일차원성 van der Waals SbPS4는 단일벽 나노튜브의 구조를 보이는 개별 원자 사슬로 특징지어지지만, SbPS4 나노구조의 합성과 기본 물성에 관해서는 매우 제한된 보고만 존재한다. 본 연구에서는 Sb2S3 및 P2S5를 출발 물질로 사용하여, 증기 수송(vapor transport) 방법을 통해 불소 도핑된 산화주석 유리(fluorine-doped tin oxide glass) 위에 고수율 SbPS4 나노구조를 합성하였다. 증기-고상(vapor–solid) 메커니즘에 의해 [100] 방향으로 성장한 나노구조는 나노번들(nanobundles)과 나노벨트(nanobelts)로 구성된다. 높은 P2S5 증기 압력에서는 SbPS4 나노구조가 대체로 나노번들 형태를 취한다. 반대로 낮은 P2S5 증기 압력에서는 단순 분할(스플리팅) 결정 성장(splitting crystal growth) 메커니즘을 통해 원자적으로 얇은 나노벨트가 형성되며, 이는 우수한 결정성을 보인다. 우리는 이전에 평가되지 않았던 라만(Raman) 스펙트럼을 조사하였고, 100–600 cm–1 범위에서 11개의 두드러진 피크를 확인하였다. 또한 서로 다른 두 개의 뚜렷한 광발광(photoluminescence) 밴드를 관찰하였다. 첫 번째 밴드는 2.60 eV를 중심으로 하는 밴드엣지(band-edge) 발광이며, 이는 정상 열 소광(normal thermal quenching)을 나타낸다. 두 번째 밴드는 1.50 eV에서 나타나는 결함 관련(defect-related) 발광으로, 비정상적인 음의 열 소광(abnormal negative thermal quenching)을 특징으로 한다. 통합 광발광 강도와 여기(excitation) 전력의 전력 지수(power exponent) 값에 의해 결정된 바와 같이, 두 광발광 밴드 모두 여기자(exciton)와 유사한 복사 재결합(exciton-like radiative recombination) 특성을 시사한다. 이러한 결과는 차세대 광전자공학을 위한 SbPS4 나노구조의 개발 및 잠재적 응용에 대해 유의미한 통찰을 제공한다.

출처.

비스무트에 의해 촉매된 ZnP₂ 나노와이어는 입방 γ-ZnP₂ 구조를 가졌으며, 이는 1.5 GPa를 초과하는 압력에서만 안정한 것으로 알려져 있고, 그 존재 여부는 논쟁의 대상이다.

일차원성 van der Waals SbPS4는 단일벽 나노튜브의 구조를 보이는 개별 원자 사슬로 특징지어지지만, SbPS4 나노구조의 합성과 기본 물성에 관해서는 매우 제한된 보고만 존재한다. 본 연구에서는 Sb2S3 및 P2S5를 출발 물질로 사용하여, 증기 수송(vapor transport) 방법을 통해 불소 도핑된 산화주석 유리(fluorine-doped tin oxide glass) 위에 고수율 SbPS4 나노구조를 합성하였다. 증기-고상(vapor–solid) 메커니즘에 의해 [100] 방향으로 성장한 나노구조는 나노번들(nanobundles)과 나노벨트(nanobelts)로 구성된다. 높은 P2S5 증기 압력에서는 SbPS4 나노구조가 대체로 나노번들 형태를 취한다. 반대로 낮은 P2S5 증기 압력에서는 단순 분할(스플리팅) 결정 성장(splitting crystal growth) 메커니즘을 통해 원자적으로 얇은 나노벨트가 형성되며, 이는 우수한 결정성을 보인다. 우리는 이전에 평가되지 않았던 라만(Raman) 스펙트럼을 조사하였고, 100–600 cm–1 범위에서 11개의 두드러진 피크를 확인하였다. 또한 서로 다른 두 개의 뚜렷한 광발광(photoluminescence) 밴드를 관찰하였다. 첫 번째 밴드는 2.60 eV를 중심으로 하는 밴드엣지(band-edge) 발광이며, 이는 정상 열 소광(normal thermal quenching)을 나타낸다. 두 번째 밴드는 1.50 eV에서 나타나는 결함 관련(defect-related) 발광으로, 비정상적인 음의 열 소광(abnormal negative thermal quenching)을 특징으로 한다. 통합 광발광 강도와 여기(excitation) 전력의 전력 지수(power exponent) 값에 의해 결정된 바와 같이, 두 광발광 밴드 모두 여기자(exciton)와 유사한 복사 재결합(exciton-like radiative recombination) 특성을 시사한다. 이러한 결과는 차세대 광전자공학을 위한 SbPS4 나노구조의 개발 및 잠재적 응용에 대해 유의미한 통찰을 제공한다.

출처.

비스무트에 의해 촉매된 ZnP₂ 나노와이어는 입방 γ-ZnP₂ 구조를 가졌으며, 이는 1.5 GPa를 초과하는 압력에서만 안정한 것으로 알려져 있고, 그 존재 여부는 논쟁의 대상이다.

우리는 초기 지구에서의 무산소 및 약하게 환원된 대기를 모사하는 [CO2]/[N2] 비율을 갖는 다양한 운반 기체 조건에서 약 680 °C의 온도에서 ZnS–ZnO 이종구조 나노링을 합성하였다. 합성된 나노링은 ZnS–ZnO 이중층의 줄기(stem), ZnO 치아(teeth), 그리고 치아 사이의 ZnS 층과 ZnS 층 사이에 위치한 날개(wing)와 같은 구조로 이루어진다. O 원자는 ZnS 표면에 의해 촉매될 것으로 추정되는 CO2의 분해를 통해 공급된다. 줄기 내에서 ZnS 및 ZnO 층의 각 성장 방향은 [0001] 및 [011̅1]이며, ZnO 치아는 고리로부터 바깥쪽으로 향한다. 이들 나노링은 치아가 안쪽으로 향하도록 성장시킨 ZnS–ZnO 나노링(산소가 포함된 환경에서 성장시킨 것)과는 구조적으로 다르다. 초기 지구에서 ZnO와 같은 산소 함유 광물을 무시한 채 ZnS 및 MnS를 포함한 황화물 우세성을 가정한다는 점과는 달리, CO2 환원 효율에 더 유리한 ZnS–ZnO 나노링이 형성될 수 있음을 보여준다.

물리기상수송(physical vapor transport) 방식으로, 형석-도핑된 산화주석(fluorine-doped tin oxide) 유리 위에 Sn 촉매를 사용하여 지름 100–300 nm의 Zn3P2 쌍정(twinning) 초격자 나노와이어를 성장시켰다. 나노와이어는 [101] 방향으로 성장하였으며, 비평행 {101} 측면 모서리를 보였다. Zn3P2 쌍정 초격자는 주기적인 쌍정 결함을 제외하면 현저한 결정학적 결함이 없었다. 쌍정면 간격과 나노와이어 지름 간에는 비선형 관계가 관찰되었다. 핵생성(nucleation) 모델에서, 삼상 경계(triple-phase boundary)에서 단층 높이를 갖는 육각형 핵(hexagonal nucleus)을 가정하여 해당 관계를 피팅함으로써 쌍정면 형성 에너지(4.0 × 10–2 to 4.3 × 10–2 J/m2)를 추정하였다. 비교적 높은 쌍정면 형성 에너지에도 불구하고 나타난 예기치 않은 비선형 거동은, Sn 액적에 용해된 P 원자와 성장 계면 사이의 강한 상호작용에 기인한 것으로 해석하였다. 액적 내 P 원자는 액체–고체 계면 에너지를 감소시키는 계면활성제(surfactant) 역할을 했을 가능성이 있다.

Sn에 의해 촉매화된 CdTe 나노와이어의 성장은 물리기상수송(physical vapor transport)으로 불소 도핑된 주석 산화물(fluorine-doped tin oxide) 유리 위에서 달성되었다. CdTe 나노와이어는 290 °C에서 〈0001〉 방향으로 성장하였으며, 매우 희귀하고 상(phase)이 순수한 벌르츠바이트(wurtzite) 구조를 보였다. CdTe 나노와이어는 촉매 내에서 SnTe 나노구조를 형성함으로써 Te-제한 조건에서 성장하였고, 벌르츠바이트 구조가 에너지적으로 유리하였다. 개별 나노와이어에 대한 편광 의존 및 여기광 세기(power) 의존 미세 광발광(micro-photoluminescence) 측정으로 무거운 정공(heavy hole) 및 가벼운 정공(light hole) 관련 천이들을 구별할 수 있었으며, 상온에서의 벌르츠바이트 CdTe의 기본 밴드갭은 1.562 eV로 결정되었고, 이는 아연섬아연혼합형(zinc-blende) CdTe의 밴드갭보다 52 meV 더 높았다. 쌍둥이쌍극자(doublet) 광발광 스펙트럼의 분석을 통해 무거운 정공과 가벼운 정공 밴드 간의 분리 에너지는 43 meV로 추정되었다.

ZnTe 나노트리와 나노와이어는 물리 기상 수송(physical vapor transport)으로 불소 도핑된 산화주석(fluorine-doped tin oxide) 유리 위에서 성장시켰다. 불소 도핑된 산화주석 층에서 유래한 Sn이 320 °C의 성장 온도에서 촉매 역할을 하여 성장을 유도하였다. 줄기(stem) 및 가지(branch) 나노와이어 모두 드물게 관측되는 워츠자이트(wurtzite) 구조에서 ⟨0001⟩ 방향으로 성장하였다. 액체 촉매에서는 SnTe 나노구조가 형성되었고, 동시에 Te 제한 조건에서 ZnTe 나노와이어가 성장하여, 워츠자이트 구조의 형성이 에너지적으로 유리해졌다. 실온에서 개별 워츠자이트 ZnTe 나노와이어에 대해 편광 의존 및 출력 의존 미세 광발광(microphotoluminescence) 측정을 수행함으로써, 지금까지 알려지지 않았던 워츠자이트 ZnTe의 기본 밴드갭을 규명할 수 있었으며, 이는 2.297 eV로 아연-블렌드(zinc-blend) ZnTe의 밴드갭보다 37 meV 높았다. 쌍상(doublet) 광발광 스펙트럼의 분석을 통해 중공(heavy hole) 밴드와 경공(light hole) 밴드 사이의 정공 밴드 분열 에너지는 69 meV로 추정된다.

레이저 출력 의존적 미세 광발광 측정법을 사용하여 ZnTe 나노와이어에서 O-도핑 프로파일을 조사하였다. ZnTe 나노와이어는 비스무트에 의해 촉매된 물리기상수송으로 성장시켰다. 광발광 스펙트럼은 의도치 않은 O-도핑에 의해 형성된 높은 발광 효율을 갖는 중간 밴드(intermediate band)로 인한 밴드엣지 녹색 광발광과 적색 광발광으로 구성되었다. 나노와이어를 따라 광발광의 색 조절(color-tuning) 효과가 뚜렷하게 관찰되었으며, 이는 두 가지 발광 밴드 사이의 경쟁을 시사하였다. 촉매 팁으로부터 바닥(bottom)까지 적색 발광의 세기에서 유의한 변동이 관찰되었고, 나노와이어를 따라 각 샘플링 지점에서의 광발광 세기와 여기 출력의 관계를 전력 법칙(power law)을 이용해 분석하였다. 샘플링 지점들로부터 얻은 전력 법칙의 지수(exponent) 값은 0.58 ± 0.11로 결정되었으며, 이는 적색 발광에 대한 동일한 재결합 채널을 의미한다. 그러나 O-도핑 밀도는 촉매 팁에서 바닥까지 초선형(superlinear)으로 증가하는 것으로 나타났다. 도핑 종의 측벽에 대한 직접적인 충돌 외에도, 기판으로부터 표면 이동(surface-migrating)한 도핑 종의 추가적인 편입이 나노와이어를 따라 나타나는 비선형 O-도핑 프로파일을 설명할 수 있을 것이다.

계층적 CdS 나노구조를 물리적 증기 수송(physical vapor transport) 방법을 통해 불소 도핑된 산화주석(glass) 유리 기판 위에 성장시켰다. 기판으로부터의 주석이 280 °C의 성장 온도에서 줄기와 가지로 이루어진 꽃 모양의 계층적 구조의 성장을 촉매하였다. 줄기 나노와이어는 드문 아연 블렌드(zinc blende) 구조를 보이며 ⟨001⟩ 방향으로 성장한 반면, 가지 나노와이어는 아연블렌드 대신 워츠자이트(wurtzite) 구조를 보이며 ⟨0001⟩ 방향으로 성장하였다. 촉매의 결정질 고체 코어를 유지하면서 촉매 준(準)액정 껍질(quasi-liquid shell) 표면을 따라 소스 종(source species)이 확산되는 것을 지배로 하는 변형된 기상-고상-고상(vapor–solid–solid) 메커니즘이, 면(faceted) 코어-쉘 Sn 촉매의 관찰 결과를 바탕으로 제안되었다. 사방정계(orthorhombic tetragonal) β-상 Sn 구조가 관찰되었으며, 아연 블렌드 CdS와의 격자 정합이 가까움에 기인하여 얇은 준액정(quasi-liquid) 계면을 통해 아연 블렌드 CdS 나노와이어의 에피택셜 성장을 유도할 수 있을 것으로 보인다. 이에 반해 가지는 Sn 촉매를 통해 기상-액상-고상(vapor–liquid–solid) 메커니즘으로 성장하였는데, Sn 촉매는 기판의 고온 영역에서 증기 수송되어 줄기 나노와이어의 측벽(side wall)에 응축되었다.