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JP5269904B2 - 金属単結晶ナノプレートの製造方法 - Google Patents

金属単結晶ナノプレートの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、金属物質を前駆物質として、無触媒条件で気相移送法を利用して金属ナノプレート(nano-plate)を製造する方法、及び本発明による製造方法により製造された金属ナノプレートに関する。
貴金属は、化学的安定性、生体的合成、電気及び熱伝導性、表面プラズモニック性質などを有しており、触媒、化学/バイオセンサー、光電素子、光学素子、ナノ素子及び表面強化ラマン散乱(SERS)などに広く使用されている。
貴金属の光学的性質は、その形状から大きく影響を受けるが、単結晶ナノプレートに製造されると、プラズモニクス、バイオセンサー、分子電子素子などに応用が可能である。
一般に、金属ナノ構造体(nanostructure)は、自己組立層(self-assembled monolayer, SAM)を利用して表面に分子を吸着させることができるが、これを利用し、貴金属ナノ構造体表面に均一に吸着された分子層を得ることができる
貴金属ナノプレートとＳＡＭを利用して分子のＳＥＲＳ現象を観察して、ＳＡＭをなす分子をリンカーに応用し、選択的な生分子分析技術の開発及び光素子の開発に対する研究を進行することができ、特に、均一に生成された貴金属ナノプレート構造をＳＥＲＳ測定に利用する場合、非常に高感度の分析技術として利用できると期待される。
プラズモニクスを利用した光素子開発に関する既存の研究は、殆どが金属ナノ粒子を利用して研究されてきた。しかし、金属ナノ粒子を利用する場合、それらの構造を正確に制御することができないため、所望の安定したプラズモニクス構造及び光素子を得ることが難しい。
ところが、内部結晶欠陥がなく、高純度・高品質の単結晶からなる貴金属ナノプレートの場合、欠陥がなくて、原子水準によく定義された単結晶金属ナノプレートである。そのため、このような弱点は、合成された単結晶貴金属ナノプレートとプラズモニクスを結合する場合、解決できる。
完璧な単結晶金属ナノプレートを制御し、プラズモニクス構造を製作して、外部電場を加え、分子配列及びラマン信号を調節することにより、複合型光素子の開発研究に主要な成長をもたらすような大きい転換点になると期待される。
金属ナノ構造体は、１９９０年代以後、本格的に数多い研究と開発がなされてきたが、その大部分がナノ粒子またはナノプレートの形状であって、ナノプレートのような２次元ナノ構造体の製造及びその応用に対する研究は微々たる実情であり、特に、気相移送法を利用し、高純度・高品質の単結晶体から構成された数マイクロメートル大きさを有する金属(貴金属を含む)ナノプレートの製造は、報告されていない。
大韓民国公開特許第２００６−０００９７３５号には、液相法を利用して金ナノプレートを製造する方法が記載されているが、貴金属ナノプレートの形状調節及び大きさの調節が難しく、製造された貴金属ナノプレートの純度が劣り、ナノプレートに欠陥が存在して、多結晶体のナノプレートが合成される限界がある。
これに本出願人は、金属、金属ハロゲン化物、またはこれらの混合物を前駆物質として、気相移送法を利用し、単結晶基板に、ツインを含む２次元欠陥のない単結晶体で且つ高純度の金属ナノプレートを製造する方法、単結晶基板にエピタキシャルに金属ナノプレートを製造する方法、金属ナノプレートの辺の長さが数マイクロメートルであり、多量のナノプレートが互いに平行な配列関係を有して、基板との配向性及び形状が調節可能であって、容易に大量生産可能な方法を提供しようとする。
大韓民国公開特許第２００６−０００９７３５号
本発明の目的は、無触媒条件で、ツインを含む２次元欠陥のない単結晶体で且つ高純度の金属ナノプレートの製造方法を提供することであり、ナノプレートの一辺の長さが数マイクロメートルであり、その形状が均一な金属単結晶ナノプレートの製造方法を提供することであり、また、ナノプレートが無秩序に生成されるものではなく、プレート面が互いに平行に製造されて、単結晶基板と一定な配向性を有する金属ナノプレートの製造方法を提供することであって、さらに、その配向性及びナノプレートの形状が制御可能な金属単結晶ナノプレートの製造方法を提供することである。
本発明による金属単結晶ナノプレートの製造方法は、反応炉の前端部に位置させた金属、金属ハロゲン化物、またはこれらの混合物を含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、不活性気体が流れる雰囲気で熱処理し、前記単結晶基板上に単結晶体の金属ナノプレート(nano-plate) を形成することに特徴がある。ここで、前記前駆物質として使用される前記金属物質は、スラグ(slug)または粉末(powder)形状を含む。
前記単結晶基板上に形成される前記金属単結晶ナノプレートは、多角板状である特徴があり、前記多角板状は、六角形、五角形、四角形、三角形、平行四辺形または台形である特徴がある。
前記金属単結晶ナノプレートが形成される単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、前記金属単結晶ナノプレートの形状；前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性；またはこれらの組み合わせが制御される特徴がある。
この際、前記配向性は、前記単結晶基板の表面に垂直な単位ベクター(I)と前記金属単結晶ナノプレートのプレート面に垂直な単位ベクター(II)間に一定な角度が形成されることを意味し、前記一定な角度は、０〜９０°の範囲の値を有する一つ以上の角度を意味する。
前記単結晶基板は、ａ(｛１１−２０｝)表面のサファイア、ｒ(｛１−１０２｝)表面のサファイア、ｍ(｛１−１００｝)表面のサファイア 、ｃ(｛０００１｝)表面のサファイア、｛００１｝表面のランタンアルミニウムオキシド(LAO；Lanthanum Aluminum Oxide)、｛１００｝表面のストロンチウムチタネート(STO；Strontium Titanate)、｛１１０｝表面のチタニア(Titanium dioxide)である特徴がある。
前記金属単結晶ナノプレートが前記単結晶基板上にエピタキシャル(epitaxial)成長し、前記金属単結晶ナノプレートと前記単結晶基板とがエピタキシャル関係(epitaxial relation)を有する特徴がある。
前記前駆物質は、貴金属物質であり、前記単結晶基板上の貴金属単結晶ナノプレートが製造される特徴がある。
詳細に、前記貴金属物質は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ及びＰｄから選択された物質であり、前記貴金属単結晶ナノプレートは、Ｐｔ単結晶ナノプレート、Ａｕ単結晶ナノプレート、Ａｇ単結晶ナノプレート、Ｐｄ単結晶ナノプレート、またはＰｔ、Ａｕ、Ａｇ及びＰｄから選択された二つの貴金属からなる二元合金単結晶ナノプレートである。前記二元合金は、固溶相または金属間化合物相を含む。
貴金属単結晶ナノプレート(二元合金単結晶ナノプレート含み)を製造するために、前記前駆物質は、製造しようとする貴金属単結晶ナノプレートの貴金属物質そのものである特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、Ａｕであり、前記前駆物質は、１２００乃至１３００℃に維持されて、前記単結晶基板は、８５０〜１０５０℃に維持され、前記単結晶基板上にＡｕナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に５０〜１５０ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、５〜２０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、Ｐｄであり、前記前駆物質は、１２００乃至１３００℃に維持されて、前記単結晶基板は、８５０〜１０５０℃に維持され、前記単結晶基板上にＰｄナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に５０〜１５０ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、５〜２０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、ＡｕとＰｄの混合物であり、前記前駆物質は、１２００乃至１３００℃に維持されて、前記単結晶基板は、８５０〜１０５０℃に維持され、前記単結晶基板上にＡｕ−Ｐｄの二元合金ナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に５０〜１５０ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、５〜２０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、Ａｇであり、前記前駆物質は、８００〜８５０℃に維持されて、前記単結晶基板は、５５０〜７００℃に維持され、前記単結晶基板上にＡｇナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に５０〜１５０ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、５〜２０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、ハロゲン化Ｐｔであり、前記前駆物質は、４５０〜５００℃に維持されて、前記単結晶基板は、１０００〜１０５０℃に維持され、前記単結晶基板上にＰｔナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に２００〜４００ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、７５０〜７７０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
前記前駆物質は、遷移金属物質及びハロゲン化遷移金属の混合物であり、前記単結晶基板上の遷移金属ナノプレートまたは異なる二つの遷移金属からなる二元合金ナノプレートが形成される特徴がある。前記二元合金は、固溶相または金属間化合物相を含む。
前駆物質である遷移金属のハロゲン化物は、遷移金属の臭化物、ヨウ化物、塩化物またはフッ化物である。
前記遷移金属物質またはハロゲン化遷移金属の遷移金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｄ、Ｔａ及びＷから選択された物質であり、前記遷移金属ナノプレートは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｄ、ＴａまたはＷナノプレートであって、前記異なる二つの遷移金属からなる二元合金ナノプレートは、 Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｄ、Ｔａ及びＷから選択された二つの物質である。
前記遷移金属ナノプレートを製造するための前駆物質は、製造しようとする遷移金属の遷移金属そのもの及び製造しようとする遷移金属のハロゲン化物を全て含有する特徴があり、前記異なる二つの遷移金属からなる二元合金ナノプレートを製造するための前駆物質は、製造しようとする二元合金をなす一つの遷移金属の遷移金属そのもの及びハロゲン化物を含み、二元合金をなす他の一つの遷移金属のハロゲン化物を含む特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、Ｎｉとハロゲン化Ｎｉとの混合物であり、前記前駆物質は、７００〜９００℃に維持されて、前記単結晶基板は、８００〜１０００℃に維持され、前記単結晶基板上にＮｉナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に５０〜２００ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、７５０〜７７０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
特徴的に、前記前駆物質は、Ｎｉとハロゲン化Ｎｉとハロゲン化Ｃｏとの混合物でり、前記前駆物質は、７００〜９００℃に維持されて、前記単結晶基板は、８００〜１０００℃に維持され、前記単結晶基板上にＮｉ−Ｃｏ二元合金ナノプレートが形成される特徴がある。
この際、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部側に５０〜２００ｓｃｃｍで流れる特徴があり、前記熱処理は、７５０〜７７０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
本発明による金属ナノプレートは、反応炉の前端部に位置させた金属物質、金属ハロゲン化物、またはこれらの混合物を含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、不活性気体が流れる雰囲気で熱処理し、前記単結晶基板上に形成された多角板状の単結晶体である金属単結晶ナノプレートである特徴がある。
詳細に、本発明による金属ナノプレートは、貴金属ナノプレート、異なる二つの貴金属からなる二元合金ナノプレート(Ｉ)、遷移金属ナノプレート、異なる二つの遷移金属からなる二元合金ナノプレート(II)である特徴がある。
前記多角板状の金属単結晶ナノプレートは、六角形、五角形、四角形、三角形、平行四辺形または台形のナノプレートである特徴があり、前記金属単結晶ナノプレートは、金属単結晶ナノプレートが形成された単結晶基板とエピタキシャル(Epitaxial)関係を有して、前記単結晶基板の表面に対して一定な配向性を有する特徴があり、前記単結晶基板の表面に対して一定な配向性を有する特徴があって、少なくとも二つ以上の金属単結晶ナノプレートが互いに平行な特徴がある。
前記金属単結晶ナノプレートは、面心立方構造(FCC)であり、前記金属単結晶ナノプレートのプレート面は、｛１１１｝面であって、前記ナノプレートの辺の方向は、＜１１０＞方向を含む特徴がある。
本発明の製造方法は、触媒を使用しない気相移送法を利用して、貴金属ナノプレート、貴金属二元合金ナノプレート、遷移金属ナノプレートまたは遷移金属二元合金ナノプレートを製造することができ、数〜数十マイクロメートル大きさの金属ナノプレートを製造することができて、その工程が簡単で且つ再現性があり、製造されたナノプレートが、欠陥及び不純物を含まない高結晶性及び高純度単結晶状態の貴金属ナノプレートである長所を有する。
また、本発明の製造方法は、単純に熱処理時間を調節して金属ナノプレートの大きさを制御することができ、金属ナノプレートの形状及び基板との配向性を制御することができる長所があり、一辺の長さが数マイクロメートル大きさの金属ナノプレートを大量生産することができる長所がある。
以下、添付の図面を参照し、本発明の金属単結晶ナノプレートの製造方法を詳述するが、本明細書で使用する技術用語及び科学用語において、特に定義がなければ、この発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が通常理解している意味を有し、下記の説明及び添付図面において、本発明の要旨を曖昧にする公知機能及び構成に対する説明は省く。
本発明による金属単結晶ナノプレートの製造方法は、反応炉の前端部に位置させた金属、金属ハロゲン化物、またはこれらの混合物を含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、不活性気体が流れる雰囲気で熱処理し、前記単結晶基板上に単結晶体の金属ナノプレート(nano-plate) を形成する点に特徴がある。この際、前記不活性気体は、前記気化された前記前駆物質を基板に移送させる役割をするため、前記不活性気体が前記反応炉の前端部から前記反応炉の後端部に流れることが好ましい。
本発明の製造方法は、単に金属、金属ハロゲン化物、またはこれらの混合物を前駆物質として使用し、単結晶基板上に金属ナノプレートを形成して、触媒を使用せず、気相の物質移動経路を通じて金属単結晶ナノプレートを製造するため、その工程が簡単で且つ再現性があって、不純物を含まない高純度の金属ナノプレートを製造することができる長所がある。
また、前記反応炉の前端部及び反応炉の後端部の温度をそれぞれ調節し、前記不活性気体の流量制御と前記熱処理時に利用される熱処理管内の圧力を調節して、最終的に単結晶基板上部で金属物質の核形成力、成長力、核形成速度及び成長速度を調節する方法であるため、金属単結晶ナノプレートの大きさ及び基板上の密度などが制御可能で、再現可能であり、２次元欠陥がなく、結晶性のよい高品質の金属単結晶ナノプレートを製造することができるようになる。
詳細に、本発明の製造方法は、反応炉の前端部の温度及び管内圧力を制御し、前駆物質の気化程度を制御して、不活性気体の流量を制御し、気化された前駆物質が単結晶基板上部に移送される程度を制御して、サファイア単結晶基板の温度及び管内圧力を制御し、サファイア基板上部に形成される金属ナノプレートの成長メカニズム及び基板上における核形成力/成長力を制御する。
特徴的に、本発明の製造方法は、単結晶基板の温度及び管内圧力を制御して、サファイア単結晶基板上部に２−Ｄ核形成及び側面成長(2-dimensional nucleation and lateral growth)のメカニズムで貴金属ナノプレートを形成させる。
本発明の主題は、触媒を使用せず、前駆物質を気相移送させて、単結晶体からなる金属ナノプレートを製造することにあり、高品質、高純度、好ましい形状及び大きさのナノプレートを製造するための必須条件は、反応炉の前端部及び反応炉の後端部のそれぞれ温度、前記不活性気体の流速、前記熱処理時の圧力条件であって、基板の種類及び基板表面方向を制御し、同一な金属ナノプレートの配向性を制御する。
詳細に、前記反応炉の前端部及び反応炉の後端部のそれぞれ温度は、前駆物質の融点、沸点、気化エネルギーなどの物理的性質及び不活性気体の流速及び熱処理時の圧力、ナノプレートの金属物質の種類別に、表面方向による表面エネルギーのカスプ（cusp）が現れる温度を考慮して決定される。
前記前駆物質は、Ａｕ、Ｐｄ、またはＡｕとＰｄの混合物であり、前記前駆物質(反応炉の前端部)は、１２００乃至１３００℃に維持される特徴があって、前記前駆物質はＡｇであり、前記前駆物質(反応炉の前端部)は８００乃至８５０℃に維持される特徴があって、前記前駆物質はハロゲン化Ｐｔであり、前記前駆物質(反応炉の前端部)は４５０乃至５００℃に維持される特徴があって、前記前駆物質はＮｉとハロゲン化Ｎｉの混合物；またはＮｉ、ハロゲン化Ｎｉ及びハロゲン化Ｃｏの混合物；であり、前記前駆物質(反応炉の前端部)は７００乃至９００℃に維持される特徴がある。
前記単結晶基板の温度は、製造しようとする金属単結晶ナノプレートの貴金属物質の表面方向による表面エネルギーにカスプが存在し、表面方向によって異なる成長速度を有するように制御することが好ましく、表面方向間２−Ｄ核生成及び成長に必要な駆動力の差が大きくなるように制御し、ナノプレートの形状を有するように制御することが好ましい。
このような単結晶基板(反応炉の後端部)の温度制御及び単結晶基板上の気化された前駆物質による金属ナノプレートの核生成及び成長駆動力を制御することにより、前記金属単結晶ナノプレートは、多角板状のナノプレートである特徴を有する。
前記前駆物質は、Ａｕ、Ｐｄ、またはＡｕとＰｄの混合物であり、前記単結晶基板(反応炉の後端部)は、８５０乃至１０５０℃に維持される特徴があって、前記前駆物質は、Ａｇであり、前記単結晶基板(反応炉の後端部)は、５５０乃至７００℃に維持される特徴があって、前記前駆物質は、ハロゲン化Ｐｔであり、前記単結晶基板(反応炉の後端部)は、１０００乃至１０５０℃に維持される特徴があって、前記前駆物質は、Ｎｉとハロゲン化Ｎｉの混合物；またはＮｉ、ハロゲン化Ｎｉ及びハロゲン化Ｃｏの混合物；であり、前記単結晶基板(反応炉の後端部)は、８００乃至１０００℃に維持される特徴がある。
前記不活性気体の流れ量及び熱処理時の圧力は、前記単結晶基板に提供される前駆物質の量及び基板上に生成された核に前駆物質が到達する機序に主に影響を及ぼし、上述の単結晶基板及び前駆物質のそれぞれの温度と共に、前記不活性気体の流量及び熱処理時の圧力を制御して、数乃至数十マイクロメートルオーダーの単結晶体の金属ナノプレートを製造する。
前記前駆物質は、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、またはＡｕとＰｄの混合物であり、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部(前駆物質)から前記反応炉の後端部(単結晶基板)側に５０〜１５０ｓｃｃｍで流れる特徴があって、前記前駆物質は、ハロゲン化Ｐｔであり、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部(前駆物質)から前記反応炉の後端部(単結晶基板)側に２００〜４００ｓｃｃｍ流れる特徴があって、前記前駆物質は、Ｎｉとハロゲン化Ｎｉの混合物；またはＮｉ、ハロゲン化Ｎｉ及びハロゲン化Ｃｏの混合物；であり、前記不活性気体は、前記反応炉の前端部(前駆物質)から前記反応炉の後端部(単結晶基板)側に５０〜２００ｓｃｃｍ流れる特徴がある。
前記前駆物質は、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、またはＡｕとＰｄの混合物であり、金属単結晶ナノプレートを製造するための前記熱処理は、５〜２０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴があって、前記前駆物質は、ハロゲン化Ｐｔ；Ｎｉとハロゲン化Ｎｉの混合物；またはＮｉ、ハロゲン化Ｎｉ及びハロゲン化Ｃｏの混合物；であり、金属単結晶ナノプレートを製造するための前記熱処理は、７５０〜７７０ｔｏｒｒの圧力で行われる特徴がある。
上述の単結晶基板の温度条件、前駆物質の温度条件、不活性気体の流れ条件及び熱処理時の圧力条件は、前駆物質の気化程度、時間当たり単結晶基板に伝達される気化された前駆物質の量、単結晶基板上の金属物質の核生成及び成長速度、単結晶基板上に生成された金属物質(ナノプレート)の表面エネルギー、単結晶基板上に生成された金属物質(ナノプレート)の凝集程度、単結晶基板上に生成された金属物質(ナノプレート)の形状(morphology)に影響を及ぼすようになる。
熱処理時間も同様に、上記の温度、不活性気体の流れ、熱処理時の圧力条件及び製造しようとする貴金属ナノプレートの最終大きさによって調節されるが、上述の本発明の条件において、一辺の長さが数マイクロメートルに至る貴金属ナノプレートを製造するために、好ましくは１時間〜２時間熱処理することが好ましい。
上記の熱処理時間の間、不活性気体により気化された前駆物質が単結晶基板に移動し、核生成及び成長に参与するようになるが、これと同時に、単結晶基板に既に形成された金属物質(金属ナノプレートまたは金属ナノプレートの核)間で気相及び基板表面を介しての金属の物質移動(原子またはクラスタ単位の物質移動)が起こり、金属ナノプレートの成長及び消滅が発生する。
したがって、上記の熱処理後、金属ナノプレートが形成された単結晶基板を、前駆物質を除去した状態で再び熱処理し、金属ナノプレートの密度、大きさなどをさらに調節することもできる。
本発明の製造方法は、前記金属単結晶ナノプレートが形成される単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、前記金属単結晶ナノプレートの形状；前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性；またはこれらの組み合わせが制御される特徴がある。
詳細に、製造しようとする金属単結晶ナノプレートの金属物質固有の結晶構造に基づいて上述の熱処理時、前駆物質または製造される金属単結晶ナノプレートと化学的に反応せず、熱的化学的に安定した物質の単結晶体を基板に使用して、基板表面に対して無配向性を有するか、配向性を有する金属単結晶ナノプレートを製造する。
無配向性を有する金属単結晶ナノプレートを製造する場合、上述の熱処理時、前駆物質または製造される金属単結晶ナノプレートと化学的に反応せず、熱的化学的に安定したものであれば、いかなる種類の単結晶体でも基板に使用することができ、一例として、不導体または半導体単結晶基板を使用することができる。
配向性を有する金属単結晶ナノプレートを製造する場合、前記単結晶基板の物質及び表面(結晶面)は、核生成、特に２次元核生成(2-dimensional nucleation)が容易に発生する不導体または半導体単結晶の表面であり、格子ミスマッチ(lattice mismatch)により誘導される弾性応力(elastic stressまたはelastic strain)及び欠陥(defect)が容易に発生しない不導体または半導体単結晶の表面である。一例として、単結晶基板は、ａ(｛１１−２０｝)表面のサファイア、ｒ(｛１−１０２｝)表面のサファイア、ｍ(｛１−１００｝)表面のサファイア 、ｃ(｛０００１｝)表面のサファイア、｛００１｝表面のランタンアルミニウムオキシド(LAO；Lanthanum Aluminum Oxide)、｛１００｝表面のストロンチウムチタネート(STO；Strontium Titanate)、または｛１１０｝表面のチタニア(Titanium dioxide)である。
本発明による製造方法は、製造しようとする金属ナノプレートが単結晶基板上部にエピタキシャル成長して形成される特徴がある。
このような単結晶基板と金属単結晶ナノプレート間のエピタキシャル関係により、単結晶基板上に形成される数個の金属単結晶ナノプレートが互いに平行な関係を有するようになり、金属単結晶ナノプレートが前記単結晶基板に対して特定な配向性を有するようになる。
また、単結晶基板と金属単結晶ナノプレート間のエピタキシャル関係により、サファイア単結晶基板の表面方向によって、エピタキシャルをなす金属単結晶ナノプレートの結晶面が異なってくるため、ナノプレートの最終形状が異なってくる。
したがって、前記金属単結晶ナノプレートが形成される単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、前記金属単結晶ナノプレートの形状；前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性；またはこれらの組み合わせが制御される特徴を有する。
Ａｕ単結晶ナノプレートの製造
前記反応炉は、前端部と後端部に区別されて、独立的に加熱体(heating element)及び温度調節装置を備えている。反応炉内の管は、直径１インチ、長さ６０ｃｍの大きさの石英(Quzrtz)材質からなるものを使用した。
反応炉の前端部の中央に、前駆物質のＡｕスラグ(Sigma-Aldrich, 373176-3.9G)３．９ｇを入れた高純度アルミナ材質のボート状容器を位置させて、反応炉の後端部の中央には、｛００１｝表面のランタンアルミニウムオキシド(LAO；Lanthanum Aluminum Oxide)単結晶基板(MTI corporation, LAOa050505S1)を位置させた。
アルゴン気体は、反応炉の前端部に流入され、反応炉の後端部に排気されて、反応炉の後端部には真空ポンプが備えられている。前記真空ポンプを利用して石英管内の圧力を１５ｔｏｒｒに維持して、ＭＦＣ(Mass Flow Controller)を利用して１００ｓｃｃｍのＡｒが流れるようにした。
反応炉の前端部(前駆物質を入れたアルミナボート)の温度は１２５０℃に維持して、反応炉の後端部(サファイア単結晶基板)の温度は１０００℃に維持した状態で２時間熱処理し、Ａｕ単結晶ナノプレートを製造した。
Ａｕ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板にｍ−ｐｌａｎｅのサファイア単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＡｕ単結晶ナノプレートを製造した。
Ａｇ単結晶ナノプレートの製造
前駆物質としてＡｇ塊 (Sigma Aldrich, 373249)４．１ｇを使用して、単結晶基板にａ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用して、反応炉の前端部の温度を８２０℃に、反応炉の後端部の温度を６３０℃に、管内圧力を５ｔｏｒｒに、Ａｒの流量を１００ｓｃｃｍにしたことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＡｇ単結晶ナノプレートを製造した。
Ａｇ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板にｒ−ｐｌａｎｅのサファイア単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例３と同一な装置及び条件でＡｇ単結晶ナノプレートを製造した。
Ａｇ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板にｍ−ｐｌａｎｅのサファイア単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例３と同一な装置及び条件でＡｇ単結晶ナノプレートを製造した。
Ａｇ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板に｛１００｝ＳＴＯ(Strontium Titanate)単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例３と同一な装置及び条件でＡｇ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｐｄ単結晶ナノプレートの製造
前駆物質としてＰｄ粉末(Sigma Aldrich, 203939-5g)０．５ｇを使用して、単結晶基板にａ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用して、反応炉の前端部の温度を１２５０℃に、反応炉の後端部の温度を１０００℃に、管内圧力を５ｔｏｒｒに、Ａｒの流量を１００ｓｃｃｍに、熱処理時間を２時間にしたことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＰｄ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｐｄ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板に｛１１０｝ＴｉＯ２単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例８と同一な装置及び条件でＰｄ単結晶ナノプレートを製造した。
ＡｕＰｄ単結晶ナノプレートの製造
前駆物質としてＰｄ粉末０．５ｇ及びＡｕスラグ０．５ｇを使用して、単結晶基板にａ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用して、反応炉の前端部の温度を１２５０℃に、反応炉の後端部の温度を１０００℃に、管内圧力を５ｔｏｒｒに、Ａｒの流量を１００ｓｃｃｍに、熱処理時間を２時間にしたことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＡｕＰｄ単結晶ナノプレートを製造した。
ＡｕＰｄ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板に｛１１０｝ＴｉＯ２単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例９と同一な装置及び条件でＡｕＰｄ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｐｔ単結晶ナノプレートの製造
前駆物質としてＰｔＣｌ２(Sigma Aldrich, 482315-1G)０．５ｇを使用して、単結晶基板にｃ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用して、反応炉の前端部の温度を４７５℃に、反応炉の後端部の温度を１０２５℃に、管内圧力を７６０ｔｏｒｒに、Ａｒの流量を３００ｓｃｃｍに、熱処理時間を２時間にしたことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＰｔ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｐｔ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板にｍ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例１２と同一な装置及び条件でＰｔ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｐｔ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板にｒ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例１２と同一な装置及び条件でＰｔ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｐｔ単結晶ナノプレートの製造
単結晶基板にａ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用したことを除いては、前記実施例１２と同一な装置及び条件でＰｔ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｎｉ単結晶ナノプレートの製造
前駆物質としてＮｉ(Sigma Aldrich, 266965-50G)０．５ｇ及びＮｉＣｌ２(Sigma Aldrich, 451195-5G)０．５ｇを使用して、単結晶基板にａ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用して、反応炉の前端部の温度を８００℃に、反応炉の後端部の温度を９００℃に、管内圧力を７６０ｔｏｒｒに、Ａｒの流量を１５０ｓｃｃｍに、熱処理時間を２時間にしたことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＮｉ単結晶ナノプレートを製造した。
Ｎｉ ３ Ｃｏ単結晶ナノプレートの製造
前駆物質としてＮｉ(Sigma Aldrich, 266965-50G)０．５ｇ、ＮｉＣｌ２(Sigma Aldrich, 451195-5G)０．５ｇ及びＣｏＣｌ２(Sigma Aldrich, 409332-1G)０．５ｇを使用して、単結晶基板にｃ−ｐｌａｎｅサファイア単結晶基板を使用して、反応炉の前端部の温度を８００℃に、反応炉の後端部の温度を９００℃に、管内圧力を７６０ｔｏｒｒに、Ａｒの流量を１５０ｓｃｃｍに、熱処理時間を２時間にしたことを除いては、前記実施例１と同一な装置及び条件でＮｉ−Ｃｏ二元合金であるＮｉ３Ｃｏ単結晶ナノプレートを製造した。
前記実施例１乃至１６を通じて製造された金属単結晶ナノプレートを分析して、本発明の製造方法により製造された金属単結晶ナノプレートの品質、形状などを分析した。
図１は、実施例１を通じて製造されたＡｕナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図２は、実施例２を通じて製造されたＡｕナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)である。
図１乃至２から分かるように、ナノプレートの一辺の長さが数μｍ乃至数十μｍであるＡｕナノプレートが製造されて、多角板状のナノプレートが製造されることが分かる。大抵、三角形、三角形の一頂点が切断形態の台形のナノプレートが製造されることが分かる。
また、図１乃至図２の走査電子顕微鏡写真を通じて、製造されたＡｕナノプレートがエピタキシャルに成長し、単結晶基板表面と特定配向性を有することが分かり、Ａｕナノプレートが単結晶基板表面上で斜めに傾けて、Ａｕナノプレート面(一番広い面)の垂直方向が単結晶基板表面の平行方向成分及び垂直方向成分の両方とも有することが分かる。この際、単結晶基板上部に多量のＡｕナノプレートが形成されることが分かって、Ａｕナノプレート同士は互いに平行であることが分かる。
図１乃至図２の結果から、単結晶基板の物質及び表面方向によって、Ａｕナノプレートの配向性が異なってくることが分かる。
図３は、実施例３を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図４は、実施例４を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図５は、実施例５を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)である。
図３乃至５から分かるように、ナノプレートの一辺の長さが１０μｍ以上の非常に巨大なＡｇナノプレートが製造されて、Ａｕナノプレートと同様に、基板に対してエピタキシャル関係を有する多角板状のナノプレートが製造されることが分かる。大抵、五角形のナノプレートが主に製造されて、三角形、平行四辺形、台形のナノプレートが製造されることが分かる。
図３乃至図５の走査電子顕微鏡写真は、基板を傾けて(tilt)観察した写真であって、実施例３乃至実施例５は、いずれも基板表面に対して垂直成長したＡｇナノプレートが製造された。
また、製造されたＡｇナノプレートの形状に係らず、ナノプレート同士は互いに平行な関係を有することが分かり、単結晶基板の表面方向が変わると、製造されたＡｇナノプレートの密度、大きさ及び形状が異なってくることが分かる。ａ−ｐｌａｎｅ、ｒ−ｐｌａｎｅ上では、主に五角形のＡｇナノプレートが形成されるが、ｍ−ｐｌａｎｅでは、主に台形のＡｇナノプレートが形成されることが分かる。
図６は、実施例６を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図７は、実施例６を通じて製造されたＡｇナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真であって、ＨＲＴＥＭ写真の右側上部は、ＡｇナノプレートのＳＡＥＤ(Selected Area Electron Diffraction)パターンである。
図６のように、単結晶基板が異なると、製造されたＡｇナノプレートの密度、大きさ、及び形状が異なってくることが分かり、図７の観察結果、一つのＡｇナノプレートが単一な単結晶体からなっていることが分かり、パターンのindexing結果、バルクのＡｇと同一な面心立方構造のＡｇナノプレートが製造されて、ナノプレート面が｛１１１｝であり、ナノプレート面の辺が＜１１０＞方向であることが分かる。
図８は、実施例７を通じて製造されたＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図９は、実施例８を通じて製造されたＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１０は、実施例７を通じて製造されたＰｄナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真であって、ＨＲＴＥＭ写真の右側上部は、ＰｄナノプレートのＳＡＥＤ(Selected Area Electron Diffraction)パターンである。
図８乃至１０の結果から、数μｍ乃至数十μｍ大きさを有して、多角板状のＡｕナノプレートが製造されることが分かり、製造されたＡｕナノプレートが互いに平行で、基板別に基板に対して一定な配向性を有して、一つのＰｄナノプレートが単一な単結晶体からなっていることが分かる。
図１１は、実施例９を通じて製造されたＡｕＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１２は、実施例１０を通じて製造されたＡｕＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１３は、実施例９を通じて製造されたＡｕＰｄナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真であって、ＨＲＴＥＭ写真の右側上部は、ＡｕＰｄナノプレートのＳＡＥＤ(Selected Area Electron Diffraction)パターンである。
図１４は、実施例１１を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１５は、実施例１２を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１６は、実施例１３を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１７は、実施例１４を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図１８は、実施例１２を通じて製造されたＰｔナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真であって、ＨＲＴＥＭ写真の右側上部は、ＰｔナノプレートのＳＡＥＤ(Selected Area Electron Diffraction)パターンである。
図１９は、実施例１５を通じて製造されたＮｉナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)であり、図２０は、実施例１６を通じて製造されたＮｉ３Ｃｏナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真(単結晶基板を４５度傾けて(tilt)観察)である。
図１乃至２０の結果から、本発明の製造方法を通じて、ナノプレートの一辺の長さが数μｍ乃至数十μｍである多角板状のナノプレートが製造されることが分かる。五角形、三角形、平行四辺形、台形を含む多角形状のナノプレートが製造されることが分かり、単一なナノプレートが、二次元欠陥を含まない単一な単結晶体からなっていることが分かり、ナノプレートの形状に係らず、ナノプレート同士が互いに平行な多量のナノプレートが製造されることが分かって、基板の物質、基板の表面方向またはこれらの組み合わせを制御することにより、基板表面に対するナノプレートの配向性、密度、大きさ及び形状が制御されることが分かる。
以上のように、本発明では、限定された実施例及び図面を参照して説明したが、これらは、本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたもので、本発明がこれらに限定されるものではなく、本発明の属する分野で通常の知識を有する者なら、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。
したがって、本発明の思想は、説明された実施例に限定して定められてはならず、添付の特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等なあるいは等価的な変形のあるあらゆるものは、本発明の思想の範疇に属すると言える。
実施例１を通じて製造されたＡｕナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例２を通じて製造されたＡｕナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例３を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例４を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例５を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例６を通じて製造されたＡｇナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 製造されたＡｇナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真である。 実施例７を通じて製造されたＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例８を通じて製造されたＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 製造されたＰｄナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真である。 実施例９を通じて製造されたＡｕＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例１０を通じて製造されたＡｕＰｄナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 製造されたＡｕＰｄナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真である。 実施例１１を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例１２を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例１３を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例１４を通じて製造されたＰｔナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 製造されたＰｔナノプレートの透過電子顕微鏡(TEM)写真及びＨＲＴＥＭ(High Resolution Transmission Electron Microscope)写真である。 実施例１５を通じて製造されたＮｉナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。 実施例１６を通じて製造されたＮｉ３Ｃｏナノプレートの走査電子顕微鏡(SEM)写真である。

Claims (5)

  1. 反応炉の前端部に位置させたＡｕ、Ｐｄ、またはこれらの混合物を含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、５０〜１５０ｓｃｃｍの不活性気体が反応炉の前端部から反応炉の後端部に流れる雰囲気で前記前駆物質を１２００〜１３００℃に維持し、前記単結晶基板を８５０〜１０５０℃に維持し、５〜２０ｔｏｒｒの圧力下で熱処理し、前記単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、金属単結晶ナノプレートの形状、前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性、またはこれらの組み合わせが制御されるようにすることで、前記単結晶基板の表面上に一定な角度でエピタキシャル(epitaxial)成長する多角板状の単結晶体であるＡｕ、ＰｄまたはＡｕ−Ｐｄ二元合金ナノプレート(nano-plate)を形成することを特徴とする、金属単結晶ナノプレートの製造方法。
  2. 反応炉の前端部に位置させたＡｇを含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、５０〜１５０ｓｃｃｍの不活性気体が反応炉の前端部から反応炉の後端部に流れる雰囲気で前記前駆物質を８００〜８５０℃に維持し、前記単結晶基板を５５０〜７００℃に維持し、５〜２０ｔｏｒｒの圧力下で熱処理し、前記単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、金属単結晶ナノプレートの形状、前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性、またはこれらの組み合わせが制御されるようにすることで、前記単結晶基板の表面上に一定な角度でエピタキシャル(epitaxial)成長する多角板状の単結晶体であるＡｇナノプレート(nano-plate)を形成することを特徴とする、金属単結晶ナノプレートの製造方法。
  3. 反応炉の前端部に位置させたハロゲン化Ｐｔを含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、２００〜４００ｓｃｃｍの不活性気体が反応炉の前端部から反応炉の後端部に流れる雰囲気で前記前駆物質を４５０〜５００℃に維持し、前記単結晶基板を１０００〜１０５０℃に維持し、７５０〜７７０ｔｏｒｒの圧力下で熱処理し、前記単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、金属単結晶ナノプレートの形状、前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性、またはこれらの組み合わせが制御されるようにすることで、前記単結晶基板の表面上に一定な角度でエピタキシャル(epitaxial)成長する多角板状の単結晶体であるＰｔナノプレート(nano-plate)を形成することを特徴とする、金属単結晶ナノプレートの製造方法。
  4. 反応炉の前端部に位置させた遷移金属物質及びハロゲン化遷移金属を含む前駆物質と、反応炉の後端部に位置させた単結晶基板とを、５０〜２００ｓｃｃｍの不活性気体が反応炉の前端部から反応炉の後端部に流れる雰囲気で前記前駆物質を７００〜９００℃に維持し、前記単結晶基板を８００〜１０００℃に維持し、７５０〜７７０ｔｏｒｒの圧力下で熱処理し、前記単結晶基板の物質及び表面方向を制御し、金属単結晶ナノプレートの形状、前記単結晶基板の表面に対する金属単結晶ナノプレートの配向性、またはこれらの組み合わせが制御されるようにすることで、前記単結晶基板の表面上に一定な角度でエピタキシャル(epitaxial)成長する多角板状の単結晶体である遷移金属ナノプレートまたは異なる二つの遷移金属からなる二元合金ナノプレート(nano-plate)を形成することを特徴とする、金属単結晶ナノプレートの製造方法であって、前記前駆物質がＮｉとハロゲン化Ｎｉとの混合物、またはＮｉとハロゲン化Ｎｉとハロゲン化Ｃｏとの混合物であり、前記単結晶基板上にＮｉナノプレートまたはＮｉ−Ｃｏ二元合金ナノプレートが製造されることを特徴とする金属単結晶ナノプレートの製造方法。
  5. 単結晶基板が、ａ(｛１１−２０｝)表面のサファイア、ｒ(｛１−１０２｝)表面のサファイア、ｍ(｛１−１００｝)表面のサファイア 、ｃ(｛０００１｝)表面のサファイア、｛００１｝表面のランタンアルミニウムオキシド(LAO；Lanthanum Aluminum Oxide)、｛１００｝表面のストロンチウムチタネート(STO；Strontium Titanate)、｛１１０｝表面のチタニア(Titanium dioxide)から選択される何れか一つであることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の金属単結晶ナノプレートの製造方法。
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