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

이연환; 곽동욱; 양우철

doi:10.5757/jkvs.2008.17.1.051

Au-Si 나노점을 촉매로 성장한 Si 나노선의 구조 및 광학적 특성 연구
Structural and optical properties of Si nanowires grown by Au-Si island-catalyzed chemical vapor deposition 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.17 no.1, 2008년, pp.51 - 57

이연환 (동국대학교 정보통신공학과) , 곽동욱 (동국대학교 물리학과) , 양우철 (동국대학교 물리학과)

초록
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나노크기의 Au-Si을 촉매로 급속열화학기상증착(rapid thermal chemical vapor deposition)법을 이용하여 Si(111) 기판에 성장한 Si 나노선의 구조적인 형태 변화와 광학적 특성을 연구하였다. 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid) 성장법에 의한 Si 나노선 형성 과정에서 액상 입자인 Au-Si 나노점은 나노선 성장온도에서 촉매로 사용되었다. 이 액상 나노점이 형성된 Si 기판에 1.0Torr 압력과 $500-600^{\circ}C$ 기판 온도 하에서 $SiH_4$와 $H_2$의 혼합가스를 공급하여 Si 나노선을 형성하였다. Si 나노선 성장 후 형태를 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 결과, 대부분의 나노선이 균일한 크기로 기판 표면에 수직하게 <111> 방향으로 정렬된 것을 확인하였다. 형성된 나노선의 크기는 평균 직경이 ${\sim}60nm$이고 평균 길이가 ${\sim}5um$임을 확인하였다. 또한 고 분해능 투과전자현미경(High Resolution-Transmission Electron Microscope) 관찰을 통해 Si 나노선은 약 3nm의 비정질 산화층으로 둘러 싸여 있는 Si 단결정임이 분석되었다. 그리고 마이크로 라만 분광(Micro-Raman Scattering)법을 통한 광학적 특성 분석 결과, Si의 광학 포논(Optical Phonon) 신호 위치가 Si 나노선 구조의 영향으로 낮은 에너지 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

we have demonstrated structural evolution and optical properties of Si-nanowires (NWs) synthesized on Si (111) substrates with nanoscale Au-Si islands by rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD). The Au-Si nano-islands (10-50nm in diameter) were employed as a liquid-droplet catalysis to grow Si-NWs via vapor-liquid-solid mechanism. The Si-NWs were grown by a mixture gas of SiH4 and H2 at a pressure of 1.0 Torr and temperatures of $500{\sim}600^{\circ}C$. Scanning electron microscopy measurements showed that the Si-NWs are uniformly sized and vertically well-aligned along direction on Si (111) surfaces. The resulting NWs are ${\sim}60nm$ in average diameter and ${\sim}5um$ in average length. High resolution transmission microscopy measurements indicated that the NWs are single crystals covered with amorphous SiOx layers of ${\sim}3nm$ thickness. In addition, the optical properties of the NWs were investigated by micro-Raman spectroscopy. The downshift and asymmetric broadening of the Si main optical phonon peak were observed in Raman spectra of Si-NWs, which indicates a minute stress effects on Raman spectra due to a slight lattice distortion led by lattice expansion of Si-NW structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 RTCVD 성장장치를 이용하여 나노크기의 Au-Si 나노점을 촉매로 Si(111) 기판에 성장한 Si 나노선의 성장조건에 따른 형태변화와 특성을 연구하였다. 성장한 Si 나노선의 형태를 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 대부분의 나노선이 균일한 크기로 Si(111) 기판 표면에 수직하게 정렬된 것을 확인하였다.
본 연구에서는 급속열화학기상증착법 (rapid thermal chemical vapor deposition, RTCVD)을 이용하여 나노 크기의 Au-Si 나노점을 촉매로 Si (111) 기판 위에 Si 나노선을 성장하였으며, 성장 압력, 온도, 및 시간 등의 성장 조건이 나노선의 구조적인 형태 변화에 미치는 영향을 관찰하였다. 특히, [111] 방향의 기판이 나노선의 성장방향에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 연구를 진행하였다. 또한 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 나노선의 결정성 및 화학적 성분을 분석하였다.

가설 설정

1에서 성장한 나노선이 산화층을 포함한 총 직경이 48~72 nm (평균 60 nm)의 분포를 가지고 있고, 이는 Fig. 3(a)의 투과전자현미경 분석과 일치한다. Fig.

제안 방법

Si 나노선의 형태변화에 미치는 성장온도의 영향을 알아보기 위하여, Au-Si 나노점에 4 sccm의 반응 가스를 공급하고, 1.0 Torr 압력에서 온도를 500-600℃까지 50℃ 간격으로 변화시켜 나노선을 성장하였다(Fig. 2(a)-(c)).
그리고 Si 나노선의 광학적 특성은 마이크로 라만 분광법으로 측정하였다. VLS 메커니즘을 통하여 성장된 나노선의 형태 및 성장 방향은 vapor-liquid 와 liquid-solid 계면에서 원자확산과정(atomic diffusion processes)과 표면 및 계면 에너지론(surface and interface energy)으로 해석하였다.
0 Torr, 700℃, 수소 분위기에서 10분 동안 열처리 하여 Au-Si 나노점을 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 1.
또한 Si 나노선의 결정성과 방향성을 확인하기 위해 고 분해능 투과전자현미경 (HR-TEM, 200kV JEOL JEM-2100F model)으로 나노선을 측정하였고 투과전자현미경에 장착된 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy, Oxford)로 나노선의 각 영역의 화학적 성분을 조사하였다 (측정한계 >2.0 at%).
특히, [111] 방향의 기판이 나노선의 성장방향에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 연구를 진행하였다. 또한 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 나노선의 결정성 및 화학적 성분을 분석하였다. 그리고 Si 나노선의 광학적 특성은 마이크로 라만 분광법으로 측정하였다.
또한, Si 나노선의 광학적인 특성을 라만 분광법으로 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 급속열화학기상증착법 (rapid thermal chemical vapor deposition, RTCVD)을 이용하여 나노 크기의 Au-Si 나노점을 촉매로 Si (111) 기판 위에 Si 나노선을 성장하였으며, 성장 압력, 온도, 및 시간 등의 성장 조건이 나노선의 구조적인 형태 변화에 미치는 영향을 관찰하였다. 특히, [111] 방향의 기판이 나노선의 성장방향에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 연구를 진행하였다.
성장 후, 시료에 형성된 Si 나노선 형태와 분포는 전계방출 주사전자현미경 (FE-SEM)으로 단면과 기판에서 30° 기울여서 측정한 이미지로 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 p형-Si (111)을 성장기판으로 사용하였으며, 성장 전에 기판을 우선 초음파 세척기에서 아세톤과 메탄올로 10분 동안의 세정하였다. 그리고 기판에 존재하는 탄화수소와 자연 산화층을 제거하기 위해 HF(2%, HF: H2O=1:50) 용액에 10분 동안의 세정과정을 거쳐 탈 이온수 (de-ionized water)로 헹군 후 질소 가스로 건조하여 기판을 준비하였다.

이론/모형

또한 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 나노선의 결정성 및 화학적 성분을 분석하였다. 그리고 Si 나노선의 광학적 특성은 마이크로 라만 분광법으로 측정하였다. VLS 메커니즘을 통하여 성장된 나노선의 형태 및 성장 방향은 vapor-liquid 와 liquid-solid 계면에서 원자확산과정(atomic diffusion processes)과 표면 및 계면 에너지론(surface and interface energy)으로 해석하였다.
0 at%). 그리고 나노선의 광학적 특성은 마이크로 라만 분광법으로 측정 하였다.

성능/효과

특히, 주사전자현미경과 고 분해능 투과전자현미경을 통해 나노선이 Si(111) 기판에 대하여 수직한 [111] 방향으로 성장하며, 약 3nm의 비정질 산화층으로 둘러싸인 Si 단결정으로 형성된 것을 관찰하였고, EDS 성분분석으로 이 나노선에는 Si과 O 성분이 존재하는 반면, 촉매인 Au 성분은 관측되지 않는 것을 확인하였다. 그리고 마이크로 라만 분광 측정결과 Si의 광학적 포논 신호가 Si 나노선 구조에 의한 응력의 영향으로 낮은 에너지 쪽으로 이동하며, 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다. 또한, 기상-액상-고상 메커니즘으로 성장된 Si 나노선의 구조적인 형태 변화와 성장방향은 Au-Si 액상 나노점을 통한 원자확산과정과 Au-Si과 Si의 계면에서의 표면 및 계면 에너지와 관계가 있다는 것을 확인하였다.
58 cm^-1에 위치하고, 이는 첫번째 광학적 포논의 산란을 나타낸다. 대조적으로, Si 나노선의 광학적 포논 신호는 낮은 주파수 쪽으로 이동하였으며, 비대칭적으로 폭이 증가한 것을 확인하였다 (Fig. 5의 실선). 480 cm^-1 부분에 위치한 폭이 넓은 신호는 나노선 표면에 생긴 Si 자연 산화층에 의한 신호이다.
그리고 마이크로 라만 분광 측정결과 Si의 광학적 포논 신호가 Si 나노선 구조에 의한 응력의 영향으로 낮은 에너지 쪽으로 이동하며, 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다. 또한, 기상-액상-고상 메커니즘으로 성장된 Si 나노선의 구조적인 형태 변화와 성장방향은 Au-Si 액상 나노점을 통한 원자확산과정과 Au-Si과 Si의 계면에서의 표면 및 계면 에너지와 관계가 있다는 것을 확인하였다.
성장한 Si 나노선의 형태를 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 대부분의 나노선이 균일한 크기로 Si(111) 기판 표면에 수직하게 정렬된 것을 확인하였다. 또한, 주어진 성장조건하에서 성장한 Si 나노선이 약 60 nm의 직경을 가지고 5 um 의 길이를 가지는 것을 확인하였다. 특히, 주사전자현미경과 고 분해능 투과전자현미경을 통해 나노선이 Si(111) 기판에 대하여 수직한 [111] 방향으로 성장하며, 약 3nm의 비정질 산화층으로 둘러싸인 Si 단결정으로 형성된 것을 관찰하였고, EDS 성분분석으로 이 나노선에는 Si과 O 성분이 존재하는 반면, 촉매인 Au 성분은 관측되지 않는 것을 확인하였다.
마지막으로 Si 나노선의 EDS 분석(Fig. 4)에서 Si과 O 성분이 존재하며, 촉매인 Au 성분은 존재하지 않은 것을 확인하였다 (측정한계 >2.0 at%).
이 식으로부터 계산된 미세한 응력에 의한 라만 신호의 변화는 약 2 cm^-1 정도 이다. 본 실험으로부터 얻은 신호의 변화 (약 1cm^-1)는 이론적으로 얻은 신호의 변화와 거의 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 윗 식은 나노선의 직경에 의한 신호 위치의 변화를 나타내는 항이 포함되어 있지 않다.
0 Torr의 조건에서 10분간 열처리하여 형성하였다. 본 연구 그룹에서는 1.2, 2.0, 3.0 nm 등의 여러 두께로 Au 박막을 증착 후, 각 두께의 Au 박막을 열처리하여 형성한 나노점에 Si 나노선을 성장한 결과 3.0 nm의 박막에서만 나노선이 성장됨을 확인하였다. 이는 Au 나노점 형성을 통한 Si 나노선이 성장되기 위해서는 Au 박막의 임계 두께가 존재한다는 것을 확인하였다 [20].
본 연구는 RTCVD 성장장치를 이용하여 나노크기의 Au-Si 나노점을 촉매로 Si(111) 기판에 성장한 Si 나노선의 성장조건에 따른 형태변화와 특성을 연구하였다. 성장한 Si 나노선의 형태를 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 대부분의 나노선이 균일한 크기로 Si(111) 기판 표면에 수직하게 정렬된 것을 확인하였다. 또한, 주어진 성장조건하에서 성장한 Si 나노선이 약 60 nm의 직경을 가지고 5 um 의 길이를 가지는 것을 확인하였다.
또한, 주어진 성장조건하에서 성장한 Si 나노선이 약 60 nm의 직경을 가지고 5 um 의 길이를 가지는 것을 확인하였다. 특히, 주사전자현미경과 고 분해능 투과전자현미경을 통해 나노선이 Si(111) 기판에 대하여 수직한 [111] 방향으로 성장하며, 약 3nm의 비정질 산화층으로 둘러싸인 Si 단결정으로 형성된 것을 관찰하였고, EDS 성분분석으로 이 나노선에는 Si과 O 성분이 존재하는 반면, 촉매인 Au 성분은 관측되지 않는 것을 확인하였다. 그리고 마이크로 라만 분광 측정결과 Si의 광학적 포논 신호가 Si 나노선 구조에 의한 응력의 영향으로 낮은 에너지 쪽으로 이동하며, 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다.

후속연구

본 연구에서 성장된 Si 나노선(~60 nm) 의 경우, 광학적 포논 신호의 위치가 약 1 cm^-1정도 낮은 주파수 쪽으로 이동 하였으므로, Si 나노선과 단결정 Si의 격자 상수 차이로 인한 미세한 응력의 작용으로 라만 스펙트럼의 신호에 작은 변화가 생긴 것으로 보인다. 양자제한 효과에 의한 광학적 포논신호의 낮은 주파수 쪽으로의 이동은 이번 연구에서 보고된 Si 나노선의 직경보다 작은 Si 나노선의 성장 후 라만 주 신호 비교로 확인 할 수 있을 것이다.[21,23]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물질의 나노선 구조 성장 방법 중 VLS법은 어떻게 이용되고 있는가?	물질의 나노선 구조 성장은 vapor-liquid-solid (VLS) [4-6], vapor-solid-solid (VSS) [7], solution-liquid-solid (SLS) [8] 등의 다양한 방법이 보고되고 있다. 그중에서 VLS법은 IV 족, III-V족, 그리고, II-VI족 등 다양한 물질의 나노선을 성장하는 방법으로 가장 널리 이용되고 있다[9-11]. 일반적으로 Si 나노선도 VLS 성장 메커니즘을 이용 하여 성장하며, 화학기상증착 (chemical vapor deposition), 펄스레이저증착 (pulsed laser deposition), 레이저 분해 (laser ablation) 등의 성장법을 이용하여 성장한다.
	전자소자 축소화 기술은 어떤 방식으로 변화를 가져왔는가?	최근 리소그래피법의 한계로 전자소자 축소화 기술은 top-down 방식에서 bottom-up 방식으로 변화를 가져왔다. bottom-up 접근 방법인 자기 조직화(self-organization)에 의한 나노구조체의 제작은 차세대 나노 및 신 소자 개발의 다양한 응용성 제시로 많은 연구가 진행되고 있다.
	Si 나노선은 어떤 장점을 가지고 있는가?	bottom-up 접근 방법인 자기 조직화(self-organization)에 의한 나노구조체의 제작은 차세대 나노 및 신 소자 개발의 다양한 응용성 제시로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 1차원 나노 구조체인 Si 나노선은 광 ․ 전자 소자 및 화학적 센서와 같은 다양한 과학기술 분야에서 잠재적 응용성을 가지고 있으며, 기존 Si 집적회로기술에 직접 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다 [1-3]. 물질의 나노선 구조 성장은 vapor-liquid-solid (VLS) [4-6], vapor-solid-solid (VSS) [7], solution-liquid-solid (SLS) [8] 등의 다양한 방법이 보고되고 있다.

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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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