나노 기술 (Nano Technology)

(1)

2007. 4. 10 (화) 이 길 선

NANOTECHNOLOGY

(2)

나노 기술 (Nano Technology)

“나노미터(1nm = 1x10

^-9

m : 10억분의 1미터) 크기의 물질을 조작하고 제어하는 기술”

m

사람 적혈구 DNA 원자 백두산

지구 핀 머리

nm

(1/십억) μm

(1/백만) mm

(1/천)

km

(천) 10

³

km

(백만) (1)

나노: 그리스어로 난쟁이를 의미함

(3)

나노기술의 응용

(4)

재미있는 나노 현상

크기에 따라 색깔이 바뀌는 나노입자

(5)

재미있는 나노 현상

합성조건에 따른 다양한 모양의 나노입자

(6)

춤추는 자성액체: 콜로이드 상태의 액체 자석

(지름 : 수십 nm, surfactant로 안정화, >$100/g)

(7)

(8)

주사형 터널 현미경(STM)

나노 크기를 어떻게 관찰하는가?

전자현미경

(9)

8x8 silicon nitride / Si(111)

여러가지 표면의 원자 배열

f u

5 nm

Si(111)-7x7

5 3x5 3

Sb/Si(111) -

Sb/Si(111)-2x1

3x 3

Sb/Si(111)-

Si(100)-2x1

(10)

도체 절연체 도체

전자의 터널링

(11)

분자 주판

C₆₀ on stepped Cu surface

단분자의 합성

Fe(CO)₂

(12)

작은 것으로부터 나노크기로 (Bottom-up 방식)

(13)

• Surface state electrons on Cu(111) were confined to closed structures (corrals) defined by barriers built from Fe datoms.

• A circular corral of radius 71.3 Angstrom was constructed in this way out of 48 Fe adatoms.

Example: Quantum Corral

D. Eigler, IBM

(1) STM manipulation (2) Visualization

of the spatial distribution of certain quantum states of the

corral

(14)

Atomic Manipulation by STM

Circular corral radius= 71.3 A 48 Fe atoms

M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Science 262, 218-220 (1993).

Quantum-mechanical

interference patterns

Iron on Copper (111):

(15)

전자의 파동성 : STM 이미지

48 Fe atoms on Cu(111)

(16)

Iron/Cu(111) CO/Pt(111)

Xenon/Ni(110)

STM Manipulation of Atoms and Molecules

(17)

Feedback and x,y,z Scan

Control

~

x,y,z Piezo Drum Scanner

Piezo Photodiode Laser

Image

Topography, LFM, etc.

Atomic Force Microscope (AFM) and Lateral Force Microscope (LFM)

< Microscope image >

×500

< FE-SEM image >

×20000

(18)

단분자의 정렬 모양 : AFM 이미지

(19)

5.0 Å

Molecular Images of Au (111) and ODT on Au/mica

Topography FFT filtered image

2 5 Å 2 5 Å

4 0 Å 4 0 Å

Au (111)

ODT on Au/mica

Spacing

2.9 Å

Au (111)

(20)

□ Top-down 방식

▶ 나노미터 수준의 가공을 통해 나노미터크기의 구조체를 인공적 으로 형성하는 기술 (거시적 → 미시적, 일반적인 반도체 공정)

□ Bottom-up 방식

물질의 최소 단위인 원자나 분자를 자유자재로 조작하여 원하는 기능, 구조체를 형성하는 기술(미시적 → 거시적, 예를 들면 레고처럼 각 조각을 조립하여 전체를 만드는 경우)

나노기술의 기술적 접근

(21)

나노기술역사

f u

5 nm

Si(111)-7x7

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Carbon Nanotube (CNT)

(23)

1. Introduction to Carbon Nanotube

◆ Various Structure of Carbon

(24)

(25)

1991년 Iijima 박사가 탄소나노튜브를 발견

탄소로 이루어진 탄소동소체

육각형 벌집무늬로 결합

하나의 탄소원자는 3개의 다른 원자와 sp2 결합

나노크기의 흑연면이 실린더 구조로 둥글게 말린 튜브형태

튜브의 직경이 나노미터 수준

크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질 을 가지는 거대분자

테라비트급 “분자 전자소자”의 실현을 가능케 하고 기존의 반도체 물질을 대체 할 수 있는 꿈의 신소재로 각광

Thin Film Laboratory – Carbon Nanotubes Hanyang University

CNTs 란?

CNTs CNTs 란란??

(26)

◆ Various Types of Nanotubes

Chiral vector= na

₁

+ ma

₂

n ≥ m

(27)

(n, 0)

(n, n)

(n, m)

electric property : metallic (n - m = 3k)

semiconducting (n - m ≠ 3k)

(28)

CNTs의 종류 CNTs의 CNTs 의 종류 종류

Thin Film Laboratory Hanyang University

연결방법- Armchair, Zigzag, Chiral structure

Wall의 수- Multi wall , Single wall

Tube End의 형태 – open structure, close structure

다발형태(SWCNTs)

Bamboo structure(MWCNTs)

Herringbone structure(MWCNTs)

MWCNTs

Zigzag Armchal

Chiral

Rope type Bamboo type Herringbone type

(29)

◆

Brief History of nanotube

1985 Kroto & Smalley (Rice Univ.) C₆₀ (fullerene) 1991 Iijima (NEC)

TEM image analysis of carbon clusters formed by arc discharge method: MWCNT (length=수십 nm - 수 m, d=2.5 - 30 nm)

1992 Ebbesen & Ajayan

Arc-discharge method, higher CNT yield with increase in He pressure

1993 Bethune & Iijima

Arc-discharge method, SWCNT (d= 1 nm) 1996 Smalley

Laser vaporization, uniform sized SWNT in high yield, rope CNTs 1998 Ren

Plasma enhanced CVD, vertically aligned high purity CNTs on glass

(30)

2. Application of carbon Nanotube

VFD: vacuum fluorescent display LCD: liquid crystal display CRT: cathod ray tube

FED: field emission display SET: single electron transistor

(31)

극미세 전자 스위칭 소자

-직경 및 chirality 에 따라 metallic or semiconducting 특성 조절 가능 -직경 수-수십 nm의 튜브 성장 가능

-현재의 실리콘 소자를 대체하여 Tera급 메모리 소자 제작 가능

네덜란드의 Dekker그룹

(32)

Application: Nanotube Transistor

S.J. Tans, A.R.M. Verschueren, and C. Dekker, Nature, 393, 49-52 (1998)

(33)

Logic Circuits with Carbon Nanotube Transistors

C. Dekker’s group

C. M. Lieber’s group

(34)

인텔의 창업자 고든 무어 박사는 80년대 초

“반도체 소자(트랜지스터)의 크기는 18개월 마다 절반으로 축소된다”고 주장.

같은 크기의 반도체 칩에 2배 많은 수의 트 랜지스터를 집어 넣을 수 있게 된다는 의미.

(35)

Lithography

Photolithography E-beam lithography

Microcontact Printing (uCP) Imprinting

Dip Pen Lithography (DPN)

(36)

Image Display Using Immobilized Vesicles

Immobilized diacetylene liposome

glass substrate

mask

+ polymerization

on exposed areas

blue-to-red color transition Heating at 100 ^oC

254 nm UV exposure

Observe pattern with a fluorescence microscope

Mask Pattern

Patterned Polydiacetylene Image

(37)

iQUIPS Korea Univ.

Nano-meter spacing electrode fabrication

SiO₂/ Si wafer

SiO₂thickness: 200 nm

Resist coating PMMA 950K C2 Thickness: 80 nm

e-beam lithography

& develop PMMA

Metallization

5 nm Ti/10 nm Au thermal evaporation

& lift off Nano pattern

Channel width: 20 nm

(38)

development metallization lift-off

PMMA spin coating (thickness: ~100 nm )

development metallization lift-off

PR spin coating (thickness: ~1 μm )

wafer PR mask PMMA

exposed area metal

E-beam Lithography Photo Lithography

• resist: photo sensitive polymer

• light source: UV or ArF laser

• critical size: ~100 nm

UV or laser exposure writing with mask

e-beam exposure direct writing

Photo & E-beam Lithography Process

• resist: PMMA

• light source: e-beam

• critical size: <10 nm

PMMA (polymethylmethacrylate)

(39)

Nano Pattern Fabrication Process

(Dr. Hwang, iQUIPS, Seoul University) E-beam lithography for nano pattern fabrication

Photo lithography for pad pattern fabrication

(40)

SEM Images of Typical Nano-Electrode

(Dr. Hwang, iQUIPS, Seoul University)

(41)

7 5 0 n m 1 0 0 0 n m

FE-SEM and AFM Images of Nanoelectrode

(42)

iQUIPS Korea Univ.

E-beam patterning examples

Develop pattern Line width/spacing 1. 200 nm/300 nm 2. 100 nm/400 nm 3. 50 nm/450 nm 4. 100 nm/100 nm 5. 50 nm/50 nm

1

2

3 4

5 Develop pattern

Line width/spacing 20 nm/180 nm

Liftoff pattern Line width/spacing 50 nm/50 nm

Liftoff pattern 6 um diameter 150 nm line width

(43)

세상에서 가장 작은 기타: 전자빔 식각 방

법

(44)

(45)

(46)

▲ LFM images of a gold surface patterned with SAMs terminated in different head groups.

▲ SEM images of test patterns on layers of silver (A, B, C: 50 nm thick; D: 200 nm thick) that were fabricated by mCP with HDT

Angew. Chem. Int. Ed, 37, 550-575 (1998)

Self-assembled monolayer (SAM) and μCP

(47)

Whitesides et al., Nature, 398, 495 (1999)

 Crystal growth

Self-assembled monolayer (SAM) and μCP

(48)

(49)

Dip-pen nanolithography의 개념

□ Mirkin박사는 AFM측정에서 극복해야 할 단점인 대기 중의 물분자의 기판으로의 이동을 이용하여 코팅하고자 하는 물질을 물과 함께 이동가능성을 생각

AFM tip을 이용한 물질전달 개념도

□ 만년필과 DPN의 비교

Ink Molecules

Paper Solid substrate

Nib (end part of pen) AFM tip

Fountain pen DPN

Fountain pen

(50)

Nanofabrication: Dip Pen Nanolithography

S. Hong and C.A. Mirkin, Northwestern Univ.

(51)

(52)

(53)

(54)

21세기는 나노의 시대

수학, 화학, 물리, 생물, 공학의 융합 기술