Synthesis and Investigation of CuZn Thin Films and Nanofibers

Abstract

CuZn 박막은 Cu와 Zn 타겟을 이용한 고주파 (radio frequency, RF) 마그네트론 다중스퍼터링법으로 제작하였다. CuZn 박막의 두께는 증착 시간을 조절하여 200±8 nm로 고정하였다. CuZn 박막의 거칠기 값은 약 20 에서 2 nm의 범위에 있다. CuZn 합금 박막의 결정 크기는 상의 혼합 때문에 Zn(101)과 Cu(111) 상에서 순수한 Cu 또는 Zn 박막보다 크다는 것을 X-선 회절 분석을 통해 알 수 있다. 주요 Cu와 Zn 피크는 X-선 광전자와 Auger 전자 스펙트럼에서 관찰된다. 이것은 Si(100) 기판 위에 성공적으로 CuZn 박막이 증착되었음을 나타낸다. 또한, 고분해능 X-선 광전자 분광법을 통해 구리에 가해준 RF 파워가 증가할수록 Cu는 산화 상태가 증가한 반면, Zn는 산화 상태가 감소한 것을 확인할 수 있다. 증착된 CuZn 박막의 일 함수 값은 표면이 산화가 되었다는 것을 나타낸다. CuZn 합금 박막의 전도성은 합금 시스템의 산화 환원 환경에 영향을 받기 때문에 순수한 Cu 또는 Zn 박막보다 우수했다. CuZn 나노파이버는 전구체 용액의 점도를 조절하는 폴리바이닐피롤리돈 (PVP)를 사용하여 전기방사법을 이용해 얻었다. 광학 현미경과 전자 현미경을 이용해 측정한 CuZn/PVP 나노파이버의 평균 지름은 130 nm에서 290 nm 정도이다. CuZn/PVP 나노파이버 속 용매를 증발시키기 위해 주위 환경에서 5 시간 동안 353 K으로 가열하였다. 그리고, 고분자를 분해하기 위해서 CuZn/PVP 나노파이버를 Ar 환경에서 5 시간 동안 873 K으로 가열하였다. X-선 회절 분석법 결과에 따르면, CuZn 나노파이버의 결정성은 873 K로 가열할수록 무정형성에서 육방정계 wurtzite 나 단사정계 구조로 바뀐다. X-선 광전자 분광법을 통해 C, N, Cu, 그리고 Zn의 주 피크를 확인하였다. 이는 CuZn/PVP 나노파이버가 성공적으로 제작되었다는 것을 의미한다. 탄소와 질소의 피크의 세기가 가열 전과 비교했을 때 가열 후에 감소하였는데 이는 PVP의 분해때문이다. Cu와 Zn의 함량 비를 조절하여 CuZn 나노파이버와 균 액 간의 접촉 시간을 다양하게 하여 대장균에 대한 항균 효과를 확인하였다. 353 K으로 가열한 CuZn 나노파이버가 873 K로 가열한 것 보다 더 높은 항균 효과를 보였다.

Copper-zinc thin films (CuZn TFs) were fabricated with copper and zinc targets by radio frequency magnetron co-sputtering method. The thickness of CuZn TFs was fixed at 200 ± 8 nm by controlling the deposition time. The determined roughness root mean square (RMS) values of CuZn TFs were in the range from ~20 to ~2 nm determined with atomic force microscopy (AFM) images. The crystallite size of CuZn alloy TFs was larger in Zn(101) and Cu(111) than that of Cu or Zn pure TFs because of phase mixing from X-ray diffraction (XRD) results. The main Cu and Zn peaks were observed in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES) survey spectra. The high resolution Cu 2p XPS spectra indicated that Cu oxidized to Cu+ or Cu2+ species as the RF power on Cu target increased. While the high resolution Zn 2p XPS spectra indicated that Zn2+ was reduced to metallic Zn as the RF power on the Cu target increased. The work function value of the deposited CuZn TFs revealed the oxidation of surface. The conductivity of CuZn alloy thin films was better than pure Cu or Zn thin films, which was influenced by the reduction-oxidation environment in alloy system. Copper and zinc nanofibers (CuZn NFs) were obtained by electrospinning method using polyvinylpyrrolidone (PVP) for adjusting the viscosity of the precursor solution (CuZn/PVP). The average diameter of obtained CuZn/PVP NFs was determined from 130 nm to 290 nm measured with optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). To evaporate the solvent in the CuZn/PVP NFs, it was performed the calcination of CuZn/PVP NFs at 353 K in ambient environment for 5 h. And then, the CuZn/PVP NFs were calcined at 873 K in Ar environment for 5 h, to decompose the polymer. From the results of XRD, the crystallinity of CuZn NFs was changed from amorphous to hexagonal wurtzite or monoclinic structure after calcination process at 873 K. The main C 1s, N 1s, Cu 2p, and Zn 2p XPS peaks were detected from the XPS survey spectra. It signifies that the CuZn/PVP NFs were successfully fabricated. The intensities of C 1s and N 1s peaks were decreased after calcination comparing with before calcination because of decomposition of PVP. An antibacterial effect against Escherichia coli (E. coli) was monitored at various contact times between CuZn NFs and bacteria suspension with controlled Cu/Zn contents ratio. The CuZn NFs calcined at 353 K showed higher antibacterial activity than at 873 K.