최근 육각형 상의 P6₃/mmc(D⁴_6h) 공간 그룹의 재료들이 매우 주목을 받고 있다. 특히 간접 밴드갭 (indirect bandgap structure) 인 다이아몬드 결정 구조의 Si 과 Ge은 Si_xGe_1-x와 같이 합금이 되어 직접 밴드갭 (direct bandgap structure) 의 반도체 재료로 사용되고 있으며 육각형 상의 Si, Ge 그리고 Si_xGe_1-x은 GaP 혹은 GaAs 나노와이어의 템플릿에서 결정 품질이 높은 코어 쉘 나노와이어 (core shell nanowire)의 형태로 실현되고 있다[1-6]. 육각형 상의 Ge (h-Ge) 혹은 Si_xGe_1-x 합금의 직접 밴드갭에 대한 실험적 결과들은 포토닉스 분야에서 새로운 기회를 제공하고 있다. 자연 입방체 상에서 Ge은 간접적인 밴드갭을 갖지만, 육각형 상은 직접적인 밴드갭을 가질 것으로 예측되었기 때문이다[7-10].

나노 크기의 물질은 벌크 물질과는 다른 전기적, 자기적, 광학적, 기계적 물성을 가지고 있어, 여러 산업 분야에서 혁신적인 기술의 개발을 가능하게 한다. 한편, 자연에는 매우 뛰어난 성능을 가진 특이한 구조나 생명체 중 놀라운 현상을 나노 물질로서 이해하여 새로운 기술을 개발하는 시대를 열어주고 있다.

Autumn et al.은 도마뱀의 발바닥에서 매우 미세한 털을 확인하였으며 나노 크기를 갖는 미세한 털은 반데르발스 힘 (Van der Waals force)에 의해 접착이 유지되어 수 백배에 달하는 부착력을 발생시킨다고 보고하였다[11]. Brasier et al.은 Sussex의 Hastings 근처 Ashdown 층의 충적 토양에서 1억4천만년전의 초기 백악기 호박 수지를 발견하였으며, 이후 Sahni et al.은 거미줄의 역학적 성질을 규명해 거미가 먹이를 포획하는 정확한 메커니즘을 밝혔다[12-14]. 거미줄은 매우 강한 인장력과 탄성력을 가지고 있기 때문에 많은 연구진들이 거미줄의 특성을 응용한 인공 물질을 개발하기 위해 노력하고 있다. Babb et al.은 거미줄의 등급을 구분하였으며 특히 큰 인장 강도를 이용하여 먹이를 잡는데 도움이 되는 점성이 있는 거미줄의 존재를 확인하였다[15].

자연은 매우 잘 설계된 무수히 많은 접착제를 발전시켰다. 거미줄은 골격을 위한 고강도 방사형 선과 먹이의 운동 에너지를 완충하기 위한 인장 강도가 우수한 나선형 선으로 구성된다. 나선형 거미집을 만드는 동안 거미는 응집체 땀샘에서 점성 접착제를 분비하여 거미줄에 고르게 코팅한다. Plateau-Rayleigh 불안정성으로 인해 수십 초 이내에 점성 접착제가 집합 접착제 방울이라고 하는 일련의 등거리 구형 구조를 빠르게 형성한다[16-20]. 거미줄은 보호복에서 의료 제품에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 연구되고 있다. 특히 새로운 바이오 기반 재료를 제공할 수 있는 잠재력과 독특한 기계적 특성을 연구하기 위해 많은 과학자들의 관심을 가지고 있다[21]. 점성 거미줄 접착제는 습도가 증가함에 따라 더 높은 접착력을 생성한다. 이렇게 자연은 매우 흥미로운 현상을 많이 보여주고 있다. 이러한 자연의 현상을 이해하는 것은 과학적 현상에 적용할 수 있는 많은 아이디어를 제공받게 된다.

이전의 연구에서 우리는 완전한 육각형 Si 반도체가 구현되기 위한 하나의 방법으로 알루미늄 기반 나노 흡수체 (Al-based nano absorber) 를 제안하였다[22-24]. 본 논문에서는 알루미늄 기반 나노구조 (Al-based nanostructure)가 자연 현상에서의 완벽한 거미줄의 역할을 수행하고 거미줄에 이슬을 맺는 것과 같은 특이한 현상을 통해 육각형 (hexagonal) Ge 마이크로 결정의 쉬운 성장을 확인하였다.

최근 Fadaly et al.은 MOCVD 및 Au 촉매 작용을 사용하여 GaAs 기판에서 나노 크기의 육각형 Ge, SiGe 및 Si의 성공적인 성장을 보고하였다[25]. 그러나 육각형Ge 반도체는 이론적으로 직접적인 밴드갭 구조 또는 준직접적인 밴드갭 구조이지만 나노 스케일 수준에서 얻어졌고 최근까지 벌크 결정은 실험적으로 얻어지지 않았다[26-39]. 최근에는 기존의 Au 촉매를 이용하여 육각형 Si 또는 Ge를 성장시키는 기체-액체-고체 법이 아닌 MBE (molecular beam epitaxy)에 의해 육각형 Ge를 성장시킨 사례가 처음 보고되었다[40]. 그러나 이 결과 또한 500 nm 육각형 Ge으로 bulk의 개념과는 다른 것이라 할 수 있다. Ge 은 육각형 상 (hexagonal phase)에서 효율적인 준 직접 밴드갭 (quasi-direct bandgap) 혹은 직접 밴드갭 반도체로 바뀌므로 넓은 파장 영역의 발광소자에 매우 적합하다[41,42]. 육각형 Ge bulk 상태에서 발생되는 특성을 이해하고 적용 가능성을 확장하려면 Ge의 벌크 육각형 구조를 성장시킬 필요가 있다. 이 논문에서 우리는 단일 육각형 Ge (hexagonal Ge) 마이크로 결정이 알루미늄 기반 나노구조에 의해 성장되었음을 보고한다.

거미줄에 이슬이 맺히는 현상과 유사하게 Ge 구슬을 형성하기 위해 나노 와이어 성장이 필요하다. 이러한 나노 와이어의 성장을 위해 혼합 소스 수소화물기상법 (mixed-source hydride phase epitaxy, HVPE)이 사용되었다. 혼합소스 HVPE 방법은 보트의 단일 우물에서 금속 원료를 혼합하는 공정으로 금속 유기 화학 기상 증착 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 또는 기타 기존 HVPE 방법에서 요구되는 소스의 연속 공급 방식과 다르다[22-24]. 본 논문에서의 HVPE 장비는 3개의 고온 구역 가열로 (T≈1200 °C), 온도를 제어하기 위한 가열 코일 및 석영 반응기 튜브로 구성되어있다. 이 튜브에서 흑연 보트는 혼합 소스가 있는 소스 영역과 거의 한 영역에서 결정을 한다. 일련의 소스 및 성장 영역의 온도는 1200 °C로 고정하였다. 흑연 보트 내에서 혼합 소스는 상단에 Ga 소스, 중간에 Al 소스, 하단에 Ge 소스로 채워져 있다. 그리고 온도가 상승함에 따라 Ga이 먼저 녹고 Ga이 Al을 염소화 (chloride) 하는 데 도움이 된 다음 Ge 소스 위로 흐르는 HCl 가스와 반응한다. 성장 영역에는 성장된 Ge 마이크로 결정을 수집하는 데 사용되는 사파이어 기판이 놓여있다. 본 논문에서는 Ge 마이크로 결정을 성장시키는 데 적합한 개별 기판을 사용하지 않는 것이 특징이다.

Figure 1은 거미줄에 이슬 방울이 형성되는 것과 유사한 방법으로 육각형 Ge 마이크로 결정이 성장되는 개략도를 표현하였다. 금속 Al은 HCl과 반응하여 알루미늄 기반 나노구조를 형성하는데 폭은 수 십 nm 에서 수백 nm 정도이다. 알루미늄 기반 나노구조의 길이는 최대 수 mm까지 형성된다 (Fig. 1(a)). Ga은 금속 Al의 용해를 도우며 HCl과 잘 반응하도록 한다. Ga은 HCl과 반응하여 GaCl_n 화되고 나노와이어 형성에 조금 기여하나 접착방울 (glue droplets)의 역할을 주로 하게 된다 (Fig. 1(b))[43]. 알루미늄 기반 나노구조는 AlCl과 NH₃와 주로 반응하여 형성되기 때문에 AlN과 같은 육각형 우르자이트 (wurtzite) 구조이다. 혼합 소스 수소화물기상법은 별도의 소스를 공급하지 않으며, AlCl의 양이 급격히 감소하면 알루미늄 기반 나노구조가 완전한 Al 나노와이어로 형성되지 않고 댕글링 본드 (dangling bond)가 많은 매우 불안정한 미완성의 상태를 유지한다. 이러한 댕글링 본드 결합을 갖는 알루미늄 기반 나노구조는 표면 근처 또는 내부의 다양한 격자 결함을 둘러싸고 있는 원자단의 불포화 결합으로 인해 표면 주위에 특정 분자를 흡수하기 쉬운 상태로 존재한다. 이때 알루미늄 기반 나노구조 표면으로 지나가는 풍부한 GeCl_n은 흡착되기 시작한다 (Fig. 1(b)). 흡착에 가해지는 힘의 원인으로 반데르발스 힘이 고려된다. 일반적으로 2D 나노구조 표면은 화학적 댕글링 결합이 없고 층 사이에 상대적으로 약한 반데르발스 힘으로 적층된다[44]. 반면, 댕글링 본드가 많은 알루미늄 기반 나노 구조 표면은 Ge을 쉽게 흡착한다. 알루미늄 기반 나노 구조 표면에 무작위로 흡착되어 분포된 Ge은 알루미늄 기반 나노구조 표면에서 내부로 확산되고 동시에 일부 집중된 나노 크기의 Ge 구슬은 수십 마이크로 크기까지 형성된다 (Fig. 1(c)). Figure 1(d)는 Fig. 1(c)의 점선 영역을 확대하여 표현한 것으로 알루미늄 기반 나노 구조의 표면에는 나노 Ge 물방울들이 흡착되어 있으며 수십 마이크로 크기까지 형성된 Ge 구슬은 알루미늄 기반 나노 구조 내부에 확산된 Ge과 Ge구슬이 새로운 소스로 작용하여 육각형 모양의 Ge 마이크로 결정을 형성하기 시작한다 (Fig. 1(e)). 형성된 육각형 Ge 마이크로 결정은 연결된 알루미늄 기반 나노 구조로부터 분리되어 Fig. 1(f)와 같이 아래로 낙하하게 된다. 알루미늄 기반 나노 구조가 우르자이트 구조의 특성을 가지는 것과 유사하게 Ge 구슬은 육각형 Ge 특성을 가지고 있다. 따라서 Al 기반의 나노 구조물질은 거미줄의 역할뿐만 아니라 Ge 물질이 육각형 Ge 마이크로 결정을 형성하는 틀의 역할을 하며 뭉쳐진 Ge 구슬은 하나의 육각형 Ge 마이크로 결정을 형성하는 소스 역할을 한다. Ge 구슬은 알루미늄 기반 나노 구조에 맺혀 있는 상태에서 최소 0.13 μm 에서 최대 20 μm 정도의 직경으로 관측되었다. Ge의 밀도를 5.323g/cm³으로 하면 최대 중량은 1.22 × 10^-5 dyne이다.

Figure 1. (Color online) Schematic drawing of the growth of hexagonal Ge microcrystals by a method similar to the formation of dew in spider silk. (a) Al-based nano absorber. (b) Adsorption of various molecules. (c) Formation of Ge dew. (d) Enlarged figure of dotted line area in Fig. 1(c). (e) Formation of hexagonal Ge microcrystals. (f) Falling of hexagonal Ge microcrystals.

Figure 2는 실제 형성된 알루미늄 기반 나노 구조에 Ge 구슬이 맺혀있는 현상을 FE-SEM과 고해상도 광학 3D 표면 분석기 (KEYENCE의 VHX-7000)를 이용한 이미지를 보였다. Figure 2(a)와 같이 둥근 공 모양의 Ge 구슬이 거미줄처럼 형성되어있다. 마이크로 크기의 구슬들은 거미줄에 이슬이 맺혀진 것과 유사하게 일정한 간격으로 형성되어 있다 (Fig. 2(b)). Figure 2(c), (d)와 같이 알루미늄 기반 나노 구조 표면에 무작위로 흡착되어 있는 나노 크기의 구슬들은 크기에 따라 1200 °C 고온에서는 서로 다른 인력 혹은 표면장력과 같은 응집력이 발생하여 임의의 간격으로 Ge 분자들이 집중되어 Ge 구슬을 형성한다. 최종 낙하하기 전의 큰 Ge 구슬은 Ge의 녹는점 938 °C 이하로 냉각될 때 형성된 것으로 판단된다[16-20,45,46]. 물에 젖은 거미줄이 일정 간격으로 있는 매듭의 큰 표면장력에 의해서 이슬이 매듭에 모여 물방울을 만드는 현상과 비슷함을 알 수 있다 (Fig. 2(e)). Ge 구슬은 육각형 Ge 마이크로 결정을 형성하는데 가장 중요한 소스로 작용한다.

Figure 2. (Color online) FE-SEM and high-resolution optical 3D surface analyzer (KEYENCE's VHX-7000) images for the phenomenon of Ge dew forming on the actually formed Al-based nano absorber. (a) FE-SED image. (b) High-resolution optical 3D surface analyzer image. (c) Ge dews irregularly adsorbed on Al-based nano absorber. (d) Enlarged figure of Fig. 2(c). (e) Real spider web image.

Figure 3은 알루미늄 기반 나노구조의 Ge 구슬에 의해 형성된 육각형 Ge 마이크로 결정의 FE-SEM 이미지와 성장시간에 따른 Ge 구슬의 크기를 나타내었다. Ge 구슬을 흡착한 알루미늄 기반 나노구조는 많은 양의 Ge 분자를 흡수하여 휘어진 나노와이어의 형태에서 직선 형태의 와이어로 진행된다 (Fig. 3(a)). 한편 Ge 구슬은 내부의 Ge이 하나의 소스로 작용하여 알루미늄 기반 나노구조를 따라 육각형의 Ge 마이크로 결정을 형성한다 (Fig. 3(b)). 이렇게 형성된 Ge 마이크로 결정은 일정한 무게가 되면 거미줄과 같은 그물에서 독립적으로 바닥으로 낙하하여 Fig. 3(c)와 같은 Ge 마이크로 결정을 형성하게 된다. Figure 3(c)의 삽입 FE-SEM 이미지와 같이 대부분 머리 부분의 속은 비어진 상태로 발견되었다. 알루미늄 기반 나노 구조에서 분리된 Ge 구슬의 크기는 직경이 20 μm 이상으로 측정되었다. 분리된 Ge 구슬에서 성장된 육각형 Ge 마이크로 결정의 길이는 HCl 의 양에 따라 차이는 있으나 대부분 300 μm 이내인 것으로 확인되었다. 이는 알루미늄 기반 나노 구조에서 분리되는 Ge 구슬의 크기가 임의의 최대 크기 이하에서 존재하는 것을 의미한다. 즉, 알루미늄 기반 나노 구조가 흡착할 수 있는 한계를 의미하기도 한다. HCl의 양은 특정한 양 (HCl 200 sccm) 에서 Ge 구슬의 크기가 24 μm – 80 μm 이하의 분포를 가지고 있다 (Fig. 3(d)). 그러나 Ge의 녹는점에 비해 성장 온도가 매우 높아 HCl 유량의 변화에 대해 구슬의 크기 형성에는 기여하지 못하고 대부분 소실된 것으로 판단된다. 또한 HCl이 50 sccm의 경우는 알루미늄 기반 나노 구조의 형성이 부족하여 구슬의 크기가 증가하지 않는다. 따라서 HCl 200 sccm 과 일정한 성장시간에서 알루미늄 기반 나노 구조와 Ge 구슬이 가장 잘 형성되는 조건임을 확인하였다. 그 결과 성장 시간과 조건에 따라 약간의 변화는 있으나 일정한 직경을 가지는 Ge 구슬과 길이 수백 μm의 작은 bulk 형 육각형 Ge 마이크로 결정이 형성되었다. 그러므로 알루미늄 기반 나노구조에서의 Ge 구슬 형성의 특이한 현상을 통해 육각형 Ge 마이크로 결정을 얻을 수 있는 것은 이 분야에서 새로운 현상이라 할 수 있다.

Figure 3. (Color online) FE-SEM images of hexagonal Ge micro crystals formed by Ge dew on Al-based nano absorber and the size of Ge dew vs growth time. (a) Linear type Al-based nano absorber. (b) Crystallization of Al-based nano absorber. (c) Formation of Ge microcrystal. The inset shows an inner image of Ge dew. (d) Size of Ge dews vs growth time.

Figure 4는 알루미늄 기반 나노 구조와 형성된 Ge 구슬의 에너지 분산 X선 분광기 (energy dispersive spectrometer, EDS) 스펙트럼의 결과를 나타내었다. MIRA3 TESCAN (Oxford instrument) 장비를 이용하여 성분을 조사하였다. 3.8 μm 정도의 Ge 구슬이 형성된 성장 초기 Al 기반 나노 구조 표면에서는 Al 성분이 99.21 atomic% 이 것으로 확인되었다 (Fig. 3(a)). 한편 Ge 성분은 0.79 atomic%로 나타났다. 초기 알루미늄 기반 나노구조 표면은 일부를 제외하고 매끈한 상태를 유지하고 있다. Figure 4(b)와 같이 구슬은 58.48 atomic% 의 Ge 성분이 검출되었다. 알루미늄 기반 나노구조의 표면성분에서 대부분 차지하는 Al 성분은 구슬에서는 반으로 감소하며 크기가 큰 구슬의 경우는 거의 95 atomic% 이상의 Ge 성분이 검출되었다. Figure 4(c)는 EDS mapping 결과로서 붉은색의 Ge 성분과 녹색의 Al 성분의 분포가 서로 구분되어 나타났다. 이는 성장 초기 알루미늄 기반 나노 구조가 Al 성분에 의해 형성되며 Ge 분자들의 흡착에 의해 일정 크기의 Ge 구슬이 형성되고 있음을 분명히 확인할 수 있다.

Figure 4. (Color online) EDS spectra of Ge dew formed with Al-based nano absorber. (a) EDS spectrum of Al-based nano absorber. (b) EDS spectrum of Ge dew. (c) EDS mapping of Ge dew formed with Al-based nano absorber. (c-1) Ge, (c-2) Al.

Figure 5(a)와 (b)는 동일한 조건에서 실험한 것으로 알루미늄 기반 나노 구조로부터 낙하된 Ge 마이크로 결정의 크기에 따른 EDS 스펙트럼 결과이다. 10 μm 정도의 비교적 작은 구슬을 가진 육각형 Ge 마이크로 결정의 경우 96.78 atomic%가 Ge 성분으로 검출되었다. 47 μm 정도의 비교적 큰 구슬을 가진 육각형 Ge 마이크로 결정의 경우에는 Ge 성분이 86.39 atomic%로 나타났다, 이는 성장 후 Al 성분이 Ge 구슬의 표면을 오염시킨 것으로 추정할 수 있다. Figure 5(c)는 알루미늄 기반 나노 구조가 Ge 분자들을 흡수하는 과정을 확인할 수 있다. 검은 부분은 Ge 분자들이 흡수된 영역이며 검은 부분 사이의 흰 영역은 아직 Ge 분자들이 완전히 흡수되기 전의 영역이다. Figure 5(d)에서 볼 수 있듯이 Al 성분과 Ge 성분이 극적으로 변화되고 있음을 확인할 수 있다. 이 결과는 알루미늄 기반 나노 구조의 역할을 명확히 알 수 있으며 알루미늄 기반 나노 구조는 임의의 성분으로 나노 형태가 완성되기 전의 미완성의 상태에서 Ge 분위기의 분자를 흡수하여 마이크로 크기의 육각형 Ge 반도체를 성장한다. 성장된 육각형 Ge 마이크로 결정의 특성은 라만 (Raman) 측정으로부터 이해할 수 있다. 일반적으로 cubic-Ge에 대한 Raman 피크는 300.16 cm^-1피크에서 F2g 모드 (mode)가 관측이 된다[47]. 육각형 Ge 나노와이어 (nanowires) 에서는 수평축으로 297.7 cm^-1의 A_1g 모드 (longitudinal optical, LO), 297.4 cm^-1 의 약한 E_1g 모드 (transverse optical, TO) 그리고 286.1 cm^-1의 강한 E_2g 모드 (transverse optical, TO)의 세가지 모드 관측이 가능하다[48-51]. 수직축으로는 297.7 cm^-1에서는 축퇴된 모드를 A_1g/E_1g로 표현하기도 한다[48]. 이는 cubic-Ge의 F2g 모드와 구분된다. Jalilian et al.은 Ga 물방울 위에 성장된 Ge nanowires의 Raman 결과로 3개의 다른 평균 직경인 6 nm, 7 nm 및 12 nm에 대하여 280 cm^-1, 286 cm^-1, 301 cm^-1의 값으로 각각 관측되었다[52].

Figure 5. (Color online) EDS spectra of Ge microcrystals dropped from Al-based nano-absorbers. (a) EDS spectrum of hexagonal Ge microcrystal with dew of size about 10 μm. (b) EDS spectrum of hexagonal Ge microcrystal with dew of size about 47 μm. (c) Al-based nano absorber that absorbs Ge molecules. (d) EDS line scanning result in Fig. 5(c).

Figure 6에서는 알루미늄 기반 나노 구조에 의해 형성된 육각형 Ge 마이크로 결정의 Raman 특성을 나타내었다. Ge 구슬의 크기가 직경 34 μm이며 길이가 92 μm의 육각형 Ge 마이크로 결정을 측정하였다 (Fig. 6(a)). Raman 측정은 UniDRON (Analytik Jena AG) 장비로 입사파장 532 nm, 입사레이저 강도는 최고 50 mW까지 조절할 수 있는 장비를 사용하였다. 입사 레이저 강도는 0.5 mW에서 50 mW까지 변화하면서 측정하였다. 구슬 부분에서는 285 cm^-1에서 피크가 측정되었다 (Fig. 6(b)). 이는 벌크 큐빅 (bulk cubic) Ge의 300 cm^-1부근의 모드와 GeO_n과 관련된 모드와는 전혀 다른 것으로 육각형 Ge 의 강한 가로 광학 모드 E_2g 에 기인한 것이다[47-54]. 특히 입사 레이저 강도가 2.5 mW일 경우 전형적인 육각형의 Ge 마이크로 결정의 Raman 특성인 E_2g 284 cm^-1의 매우 강한 피크가 측정되었다 (Fig. 6(c)). Figure 6(d)는 육각형 Ge 마이크로 결정의 중심영역에서의 Raman 특성으로 Ge 구슬과 같은 E_2g 284 cm^-1의 매우 강한 피크가 관측되었다. 입사 레이저 강도는 0.5 mW에서 변화하여 50 mW 까지 변화하였지만 주 피크의 변화는 발생하지 않았다. 이는 매우 안정적인 육각형의 Ge 마이크로 결정의 Raman 특성을 보여주고 있으며 이는 나노 크기의 육각형 Ge과 다르게 벌크형 육각형 Ge 마이크로 결정체임을 확인할 수 있는 결과이다. Figure 6(e)는 길이 394 μm의 육각형 Ge 마이크로 결정의 Raman 결과이다. Ge 구슬로부터 육각형의 마이크로 결정이 성장하는 방향은 결정 끝 (tip)의 c→ 축 방향이다. 구슬 부분 (“①”)에서 중심영역까지 (“⑥”) 25 mW의 입사 강도로 측정하였다. Figure 6(e-1)은 Fig. 6(e)의 확대된 FE-SEM 사진으로 육각형 구조를 분명히 관찰할 수 있다. 구슬 E_2g 모드로 구슬에서 중심으로 가면서 290.5 cm^-1에서 289.3 cm^-1의 Raman 모드가 관측되었다. ①–⑥ 위치까지의 E_2g 모드의 변화는 1.2 cm^-1로 거의 변화가 없었다 (Fig. 6(f)). 따라서 매우 안정된 육각형 Ge 마이크로 결정이 성장된 것으로 판단된다. Figure 6(b)와 (d)에서 관측된 284 cm^-1의 E_2g 모드와 6 cm^-1의 차를 보이고 있으나 이는 크기가 증가하여 bulk 결정으로 진행되고 있음을 의미한다. Figure 6(g)는 육각형 Ge 마이크로 결정의 단면에 대한 SEM과 EDS 맵핑 결과를 보여준다. 이는 육각형 마이크로 결정의 단면이 Ge으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 그러므로 알루미늄 기반 나노 구조에 의해 Ge 구슬의 형성은 육각형 Ge 마이크로 결정을 성장하는데 매우 중요한 요소이며 육각형 Ge 반도체를 성장하기 위한 소스로서의 역할을 하였음이 분명하다. 이와 같이 Ge 구슬의 특이한 현상은 육각형 Ge 마이크로 결정 성장에 대한 새로운 방법임을 확신한다.

Figure 6. (Color online) Raman spectra of hexagonal Ge microcrystals formed by Al-based nano-absorbers. (a) optical image. (b) Raman spectrum of dew. (c) Raman spectrum of a typical hexagonal Ge microcrystal at an incident laser intensity of 2.5 mW in Fig. 6(b). (d) Raman spectrum at the center of hexagonal Ge microcrystals. (e) 394 μm hexagonal Ge microcrystals. (e-1) enlarged FE-SEM image. (f) E_2g mode change according to the position of hexagonal Ge microcrystals. (g) EDS mapping for cross-sectional of hexagonal Ge microcrystal.

혼합소스 수소화물 기상법에 의하여 알루미늄 기반 나노 구조를 통해 육각형 Ge마이크로 결정을 성장하였다. 자연에서 거미줄에 물방울이 형성되는 것과 같은 현상으로 알루미늄 기반 나노구조의 Ge 원소의 흡착에 의한 Ge 구슬의 발생과 이를 통하여 마이크로 크기의 육각형 Ge 마이크로 결정이 성장되었음을 관측하였다. FE-SEM 이미지와 EDS측정으로부터 결정이 육각형 Ge마이크로 결정임을 확인하였다. Raman 측정으로부터 300.16 cm^-1피크의 F2g 모드 (mode)를 가지는 cubic-Ge에 대한 Raman 피크 특성과는 다르게 육각형 Ge 마이크로 결정의 중심영역에서의 E_2g 284 cm^-1의 매우 강한 피크가 관측되었다. 따라서 알루미늄 기반 나노 구조의 형성과정과 이에 의해 성장된 육각형 Ge마이크로 결정은 준직접 밴드갭을 가지는 육각형 Ge의 가능성이 크며 자연 현상과 유사한 방법으로 설명되는 반도체 성장 분야의 적절한 예가 될 것으로 기대한다.

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업이며(No.NRF-2020R1I1A3A04036567), 2022년 정부(산업통상자원부) 및 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행되었습니다. (RS-2022-00154720, Si-on-SiC 구조기반 차세대전력반도체개발)