[논문]나노 디바이스 응용을 위한 탄소나노튜브 성장 특성

박용욱; 이승대

문제 정의

본 연구에서는 전극이 존재하는 선택적 영역에서 반도체 성질을 갖는 탄소나노튜브을 합성하기 위해, 촉매의 구조 및 형태가 탄소나노튜브의 성장에 미치는 영향을 연구하였다. CVD 방법으로 Fe와 Mo 전이 금속을 알루미나 나노 입자속에 삽입한 액상형태의 촉매구조와 박막형태의 나노 덩어리 Fe 금속박막을 증착한 후 실리콘 산화막(SiOz/Si) 기판에 700 ℃에서 에틸렌(C₂H₄)가스를 사용하여 디바이스 사이에 정렬된 탄소나노튜브를 합성 연구를 수행 하였다.
따라서 본 연구에서는 선택적 영역에서 반도체 성질을 갖는 탄소나노튜브을 합성하기 위해 촉매의 구조 및 형태가 탄소나노튜브의 성장에 미치는 영향을 연구하였다. 열 CVD 방법으로 Fe와 Mo 전이 금속을 알루미나 나노 입자 속에 삽입한 액상형태의 촉매구조와 박막 형태의 나노 덩어리 Fe 금속박막을 증착한 후 실리콘 산화막(SiOeSi) 기판에 700 ℃ 온도에서 에틸렌(C₂H₄)가스를 사용하여 디바이스 사이에 정렬된 탄소나노튜브를 합성 연구를 수행하였다.

가설 설정

[1] 탄소나노튜브는 말 그대로 탄소로 구성되어 있는 속이 빈 튜브모양의. 구조체이고 나노란 말은 직경의 크기가 수 내지 수십 나노미터이기 때문에 명명된 이름이다.

제안 방법

미치는 영향을 연구하였다. 열 CVD 방법으로 Fe와 Mo 전이 금속을 알루미나 나노 입자 속에 삽입한 액상형태의 촉매구조와 박막 형태의 나노 덩어리 Fe 금속박막을 증착한 후 실리콘 산화막(SiOeSi) 기판에 700 ℃ 온도에서 에틸렌(C₂H₄)가스를 사용하여 디바이스 사이에 정렬된 탄소나노튜브를 합성 연구를 수행하였다.
본 실험에서는 p-type(100) 실리콘 기판 위에 LPCVD법으로 1㎛의 산화막(SiO₂)을 성장시킨 후, 두 가지 다른 형태의 촉매를 사용하여 탄소나노튜브를 합성하였다. 첫 번째, 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 사용한 촉매는, .
첫 번째, 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 사용한 촉매는, .고순도 메탄올 용액에 다공질의 알루미나 나노 입자와 Iron nitrate 와 Molybdenyl acetylacetonate를 적정량 혼합한 후 초음파 세척기를 이용하여 균일한 농도의 촉매용액을 제조하여 기판위에 스핀코트를 사용하여 도포한 후 사용하였고, 두 번째 방법으로는 산화막이 증착된 실리콘 기판위에. e-beam evaporator# 이용하여 약 10 A의 Fe 나노 박막을 기판 위에 증착한 후 탄소나노 튜브를 성장시키는 방법을 사용하였다.
고순도 메탄올 용액에 다공질의 알루미나 나노 입자와 Iron nitrate 와 Molybdenyl acetylacetonate를 적정량 혼합한 후 초음파 세척기를 이용하여 균일한 농도의 촉매용액을 제조하여 기판위에 스핀코트를 사용하여 도포한 후 사용하였고, 두 번째 방법으로는 산화막이 증착된 실리콘 기판위에. e-beam evaporator# 이용하여 약 10 A의 Fe 나노 박막을 기판 위에 증착한 후 탄소나노 튜브를 성장시키는 방법을 사용하였다. 성장된 탄소나노튜브를 나노전자 소자에 사용하기 위해서는 소자가 존재하는 위치에 촉매를 고정하여 합성하여야 나노 소자에 응용할 수 있기 때문에 촉매의 위치 조정을 위하여 첫 번째 형태의 촉매용액은 PMMA (Polymethyl methacrylate)를 실리콘기판 위에 코팅한 후 반도체의 포토리소그라피 공정을 사용하여 나노소자에 촉매를 고정하여 탄소나노튜브의■ 성장시켰다.
15 seem의 수소가스가 아르곤 가스와 같이 반응기로 공급되었다. quartz 반응기 내부에 존재한 시편에 탄소나노튜브를 합성하기 위해 약 6분 정도 에틸렌(CsHQ가스를 5.5 seem 공급하여 탄소나노튜브룰 성장시켰으며 합성이 완료된 이후에는 아르곤 가스를 제외한 다른 수소와 에틸렌 가즈의 공급은 중단하고 자연냉각법을 사용하여 냉각하였다.
다른 종류의 촉매를 사용하여 선택적인 영역에서 성장한 탄소나노튜브를 SEM (scanning electron microscope) 사용하여 관찰하였고, 성장된 탄소나노튜브의 지경 등의 특성을 연구하기 위해 AFM(atomic force microscopy)을 사용하여 직경 등의 특성을 연구하였다. 또한 전자 나노 소자로 응용하기 위해 성장된 탄소나노튜브에 포토 공정을 사용하여 Al/Cr 전극을 e-beam evaporator를 사용하여 증착한 후 SEM 관찰을 통하여 탄소나노튜브가 양 전극에 연결되었는지를 관찰하였다.
특성을 연구하였다. 또한 전자 나노 소자로 응용하기 위해 성장된 탄소나노튜브에 포토 공정을 사용하여 Al/Cr 전극을 e-beam evaporator를 사용하여 증착한 후 SEM 관찰을 통하여 탄소나노튜브가 양 전극에 연결되었는지를 관찰하였다.
그림 a는 알루미나 나노 입자를 이용한 것이고, 그림 b의 결과는 Fe 박막을 촉매로 사용하여 성장시킨 탄소나노튜브를 보여주고 있다. 본 연구에서는 에틸렌 가스를 사용하여 700 ℃에서 탄소나노튜브를 합성하였다. 이 결과에서 알 수 있듯이 Iron nitrate 와 Molybdenyl acetylacetonate를 알루미나 나노 입자에 삽입한 후 촉매로 사용한 것이 Fe 박막을 촉매로 사용한 것보다 많은 숫자의 탄소나노튜브가 성장된 것을 보여주고 있으나 수평으로 성장한 길이는 서로 비슷함을 알 수 있다.
연구하였다. CVD 방법으로 Fe와 Mo 전이 금속을 알루미나 나노 입자속에 삽입한 액상형태의 촉매구조와 박막형태의 나노 덩어리 Fe 금속박막을 증착한 후 실리콘 산화막(SiOz/Si) 기판에 700 ℃에서 에틸렌(C₂H₄)가스를 사용하여 디바이스 사이에 정렬된 탄소나노튜브를 합성 연구를 수행 하였다.
.카본 나노튜브를 합성하기 위해■ 사용한 두가지의 서로 다른 촉매를 산화막 위에 제조한 후 측정한 SEM 결과를 보여주고 있다. 이 결과에서 알 수 있듯이 그림 a에서 Iron nitrate 와 Molybdenyl acetylacetonate의 혼합액을 알루미나 나노 입자를 이용하여 제작한 촉매는 설계한 크기(2/ffli x8㎛)로 정확히 형성된 것을 알 수 있고 그림 b는 약 10 A 두께의 Fe 박막을 e-beam evaporator로 증착한 것을 보여주고 있다.

대상 데이터

이 촉매가 위치하는 패드 사이즈는 2㎛乂8/血 였다. 두 가지 형태의 촉매가 형성된 기판에 탄소나노튜브를 성장하기 위해 [그림 1]과 같은 열 화학기상증착기를 사용하였다. 그림과 같이 quartz 반응기 내부에 시편을 삽입한 후 [그림 2]와 같은 성장 공정을 거쳐 탄소나노튜브를 합성하였다.

성능/효과

카본 나노튜브를 합성하기 위해■ 사용한 두가지의 서로 다른 촉매를 산화막 위에 제조한 후 측정한 SEM 결과를 보여주고 있다. 이 결과에서 알 수 있듯이 그림 a에서 Iron nitrate 와 Molybdenyl acetylacetonate의 혼합액을 알루미나 나노 입자를 이용하여 제작한 촉매는 설계한 크기(2/ffli x8㎛)로 정확히 형성된 것을 알 수 있고 그림 b는 약 10 A 두께의 Fe 박막을 e-beam evaporator로 증착한 것을 보여주고 있다. 여기서 측정된 b의 결과는 Fe 박막의 두께가 너무 얇아서 Al 금속을 증착한 후 SEM 관찰을 수행하였으며, 증착된 박막은 나노 덩어리 형태로 존재함을 보이고 있다.
본 연구에서는 에틸렌 가스를 사용하여 700 ℃에서 탄소나노튜브를 합성하였다. 이 결과에서 알 수 있듯이 Iron nitrate 와 Molybdenyl acetylacetonate를 알루미나 나노 입자에 삽입한 후 촉매로 사용한 것이 Fe 박막을 촉매로 사용한 것보다 많은 숫자의 탄소나노튜브가 성장된 것을 보여주고 있으나 수평으로 성장한 길이는 서로 비슷함을 알 수 있다. 탄소나노튜브의 응용분야는 전계 방출 소자, 연로전지, 기체저장 등 아주 다양한 분야에 사용될 수 있지만 본 실험에서는 트랜지스터나 센서와 같은 나노 전자 소자에 응용을 하기'위해 탄소나노튜브를 사용함으로 다른 응용분야와는 달리 선택적 영역에서의 성장이 중요한 연구 방향이며 탄소 나노 튜브의 숫자 또한 다른 응용 분야와는 달리 적은 숫자의 튜브를 선택적으로 성장시키는 것이 매우 중요하다.
두 촉매를 사용하여 성장시킨 탄소나노튜브의 경우 성장 방향은 동일한 .형태를 보여 주었고 또한 직선으로 성장하기 보다는 탄소나노튜브의 성장 길이가 중가할수록 원형의 형태로 변화함을 알 수 있었다.
.연구 결과 알루미나 나노입자를 이용한 경우 탄소나노튜브의 성장은 잘 일어났지만 전극 사이에 많은 탄소나노튜브가 연결되어 디바이스에 응용하기 어려웠고 Fe 박막을 촉매로 사용한 경우 탄소나노튜브의 성장 및 개수 조절이 용이하여 트랜지스터 및 센서와 같은 나노 전자소자에 선택적인 영역에서만 튜브를 성장시켜 응용할 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

탄소나노튜브를 성장시키기 위해 사용한 Fe 촉매가 존재하는 크기는 2㎛x8 ㎛이지만 성장된 탄소나노튜브의 숫자는 아주 적고 두 금속에 연결된 튜브는 하나만 연결되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작한 Fe 박막을 촉매로 하여 탄소나노튜브를 성장할 경우, 트랜지스터와 같은 나노 전자소자에서 선택적인 영역에서만 튜브를 성장시켜 응용할 수 있음 보여주고 있다.

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