열기상증착법으로 합성한 ZnS 나노선의 구조적 특성 분석

Abstract

나노선, 나노벨트, 나노리본과 같은 일차원 나노구조체는 양자제한효과나 표면적 효과같은 독특한 현상 때문에 큰 주목을 받고 있다. 일반적으로, 나노미터 스케일의 포텐셜 우물에 전자를 제한할 수 있게 되면, 고체상태 물질의 전기적, 광학적, 자기적, 열적 특성들을 기존의 벌크와는 다르게 제어할 수 있는 가장 강력한 기술이 될 것이라고 생각하고 있다.나노크기의 구조체와 관련된 현상으로, 크기에 따른 발광효과의 변화나 전도도의 양자화, 금속-절연체 변이 등이 있다. 따라서 크기와 차원의 물리적 특성에 관한 근본적인 이해는 화학, 물리학, 전자기학, 광학, 재료과학, 의학을 비롯한 나노소자에의 광범위한 적용을 위해서 반드시 필요하다.2-6족 반도체 화합물은 일반적으로 3-5족 반도체 물질보다 밴드갭이 크다. 때문에, 십수년동안 LED나 LD와 같은 광전소자에 응용하기 위해 연구가 진행되고 있다. 2-6족 반도체 화합물중 하나인 ZnS는 온도에 따라서 두가지 구조 - wurtzite, sphalerite - 를 갖는 폴리모피즘을 보이는 물질이다. 넓은 밴드갭을 갖는 물질중에서도 ZnS는 3.7 eV의 밴드갭과, 상온에서의 열에너지보다 큰 40 meV의 엑시톤 결합에너지를 갖기 때문에 상온에서 발광이 가능한 특성이 있다. 본 논문에서는 ZnS 일차원 나노구조체를 촉매없이 간단한 열기상증착법으로 합성하고 그 구조를 XRD, SEM, TEM등을 통하여 미세구조를 분석하고자 하였다. XRD 결과에서 합성된 구조체는 대부분 sphalerite와 wurtzite 두가지 구조가 동시에 관찰이 되었다. ZnS는 두가지 구조간의 에너지차가 크지 않기 때문에 적은 에너지로 변이가 쉽게 가능하기 때문인 것으로 생각된다. SEM 관찰결과 형태는 선, 가지, 톱 등의 형태로 다양하게 관찰되었으나 시간에 따른 경향성은 발견되지 않았다. 성장방향은 <1010>, <2110>, <0002>으로 나타났으며, sphalerite구조에서는 <111>, <002> 방향으로 성장하는것이 관찰되었다.시간에 증가하면서 소량의 oxygen이 나노구조체의 중심부에서 발견되었으나 그 양이 적어 XRD로는 관찰되지 않았다. Oxygen의 양은 반응시간이 길어지면서 조금씩 증가할 것으로 생각된다. 중심부에 존재하는 oxygen으로 인해 ZnO가 중심부에 존재하고 표면을 ZnS가 감싸고 있는 케이블 형태의 이종구조체를 만들것으로 생각된다. 중심부에서 ZnO와 ZnS의 겹침으로 여러 가지 독특한 모아레 줄무늬가 나타났으며, 이를 통해 두가지 물질의 존재와 방향관계(orientation relationship)를 알아낼 수 있었다. 또 다른 선모양의 나노구조체에서는 중심부의 겹침으로 나타나는 모아레 줄무늬 이외에도 표면에 있는 ZnS에 많은 적층결함이 도입되어 두가지 구조가 불규칙하게 변하는 형태도 관찰되었다.