KR102425890B1 - 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 - Google Patents
알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102425890B1 KR102425890B1 KR1020200117534A KR20200117534A KR102425890B1 KR 102425890 B1 KR102425890 B1 KR 102425890B1 KR 1020200117534 A KR1020200117534 A KR 1020200117534A KR 20200117534 A KR20200117534 A KR 20200117534A KR 102425890 B1 KR102425890 B1 KR 102425890B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layered structure
- nanosheet
- layered
- nanosheets
- compound
- Prior art date
Links
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims abstract description 66
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title description 4
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 title description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 3
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 14
- LVQULNGDVIKLPK-UHFFFAOYSA-N aluminium antimonide Chemical compound [Sb]#[Al] LVQULNGDVIKLPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 19
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 19
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 11
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 description 10
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 4
- 238000000470 piezoresponse force microscopy Methods 0.000 description 4
- -1 transition metal chalcogen compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000001106 transmission high energy electron diffraction data Methods 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 238000000851 scanning transmission electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005648 named reaction Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenezinc Chemical compound [Zn]=S WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/02549—Antimonides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G30/00—Compounds of antimony
- C01G30/002—Compounds containing, besides antimony, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
- C30B29/68—Crystals with laminate structure, e.g. "superlattices"
-
- H01L45/148—
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/884—Switching materials based on at least one element of group IIIA, IVA or VA, e.g. elemental or compound semiconductors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical Treatment Of Metals (AREA)
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Abstract
본 발명은 알칼리 금속을 포함하는 안티몬화 알루미늄 층상구조 화합물과 이를 통해 만들어질 수 있는 나노시트 및 상기 물질들을 포함하는 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, [화학식 1] M1-xAlySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤1.75)로 표현되는 층상구조 화합물을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물과 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼리금속을 포함하고 다양한 전기적 특성을 가지는 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물과 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자에 관한 것이다.
층간(interlayer)에 반데르발스 결합을 통해 연결되는 층상구조 화합물은 다양한 특성을 나타낼 수 있고, 이를 물리적 또는 화학적 방법으로 분리함으로써 두께 수 나노미터에서 수백 나노미터 수준의 이차원(2D) 나노시트를 제조할 수 있어 이에 대한 연구가 활발하다.
특히, 나노시트와 같은 저차원의 소재는 기존의 벌크 소재가 가지지 못하는 획기적인 신기능이 기대되고 기존소재를 대체할 차세대 미래 소재로서 가능성이 매우 크다.
하지만 2차원적 결정구조를 가지는 층상구조 화합물은 지금까지 흑연이나 전이금속 칼코겐화합물 등의 물질로 제한되어 다양한 조성의 재료로의 전개가 되지 않는 문제가 있었다.
한편, 안티몬화 알루미늄(Aluminum Antimonide)은 화합물 반도체 물질로서, 다양한 전기 소자에 사용될 수 있지만, 현재까지 층상구조를 가지는 안티몬화 알루미늄에 대해서는 알려진 바가 없다.
층상구조로 이루어진 안티몬화 알루미늄 화합물은 다른 결정구조를 가지는 기존의 안티몬화 알루미늄 화합물 보다 적용을 다양화시킬 수 있을 뿐 아니라, 기존에 적용되지 않았던 새로운 영역으로의 적용도 기대할 수 있다.
본 발명은 알칼리 금속을 포함하는 안티몬화 알루미늄 층상구조 화합물과 이를 통해 만들어질 수 있는 나노시트 및 상기 물질들을 포함하는 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, [화학식 1] M1-xAlySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤1.75)로 표현되는 층상구조 화합물을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기 [화학식 1] M1-xAlySbz (M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤1.75)로 표현되는 조성물을 포함하고, 물리적 또는 화학적 박리 방법으로 만들어지는 나노시트를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같은 층상구조 화합물 또는 나노시트를 포함하는 전기소자를 제공할 수 있다.
또한, 상기 전기소자는 멤리스터일 수 있다.
본 발명을 통해 제공할 수 있는 층상구조 화합물과 나노시트는 다양한 전기적 특성을 가질 수 있고, 이를 통해 새로운 전기 소자의 개발이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따라 만들어지는 층상구조 화합물과 나노시트에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 XRD 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 층상구조 화합물의 구조를 나타내는 모식도와 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) 분석 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 XRD 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 층상구조 화합물과 나노시트에 대한 SEM과 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 SEM 이미지 및 EDS 분석결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 층상구조 화합물의 구조를 나타내는 모식도와 STEM 분석 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 나노시트에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지 및 그에 따른 라인 프로파일(line profile)을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 나노시트에 대한 PFM(Piezoresponse Force Microscopy)을 통한 강유전 특성 평가 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 나노시트에 대한 TEM 이미지와 회절 패턴을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 XRD 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 층상구조 화합물의 구조를 나타내는 모식도와 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) 분석 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 XRD 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 층상구조 화합물과 나노시트에 대한 SEM과 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 층상구조 화합물에 대한 SEM 이미지 및 EDS 분석결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 층상구조 화합물의 구조를 나타내는 모식도와 STEM 분석 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 나노시트에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지 및 그에 따른 라인 프로파일(line profile)을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 나노시트에 대한 PFM(Piezoresponse Force Microscopy)을 통한 강유전 특성 평가 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 나노시트에 대한 TEM 이미지와 회절 패턴을 나타낸다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1] M1-xAlySbz
(M은 1족 원소 중 1종 이상이고, 0<x≤1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤1.75)
일반적으로 AlSb는 징크 블렌드(Zinc Blende) 결정구조로서 층상구조가 나타날 수 없고, 따라서 이를 박리해서 나노시트를 만들기도 불가능하였다.
이를 극복하기 위해 발명자들은 AlySbz 에 1족 원소(이하 "첨가원소"라 함)를 첨가함으로써 AlySbz 층간에 첨가원소를 위치시켜 결과적으로 AlySbz 층이 이어지는 층상구조 화합물을 만들 수 있게 되었다. 이러한 AlySbzz 층 사이에 위치하는 첨가원소는 AlySbz 층을 반데르발스 결합을 통해 약하게 결합시켜서, 이들 첨가원소가 위치하는 면은 이 면을 따라 쉽게 갈라지게 되는 벽개면을 이루게 된다.
이에 따라 본 발명에 따른 층상구조 화합물은 이러한 벽개면을 따라 AlySbz 층으로 쉽게 물리적 또는 화학적 방법 중 어느 하나 또는 둘 모두를 통해 박리될 수 있게 되는데, 이러한 박리는 첨가원소가 제거될 수록 더 쉽게 이루어진다. 따라서, 이러한 층상구조 화합물로부터 물리적 또는 화학적 박리 방법을 통해 쉽게 AlySbz 나노시트를 만들 수 있고, 여기서 AlySbz 나노시트에는 첨가원소가 일부 잔류할 수도 있다.
첨가원소를 지속적으로 제거하면 화합물에서 AlySbz 층간 거리가 점차 벌어져 층간의 결합력이 약화되고 결국 층 사이의 결합이 없어지면서 층 사이에 크랙(crack)을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명에서 설명하는 층상구조 화합물의 층상구조는 반복되는 이차원의 AlySbz 층이 첨가원소에 의해 반데르발스 결합으로 층간에 결합이 이루어진 경우 뿐만 아니라 AlySbz 층 간의 결합력이 제거되어 층간의 거리가 벌어지면서 크랙을 나타내는 경우도 포함한다.
이러한 층상구조 화합물에서 박리되어 만들어지는 나노시트는 AlySbz 단일층일 수도 있지만, 복수의 층이 겹쳐져서 만들어질 수도 있기 때문에 수백 nm 두께일 수도 있다. 일반적으로 나노시트는 횡방향 너비 대비해서 두께가 일정 수준 이하이어야 2차원적인 형상에 따른 이방성을 나타낼 수 있는데, 이를 위해 나노시트의 너비(L) 대비 두께(d)의 비(d/L)는 0.1 이하인 것이 바람직하다. 본 발명을 통해 만들어지는 나노시트 너비는 5 ㎛ 이상도 가능하기 때문에, 나노시트의 두께는 500nm 이하인 것이 바람직하다. 여기서 AlySbz 나노시트에는 첨가원소가 일부 잔류할 수도 있다.
이처럼 본 발명에 따르는 나노시트는 층상구조 화합물에서 물리적 또는 화학적 방법으로 박리되는 시트를 의미하며, AlySbz 층이 단일층인 경우뿐만 아니라 복수의 층으로 이루어지는 경우도 포함하게 된다.
이러한 층상구조 화합물과 나노시트의 예에 대한 개념도는 도 1에서 나타내었는데, MAlySbz 의 AlySbz층(10) 사이에 첨가원소인 M(11)이 위치하여 AlySbz층(10) 간에 결합을 유지하는 것을 나타내고 있고, 여기서 M(11)이 제거되어 M1-xAlySbz 로 되면서 AlySbz층(10) 간의 결합이 약해지고, 이를 물리적 또는 화학적으로 박리하면 최종적으로 AlySbz 나노시트(20)로 만들어지는 것을 보여준다. 이렇게 만들어지는 나노시트에는 여전히 M(11)이 일부 포함될 수 있게 된다.
첨가원소가 제거되기 전의 층상구조 화합물은 종래에 알려진 P21/c의 공간군을 가지는 Na2Al2Sb3 또는 K2Al2Sb3 가 될 수 있고, 이를 통해 만들어질 수 있는 M1-xAlySbz 화학식의 층상구조 화합물은 본 발명의 범위에 포함된다고 할 수 있다.
또한, 이외에도 계산을 통해 예측한 결과 Li, Na, K 등의 다양한 1족 원소를 이용하여 MAlySbz 화학식에 따르는 층상구조 화합물이 가능함을 알 수 있는데, 이를 통해 만들어질 수 있는 M1-xAlySbz 화학식의 층상구조 화합물 또는 나노시트도 본 발명의 범위에 속한다고 할 수 있다.
이러한 층상구조 화합물로부터 첨가원소를 완전히 제거하지 않고 일부 잔류하는 상태로도 층상구조 화합물과 이를 통한 나노시트를 만들 수 있는데, 이러한 잔류하는 첨가원소로 인해 층상구조 화합물과 나노시트는 다양한 전기적 특성을 나타낼 수 있게 된다.
한편, 첨가원소는 x가 0.95를 초과하여 과도하게 제거되면 MAlySbz 이 가지던 결정구조가 변하면서 비정질상을 나타낼 수도 있다. 이러한 경우에도 일부 첨가원소가 잔류하거나 제거된 면은 여전히 물리적 박리가 쉽게 일어나는 벽개면이 되거나 AlySbz 층 간의 결합력이 제거되어 층간의 거리가 벌어지면서 크랙을 나타내고 이에 따라 AlySbz 층은 이차원 층을 유지하게 되어 화합물은 층상구조를 가지게 되고, 이로부터 박리된 나노시트를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 박리가 쉽고 첨가원소 제거 전의 결정구조를 유지하면서 동시에 첨가원소에 의한 다양한 전기적 특성이 유지되도록 상술한 [화학식1]에서 x는 0.10≤x≤0.95일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.3≤x≤0.8 인 범위일 수 있다.
여기서 층상구조 화합물 또는 나노시트의 결정구조는 첨가원소를 제거하기 전의 결정구조인 P21/c의 공간군을 그대로 유지할 수 있다.
첨가원소의 제거는 질산이나 염산과 같은 강산을 이용할 수 있는데, 이러한 강산을 통해 첨가원소가 제거되면서 강산에 포함되는 수소 이온이 첨가원소가 제거된 자리로 치환되어 결합되면서 수소가 포함되는 층상구조 화합물과 이를 통한 나노시트를 제공할 수도 있게 된다.
상술한 층상구조 화합물 또는 나노시트는 분석 결과 다양한 특성을 나타내는데, 이러한 특성을 아래에서 설명한다. 여기서 설명하는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 첨가원소가 있는 경우와 없는 경우를 모두 포함한다.
CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 상술한 층상구조 화합물 또는 나노시트는 P21/c인 공간군을 가질 수 있다.
또한, 첨가원소의 잔류량에 따라 층상구조 화합물은 비정질상을 포함할 수도 있다.
한편, 상술한 층상구조 화합물 또는 나노시트는, CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 2θ = 25.1°± 0.50°, 29.1°±0.50°, 41.6°±0.50°, 49.2°±0.50°51.6°±0.50°의 위치에서 피크가 나타나지 않는 층상구조 화합물 또는 나노시트일 수 있다. 상기 피크는 가장 큰 강도를 가지는 피크 대비 5% 이상의 강도를 가지는 피크를 의미할 수 있다.
일반적으로 자연적으로 존재하는 AlSb 화합물은 3차원의 징크 블렌드 구조로서 25.1°, 29.1°, 41.6°, 49.2°, 51.6°에서 회절 패턴이 나타나지만, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 징크 블렌드 구조가 아니기 때문에 이러한 각도에서 회절 패턴이 나타나지 않게 된다.
상술한 바와 같은 층상구조 화합물 또는 나노시트는 고유의 층상구조와 잔류하는 첨가원소로 인해 다양한 전기적 특성을 나타낼 수 있게 된다.
우선, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 강유전 유사(ferroelectric-like) 특성을 나타낸다.
강유전 특성은 일반적으로 페로브스카이트 구조의 BaTiO3와 같은 비대칭 구조의 산화물에서 나타나는 특성으로 중심에 위치하는 Ba의 위치의 변화에 따라 강유전특성이 나타나게 된다.
하지만, 본 발명에 따른 층상구조 화합물 또는 나노시트는 이러한 비대칭구조를 가지지 않는데, 그럼에도 불구하고 강유전 유사 특성을 나타내게 된다. 비대칭구조가 아님에도 강유전 유사 특성을 나타내는 이유는 잔류하는 첨가원소의 위치가 외부 전계에 따라 이동함에 따른 것으로 생각된다.
이러한 본 발명에 따른 층상구조 화합물 또는 나노시트의 강유전 유사 특성을 통해 다양한 전기 소자에 적용이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따르는 층상구조 화합물 또는 나노시트는 저항 스위칭 특성을 나타낸다.
어떠한 물질이 저항 스위칭 특성을 가지면 그 물질에 인가하는 전압에 따라 선형적으로 전류가 증가하는 것이 아니라 초기 전압을 인가할 때는 물질이 고저항 상태를 유지하여 전류의 증가가 미미하다가 일정한 임계점에 도달하면 저저항 상태로 변하면서 급격하게 전류가 증가하게 된다.
이러한 저항 스위칭 특성은 일반적으로 산화물에서 나타나는 특징으로 최근에는 이러한 특성을 이용하여 플래시 메모리와 같이 정보의 저장이 가능한 멤리스터(memristor)와 같은 메모리소자의 개발이 활발하고, 본 발명의 층상구조 화합물과 나노시트는 저항 스위칭 특성을 활용하여 이러한 멤리스터와 같은 메모리소자의 개발에 적극 활용될 수 있다.
[실시예]
1) 층상 Na2Al2Sb3 합성
Na와 Al, Sb 금속 조각을 몰비에 맞게 칭량하여 혼합 후 알루미나 도가니에 투입하였다. 이 후 쿼츠 튜브에 넣이 이중 밀봉하여 외부 공기를 차단하였다. 이 과정은 아르곤 분위기의 글로브 박스에서 진행하였다. 이후 박스로에서 750℃로 3시간 동안 승온하고 40시간 유지하였다. 이후 재결정화 및 결정 성장을 위해 상온까지 200시간 동안 천천히 냉각하여 Na2Al2Sb3 샘플을 얻을 수 있었다.
2) Na의 제거
아세토니트릴(acetonitrile)에 0.05M 농도가 되도록 AlCl3을 녹이고 에탄올 베이스의 HCl 2ml를 추가로 넣어 용액을 제조한 후, 이 용액에서 시간별로 반응시켜 층상 Na2Al2Sb3 에서 Na를 제거하였다. 그 결과는 아래표에서 나타내었다. 표 1에서 잔류 Na는 EDS분석을 통해 얻은 결과를 나타낸다.
샘플명 | 반응시간 | 잔류 Na(at%) |
샘플 A | - | 28.5 |
샘플 B | 0.5시간 | 13.9 |
샘플 C | 2시간 | 8.8 |
샘플 D | 4시간 | 4.1 |
샘플 E | 12시간 | 0.25 |
3) 나노시트화 공정
상기 표 2와 같이 제조된 샘플들에 대해서 에탄올에서 초음파를 조사한 후 테이프를 이용하여 박리된 나노시트를 제조하였다.
도 2는 XRD 회절 피크를 나타내는 그래프로 일반적인 징크 블렌드 구조의 비층상형 AlSb의 회절 피크(3D AlSb), Na2Al2Sb3 단결정의 레퍼런스 회절 피크(Na2Al2Sb3 Ref) 그리고 상술한 방법으로 만들어진 Na2Al2Sb3 (샘플 A)에 대한 회절 피크를 나타낸다.
샘플 A와 징크 블렌드 구조의 AlSb 회절 피크(3D AlSb)를 비교하면, 샘플 A에서는 징크 블렌드 구조에서 나타나는 25.1°, 29.1°, 41.6°, 49.2°, 51.6°에서 회절 피크가 나타나지 않는 것을 볼 수 있었다.
한편, Na2Al2Sb3 단결정의 레퍼런스 회절 피크(Na2Al2Sb3 Ref)와 샘플 A의 회절 피크를 비교하면 주요 피크에서 강도는 조금 차이가 있지만 주 피크가 나타나는 각도는 일치하는 것을 볼 수 있었다. 따라서, 상술한 합성 과정을 통해 합성된 샘플 A는 층상구조를 가지는 Na2Al2Sb3 임을 알 수 있었다.
또한, XRD 분석을 통해 합성된 샘플 A는 공간군인 P21/c인 단사정계 결정구조를 가지는 것을 확인하였다.
도 3은 합성된 샘플 A에 대한 SEM(Scanning Electron microscope) 이미지와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 결과를 나타낸다. 샘플 A는 SEM 이미지 상으로 층상구조가 확인되었고, EDS분석결과 Na:Al:Sb의 몰비는 이론 조성비인 2:2:3 에 근접하는 결과를 얻을 수 있었다.
도 4는 Na2Al2Sb3 의 구조를 나타내는 모식도와 샘플 A에 대한 [110] 방향으로의 STEM(Scanning Transmission Electron Microscope) 분석 결과 그리고 SAED(Selected Area Diffraction) 패턴을 나타낸다. SAED 패턴을 분석한 결과 측정된 (002)면 패턴의 면간 거리는 7.76Å, 측정된 (11-3)면 패턴의 면간거리는 4.01Å이었다.
이론적으로 (200)면과 (002)면의 면간거리는 각각 7.776Å, 4.05Å이므로 상기 측정값은 이론값에 근접하였다. 그런데, 이러한 측정값은 비층상형 징크 블렌드 구조의 AlSb에서는 나올 수 없는 값으로 측정된 패턴은 P21/c 공간군에서만 나타는 패턴이다. SAED 패턴에서 존-엑시스(Zone-axis)는 패턴으로 측정된 면으로부터 외적을 통해서 구할 수 있으며, (002)와 (11-3)면의 외적을 통해서 구해지는 벡터는 [1-10]이다. 그러므로 존-엑시스(Zone-axis)는 [1-10]임을 확인할 수 있었고, [1-10]존으로부터 보이는 실제 측정된 STEM 이미지에서의 격자의 구조와 이론상으로 구해진 원자구조 모델의 형태를 비교해면 정확히 일치하였다. 이를 통해 합성된 샘플은 P21/c 공간군을 가지는 Na2Al2Sb3임을 확인하였다.
이처럼 XRD, SEM, EDS, STEM 결과를 통해 샘플 A는 층상구조의 P21/c 공간군을 가지는 Na2Al2Sb3 임을 확인하였다.
도 5는 일반적인 징크 블렌드 구조의 비층상형 AlSb의 회절 피크(3D AlSb), 샘플 A의 회절 피크(샘플 A) 그리고 Na가 일부 제거된 샘플 C에 대한 회절 피크를 나타낸다. 샘플 C의 XRD 회절 패턴은 Na 제거에 따라 샘플 A와 비교했을 때 동일한 각도 범위에서 주요 피크를 나타내고 있어 샘플 A의 P21/c인 단사정계 결정구조를 여전히 유지하고 있는 것으로 판단되었다.
도 6은 샘플 A에서 Na를 제거하여 샘플 C가 되고 이로부터 테이프를 이용하여 박리되어 만들어진 나노시트를 나타낸다. 샘플 A는 층간의 벽개면이 관찰되지만 샘플 C에서는 Na가 제거됨에 따라 벽개면뿐만 아니라 층 간격이 벌어져 크랙이 형성된 것을 볼 수 있었다.
도 7은 샘플 C 및 샘플 D의 SEM(Scanning Electron microscope) 이미지와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 결과를 나타낸다. 샘플 C와 D는 모두 SEM 이미지 상으로 벽개면 또는 크랙을 가지는 층상구조가 확인되었고, EDS분석결과 Na의 함량은 각각 8.84 at%, 4.1 at%로 나타났다.
도 8은 Na를 선택적으로 제거한 후의 층상형 Na2-xAl2Sb3 원자 구조 모식도와 샘플 B에 대해서 [010] 방향에서의 STEM 이미지 그리고 SAED 패턴 이미지이다. SAED 분석결과 (002)면 회절패턴의 면간거리는 7.79Å, (020)면의 회절패턴의 면간거리는 3.63Å이었다. 이론적인 (002)면과 (020)면의 면간거리는 각각 7.776Å, 3.61Å인 것과 비교할 때 상기 측정값은 이론값과 같다고 볼 수 있었다. 이러한 측정값은 비층상형 징크 블렌드 구조의 AlSb에서는 나올 수 없는 값이다. 또한 모상구조 Na2Al2Sb3의 Na 비율은 28.5%이지만 측정된 Na2-xAl2Sb3의 Na 비율은 13.9%이므로 일부의 Na가 제거된 것을 확인할 수 있다. 또한 측정된 패턴은 P21/c 공간군에서만 나타는 패턴이다. SAED 패턴에서 존-엑시스는 패턴으로 측정된 면으로부터 외적을 통해서 구할 수 있으며, (002)와 (020)면의 외적을 통해서 구해지는 벡터는 [100]이다. 그러므로 존-엑시스는 [100]임을 확인할 수 있었고, [100]존으로부터 보이는 실제 측정된 STEM 이미지에서의 격자의 구조와 이론상으로 구해진 원자구조 모델의 형태를 비교해보면 정확히 일치하였다. 이를 통해 Na를 제거한 물질도 모상물질 Na2Al2Sb3의의 P21/c 공간군을 그대로 유지하는 것을 확인하였다.
도 9는 샘플 C에서 박리된 나노시트에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지 및 그에 따른 라인 프로파일을 나타낸다. 20nm 이하의 두께를 가지는 나노시트로 박리되었음을 확인할 수 있었다.
또한, Na를 제거한 샘플 C에 대해서 나노시트를 만든 후 이에 대해 PFM(Piezoresponse Force Microscopy)을 통해 강유전 특성을 측정하였고 그에 따른 결과를 도 10에서 나타내었다. 이를 통해 강유전 유사 특성이 나타나고 있는 것을 관찰할 수 있었다.
이러한 강유전 유사 특성을 이용하면 다양한 전기 소자로의 적용이 가능하고 최근 뉴로모픽 메모리 소자로 개발이 활발하게 이루어지고 있는 멤리스터 소자로 적용할 수 있음을 알 수 있었다.
한편, Na를 과도하게 제거한 샘플 E에 대해서 TEM 분석을 진행하였고, 그 결과를 도 11 에서 나타내었다. TEM 분석결과에서 샘플 D로부터의 나노시트는 비정질상임을 알 수 있었다.
Claims (26)
- 하기 화학식 1로 표시되고, 강유전 유사 특성을 가지는 층상구조 화합물.
[화학식 1] M1-xAlySbz
(M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0.3≤x≤0.8, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤1.75) - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 M은 Na인, 층상구조 화합물. - 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물은 H를 더 포함하는, 층상구조 화합물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물의 결정구조는 P21/c의 공간군을 나타내는, 층상구조 화합물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물은, CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 2θ = 25.1°± 0.50°, 29.1°±0.50°, 41.6°±0.50°, 49.2°±0.50°, 51.6°±0.50°의 위치에서 피크가 나타나지 않고, 상기 피크는 가장 큰 강도를 가지는 피크 대비 3% 이상의 강도를 가지는 피크를 의미하는, 층상구조 화합물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 층상구조 화합물은 저항 스위칭 특성을 나타내는, 층상구조 화합물. - 하기 화학식 1로 표시되는 조성물을 포함하고, 물리적 또는 화학적 박리 방법으로 만들어지는, 나노시트.
[화학식 1] M1-xAlySbz
(M은 1족 원소 중 하나 이상이고, 0<x<1.0, 0.75≤y≤1.25, 1.25≤z≤1.75) - 제 12 항에 있어서,
상기 x는 0.10≤x≤0.95 인, 나노시트. - 제 12 항에 있어서,
상기 x는 0.3≤x≤0.8 인, 나노시트. - 제 12 항에 있어서,
상기 M은 Na인, 나노시트. - 제 12 항에 있어서,
상기 조성물은 H를 더 포함하는, 나노시트. - 제 12 항에 있어서,
상기 x는 0.95<x 인, 나노시트. - 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조성물의 결정구조는 P21/c의 공간군을 나타내는, 나노시트. - 제 17 항에 있어서,
상기 조성물은 비정질상을 포함하는, 나노시트. - 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조성물은, CuKα선을 사용한 XRD 측정에서 2θ = 25.1°± 0.50°, 29.1°±0.50°, 41.6°±0.50°, 49.2°±0.50°, 51.6°±0.50°의 위치에서 피크가 나타나지 않고, 상기 피크는 가장 큰 강도를 가지는 피크 대비 3% 이상의 강도를 가지는 피크를 의미하는, 나노시트. - 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조성물은 강유전 유사 특성을 나타내는, 나노시트. - 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조성물은 저항 스위칭 특성을 나타내는, 나노시트. - 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노시트의 두께는 500nm 이하인, 나노시트. - 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200117534A KR102425890B1 (ko) | 2020-09-14 | 2020-09-14 | 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
US17/111,190 US11643753B2 (en) | 2020-09-14 | 2020-12-03 | Layered group III-V compound and nanosheet containing antimony, and electrical device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200117534A KR102425890B1 (ko) | 2020-09-14 | 2020-09-14 | 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20220035598A KR20220035598A (ko) | 2022-03-22 |
KR102425890B1 true KR102425890B1 (ko) | 2022-07-26 |
Family
ID=80988069
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020200117534A KR102425890B1 (ko) | 2020-09-14 | 2020-09-14 | 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102425890B1 (ko) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10662074B2 (en) * | 2016-12-30 | 2020-05-26 | Nanoco Technologies Ltd. | Template-assisted synthesis of 2D nanosheets using nanoparticle templates |
KR102271060B1 (ko) * | 2018-05-18 | 2021-06-29 | 연세대학교 산학협력단 | 층상형 AlN, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 AlN 나노시트 |
KR102285270B1 (ko) * | 2018-05-18 | 2021-08-03 | 연세대학교 산학협력단 | 층상형 InAs, 이의 제조 방법 및 이로부터 박리된 InAs 나노시트 |
-
2020
- 2020-09-14 KR KR1020200117534A patent/KR102425890B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20220035598A (ko) | 2022-03-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11691891B2 (en) | Layered group III-V compound including additive elements and having ferroelectric-like properties, and nanosheet using the same | |
KR102425890B1 (ko) | 알루미늄과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102425891B1 (ko) | 갈륨과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102425894B1 (ko) | 인듐과 안티몬을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102425889B1 (ko) | 인듐과 비소를 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102425893B1 (ko) | 칼륨, 인듐과 비소를 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102425888B1 (ko) | 갈륨과 비소를 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102425892B1 (ko) | 인듐과 인을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
US11643753B2 (en) | Layered group III-V compound and nanosheet containing antimony, and electrical device using the same | |
KR102484718B1 (ko) | 갈륨과 비소를 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
KR102514683B1 (ko) | 인듐과 인을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
US11634340B2 (en) | Layered group III-V compound and nanosheet containing arsenic, and electrical device using the same | |
US11597651B2 (en) | Layered group III-V compound and nanosheet containing phosphorus, and electrical device using the same | |
KR102453020B1 (ko) | 아연과 황을 포함하는 층상구조 화합물, 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
US11840458B2 (en) | Layered GaN and GaN nanosheet, and electrical device using the same | |
KR102479782B1 (ko) | 층상구조 GaP, GaP 나노시트 및 이를 이용한 전기 소자 | |
Shuaibu et al. | First principle investigation of robustness surface states on ternary mixed chalcogenide Bi2Te2s |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |