[논문]STM/STS에 의한 Au(111) 표면에 자기조립된 니트로분자의 전기적 특성 측정

이남석; 권영수

STM/STS에 의한 Au(111) 표면에 자기조립된 니트로분자의 전기적 특성 측정
Study on Electrical Characteristic of Self-assembled Nitro Molecule Onto Au(111) Substrate by Using STM/STS 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.55 no.1, 2006년, pp.16 - 19

이남석 (동아대학 전기공학과) , 권영수 (동아대학 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristic of negative differential resistance(NDR) is decreased current when the applied voltage is increased. The NDR is potentially very useful in molecular electronics device schemes. Here, we investigated the NDR characteristic of self-assembled 4,4'-di(ethynylphenyl)-2'-nitro-1-benzenethiolate, which has been well known as a conducting molecule. Self-assembly monolayers(SAMs) were prepared on Au(111), which had been thermally deposited onto $pre-treatment(H_2SO_4:H_2O_2=3:1)$ Si. The Au substrate was exposed to a 1 mM/1 solution of 1-dodecanethiol in ethanol for 24 hours to form a monolayer. After thorough rinsing the sample, it was exposed to a 0.1 ${\mu}M/l$ solution of 4.4'-di(ethynylphenyl)-2'-nitro-1-(thioacetyl)benzene in dimethylformamide(DMF) for 30 min and kept in the dark during immersion to avoid photo-oxidation. After the assembly, the samples were removed from the solutions, rinsed thoroughly with methanol, acetone, and $CH_2Cl_2,$ and finally blown dry with N_2. Under these conditions, we measured electrical properties of self-assembly monolayers(SAMs) using ultra high vacuum scanning tunneling microscopy(UHV-STM). The applied voltages were from -2 V to +2 V with 298 K temperature. The vacuum condition was $6{\time}10^{-8}$ Torr. As a result, we found the NDR voltage of the 4,4'-di(ethynylphenyl)-2'-nitro-1-benzenethiolate were $-1.61{\pm}0.26$ V(negative region) and $1.84{\pm}0.33$ V(positive region). respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

p>자소자의 개념은 1974년 Aviram과 Ratner의 D(electron donor)-(barrier)-ACelectron acceptor) 형식의 유기분자가 마치 반도체 전자소자의 하나인 p-n junctkm처럼 다이오드 (diode)로 사용될 수 있다는 제안에서 시작하였다［1] 즉,분 자전자소자는 나노미터의 크기를 갖는 기능성 유기분자 하 나 하나를 이용하여 nano wires, switches, memory 기능을 가진 단위 전자소자로 이용하고자 하는 것이다. 따라서 분 자 하나를 이용할 수가 있으면 가장 효율적이나 이것은 아 직도 어려운 상황이기 때문에 분자를 집적화하여 그 기능을 발휘시키는 방법이 연구되고 있다［2］.

가설 설정

그림 5 (a)는 전압을 인가하기 전 평형상태의 energy band gap 이다. 그림 5 (b)는 전압을 인가했을때 drift돤 energy band gap 이다. 이때, 사용한 STM tip과 Au (111) 기판의 일함수 (work function)는 각각 5.

제안 방법

SAMs의 확인을 위하여 UHV-STM을 이용하여 bare상태 의 Au(lll) 기판과 4,4'-di(ethynylphenyl)-2'-nitroT-benze nethiolate(이하, nitro=benzenethiolate)가 self-assembly 되어 있는 Au(lll) 표면 이미지를 각각 관찰하여 비교하였다. 그림 3 (a)는 self-assembly 하기 이전의 Au(lll) 표면으로 grain과 grain사이 boundary * 확인할 수 있다.
STM 측정은 UHV-STM (UNISOKU, USMT200)을 사용하여 298K에서 진행되었으며, Pt/Ir탐침을 사용하였다. STM 탐침과 시료사이에 -1.20 V — V까지 각각 0.1 V씩 변화시키면서 전압을 인가하였으며, 투과전류는 1 pA인 영역에서 일정전류모드(constant current mode)로 탐색 (scanning)이 이루어졌다. 탐침의 정상상태를 파악하기 위해 시료표면을 탐색하기 이전에 highly oriented pyrolytic graphite(HOPG) 표면을 100 nm x 100 nm scan size로 먼저 탐색하여 잘 배열되어 있는 흑연 단결정 표면을 확인함으 로써 탐침의 정상상태를 확인하였다.
STM을 이용하여 SAMs 표면을 가로 세로 100 nm x 100 nm 크기로 주사(scanning)하여 모폴로지가 얻어지면, 이를 화면에 고정 하였다. .
그리고 하나의 도메인을 선택하여 20 nm까지 확대하며, STS로 전압-쳐류(I-V) 특성을 측정하였다. scan size 20 nm에서 자유로이 탐침의 위치를 변화시켜 전압-전류(I-V)의 특성을 측정하였다. 그림 4 (a)는 nitro-benzenethiolate 전압-전류(I-V) 특성이며, 그림 4 (b)는 differential conductance(dl/dV) 특성으로, -1.
.그리고 하나의 도메인을 선택하여 20 nm까지 확대하며, STS로 전압-쳐류(I-V) 특성을 측정하였다. scan size 20 nm에서 자유로이 탐침의 위치를 변화시켜 전압-전류(I-V)의 특성을 측정하였다.
1 V씩 .변화시키면서 측정하였다. 그림 4 (a) 와(3에서 화살표로 표시된 것처럼, 일정 영역에서 전류값이 감소하는 현상이 나타나는데,:이를 부성미분저항(NDR) 특성 이라 부르며, 다음 식과 같이 나타낼수 있다［10］「
본 연구에서는 nitro-benzene 분자를 Au(lll) 기판 위에 self-assembly하여 SAMs을 형성하고, STM 측정 시스템을 이용하여 표면구조와 전기적 특성을 관찰하였다. 전압-전류 (I-V), dVdV 측정결과 negative 영역에서 -1.
본 연구에서는 전도성 분자로 알려진 4,4edi(ethynylphenyl)-2x-nitro-l-(thioacetyl)benzene(°］ 하, nitro-benzene) 유기분자를 분자막으로 박막화 하였으며, 분자막에 대한 이 미지를 STM으로 관찰하였다. 또한 분자막에 대한 전압-전 류(I-V) 특성을 조사하였다［6］.
또한 분자막에 대한 전압-전 류(I-V) 특성을 조사하였다［6］. 유기분자를 박막화 하기 위하여 self-assembly을 사용하였으며, 유기분자의 전압-전류 (I-V) 특성을 조사하기 위해 STM tip을 이용하여 전극을 형성하여 유기분자에 흐르는 터널전류와 negative differential resistance(NDR) 특성을 scanning tunneling spectroscopy (STS)로 측정하였다［7］.
탐침의 정상상태를 파악하기 위해 시료표면을 탐색하기 이전에 highly oriented pyrolytic graphite(HOPG) 표면을 100 nm x 100 nm scan size로 먼저 탐색하여 잘 배열되어 있는 흑연 단결정 표면을 확인함으 로써 탐침의 정상상태를 확인하였다. 정상적인 탐침을 사용하여 유기 단분자막의 이미지를 얻고 임의로 정의된 시료표 면의 몇몇 위치에서 전압-전류(I-V)특성을 조사하였다. 하나의 시료에 대해 서로 다른 3개의 탐침을 사용하고 각 탐침에 대해 30개 이상의 위치에서 독립적으로 전압-전류(I-V)를 측정하여 특성 값의 신뢰도를 높였다.
1 V씩 변화시키면서 전압을 인가하였으며, 투과전류는 1 pA인 영역에서 일정전류모드(constant current mode)로 탐색 (scanning)이 이루어졌다. 탐침의 정상상태를 파악하기 위해 시료표면을 탐색하기 이전에 highly oriented pyrolytic graphite(HOPG) 표면을 100 nm x 100 nm scan size로 먼저 탐색하여 잘 배열되어 있는 흑연 단결정 표면을 확인함으 로써 탐침의 정상상태를 확인하였다. 정상적인 탐침을 사용하여 유기 단분자막의 이미지를 얻고 임의로 정의된 시료표 면의 몇몇 위치에서 전압-전류(I-V)특성을 조사하였다.
정상적인 탐침을 사용하여 유기 단분자막의 이미지를 얻고 임의로 정의된 시료표 면의 몇몇 위치에서 전압-전류(I-V)특성을 조사하였다. 하나의 시료에 대해 서로 다른 3개의 탐침을 사용하고 각 탐침에 대해 30개 이상의 위치에서 독립적으로 전압-전류(I-V)를 측정하여 특성 값의 신뢰도를 높였다. 전압-전류(I-V)특성분석은 탐침과 시료에 타나는 투과 전류를 STM/STS 측정시스템 -2 V 에서 +2 V로 변화시키면서 나 모니터링 함으로써 이루어 졌다.
1 uM/1 농도로 암실에서 30분간 self-assembly 하였다. 형성된 SAMse 24시간 정도 desiccator에서 건조한 후, STM 을 이용하여 표면 이미지를 관찰하였으며, STS로 NDR 특성을 측정하였다.

이론/모형

STM 측정은 UHV-STM (UNISOKU, USMT200)을 사용하여 298K에서 진행되었으며, Pt/Ir탐침을 사용하였다. STM 탐침과 시료사이에 -1.

성능/효과

본 연구에서는 nitro-benzene 분자를 Au(lll) 기판 위에 self-assembly하여 SAMs을 형성하고, STM 측정 시스템을 이용하여 표면구조와 전기적 특성을 관찰하였다. 전압-전류 (I-V), dVdV 측정결과 negative 영역에서 -1.6H0.26 V, positive 영역에서는 1.84+0.33 V에서 각각 전압이 증가함에 따라 전류가 감소하는 NDR 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 NDR 현상은 유기분자가 가지는 고유한 특성으로서 유기 분자의 기능 제어에 의해, 분자소자의 스위칭(switching)과 논리(logic)가능성에서 중요한 응용성을 제공할 것으로 기대 된다.

후속연구

33 V에서 각각 전압이 증가함에 따라 전류가 감소하는 NDR 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 NDR 현상은 유기분자가 가지는 고유한 특성으로서 유기 분자의 기능 제어에 의해, 분자소자의 스위칭(switching)과 논리(logic)가능성에서 중요한 응용성을 제공할 것으로 기대 된다.

참고문헌 (11)

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Tali Dadosh, Yoav Gordin, Romman Krahne, IlYa Khivrich, Dianna Mahalu, Veronica Frydman, Joseph sperling, Amir Yacoby & Israel Bar-Joseph, 'Measurement of the conductance of single conjugated molecules', Nature, Vol. 436, pp. 677-680, 2005

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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