초록 ▼

□ 연구개요
재구조된 실리콘 미사면(vicinal surface)을 형판(template)으로 이용하여 열적 증착과 자기조립(self-assembly) 방식으로 규칙적으로 배열된 1차원 및 2차원 나노구조를 제작하고, 그 원자 구조와 전자 구조를 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy: STM)과 방사광 광전자 분광법(synchrotron photoemission spectroscopy: PES)을 사용하여 규명하고자 한다. 이러한 자기조립 방법에서 가장 큰 문제는 미사면의 높은 에너지 상태로

□ 연구개요
재구조된 실리콘 미사면(vicinal surface)을 형판(template)으로 이용하여 열적 증착과 자기조립(self-assembly) 방식으로 규칙적으로 배열된 1차원 및 2차원 나노구조를 제작하고, 그 원자 구조와 전자 구조를 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy: STM)과 방사광 광전자 분광법(synchrotron photoemission spectroscopy: PES)을 사용하여 규명하고자 한다. 이러한 자기조립 방법에서 가장 큰 문제는 미사면의 높은 에너지 상태로 인하여 증착원자에 의해 유도되는 패시팅과 같은 표면 변형인데, 본 연구에서는 실리콘 미사면 버금표면(subsurface)에 탄소 원자를 미리 혼입(incorporation)함으로써 표면 에너지는 낮추지만 표면 실리콘 원자의 반응성은 그대로 유지시켜 이 문제를 해결하려 한다. 그리고 증착 원자와 버금표면 탄소 원자 사이의 상호 작용 및 버금표면 탄소 원자가 유발하는 표면 응력(stress)에 의한 표면 구조의 변화를 규명하고자 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. C의 혼입에 의한 Si(001)-4° off 표면의 구조 변화
실리콘 미사면 중 Si(001)-4° off 표면을 재구조하면, 단일 구역의 (001) 테라스가 4 nm 간격의 겹층의 D_B 스텝들로 정렬해 있는 1차원 구조를 이룬다. 테라스의 이합체(dimer)들의 압축 응력은 재결합 원자가 있는 D_B 스텝에 의한 인장 응력과 균형을 맞춘다. 여기에 C₂H₂를 증착 후 가열하면 C 원자가 버금표면에 혼입되어 표면에 c(4×4) 구조를 유도한다는 사실을 STM과 PES로 밝혀내었다. C 혼입 후 D_B 스텝들은 단층 스텝들로 해체되는데, c(4×4) 구조 자체로 (001) 테라스의 응력이 풀려서, 재결합 원자가 있는 D_B 스텝을 필요로 하지 않기 때문이다.
2. 알칼리 토금속 흡착에 의한 버금표면 C의 안정화
C의 혼입으로 유도된 c(4×4) 구조 위에 Ca, Sr, Ba과 같은 알칼리 토금속을 증착하면, 알칼리 토금속이 없을 때보다 버금표면의 탄소 원자가 100-200 °C 높은 온도까지 유지된다는 사실을 STM과 PES로 밝혀내었다. 이것은 표면의 알칼리 토금속 원자와 버금표면의 C 원자가 상호작용하여 표면 에너지를 낮추기 때문으로 보인다.
3. C가 혼입된 표면 구조 위에 흡착된 Sn이 형성하는 c(4×4) 구조
C의 혼입으로 유도된 c(4×4) 구조 위에 Sn을 증착하면 표면 전체에 걸쳐 질서 있게 실리콘 이합체와 이합체 사이에 Sn 이합체가 자리하는 Sn-c(4×4) 구조가 형성됨을 STM과 PES로 밝혀내었다. 이것은 C가 혼입되지 않는 청결한 (001) 표면 위에서 Si 이합체를 Sn 이합체가 대체하여 만들어지는 Sn-c(8×4) 구조와 다르다. 이는 크기가 작은 버금표면의 C 원자가 표면에 강한 응력을 작용한 결과, Sn-c(4×4) 구조가 Sn-c(8×4) 구조보다 에너지 면에서 더 안정적이기 때문이다.

□ 연구개발결과의 중요성
방사광 PES를 이용하여 Si(001) 테라스 위에 c(4×4) 구조를 유도하는 C 원자의 위치를 표면 민감 및 덩치 민감 C 1s 스펙트럼을 얻어 비교한 결과, C 원자는 표면에서 네 번째 층인 버금표면에 있다고 결론내릴 수 있었다. 버금표면의 C 원자를 이용하여 Si(001) 위에 Si_1-x-yGe_xC_y 합금으로 이루어진 헤테로 구조를 만들어 고성능 소자를 만들 수 있다. 그리고 버금표면 C는 표면의 Ca, Sr, Ba과 같은 알칼리 토금 속에 안정화되어 헤테로 구조를 더 높은 온도까지도 이용할 수 있게 한다.
한편, 버금표면에 C 원자가 혼입되어 형성된 c(4×4) 위에 Sn을 증착하면, C이 혼입되지 않았을 때 형성되는 c(8×4) 구조와 다른 Sn-c(4×4)가 표면 전체에 고루 형성됨을 알 수 있었다. 버금표면 Si 자리를 훨씬 작은 C이 대체했을 때, 표면에는 커다란 응력이 작용하게 된다. 그 결과, 이러한 구조 변화가 생기게 된 것으로, 이 결과는 표면 응력과 표면 구조와의 상관 관계를 이해하는 데 통찰력을 주고 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 3
• (1) 제1차년도 (2016.11.01.~2017.10.31.): C의 혼입에 의한 Si(001)-4°off 표면의 구조 변화 ... 3
• (2) 제2차년도 (2017.11.01.~2018.8.31.): 알칼리 토금속 흡착에 의한 버금표면 C의 안정화 ... 5
• (3) 제3차년도 (2018.09.01.~2019.10.31.): C가 혼입된 c(4×4) 구조 위에 흡착된 Sn이 형성하는 구조 ... 6
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 9
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 10