이산화바나듐은 섭씨 68도에서 금속-절연체 상전이 특성을 나타내는 써모크로믹(thermochromic) 소재로서, 상전이 현상이 일어날 때 광학적, 전기적 성질이 급격히 변화하며, 이러한 상전이 현상은 가역적인 특성을 가지고 있다. 이산화바나듐의 금속-절연체 상전이 현상을 응용하기 위하여 상전이 온도를 상온 부근으로 낮추고자하는 많은 시도들이 있었으며, 직경 100 nm의 1차원 나노구조를 갖는 이산화바나듐 나노와이어의 경우 $29^{\circ}C$ 근처에서 상전이 현상이 일어남이 보고되었다. 본 연구에서는 기상 수송 방법(vapor transport method)을 사용하여 1차원 또는 2차원 나노구조를 갖는 이산화바나듐을 성장시켰다. 특히 동일한 성장 조건에서도 기판에 따라 다른 형태로 이산화바나듐이 성장하는 것을 확인하였다. 즉 Si 기판($Si{\setminus}SiO_2$(300 nm) 위에서는 1차원 나노와이어 형태의 이산화바나듐이 성장하였고, 그래핀 나노시트 위에서 합성된 이산화바나듐은 2차원 또는 3차원 나노구조를 가지고 성장하였다. 바나듐 옥사이드 나노구조체의 성장에 사용된 Si 웨이퍼 위에 박리-전사된 그래핀 나노시트 기판과 thermal CVD 시스템으로 성장된 1D 또는 2D & 3D 나노 구조를 갖는 $VO_2$의 결정학적 특성을 Raman 분광학으로 분석하였다. Raman 분석결과 성장된 바나듐 옥사이드는 $VO_2$ 상을 갖는 것을 확인하였다.
이산화바나듐은 섭씨 68도에서 금속-절연체 상전이 특성을 나타내는 써모크로믹(thermochromic) 소재로서, 상전이 현상이 일어날 때 광학적, 전기적 성질이 급격히 변화하며, 이러한 상전이 현상은 가역적인 특성을 가지고 있다. 이산화바나듐의 금속-절연체 상전이 현상을 응용하기 위하여 상전이 온도를 상온 부근으로 낮추고자하는 많은 시도들이 있었으며, 직경 100 nm의 1차원 나노구조를 갖는 이산화바나듐 나노와이어의 경우 $29^{\circ}C$ 근처에서 상전이 현상이 일어남이 보고되었다. 본 연구에서는 기상 수송 방법(vapor transport method)을 사용하여 1차원 또는 2차원 나노구조를 갖는 이산화바나듐을 성장시켰다. 특히 동일한 성장 조건에서도 기판에 따라 다른 형태로 이산화바나듐이 성장하는 것을 확인하였다. 즉 Si 기판($Si{\setminus}SiO_2$(300 nm) 위에서는 1차원 나노와이어 형태의 이산화바나듐이 성장하였고, 그래핀 나노시트 위에서 합성된 이산화바나듐은 2차원 또는 3차원 나노구조를 가지고 성장하였다. 바나듐 옥사이드 나노구조체의 성장에 사용된 Si 웨이퍼 위에 박리-전사된 그래핀 나노시트 기판과 thermal CVD 시스템으로 성장된 1D 또는 2D & 3D 나노 구조를 갖는 $VO_2$의 결정학적 특성을 Raman 분광학으로 분석하였다. Raman 분석결과 성장된 바나듐 옥사이드는 $VO_2$ 상을 갖는 것을 확인하였다.
Vanadium dioxide, $VO_2$, is a thermochromic material that exhibits a reversible metal-insulator phase transition at $68^{\circ}C$, which accompanies rapid changes in the optical and electronic properties. To decrease the transition temperature around room temperature, a number...
Vanadium dioxide, $VO_2$, is a thermochromic material that exhibits a reversible metal-insulator phase transition at $68^{\circ}C$, which accompanies rapid changes in the optical and electronic properties. To decrease the transition temperature around room temperature, a number of studies have been performed. The phase transition temperature of 1D nanowire $VO_2$ with a 100 nm diameter was reported to be approximately $29^{\circ}C$. In this study, 1D or 2D nanostructured $VO_2$ was grown using the vapor transport method. Vanadium dioxide has a different morphology with the same growth conditions for different substrates. The 1D nanowires $VO_2$ were grown on a Si substrate ($Si{\setminus}SiO_2$(300 nm), whereas the 2D & 3D nanostructured $VO_2$ were grown on an exfoliated graphene nanosheet. The crystallographic properties of the 1D or 2D & 3D nanostructured $VO_2$, which were grown by thermal CVD, and exfoliated-transferred graphene nanosheets on a Si wafer which was used as substrate for the vanadium oxide nanostructures, were analyzed by Raman spectroscopy. The as-grown vanadium oxide nanostructures have a $VO_2$ phase, which are confirmed by Raman spectroscopy.
Vanadium dioxide, $VO_2$, is a thermochromic material that exhibits a reversible metal-insulator phase transition at $68^{\circ}C$, which accompanies rapid changes in the optical and electronic properties. To decrease the transition temperature around room temperature, a number of studies have been performed. The phase transition temperature of 1D nanowire $VO_2$ with a 100 nm diameter was reported to be approximately $29^{\circ}C$. In this study, 1D or 2D nanostructured $VO_2$ was grown using the vapor transport method. Vanadium dioxide has a different morphology with the same growth conditions for different substrates. The 1D nanowires $VO_2$ were grown on a Si substrate ($Si{\setminus}SiO_2$(300 nm), whereas the 2D & 3D nanostructured $VO_2$ were grown on an exfoliated graphene nanosheet. The crystallographic properties of the 1D or 2D & 3D nanostructured $VO_2$, which were grown by thermal CVD, and exfoliated-transferred graphene nanosheets on a Si wafer which was used as substrate for the vanadium oxide nanostructures, were analyzed by Raman spectroscopy. The as-grown vanadium oxide nanostructures have a $VO_2$ phase, which are confirmed by Raman spectroscopy.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 thermal CVD 장비를 이용한 vapor transport method에 기반하여 그래핀 나노시트 위에 2차원 나노구조를 갖는 VO2 소재의 성장에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 금속-절연체 상전이 특성을 나타내는 써모크로믹 소재인 이산화바나듐 나노구조체를 thermal CVD를 이용하여 기판 위에 직접 성장시키는 연구를 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
제안 방법
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 1,000°C까지 가열할 수 있는 thermal CVD 장비를 이용하여 vapor transport 방법으로 1차원 또는 2차원 나노구조를 갖는 바나듐옥사이드 나노구조체 성장을 진행하였다. 기판은 1 cm × 1 cm 또는 2 cm × 2 cm 크기의 Si 웨이퍼(Si\SiO2(300 nm)를 사용하였다.
바나듐옥사이드 나노구조체의 성장 실험 후 표면 상태를 광학현미경으로 우선 관찰하여 바나듐옥사이드 성공적인 성장여부를 판단하였고, 보다 정확한 morphology는 FE-SEM(Sirion by FEI)으로 분석하였다. FE-SEM 분석에서 시료의 오염을 방지하기 위하여 conducting layer로 일반적으로 사용하는 Pt 박막 코팅을 생략하고 표면분석을 실시하였다.
바나듐옥사이드 나노구조체의 성장 실험 후 표면 상태를 광학현미경으로 우선 관찰하여 바나듐옥사이드 성공적인 성장여부를 판단하였고, 보다 정확한 morphology는 FE-SEM(Sirion by FEI)으로 분석하였다. FE-SEM 분석에서 시료의 오염을 방지하기 위하여 conducting layer로 일반적으로 사용하는 Pt 박막 코팅을 생략하고 표면분석을 실시하였다.
바나듐옥사이드 나노구조체의 성장 실험은 알루미나 도가니에 순도 99.9%의 vanadium(IV) oxide powder (SIGMA-ALDRICH)를 2g loading한 후 heater 중앙에 위치시키고, micro-Raman 분석으로 기판 상태를 확인한 그래핀 나노시트 기판을 기판 지지대 위에 Si 웨이퍼 기판과 동시에 loading한 다음, 로터리 펌프로 30분간 6.0× 10-3 Torr 이하로 진공 분위기를 유지시킨 후, 고순도 Ar 가스(99.999%)를 흘려주면서 3차례 purging 절차를 거친다. 그 후에 일정한 flow rate(200 ∼ 250 SCCM)로 Ar gas를 흘려주면서 furnace를 16.
준비된 Si 웨이퍼 조각 위에 스카치 테이프법(scotch-tape method)으로 HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite)로부터 기계적으로 박리된 그래핀 나노시트를 전사하였다. 전사된 그래핀 나노시트의 상태를 확인하기 위하여 우선 광학현미경으로 관찰하였고, 그래핀 나노시트의 층수 및 quality는 micro-Raman(inVia Qontor by RENISHAW) 으로 확인하였다.
대상 데이터
1에 나타낸 바와 같이 1,000°C까지 가열할 수 있는 thermal CVD 장비를 이용하여 vapor transport 방법으로 1차원 또는 2차원 나노구조를 갖는 바나듐옥사이드 나노구조체 성장을 진행하였다. 기판은 1 cm × 1 cm 또는 2 cm × 2 cm 크기의 Si 웨이퍼(Si\SiO2(300 nm)를 사용하였다. Si 웨이퍼 조각 기판은 아세톤, 에틸알코올, 탈이온수(DI water)에 각각 5분씩 초음파 세척한 후 N2 gun으로 건조시켜 준비하였다.
이론/모형
Si 웨이퍼 조각 기판은 아세톤, 에틸알코올, 탈이온수(DI water)에 각각 5분씩 초음파 세척한 후 N2 gun으로 건조시켜 준비하였다. 준비된 Si 웨이퍼 조각 위에 스카치 테이프법(scotch-tape method)으로 HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite)로부터 기계적으로 박리된 그래핀 나노시트를 전사하였다. 전사된 그래핀 나노시트의 상태를 확인하기 위하여 우선 광학현미경으로 관찰하였고, 그래핀 나노시트의 층수 및 quality는 micro-Raman(inVia Qontor by RENISHAW) 으로 확인하였다.
성능/효과
1. 그래핀 나노시트 기판의 유무에 따라 바나듐 옥사이드는 동일한 성장조건에서도 Si기판 위에서는 1D nanobeam VO2로 성장되었고, graphene nanosheet 위에서는 2D & 3D nanostructure 형태의 VO2로 성장되었다.
파수 520 cm-1의 Si peak가 가장 강하게 나타나고, 1D VO2 peak는 매우 약하게 나타난다. 1D VO2 nanobeam은 기판 위에 듬성듬성 성장되었기에 Si 기판의 Raman peak에 비해 상대적으로 약하게 검출되지만, peak는 각각 파수 193, 224, 304, 337, 389, 615 cm-1에서 나타나 VO2 phase를 갖는 것을 확인할 수 있다[10].
후속연구
3. 따라서 그래핀 나노시트 기판의 층수와 품질을 정밀하게 제어할 수 있다면 매우 얇은 2D 나노구조를 갖는 VO2의 성장이 가능할 것으로 예상되어지며, 매우 얇은 2D 나노구조의 VO2는 SurfaceStress-Induced 효과에 기반하여 상온근처에서 상전이 현상이 일어나는 기능성 thermochromic VO2의 합성이 가능할 것으로 기대된다.
하지만 기판 위에 균일한 형태로 넓은 면적에 걸쳐 수백 nm 크기의 nanowire를 균일하게 성장시키는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 넓은 표면적을 갖는 매우 얇은 나노박막 형태의 VO2 소재의 합성이 가능하다면 Surface-Stress-Induced 효과에 기반하여 상전이 온도를 상온 부근으로 낮출 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화바나듐의 특징은?
이산화바나듐(VO2)은 잘 알려진 써모크로믹 소재로서 상온에서는 monoclinic 결정구조를 가지며, 전기적으로 절연체에 가깝게 저항이 매우 크고, 광학적으로 적외선 영역에서 투명하지만, 구조상전이가 일어나는 임계온도(Tc, critical temperature) 이상에서는 rutile 결정구조를 가지며, 전기적으로 도체에 가까워 저항이 낮으며, 광학적으로 적외선 영역에서 불투명한 특징을 가지고 있다. 이러한 이산화바나늄의 가역적인 상전이 현상을 이용하여 스마트 윈도우(smart window) 및 스위칭 소자 등에 응용하고자하는 연구가 오랫동안 진행되어왔다[1,2].
CVD를 이용하여 기판에 바나듐옥사이드를 합성할 경우 한계점은?
하지만 기판 위에 균일한 형태로 넓은 면적에 걸쳐 수백 nm 크기의 nanowire를 균일하게 성장시키는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 넓은 표면적을 갖는 매우 얇은 나노박막 형태의 VO2 소재의 합성이 가능하다면 Surface-Stress-Induced 효과에 기반하여 상전이 온도를 상온 부근으로 낮출 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
텅스텐 도핑으로 이산화바나듐의 상전이 온도를 조절할 경우 생길 수 있는 문제는?
이산화바나듐의 상전이 온도를 낮추고자하는 연구는 텅스텐(W)으로 도핑을 하거나[2, 3], 응력유도(stressinduced)에 의해 Tc를 조절하려는 시도가 있었으나[4, 5]아직 만족스러운 결과를 얻지는 못하고 있다. 텅스텐 도핑의 경우, 상전이 온도를 낮출 수는 있었지만 상전이 현상이 비가역적으로 변하는 문제가 발생하였다[3]. 써모 크로믹 소재인 VO2 박막을 준비하는 대표적인 방법은 Pulsed Laser Deposition, sputtering 같은 물리기상 증착법과 Atomic Layer Deposition, Chemical Vapor Deposition법을 이용한 박막과 나노구조체 합성 등이 있다.
참고문헌 (10)
H. Kim, Y. Kim, K. S. Kim, H. Y. Jeong, A. Jang, S. H. Han, D. H. Yoon, K. S. Suh, H. S. Shin, T. Y. Kim, and W. S. Yang, "Flexible Thermochromic Window Based on Hybridized VO2/Graphene", ACS Nano, vol. 7, pp. 5769-5776, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nn400358x
W. Burkhardt, T. Christmann, B. K. Meyer, W. Niessner, D. Schalch and A. Schamann, "W-and Fdoped $VO_2$ films studied by photoelectron spectroscopy Thin Solid Films, vol. 345, pp. 229-235, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0040-6090(98)01406-0
M. Mao, W. Huang, Y. Zhang, J. Yan, Y. Luo, Q. Shi, and J. Cai, "Study on Phase Transition Property of Tungsten-doped Vanadium Dioxide Thin Film at Tetrahertz Range" Journal of Inorganic Materials, vol. 27, pp. 892-896, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.3724/SP.J.1077.2012.12131
J. I. Sohn, H. J. Joo, D. Ahn, H. H. Lee, A. E. Porter, K. Kim, D. J. Kang, and M. E. Welland, "Surface-Stress-Induced Mott Transition and Nature of Associated Spatial Phase Transition in Single Crystalline $VO_2$ Nanowires", Nano Letters, vol. 9, pp. 3392-3397, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl900841k
A. Tselev, I. A. Luk'yanchuk, I. N. Ivanov, J. D. Budai, J. Z. Tischler, E. Strelcov, A. Kolmakov, and S. V. Kalinin, "Symmertry Relationship and Strain-Induced Transitions between Insulating M1 and M2 and Metallic R Phases of Vanadium Dioxide" Nano Letters, vol. 10, pp. 4409-4416, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl1020443
H. Liu, J. Lu, M. Zheng, S. H. Tang, C. H. Sow, X. Zhang, and L. Ke, "Size effects on metal-insulator phase transition in individual vanadium dioxide nanowires", Optics Express, vol. 22, pp. 30748-30755, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1364/OE.22.030748
B. S. Guiton, Q. Gu, A. L. Prieto, M. S. Gudiksen, and H. Park, "Single-Crystalline Vanadium Dioxide Nanowires with Rectangular Cross Sections", Journal of the American Chemical Society, vol. 127, pp 498-499, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ja045976g
J. H. Parker, Jr., D. W. Feldman, and M. Ashkin, "Raman Scattering by Silicon and Germanium", Physical Review, vol. 155, p. 712, 1967. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.155.712
A. C. Ferrari, J. C. Meyer, V. Scardaci, C. Casiraghi, M. Lazzeri, F. Mauri, S. Piscanec, D. Jiang, K. S. Novoselov, S. Roth, and A. K. Geim, "Raman Spectrum of Graphene and Graphene layers", Physical Review, vol. 97, p. 187401, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.97.187401
G. I. Petrov, V. V. Yakoviev, and J. Squier, "Raman microscopy analysis of phase transformation mechanisms in vanadium dioxide", Applied Physics Letters, vol. 81, pp. 1023-1025, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1496506
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