열 화학 기상증착기에서 ferrocene을 이용한 Carbon Nanotube의 성장

Abstract

본 연구에서는 열 화학 기상 증착기(Thermal Chemical Vapor Deposition)를 자체 제작하여, 다양한 종류의 촉매와 조건들을 이용한 탄소나노튜브의 성장을 조사하였다. 특히 대량생산에 유리한 floating 촉매의 하나인 ferrocene을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키고 증착조건 변화에 따른 성장 형태를 관찰하였다. 촉매금속으로 철(Fe)을 사용하였을 경우 다른 촉매금속(Ni, NiFe)에 비하여 잘 자라는 것을 확인하였고 철(Fe)을 함유한 ferrocene을 촉매로 사용한 시료에서는 철(Fe)의 경우보다 탄소나노튜브가 더 잘 성장함을 확인할 수 있었다. 성장되어진 탄소나노튜브의 EDX분석을 통해 ferrocene을 이용하여 성장시킨 경우 top growth model을 따르는 것을 짐작할 수 있었다. Ferrocene의 공급시간을 조절하였을 경우에 처음에는 잘 정렬되지 않고 구불구불한 탄소나노튜브들이 자라고 어느 정도의 시간이 흐른 후에 잘 정렬된 탄소나노튜브들이 자라는 것으로 확인이 되었다. 또한 탄소나노튜브들은 ferrocene의 계속적인 공급에 의해서 계속적인 성장이 일어나는 것으로 확인이 되었는데 이로부터 ferrocene을 촉매로 이용하여 성장시킨 탄소나노튜브들은 second nucleation과정을 거치고 있음을 알 수 있었다. Raman scattering을 이용해 성장되어진 탄소나노튜브의 quality와 종류도 조사하여 보았다. 튜브를 잘라가며 Raman scattering으로 확인하여 외벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브가 모두 성장함을 알 수 있었으며, 외벽 탄소나노튜브보다 다중벽 탄소나노튜브의 quality가 안 좋게 나타남을 확인할 수 있었다. 열화학기상증착 장치 중앙이 800℃일때 시료를 770℃, 759℃, 722℃, 570℃인 곳(중심으로부터 각각 1 cm씩 떨어진 곳)에 각각 위치시키고 탄소나노튜브를 성장시켰을 때 700℃이상에서만 탄소나노튜브가 성장하는 것으로 보아 ferrocene이 시료의 표면에 내려와 carbon과 반응하고 있음도 확인할 수 있었다.