선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 AFM을 이용한 CNT소자의 측정과 조작에 관하여 다루었다. ac-EFM을 이용하면 CNT 소자 내의 전압분포를 알아 낼 수 있으며 이는 CN소자에서 CNT의 전기적 연결상태를 확인하는데 사용할 수 있다.
가설 설정
- (a) CNT소자의 AFM 이미지. (b) 동일 소자의 전압 펄스가 인가되기 전의 ac-EFM이미지. (c) 전압 펄스가 인가된 후의 절단된 CNT°| ac-EFM이미지.
제안 방법
- 이렇게 촉매입자의 패턴이 형성된 기판을 화로속에 넣고 800℃ 로 Ar 분위기에서 가열한 후 수소(#) 200sccm, 에틸렌 (C2H4)6sccm을 동시에 흘려주는 화학기상증착법을 이용하여 촉매입자 패턴주위에 SWN가 자라도록 하였다. SWNT의 성장 후에는 다시 자외선 리토그래피를 이용하여 원하는 전극패턴을 이미 형성되어 있는 촉매입자 패턴에 맞추어서 형성하고 전자빔증착을 통하여 금속(이 실험의 경우에는 Au이나 Pd을 접착층 없이 사용하였다)막을 형성하고 lift-off과정을 통하여 전극을 만들었다. 이와 같이 만들어진 소자는 그림 1에서 보는 바와 같이 고밀도도핑된 Si기판이 게이트(gate)로 SiG절연막을 사이에 두고 CNT 와 일종의 축전기형태를 이루고 있으며 이 게이트 전극에 가해지는 전압을 통하여 반도체성 CN의 경우에는 유도되는 전하를 제어할 수 있어서 FET구조를 형성하게 된다.
- 반면에식 1에서 나타나는 것 럼 dc-EFM의 경우에는 탐침의 전압과 CNT표면전압차이의 제곱에 비례하게 되기 때문에 ac-EFM에서와 같은 직접적인 CNT표면전압의 측정은 어렵게 된다. 따라서 본 실험에서는 ac-EFM을 측정함으로서 CNT소자내부의 전압분포를 측정하였다. 실제로 반도체형 CNT로 제작한 FET에서 게이트전압을 0V로 하고 소스, 드레인 전극사이에 lOOmV의 교류전압을 인가한 후 측정한 ac-EFM이미지를 그림 3(b), (c)에서 볼 수 있다.
- 제작하였다 [16, 20]. 먼저 고밀도로 도핑된 Si 기판위에 열산화법을 이용하여 절연막으로 사용할 SiO2를 200nm두께로 형성한 후 자외선 리토그래피를 이용하여 그 위에 단일벽CNT(SWNT)를 키우는데 사용되는 촉매입자인 Fe(NO3)3를 2mlX2 크기의 모양안에 형성하였다. 이렇게 촉매입자의 패턴이 형성된 기판을 화로속에 넣고 800℃ 로 Ar 분위기에서 가열한 후 수소(#) 200sccm, 에틸렌 (C2H4)6sccm을 동시에 흘려주는 화학기상증착법을 이용하여 촉매입자 패턴주위에 SWN가 자라도록 하였다.
- CNT에 바로 연결되어 있는 전극들은 각각 소스, 드레인 전극으로 CNT를 통한 전압의 인가 및 전류 측정에 사용하게 되며 이러한 게이트, 소스, 드레인, 세 개의 전극이 일반적으로 이 실험에서 사용한 CNT소자의 형태이다. 원자힘현미경은 일반적인 표면형상의 측정뿐만 아니라 위의 방법으로 제작한 CNT소자에 대한 전압 인가, 전류측정등을 동시에 진행할 수 있도록 앞서 발표한대로 변형하고 사용하였으며 [16] 모든 실험은 상온, 상압하에서 진행되었다.
- 먼저 고밀도로 도핑된 Si 기판위에 열산화법을 이용하여 절연막으로 사용할 SiO2를 200nm두께로 형성한 후 자외선 리토그래피를 이용하여 그 위에 단일벽CNT(SWNT)를 키우는데 사용되는 촉매입자인 Fe(NO3)3를 2mlX2 크기의 모양안에 형성하였다. 이렇게 촉매입자의 패턴이 형성된 기판을 화로속에 넣고 800℃ 로 Ar 분위기에서 가열한 후 수소(#) 200sccm, 에틸렌 (C2H4)6sccm을 동시에 흘려주는 화학기상증착법을 이용하여 촉매입자 패턴주위에 SWN가 자라도록 하였다. SWNT의 성장 후에는 다시 자외선 리토그래피를 이용하여 원하는 전극패턴을 이미 형성되어 있는 촉매입자 패턴에 맞추어서 형성하고 전자빔증착을 통하여 금속(이 실험의 경우에는 Au이나 Pd을 접착층 없이 사용하였다)막을 형성하고 lift-off과정을 통하여 전극을 만들었다.
대상 데이터
- 그림 1. 본 연구에서 사용한 CNT소자의 구조. 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate)의 세 개의 전극과 CNT로 구성되어 있다.
- 두 개의 CNT가 위쪽 전극에만 연결되어 있는 형상. 이미지 크기는 10umX5nm. (b) (a)이미지상의 오른쪽 CNT의 전압분포단면도.
이론/모형
- 그림 2. AFM을 이용한 EFM측정법. CNT에 인가하는 바이어스전압 의 AC, DC여부와 진동하는 AFM 탐침의 측정 양에 따라 dc-EFM, ac-EFM으로 나누어진다 (자세한 내용은 본문 참조).
- 본 연구에서 이용한 CN소자는 기존에 보고된 방법을 이용하여 제작하였다 [16, 20]. 먼저 고밀도로 도핑된 Si 기판위에 열산화법을 이용하여 절연막으로 사용할 SiO2를 200nm두께로 형성한 후 자외선 리토그래피를 이용하여 그 위에 단일벽CNT(SWNT)를 키우는데 사용되는 촉매입자인 Fe(NO3)3를 2mlX2 크기의 모양안에 형성하였다.
- 우선 위와 같은 방법으로 제작된 CN소자의 전기적인 특성을 밝히는 방법으로 EFM을 이용하였다 [13]. EFM에서는 AFM의 탐침에 전압 #을 인가하고 CN소자에도 바이어스 전압, #을 인가한 상태에서 탐침의 변화를 측정하게 된다.
성능/효과
- ac-EFM을 이용하면 CNT 소자 내의 전압분포를 알아 낼 수 있으며 이는 CN소자에서 CNT의 전기적 연결상태를 확인하는데 사용할 수 있다. 또한 AFM 탐침에 전압펄스를 가함으로써 CNT소자내의 CNT를 전기적으로 절단할 수 있으며, 힘을 가함으로써 CNT를 움직일 수 있다는 것을 보이고 이를 응용하여 CN의 전기적 절단과 다른"사이의 전기적 연결을 구현할 수 있다는 것을 보였다. 이와 같은 AFM 탐침을 이용한 자유로운 CN소자의 전기적 인 조작은 CNT소자의 정밀한 변형, 조작에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 EFM을 이용한 CNT소자내의 전압분포측정과 AFM의 전기적, 기계적조작을 결합하여 CN소자의 전기적인 절단 및 재연결이 가능하다는 것을 시연함으로써 CNT전자소자 내 특정 부분의 AFM을 이용한 정밀한 변형 및 수리의 가능성을 보여주었다.
- 이 측정으로 부터 CNT의 길이가 상온에서의 CNT내 전하의 자유거리보다 충분히 길고 반도체형 CNT의 경우에 확산수송(diffusive transport)0] 일어난다는 사실을 확인할 수 있다. 전압이 가해진 전극을 바꾸어 주더라도 마찬가지 형태를 보인다는 것을 그림 3 (b), (c)에서 볼 수 있다.
- 이때 AFM 탐침의 힘과 거리에 따른 관계를 조사하여 이러한 절단이 일어나려면 탐침이 CNT에 약 5nm 이내로 접근해야 된다는 것을 확인하였다. 또한 이와 같은 절단은 오직 음(-)의 전압펄스에서만 일어난다는 것도 확인하였는데 이와 같은 사실은 이러한 전기 적 인 절단의 기작이 탐침과 표면의 물(water)층사이에서 일어나는 산화현상(anodic oxidation)과 연관될 수 있다는 것을 내포하는 것으로 추정된다.
- 그림 9(a) 가 초기상태의 CNT이다. 표면형상이미지에서는 CNT S1 과 S3가 연결되어 있고 S2가 옆으로 분기된 형상이나 동시에 측정한 ac-EFM측정결과를 보면 S1과 S3는 끊어져 있고 오히려 S1과 S2가 전기적으로 연결되어 있다는 것을 확인할 수 있다. 그림 9(b)-(e)는 이와 같은 초기상태의 CNT에 AFM을 이용하여 변형을 시키면서 실제 전기적 인 연결상태가 어떻게 변하는지를 ac-EFM으로 동시에 측정한 결과이다.
후속연구
- 이러한 AFM을 이용한 조작은 CNT의 꺽기, 누르기 등 다양한 형태의 CNT 변형과 그에 따른 전기적 특성의 변화등의 연구 [17, 18]에도 사용되었으며 위치이동을 이용한 CNT소자의 제작등에도 사용가능하다는 것이 밝혀진바 있다. [19], 비록 이러한 AFM을 이용한 CNT의 변형 , 조작이 기존의 반도체공정에 기반 한 나노공정에 비해서는 느리기는 하지만 회로 또는 소자내의 특정 부분에서 기존의 공정으로는 구현하기 힘든 정밀한 변형등이 필요하다면 유용하게 이용될 수 있을 것이다. 또한 이러한 AFM의 극소적인 측정 및 변형 조작능력을 결합하면 기존의 반도체 공정으로는 제작하기 어려운 형태의 소자의 구현 및 변형이 가능할 것이다.
- 이와 같이 AFM 탐침을 이용하게 되면 CNT의 전기적인 절단은 전압 펄스를 통하여 CNT의 변형 및 재연결은 기계적인 조작을 통하여 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서 이를 이용하면 특정 CNT 소자내부의 끊어진 CNT의 연결 또는 필요없는 CNT 의 절단과 같은 작업을 AFM의 높은 해상도와 결합하여 정밀하게 수행할 수 있을 것이다.
- AFM이미지만으로는 그 이물질이 어떤 물질인지 확인하기는 어려우며 사용한 탐침이 금으로 도포된 점을 고려하면 도포된 금의 일부가 떨어져나온 것으로 추정된다. 이는 차후에 성분을 측정할 수 있는 분석 장비, 예를 들어 전자현미경의 EDS장치등을 이용하여 추가 연구를 하여 밝혀야 할 것이다. 이를 잘 제어할 수 있다면 극소적으로 원하는 위치에 금속을 극소적으로 증착할 수 있는 방법으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 차후에 성분을 측정할 수 있는 분석 장비, 예를 들어 전자현미경의 EDS장치등을 이용하여 추가 연구를 하여 밝혀야 할 것이다. 이를 잘 제어할 수 있다면 극소적으로 원하는 위치에 금속을 극소적으로 증착할 수 있는 방법으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한 AFM 탐침에 전압펄스를 가함으로써 CNT소자내의 CNT를 전기적으로 절단할 수 있으며, 힘을 가함으로써 CNT를 움직일 수 있다는 것을 보이고 이를 응용하여 CN의 전기적 절단과 다른"사이의 전기적 연결을 구현할 수 있다는 것을 보였다. 이와 같은 AFM 탐침을 이용한 자유로운 CN소자의 전기적 인 조작은 CNT소자의 정밀한 변형, 조작에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.