이온주입법에 의한 CdS 나노결정 제조 및 특성 연구 최한우, 우형주, 김준곤, 지영용, 김기동, 홍완 한국지질자원연구원 Korea Institute of Geology, Mining and Materials

서 론 반도체 nanocrystal – bulk한 경우와 다른 광학적, 전기적 특성 서 론 반도체 nanocrystal – bulk한 경우와 다른 광학적, 전기적 특성 이온주입법에 의한 nanocrystal 제조 방법 과량의 원소를 시료에 주입한 후 열처리하여 nanocrystal을 석출 Silica glass와 같은 부도체 내부에 화학적 기계적으로 안정된 반도체 nanocrystal을 형성시킬 수 있음. 조사 이온의 에너지 및 조사량 조절하여, nanocrystal의 형성 깊이 및 입자 크기 조절 가능. 순차 조사에 의한 화합물 반도체 nanocrystal도 쉽게 재조 이온 조사 시 radiation damage에 의하여 매질에 결함 형성 문제 이온주입법에 의한 CdS nanocrystal 합성 및 특성 분석 Korea Institute of Geology, Mining and Materials

실 험 이온 조사 조건 매 질 190keV Cd (x1016/cm2) 69keV S 조사 온도 silica 1 상온 3 8 실 험 이온 조사 조건 매 질 190keV Cd (x1016/cm2) 69keV S 조사 온도 silica 1 상온 3 8 sapphire 4 550oC Si wafer Korea Institute of Geology, Mining and Materials

range : 90 nm for Si & silica, 50 nm for sapphire Depth profile of 190keV Cd and 69keV S in (a)silica, (b)sapphire and (c)Si simulated by SRIM2003. range : 90 nm for Si & silica, 50 nm for sapphire Peak concentration : 10 at.% at 4x1016/cm2 annealing : Ar+4% H2, 1000℃, 1 h (silica : 250-1000℃) Korea Institute of Geology, Mining and Materials

특성 분석 장 비 특 성 결정 형성 확인 XRD 결정 구조 및 결정 방향 측정 Cross-section TEM 측정 HRTEM 장 비 특 성 XRD 결정 형성 확인 결정 구조 및 결정 방향 측정 HRTEM Cross-section TEM 측정 결정의 크기 및 결정성 확인 결정 형성 깊이 및 분포 확인 UV-VIS 및 PL 상온에서 UV-VIS 흡광도 측정 저온에서 325nm HeCd 레이저 이용하여 PL 측정 Korea Institute of Geology, Mining and Materials

결 과 XRD 분석 결과 XRD pattern of a sample annealed at 1000℃ from silica matrix implanted by 190 keV Cd and 69 keV S ions at room temperature. Korea Institute of Geology, Mining and Materials

Contour plot of XRD from (101) and (002) peaks of CdS NCs on sapphire (a) (101) peak (b) (002) peak XRD patterns of samples annealed at 1000℃ from Si and sapphire matrix implanted by 190 keV Cd and 69 keV S ions at room temperature and 550℃. Contour plot of XRD from (101) and (002) peaks of CdS NCs on sapphire Korea Institute of Geology, Mining and Materials

TEM 측정 결과 (silica) Cross-sectional TEM micrographs showing CdS NCs formed in fused silica after implantation of equal doses of 190 keV Cd and 69 keV S at (a) 3x1016/cm2 and (b) 8x1016/cm2, and annealing at 1000℃ for 1 h. Korea Institute of Geology, Mining and Materials

Size distribution of Cds NCs in silica substrates measured from X-TEM data . Korea Institute of Geology, Mining and Materials

8x1016/cm2 시료의 경우 중앙이 빈 고리형태의 nanocrystal 일부 나타남 High resolution TEM images showing ring-type CdS NCs for implantation dose of 8x1016/cm2. 8x1016/cm2 시료의 경우 중앙이 빈 고리형태의 nanocrystal 일부 나타남 EELS 측정 결과 중앙에 voids나 bubbles이 형성된 것으로 보고되고 있음 주입된 S가 열처리 시에 가스처럼 거동하여 void 형성한 것으로 예상 Si 매질에서는 발견되지 않음 Korea Institute of Geology, Mining and Materials

(a) (b) X-TEM 측정 결과 (Si) 20nm Cross-sectional TEM micrographs showing CdS NCs formed in Si after implantation of equal dose of 190 keV Cd and 69 keV S ions at (a) room temperature and (b) 550℃, and subsequent annealing at 1000℃ for 1 h. Korea Institute of Geology, Mining and Materials

ΔEg(d) = (2ħ2π2/μd2) – (3.6e2/ed) 광학 특성 조사 UV-VIS absorption spectra of CdS NCs in silica as a function of implanted dose and annealing temperature. Calculated and measured badgap shift for CdS NCs. The solid line is calculated UV-VIS absorption spectra of CdS NCs in silica as a function of implanted dose and annealing temperature. ΔEg(d) = (2ħ2π2/μd2) – (3.6e2/ed) ΔEg : bandgap shift, ħ : Planck's constant, μ : CdS exciton reduced mass (~0.154me) e : charge of electron, ε : CdS dielectric constant (~8.9), d : spherical particle diameter Korea Institute of Geology, Mining and Materials

PL spectra of CdS nanocrystals formed in silica under 325nm cw laser excitation at 8K. Samples were implanted by equal doses of 190 keV Cd and 69keV S and annealed at 1000℃/1h. Korea Institute of Geology, Mining and Materials

결 론 이온 주입법을 이용하여 5~16nm 크기의 CdS 나노결정 합성 결 론 이온 주입법을 이용하여 5~16nm 크기의 CdS 나노결정 합성 Silica 매질에서는 비방향성의 hexagonal 구조를 형성 Si 매질에서는 표면에 대하여 (002) 방향성을 갖는 cubic 구조 형성 Sapphire 매질에서는 표면에 대하여 (002)와 (101) 두가지 방향성을 갖는 hexagonal 구조를 형성 이온 주입량에 따라 나노결정의 크기가 변화하며 광학특성을 측정하여 입자 크기에 따른 quantum confinement 효과를 확인 Korea Institute of Geology, Mining and Materials