일 차원-나노 물질은 양자 크기 효과를 증명하 는데 있어서 원형을 제공할 뿐만 아니라 미래 나 노 기술에서 큰 역할을 할 것이라 기대되고 있다.
실리콘 나노 와이어(SiNWs)는 특히 주목을 끄는 데 이는 반도체 산업에서 실리콘이 중심적인 역할 을 하기 때문이다.
SiNWs 제조에는 많은 다양한 방법이 있다. 예 를 들면, 레이저에블레이션법, 산화물이용법, 그리 고 용액법 등이 있다. 서로 다른 배향성과 지름을 가진 실리콘 나노 와이어의 대부분은 최소 1~
3nm 정도의 두께를 가진 산화막층으로 덮여있다.
실리콘 웨이퍼 기술에서의 중요한 쟁점은 자연 산 화막층의 제거와 안정하고 결함이 적은 페시브 (passivated) Si 표면을 형성하는데 있다. 이는 작 은 지름을 가지는 SiNWs에서도 마찬가지이다.
최근 홍콩대학의 연구자들에 의해 발표된 논문 에 따르면 산화막층이 제거되고 표면이 수소로 덮 인 지름 1.3~7nm의 크기를 가진 SiNWs가 제조
되었다. 또한 원자 수준의 STM(scanning tunneling microscope), STS(scanning tunneling spectroscopy)를 통해 SiNWs의 구조와 전기적 특성이 발표되었다.
SiNWs는 산화물이용법에 의해 합성되었다. 알 루미나 튜브 안에서 100sccm 정도의 Ar과 H2혼 합 기체(Ar:H2= 96:4)를 흘려주면서 SiO 분말 을 1,200℃까지 가열한다. 이 때의 압력은 200torr 정도이다. 실리콘 나노 와이어는 900℃ 정도의 온 도를 가지는 하부의 튜브내부 벽에서 생성된다.
이렇게 해서 얻어진 SiNWs는 지름이 수~수십 nm 정도의 범위를 가지며, 주로 단결정 실리콘 와이어와 지름의 약 1/3두께의 산화막층으로 이 루어진다.
HF용액을 이용하여 자연 산화막층을 제거하고 highly ordered pyrolytic graphite(HOPG) 기판 에 SiNWs를 분산시킨다. 실리콘 웨이퍼에서 HF 용액을 이용하여 자연 산화막층을 제거하면 실리 콘 표면에는 수소로 덮이기 때문에 HF 처리된 SiNWs에서도 수소로 덮여 있을 것이라 생각할 수
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 3, 2003…361 그림 1. Si(111) facet에 대한 SiNWs의 STM 이미지와 계략도. (A)HOPG 기판 위에서의 SiNWs의 STM 이미지. 와 이어의 성장축은 [112]방향이다. (B)[111]방향에 따라 보이는 Si(111)위에서의 SiH3의 계략도. 육각모양으로 배열된 점들은 Si 원자를 나타내고, 3중 회전대칭으로 배열된 점들은 H 원자를 나타낸다.
[101- ] [011-
[112] 30。 ]
3.8Å 2.1Å
2.4Å
[1- 10]
있다. 이것은 FT-IR을 이용해서 알아볼 수 있다.
STM과 STS 측정은 1ⅹ10-10torr의 UHV STM 장치에서 이루어진다. 원 자 수준의 이미지는 대기 중에서 작동 되는 STM에서 독립적으로 수행된다.
STS 측정은 원자 수준의 SiNWs에서 이루어진다.
서로 다른 지름을 가지는 2가지 나노 와이어에 대한 원자 수준의 STM 이미 지는 [그림 1(A), 2(A)]에서 볼 수 있 다. SiNWs를 대기 중에 오랫동안 노출 시켜도 이미지의 특성에는 영향을 주지 않는다. 이것은 산화막이 제거된 H- terminated SiNW구조는 대기 중에서 산화에 상대적으로 저항성이 있다는 것 을 뜻한다. STS I-V측정은 UHV환경 에서만 이루어진다.
[그림 1(A)]은 표면 산화막이 제거 된 SiNWs의 고해상도 STM 이미지를 나타낸 것이다. [그림 1(B)]에서 큰 점 (Si 원자)에 연결된 원자 모양의 점(H 원자) 배열은 3중 회전 대칭(threefold symmetry)을 보여준다. 명확하게 하 기 위해, 점 배열은 평행사변형 점선으 로 눈에 띄게 했다. 원자 모양의 점 사 이에서 가장 가까운 거리(예를 들어,
평행사변형의 길이)는 0.23nm이다. 이 거리는 Si(111)면에서 Si 원자 사이의 거리인 0.38nm보 다도 상당히 작은 값이다. 또한, 0.23nm의 거리는 HF처리를 하여 만든 1×1 SiH3 표면을 가진 Si(111) 웨이퍼에서 관찰된 것과 일치한다. 같은 SiH3에서 수소 원자 사이의 거리는 0.24nm이고 Si-H 결합 길이는 0.15nm이다. 반면, 이웃한 Si 원자에서 H-H 사이의 거리는 0.21nm이다. 이러
한 값들은 STM 이미지[그림 1(A)]에서 얻은 것 과 잘 일치하며 그림에서 나노 와이어의 성장축은 [112]방향이다.
산화막이 제거된 H-terminated SiNWs(원자 수준의 STM 이미지에 의해 구체화된)로 STS 측정을 하였다. [그림 2(A)]에서는 1.3~7nm의 지름을 가지는 SiNWs를 가지고 UHV STS측정 을 하여 얻어진 I-V곡선을 보인 것이다.
362…NICE, 제21권 제3호, 2003
신·기·술·소·개
그림 2. SiNWs 표면의 전기적 성질. (A) 6개의 나노 와이어를 각각 STS 측정하여 얻어진 I-V 곡선. 1번부터 6번까지의 나노 와이어의 지름은 각각 7, 5, 3, 2.5, 2, 1.3nm이며 삽입된 그림은 6번 나노 와 이어의 STM 이미지이다. (B)정규화된 터널링 컨덕턴스, (dI/dV)/
(I/V). (C)1번부터 6번까지의 나노 와이어에 해당하는 각각의 SiNWs 지름과 실험적으로 얻어진 밴드갭 에너지와의 상관관계.
[그림 2(B)]에서는 (dI/dV)/(I/V)곡선(정규 화된 터널링 컨덕턴스)을 나타내고 있다. 이것은 [그림 2(A)]의 I-V곡선을 바탕으로 하여 얻어진 자료이다. [그림 2(B)]에서 0바이어스 전압 근처 에서 대칭적으로 위치하지 않는다. 이것은 나노 와이어가 성장하는 동안 HOPG기판으로부터 전 하 이동에 의한 도핑 때문이다. [그림 2(B)]에서 0바이어스 전압 근처에서 나타나는 명백한 피크 분리는 밴드갭 결정을 가능하게 하며, [그림 2(C)]에서처럼 나노 와이어의 지름에 따라 밴드 갭을 플롯할 수 있게 된다. 7nm에서의 밴드갭(나 노 와이어 1번)은 1.1eV로서 Si의 벌크 상태의 값 과 유사하다. 나노 와이어의 지름이 1.3nm까지 작 아짐에 따라 밴드갭은 점점 증가하다가 3.5eV의 큰 값을 가지면서 급격히 증가한다. 나노 와이어 의 지름이 작아짐으로 해서 밴드갭이 증가하는 것 은 양자 크기 효과를 나타내는 명백한 증거이다.
요약하면, 본 기사에서 소개되는 연구는 1nm에 가까운 지름을 가지는 SiNWs를 성장하고 표면처 리에 의해 자연산화막을 갖지 않는 나노 와이어 합성을 가능케 하는 기술을 제시한다. 산화막이 제거되고 H 원자로 덮인 SiNWs는 안정하고, faceted Si 표면을 가지며 원자 수준의 STM 이 미지와 STS 측정을 가능하게 한다. STS 측정으 로 나노 와이어의 지름이 작아 짐에 따라 밴드갭 이 커지는 양자 크기 효과를 증명하였다. 또한, 대 기 중에 긴 시간 동안 노출시킨 후 산화막이 제거 되고 H 원자로 덮인 SiNWs의 STM 이미지로 얻 은 결과는 유사하게 처리한 실리콘 웨이퍼 표면보 다 실질적으로 훨씬 더 안정하다는 것이다.
H 원자로 덮인 SiNWs의 안정성과 원자 수준 으로 이루어진 STM과 STS 측정 방법은 개개의 실리콘 나노 와이어의 구조적, 화학적, 광학적 그 리고 전자적인 특성을 연구할 수 있는 기반을 열 었다[Science, vol. 299, p.1874(2003)].
ITQ 13: 9 ring 10 ring
골격구조에 따라 일정한 크기와 모양의 세공을 그 내부에 포함하고 있기 때문에 0.1Å 이하의 정 확도로 분자를 인지할 수 있는 전형적인 나노구조 체(nano-structured materials)인 제올라이트는 석유화학, 정밀화학 등의 분야에서 이온 교환제, 분리제 또는 촉매 등의 용도로 널리 사용되고 있 으며 특히 최근에는 나노미터 크기의 반도체, 비 선형 광학물질, 센서 등과 같이 뉴밀레니엄 시대 를 주도할 다양한 복합재료들의 합성에 중요한 도 구로 활발히 적용되고 있다. ZSM-5는 미국의 Mobil에 의해 1960년대 후반 그 합성이 처음 보고 된 중간 크기의 세공(10-ring: 5.1×5.5Å 또는 5.3
×5.6Å)을 갖고 있는 제올라이트로, 메탄올의 가 솔린 전환 반응, FCC공정과 같이 공업적으로 매 우 중요한 탄화수소 전환 공정들의 핵심 촉매로 사용되고 있다. 한편 ZSM-5의 구조에 따른 그 반 응 특성을 살펴보면, ZSM-5보다 약간 작은 크기
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신·기·술·소·개
그림 1. ITQ-13 제올라이트의 세공 구조.
