[논문]Au-Si을 촉매로 급속화학기상증착법으로 성장한 Si 나노선의 구조 및 광학적 특성 연구

곽동욱; 이연환

doi:10.5757/jkvs.2007.16.4.279

Au-Si을 촉매로 급속화학기상증착법으로 성장한 Si 나노선의 구조 및 광학적 특성 연구
Structural and optical properties of Si nanowires grown with island-catalyzed Au-Si by rapid thermal chemical vapor deposition(RTCVD) 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.16 no.4, 2007년, pp.279 - 285

초록
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나노크기의 Au-Si을 촉매로 급속화학기상증착법을 이용하여 Si(111) 기판에 성장한 Si 나노선의 구조적인 형태 변화과정과 광학적 특성을 연구하였다. 액상 입자인 Au 나노 점은 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid mechanism) 성장법에 의한 Si 나노선 형성 과정에서 촉매로 사용되었다 이 액체 상태인 나노점에 1.0Torr 압력과 $500-600^{\circ}C$ 온도 하에서 $SiH_4$와 $H_2$의 혼합가스를 공급하여 Si 나노선을 형성하였다. <111> 방향으로 형성한 Si 나노선의 형태를 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였다. 특히, 대부분의 나노선이 균일한 크기를 가지고 있으며, Si(111) 기판 표면에서 수직하게 정렬된 것을 확인하였다. 형성된 나노선의 크기를 분석한 결과, 직경과 길이가 각각 60nm와 5um의 분포를 가지는 것을 확인 하였다. 고 분해능 투과전자현미경(High Resolution-Transmission Electron Microscope)을 통해 약 3nm의 다결정 산화층으로 둘러 싸여 있는 Si 나노선이 단결정으로 형성된 것을 관찰하였다. 그리고 마이크로 라만 분광(Micro-Raman Scattering) 실험으로 Si 나노선의 광학적 특성을 분석하였다. 라만 측정결과 Si의 광학 포논(Optical Phonon) 신호가 Si 나노선의 영향으로 에너지가 작은 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have demonstrated structural evolution and optical properties of the Si-NWs on Si (111) substrates with synthesized nanoscale Au-Si islands by rapid thermal chemical vapor deposition(RTCVD). Au nano-islands (10-50nm in diameter) were employed as a liquid-droplet catalysis to grow Si-NWs via vapor-liquid-solid mechanism. Si-NWs were grown by a mixture gas of $SiH_4\;and\;H_2$ at pressures of $0.1{\sim}1.0$Torr and temperatures of $450{\sim}650^{\circ}C$. SEM measurements showed the formation of Si-NWs well-aligned vertically for Si (111) surfaces. The resulting NWs are 30-100nm in diameter and $0.4{\sim}12um$ in length depending on growth conditions. HR-TEM measurements indicated that Si-NWs are single crystals convered with about 3nm thick layers of amorphous oxide. In addition, optical properties of NWs were investigated by micro-Raman spectroscopy. The downshift and asymmetric broadening of the Si optical phonon peak with a shoulder at $480cm^{-1}$ were observed in Raman spectra of Si-NWs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 RTCVD 성장장치를 이용하여 나노크기의 Au-Si 나노점을 촉매로 Si(lll) 기판에 성장한 Si 나노선의 표면 상태와 형태변화 과정을 연구하였다. 최적의 성장조건 하에서 성장한 Si 나노선의 형태를 전계방출 주사전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였다.
본 연구에서는 급속열화학기 상증착법 (rapid thermal chemical vapor deposition, RTCVD)을 이용하여 나노 크기의 Au-Si 나노점을 촉매로 Si (111) 기판 위에 성장한 Si 나노선의 형태 변화를 연구하였다. 성장 압력, 온도, 및 시간 등의 성장 조건이 나노선의 구조적인 표면 형태 변화에 미치는 영향을 관찰하였다.
특히, 방향의 기판이 나노선의 성장방향에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 연구를 진행하였다.

가설 설정

5nm 이며, 나노선 주위의 비결정성 산화층의 두께는 ~3nm 이다. 그림 1에서 성장한 나노선이 산화층을 포함한 총 직경이 48~72nm (평균 60nm)의 분포를 가지고 있고, 이는 그림 3(a)의 투과전자현미경 분석과 일치한다. 그림 3(c)의 선택영역 전자회절(selective area electron diffraction) 패턴은 나노선이<111>방향으로 성장했다는 것을 나타낸다.

제안 방법

0Torr, 700℃, 수소 분위기에서 10분 동안 열처리 하여 Au-Si 점을 형성하였다. in-situ 상태에서 기판 온도를 성장 온도까지 내리고 SiH₄(4—8sccm)와 H₂(50sccm)의 혼합 가스를 사용하여 60분 동안 나노선을 성장하였다. 성장 온도와 압력은 각각 500-600℃ 와 l.
또한 Si 나노선의 결정성과 방향성을 확인하기 위해 고분해능 투과전자현미경 (HR-TEM, 200kV JEOL JEM- 2100F model) 이미지 측정을 하였고 투과전자현미경에 장착된 EDS (energy dispersive x-ray spectroscopy, Oxford)로 나노선의 화학적 성분을 조사하였다. 그리고 나노선의 포논 제한 효과 (phonon confinement effect)를 라만 분광 측정을 통해 확인하였다.
투과전자현미경 이미지에서 약 3nm의 다결정 산화층으로 둘러싸인 Si 나노선이 단결정으로 형성된 것을 관찰하였고, EDS 성분분석으로 이 나노선이 Si과 0 성분이 존재하는 반면, 촉매인 Au 성분은 EDS 분해능에서는 관측되지 않는 것을 확인하였다. 그리고 마이크로 라만 분광측정으로부터 Si 나노선의 포논 제한효과를 연구 하였다. 라만 측정결과 Si의 광학적포논 신호가 Si 나노선의 영향으로 에너지가 작은 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다.
이때, 성장된 Si 나노선 표면 상태는 전계방출 주사전자현미경 (FE-SEM)으로 단면과 기판에서 30°기울여서 측정한 이미지로 관찰하였다. 또한 Si 나노선의 결정성과 방향성을 확인하기 위해 고분해능 투과전자현미경 (HR-TEM, 200kV JEOL JEM- 2100F model) 이미지 측정을 하였고 투과전자현미경에 장착된 EDS (energy dispersive x-ray spectroscopy, Oxford)로 나노선의 화학적 성분을 조사하였다. 그리고 나노선의 포논 제한 효과 (phonon confinement effect)를 라만 분광 측정을 통해 확인하였다.
또한 고 분해능 투과전자현미경을 이용하여 나노선의 결정성 및 화학적 성분 분석을 하였다. 또한 VLS 메커니즘을 통하여 성장된 나노선은 vapor-liquid 와 liquid-solid 계면에서 질량전달론 (mass transport)과 에너지론으로 해석하였다.
특히, <111>방향의 기판이 나노선의 성장방향에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 연구를 진행하였다. 또한 고 분해능 투과전자현미경을 이용하여 나노선의 결정성 및 화학적 성분 분석을 하였다. 또한 VLS 메커니즘을 통하여 성장된 나노선은 vapor-liquid 와 liquid-solid 계면에서 질량전달론 (mass transport)과 에너지론으로 해석하였다.
또한, Si 나노선의 광학적인 특성을 라만 분광법으로 분석하였다. 그림 5는 단결정 Si과 Si 나노선을 라만분광 측정 결과이다.
형태 변화를 연구하였다. 성장 압력, 온도, 및 시간 등의 성장 조건이 나노선의 구조적인 표면 형태 변화에 미치는 영향을 관찰하였다. 특히, <111>방향의 기판이 나노선의 성장방향에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 연구를 진행하였다.
0Torr였다. 이때, 성장된 Si 나노선 표면 상태는 전계방출 주사전자현미경 (FE-SEM)으로 단면과 기판에서 30°기울여서 측정한 이미지로 관찰하였다. 또한 Si 나노선의 결정성과 방향성을 확인하기 위해 고분해능 투과전자현미경 (HR-TEM, 200kV JEOL JEM- 2100F model) 이미지 측정을 하였고 투과전자현미경에 장착된 EDS (energy dispersive x-ray spectroscopy, Oxford)로 나노선의 화학적 성분을 조사하였다.
표면 상태와 형태변화 과정을 연구하였다. 최적의 성장조건 하에서 성장한 Si 나노선의 형태를 전계방출 주사전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였다. 대부분의 나노선이 균일한 크기를 가지고 있으며, Si(lll) 기판 표면에서 수직하게 정렬된 것을 확인하였다.
특히 , 주사전자현미 경과 고분해능 투과전자현미경을 통해 나노선이 Si(lll) 기판에 대하여 수직한 방향으로 성장하는 것을 관찰하였다.

대상 데이터

세정하였다. 그리고 기판에 존재하는 탄화수소와 자연 산화층을 제거하기 위해 HF (2%, HF: H₂O=l:50) 용액에 10분 동안 세정과정을 거쳐 탈 이온수 (de-ionized water)로 헹군 후 질소가스로 건조하여 기판을 준비하였다. 이후 세정한 기판을 E-beam 증착기 챔버에 넣고 상온에서 0.
사용된 성장기판은 P형 Si (111) 기판으로서 우선 초음파세척기에서 아세톤과 메탄올로 10분 동안의 세정하였다. 그리고 기판에 존재하는 탄화수소와 자연 산화층을 제거하기 위해 HF (2%, HF: H₂O=l:50) 용액에 10분 동안 세정과정을 거쳐 탈 이온수 (de-ionized water)로 헹군 후 질소가스로 건조하여 기판을 준비하였다.

이론/모형

반면에, Au는 낮은 공융 온도 (360℃)에서 나노선을 형성할 뿐만 아니라 나노선 안으로의 확산성이 적은 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 Au를 촉매제로 사용하여 CVe법으로 나노선을 성장하였다. 특히, CVD 법은 선택적 나노선 성장이 용이한 점과 나노선의 크기를 조절 가능하다는 장점이 있다.

성능/효과

58cmT에 위치하고, 이는 첫 번째 광학적 포논의 산란을 나타낸다. 대조적으로, Si 나노선의 광학적 포논 신호가 낮은 주파수 쪽으로 이동하였으며, 비대칭적으로 폭이 증가한 것을 라만 스펙트럼에서 확인하였다(그림 5의 실선). 이때 포논 신호의 위치가 lcmi 정도 낮은 주파수 쪽으로 이동 하였는데, Si 나노선과 단결정 Si의 격자 상수 차이로 인해 미세한 응력이 작용하여 라만 스펙트럼의 신호에 작은 변화가 생긴 것이다.
라만 측정결과 Si의 광학적포논 신호가 Si 나노선의 영향으로 에너지가 작은 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다. 또한, 기상-액상-고상법으로 성장한 Si 나노선의 구조적 인 형태 변화과정이 Au-Si 액상 나노점을 통한 질량전달론과 Au-Si과 Si의 계면에서의 표면 에너지와 계면 에너지의 관계가 있다는 것을 확인하였다.
대부분의 나노선이 균일한 크기를 가지고 있으며, Si(lll) 기판 표면에서 수직하게 정렬된 것을 확인하였다. 또한, 주어진 성장조건하에서 성장한 Si 나노선이 약 60 nm의 직경을 가지고 5 um의 길이를 가지는 것을 확인하였다. 특히 , 주사전자현미 경과 고분해능 투과전자현미경을 통해 나노선이 Si(lll) 기판에 대하여 수직한 <111> 방향으로 성장하는 것을 관찰하였다.
그리고 마이크로 라만 분광측정으로부터 Si 나노선의 포논 제한효과를 연구 하였다. 라만 측정결과 Si의 광학적포논 신호가 Si 나노선의 영향으로 에너지가 작은 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다. 또한, 기상-액상-고상법으로 성장한 Si 나노선의 구조적 인 형태 변화과정이 Au-Si 액상 나노점을 통한 질량전달론과 Au-Si과 Si의 계면에서의 표면 에너지와 계면 에너지의 관계가 있다는 것을 확인하였다.
이 방향은 고분해능 투과전자현미경으로 확인하였다(그림 3(b)). 마지막으로 Si 나노선의 EDS 분석(그림 4)에서 Si과 0 성분이 존재하며, 촉매인 Au 성분은 존재하지 않은 것을 확인하였다.
이 그룹에서도 또한 500 ℃ 이하의 낮은 온도에서 작은 크기의 나노선을 성장하는데 성공하였지만 성장 결함이 발견되었다. 반면에, 500 ℃ 이상의 온도에서 결함이 없고 수직적으로 잘 정렬된 나노선이 성장된 것을 확인하였다. 하지만 나노선의 크기가 100 nm정도 되거나 그 이상이었고, 나노선의 수밀도가 매우 낮은 것을 발견하였다.
0Torr의 조건에서 10분간 열처리하여 Au 나노점을 형성하였다. 본 연구 그룹에서는 1.2, 2.0, 3.0nm의 여러 두께로 Au 박막을 증착하였고, 각 두께의 Au 박막을 열처리하여 형성한 나노점에 Si 나노선을 성장한 결과 3.0nm의 박막에서만 나노선이 성장된 것을 확인하였다. 이는 Au 나노점으로부터 Si 나노선이 성장되기 위한 Au 박막의 임계 두께가 존재한다는 것을 확인하였다.
이 식으로부터 미세한 응력에 의한 라만 신호의 변화는 약 2cm~1 정도 이다. 실험으로부터 얻은 신호의 변화와 이론적으로 얻은 신호의 변화가 거의 일치하는 것을 확인하였다. 그림 5의 라만분광의 결과만을 가지고 Si 나노선에 미치는 양자 제한효과를 확인하기에는 어려운 점이 있다.
특히 , 주사전자현미 경과 고분해능 투과전자현미경을 통해 나노선이 Si(lll) 기판에 대하여 수직한 <111> 방향으로 성장하는 것을 관찰하였다. 투과전자현미경 이미지에서 약 3nm의 다결정 산화층으로 둘러싸인 Si 나노선이 단결정으로 형성된 것을 관찰하였고, EDS 성분분석으로 이 나노선이 Si과 0 성분이 존재하는 반면, 촉매인 Au 성분은 EDS 분해능에서는 관측되지 않는 것을 확인하였다. 그리고 마이크로 라만 분광측정으로부터 Si 나노선의 포논 제한효과를 연구 하였다.

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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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