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1. 나노 반도체 소자의 물리화학적 특성 분석
1.1. 나노 반도체의 기본 이론
반도체 물질을 구성하는 원자 내부의 전자들은 불연속적인 에너지 상태를 가지고 있다. 전자가 존재할 수 있는 에너지 상태를 에너지 띠라고 하며, 전자가 존재할 수 없는 에너지 영역을 띠 틈이라고 한다. 물질에 따라 띠 틈의 크기가 다르기 때문에 도체, 반도체, 부도체로 구분된다.
반도체는 도체와 부도체의 중간적인 성질을 가지며, 물리적 조건에 따라 전기적 특성을 조절할 수 있다. 나노미터 크기의 반도체 물질에서는 양자 크기 효과가 나타난다. 나노 크기의 반도체에 갇힌 전자는 특정한 조건에서만 존재할 수 있어 띠 틈이 증가하게 된다. 이로 인해 양자점은 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있어 다양한 색상을 발현할 수 있다.
나노 반도체 입자를 합성할 때는 역미셀이라는 특수한 계면활성제 구조를 활용한다. 역미셀은 물에 녹는 계면활성제 분자가 소량의 물과 결합하여 형성되는데, 이때 소수성 꼬리 부분이 바깥쪽으로 배열된다. 역미셀은 나노입자들이 뭉쳐 침전되는 것을 막아주며, 투입하는 물의 양에 따라 다양한 크기의 나노입자를 합성할 수 있다.
1.2. 양자 크기 효과와 나노 구조 특성
반도체를 비롯한 재료에서 전자의 파장은 나노 영역에 속하므로 나노 기술에서 전자파의 반사와 간섭에 의한 양자 효과가 중요하다. 나노 구조 속에 갇힌 전자는 그 파장과 나노 구조의 크기가 꼭 맞는 특정한 조건하에서만 존재하게 되는데 이를 양자 크기 효과 또는 양자 갇힘 효과라고 한다. 양자 갇힘 효과에 의해 반도체의 띠 틈이 증가하며, 이에 따라 quantum dot은 각각 다른 파장의 빛을 흡수하여 다양한 색상을 나타내게 된다. 즉, 나노 구조의 크기에 따라 전자의 에너지 준위가 변화하는 양자 크기 효과로 인해 반도체의 물리적 특성이 달라지는 것이다. 물질을 나노 크기로 만들면 표면적이 증가하여 기존 재료와 다른 독특한 성질을 가지게 되는데, 이러한 나노 구조 특성은 반도체 소자의 전기적, 광학적 특성을 크게 변화시킨다. 따라서 나노 기술을 활용하면 보다 우수한 성능의 반도체 소자를 개발할 수 있다.
1.3. 역미셀을 이용한 나노 반도체 입자 합성
역미셀은 물에 용해된 계면활성제 분자로 구성되어 있으며, 소량의 물 존재 하에서 꼬리부분은 소수성이고 머리부분은 친수성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 역미셀은 나노입자들이 뭉쳐 침전되는 것을 막아주며, 첨가되는 물의 양에 따라 다양한 크기의 나노입자 형성이 가능하다.
이를 이용하여 나노 반도체 입자를 합성할 수 있는데, 먼저 200ml 비커에 헵탄 65ml를 취하고 AOT 계면활성제 1.665g을 용해시킨다. 이 용액에 증류수 330μl를 넣어 골고루 섞어준다. 이렇게 만든 역미셀 용액 10ml를 코니컬 튜브에 넣고, 0.5M Cd(NO3)2 용액 10μl를 가한다. 그 후 0.5M Na2S 용액 10μl를 천천히 가하며 20분 이상 방치하여 안정화시킨다. 이와 같은 방법으로 ZnS와 PbS 나노입자도 합성할 수 있다.
이렇게 합성된 CdS, ZnS, PbS 나노입자 시료들을 헵탄 용액(Blank 용액)과 함께 250 - 750nm 영역에서 흡수 스펙트럼을 측정하면, 각 나노입자의 크기에 따른 고유한 흡수 특성을 확인할 수 있다. 흡수 스펙트럼의 기울기를 외삽하...
