[논문]다공성 알루미나 마스크를 이용한 니켈 나노점 구조 제작

임수환; 김철성; 고태준

doi:10.4283/jkms.2013.23.4.126

초록
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본 연구에서는 인산 용액 하에서 2차 양극 산화 기법에 의해 제작된 양극 산화 알루미나 막을 마스크로 이용하여 정렬된 니켈 나노점 구조를 제작하였다. $2{\mu}m$ 두께의 얇은 양극 산화 알루미나 막 표면에 평균 279 nm 크기의 기공구조를 형성하였으며 이를 얇은 니켈 박막의 열 증착 시 다공 구조 마스크로 이용하여 정렬된 니켈 나노점 구조를 제작하였다. 형성된 니켈 나노점의 크기는 평균 293 nm의 크기를 가지고 있으며 알루미나 막 표면상의 기공 구조의 형상을 따르고 있음을 볼 수 있었다. 제작된 나노점 구조의 자기적 특성을 상온에서 자기이력곡선의 측정을 통해 살펴보았으며 연속적인 니켈 박막과 비교하였을 때 고립된 나노점 구조로 인하여 자화용이축을 따라 각형비의 감소와 보자력의 증가가 나타남을 관찰할 수 있었다. 본 연구를 통해 양극 산화 막을 마스크로 이용한 박막 증착 과정을 통해 균일한 자기 나노점 구조를 제작할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have fabricated an ordered Ni nanodot structure using an alumina mask prepared via 2-step anodization technique under phosphoric acid. We have formed a porous structure with average pore size of 279 nm on $2{\mu}m$ thick alumina film and the thermal deposition of thin Ni film though th...

We have fabricated an ordered Ni nanodot structure using an alumina mask prepared via 2-step anodization technique under phosphoric acid. We have formed a porous structure with average pore size of 279 nm on $2{\mu}m$ thick alumina film and the thermal deposition of thin Ni film though the mask led to the formation of ordered Ni nanodot structure with an average dot size of 293 nm, following the pore structure on the mask. We further investigated the magnetic properties of the nanodot structure by measuring the hysteresis curve at room temperature. When compared to the magnetic properties of a continuous Ni film, we observed the decrease in the squareness and the increase in coercivity along the magnetization easy axis, due to the isolated nanodot structure. Our study suggests that the ordered nanodot structure can be easiy fabricated with thin film deposition technique using anodized alumina mask as a mask.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이차 양극 산화 과정을 통해 균일한 기공 구조를 지닌 얇은 알루미나 막을 제작하였으며 이를 마스크로 이용하여 니켈 박막의 열 증착 과정을 통해 293 nm 크기의 니켈 나노점 구조를 형성하고 균일한 박막 구조와의 비교를 통해 제작된 나노점 구조의 자기적 특성을 살펴보았다.

제안 방법

이 후 알루미나 막을 실리콘 기판 상에 고정시킨후 10⁻⁶Torr 하에서 1 Å/s의 증착비율로 니켈 박막을 열 증착시켰으며 증착 시 quartz microbalance로 측정된 니켈 박막의 두께는 20 nm이었다. 니켈 박막을 증착 후 알루미나 마스크는 제거되었으며 scanning electron microscope (SEM)과 atomic force microscope(AFM)을 통해 실리콘 기판 위에 형성된 니켈 나노점의 표면형상과 vibrating sample magnetometer(VSM)를 이용하여 나노점의 자기적 특성을 살펴보았다.
다공구조를 가진 알루미나 마스크를 제작하기 위해 에탄올/과염소산 용액 안에서 18 V의 전압으로 5분간 전해 연마 과정을 통해 경면 처리된 0.5 mm 두께의 알루미늄 포일(Alfar Aesar, 99.9995 %)을 2차에 걸쳐 양극 산화시켰다. 양극 산화과정은 10 wt%의 인산 용액을 전해질로 사용하여 수행되었으며 이 때 용액의 온도는 4℃로 유지되었다.
본 논문에서는 이차에 걸친 양극산화 과정으로 제작된 매우 얇은 다공성 알루미나 막을 마스크로 이용하여 열 증착과정을 통해 니켈 나노점 구조를 형성하였다. 형성된 나노점 구조는 알루미나 막 상에 존재하는 기공구조를 따라 균일하게 정렬되어 있음을 확인 할 수 있었으며 상온에서의 자기이력곡선 측정을 통해 자화용이축을 따라 연속적인 박막에 비해 낮은 각형비와 높은 보자력을 가지고 있음을 볼 수 있었다.
이 후 알루미나 막을 실리콘 기판 상에 고정시킨후 10−6Torr 하에서 1 Å/s의 증착비율로 니켈 박막을 열 증착시켰으며 증착 시 quartz microbalance로 측정된 니켈 박막의 두께는 20 nm이었다.

성능/효과

2는 상온에서 VSM을 통해 측정된 니켈 나노점 구조의 자기이력곡선을 보여주고 있으며 동일 두께의 연속적인 니켈 박막과의 비교를 통해 나노점 구조에 의한 자기적 특성 변화를 살펴보았다. 니켈 나노점과 연속적인 니켈 박막의 자기이력곡선은 기판에 수직한 방향과 평행한 방향으로 외부 자기장을 가하여 취하였으며 나노점 구조의 경우 연속적인 박막에 비해 기판 상에 차지하는 면적이 11.6 %에 불과하여 측정된 자기이력곡선의 잡음 대비 신호 비율이 다소 낮으나 측정된 자기이력곡선의 형태를 통해 나노점 구조와 연속적인 박막 모두 강자성체의 특성을 가지고 있으며 자화용이축은 모두 박막에 평행한 방향으로 존재함을 확인할 수 있다. 측정된 자기이력곡선으로부터 얻어진 보자력 값과 포화자화와 잔류자화의 비로 결정된 각형비는 Table I에 나타내었다.
외부로부터의 자기장이 기판에 수직하게 가해진 경우 니켈 박막과 니켈 나노점 모두 그 두께가 동일하며 매우 얇아 자기적 특성에는 큰 차이가 없으나 이와 달리 외부 자기장이 박막의 표면에 평행하게 가해졌을 경우 연속적인 니켈 박막의 보자력과 각형비는 13 Oe와 0.8이었으며 니켈 나노점 구조의 보자력과 각형비는 30 Oe와 0.31로써 두 구조 간에 자기적 특성에 차이가 있음을 알 수 있다. 각형비의 경우 박막내의 결정립 간의 자기적 결합 정도를 나타내므로 자화용이 축을 따라 나노점 구조에서 관측된 각형비의 감소는 결정립들이 강하게 결합되어 있는 연속적인 박막과 달리 대략 129 nm의 간격을 가지고 고립되어 배열된 나노점 구조에 기인한 것으로 판단되어 진다.
1(c)와 (d)는 기공과 니켈 나노점의 크기 분포를 보이고 있으며 기공과 나노점의 평균 크기가 각각 279 ± 39 nm와 293 ± 40 nm임을 알 수 있다. 이는 형성된 나노점의 크기가 마스크로 이용된 기공의 크기와 매우 비슷함을 보여주며 두 경우 모두 대략 14 %의 표준편차를 보여주고 있어 나노점 구조와 기공 구조의 균일도가 일치함을 확인할 수 있다. Fig.
형성된 나노점 구조는 알루미나 막 상에 존재하는 기공구조를 따라 균일하게 정렬되어 있음을 확인 할 수 있었으며 상온에서의 자기이력곡선 측정을 통해 자화용이축을 따라 연속적인 박막에 비해 낮은 각형비와 높은 보자력을 가지고 있음을 볼 수 있었다. 이러한 자기적 특성의 변화는 고립되어 형성된 매우 작은 나노점 구조에 의한 것으로 이해 할 수 있으며 본 논문을 통해 양극 산화 막을 마스크로 이용한 물리적 증착 과정을 통해 균일한 자기 나노점 구조를 제작할 수 있음을 확인할 수 있었다.
5 × 1013/m2임을 알 수 있다. 이와 함께 AFM을 통해 측정된 단면 프로파일을 통해 니켈 나노점의 평균 높이가 약 18.5 nm임을 확인하였으며 이는 증착된 니켈 박막의 두께와 거의 일치함을 보여주고 있다(Fig. 1(f)).
1(f)). 증착된 니켈 나노점 구조의 표면 형상 관찰과 나노점의 크기 분석을 통해 니켈 나노점 구조가 박막 증착 시 기판 상에 놓인 알루미나 마스크 상의 기공 구조를 따라 균일하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 이차에 걸친 양극산화 과정으로 제작된 매우 얇은 다공성 알루미나 막을 마스크로 이용하여 열 증착과정을 통해 니켈 나노점 구조를 형성하였다. 형성된 나노점 구조는 알루미나 막 상에 존재하는 기공구조를 따라 균일하게 정렬되어 있음을 확인 할 수 있었으며 상온에서의 자기이력곡선 측정을 통해 자화용이축을 따라 연속적인 박막에 비해 낮은 각형비와 높은 보자력을 가지고 있음을 볼 수 있었다. 이러한 자기적 특성의 변화는 고립되어 형성된 매우 작은 나노점 구조에 의한 것으로 이해 할 수 있으며 본 논문을 통해 양극 산화 막을 마스크로 이용한 물리적 증착 과정을 통해 균일한 자기 나노점 구조를 제작할 수 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 미세 구조에 큰 관심이 집중되는 이유는 무엇입니까?	최근 미세 구조에 대한 큰 관심이 집중되는 추세이며, 이는 반도체 기술의 소형화와 연결된 다양한 응용 기술의 개발과 함께 나노미터 길이 영역에서 나타나는 물리적 현상의 연구를 가능하게 할 수 있기 때문이다. 기존의 나노미터급 구조 및 소자의 제작은 대부분 전자빔을 이용한 공정 방식이 주를 이루어 왔으나, 이들의 경우 순차적인 공정방식으로 대면적 상에 다수의 소자 제작이 어렵다는 단점을 지니고 있다.
	기존의 나노미터급 구조 및 소자의 제작이 지니는 단점은 무엇입니까?	최근 미세 구조에 대한 큰 관심이 집중되는 추세이며, 이는 반도체 기술의 소형화와 연결된 다양한 응용 기술의 개발과 함께 나노미터 길이 영역에서 나타나는 물리적 현상의 연구를 가능하게 할 수 있기 때문이다. 기존의 나노미터급 구조 및 소자의 제작은 대부분 전자빔을 이용한 공정 방식이 주를 이루어 왔으나, 이들의 경우 순차적인 공정방식으로 대면적 상에 다수의 소자 제작이 어렵다는 단점을 지니고 있다. 이러한 기존의 방식이 지닌 제한을 극복하기 위해 나노임프린트 기법[1], 레이저 홀로그래피 패터닝[2]과 같은 다양한 미세 구조 제작 방식이 고려되어 왔으며 이 중 양극 산화 과정을 거친 알루미나 막에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있다.
	이차에 걸친 양극 산화된 알루미나 막의 표면에 형성된 기공구조가 지닌 장점은 무엇입니까?	양극 산화된 알루미나 막의 경우 산화된 표면상에 그 크기가 대략 수십에서 수백 나노미터에 달하는 기공 구조가 형성됨이 잘 알려져 있다. 특히 이차에 걸친 양극 산화 과정을 통해 만들어지는 기공들의 경우 그 크기가 매우 균일하며 사용되는 용액의 종류에 따라 기공의 크기 조절이 가능하므로 나노미터 크기의 다공 구조제작이 가능하다는 점에서 큰 관심을 받아오고 있다[3]. 이러한 다공 구조 알루미나 기판을 이용하여 국소화된 쿠퍼쌍[4] 및 얇은 다공성 금속박막의 면저항 변화[5] 등에 대한 고찰이 보고되었으며 표면에 형성된 기공 구조를 따라 나노미터 크기의 나노점 제작[6, 7]이 활발히 시도되고 있다.

참고문헌 (10)

S. Y. Chou, P. R. Krauss, and P. J. Renstrom, Science 272, 5258 (1996).
C.-O Cho, J. Jeong, J. Lee, H. Jeon, I. Kim, D. H. Jang, Y. S. Park, and J. C. Woo, Appl. Phys. Lett. 87, 161102 (2005).

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H. Masuda and K. Fukuda, Science 268, 1466 (1995).

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M. D. Stewart, Jr., A. Yin, J. M. Xu, and J. M. Valles, Jr., Science 318, 1273 (2007).

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A. Song, C. S. Kim, and T. Kouh, Appl. Phys. Lett. 99, 263103 (2011).

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M. T. Rahman, N. N. Shams, and C.-H. Lai, J. Appl. Phys. 105, 07C112 (2009).

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K. Nielsch, F. Muller, A.-P. Li, and U. Gsele, Adv. Mater. 12, 582 (2000).

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W. Lee, H. Han, A. Lotnyk, M. A. Schubert, S. Senz, M. Alexe, D. Hesse, S. Baik, and U. Gsele, Nature Nanotech. 3, 402 (2008).

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A. T. Aldred, Phys. Rev. B 11, 2597 (1975).

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T. Bobek, N. Mikuszeit, J. Camarero, S. Kyrsta, L. Yang, M. A. Nino, C. Hofer, L. Gridneva, D. Arvanitis, R. Miranda, J. J. de Miguel, C. Teichert, and H. Kurz, Adv. Mater. 19, 4375 (2007).

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