수소환원분위기에서 열화학증기증착법으로 제조한 SnO 및 SnO2 나노와이어의 공존에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 수소 환원분위기에서 Metal-seed VLS 메커니즘과 Self-seed VLS 메커니즘을 통해 성장한 나노와이어를 관찰하였다. Metal-seed VLS 메커니즘은 Seed 로 사용된 Au 에 의해 Vertical 한 방향으로 성장하였다. Self-seed VLS 메커니즘은 Source 스스로 Seed 역할을 하여 나노와이어의 성장을 리드(lead) 하여 성장하였다. Self-seed 를 통해 성장한 나노와이어는 Horizontal (in-plane) 방향으로 성장을 하다 Vertical (out-of-plane) 한 방향으로 성장하는 것을 관찰할 수 있었다. 수소 환원분위기에서 열화학증기증착법을 이용하였으며 캐리어 가스로 Ar 과 H2 가 혼합된 고순도 혼합가스를 사용하였다. 수소 환원 분위기에서 수소는 SnO2 의 Bonding 결합을 깨뜨리고 환원반응을 시켜 Vaporization 을 만드는 역할을 한다. 때문에 나노와이어는 비교적 낮은 온도에서 제조가 가능하다. 본 실험은 500℃ 부터 900℃ 사이에서 실험하였으며 Substrate 는 Amorphous 결정구조를 갖는 Au/Si3N4/Si(001) 와 Single crystal 결정구조를 갖는 Sapphire(0001) 를 사용하였다. 아르곤 수소 혼합가스의 분위기하에 압력은 3 torr 유량은 500 sccm 으로 유지하였다. Au-seed 를 사용하는 Si3N4/Si(001) Substrate 위에서 성장한 나노와이어는 SnO2 나노와이어와 SnO 나노와이어가 함께 공존하며 성장하는 것을 관찰 할 수 있었다. 이는 수소의 환원반응과 관련이 있다. Sapphire Substrate 위에 성장시킨 나노와이어는 아르곤 수소 혼합가스 분위기 하에 압력 5torr 유량은 40 sccm 으로 유지하였다. Metal-seed 를 사용하지 않는 Sapphire Substrate 위에서 성장한 나노와이어는 Metal-seed VLS 메커니즘에서 성장한 Out-of-plane 형태의 나노와이어와 다르게 In-plane 형태의 나노와이어로 성장하는 것을 관찰할 수 있었다. 뿐만 아니라 In-plane 형태로 성장하던 나노와이어가 Substrate 위에서 다른 방향으로 진행하던 나노와이어와 Contact 을 하거나 불순물 또는 서피스 에너지(Surface energy) 등 다양한 이유로 In-plane 방향에서 Out-of-plane 형태로 성장하여 Bundle 형태를 갖는 것을 관찰할 수 있었다. 구조적 특성은 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) 과 조성분석은 EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 분석법을 이용하여 측정하였으며 구조적 특성와 원자구조는 XRD (X-Ray diffraction) 및 TEM (Transmission Electron Microscopy) 을 통해 추가적으로 측정하였다.|In this paper, We observed the Nanowires(NWs) synthesized by the metal-seed VLS mechanism and the self-seed VLS mechanism in the hydrogen-reducing atmosphere. The metal-seed VLS mechanism fabricated NWs in the vertical direction by the Au used as the seed. also The self-seed VLS mechanism fabricated NWs by self-seed and lead growth direction for nanowires. The synthesized NWs were changed from a horizontal direction to a vertical direction because of other NWs, Surface energy, impurity on substrate. The thermal-CVD was used in a hydrogen reduction atmosphere Unlike typical thermal CVD, a mixture of hydrogen (H2) and Ar gas is used as a carrier gas, and catalyst powder such as graphite is not used. The hydrogen gas maintains the reduction atmosphere and easily vaporizes the SnO2 powder without a catalyst for supplying vapors such as Sn and O. This induces the Vapor-Liquid-Solid growth of SnO2 NWs at relatively low reaction temperatures below 600℃. We did experiment at temperature range from 500℃ to 900℃. The Ar-H2 kept the pressure (3 torr) and flow-rate (500 sccm) on the Au/Si3N4/Si substrates. This study demonstrates that thermal CVD in a hydrogen reduction atmosphere produces SnO NWs as well as SnO2 NWs And kept the pressure (5 torr) and flow-rate (40 sccm) on the Sapphire substrates. The NWs were fabricated to in-plane nanowires on bare Sapphire substrates without metal seed (catalyst). In addition, in-plane nanowires grow vertically when they meet other nanowires or impurities on the substrate. also surface energy is important. We observed that the resulting NWs consisted of SnO and SnO2 determined by performing FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) and EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy). also We observed that the resulting NWs consisted of SnO and SnO2 determined by performing XRD (X-Ray diffraction) and TEM (Transmission Electron Microscopy) analysis.