반도체 황화합물 나노재료의 성장 및 광학적 특성에 관한 연구

Abstract

본 학위 논문은 나노재료의 제조와 광학적 특성에 관한 것으로, 특히 반도체 금속황화합물에 관하여 주로 다루었다. 본 학위 논문의 구성은 서론 부분과 반도체 금속황화합물의 복합나노입자와 관한 장과 반도체 금속황화합물의 1차원 구조에 관한 장으로 되어 있다. 제 1장에서는 나노재료와 반도체 금속황화합물에 관한 일반적인 내용을 담고 있다. 나노재료는 근래에 들어서 특이한 물성과 광범위한 잠재적 적용가능성으로 인하여 상당히 주목을 받고 있다. 이러한 재료들은 양자제한효과, 양자크기효과, 표면적효과와 같은 두드러진 물성을 나타낸다. 따라서 이런 특성들은 여러 분야에서 응용과 연구가 이루어지고 있다. 많은 나노재료중에서 나노결정성을 갖는 반도체 금속황화합물은 여러 중요한 응용분야에서 이용되고 있다, 이러한 재료는 일반적으로 빛의 흡수에 알맞은 직접밴드갭 물질로, 이로 인해서 광발광다이오드, 태양전지, 생물적표지와 같은 광학, 광전자, 의학 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 이런 성질들은 입자의 크기를 조절해줌으로써 다양하게 변화를 줄 수 있으며 따라서 더욱 다양한 응용분야에서 이용될 것으로 예상된다. 제 2장에서, 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS)를 도입하여 제조한 다양한 반도체 금속황화합물의 복합나노입자를 제조하엿다. 이 복합나노입자들은 구형의 APTMS 입자들 속에 파묻혀 있는 구조를 가지고 있었고 양자제한효과로 인한 발광특성을 나타냈다. 특히 CdS/APTMS 복합나노입자의 경우, 몇 가지 인자들을 조절해줌으로써 발광색을 간단하게 조절할 수 있었다. 제 3장에서는 반도체 금속황화물의 일차원 구조를 새로운 증발 유도성장법을 이용하여 성장시켰다. 방향성이 있는 육각형, 직사각형 마이크로 튜브와 마이크로로드를 이 성장법을 통해 제조할 수 있었다. 이들의 마이크로구조내의 물과 thiourea (TU) 분자가 존재하고 있었으며, 이러한 분자들의 존재에 의한 수소결합으로 인해서 마이크로 구조의 성장이 이루어진 것으로 보인다. 이들의 형상과 구조는 1,2-dimethoxyethane (DME)의 양과 반응온도를 바꾸어주어 조절할 수 있었으며 증발 단계에서 압력과 온도를 제어해줌으로써 다양한 형태를 얻을 수 있었다. 증발유도 성장법을 통해서 PbS 와 CuS의 1차원 구조 또한 성장이 가능했으며, 이들은 마이크로로드 구조를 가지고 있었고, 이것은 이 성장법을 산화물이나 금속 같은 다양한 재료들에도 적용이 가능함을 보여주는 것으로 보인다.; This dissertation is related with preparation and optical properties of nanomaterials, especially semiconductor metal sulfide. This dissertation is organized into three chapters, including introductory chapter and main topic of research classified as two chapters. Chapter 2 is focused on the preparation and optical properties of semiconductor metal sulfide composite nanoparticles and chapter 3 is on the growth and optical properties of semiconductor metal sulfide microstructures. In chapter 1, general description of nanomaterials and semiconductor metal sulfide was presented. Nanomaterials have attracted much attention in the past decade because of unique properties and tremendous potential applications. These nanomaterials have outstanding properties based on their dimensions and sizes. They exhibit properties quite different from those of bulk materials due to quantum size effect, quantum confinement phenomena and surface area effect on the nanoscale. Therefore, these properties have been used and investigated in a variety of areas. Among a number of nanomaterials, nanocrystalline semiconductor metal sulfide materials have several important application fields. Generally, they have direct bandgap suitable for absorption of light, which enables them to be used in optical, optoelectronic and biomedical areas such as light emitting diodes (LEDs), photovoltaic solar cells and biological labeling. The properties of these materials can be changed by tuning the scale of particles so that they can contribute to various application fields. In chapter 2, various luminescent semiconductor metal sulfide composite nanoparticles were prepared by introduction of 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS). Their emission wavelengths could be tuned by controlling such factors as the amount of APTMS added, reaction temperature, reaction time and type of metal salt. The good tunability of emission wavelength of these composite nanoparticles was successfully achieved. In chapter 3, the semiconductor metal sulfide microstructures could be grown in aqueous solution via novel evaporation-induced growth route. Oriented CdS microtubes and microrods with rectangular and hexagonal shape were obtained using a novel evaporation-induced growth method. Some water and thiourea molecules seemed to exist in their structures, which was confirmed by infrared spectroscopy (IR), X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA). The structures and morphologies could be controlled by changing the amount of 1,2-dimethoxyethane (DME) added and reaction temperature. By controlling the pressure and temperature in the evaporation step, various morphologies could be grown. PbS and CuS microstructures could also be grown by this novel evaporation-induced growth route. These metal sulfides were microrod structures, which implies possibility of potential application of evaporation-induced growth method to growth of other materials such as oxides and metals.