이산화티타늄 박막성장에 있어 질소 도핑은 에너지 밴드 구조를 바꾸어 광흡수 영역을 가시광선 영역까지 확장시킬 수 있는 효율적인 방법으로 알려져 있다. 그러나 질소 도핑 과정은 박막 성장 방법과 공정 조건에 따라, N:TiO₂ 박막의 다양한 구조 변화와 물리적 특성 변이를 유도하게 된다. 밴드 이론과 정반대로 질소 도핑을 통한 TiO₂ 밴드 갭의 확장이 보고된 경우도 있다.

우리는 이 연구에서 직류 마그네트론 스퍼터링 방법으로 0 sccm에서 1.5 sccm까지 질소의 유량을 조절하여 N:TiO₂ 박막을 성장하였고, 박막의 결정 구조와 에너지 밴드 갭을 다양한 방법으로 분석하고 결과 사이의 연관성을 이해하고자 하였다.

XRD와 Raman 분석을 통해 질소 도핑으로 인한 N:TiO₂ 박막의 결정성 저하와 결정 크기 감소를 확인하였다. 또한 대표적인 Raman 뻗침모드(stretching mode) E_g 피크와 굽힘모드(Bending mode) B_1g 피크의 상대적 이동 분석을 통해, 질소 도핑이 Ti-O 사이 결합 길이의 가시적 변화 없이 bending 정도에 영향을 미침을 확인할 수 있었다[그림, 표]. 이는 질소 유량이 많아질수록 산소의 자리 옮김보다 티타늄의 옮김을 유도함을 의미하며, TiO₂에 Zr을 도핑했을 때도 비슷한 결과를 가지는 것으로 보고된 바 있다.

또한 UV-Vis 측정을 통해 질소가 도핑된 N:TiO₂ 박막의 경우 direct 밴드 갭이 확인되었는데, 이는 질소 도핑으로 인한 TiO₂ 결정크기 감소와 Ti-O 사이 bending 등 결정 결함이 포논의 흡수와 전달을 방해하여 indirect 밴드 갭의 관찰을 어렵게 하기 때문이다. 질소 유량의 증가함에 따라 N:TiO₂ 박막의 미소한 에너지 밴드갭 확장이 관찰되었는데, 이는 결정크기의 감소로 인한 양자 효과라고 판단되어진다.

이 결과를 통해, 우리는 질소도핑이 TiO₂ 박막에 Ti의 옮김을 유도하여 Ti-O의 bending 정도에 영향을 줄 수 있고, 이 경우에 있어서, 예견된 에너지 밴드갭의 적색 편이와 반대되는 결과를 가질 수 있음을 확인하였다.

낙엽을 이용하여 수열합성법으로 합성된 탄소 양자점 및 탄소 양자점 필름 제작 및 특성

박성준, 양현경, New Physics: Sae Mulli 71, 11 (2021).

카본 퀀텀닷을 낙엽을 이용하여 수열합성법(180 ^oC, 10 h)으로 합성하였고 합성된 카본 퀀텀닷의 화학적 구조, 사이즈, 형상, 형광 특성들을 분석하였다. 카본 퀀텀닷들의 입자 사이즈와 형상은 전자투과현미경을 이용하여 관측하였고, 리간드와 화학적 구조는 FT-IR을 이용하여 측정하였다. 또한, 원소의 구성을 확인하기 위해 XPS를 이용하여 측정하였고 형광 스펙트럼은 약 493 nm에서 시안색이 나오는 것을 확인하였다. 눈과 신체를 보호하기 위한 UV 차단 필름을 합성한 카본 퀀텀닷을 이용하여 제작하였다.

결과들을 통해, 우리는 UV를 차단하기 위한 카본 퀀텀닷 필름의 응용가능성을 확인하였다.