Cadmium telluride (CdTe), II-VI group semiconductor with direct band gap of 1.45 eV, has been extensively studied because of their novel optical and electrical properties for wide applications, such as photovoltaic devices, x-ray or gamma-ray detectors, lighting emitting diode, and biological labeling applications.
Semiconductor nanocrystals show the strongly size-, shape-, and composition-dependent optical and electrical behaviors, which are obviously different from their bulk materials. Recently, one-dimensional (1D) semiconductor nanostructures has gained great interest, due to their potential use as ideal building blocks in fabricating electronic, optical and sensorial devices. Therefore, the synthesis of 1D semiconductor nanostructures as well as the simultaneous control and manipulation of the size, shape, and uniformity of those are one of the challenging issues.
The present work is concerned with the noble synthesis of CdTe nanowires. CdTe nanowires were synthesized via a hydrothermal method. The XRD pattern showed that the products were in pure zinc-blende phase. SEM image showed that highly uniform wire-like nanostructure with an average diameter of 40 nm were synthesized. However, the presence of amorphous carbon layer on the CdTe nanowires was revealed through TEM and Raman spectrum analyses. The average diameter of CdTe nanowires and the average thickness of carbon layer were about 20 nm and 10 nm, respectively.
The effects of reducing agent and surfactant were investigated through adjustment of the concentration. The results indicated that ascorbic acid, which is reducing agent, was a carbon source and affected to the morphology products. Also, CTAB as a surfactant played important role in formation of nanowires with uniform diameter.
The formation mechanism was studied by adjusting the reaction time. In the initial step, $H^+$ resulted from the ionization of ascorbic acid reacts with $TeO_3^{2-}$ to generate white $TeO_2$. When reaction solution is heated, a-Te nanoparticles are formed by reduction of $TeO_2$. a-Te nanoparticles grow into t-Te nanowires with assistance of CTAB and then, the formation of carbon coating on the surface of t-Te nanowire begins. Finally, carbon-coated CdTe nanowires are formed by reaction between t-Te nanowires and $Cd^{2+}$ in the solution.
CdTe 는 약 1.45 eV 의 직접 천이형 밴드갭을 갖는 화합물 반도체로써 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인해 태양전지의 광흡수층이나 X선 및 감마선 검출, 생체 표지 (biological labeling) 등에 응용되고 있다. 이러한 CdTe 와 같은 반도체 물질의 나노구조는 입자 크기에 따라 좌우되는 광학적, 전기적 특성을 나타낸다. 특히, 1차원 반도체 나노구조는 나노스케일의 전자소자나 광디바이스를 구성하는데 있어 연결라인이나 능동소자로써의 큰 응용 가능성을 갖는다는 점 때문에 많은 관심을 받고 있다. 이러한 점을 미루어볼 때 크기나 형상 및 균일성 등이 잘 제어된 1차원 반도체 나노구조의 합성뿐만 아니라 형성 메커니즘 분석을 통한 나노구조의 크기나 형상 등을 제어할 수 있는 방법의 확보는 큰 중요성을 갖는다고 할 수 있다.
본 연구에서는 수열합성법을 통하여 CdTe 의 1차원 나노구조를 합성하였다. SEM 사진과 XRD 패턴으로부터 약 40 nm 의 균일한 직경을 갖는 1차원의 CdTe 나노구조가 합성되었음을 확인할 수 있었다. 하지만 TEM 사진과 Raman 스펙트럼으로부터 합성된 1차원 나노구조가 약 20 nm 의 직경을 갖는 CdTe 나노선과 그것을 싸고 있는 약 10 nm 두께의 비정질 탄소층으로 이루어졌다는 것을 확인하였다.
한편, 반응에 사용한 환원제와 surfactant 의 농도를 조절해가며 그것들의 영향에 대하여 살펴보았다. 그 결과들로부터 환원제인 ascorbic acid 는 비정질 탄소층의 소스로써 작용하며 1차원 나노구조의 형성에 영향을 준다는 것을 확인하였으며, surfactant 인 CTAB 은 1차원 나노구조의 균일한 직경 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다.
또한, 형성 메커니즘을 알아보기 위해 반응 시간을 변화시켜가며 실험하였다. 그 결과들로부터 반응초기에 Te 나노선이 먼저 형성된다는 것을 확인할 수 있었다. 반응이 계속 진행됨에 따라 이 Te 나노선이 용액 속에 존재하는 Cd 이온과 반응을 하여 나노선의 형상을 유지하면서 CdTe 나노선이 형성된다는 것을 알 수 있었다. 그리고 비정질 탄소층은 Te 나노선으로의 성장이 이루어진 직후부터 그 형성이 시작된다는 것을 확인할 수 있었다.
