Au-Si을 촉매로 급속화학기상증착법으로 성장한 Si 나노선의 구조 및 광학적 특성 연구

곽동욱,이연환,Kwak, D.W.,Lee, Y.H. 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.4

나노크기의 Au-Si을 촉매로 급속화학기상증착법을 이용하여 Si(111) 기판에 성장한 Si 나노선의 구조적인 형태 변화과정과 광학적 특성을 연구하였다. 액상 입자인 Au 나노 점은 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid mechanism) 성장법에 의한 Si 나노선 형성 과정에서 촉매로 사용되었다 이 액체 상태인 나노점에 1.0Torr 압력과 $500-600^{\circ}C$ 온도 하에서 $SiH_4$와 $H_2$의 혼합가스를 공급하여 Si 나노선을 형성하였다. <111> 방향으로 형성한 Si 나노선의 형태를 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 관찰하였다. 특히, 대부분의 나노선이 균일한 크기를 가지고 있으며, Si(111) 기판 표면에서 수직하게 정렬된 것을 확인하였다. 형성된 나노선의 크기를 분석한 결과, 직경과 길이가 각각 60nm와 5um의 분포를 가지는 것을 확인 하였다. 고 분해능 투과전자현미경(High Resolution-Transmission Electron Microscope)을 통해 약 3nm의 다결정 산화층으로 둘러 싸여 있는 Si 나노선이 단결정으로 형성된 것을 관찰하였다. 그리고 마이크로 라만 분광(Micro-Raman Scattering) 실험으로 Si 나노선의 광학적 특성을 분석하였다. 라만 측정결과 Si의 광학 포논(Optical Phonon) 신호가 Si 나노선의 영향으로 에너지가 작은 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가하는 것을 확인 하였다. We have demonstrated structural evolution and optical properties of the Si-NWs on Si (111) substrates with synthesized nanoscale Au-Si islands by rapid thermal chemical vapor deposition(RTCVD). Au nano-islands (10-50nm in diameter) were employed as a liquid-droplet catalysis to grow Si-NWs via vapor-liquid-solid mechanism. Si-NWs were grown by a mixture gas of $SiH_4\;and\;H_2$ at pressures of $0.1{\sim}1.0$Torr and temperatures of $450{\sim}650^{\circ}C$. SEM measurements showed the formation of Si-NWs well-aligned vertically for Si (111) surfaces. The resulting NWs are 30-100nm in diameter and $0.4{\sim}12um$ in length depending on growth conditions. HR-TEM measurements indicated that Si-NWs are single crystals convered with about 3nm thick layers of amorphous oxide. In addition, optical properties of NWs were investigated by micro-Raman spectroscopy. The downshift and asymmetric broadening of the Si optical phonon peak with a shoulder at $480cm^{-1}$ were observed in Raman spectra of Si-NWs.

Au-Si 나노점을 촉매로 성장한 Si 나노선의 구조 및 광학적 특성 연구

이연환,곽동욱,양우철,Lee, Y.H.,Kwak, D.W.,Yang, W.C.,Cho, H.Y. 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

나노크기의 Au-Si을 촉매로 급속열화학기상증착(rapid thermal chemical vapor deposition)법을 이용하여 Si(111) 기판에 성장한 Si 나노선의 구조적인 형태 변화와 광학적 특성을 연구하였다. 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid) 성장법에 의한 Si 나노선 형성 과정에서 액상 입자인 Au-Si 나노점은 나노선 성장온도에서 촉매로 사용되었다. 이 액상 나노점이 형성된 Si 기판에 1.0Torr 압력과 $500-600^{\circ}C$ 기판 온도 하에서 $SiH_4$와 $H_2$의 혼합가스를 공급하여 Si 나노선을 형성하였다. Si 나노선 성장 후 형태를 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 결과, 대부분의 나노선이 균일한 크기로 기판 표면에 수직하게 <111> 방향으로 정렬된 것을 확인하였다. 형성된 나노선의 크기는 평균 직경이 ${\sim}60nm$이고 평균 길이가 ${\sim}5um$임을 확인하였다. 또한 고 분해능 투과전자현미경(High Resolution-Transmission Electron Microscope) 관찰을 통해 Si 나노선은 약 3nm의 비정질 산화층으로 둘러 싸여 있는 Si 단결정임이 분석되었다. 그리고 마이크로 라만 분광(Micro-Raman Scattering)법을 통한 광학적 특성 분석 결과, Si의 광학 포논(Optical Phonon) 신호 위치가 Si 나노선 구조의 영향으로 낮은 에너지 쪽으로 이동하며, Si 포논 신호의 폭이 비대칭적으로 증가함을 확인하였다. we have demonstrated structural evolution and optical properties of Si-nanowires (NWs) synthesized on Si (111) substrates with nanoscale Au-Si islands by rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD). The Au-Si nano-islands (10-50nm in diameter) were employed as a liquid-droplet catalysis to grow Si-NWs via vapor-liquid-solid mechanism. The Si-NWs were grown by a mixture gas of SiH4 and H2 at a pressure of 1.0 Torr and temperatures of $500{\sim}600^{\circ}C$. Scanning electron microscopy measurements showed that the Si-NWs are uniformly sized and vertically well-aligned along <111> direction on Si (111) surfaces. The resulting NWs are ${\sim}60nm$ in average diameter and ${\sim}5um$ in average length. High resolution transmission microscopy measurements indicated that the NWs are single crystals covered with amorphous SiOx layers of ${\sim}3nm$ thickness. In addition, the optical properties of the NWs were investigated by micro-Raman spectroscopy. The downshift and asymmetric broadening of the Si main optical phonon peak were observed in Raman spectra of Si-NWs, which indicates a minute stress effects on Raman spectra due to a slight lattice distortion led by lattice expansion of Si-NW structures.

수평으로 성장된 주석 도핑된 인듐 산화물 나노선

정진주,김도형 한국물리학회 2020 New Physics: Sae Mulli Vol.70 No.2

Controlling the growth of nanowires and assembling them on planar substrates is of enormous importance for nanoscale device applications using the bottom-up approach. The tin-doped indiumoxide (ITO) nanowires were grown via direct thermal-chemical vapor deposition without the use of a pre-deposited catalyst. Growth was initiated by the formation of a Sn droplet that acted as a catalyst for ITO nanowire growth. With increasing growth time, the ITO nanowires grew horizontally in the early stages and then showed a horizontal-to-vertical growth mode transition. By reducing the rate of growth, we were able to obtain horizontally grown ITO nanowires without vertically grown ones. This is due to the horizontal growth period being increased by extending the transition time to vertical growth by reducing the growth rate. These results not only give important implications for the horizontal growth of other nanowires, but also point to potential applications in nanowire devices. 나노선의 성장 조절과 평면 기판에 나노선을 조립하는 것은 상향식 (bottom-up) 접근법을 사용하는 나노소자 응용분야들에 있어 매우 중요하다. 주석 도핑된 인듐 산화물(ITO) 나노선은 사전에 촉매 증착 없이, 직접 열 화학 기상 증착법을 통해 성장되었다. 초기 단계에서 나노선의 성장은 기판에 촉매 역할을 하는Sn 방울을 형성하는 것으로 시작된다. 성장 시간이 지남에 따라, 수평 성장모드에서 수직 성장 모드로 전환을보였다. 성장률 및 성장 시간을 감소시킴으로써, 수직 성장된 나노선 없이 수평 성장된 ITO 나노선만을얻을 수 있었다. 이는 나노선 성장률의 감소에 따라 수직 성장으로 전환되는 시간을 연장시킴으로써 수평성장 시간의 조절성을 향상 시켰기 때문이다. 본 연구결과는 다른 나노선들의 수평 성장에 중요한 의미를부여할 뿐만 아니라 나노선을 이용한 소자에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

메니스커스 드래깅 증착법을 이용한 산화아연 나노선의 수평 정렬 연구

강동헌,신동명,김형국,황윤회 한국물리학회 2017 새물리 Vol.67 No.1

We fabricated laterally-aligned ZnO nanowires by using the meniscus dragging deposition (MDD) technique under various deposition conditions. The ZnO nanowire alignment exhibits a linear response with increasing number of deposition cycles, indicating that the deposited ZnO nanowires were tightly fixed on the substrate and showing that the degree of alignment was constant at $\sim$65%. Also, we could regulate the density and the degree of alignment by controlling the deposition angle, temperature and speed. The MDD technique for fabricating laterally-aligned ZnO nanowires can be useful for synthesizing functional materials in numerous electronic and optoelectronic devices, including field-effect transistors, nanogenerators and ultraviolet sensors. 본 연구에서는 메니스커스 드래깅 증착법 (meniscus dragging deposition, MDD)을 이용해 다양한 분위기에서 산화아연 나노선을 수평 방향으로 정렬하였다. 산화아연 나노선의 수평 정렬정도는 증착 횟수에 선형적으로 비례하였다. 기판 위에 한번 증착된 나노선은 새로운 드래깅 증착에 큰 영향을 받지 않으며, 새로운 나노선 증착 시에는 항상 일정한 비율 ($\sim$65%)로 정렬된 특성을 보여주었다. 또한, 증착 각도, 증착 온도 및 증착 속도 등을 조절하여 산화아연 나노선의 정렬 정도 및 정렬 밀도를 조절할 수 있었다. 본 연구에서 산화아연 나노선의 수평 정렬을 위해 사용한 메니스커스 드래깅 증착법은 전계효과 트랜지스터, 나노발전기 및 자외선 센서 등의 다양한 대면적 전자기기와 광전자기기의 제작에 쉽게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

수소 플라즈마 처리된 산화 아연 나노선의 자외선 발광 특성향상

강우승,박성훈,Kang, Wooseung,Park, Sunghoon 한국진공학회 2013 Applied Science and Convergence Technology Vol.22 No.6

ZnO nanowires were synthesized by vapor-liquid-solid (VLS) process using ZnO and graphite powders on the sapphire substrate coated with an Au film as a catalyst. ZnO nanowires had two prominent emission bands; i) near-band edge (NBE) emission band at 380 nm, and ii) a relatively stronger deep level (DL) emission band ($I_{NBE}/I_{DL}$ <1). In order for the ZnO nanowires to be utilized as an effective material for UV emitting devices, the photoluminescence intensity of NBE needs to be improved with the decreased intensity of DL. In the current study, hydrogen plasma treatment was performed to improve the photoluminescence characteristics of ZnO nanowires. With the hydrogen plasma treatment time of more than 120 sec, the extent of performance improvement was gradually decreased. However, the intensity ratio of NBE to DL ($I_{NBE}/I_{DL}$) was significantly improved to about 4 with a relatively short plasma treatment time of 90 sec, suggesting hydrogen plasma treatment is a promising approach to improve the photoluminescence properties of ZnO nanowires. Au 촉매를 코팅한 사파이어 기판 상에서 산화아연과 흑연 분말을 혼합한 분말재료를 이용하여 VLS (vapor-liquid-solid) 법으로 산화아연 반도체 나노선을 합성하였다. 제조된 산화아연 나노선은 380 nm에서 근 자외선 영역의 NBE (near-band edge) 발광과 600 nm 부근의 가시광선 영역에서 넓게 퍼져 발광하는 상대적으로 강한 DL (deep level) 발광이 확인되었다($I_{NBE}/I_{DL}$ <1). 산화아연 나노선을 효율적인 단일 파장 자외선 발광체에 적용될 수 있도록 NBE 발광을 극대화함과 동시에 DL 발광을 억제시키기 위하여 본 실험에서는 합성된 산화아연 나노선에 수소 플라즈마 처리를 하였다. 플라즈마 처리시간이 길어짐에 따라(120초 이상) 발광특성의 향상정도는 점차로 감소하였지만, 수소 플라즈마 처리를 통해 나노선 내부에 존재하는 불순물 제어 등으로 다소 짧은 시간의 플라즈마 처리로(90초 이내) DL발광대비 NBE발광의 세기가 약 4배로 향상됨을 확인 하였다($I_{NBE}/I_{DL}$ ~4).

단결정 산화아연 나노선의 기초 물성 연구

라현욱,리즈완 칸,김진태,여찬혁,임연호,Ra, H.W.,Khan, R.,Kim, J.T.,Yeo, C.H.,Im, Y.H. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.4

본 연구에서는 열증착법을 이용하여 합성된 단결정의 산화아연 나노선들을 이용하여 전계효과트랜지스터를 제작하여 광학, 표면반응 및 전기화학적인 거동들에 대한 기초 연구들을 수행하였다. 100 nm의 지름과 길이 5 um 길이를 갖는 단결정 산화아연나노선의 전자 농도와 이동도는 각각 $1.30{\times}10^{18}cm^{-3}$과 $15.6cm^2V^{-1}s^{-1}$이었으며, 자외선을 나노선에 조사한 경우 약 400배 정도 전류가 증가하였다. 또한 나노선들은 여러 농도의 수소와 일산화탄소에 대해 잘 알려진 표면반응으로 기인한 기체 감지 특성을 보였고, 0.1 M NaCl 전해질 내에서 전형적인 산화아연의 나노선의 전기적 특성을 유지함을 확인하였다. We fabricated the field effect transistor using single crystalline ZnO nanowires synthesized by a conventional thermal evaporation method and investigated their basic properties under the various conditions such as ultraviolet irradiation, reducing gas and electrolyte. The typical carrier concentration and mobility of the single crystalline ZnO nanowire with a diameter of 100 nm and length of 5 um were $1.30{\times}10^{18}cm^{-3}$ and $15.6cm^2V^{-1}s^{-1}$, respectively. The current of ZnO nanowire under ultraviolet irradiation significantly increased about 400 times higher as compared to in the darkness. In addition, the ZnO nanowire showed typical sensing characteristics for $H_2$ and CO due to well-known surface reactions and typical current-voltage characteristics under the 0.1 M NaCl electrolyte.

수치해석적으로 분석한 오각형 나노선과 원형 나노선을 사용한 나노갭 구조의 근거리장 특성

DEVARAJ VASANTHAN,이종민,김춘태,김원근,오진우 한국물리학회 2019 새물리 Vol.69 No.1

When a nanogap was formed by using a metal nanowire, the dependences of the electric field characteristics on the shape of the nanowire were calculated by using a 3-dimensional finite-difference time-domain method. The nanogaps formed by using pentagon-shaped nanowires had electric field enhancement characteristics similar to those of the nanogaps formed by using circular nanowires, but the stability of the resonance wavelength was superior. The excellent resonance wavelength stability means that the resonance wavelength does not vary greatly with the difference in the nanogap spacing. This method is advantageous for fabricating a device with stable resonance characteristic in-spite of geometrical errors and can be commercialized at low fabrication cost. Surface plasmon-mode information, which can be indirectly identified in the electric field's shape, is discussed to explain the cause of such stability. 금속 나노선으로 나노갭을 형성하였을 때 나노선의 형태에 따른 전기장 특성을 3차원 유한 차분 시간 영역 방법으로 계산하고 그 결과를 분석하였다. 오각형 나노선으로 형성한 나노갭의 경우 원형 나노선으로 형성한 나노갭에 비해 전기장 증강 특성은 유사하지만 공명 파장의 안정성은 더 우수한 특성을 보임을 발견하였다. 공명 파장 안정성이 우수하다는 것은 나노갭 간격 차이에 따라 공명 파장이 크게 변하지 않음을 말한다. 저비용 공정 방법으로 나노갭을 형성하면 수 nm 정도 분포가 항상 발생하지만 공명 파장 안정성이 우수하기 때문에 상용화 가능한 소자를 개발할 때 도움이 된다. 전기장 모양도에서 간접적으로 확인할 수 있는 표면 플라즈몬 모드 정보를 통해 이런 안정성이 나타나는 원인을 논의하였다.

금속의 구조가 Metal-assisted etching을 이용한 실리콘 나노선 제작에 미치는 영향

김정길 한국물리학회 2021 새물리 Vol.71 No.12

Metal-assisted etching (MaE) is one of the most promising etching methods to fabricate silicon nanowires (Si NWs). Here, the effect of noble-metal structure on Si NW fabrication using MaE is investigated. First, two kinds of patterning method are used to fabricate hole arrays in the Au mesh as a catalyst. One is the preparation of the Au mesh by using an anodic aluminum oxide (AAO) disk, and the other is based on the patterning of polystyrene (PS) beads. The Au mesh prepared by using AAO has hole arrays with a smooth edge structure while the other Au mesh patterned by using PS beads shows a rough edge structure of hole arrays. Si NWs are fabricated by using MaE with each different Au mesh. As a result, Si NWs fabricated by using MaE based the AAO disk as a catalyst were found to show a smooth surface that corresponds to the hole structure of the Au mesh. On the other hand, the surface of Si NWs fabricated by using MaE based on PS beads is quite rough with vertically striped structures. 실리콘 나노선을 제작하기 위해 가장 많이 사용하는 방법 중 하나인 metal-assisted etching에서 촉매로작용하는 귀금속의 구조가 제작된 나노선의 표면 구조에 미치는 영향을 알아봤다. 먼저 실리콘 기판을나노선 모양으로 식각하기 위하여 구멍 어레이 구조를 포함한 금 박막을 두가지 방법으로 제작하였다. 두가지 제작법으로는 크게 양극 산화 알루미늄 (Anodic aluminum oxide, AAO) 을 패터닝 기판으로사용하는 방법과, 폴리스티렌 (Polystyrene, PS) 를 이용한 패터닝 방법을 택했다. AAO를 이용하여제작한 금 촉매의 구멍은 모양이 원형에 가까우며 경계면의 거칠기가 매우 낮았다. 반면, PS를 이용하여제작한 금 촉매의 구멍은 경계면에 거칠기가 존재하였다. 각각의 방법으로 준비한 금 박막을 촉매로사용하여 metal-assisted etching으로 제작한 나노선을 제작하였다. AAO를 기반으로 하는 실리콘나노선의 표면은 매우 매끈한 구조를 보였으며 표면 거칠기가 거의 존재하지 않음을 확인할 수 있었다. 반면 PS를 기반으로 하는 실리콘 나노선의 표면은 수직 줄무늬와 함께 상대적으로 높은 거칠기를 보였다.

열 화학기상증착법을 이용한 탄화규소 나노선의 합성 및 특성연구

정민욱,김민국,송우석,정대성,최원철,박종윤,Jung, M.W.,Kim, M.K.,Song, W.,Jung, D.S.,Choi, W.C.,Park, C.J. 한국진공학회 2010 Applied Science and Convergence Technology Vol.19 No.4

One-dimensional cubic phase silicon carbide nanowires (${\beta}$-SiC NWs) were efficiently synthesized by thermal chemical vapor deposition (TCVD) with mixtures containing Si powders and nickel chloride hexahydrate $(NiCl_2{\cdot}6H_2O)$ in an alumina boat with a carbon source of methane $(CH_4)$ gas. SEM images are shown that the growth temperature (T) of $1,300^{\circ}C$ is not enough to synthesize the SiC NWs owing to insufficient thermal energy for melting down a Si powder and decomposing the methane gas. However, the SiC NWs could be synthesized at T>$1,300^{\circ}C$ and the most efficient temperature for growth of SiC NWs is T=$1,400^{\circ}C$. The synthesized SiC NWs have the diameter with an average range between 50~150 nm. Raman spectra clearly revealed that the synthesized SiC NWs are forming of a cubic phase (${\beta}$-SiC). Two distinct peaks at 795 and $970 cm^{-1}$ in Raman spectra of the synthesized SiC NWs at T=$1,400^{\circ}C$ represent the TO and LO mode of the bulk ${\beta}$-SiC, respectively. XRD spectra are also supported to the Raman spectra resulting in the strongest (111) peaks at $2{\Theta}=35.7^{\circ}$, which is the (111) plane peak position of 3C-SiC. Moreover, the gas flow rate of 300 sccm for methane is the optimal condition for synthesis of a large amount of ${\beta}$-SiC NW without producing the amorphous carbon structure shown at a high methane flow rate of 800 sccm. TEM images are shown two kinds of the synthesized ${\beta}$-SiC NWs structures. One is shown the defect-free ${\beta}$-SiC NWs with a (111) interplane distance of 0.25 nm, and the other is the stacking-faulted ${\beta}$-SiC NWs. Also, TEM images exhibited that two distinct SiC NWs are uniformly covered with $SiO_2$ layer with a thickness of less 2 nm. 본 연구에서는 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition)을 이용하여 분말 형태의 규소(Si)와 염화니켈 수화물 $(NiCl_2{\cdot}6H_2O)$을 혼합한 후 탄소공급원인 $CH_4$ 가스를 주입하여 탄화규소 나노선(SiC nanowire)을 합성하였다. 합성 온도와 $CH_4$ 가스 유량 변화에 따른 탄화규소 나노선의 구조적 특성을 분석한 결과, 합성온도가 $1,400^{\circ}C$, $CH_4$ 가스의 유량이 300 sccm인 경우가 탄화규소 나노선의 합성에 최적화된 조건임을 라만 분광법(Raman spectroscopy)과 X-선 회절(X-ray diffraction), 주사전자현미경(scanning electron microscopy), 그리고 투과전자현미경(transmission electron microscopy) 분석을 통해 확인하였다. 합성된 탄화규소 나노선의 직경은 약 50~150 nm이며, 곧은 방향성과 높은 결정성을 가지는 입방구조(cubic structure)를 지니고 있었다.

산화아연 나노선 기반의 투명하고 유연한 나노발전소자

최민열(Choi, Min-Yeol),오영환(Oh, Yeong-Hwan),이도경(Lee, Do-Kyeong),김상우(Kim, Sang-Woo),김성진(Kim, Sung-Jin) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

외부의 전기적인 에너지원 없이 기계적인 힘에 의해 구동되는 투명하고, 유연한 에너지 발생 압력센서를 제작하기 위하여 일차원 산화아연 나노선 기반의 압전소자를 제작하였다1). 산화아연 나노선은 유연한 플라스틱 기판에 습식화학 방법을 이용하여 성장시켰다. 이 방법은 간단한 공정과, 저온 성장공정, 대면적 성장, 대량생산이 가능한 방법이다. 산화아연 나노선의 끝 부분과의 접촉을 위한 상부 전극으로는 PdAu 와 ITO가 증착된 유연한 플라스틱 기판을 사용하였다. 90 % 이상의 높은 투과율을 가진 산화아연 나노선과 ITO 상부전극을 이용하여 투명하고 유연한 에너지 발생소자를 제작하였다. 이를 이용하여 외부에서 작용하는 힘,상부전극의 형상 및 일함수와 나노발전소자의 출력과의 상관관계를 조사하였다. 제작된 투명하고 유연한 나노발전소자의 경우 0.9 kgf에서 1A/cm² 의 전류가 발생한 것을 확인하였다.