[논문]열화학 기상 증착법에 의한 비정질 SiOx 나노와이어의 성장

김기출

doi:10.22156/cs4smb.2017.7.5.123

열화학 기상 증착법에 의한 비정질 SiOx 나노와이어의 성장
Growth of Amorphous SiOx Nanowires by Thermal Chemical Vapor Deposition Method 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.7 no.5, 2017년, pp.123 - 128

초록
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나노구조를 갖는 물질들은 나노구조물이 갖는 고유의 체적 대비 높은 표면적 비와 양자 갇힘 효과에 기인하는 독특한 전기적, 광학적, 광전기적, 자기적 특성으로 인하여 많은 주목을 받아왔다. 열화학 기상 증착 공정은 나노 구조물의 성장과정에서 다양한 구조를 갖는 나노소재의 합성 능력 때문에 더욱 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 두 영역 열화학 기상 증착법과 소스 물질 $TiO_2$ 파우더를 이용하여 VLS 공정으로 Si\$SiO_2$(300 nm)\Pt(5~40 nm) 기판 위에 실리콘 옥사이드 나노와이어를 성장시켰다. 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어의 형상과 결정학적 특성을 전계방출 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 분석하였다. 분석결과, 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어의 형상인 지름과 길이는 촉매 박막의 두께에 의존하여 다른 모양을 나타내었다. 또한 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 비정질 상을 갖는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nanostructured materials have received attention due to their unique electronic, optical, optoelectrical, and magnetic properties as a results of their large surface-to-volume ratio and quantum confinement effects. Thermal chemical vapor deposition process has attracted much attention due to the synthesis capability of various structured nanomaterials during the growth of nanostructures. In this study, silicon oxide nanowires were grown on Si\$SiO_2$(300 nm)\Pt(5~40 nm) substrates by two-zone thermal chemical vapor deposition with the source material $TiO_2$ powder via vapor-liquid-solid process. The morphology and crystallographic properties of the grown silicon oxide nanowires were characterized by field-emission scanning electron microscope and transmission electron microscope. As results of analysis, the morphology, diameter and length, of the grown silicon oxide nanowires are depend on the thickness of the catalyst films. The grown silicon oxide nanowires exhibit amorphous phase.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

0 Torr로 조절하였다. 기판은 아세톤, 에탄올, 탈이온수 등으로 초음파 세척된 Si\SiO₂(300nm) 조각 기판 위에 스퍼터링 공정으로 촉매 물질인 Pt 박막을 다양한 두께로 코팅하였고, Source 물질이 장착된 도가니로부터 2.5 cm 떨어진 곳에 Quartz Plate를 위치시키고, 그 위에 기판을 나란히 위치시켰다. Thermal CVD는 상온에서 1시간에 걸쳐 1,050 ℃로 가열되었고, 3시간동안 실리콘 옥사이드 나노와이어를 성장시켰다.
본 연구에서는 Nanodevice의 Interconnector, Bipolar 트랜지스터, Inverter 및 Nano pH 센서 등으로 응용가능 성이 높은 실리콘 나노와이어를 두 영역 열화학 기상 증착 공정과 소스 물질 TiO₂ 파우더 및 Pt 촉매 박막을 이용하여 VLS 공정으로 합성하였다[14].
1 타겟을 이용하여 처음으로 합성이 보고된 이후, SiO 파우더 및 Thermal CVD 공정, Galvanic Displacement 공정, Si 파우더와 Thermal CVD 공정, SiO₂ 박막과 Rapid Thermal Annealing 공정 등 다양한 방법으로 합성이 보고되었다[4,14-17]. 본 연구에서는 TiO₂ 파우더와 촉매물질 Pt 박막과 Thermal CVD 공정으로 실리콘 옥사이드 나노와이어를 합성하였다. VLS 공정으로 성장되는 나노와이어의 크기는 성장초기에 핵형성의 중심으로 작용하는 촉매 물질의 drop 크기에 의존하여 결정되는 것으로 알려져 있다[3,11].
본 연구에서는 두 영역 열화학 기상증착법과 VLS 공정으로 촉매금속 Pt 박막의 두께를 변화시키면서 실리콘 옥사이드 나노와이어를 성장시켰고, FE-SEM 및 TEM 분석으로 나노와이어의 성장형태 및 결정학적 특성을 분석하였고, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
VLS 공정으로 성장되는 나노와이어의 크기는 성장초기에 핵형성의 중심으로 작용하는 촉매 물질의 drop 크기에 의존하여 결정되는 것으로 알려져 있다[3,11]. 본 연구에서는 촉매금속 Pt 박막의 두께를 5 nm, 10 nm, 20 nm, 40 nm로 변화시켜가면서 Pt 박막의 두께의존성을 조사하였다. Pt 박막의 두께가 5 nm인 기판 위에 성장된 실리콘 옥사이드 나노구조물의 주사전자현미경 분석결과를 Fig.
성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어의 결정학적 특성을 분석하기 위하여 TEM 분석을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
Thermal CVD는 상온에서 1시간에 걸쳐 1,050 ℃로 가열되었고, 3시간동안 실리콘 옥사이드 나노와이어를 성장시켰다. 이후에는 히터의 전원을 끄고 상온까지 히터를 냉각시킨 후 시료를 꺼내어 FE-SEM 및 TEM으로 성장된 나노와이어의 특성을 분석하였다.

대상 데이터

1에 나타낸 것과 같은 일반적인 열화학 기상증착법이 변형된 두 영역 열화학 기상증착장비를 이용하여 비정질 실리콘 옥사이드 나노와이어를 합성하였다. Thermal CVD의 Chamber는 Quartz Tube이며 지름은 2 인치, 길이는 120cm이다. 고온 히터의 중앙에 Fig.
본 실험에 사용된 기판은 Si\SiO2(300nm) Pt(5∼40nm)이며, 비정질 실리콘 옥사이드 나노와이어의 몸체를 구성하는 Si와 O 성분은 기판과 Source 물질 TiO2 파우더에서 기인하는 것으로 보인다.

성능/효과

1) 합성된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 전형적인 VLS 공정으로 성장된 것으로 판단되며, Pt 박막의 두께가 증가할수록 나노와이어의 지름은 증가하고 길이는 짧아지는 경향을 가지고 있었다.
2) 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 TEM의 SAED 패턴 분석결과 비정질 상(Amorphous Phase)을 가지고 있었으며, 촉매물질 Pt 박막의 두께에 의존하여 다른 Morphology로 성장되는 것을 확인하였다. 이러한 비정질 실리콘 옥사이드 나노와이어의 성장특성을 활용하여 실리콘 옥사이드 기반의 응용소자 연구에 있어서 기능성 나노소재로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
6 (c)에는 각각 삽입된 Image의 파란색 네모 영역에 대하여 분석한 EDS(Energy-Dispersive x-ray Spectroscopy) 분석 결과를 나타내었다. 분석결과 실리콘 옥사이드 나노와이어의 몸체 부분은 주로 Si과 O 성분으로 구성되어 있으며, 실리콘 옥사이드 나노와이어의 머리 부분은 Si, O, Pt, Ti 성분이 혼재되어 있는 것으로 분석되었다. 본 실험에 사용된 기판은 Si\SiO₂(300nm) Pt(5∼40nm)이며, 비정질 실리콘 옥사이드 나노와이어의 몸체를 구성하는 Si와 O 성분은 기판과 Source 물질 TiO₂ 파우더에서 기인하는 것으로 보인다.
6 (a)에 삽입된 Image는 나노와이어의 몸체 부분의 빨간 원 영역에 대하여 분석한 SAED (Selected Area Electron Diffraction) 패턴이다. 분석결과 전형적인 Amorphous Phase에서 나타나는 패턴모양이므로, 본 실험에서 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 비정질 상을 갖는 것으로 판단된다. Fig.
실리콘 옥사이드 나노와이어의 지름은 Pt 박막이 10nm 인 Fig. 3보다 약간 더 커졌으며(약 100∼150 nm), 나노와이어의 끝에는 콩나물의 머리 모양이 존재하는 것으로 보아, VLS 공정으로 성장된 것을 알 수 있다.
4 (a)를 보면 알 수 있는 것처럼 실리콘 옥사이드 나노와이어의 성장 밀도는 Pt 박막의 두께가 10nm일 때보다 약간 감소하여 성장되었다. 전체적인 실리콘 옥사이드의 양은 일정하게 유지될 때 실리콘 옥사이드 나노와이어의 지름이 증가되면 실리콘 옥사이드 나노와이어의 길이가 짧아지는 것으로 추측된다.

후속연구

2) 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 TEM의 SAED 패턴 분석결과 비정질 상(Amorphous Phase)을 가지고 있었으며, 촉매물질 Pt 박막의 두께에 의존하여 다른 Morphology로 성장되는 것을 확인하였다. 이러한 비정질 실리콘 옥사이드 나노와이어의 성장특성을 활용하여 실리콘 옥사이드 기반의 응용소자 연구에 있어서 기능성 나노소재로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FE-SEM 및 TEM 분석으로 나노와이어의 성장형태 및 결정학적 특성을 분석하여 내린 결론은?	1) 합성된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 전형적인 VLS 공정으로 성장된 것으로 판단되며, Pt 박막의 두께가 증가할수록 나노와이어의 지름은 증가하고 길이는 짧아지는 경향을 가지고 있었다. 2) 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 TEM의 SAED 패턴 분석결과 비정질 상(Amorphous Phase)을 가지고 있었으며, 촉매물질 Pt 박막의 두께에 의존하여 다른 Morphology로 성장되는 것을 확인하였다. 이러한 비정질 실리콘 옥사이드 나노와이어의 성장특성을 활용하여 실리콘 옥사이드 기반의 응용소자 연구에 있어서 기능성 나노소재로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
	일차원 나노구조물의 특징은?	높은 전기전도도와 인장강도를 지닌 일차원 구조의 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)의 발견은 체적 대비 높은 표면적을 갖는 나노와이어의 합성 및 응용 가능성에 폭발적인 관심을 집중시키는 기폭제 역할을 하였고[1], 일차원의 나노구조물인 Nanowires, Nanobelts, Nanorods 등이 다양한 방법으로 합성되었다[2-8]. 일차원 나노구조물은 양자 갇힘 효과(Quantum confinement effect) 및 체적 대비 높은 표면적을 갖는 특성에 기인하는 독특한 전기적, 광학적, 광전기적, 광화학적 특성을 가지고 있다. ZnO와 SnO2와 같은 반도체 산화물은 투명전극, 가스센서 등 다양한 응용분야를 가지고 있으므로 많은 관심이 집중되는 소재이다.
	높은 전기전도도와 인장강도를 지닌 일차원 구조의 탄소 나노튜브의 발견은 어떤 역할을 하였는가?	높은 전기전도도와 인장강도를 지닌 일차원 구조의 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)의 발견은 체적 대비 높은 표면적을 갖는 나노와이어의 합성 및 응용 가능성에 폭발적인 관심을 집중시키는 기폭제 역할을 하였고[1], 일차원의 나노구조물인 Nanowires, Nanobelts, Nanorods 등이 다양한 방법으로 합성되었다[2-8]. 일차원 나노구조물은 양자 갇힘 효과(Quantum confinement effect) 및 체적 대비 높은 표면적을 갖는 특성에 기인하는 독특한 전기적, 광학적, 광전기적, 광화학적 특성을 가지고 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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