펄스 레이저를 이용한 TiO2 나노 구조체의 표면 결함 유도

Abstract

TiO2 화학적으로 안정하며 풍부한 물질로서 유기 물질의 광분해, 수소 생성을 위한 물의 분해를 위한 광촉매로 사용한다. 그러나 띠간격이 3.0eV로 상당히 큰 값을 가지기 때문에 자연적인 태양빛을 사용하는 것이 한정적이다. 그렇기에 TiO2를 태양빛에서 효율적으로 사용하기 위해 TiO2가 가시광선 영역을 흡수할 수 있도록 만드는 방법에 대한 연구가 지속되고 있다. 띠간격을 줄이기 위한 주된 방법은 헤테로 원자(전이금속, 양이온성, 음이온성 원소)를 도핑하거나 자기-도핑의 방법과 펄스 레이저를 이용하는 방법 등 여러가지가 존재하는데 이 방법들은 다양한 결함 농도를 갖는 TiO2가 환원하는 특성을 이용한 것이다. 그 중 펄스 레이저 조사의 경우 레이저를 출력을 조절해 낮은 출력에서는 순간적으로 TiO2를 간단히 가열하는 것부터 높은 출력에서는 완전히 조각내는 것까지 할 수 있다는 점을 기본으로 한다. 특히 나노초 펄스 레이저는 입자 크기, 형상, 상 및 결함 등을 변화시키는 물질의 열 변형을 유발하는 것으로 알려져 있다. 최근 연구에서 물에 현탁되어 있는 TiO2에 532nm 파장의 나노초 펄스 레이저를 사용해 검은 TiO2를 만든 것을 확인하였다. 검은 TiO2는 표면이나 결함에서 구조적인 장애에 의해 유발된 띠간격의 감소로 염료 분해나 수소 생산할 때 가시광선에서 좋은 광촉매 활성을 확인할 수 있다. 하지만 이 과정에 대한 의문이 많이 남아 있는데 가장 대표적으로 TiO2가 띠간격(3.0eV) 보다 낮은 에너지(532nm=2.3eV)를 어떻게 흡수할 수 있는지에 대한 것이다. 띠간격의 감소를 위해 임계 온도보다 높은 온도로 순간적으로 가열하는 것이 광자의 흡수를 통해 가능한데, 산소의 공석이나 Ti3+와 같은 결함이 미드갭 상태를 만들어 낮은 에너지를 갖는 광자를 흡수할 수 있게 한다. 이를 다양한 종류의 TiO2를 펄스 레이저로 조사된 다양한 밀도의 결함과 비교해 실험적으로 조사할 수 있다. 나노초 펄스 레이저를 이용해 TiO2가 가진 결함이 다른 모양, 결함농도에 미치는 영향에 대해 알 수 있었다. 532nm 펄스 레이저에서 TiO2 입자의 색이 점차 변화를 하긴 하나, 모양과 결함농도에 따라서 그 정도가 다르다는 것을 발견하고 이를 통해 TiO2의 표면의 결함이 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 알 수 있었다.