실리콘으로 조절하는 액상 갈인 기반 마이크로다이아몬드 성장

초록

본 연구는 상압 1 atm, 900 °C에서 액상 갈‑인(Ga‑In) 합금을 이용해 페로센(Fe(C₅H₅)₂)·나노다이아몬드·나노실리콘을 혼합한 CVD 공정을 개발하였다. 나노실리콘 함량을 조절함으로써 (100)과 (111) 면의 성장 속도를 제어해 입자 형태를 입방체, 절단사면체, 완전팔면체로 전환시켰으며, 수소 흐름을 낮추어 탄소 포화도를 높임으로써 입자 크기를 10 µm에서 50 µm까지 확대하였다.

상세 분석

이 논문은 기존 액상 금속 매개 다이아몬드 합성에서 가장 큰 난제였던 ‘저온·저압에서의 미세결정 성장’과 ‘결정 형태 제어’를 동시에 해결한 혁신적인 접근법을 제시한다. 핵심은 세 가지 요소의 시너지이다. 첫째, 페로센은 고체 전구체이면서 동시에 Fe 원자를 방출해 Ga‑In 용융체 내 탄소 용해도를 크게 향상시킨다. Fe는 탄소‑Fe 복합체를 형성해 탄소의 용해·재분배를 촉진하고, 초기 sp²‑풍부 네트워크가 수소와 반응해 제거되는 동안 sp³ 핵이 형성될 수 있는 초과 포화 상태를 만든다. 둘째, 나노다이아몬드(NDD) 시드는 결정학적 템플릿 역할을 수행한다. 결함이 풍부한 NDD는 높은 표면 에너지와 다수의 비정질 결함을 제공해 액상‑고체 계면에서 sp³ 핵이 안정적으로 고정되도록 돕는다. 셋째, 나노실리콘(NSi)은 ‘facet regulator’로 작동한다. NSi가 용융계에 첨가되면 Si‑C·Si‑O 중간체가 형성돼 특정 면(특히 (111) 면)의 표면 에너지를 낮추고, 탄소 원자의 부착 속도를 비대칭적으로 변화시킨다. NSi:NDD 비율을 1:10으로 설정하면 (111) 면보다 (100) 면이 상대적으로 빠르게 성장해 절단사면체 형태가 지배적이며, 비율을 1:1로 높이면 (111) 면의 성장 속도가 균등해져 열역학적으로 가장 안정한 팔면체가 형성된다. 또한, H₂ 흐름을 감소시켜 탄소의 탈착을 억제하면 용융계 내 탄소 포화도가 상승하고, 이는 ‘effective supersaturation’을 증가시켜 성장 속도와 최종 입자 크기를 크게 확대한다. 실험 결과는 라만, XRD, XPS 분석을 통해 각각의 단계에서 sp²→sp³ 전이, Fe‑C 중간상 존재·소멸, Si‑C·Si‑O 중간상 형성·소멸을 명확히 확인한다. 특히 라만 피크가 1590 cm⁻¹(G‑밴드)에서 1330 cm⁻¹(다이아몬드)로 이동하고, XRD에서 43°, 75°, 91° 등 다이아몬드 특유의 회절 피크가 뚜렷해지는 점은 고품질 단결정 마이크로다이아몬드 형성을 입증한다. 이와 같이, Fe‑촉매·NDD‑템플릿·Si‑facet‑regulation이라는 세 축을 조합함으로써 저온·저압에서도 10–50 µm 규모의 단결정 다이아몬드를 선택적으로 설계할 수 있음을 보여준다.