Ch. 18. Nanostructures

나노미터의 크기

나노과학 및 나노기술의 제안

나노구조체의 발견

C60 (1985) CNT (1991) Graphene (2005) Nanowire (1998)

나노구조체의 물성

13 nm

나노구조체의 부피 대 표면적 비율

나노 세계의 관찰 – 광학 현미경

나노 세계의 관찰 – 전자현미경

주사형 전자현미경 투과형 전자현미경

Model and TEM image of a CdSe nanocrystal SEM image of an insect

나노 세계의 관찰 – Scanning Tunneling Microscope

Si (111) surface "Quantum coral" ~ 48 Fe atoms on a Cu(111) surface

manipulating atoms

나노구조체의 제작 – 하향식 (top-down approach)

Integrated circuits in a chip

나노구조체의 제작 – 상향식 (bottom-up approach)

C60 (1985) CNT (1991) Graphene (2005) Nanowire (1998)

self-assembly (자기조립법) Self-assembled nanoparticles of PbS

자연계의 나노구조체 – 연잎 효과 (lotus effect)

computer graphic of a lotus leaf

돌기에 의한 소수성 구조 때문에 연잎 위에서 물방울이 구르면서 표면의 먼지 등을 청소함

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Lotus_effect_on_leaf_of_taro_and_leaf_magnify.jpg//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/13/Lotus3.jpg

자연계의 나노구조체 – 나비의 날개

나비 날개의 확대 현미경 사진 ~ 빛의 파장에 가까운 구조로서 화학 염료 없이도 특정한 파장의 빛을 반사/흡수 함으로써 다양한 색깔을 낼 수 있음.

공작새 깃털의 화려한 색깔도 나노구조 때문.

http://www.gizmag.com/nanostructure-butterfly-wings/13086/picture/101657/

자연계의 나노구조체 – 게코 도마뱀

Gecko foot hair

http://www.psmicrographs.co.uk/_assets/uploads/gecko-lizard-footpad--tarentola-mauritanica--80016954-l.jpg

미세구조 관찰의 필요성 대두…

광학현미경 전자현미경 원자현미경

스위스 쮜리히소재의 IBM 연구원이었던 Binning, Roher,

Gerber와 Weibel에 의해 1982년에 개발

정의: STM (Scanning Tunneling Microscope)과 AFM

(Atomic Force Microscope)을 통칭하여 부르는 용어

날카로운 탐침(Probe 혹은 Tip)이 표면에 수 Å 이내로 접근

하여 Scanning

응용분야 표면분석 (표면 거칠기, 표면 형상, 자기특성…)

SPM(Scanning Probe Microscope)

SPM(Scanning Probe Microscope)

① High Quality Optical Microscope

② Advanced Scan System

③ EZ Snap Probe Tip Exchange

분석방법비교

광학현미경 SPM SEM 측정정보 표면의 상태 표면형상 표면형상

관찰기술 3차원형상(표면) 3차원형상(표면), 마찰, 표면전위

2차원형상

X축 분해능 0.1㎛ 10Å 100Å

Y축 분해능 0.1㎛ 0.2Å 100Å

배율

시료의 환경 대기, 진공 대기, 진공, 용액 진공

시료의 제한 도전성의 고체 거의 모든 고체 도전성의 고체

시료의 손상 없음 적다 크다

측정시간 ~분 ~분 ~100초

probe Tip 전자총

3102~1 610~10810~25

STM(Scanning Tunneling Microscope)

최초의 원자 현미경

가느다란 텅스텐 선을 전기 화학적으로 에칭 시키면 그 끝이 아주 뾰

족하게 되어 맨 끝에는 원자 몇 개만이 존재

원자 한 두개 크기의 간격(~0.5nm)으로 표면 접근 양자역학

적 터널링 효과

The Principle of STM

원자 한, 두개 크기의 간격(~0.5nm)으로 가까이 접근

적당한 전압을 걸어주면 전자가 에너지 벽을 뚫고 지나가 전류가 흐름

STM의 탐침과 시료 간격이 멀어지면 전자의 터널링 확률이 작아짐

The Method of Measurement

Constant-height mode

fast

relatively smooth surfaces

Constant-current mode

slow

irregular surfaces with high precision

STM Sample

Disadvantages

1. Electrochemical/Liquid use may be difficult or impossible

2. Sample surface not visible for tip positioning

3. Large sample analysis not possible

Defects on a Ag film grown on HOPG

HOPG : Substrate Materials for

Scanning Tunneling Microscopy and

Atomic Force Microscopy

At. T = 5 K in the constant-current

mode

AFM(Atomic Force Microscope)

STM(Scanning Tunneling Microcopy)의 문제점 해결

원자와 원자와의 반발력과 인력

전기적인 특성과 무관하므로 도체, 반도체 및 부도체등 모든 시료

의 분석에 범용적으로 적용

The Principle of AFM

캔틸레버(Cantilever)와 표면과의

상호작용

거리에 의해 인력과 척력이 발생

하며 이를 이용하여 측정함(접촉

식, 비접촉식 방식) .

Tip 시료접근

Tip 진동

Photodiode 감지

표면 이미지화

Cantilever

캔틸레버와 탐침은 시료표면에 적용되는 힘이나 AFM의 lateral

resolution을 결정.

Silicon , silicon nitride로 만듦

길이 100-200㎛, 넓이 40㎛, 두께 0.3-2㎛

non-contact 방법에서는 작동하는 진동 주파수의 범위가 넓어야 한다.

Contact AFM

표면에 수직하게 야기되는 반발력

반발력은 1~10 nN

작은 힘에도 매우 민감하게 반응하여 0.01

nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정

표면형상의 변화

캔틸레버 spring constant

(0.01~0.005 N/m)

Non-Contact AFM

시료 사이에 작용하는 attractive van der

Waals force(0.1nN~0.01nN)를 측정한다

비접촉 방식에서는 큰 공진주파수와 큰 탄

성 계수를 갖는 뾰족한 캔틸레버가 좋다

원자간의 인력

고유진동수 변화

진폭과 위상 변화

Lock-in amp로 측정

AFM Sample

AFM Sample

RMS 18.4nm

RA 11.6nm

표면 거칠기

l

xa dxfl

R0

)(1

중심선 평균거칠기(Ra)

표면 거칠기

중심선 평균거칠기(Ra)와 제곱 평균거칠기와의 비교

)....(1

)(1

210

n

l

xa yyyn

dxfl

R

n

yyydxy

lR n

l

xrms

22

2

2

1

0

2 ...)(1

LFM (Lateral Force Microscope) : 표면의 마찰력을 재는 원자현미경

유리가 코팅된 나일론 화학용기의 표면 (5 x 5 mm)

FMM (Force Modulation Microscope) : 시료의 경도를 재는 원자현미경

탄소 광섬유가 폴리머 접착제 사이에 들어있는 단면을 찍은 원자현미경 사진

LFM & FMM

PDM (Phase Detection Microscope) : 시료의 탄성 및 점성등을 재는 원자현미경

폴리머 코팅한 것을 원자현미경으로 찍은 사진

PDM & SCM

SCM (Scanning Capacitance Microscope) : Capacitance를 재는 원자현미경

MOSFET의 단면을 원자현미경으로 찍은 사진 (4 x 4 mm)

MFM (Magnetic Force Microscope)

자기력(磁氣力)을 재는 원자현미경

컴퓨터용 하드디스크를 원자현미경으로 찍은 사진

MFM (Magnetic Force Microscope)

EFM (Electrostatic Force Microscope)

시료의 전기적 특성을 재는 원자현미경

정전기력을 사용하여 표면전위, 표면전하, dielectric constant 측정

ASIC 소자를 원자 현

미경으로 찍은 사진

EFM (Electrostatic Force Microscope)

고체상태에서 작은 크기의 미세조직과 형상을 관찰 할 때 쓰이는 전자 현미경

SEM (Scanning Electron Microscopy)

Introduction

분석능력

-Resolution : 0.2nm

-Magnification : ~300000

초심도가 깊다

사용배율의 범위가 넓다

기기조작 시료 취급이 용이

분석 소요시간이 짧다

TEM에 비해 시편준비 간편

TEM 에 비해 해상력 낮다

진공 유지가 필수적이다

액체, 젖은 시료 취급 불가

장 점 단 점

시편에 충돌 시 발생하는 2차 전자를 사용하여 상을 만든다

이차전자

시편

입사전자

후방산란전자

투과전자

특성 X선

Auger전자

가시광선

회절전자

흡수전자

에너지 손실 전자

Emitting signal electron from the specimen

2차 전자 발생

탄성산란(Elastic Scattering)

에너지를 잃지 않은 채 방향만 바꾼 전자

원자핵과 충돌 (backscattered electron)

시편을 빠져 나가기 전 다른 원자들과

상호작용으로 인하여 2차전자 발생

backscattered electron이 전자현미경

내부부품과 충돌하여 2차전자 발생

이때 시편에서 나온 2차전자들과 썩여

noise 로 작용

비탄성 산란(Inelastic Scattering)

입사빔보다 낮은 에너지 혹은 2차전자 발생

2차전자들은 0~50eV 에너지를 가짐

2차전자 detector에 의해 image 형성

SEM 작동원리

Electron Gun

1st Condenser lens

Specimen

2nd condenser lens

Object lens

Condenser Aperture

Detector Scan coils

Object Aperture

전자빔 집광

이탈하는 전자빔 제거, 전류량 제한 전자빔 집광

Coherent 한 전자빔 형성

scanning

Scanning beam 초점 맞춤

Schematic drawings of SEM

Structure of SEM

SEM 구성요소(1)

Vacuum system- Remove air molecules : 10-5 ~10-7 Torr

Electrical Optical System – Focus and control the e-beam

Tungsten filament cathode : 약 2700K 가열되어 열전자 방출

LaB6 filament cathode : LaB6 과 같은 희토류산화물 높은 열전자 방출

Field emission cathode :필라멘트 표면에 고압의 전위차를 걸어주어 전자를 방출

Electron Gun

Field emission cathode Tungsten filament cathode

SEM 구성요소(2)

Condenser lenses

2nm 이하 크기의 spot 을 형성(작을 수록 분해능 증가)

렌즈에 고정된 조리개를 통하여 spot size를 줄이거나 수차 조절

Object lenses

Deflection coil : scan generator 연결되어 표면에 형성된

spot 을 체계적으로 이동

Stigmator : CRT 화소 (pixel)는 둥근데 반해 2차전자빔은 둥글지 않다

이 때 비점수차 발생. Stimators를 이용하여 교정

Apertures

50~200 micrometer

Apertures 작으면 spot size 감소, 통과하는 전자 수 감소,

구면 수차 감소 ,depth of field 증가

Specimen stage – Insertion and manipulation

SEM 구성요소(3)

20~30nm 두께로 gold, platinum 코팅

정전하 방지

우수한 2차전자 발생

입사빔 시편과 충돌시 열 방출

Specimen coating

Specimen preparation

부도체의 경우 1차전자의 전하가 표면에 쌓여 방전됨

Magnification

Contrast

Resolution

Depth of field

Ion-coater

Sputter Coating procedure

1~3kV 전압

Argon gas

Rotary vacuum pump(100m Torr)

분해능(Resolution)

현미경 관찰 시 작은 부위를 확실히 분간할 수 있는 성능을 말함

0.2nm보다 멀리 떨어져 있는 것들만이 2개로 보이고 이보다 더 가까운 경우에는 1개로 보인다.

전자현미경에서의 분해능은 대략 0.2nm

High resolution mode: small spot size, short working distance, small aperture

그러나 2차 전자의 수를 감소하는 단점

Example

대물렌즈와 시편 사이의 거리

가속전압

배율 눈금의 크기

같은 가속전압과 같은 배율로 시편를 관찰하였으나 다른 양상을 보여주고 있다. 즉 조건이 같더라도 시편에 종류에 따라 영상의 질은 달라진다.!!!

금속성 물질은 밝게 나타남(ITO)

2차전자 많이 발생