Journal of the Korean Vacuum Society (한국진공학회지)

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Growth of Metal Nano-Particles on Polarity Patterned Ferroelectrics by Photochemical Reaction

광화학적 반응을 이용한 편극 패턴된 강유전체 표면에 금속 나노입자의 증착에 관한 연구

  • Received : 2011.06.28
  • Accepted : 2011.07.20
  • Published : 2011.07.30
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Abstract

We report the surface distribution of metal (Ag, Au) nanoparticles grown on polarity-patterned ferroelectric substrates by photochemical reaction. Single crystal periodically polarity-patterned $LiNbO_3$(PPLN) was used as a ferroelectric substrate. The nanoparticles were grown by ultra-violet (UV) light exposure of the PPLN in the aqueous solutions including metas. The surface distribution of the grown nanoparticles were measured by atomic force microscopy and identification of the orientation of the polarity of the ferroelectric surface was performed by piezoelectric force microscopy. The Ag- and Au-nanoparticles grown on +z polarity regions are larger and denser than that on -z polarity regions. In particlur, the largest and denser Ag-nanoparticles were grwon on the polarity boundary regions of the PPLN while Au-nanoparticles were not specifically grown on the boundary regions. Thus, we found that the size and position of metal nanoparticles grown on ferroelectric surfaces can be controlled by UV-exposure time and polarity pattern structures. Also, we discuss the difference of the surface distribution of the metal nano-particles depending on the polarity of the ferroelectric surfaces in terms of surface band structures, reduced work fucntion, and inhomogeneous electric field distribution.

본 연구는 편극 패턴된 강유전체 단결정 $LiNbO_3$ (0001) 기판에 광화학적 환원반응을 이용하여 금속(Au, Ag) 나노입자를 증착시키고, 금속 입자의 종류와 표면의 극성에 따른 나노입자의 표면 분포를 원자간력현미경(AFM)으로 조사하였다. 전극 인가에 의해 주기적으로 편극 패턴된 강유전체 단결정 $LiNbO_3$ (periodically polarity-patterned $LiNbO_3$: PPLN)을 기판으로 사용하였으며, PPLN의 각 영역의 편극 방향은 Piezoresponse force microscopy로 확인하였다. 금속(Ag, Au) 나노 입자는 금속이 포함된 수용액에 PPLN 기판을 넣고, 자외선 램프로 30초에서 3분간 노출시켜 광환원 반응으로 기판에 증착시켰다. 시료 성장후, 공기 중에서 AFM을 이용하여 나노입자의 형태, 크기, 및 표면분포를 조사하였다. Ag 입자의 경우, -Z 편극 영역보다 +Z 편극 영역에 크고 밀도가 높은 나노 입자가 증착되었으며, 특히 편극 경계 부분에 가장 큰 Ag 나노입자가 증착되어, 나노선 모양으로 성장됨이 확인되었다. 그러나 Au 입자의 경우는 편극 경계부분에 입자가 증착되는 경향이 없었다. 두 입자 모두 자외선 노출시간이 증가함에 따라, 증착된 나노입자의 크기는 증가하는 경향을 보였다. 이와 같이 증착된 금속 나노입자가 강유전체의 표면편극에 따라 다른 분포로 성장되는 것을 강유전체 표면 극성에 따른 표면 밴드구조 변화, 광전 효과 및 표면의 전기장의 불균일성에 의한 수용액 속의 금속 양이온과 자외선에 의해 생성된 전자와의 광화학적 반응에 대한 모델로 논의할 것이다.

Keywords

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