown on carbon nanotube (CNT) constructs via step-wise chemical vapor deposition (CVD). First, we optimize the CVD process to directly grow ZnO nanostructures on CNTs by controlling the growth temperature below $600^{\circ}C$, where CNTs can be sustained in a ZnO-growing oxidative atmosphere. We then investigate how the morphology and areal density of ZnO nanostructures evolve depending on process parameters, such as pressure, temperature, and gas feeding composition, while focusing on the effect of underlying CNT topology on ZnO nucleation and growth. Because various types of ZnO nanostructures, including nanowires, nanorods, nanoplates, and polycrystalline nanocrystals, can be conformally formed on highly conductive CNT platforms, this electrically addressable three-dimensional hybrid nanoarchitecture may better meet a wide range of nanoelectronic application-specific needs.
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문제 정의
(5,6) 이에 한걸음 더 나아가, 본 논문에서는 CNT와의 혼성구 화에 있어서 NW 뿐만 아니라 나노로드, 나노플레이트, 나노박막 등 다양한 포맷의 ZnO 나노구조들을 형성하는 방법을 개발하고 그 형성 특성을 분석함으로써, 각각의 포맷 별로 특화된 보다 폭넓은 응용 분야로의 연계를 도모하고자 한다.
공정 조건 별 형성 특성 고찰에 앞서 기판의 표면 특성에 따른 나노구조체의 형성 유무에 대해살펴본다. Fig.
본 논문에서는 순차적 화학기상증착법에 기반하여 다양한 형태의 산화아연 나노구조를 탄소나노 튜브 상에 3차원 혼성구조 형태로 형성하는 공정에 대해 그 형성 메커니즘과 주요 공정 파라미터별 형성 특성에 대해 고찰하였다. 온도, 압력, 개스 유량 등의 조절을 통해 나노와이어, 나노로드, 나노플레이트, 다결정 나노박막 등 다양한 구조적 형상을 갖는 산화아연 나노구조체를 양전도성 탄소나노튜브 상에 계층적으로 혼성화한 구조로 형성할 수 있다.
본 연구에서는 구조적인 안정성 또한 고려하여 적절한 종횡비를 갖는 600 °C를 기본 공정 온도로 선정하여 다른 파라미터들의 변화에 따른 특성 연구를 계속하고자 한다.
VS 메커니즘 하의 CVD 공정에서 압력 및 온도, 산소 유량 조절을 통해 다양한 형상의 ZnO 나노구조체를 CNT 표면 위에 형성할 수 있다. 본 절에서는 그 공정의 개요 및 VS 메커니즘, 그리고 Gibbs-Thompson 관계식을 통한 이론적인 모델 확립에 대해 다루고, 이어서 이러한 공정 조건 조절에 따른 다양한 ZnO 나노구조체 형성 특성에 관해 다음 절부터 상세히 살펴보고자 한다.
제안 방법
(5) 이제 온도나 압력 등 주요 공정 파라미터들을 조절함에 따라 ∆G 및 R*이 변화됨으로써, 결과적으로 얻어지는 나노 구조체의 형상 등도 변화하게 된다. 3 절에서는 이에 입각한 파라메트릭 실험 및 분석, 이론적 모델과의 대조 검증을 통하여, 다양한 ZnO 나노구조체의 형성 특성을 체계적으로 고찰한다.
ZnO-CNT 혼성구조를 형성하기 위해서 본 연구에서는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 기반하여 먼저 CNT 템플릿 구조체를 만든 후 그 위에 다시 ZnO 나노구조체를 계층적으로 형성하는 공정을 개발한다.(5) 이러한 순차적인 CVD 공정 개발을 위해서 무엇보다 중요한 점은 앞서 형성된 나노구조체가 뒤에 형성할 나노구조체의 CVD 공정 조건 하에서 잘 견뎌야 한다는 점이다.
챔버 중앙 온도를 Zn 을 기화시키는 데 충분한 600 °C 수준으로 설정하면, 하류 쪽에 로딩된 CNT 의 가열온도는 온도 구배에 따라 그보다 낮게 유지된다. 본 연구에서는 purified air(80% N2, 20% O2)와 He 의 혼합기체를 이송개스(carrier gas)로 사용하여 챔버 내에 주입하게 된다. 다중벽 CNT 의 경우 20%의 산소 분위기 속에서도 대략 600 °C 까지는 안전하므로,(11) 이렇듯 600 °C 보다 낮은 온도 하에 헬륨 및 질소 등과 혼합되어 20% 이하로 희석된 산소 분위기 속에서 산화되지 않고 충분히 견딜 수 있다.
이에 따라 본 연구에서는 ZnO 대신 융점이 상대적으로 낮은 Zn(~420 °C)을 소스로 사용하면서 금속 촉매를 배제한 Vapor-Solid(VS) 메커니즘(5)에 입각한 공정을 새로이 개발 도입한다.
2 에 나타낸 바와 같이 평균 직경 25-50 nm, 길이 300-500 nm 를 갖는 고밀도의 ZnO NW 가 CNT 표면 위에 방사상 계층구조로 형성된 3 차원 혼성나노구조가 만들어지게 된다. 이후 온도, 압력, 유량 등의 공정 파라미터 조절에 따라 Fig. 2(b)-(e)에서와 같이 직진 성장된 (vertically-aligned) CNT 군집(forest)의 상부면(top surface) 및 측면(sidewall), 그리고 몇 가닥으로 이루어진 CNT 다발(strand) 등 다각도에서 각 ZnO-CNT 의 3 차원 혼성구조 형성 특성을 탐구 분석하고자 한다.
이론/모형
나노구조체의 시드는 그 미세한 크기에 기인하여 나노구조체 자체의 부피변화보다 나노구조체와 그것이 형성되는 고체 표면 간의 표면에너지(surface energy)의 영향이 중요해 진다. 이러한 점을 고려하여 Gibbs-Thompson 관계식(13)을 적용해 Gibbs 의 자유에너지를 유도하고, 이를 통해 시드 결정체의 임계반경(critical radius; 시드의 초기 크기가 이것보다 크면 계속 자라고, 작으면 자라지 않는다)을 얻는다. 이러한 상황을 반구형의 나노결정이 평면에 형성된다고 기하학적으로 단순화해 나노결정의 자유에너지를 구하면 식 (1)과 같다.
성능/효과
7(b))을 기준으로 He 양만을 줄인 경우 나노구조체의 증착량이 크게 증가된 마이크로스케일의 구조체가 형성됨을 알 수 있으며,(Fig. 7(a)) He 과 air 의 유량 모두 반으로 줄인 경우에는 이와 반대로 나노구조체의 형성량이 감소하고 NW 도 직경 10 nm 미만의 매우 가느다란 형상으로 형성 됨을 알 수 있다.(Fig.
(a)), 650 °C 에서는 NW 들의 수가 감소하면서 이를 대신해 두꺼운 나노결정들이 주로 형성됨을 확인할 수 있다.
5 sccm 조건(Fig. 7(b))을 기준으로 He 양만을 줄인 경우 나노구조체의 증착량이 크게 증가된 마이크로스케일의 구조체가 형성됨을 알 수 있으며,(Fig. 7(a)) He 과 air 의 유량 모두 반으로 줄인 경우에는 이와 반대로 나노구조체의 형성량이 감소하고 NW 도 직경 10 nm 미만의 매우 가느다란 형상으로 형성 됨을 알 수 있다.
VS 메커니즘에 따르면 매끈한 표면보다 적절한 거칠기를 가진 표면에 나노구조체들이 보다 잘 형성되게 되는데, 실험 결과를 통해 CNT 구조체 상에 무수히 존재하는 미세거칠기 부분들(CNT 자체 표면 및 CNT 와 CNT 간의 공간 등)이 ZnO 나노 시드 형성에 최적의 환경을 제공함을 확인할 수 있다.
후속연구
(5,6) 즉, ZnO 로부터 나오는 전자들을 넓은 접촉면(interface)에 걸쳐 결합된 높은 전도성을 갖는 템플릿을 통해 효과적으로 추출해 냄과 동시에, 계층적 혼성구조화를 통해 한층 증대된 표면적과 보다 높은 단위면적당 나노구조체 밀도를 갖는 입체적 구조로의 제작이 가능해 진다. 이러한 템플릿으로서의 최적의 소재 가운데 하나로 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)(7)가 있다.
온도, 압력, 개스 유량 등의 조절을 통해 나노와이어, 나노로드, 나노플레이트, 다결정 나노박막 등 다양한 구조적 형상을 갖는 산화아연 나노구조체를 양전도성 탄소나노튜브 상에 계층적으로 혼성화한 구조로 형성할 수 있다. 각 형상 별로 그 구조적 특성을 에너지하베스팅, 센싱, 바이오템플릿 등 특정 응용 분야에 특화시켜 응용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
VS메커니즘에 따르면, CNT 구조체가 ZnO 나노 시드 형성에 어떠한 영향을 미쳤는가?
VS 메커니즘에 따르면 매끈한 표면보다 적절한 거칠기를 가진 표면에 나노구조체들이 보다 잘 형성되게 되는데, 실험 결과를 통해 CNT 구조체 상에 무수히 존재하는 미세거칠기 부분들(CNT 자체 표면 및 CNT 와 CNT 간의 공간 등)이 ZnO 나노 시드 형성에 최적의 환경을 제공함을 확인할 수 있다.
ZnO 형성 CVD 공정을 가했을 때 CNT 가 있는 부분과 없는 부분의 ZnO NW 형성 정도는 어떻게 나타나는가?
4 는 동일한 공정 조건 하에서 ZnO 형성 CVD 공정을 가했을 때 CNT 가 있는 부분과 없는 부분의 ZnO NW 형성 정도를 대조적으로 보여주고 있다. CNT 표면 위에는 고밀도의 ZnO NW 들이 형성된 반면, 주변의 매끄러운 SiO2 표면에는 NW 들이 거의 자라지 않음을 볼 수 있다.
CNT의 장점은 무엇인가?
이러한 템플릿으로서의 최적의 소재 가운데 하나로 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT) (7)가 있다. CNT 는 매우 높은 전도성과 우수한 구조적 특성을 가지고서 다양한 다차원 구조로 비교적 수월하게 형성시킬 수 있는 큰 장점이 있다. (8,9)
참고문헌 (13)
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