[논문]주사탐침현미경을 이용한 기능성분자 패터닝

윤완수; 석성대; 박형주; 하동한; 장원석; 신보성

주사탐침현미경을 이용한 기능성분자 패터닝
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윤완수 (한국표준과학연구원 적자소자그룹) , 석성대 (한국표준과학연구원 적자소자그룹) , 박형주 (한국표준과학연구원 적자소자그룹) , 하동한 (한국표준과학연구원 적자소자그룹) , 장원석 (한국기계연구원 나노공정그룹) , 신보성 (한국기계연구원 나노공정그룹)

주사탐침현미경 (Scanning Probe Microsope, SPM)을 이용하여 직접 패터닝을 함으로써 hexanedithiol 분자의 임의 패턴을 금 표면에 형성하였다. 또한, hexanedithiol 분자는 양단에 thiol 그룹이 존재하여 금과 안정화 화학결합을 이룰 수 있으므로, 금 표면과결합을 이루고 있지 않는 상단의 thiol 그룹에 금 나노 입자를 고정함으로써 나노입자의 패턴을 제작하였다. SPM을 이용한 직접 패터닝 방법은 분자활성을 유지한 채로 임의 패턴을 수십 nm의 선폭으로 구현하는 것이 가능하므로, 나노입자 배열뿐만 아니라, 생화학물질의 패터닝을 통한 바이오 기술연구, 레지스트용 분자 패터닝과 시각 및 흡착 등의 계속적인 공정을 통한 다양한 나노구조 제작 등에 폭넓게 활용될 수 있다.

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문제 정의

따라서, 형성된 패턴은 이후의 공정을 거치는 동안에도 매우 안정하게 유지될 것으로 생각된다. 본 연구에서는 HDT 분자의 여분의 thiol 그룹에 금 나노입자를 고정함으로써 나노 금속패턴의 형성을 시도하였다. 즉, 금 기판과 결합을 이루지 않고 있는 HDT 분자의 상단의 thiol 그룹을 이용함으로써, 금 나노입자를 DPN 방법으로 이미 형성한 HDT 분자패턴 위에만 선택적으로 흡착시켜, 분자패턴과 동일한 나노입자의 패턴을 형성할 수 있다.

제안 방법

첫 번째 방법으로는, 먼저 팁을 아세톤, 메탄올, 중류 수의 순서로 세척하고 건조한 고순도 질소가스로 말린 후, HDT와 아세토나이트릴을 1:1~1:20으로 흔합한 용액에 수십 초 정도 담근 후 꺼내어, 다시 건조한 고순도 질소가스로 약하게 불어서 말린 후에 사용하였다. 두 번째 방법으로는 고농도의 HDT를 담은 병 입구에 역시 아세톤, 메탄올, 중류 수의 순서로 세척한 팁을 걸친 후, 55 - 60 r 정도에서 HDT를 15분간 중발시켜서 tip에 코팅이 되게 하였다. 나노입자 패턴형성에 사용한 Au
결과이다. 먼저, 습도 55% 및 온도 22 C에서 AFM 팁을 12 iim/s의 속도로 40회 왕복하여 선을 그린 후, 직경이 5 nm인 금 콜로이드에 60 시간 정도 담가둔 후 non-contact 모드로 측정한 AFM 데이터를 얻었다. 그림에서 알 수 있듯이 금 나노입자들이 매우 선형적으로 잘 정렬된 나노구조를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 금 표면에 1, 6-hexanedithiol (HDT) 분자의 패턴을 SPM을 이용하여 직접 패터닝 하였다. HDT 분자의 양단에는 thiol groupo] 존재하므로 금 표면과 결합하지 않은 상단의 thiol gnnip에 금 나노입자를 고정시킴으로써 나노입자의 패턴을 형성하였는데, 직경 5 nm 의 금 나노입자를 선형으로 배열함으로써, DPN을 이용하여 나노입자로 이루어진 패턴을 형성할 수 있음을 보였다.
으로써 금 표면에 1, 6-hexanedithiol (HDT) 분자 패턴을 제작하고, 이를 이용하여 직경이 5 nm인 금 나노입자를 고정함으로써 HDT 분자패턴과 동일한 금속 나노입자의 패턴을 형성하였다. SPM을이용한 다양한 기능성 분자 패터닝 및 이를 이용한 여러 가지의 공정기술은 전자소자 개발 등 나노구조 제작 기술의 발전에 하나의 새로운 방법으로써 크게 기여할 것으로 기대된다.
DPN 용 tipe 두 가지 방식으로 준비하였다. 첫 번째 방법으로는, 먼저 팁을 아세톤, 메탄올, 중류 수의 순서로 세척하고 건조한 고순도 질소가스로 말린 후, HDT와 아세토나이트릴을 1:1~1:20으로 흔합한 용액에 수십 초 정도 담근 후 꺼내어, 다시 건조한 고순도 질소가스로 약하게 불어서 말린 후에 사용하였다. 두 번째 방법으로는 고농도의 HDT를 담은 병 입구에 역시 아세톤, 메탄올, 중류 수의 순서로 세척한 팁을 걸친 후, 55 - 60 r 정도에서 HDT를 15분간 중발시켜서 tip에 코팅이 되게 하였다.
토나이트릴이 1:5 의 비율로 혼합된 용액을 사용하여 앞에서 설명한 첫 번째 방법으로 팁을 제작하였으며, DPN 실험 시의 습도는 61%이고 온도는 25 T 이었다. 왼쪽의 그림은 검은색으로, 오른쪽은 횐색으로 나타나는 것은 LFM 측정 시의 팁의 스캔방향에 따라 서로 반대의 신호를 보내기 때문이다.

대상 데이터

사용하여 이루어졌다. AFM tipe 팁 끝 반경이 약 20 nm이고 힘 상수가 0.05 N/m인 silicon nitride 팁을 사용하였다. DPN 용 tipe 두 가지 방식으로 준비하였다.
05 N/m인 silicon nitride 팁을 사용하였다. DPN 용 tipe 두 가지 방식으로 준비하였다. 첫 번째 방법으로는, 먼저 팁을 아세톤, 메탄올, 중류 수의 순서로 세척하고 건조한 고순도 질소가스로 말린 후, HDT와 아세토나이트릴을 1:1~1:20으로 흔합한 용액에 수십 초 정도 담근 후 꺼내어, 다시 건조한 고순도 질소가스로 약하게 불어서 말린 후에 사용하였다.
Si(lOO) 웨이퍼에 Ti을 중간층으로 사용하여 중 착한 Au 박막을 HDT 분자패턴 형성을 위한 기판으로 사용하였다. Au 박막의 표면 거칠기는 박막의 두께에 따라 변화하는데, Ti 층의 두께가 2 nm 이고 Au 충의 두께가 10 nm 일 때 peak-to-valley의 거칠기가 1—2 nm이었다.

이론/모형

Research 모델의 AFM (Atomic Force Microscope)을 사용하여 이루어졌다. AFM tipe 팁 끝 반경이 약 20 nm이고 힘 상수가 0.

성능/효과

HDT 분자의 양단에는 thiol groupo] 존재하므로 금 표면과 결합하지 않은 상단의 thiol gnnip에 금 나노입자를 고정시킴으로써 나노입자의 패턴을 형성하였는데, 직경 5 nm 의 금 나노입자를 선형으로 배열함으로써, DPN을 이용하여 나노입자로 이루어진 패턴을 형성할 수 있음을 보였다.

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