Many efforts in the design of the method for synthesizing ordered inorganic crystals with specific sizes, shapes, and hierarchies has been made because of the potential to design new materials and devices in various fields. Copper sulfide is an interesting material to form various stoichiometries and an indirect semiconductor.
Here we present the novel method to synthesize copper(II) sulfide nanoparticle arrays by the interaction of self- assembly of synthetic thermotropic molecules; 3,5-Bis[3',5'-bis-(n-5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11, 12,12-Heptadeca-fluorododecan-1-yloxy)benzyloxy] benzoic acid (F8B), 3,4,5-Tris(1H,1H,2H,2H,3H,3H,4H,4H-perfluorodo-decan-1-yloxy)benzoic Acid (4F8BA), 4'-dodecyloxy-biphenyl-4-carboxylic acid (C12BPC), and the other CnBPC series (n=6,8,9,10,16).
Copper composites are made by the reaction of copper nitrate and supramolecules. After copper composites go through the annealing process certain structures are formed by the interaction of self-assembly of thermotropic molecules. Specific structures are synthesized through annealing process of copper composite and confirmed by Small angle X-ray diffraction (SAXS). Wide angle X-ray diffraction (WAXS) showed that the product was hexagonal phase CuS with lattice constants of a = 3.795 Å and c = 16.42 Å. Transmission electron microscopy (TEM) investigated the morphology of the product. The composition was identified by EDS. The as-prepared nanoparticles have regular shape and size distribution. It is found to be a mild, convenient and efficient method for the preparation of CuS.
일반적으로 나노 $(nm 10^{-9}m)$ 크기의 물질은 벌크 상태일 때의 물질과 동일 물질이라도 물리ㆍ화학적 성질이 다르다. 나노 미터의 크기를 제어하여 기능을 발현 시키는 여러 가지 기술을 모두 합쳐 ‘나노 테크놀러지’ 라고 부르며, 정보의 집적화로 인하여 더욱더 관심의 대상이 되고 있다. 나노 미터 크기에서 일정한 구조를 갖도록 설계된 재료는 그 자체로 혹은 다른 재료와의 복합화한 나노 복합 재료로서 기존의 고 기능성 소재를 대체할 뿐만 아니라 정밀화학사업, 전자정보산업, 생명공학, 환경공학산업 등과 같은 광범위한 분야에서 21세기 신소재 산업을 주도할 것으로 예상된다.
나노 미터 크기의 조절은 이전에는 리쏘그래피나 식각을 통한 top-down 방식의 공정을 거쳤으나 resolution 한계와 고가의 장치 설비의 부담을 보안할 수 있는 대안으로 자기조립(self assembly)에 의한bottom-up 방식이 제안되었다. 그 중에서도 유기초분자체를 이용한 자기조립은 분자배향 및 구조조절이 표면특성제어에 의해 조절이 용이하며, 나노 구조 크기의 조절도 가능하며, 온도 및 농도에 따라 다양한 구조를 이루고, 분자 구조의 디자인을 통하여 다양한 구조와 다양한 functionality를 부여할 수 있다는 것과 이차결합에 의해 가역반응이 빠르게 일어난다는 점등의 장점을 가지고 있다.
본 연구는 유기초분자체의 이러한 장점을 이용하여 특정 물질의 나노 사이즈의 어레이를 만드는 방법을 제시하고자 한다. 반도체적 성질과 전기적 특성으로 인하여 향후 그 응용가능성이 무한한 황화구리를 목표 물질로 정하여 유기초분자체와 구리이온과 결합을 통하여 복합체를 만들고, 유기초분자체의 자기 조립 성질에 의해 어닐링 과정을 거쳐서 구조체를 형성하고 마지막으로 황화수소 가스에 의해 구리이온을 환원시켜 나노파티클 어레이를 구현하였다. 연구에 쓰인 유기 초분자체는 상단에 카르복실기가 존재하고, 말단에는 불소기 혹은 알킬기가 달려있는 선형 및 부채 모양의 양친성 구조이다. 알킬기의 길이를 조절함으로써 다양한 구조체를 형성할 수 있도록 하였으며 XRD와 TEM을 이용하여 구조를 분석하였다. 유기초분자체에 따라 다양한 구조체가 형성되는 것을 관찰하였으며 그 중에서 특정 물질은 모노클리닉이나 헥사고날과 같은 구조체를 형성되었고, EDS와 WAXS결과로 생성된 황화수소가 CuS 임을 확인하였다.
본 연구는 일정 크기의 간격을 가지는 파티클 어레이를 형성하는 방법을 제시하였으며, 나아가 분자체의 디자인 변화를 통하여 다양한 구조의 어레이를 형성할 수 있음을 보였다.
