니켈과 팔라듐 금속 나노선의 합성과 물성에 관한 연구

Abstract

니켈 나노선의 (Nickel nanowire) 합성은 고온을 발생시키는 도가니와 (Furnace) 석영 튜브를 (Quartz tube) 이용하였다. 나노선 합성을 위한 전구체는 (Precursor) $NiCl_2$ 분말을 (anhydrous, powder, 99.99%, Aldrich) 이용하였으며, NiCl2 전구체는 니켈 나노선 합성을 위한 증기압이 (Vapor pressure) 충분히 크기 때문에 저압 실험이 (Low pressure) 아닌 상압에서 (Atmospheric pressure) 실험을 수행하였다. 우선, 고온 발생 장치인 도가니에 석영 튜브를 설치한 뒤, $NiCl_2$ 전구체를 산화알루미늄 보트 (Alumina boat) 안에 올려놓는다. 도가니 안에서 고온 발생 시 $NiCl_2$ 는 니켈과 염소 가스로 분해가 되고 (식 1 참고), 분해된 니켈 증기를 운반하기 위해 Ar 가스를 100 sccm (Standard cubic centimeter per minute) 만큼 흘려준다. 니켈 나노선이 사파이어 $(Al_2O_3)$ 기판 (0001) 위에서 성장하도록 하기 위해 기판을 보트를 놓는 위치보다 아래쪽에 즉, 그림 9와 같이 Ar 흐름에 대해 보트보다 좀 더 멀리 위치시킨다. 이렇게 설치를 한 뒤 도가니 속의 온도를 1100 ℃ 로 30분 동안 유지한다. 30분 후 반응을 끝내고 도가니를 열어 상온까지 (Room temperature) 식히고 난 뒤, 기판을 육안으로 관찰해 보면 회색으로 덮인 것을 확인할 수가 있으며, 주사 전자 현미경으로 나노선을 확인하기 전에 광학 현미경으로 기판을 관찰해 보면 나노선 합성 여부를 쉽게 확인할 수 있다. 위와 같이 동일한 조건으로 실험을 하되 사파이어 기판을 실리콘 기판으로 교체하여 실험을 하게 되면 니켈 나노선이 아닌 규화 니켈 (Nickel silicide) 나노선을 합성할 수도 있으며, 이 역시 금속의 성질을 가지는 금속 나노선이라 할 수가 있다. 팔라듐 나노선의 (Palladium nanowire) 합성 역시 고온 발생 장치인 도가니와 (Furnace) 석영 튜브를 (Quartz tube) 이용하였다. 전구체 (Precursor) 로는 $PdCl_2$ 분말을 (powder, 99.999%, Aldrich) 사용하였으며, 이 전구체는 식 2와 같이 고온 열에 의해 Pd 가스와 $Cl_2$ 가스로 분해가 되어진다. 이렇게 분해되어진 Pd 가스는 적절한 합성 조건에 의해 비교적 저온 지역에서 VS (Vapor-Solid) 메카니즘에 따라 Pd의 과포화 상태를 거쳐 팔라듐 나노선으로 합성이 되어질 수 있다. 또한, 전구체로부터 형성되는 전구체 증기를 석영 튜브 안에 놓인 기판까지 운반하기 위해서 Ar 가스를 100 sccm (Standard cubic centimeter per minute) 만큼 흘려준다. 우선, 도가니에 석영 튜브를 설치한 뒤, Ar 흐름에 대해 전구체를 놓아두는 위치보다 더 아래쪽에 기판을 석영 튜브 안쪽에 위치시킨다. $PdCl_2$ 분말을 산화알루미늄 보트 (Alumina boat) 안에 올려놓은 후, 석영 튜브 안 가열 지역에 적절히 위치 시킨다. 이렇게 설치를 한 뒤, 도가니 속의 온도를 1100 ℃ 로 30분 동안 유지한다. 30분 동안의 반응을 끝내고 도가니를 열어 온도를 상온까지 (Room temperature) 식히고 난 후, 기판을 조심스럽게 튜브에서 꺼내어 육안으로 기판을 관찰해 보면 검회색으로 변한 것을 관찰할 수 있다. 나노선의 합성 여부를 위해서는 광학 현미경으로 관찰할 수가 있으며, 주사 전자 현미경을 통해 나노선에 대한 자세한 이미지를 얻을 수가 있다. 다른 여러 가지 물성 측정을 위해서는 X선 회절, 투과 전자 현미경 등을 이용하여 나노선에 대한 세세한 분석을 수행할 수 있다.