[논문]MOCVD를 이용한 금속 촉매 종류에 따른 β-Ga2O3 나노 와이어의 제작과 특성

이승현; 이서영; 정용호; 이효종; 안형수; 양민

doi:10.6111/jkcgct.2017.27.1.001

MOCVD를 이용한 금속 촉매 종류에 따른 β-Ga2O3 나노 와이어의 제작과 특성
Catalytic synthesis and properties of β-Ga2O3 nanowires by metal organic chemical vapor deposition 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.27 no.1, 2017년, pp.1 - 8

이승현 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 이서영 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 정용호 (동아대학교 신소재공학과) , 이효종 (동아대학교 신소재공학과) , 안형수 (한국해양대학교 전자소재공학과) , 양민 (한국해양대학교 전자소재공학과)

초록
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Metal organic chemical vapor deposition(MOCVD) 방법을 이용하여 금속 촉매에 따른 ${\beta}-Ga_2O_3$ 나노 와이어의 제작과 특성에 대해 연구하였다. 본 연구의 성장 조건에서 ${\beta}-Ga_2O_3$ 나노 와이어의 성장이 가능한 금속 촉매는 Au, Cu 그리고 Ni이 있었으며 각 금속 촉매로 성장한 나노 와이어는 성장률과 형상에 많은 차이가 있었다. Ni 촉매 성장의 경우에는 Vapor-Solid(VS) 과정이 ${\beta}-Ga_2O_3$ 나노 와이어 성장의 주된 메커니즘이고 Au, Cu 촉매 성장의 경우에는 Vapor-Liquid-Solid(VLS) 과정이 주된 성장 메커니즘 임을 확인할 수 있었다. 또한, 촉매의 종류에 따라서 ${\beta}-Ga_2O_3$ 나노 와이어의 광학적 특성도 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 동일한 성장 조건에서 Ti, Ag 그리고 Sn 금속은 나노 와이어 성장을 위한 촉매로 작용하지 못하였다. 본 연구에서는 금속 촉매에 따른 나노 와이어의 성장 가능 여부와 성장한 나노 와이어의 특성 변화가 금속 촉매의 녹는 점, 금속- Ga의 공융 점과 관련이 있음을 상태도와 연관 지어 밝혀내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Catalytic synthesis and properties of ${\beta}-Ga_2O_3$ nanowires grown by metal organic chemical vapor deposition are reported. Au, Ni and Cu catalysts were suitable for the growth of $Ga_2O_3$ nanowires under our experimental conditions. The $Ga_2O_3$ nanowires grown by using Au, Ni and Cu catalysts showed different growth rates and morphologies in each case. We found the $Ga_2O_3$ nanowires were grown by the Vapor-Solid (VS) process when Ni was used as a catalyst while the Vapor-Liquid-Solid (VLS) was a dominant process in case of Au and Cu catalysts. Also, we found nanowires showed different optical properties depend on catalytic metals. On the other hand, for the cases of Ti, Sn and Ag catalysts, nanowires could not be obtained under the same condition of Au, Cu and Ni catalytic synthesis. We found that these results are related to the different characteristics of each catalyst, such as, melting points and phase diagrams with gallium metal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

나노 와이어의 형태 및 특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 금속 촉매의 공융 점, 녹는 점 등의 차이에 의한 형태 변화 및 구조적, 광학적 특성 변화를 관찰하는 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 다양한 금속 촉매를 이용하여 Ga₂O₃ 나노 와이어를 성장시켜 비교함으로써 금속 촉매가 Ga₂O₃ 나노 와이어의 형태 및 특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 금속 촉매의 공융 점, 녹는 점 등의 차이에 의한 형태 변화 및 구조적, 광학적 특성 변화를 관찰하는 연구를 진행하였다.

제안 방법

본 연구의 성장 온도에서 는 Au와 Cu, Ni이 나노 와이어 성장을 위한 촉매로 작용하였다. Au와 Cu, Ni을 이용하여 성장한 나노 와이어는 각기 다른 형태를 가지고 있었으며 성장 메커니즘, 구조적, 광학적 특성이 다름을 확인하였다. 반면, Ti, Ag 그리고 Sn은 촉매로 작용하지 못하였다.
MOCVD를 이용한 β-Ga2O3 나노 와이어 성장에서 금속 촉매 의존성을 확인하였다.
성장이 완료된 Ga₂O₃ 나노 와이어의 형상 특성을 관찰하기 위해 SEM(scanning electron microscopy)을 사용하였다. 그리고 결정성 평가 및 광학적 특성 평가를 위해 XRD(x-ray diffraction), CL(cathodoluminescence), Raman spectroscopy 측정을 실시하였다.
본 연구를 통해 β-Ga2O3 나노 와이어 성장에서 금속 촉매 종류에 따른 각기 다른 성장 메커니즘과 형태, 특성을 확인하였다.
반면, Ti, Ag 그리고 Sn은 촉매로 작용하지 못하였다. 이러한 원인을 상태도를 통해 분석하였다. 촉매 성장에서 금속의 녹는점과 금속-Ga의 공융점이 촉매 작용을 결정하는 중요한 요소이며 따라서 성장 온도가 촉매 성장에 큰 영향을 주는 것을 판단된다.
유기 세척 후 기판 위의 산화막을 BOE(buffered oxide etchant) 용액을 이용하여 제거하였다. 이후 세척된 사파이어 기판에 E-beam evaporation을 이용하여 금속을 증 착 하였다. 이 때, 증착된 금속의 두께는 10 Å이었으며 금속의 종류로는 Au와 Ni, Ti, Cu, Ag, Sn이 사용되었다.

대상 데이터

증착이 완료된 사파이어 기판을 MOCVD 장비의 반응관 안에 장착한 후 Ga₂O₃를 1000℃에서 5분간 성장하였다. Ga₂O₃를 성장하는 동안 Ga 원자와 산소 원자의 원료로서 trimethyl-gallium(TMGa)와 질소 가스를 이용한 deionized water bubbling에 의한 H2O를 각각 사용하였으며, 각 원료 가스의 유량은 각각 5 sccm과 150 sccm이 되도록 공급하였다. Ga₂O₃를 성장하는 동안 반응로의 압력은 대기압이며 캐리어 가스로는 질소 가스를 이용하였다.
나노 와이어 성장에서 금속 촉매 의존성을 확인하였다. 본 연구의 성장 온도에서 는 Au와 Cu, Ni이 나노 와이어 성장을 위한 촉매로 작용하였다. Au와 Cu, Ni을 이용하여 성장한 나노 와이어는 각기 다른 형태를 가지고 있었으며 성장 메커니즘, 구조적, 광학적 특성이 다름을 확인하였다.
이 때, 증착된 금속의 두께는 10 Å이었으며 금속의 종류로는 Au와 Ni, Ti, Cu, Ag, Sn이 사용되었다.

이론/모형

Ga₂O₃를 성장하는 동안 반응로의 압력은 대기압이며 캐리어 가스로는 질소 가스를 이용하였다. 성장이 완료된 Ga₂O₃ 나노 와이어의 형상 특성을 관찰하기 위해 SEM(scanning electron microscopy)을 사용하였다. 그리고 결정성 평가 및 광학적 특성 평가를 위해 XRD(x-ray diffraction), CL(cathodoluminescence), Raman spectroscopy 측정을 실시하였다.

성능/효과

이러한 각 금속 촉매에 대한 Ga 소스의 용해 양의 차이가 나노 와이어의 성장률에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. Fig. 1(d)~ (f)의 상태도에서 확인할 수 있듯이 본 연구의 성장 온도인 1000℃에서 금속 촉매에 녹아있는 Ga의 원자 분율 농도는 Au 촉매에서 약 5 %이고 Cu 촉매에서는 약 13 % 그리고 Ni 촉매는 약 73 %로 나타나는 것으로 확인할 수 있었는데 이 결과들로부터 금속 촉매 안에 녹아있는 Ga 원자의 양이 나노 와이어의 길이 방향으로의 성장률에 직접적인 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다.
XRD 분석을 통해 Au와 Ni, Cu 촉매를 이용하여 β-Ga2O3 나 노 와이어가 성장된 것을 확인할 수 있었다.
3(a))에 비해 금속 droplet의 직경이 큰 것으로 확인되었으며, 이 결과는 Table 1에 정리한 바와 같이 Cu의 경우 나노 와이어의 직경이 Au의 경우 보다 더 크게 성장된 결과와 일치함을 알 수 있다. 각각의 나노 와이어의 직경 차이는 결정 성장 초기의 금속 droplet의 직경에 큰 영향을 받는다는 것을 본 연구를 통해서 확인할 수 있었다. 한편, Ni의 경우(Fig.
반면, Ag(960℃)와 Sn(231℃)의 경우에는 촉매 금속들의 녹는점보다 높은 온도에서 나노 와이어 성장이 실시되었기 때문에 결정화 되지 않고 액체 상태로만 존재하여 촉매로 작용하지 못한 것으로 판단된다. 따라서 Ga₂O₃ 나노 와이어 촉매 성장에서는 다른 여러 가지 물리화학적 특성과 더불어서 촉매 금속 자체의 녹는점과 나노 와이어 형성을 위한 성장 온도가 촉매 작용에 의한 Ga₂O₃ 나노 와이어 성장에 매우 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
앞서 언급한 바와 같이 Au, Cu 촉매(VLS)와 Ni 촉매 (VS)는 각각 다른 성장 메커니즘을 보인다. 이러한 나노 와이어 성장 메커니즘 차이에 따라 불순물들의 종류나 유입량 변화가 발생하고 이로 인해 광학적 특성이 변화하는 것을 확인하였다. 그러나 불순물들의 종류나 유입 원인 등을 보다 상세하게 규명하기 위해서는 저온에서의 정밀한 광학적 특성 측정을 통한 분석이 필요하기 때문에 이에 대해서는 향후에 연구 결과를 발표할 계획이다.

후속연구

이러한 나노 와이어 성장 메커니즘 차이에 따라 불순물들의 종류나 유입량 변화가 발생하고 이로 인해 광학적 특성이 변화하는 것을 확인하였다. 그러나 불순물들의 종류나 유입 원인 등을 보다 상세하게 규명하기 위해서는 저온에서의 정밀한 광학적 특성 측정을 통한 분석이 필요하기 때문에 이에 대해서는 향후에 연구 결과를 발표할 계획이다.
나노 와이어 성장에서 금속 촉매 종류에 따른 각기 다른 성장 메커니즘과 형태, 특성을 확인하였다. 따라서 적용 분야에 따라 사용하는 촉매의 변화를 통해 형태 및 구조, 광학적 특성을 선택적으로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
따라서 앞에서 설명한 촉매 금속 과 Ga 금속의 공융점과 나노 와이어 성장 온도와의 관계뿐만 아니라, 성장 전의 촉매 금속들의 형상 또한 나노 와이어 성장 메커니즘에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 보다 분명한 이유를 밝히기 위해서는 열처리 온도에 따른 세밀한 분석이 필요할 것으로 판단되지만 이 논문에서는 금속 종류에 따른 나노 와이어 성장 가능성 여부와 성장된 나노 와이어의 대표적인 특징에 대해서 중점적으로 논의하기로 하고 Ni에 대한 자세한 결과는 다른 기회에 발표할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	β-Ga2O3의 특징은?	β-Ga2O3는 단사정계(monoclinic) 구조의 산화물 반도체로 약 4.9 eV의 넓은 에너지 밴드 갭을 가지며 또한 UV 영역에서의 발광 특성과 전도성으로 인해 광전자 소자와 고온 동작 가스 센서를 위한 물질로써 주목을 받고 있다[1-3]. 특히 질화물 반도체와 비교하여 내구성이 강한 산화물 반도체 고유의 특성 때문에 Ga2O3에 관한 많은 연구가 진행되고 있다[4, 5].
	Ga2O3에 관한 많은 연구가 진행되는 이유는?	9 eV의 넓은 에너지 밴드 갭을 가지며 또한 UV 영역에서의 발광 특성과 전도성으로 인해 광전자 소자와 고온 동작 가스 센서를 위한 물질로써 주목을 받고 있다[1-3]. 특히 질화물 반도체와 비교하여 내구성이 강한 산화물 반도체 고유의 특성 때문에 Ga2O3에 관한 많은 연구가 진행되고 있다[4, 5].
	나노 와이어의 금속 촉매를 이용한 성장 방법의 특징은 무엇인가?	나노 와이어의 성장 방법으로는 다양한 방법이 보고되고 있지만 대표적으로 금속 촉매를 이용한 성장 방법이 있다. 촉매 성장의 메커니즘은 vapor-liquid-solid(VLS)와 vapor-solid-solid(VSS), vapor-solid(VS) 등이 있으며[12], 각각의 성장 방법에 따라서 나노 와이어의 끝 부분에 존재하는 금속 tip의 유무 및 형태 등이 서로 다른 특징을 보인다.

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저자의 다른 논문 :

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].

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