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지난호





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PHYSICS PLAZA

새물리 하이라이트

등록일 : 2021-04-05 ㅣ 조회수 : 142

질소 도핑된 이산화티타늄(N:TiO2) 박막의 구조적 변화

이승재, 장지원, 서혜원, New Physics: Sae Mulli 71, 1 (2021).

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) Eg 피크와 굽힘모드(Bending mode) B1g 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.

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