나노다공성 알루미나틀을 이용한 균일한 탄소 나노튜브 및 CdTe 양자점 배열의 생장과 그 특성연구
Fabrication and Characterization of Uniform CNT & CdTe QD Arrays using Nanoporous Alumina Templates
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 모선일
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
균일한 탄소 나노튜브 (carbon nanotube; CNT) 및 양자점 (quantum dot; QD) 배열을 나노다공성 알루미나 틀 (nanoporous alumina template)을 이용해 제조하여 그 특성을 연구하였다. 알루미늄을 황산 및 옥살산 전해질 용액에서 두 단계 양극산화 과정 (two-step anodization process)을 실시하여 균일하고 잘 정렬된 다공성 알루미나를 제조하였다. 양극 산화조건을 변화시켜 나노다공성 알루미나의 동공 (pore)의 크기와 밀도, 두께 등을 조절하였다. 황산 전해질 용액에서 산화전압을 17 V에서 25 V의 범위에서 변화시켜 생장된 알루미나의 육각형 셀 크기는 44 ~ 66 nm 이고, 동공 밀도는 2.5 x 10^(10) ~ 4.3 x 10^(10) /㎠이었다. 옥살산 전해질 용액에서는 30 V에서 50 V범위에서 제조된 잘 정렬된 나노다공성 알루미나의 셀 크기는84 ~ 145 nm 이고, 동공 밀도는 7.5 x 10^(9) ~ 1.5 x 10^(10)/㎠이었다. 셀 크기 및 동공 밀도는 전체 산화전압 범위 17 ~ 50 V에서 가해준 산화 정 전압에 선형으로 비례한다. 동공의 크기는 에칭시간에 따라 셀 크기 내에서 조절할 수 있었다. 균일한 크기의 동공이 잘 배열되게 제조한 나노다공성 알루미나를 사용하여 CdTe양자점 배열의 제조 및 전기이중층 커패시터 (EDLC)용 CNT전극의 제조에 활용하였다. EDLC용 전극은 넓은 표면적을 가져야 큰 용량을 나타내므로, 균일한 직경의 CNT를 나노다공성 알루미나 틀속에 제조하여 비표면적 값을 증가시켰다. 알루미나 틀의 동공 속에 균일한 나노크기의Co 촉매금속을 전기화학적으로 증착시키고, CNT를 화학기상 증착법 (CVD)으로 생장하였다. 또한, 나노다공 성 알루미나 밑의 Al기판이 직접 전극의 전류 집전자 (current collector)로 사용되므로 EDLC를 구성하는 전극개발 공정을 간소화할 수 있는 장점이 있다. 생장된 CNT전극에 대해 순환전압 전류곡선 (CV) 측정과 충전-방전 (charge-discharge) 테스트를 실시하여 축전용량을 계산하고, EDLC의 전극으로의 응용가능성을 연구하였다. 약50 nm의 직경을 갖는 균일한 CNT전극을 1 M H₂SO₄을 전해질로 사용하여 측정한 EDLC의 비축전용량 (specific capacitance)은 49 F/g이었다. 이 값은 다른 그룹에서 30 nm의 CNT를 사용하여 얻은 35 F/g값보다 훨씬 우수한 결과이다. 반도체 양자점을 전기적/광소자로 활용하기 위해서는 크기와 공간배치를 제어할 수 있는 기술은 상당히 중요하다. 분자선 에피성장 (molecular beam epitaxy; MBE)법으로 GaAs(100) 기판 위에 균일한 크기의 CdTe양자점 배열을 생장하기 위하여 나노다공성 알루미나 마스크를 사용하였다. CdTe양자점의 크기 및 배열 특성은 사용한 마스크의 동공 크기와 배열에 의존하며, CdTe와 GaAs 기판 사이의 커다란 격자부정합 (~15%)에도 불구하고 균일한 CdTe양자점 배열이 사용된 알루미나 마스크와 같은 형태로 형성되었다. 마스크의 동공의 크기 및 밀도가 조절된 아주 얇은 (< 0.5 μm) 두께의 나노다공 성 알루미나 마스크를 사용하여 양자점 크기가 35 nm (양자점 밀도는 2.5 x 10^(10) /㎠), 55 nm (양자점 밀도는 1.5 x 10^(10) /㎠), 80 nm (양자점 밀도는1.0 x 10^(10)/㎠)의 균일한 CdTe양자점 배열들을 제조할 수 있었다.
more초록/요약
Nanoporous alumina (=anodic aluminum oxide; AAO) has attracted increasing attention as a key material for the abrication of nanomaterials such as a carbon nanotube and quantum dot for application of devices on a nanometer scale. Well-ordered channel array in the nanoporous alumina was fabricated by a two-step anodic anodization. The property of nanoporous alumina template was controlled by anodization conditions. The hexagonal cell size of nanoporous alumina is proportional to the anodization voltage. In sulfuric acid solution, with the anodization voltage being varied between 17 V and 25 V, the cell sizes of the nanoporous alumina formed were from 44 nm to 66nm, where the pore diameters were able to adjust from 15 ㎚ to 50 ㎚ by a pore widening process. The pore density of the nanoporous alumina corresponds to 2.5 ~ 4.3 x 10^(10) pores/㎠. The cell sizes of the nanoporous alumina formed varying the anodization voltage of 30 V~ 50 V in 0.3 M oxalic acid were from 84 nm to 145 nm with the pore diameter being adjusted from 35 ㎚ to 90 ㎚. The pore densities correspond to 7.5 x 10^(9) ~ 1.5 x 10^(10) pores/㎠. Carbon nanotubes (CNTs) were grown on the porous alumina/Al templates. Using nanoporous alumina/Al templates was proposed a novel method for the control of dimension and density of CNTs. 134 Electronic properties and structure of CNTs are known to be very useful for an electrode material for electric double layer capacitor (EDLC). For EDLC applications, aluminum metal substrate below the porous alumina layer can work directly as conductive electrode substrate. The capacitances measured for CNT (diameter= 50±10 nm) electrodes from both the charge-discharge curves and cyclic voltammograms was 49 F/g, which is a high value compared with the reported results with the similar CNT diameters. Formation of semiconductor quantum dot (QDs) is of great importance for their potential applications in electronic and optoelectronic devices. One of the major challenges in fabricating QDs is the uniformity in size and spatial distribution. The size- and density-controlled CdTe QDs were formed on the GaAs substrate (100) using nanoporous alumina masks by the molecular beam epitaxial method (MBE). The uniform CdTe QDAs were formed as a replica of the mask in spite of the large lattice mismatch (~ 15%) between the GaAs substrate and CdTe. Using very thin nanoporous alumina masks (< 0.5 ㎛ thickness), fabricated were the CdTe QDAs with homogeneous dot sizes of 35 nm (with dot densities of 2.5 x 10^(10) /㎠), 55 nm (with dot densities of 1.5 x 10^(10) /㎠), and 80 nm (with dot densities of ~1.0 x 10^(10) /㎠), respectively.
more목차
목차
국문요약 = ⅰ
목차 = ⅲ
그림 목차 = ⅵ
표목차 = ⅷ
제 1 장 연구 동기 및 연구의 목적 = 1
제 2 장 나노다공성 알루미나의 제조 = 7
2.1 나노다공성 알루미나 (Nanoporous Alumina) = 7
2.1.1 나노다공성 알루미나의 특성과 구조 = 7
2.1.2 나노다공성 알루미나의 형성 메커니즘 = 10
2.2 실험 = 17
2.3 알루미늄 표면의 전해연마 = 24
2.4 양극산화의 조건에 따른 알루미나의 특성 = 26
2.4.1 두 단계 양극산화 효과 = 27
2.4.2 양극산화 전압에 따른 셀 크기와 동공의 밀도 = 31
2.4.3 양극산화 전압과 시간에 따른 두께 = 35
2.4.4 에칭시간에 따른 동공의 크기 = 41
2.5 CNT전극 기판 틀로서 나노다공성 알루미나 제조 = 43
2.6 양자점 제조를 위한 마스크로서 나노다공성 알루미나 제조 = 47
2.7 논의 = 52
제 3장 Nanoporous alumina template에 생장된 탄소나노튜브의 전기화학적 특성 = 54
3.1 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube) = 54
3.1.1 CNT의 전기이중층 커패시터의 특성 = 54
3.1.2 전기이중층 커패시터의 원리와 구조 = 56
3.2 실험 = 61
3.3 촉매물질의 전기화학증착과 CNT의 형태 = 65
3.4 탄소나노튜브의 전기화학적인 특성 = 68
3.4.1. Cyclic-Voltammetry = 68
3.4.2. 충전-방전 (Charge-Discharge) 테스트 결과 = 73
3.5 논의 = 77
제 4장 다공성 알루미나 마스크를 이용한 GaAs 기판 위에 균일한 CdTe 양자점배열의 제조 = 79
4.1 양자점 (Quantum Dot) = 79
4.1.1 양자 점의 특성 = 79
4.1.2 Ⅱ-Ⅳ 반도체 양자점 생장 = 86
4.2 실험 = 97
4.3 생장조건에 따른 CdTe 양자점 배열의형태 = 102
4.3.1 온도변화에 따른 CdTe 양자점의 형태 = 102
4.3.2 마스크의 특성에 의존하는 CdTe 양자점 배열 = 104
4.4 양자점의 광학적 특성 = 110
4.5 논의 = 117
제 5장 결론 = 119
참고문헌 = 124
Abstract = 133
부록 = 135
1) Curriculum Vita = 135
2) Published Paper = 140
