Two-dimensional (2D) materials which are produced by exfoliating layered materials show unique and distinct properties compared with their bulk counterpart. Surface functionality of the 2D materials can endow these materials with various solution-based processabilities. Siloxene is a kind of 2D materials mainly composed of silicon and oxygen. This material has drawn big attention as a candidate for energy storage materials such as supercapacitors, secondary batteries, and electrochemical catalysts owing to its compatibility with Si-based electronics, tunable electrical properties, and semiconducting characteristics. However, most of the siloxenes which have been utilized in various research area until nowadays are multilayered structure due to the limitations of conventional exfoliation methods of this material.
In this study, pure siloxene is exfoliated in a short time by introducing two-step interlayer expansion method. Through the first step, siloxene which is synthesized by copper chloride shows expanded structure owing to intercalation of copper nanoparticles. By exploiting ion exchange method as second step, the interlayer expanded siloxene is successfully exfoliated. The effectiveness of this exfoliation method is investigated by comparing it with other conventional ones. In addition, free-standing siloxene films and siloxene thin-films are fabricated and characterized by utilizing exfoliated siloxene. This work shows the possibility to applying various solution processes into siloxene to fabricate siloxene macro/nanostructures and composites.
단일층으로 박리된 이차원 소재는 삼차원 벌크 소재와는 다른 전기적, 화학적 특성과 용액공정 가능성으로 인해 다양한 공정법이 적용되면서도 우수한 특성을 보여준다. 실록센은 규소와 산소로 구성된 이차원 소재의 한 종류로서 다양한 전자소자에 적용하기 위한 정합성이 있고, 합성과정 및 후처리를 통해 전기적 특성을 조절할 수 있는 장점과 반도체성 특성으로 인해 슈퍼커패시터, 배터리, 전기화학 촉매로서 주목을 받고 있다. 하지만, 실록센의 경우 기존 박리방식의 소재적, 공정적 한계로 인해 현재까지 대부분 단일층이 아닌 다층형태로 사용되어왔다.
이를 해결하기 위해 본 연구에서는 이단계로 실록센의 층간 팽창을 유도하여 순수한 실록센을 단시간에 박리하였다. 첫번째 단계인 구리염을 사용한 실록센 합성과정을 통해 구리 나노입자에 의해 층간거리가 팽창된 실록센이 1차적으로 합성됨을 확인하였고, 두번째 단계인 이온교환 반응을 통해 층간거리 팽창에 의해 실록센이 성공적으로 박리됨을 확인하였다. 위 방식의 효율성을 기존의 합성 및 박리방식과 비교하여 설명하고 박리에 의한 실록센 밴드갭의 변화를 확인하였다. 또, 박리된 실록센을 통해 실록센 필름 및 실록센 박막을 제작하고 전기적 특성을 평가하였다. 본 연구를 통해 효율적인 실록센 박리공정을 정립함으로서 다양한 용액공정을 적용해 복합체 및 다양한 구조체를 제작하여 실록센의 적용 영역을 넓힐 수 있는 가능성을 제시하였다.
