Investigation of eutectic-induced amorphization of Si = 공정계를 이용한 실리콘 비정질화 거동 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Porous amorphous Si has emerged as a promising material for a wide range of applications, including high-performance lithium-ion battery anodes, owing to its unique structural properties and electrochemical properties. However, conventional synthesis methods for amorphous Si often rely on complex processing steps, high production costs, and limited scalability.
In this study, we explore the Al-Si binary eutectic system as an efficient and scalable route for producing amorphous Si through rapid solidification. Amorphous Si was obtained by rapidly solidifying Al-Si alloys near the eutectic composition, followed by selective removal of the Al phase. The crystallization behavior of the resulting amorphous Si was systematically investigated through structural and thermal analyses. Structural characterization confirmed the formation of the amorphous phase, and a compositional window with enhanced glass-forming ability (GFA) was identified.
Building on the eutectic-induced amorphization mechanism observed in the binary system, this approach was further extended to multicomponent alloy systems to examine the generality of amorphous Si formation. The results demonstrate that eutectic-driven solute redistribution and compositional undercooling can promote amorphous Si formation beyond simple binary alloys, highlighting the potential of eutectic alloy design as a versatile strategy for synthesizing amorphous Si in more complex alloy systems. Overall, this study provides fundamental insights into the eutectic-induced formation of amorphous Si and establishes a composition-guided framework for extending amorphous phase formation to multicomponent alloy systems using scalable rapid solidification processing.

국문 초록 (Abstract)

다공성 비정질 실리콘 (amorphous silicon)은 독특한 구조적 특성과 우수한 전기화학적 특성으로 인해 고성능 리튬이온 배터리 음극을 비롯한 다양한 응용 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존의 비정질 실리콘 합성 공정은 복잡한 공정 단계, 높은 제조 비용, 그리고 제한적인 대량 생산성 등의 한계를 지닌다.
본 논문에서는 비정질 실리콘을 효율적이고 확장 가능한 방식으로 제조하기 위한 방법으로 Al-Si 합금계를 제안하였다. 공정 조성 부근의 Al-Si 합금을 급속 응고한 후 Al 상을 선택적으로 제거함으로써 비정질 실리콘을 성공적으로 제조할 수 있다. 공정계를 이용해 생성된 비정질 실리콘의 결정화 거동은 구조 분석 및 열 분석 기법을 통해 체계적으로 분석하였으며, 구조적 특성 분석을 통해 비정질 상의 형성이 확인되었다. 또한 조성에 따른 비교 분석을 통해 비정질 형성이 극대화되는 조성 범위, 즉 향상된 유리형성능(glass-forming ability, GFA)을 갖는 조성 영역을 도출하였다.
더 나아가, Al-Si 이원계에서 규명된 공정 유도 비정질화 메커니즘을 바탕으로 연구 범위를 Ag, Ge 등을 포함하는 다원계 금속-반도체 합금 시스템으로 확장하여 비정질 반도체 형성의 일반성을 검증하였다. 그 결과, 공정 조성 부근에서의 조성적 과냉각(compositional undercooling)이 단순한 Al-Si 이원계에 국한되지 않고, Ag-Si, Al-Ge, Ag-Ge 등 보다 복잡한 합금계에서도 비정질 실리콘 및 저마늄 형성을 효과적으로 촉진함을 확인하였다. 본 연구는 공정 반응을 활용한 비정질 반도체 형성 메커니즘에 대한 기초적 이해를 제공함과 동시에, 급속 응고 공정을 기반으로 비정질 상 합성할 수 있는 확장 가능한 전략을 제시한다는 점에서 의의를 갖는다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Tables of Contents iii
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Amorphous silicon 1
• 1.1.1 Application of amorphous silicon 1
• 1.1.2 Fabrication methods of amorphous silicon 3
• 1.2 Al-Si binary eutectic system 4
• 1.2.1 Amorphous silicon formation in Al-Si eutectic system 4
• 1.2.2 Microstructural evolution of rapidly solidified Al-Si alloys 7
• 1.3 Thesis motivation and scopes 9
• Chapter 2. Experimental procedures 10
• 2.1 Sample preparation 10
• 2.1.1 Arc melting 10
• 2.1.2 Melt spinning 12
• 2.2 Microstructure analysis 14
• 2.2.1 Scanning electron microscopy (SEM) 14
• 2.2.2 Transmission electron microscope (TEM) 14
• 2.3 Thermal analysis 16
• 2.3.1 Differential scanning calorimetry (DSC) 16
• 2.3.2 Flash differential scanning calorimetry (FDSC) 16
• 2.4 Structural analysis 18
• 2.4.1 High-energy X-ray diffraction (HE-XRD) 18
• 2.4.2 Raman spectroscopy 20
• Chapter 3. Crystallization behavior 22
• 3.1 Structural characterization of amorphous silicon 22
• 3.1.1 Indenrification of amorphous silicon through Raman spectroscopy 22
• 3.1.2 Microstructure of amorphous silicon 25
• 3.2 Structural and thermal analysis of amorphous silicon crystallization 29
• 3.2.1 Crystallization of amorphous silicon through DSC and in-situ high-energy X-ray diffraction 29
• 3.2.2 Activation energy of amorphous silicon crystallization 33
• 3.3 Metal-induced crystallization 36
• 3.3.1 Mechanism of metal-induced crystallization 36
• 3.3.2 Process of metal-induced crystallization 38
• Chapter 4. Extension to amorphous silicon formation to binary system 42
• 4.1 Compositional extension of Al-Si alloys for enhanced GFA 42
• 4.1.1 Determination of the composition enhancing amorphous silicon formation 42
• 4.1.2 Construction ot metastable line in Al-Si system 51
• 4.2 Extension to amorphous phase formation to other elemental systems 55
• 4.2.1 Selection of candidate elements for amorphization 55
• 4.2.2 Assessment of amorphous phase formation via eutectic system 59
• Chapter 5. Conclusion 64
• Bibliography Ⅰ
• Abstract in Korean VII