KR100918293B1 - Synthesis of SiC nanowires - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화규소 나노선의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 규소(Si)와 탄소(C)를 동시에 제공하는 단일 전구체로서 특히 디클로로메틸비닐실란(dichloromethylvinylsilane, CH2CHSiC(CH3)Cl2)을 사용하고 이를 유입량이 조절된 운반가스와 함께 고온으로 유지되는 환원분위기의 반응기 내로 주입하여 기판 상에 증착시킴으로써, 지름이 매우 작고, 우수한 단결정성을 가지는 탄화규소 나노선을 재현성 있게 제조할 수 있으므로 우수한 전계 방출 특성을 나타내는 전계 방출 소자의 제조가 가능하게 한 탄화규소 나노선의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silicon carbide nanowires, and more particularly, as a single precursor for simultaneously providing silicon (Si) and carbon (C), in particular dichloromethylvinylsilane (CH 2 CHSiC (CH 3 ) Cl 2 ). ) And injected into the reactor in a reducing atmosphere maintained at high temperature with a controlled carrier gas and deposited on a substrate, thereby reproducibly producing silicon carbide nanowires having a very small diameter and having excellent single crystallinity. Therefore, the present invention relates to a method for producing silicon carbide nanowires, which enables the production of field emission devices exhibiting excellent field emission characteristics.

나노선, 탄화규소, 전계 방출 소자 Nanowires, Silicon Carbide, Field Emission Devices

Description

탄화규소 나노선의 제조 방법{Synthesis of SiC nanowires}Method for producing silicon carbide nanowires {Synthesis of SiC nanowires}

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 나노선의 제조 장치에 대한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for manufacturing silicon carbide nanowires according to the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 실리콘 기판 상에 성장한 탄화규소 나노선[시료 3]의 주사전자현미경 사진이다.2 is a scanning electron micrograph of silicon carbide nanowires [Sample 3] grown on a silicon substrate according to Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄화규소 나노선[시료 3]의 X-선 회절 그래프이다. 3 is an X-ray diffraction graph of silicon carbide nanowires [Sample 3] prepared according to Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄화규소 나노선[시료 3]의 투과전자현미경 사진 및 전자회절 사진이다.Figure 4 is a transmission electron micrograph and electron diffraction photograph of the silicon carbide nanowires [Sample 3] prepared according to Example 1 of the present invention.

도 5는 본 발명에 따라 제조된 탄화규소 나노선을 이용한 전계 방출 소자의 구조도이다.5 is a structural diagram of a field emission device using silicon carbide nanowires prepared according to the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄화규소 나노선[시료 11]의 인가전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프 및 파울러-노드하임 (Fowler-Nordheim) 그래프이다.6 is a graph showing a current density according to an applied voltage of a silicon carbide nanowire [Sample 11] prepared according to Example 2 of the present invention and a Fowler-Nordheim graph.

[도면의 주요부호에 대한 설명][Description of Major Symbols in Drawing]

10 : 발열체 10: heating element

20 : 반응관 21: 희석 가스 유입구 22: 가스 배출구20: reaction tube 21: dilution gas inlet 22: gas outlet

30 : 반응 재료 및 운반 가스 유입구30: reaction material and carrier gas inlet

40 : 기판 50 : 반응 재료 60 : 냉각조40 substrate 50 reactant material 60 cooling tank

본 발명은 탄화규소 나노선의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silicon carbide nanowires.

전계 방출 디스플레이 기술에서 캐소드는 가장 핵심적인 부분으로, 저전압 구동이 가능하면서 저가의 공정 비용으로 대면적에 제작할 수 있는 캐소드 기술에 대하여 많은 연구가 진행 중이다. Cathode is a key part of the field emission display technology. Much research is being conducted on cathode technology that can be driven at low voltage and can be manufactured in large areas at low process costs.

전계 방출용 캐소드는 높은 방출 전류를 얻기 위해서는 전기장이 높게 인가하거나, 캐소드 물질의 일함수 값이 낮아야 하며, 특히, 전계 방출 캐소드 물질의 팁이 전자가 방출될 때 발생되는 열로 인해 고온에서 파괴 및 변질되지 않도록 고려되어야 한다. The field emission cathode must have a high electric field or have a low work function value for the cathode material to obtain a high emission current. In particular, the tip of the field emission cathode material is destroyed and deteriorated at high temperatures due to the heat generated when electrons are released. Should be considered.

현재, 전계 방출 캐소드 물질로는 Mo, Si, W 등이 많이 사용되고 있으나, 장시간 작동에 따른 캐소드 물질의 수명과 안정성에 큰 문제가 있고, 전자방출 효율이 좋지 못하기 때문에 높은 전도성과 예리한 팁의 형상을 가진 탄소나노튜브를 전계 방출 캐소드 에미터 팁으로 사용하려는 연구가 가장 크게 주목을 받고 있다. [C. A. Spindt, J. Appl. Phys. 39, 3504-3505 ((1968), Nai Gui Shang, et al. Adv. Mat. 14, 1308-1311 (2002)]Currently, Mo, Si, W, etc. are widely used as the field emission cathode material, but there is a big problem in the lifespan and stability of the cathode material due to long time operation, and because of the poor electron emission efficiency, high conductivity and sharp tip shape Attention has been paid to the use of carbon nanotubes as the field emission cathode emitter tips. [C. A. Spindt, J. Appl. Phys. 39, 3504-3505 ((1968), Nai Gui Shang, et al. Adv. Mat. 14, 1308-1311 (2002))

상기와 같은 캐소드 물질의 문제점을 극복하기 위한 대체 물질로, 최근에는 탄소나노튜브(Carbon nanotubes; CNT)와 같은 종횡비가 큰 1차원 나노 물질을 기반으로 하는 나노 기술을 캐소드에 접목하는 연구가 활발히 진행 중에 있으나, 내구성과 열적 안정성이 약하다는 단점이 제기되고 있다. As an alternative material for overcoming the above problems of cathode materials, recent researches incorporating nanotechnology based on high aspect ratio 1D nanomaterials such as carbon nanotubes (CNT) into cathodes have been actively conducted. However, there are disadvantages in that durability and thermal stability are weak.

한편, 최적의 전계 방출용 캐소드 물질은 저일함수 값을 가지며, 내구성과 열적 안정성이 우수하며, 전계 방출 특성이 우수하여야 한다. 이를 위해서는 전계 방출용 캐소드 물질의 팁의 지름이 최대한 작고, 날카로워야 우수한 전계 방출 특성을 가질 수 있다. On the other hand, the optimal field emission cathode material should have a low work function value, excellent durability and thermal stability, and excellent field emission characteristics. For this purpose, the diameter of the tip of the field emission cathode material should be as small as possible and sharp to have good field emission characteristics.

이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점 및 필요성에 의거하여, 기존의 Mo, Si 및 탄소나노튜브 등의 전계 방출 캐소드 대체 물질로, 저일함수 값을 가지며, 내구성과 열적 안정성이 우수하고 종횡비가 큰 특정 탄화규소 화합물을 전계 방출 캐소드 물질로 선택 사용하고 이를 운반가스와 유량을 한정하여 고온의 환원조건이 유지되는 환경에 주입하여 촉매층이 형성된 기판 상에 증착시킴으로써, 지름이 매우 작고, 우수한 단결정성을 가지는 탄화규소 나노선을 재현성 있게 제조할 수 있으며, 대면적인 제조가 가능하여 저비용의 공정설계가 가능함을 알게되어 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present invention is a field emission cathode replacement material such as Mo, Si, and carbon nanotubes, based on the above-mentioned problems and needs of the prior art, has a low work function value, has excellent durability and thermal stability, and has a high aspect ratio. The silicon carbide compound is selected as a field emission cathode material and injected into an environment where high temperature reducing conditions are maintained by limiting carrier gas and flow rate, and deposited on a substrate on which a catalyst layer is formed. Silicon carbide nanowires can be produced in a reproducible manner, and it is possible to manufacture a large area, thereby finding a low cost process design, thereby completing the present invention.

또한, 상기 제조된 탄화규소 나노선을 사용하여 낮은 구동 전압 (turn-on voltage)과 높은 전계 향상 계수 (field enhancement factor, β)를 갖는 우수한 전계 방출 특성을 나타내는 제조된 전계 방출 소자를 제조할 수 있다.In addition, the manufactured silicon carbide nanowires can be used to fabricate fabricated field emission devices that exhibit excellent field emission characteristics with low turn-on voltage and high field enhancement factor (β). have.

따라서, 본 발명은 지름이 작고, 우수한 단결정성을 가지는 탄화규소 나노선을 재현성 있게 제조할 수 있는 방법 및 이를 이용한 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for reproducibly producing silicon carbide nanowires having a small diameter and excellent single crystallinity, and a field emission device using the same.

본 발명은 기판에, 금, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐 또는 이들의 합금 중에서 선택된 촉매가 증착된 촉매층을 형성하는 과정과, 900 ∼ 1200 ℃ 범위로 유지되는 환원 분위기에서 디클로로메틸비닐실란(dichloromethylvinylsilane)과 운반가스(carrier gas)를 각각 1 ∼ 20 sccm 유량과 100 ∼ 1000 sccm 유량으로 함께 주입하여 10 ∼ 120 분간 유지하는 과정을 포함하여 이루어지는 탄화규소(silicon carbide) 나노선의 제조방법을 그 특징으로 한다.The present invention provides a process for forming a catalyst layer in which a catalyst selected from gold, nickel, iron, cobalt, palladium, or an alloy thereof is deposited on a substrate, and dichloromethylvinylsilane in a reducing atmosphere maintained at 900 to 1200 ° C. And a method for producing silicon carbide nanowires comprising the step of injecting a carrier gas together with a carrier gas at a flow rate of 1 to 20 sccm and a flow rate of 100 to 1000 sccm for 10 to 120 minutes. .

이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 규소(Si)와 탄소(C)를 동시에 제공하는 단일 전구체로서 특히 디클로로메틸비닐실란(dichloromethylvinylsilane, CH2CHSiC(CH3)Cl2)을 사용하고 이를 유입량이 조절된 운반가스와 함께 고온으로 유지되는 환원분위기의 반응기 내로 주입하여 기판 상에 증착시킴으로써, 지름이 매우 작고, 우수한 단결정성을 가지는 탄화규소 나노선을 재현성 있게 제조할 수 있으므로 우수한 전계 방출 특성을 나타 내는 전계 방출 소자의 제조가 가능하게 한 탄화규소 나노선의 제조방법에 관한 것이다.The present invention uses dichloromethylvinylsilane (CH 2 CHSiC (CH 3 ) Cl 2 ) as a single precursor that provides silicon (Si) and carbon (C) at the same time. Since the silicon carbide nanowires having a very small diameter and having excellent single crystallinity can be reproducibly produced by injecting into a reactor of a reducing atmosphere maintained in the reactor, manufacturing of a field emission device exhibiting excellent field emission characteristics is possible. It is related with the manufacturing method of the silicon carbide nanowire made possible.

본 발명은 규소와 탄소의 공급 원료로서 디클로로메틸비닐실란을 사용함에 그 특징이 있다. 상기 디클로로메틸비닐실란은 규소와 탄소를 동시에 공급할 수 있는 단일전구체로 알려진 MTS(methyltrichlorosilane), TMS(tetramethylsilane), HMDS(hexamethyldisilane) 등 과는 달리 규소 보다 많은 량의 탄소를 함유하고 있어, 탄화규소 나노선의 제조가 용이하며, 따라서 우수한 단결정성을 가질 수 있다.The present invention is characterized by using dichloromethylvinylsilane as a feedstock for silicon and carbon. The dichloromethyl vinylsilane contains a larger amount of carbon than silicon, unlike MTS (methyltrichlorosilane), TMS (tetramethylsilane), and HMDS (hexamethyldisilane), which are known as single precursors that can simultaneously supply silicon and carbon. The production of the gland is easy, and thus may have good single crystallinity.

또한, 상기 단일 전구체에 비해 휘발성이 월등히 강해 나노선의 제조온도를 낮출 수 있는 특징이 있으며, 이러한 특징으로 인해 본 발명의 탄화규소 나노선은 작은 직경과 우수한 단결정성을 가지게 되는 것이다.In addition, the volatility is much stronger than the single precursor, there is a feature that can lower the manufacturing temperature of the nanowires, due to this feature the silicon carbide nanowires of the present invention will have a small diameter and excellent single crystallinity.

또한, 본 발명에 의하면 탄화규소 나노선을 제조함에 있어 상기 디클로로메틸비닐실란을 운반가스와 함께 일정한 유량으로 주입구를 거쳐 고온의 반응관 내부로 주입함으로써 디클로로메틸비닐실란 가스의 열분해를 통하여 지름이 200 ㎚ 이하인, 바람직하기로는 20 ∼ 200 ㎚ 범위의 탄화규소 나노선을 제조할 수 있다.In addition, according to the present invention, in preparing the silicon carbide nanowires, the diameter of the dichloromethylvinylsilane is 200 through thermal decomposition of the dichloromethylvinylsilane gas by injecting the dichloromethylvinylsilane into the high temperature reaction tube through the injection port at a constant flow rate together with the carrier gas. Silicon carbide nanowires of less than or equal to nm, preferably in the range of 20 to 200 nm, can be produced.

본 발명의 탄화규소 나노선의 제조를 위하여 사용된 장치에 대한 개략도를 도 1에 나타내었다. 상기 장치는 반응관의 내부 온도를 제어하는 발열체(10), 운반가스가 유입 및 배출되도록 설계된 반응관(20) 및 디클로로메틸비닐실란과 운반가스의 주입구(30)와 희석가스의 주입구(21), 배출구(22), 반응관 내부에 위치한 기판(40), 디클로로메틸비닐실란 원료(50)를 냉각시키는 냉각조(60) 등으로 크게 나눌 수 있다. A schematic diagram of the apparatus used for the production of the silicon carbide nanowires of the present invention is shown in FIG. 1. The apparatus includes a heating element 10 for controlling the internal temperature of the reaction tube, a reaction tube 20 designed to introduce and discharge a carrier gas, and an injection port 30 for dichloromethyl vinylsilane and a carrier gas and an injection port 21 for dilution gas. , The outlet 22, the substrate 40 located inside the reaction tube, the cooling tank 60 for cooling the dichloromethyl vinylsilane raw material 50, and the like.

상기 발열체(10)는 반응관(20)의 내부 온도를 상온에서 1300 ℃ 사이로 제어하는 역할을 하며, 반응관(20)은 상기 발열체(10)의 내부를 수평으로 관통하면서 그 내측에 위치되어 있으며, 끝단에는 캐리어 가스와 희석가스의 배출구(22), 디클로로메틸비닐실란(50), 디클로로메틸비닐실란의 운반가스(21)와 희석가스의 주입구(21) 및 그 반응관 내부에 기판(40)이 위치한다. The heating element 10 serves to control the internal temperature of the reaction tube 20 to between 1300 ℃ at room temperature, the reaction tube 20 is located inside the horizontal while penetrating the inside of the heating element 10 horizontally. At the end, the carrier gas and the dilution gas outlet 22, the dichloromethyl vinylsilane 50, the carrier gas 21 and diluent gas injection port 21 of the dichloromethyl vinylsilane and the substrate 40 inside the reaction tube This is located.

본 발명에 따른 탄화규소 나노선의 제조 방법은 다음과 같다.The method for producing the silicon carbide nanowires according to the present invention is as follows.

먼저, 기판에, 금, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐 또는 이들의 합금 중에서 선택된 촉매가 증착된 촉매층을 형성한다. 특정 위치에 선택적으로 탄화규소 나노선을 제조 하고자 할 경우에 이러한 방법의 도입은 주지의 사실로서, 기체-액체-고체 결정성장법 (Vapor-Liquid-Solid process)으로 알려져 있는데 원료 물질과 금 또는 니켈 등과 같은 촉매 물질이 서로 반응하여 고용 합금(eutectic alloy)을 이루는 것이 그 원리이다. First, a catalyst layer on which a catalyst selected from gold, nickel, iron, cobalt, palladium, or an alloy thereof is deposited is formed on a substrate. The introduction of this method to selectively fabricate silicon carbide nanowires at specific locations is well known, known as the Vapor-Liquid-Solid process. The principle is that the catalytic materials such as and the like react with each other to form a eutectic alloy.

상기 기판으로는 특히 실리콘, 사파이어를 사용할 경우 본 발명의 목적에 더욱 바람직하다. 또한, 촉매층의 형성시 E-빔 에바포레이션(E-beam evaporation) 공정을 이용할 경우 촉매층의 두께를 얇고, 정확하게 조절할 수 있으며, 균질한 촉매층을 형성하는 측면에서 본 발명의 목적에 더욱 바람직히다.As the substrate, particularly, silicon and sapphire are more preferable for the purpose of the present invention. In addition, when using the E-beam evaporation (E-beam evaporation) process in the formation of the catalyst layer, the thickness of the catalyst layer can be adjusted thinly and accurately, and more preferable for the purpose of the present invention in terms of forming a homogeneous catalyst layer.

기판에 상기 촉매층을 10 ∼ 100 Å 범위도 증착시킨 후 탄화규소 나노선을 성장시킨다.Silicon carbide nanowires are grown after depositing the catalyst layer on the substrate in the range of 10 to 100 GPa.

즉, 반응관 내부에 도 1과 같이 기판을 장착하고 반응기 내부의 온도를 900 ∼ 1200 ℃의 범위까지 승온한 후 10 ∼ 20분 정도 유지한다. 이때 반응기 내부는 100 ∼ 1000 sccm의 희석가스(diluted gas)를 승온 시작 시간부터 지속적으로 흘려주어 반응관 내부를 환원 분위기로 만들어준다. That is, a substrate is mounted in the reaction tube as shown in FIG. 1, and the temperature inside the reactor is raised to a range of 900 to 1200 ° C., and maintained for about 10 to 20 minutes. At this time, the inside of the reactor continuously flows the diluted gas (diluted gas) of 100 to 1000 sccm from the time of starting the temperature to make the inside of the reaction tube into a reducing atmosphere.

여기서, 반응관 내부의 온도가 900 ℃ 미만이면, SiOx 등과 같은 비정질상이 생성되며, 반응기 내부의 온도가 증가할수록 기판 상에 제조되는 탄화규소 단결정의 비가 증가하게 되고, 반응기 내부의 온도가 1200 ℃를 초과하여 높으면 Si 결정상이 생성되거나, 기판으로 사용된 실리콘 기판이 반응 가스인 디클로로메틸비닐실란과 화학반응을 일으켜 나노선의 제조에 어려움이 있다. Here, when the temperature inside the reaction tube is less than 900 ℃, an amorphous phase such as SiOx is generated, and as the temperature inside the reactor increases, the ratio of the silicon carbide single crystal produced on the substrate increases, the temperature inside the reactor is 1200 ℃ If too high, a Si crystal phase is formed, or a silicon substrate used as a substrate causes a chemical reaction with dichloromethylvinylsilane, which is a reaction gas, thereby making it difficult to manufacture nanowires.

상기한 희석가스로는 불활성 가스 또는 환원가스를 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 아르곤가스(Ar), 질소가스(N2), 수소가스(H2), 및 메탄가스(CH4) 등 중에서 선택된 가스를 사용할 수 있다.As the diluent gas, an inert gas or a reducing gas may be used, and specifically, for example, argon gas (Ar), nitrogen gas (N 2 ), hydrogen gas (H 2 ), methane gas (CH 4 ), or the like. The gas selected can be used.

이어서, 반응기 내부의 온도가 900 ∼ 1200 ℃의 온도 범위에서 운반가스(carrier gas)와 함께 디클로로메틸비닐실란 가스를 반응기 내부로 주입하는데, 이때 디클로로메틸비닐실란과 운반가스는 각각 1 ∼ 20 sccm 범위의 유량과 100 ∼ 1000 sccm 유량으로 함께 주입하여 10 ∼ 120 분간 유지하여 탄화규소 나노선을 성장시킨다. 이때, 상기 디클로로메틸비닐실란 유량이 상기 범위 미만이면 규소와 탄소의 공급원의 감소로 인하여 탄화규소 나노선의 제조에 어려움이 있고, 상 기 범위를 초과하면 제조된 나노선의 직경이 커지거나 결정성을 저해할 수 있으며, 운반가스의 유량이 상기 범위 미만이면 유속의 감소로 인해 공급원이 반응관 내부의 기판까지 도달하지 못해 탄화규소 나노선의 제조가 용이하지 않으며, 상기 범위를 초과하면 유속의 증가로 인해 탄화규소가 실리콘 기판의 성장에 참여하는 시간이 제약되므로 탄화규소 나노선의 제조가 어렵다. Subsequently, dichloromethylvinylsilane gas is injected into the reactor together with a carrier gas at a temperature in the reactor at a temperature in the range of 900 to 1200 ° C, wherein the dichloromethylvinylsilane and the carrier gas are in the range of 1 to 20 sccm, respectively. The silicon carbide nanowires are grown by injecting together at a flow rate of 100 and 1000 sccm and maintaining them for 10 to 120 minutes. In this case, when the dichloromethyl vinylsilane flow rate is less than the above range, it is difficult to manufacture silicon carbide nanowires due to a decrease in the source of silicon and carbon, and when the dichloromethyl vinylsilane flow rate is exceeded, the diameter of the manufactured nanowires increases or inhibits crystallinity. If the flow rate of the carrier gas is less than the above range, the flow rate decreases, so that the source does not reach the substrate inside the reaction tube, so that the production of silicon carbide nanowires is not easy. The time for silicon to participate in the growth of a silicon substrate is limited, making the silicon carbide nanowires difficult.

특히, 디클로로메틸비닐실란과 운반가스의 유량이 상기 범위를 동시에 충족시키는 경우에만 본 발명에서 목적하는 지름이 작고 단결정성이 우수한 탄화규소 나노선의 제조에 유리하다.In particular, it is advantageous for the production of silicon carbide nanowires having a small diameter and excellent single crystal properties desired in the present invention only when the flow rates of dichloromethylvinylsilane and a carrier gas satisfy the above ranges at the same time.

상기 운반가스로는 통상적으로 사용되는 불활성가스 또는 환원가스를 사용하며, 구체적으로 수소가스, 아르곤가스(Ar), 질소가스(N2), 수소가스(H2), 및 메탄가스(CH4) 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.As the carrier gas, an inert gas or a reducing gas that is commonly used is used, and specifically, hydrogen gas, argon gas (Ar), nitrogen gas (N 2 ), hydrogen gas (H 2 ), methane gas (CH 4 ), and the like. One kind or a mixture of two or more kinds selected from can be used.

또한, 상기한 유량의 범위로 주입되는 디클로로메틸비닐실란과 운반가스는 고온 및 환원분위기의 반응기 내부에서 10 ∼ 120 분, 바람직하기로는 30 ∼ 60 분 동안 유지하면서 탄화규소 나노선의 성장을 유도하는데, 이때 유지시간이 상기 범위 미만이면 제조된 탄화규소 나노선의 밀도 및 결정성이 떨어지고, 상기 범위를 초과하면 제조된 탄화규소 나노선의 직경이 커지거나 나노선 표면의 비정질층의 두께가 증가하여 결정성을 저해시킬 수 있다. In addition, the dichloromethyl vinylsilane and the carrier gas injected in the above range of flow rates induce the growth of the silicon carbide nanowires while maintaining for 10 to 120 minutes, preferably 30 to 60 minutes, inside the reactor in a high temperature and reducing atmosphere. At this time, if the retention time is less than the above range, the density and crystallinity of the manufactured silicon carbide nanowires are inferior, and if the above range is exceeded, the diameter of the manufactured silicon carbide nanowires is increased or the thickness of the amorphous layer on the surface of the nanowires is increased, thereby increasing the crystallinity. Can be inhibited.

상기 제시된 바에 의하면, 직경이 약 20 ∼ 200 nm 범위로 매우 작고, 길이가 약 10 ∼ 100 mm 범위이며, 우수한 단결정성을 가지는 탄화규소 나노선을 재현 성 있게 대량으로 제조할 수 있다.As suggested above, silicon carbide nanowires having a very small diameter in the range of about 20 to 200 nm, a length in the range of about 10 to 100 mm, and having excellent single crystallinity can be produced in large quantities with reproducibility.

또한, 상기 제조된 탄화규소 나노선은 전류가 10 mA/㎠ 이상 흐르는데 필요한 구동 전압이 ∼ 1.6 V/cm 이고, 1 mA/㎠ 이상 흐르는데 필요한 구동 전압이 ∼ 2.5 V/cm 이하로 나타나, 낮은 구동 전압에도 우수한 전계 방출 특성을 나타낸다.In addition, the manufactured silicon carbide nanowires have a driving voltage required to flow 10 mA / cm 2 or more and ˜1.6 V / cm, and drive voltages required to flow 1 mA / cm 2 or more appear to ˜2.5 V / cm or less, resulting in low driving. It exhibits excellent field emission characteristics even at voltage.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

실시예Example 1. 규소 및  1. Silicon and 탄소원의Carbon source 종류에 따른 비교 Comparison by type

실리콘 기판 상에 E-빔 에바포레이션방법을 이용하여 두께가 20 ∼ 100 Å의 금속촉매층을 형성하였다. A metal catalyst layer having a thickness of 20 to 100 GPa was formed on the silicon substrate by using the E-beam evaporation method.

상기 촉매층이 형성된 기판이 장착된 반응기의 환경을 다음과 같이 조절하였는데, 이때 희석가스로서 수소가스를 사용하고 이의 유량을 300 ∼ 600 sccm으로 하며, 나노선 성장온도(반응기 내부의 온도)를 900 ∼ 1100 ℃ 로 조절하고, 규소 및 탄소원의 유량을 1 ∼ 10 sccm으로 하여, 반응기 내부 유지 시간을 30 ∼ 90 분으로 하며, 냉각조의 온도를 0 ℃로 조건을 동일하게 하여 탄화규소 나노선을 제조하되, 규소 및 탄소원의 종류는 다음 표 1에 제시한 바와 같이 달리하였다.The environment of the reactor equipped with the substrate on which the catalyst layer was formed was controlled as follows, wherein hydrogen gas was used as the diluent gas and its flow rate was 300 to 600 sccm, and the nanowire growth temperature (temperature inside the reactor) was 900 to Silicon carbide nanowires were prepared by adjusting the temperature to 1100 ° C., the flow rate of silicon and carbon source 1 to 10 sccm, the holding time of the reactor to 30 to 90 minutes, and the temperature of the cooling bath at 0 ° C. under the same conditions. The types of, silicon and carbon sources were different as shown in the following Table 1.

제조된 탄화규소 나노선의 단결정성은 X-선 회절패턴(X-ray diffraction pattern)을 이용하여 반가폭을 계산하는 방법으로 측정하였으며, 직경은 고배율 전 자현미경을 사용하여 측정하고, 전계방출특성은 "Flat screen" 법을 이용하여 106 Torr 이상의 고진공에서 나노선과 어노드 사이를 일정하여 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The single crystallinity of the prepared silicon carbide nanowires was measured by calculating the half width using an X-ray diffraction pattern, and the diameter was measured using a high magnification electron microscope, and the field emission characteristic was " Flat screen "method was used to measure the constant between the nanowire and the anode at a high vacuum of 10 6 Torr or more, the results are shown in Table 1 below.

Figure 112006084130613-pat00001
Figure 112006084130613-pat00001

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 규소 및 탄소원으로서 디클로로메틸비닐실란을 사용한 메틸트리클로실란 및 헥사메틸비닐실란을 사용한 경우보다 반가폭 및 직경이 작아지는 알 수 있으며, 이로 인한 전계 방출 특성이 우수함을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the half width and diameter are smaller than those of methyl triclosilane and hexamethylvinylsilane using dichloromethylvinylsilane as the silicon and carbon source, and thus the field emission characteristics are excellent. Can be.

실시예 2. 나노선 성장 온도에 따른 비교Example 2 Comparison with Nanowire Growth Temperature

상기 실시예 1과 동일한 조건으로 탄화규소 나노선을 제조하되, 규소 및 탄소원으로 디클로로메틸비닐실란을 사용하고, 나노선의 성장 온도를 달리하여 얻어진 결과를 다음 표 2에 나타내었다.The silicon carbide nanowires were prepared under the same conditions as in Example 1, but dichloromethylvinylsilane was used as the silicon and carbon source, and the results obtained by varying the growth temperature of the nanowires are shown in Table 2 below.

Figure 112006084130613-pat00002
Figure 112006084130613-pat00002

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 규소 및 탄소원으로서 디클로로메틸비닐실란을 사용하고, 나노선의 성장온도가 900 ∼ 1200 ℃ 범위인 경우 직경이 작고 단결정성 및 전계방출특성이 우수함을 알 수 있다. 특히, 나노선의 성장온도가 900 ℃ 미만인 경우 비정질 SiOx 가 생성되고, 1200 ℃를 초과하는 경우 Si 결정상이 생성되거나, 기판으로 사용된 실리콘 기판이 반응 가스인 디클로로메틸비닐실란과 화학반응을 일으켜 나노선의 제조가 곤란함을 알 수 있다.As shown in Table 2, when the dichloromethyl vinyl silane is used as the silicon and carbon source, the growth temperature of the nanowire is in the range of 900 ~ 1200 ℃ it can be seen that the diameter is small and excellent in single crystal and field emission characteristics. In particular, when the growth temperature of the nanowires is less than 900 ℃, amorphous SiOx is formed, when the growth temperature is above 1200 ℃ Si crystal phase is formed, or the silicon substrate used as a substrate is a chemical reaction with dichloromethyl vinyl silane, a reaction gas of the nanowires It can be seen that manufacturing is difficult.

실시예 3. 유량에 따른 비교Example 3 Comparison with Flow

상기 실시예 1과 동일한 조건으로 탄화규소 나노선을 제조하되, 규소 및 탄소원으로 디클로로메틸비닐실란을 사용하고, 나노선의 성장 온도를 1100 ℃로 하고, 디클로로메틸비닐실란과 운반가스의 유량을 달리하여 얻어진 결과를 다음 표 3에 나타내었다.The silicon carbide nanowires were prepared under the same conditions as in Example 1, using dichloromethylvinylsilane as the silicon and carbon source, the growth temperature of the nanowires to 1100 ° C., and the flow rates of the dichloromethylvinylsilane and the carrier gas were varied. The results obtained are shown in Table 3 below.

Figure 112006084130613-pat00003
Figure 112006084130613-pat00003

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 디클로로메틸비닐실란과 운반가스의 유량을 각각 1 ∼ 20 sccm, 100 ∼ 1000 sccm 범위로 조절한 경우 직경이 작고 단결정성 및 전계방출특성이 우수한 탄화규소 나노선을 제조할 수 있음을 알 수 있다. As shown in Table 3 above, when the flow rates of dichloromethylvinylsilane and carrier gas were adjusted in the range of 1 to 20 sccm and 100 to 1000 sccm, respectively, silicon carbide nanowires having a small diameter and excellent single crystal and field emission characteristics were prepared. It can be seen that.

또한, 디클로로메틸비닐실란의 유량이 적을 경우에는 규소와 탄소의 공급원의 감소로 인하여 탄화규소 나노선의 제조에 어려움이 있고, 많을 경우에는 제조된 나노선의 직경이 커지거나 결정성을 저해할 수 있으며, 디클로로메틸비닐실란의 유량이 1 ∼ 20 sccm 범위이더라도 운반가스의 유량이 적을 경우에는 유속의 감소로 인해 공급원이 반응관 내부의 기판까지 도달하지 못해 탄화규소 나노선의 제조가 용이하지 않으며, 많을 경우에는 유속의 증가로 인해 탄화규소가 실리콘 기판의 성장에 참여하는 시간이 제약받으므로 탄화규소 나노선의 제조가 어렵게 나타나므로, 본 발명에서 제시하는 범위의 디클로로메틸비닐실란 및 운반가스의 유량범위를 적용할 경우 최적의 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, when the flow rate of dichloromethyl vinylsilane is low, the production of silicon carbide nanowires is difficult due to the reduction of the source of silicon and carbon, and in many cases, the diameter of the manufactured nanowires may increase or may inhibit crystallinity. Even when the flow rate of dichloromethylvinylsilane is in the range of 1 to 20 sccm, when the flow rate of the carrier gas is small, the production of silicon carbide nanowires is not easy because the supply source does not reach the substrate inside the reaction tube due to the decrease in the flow rate. Due to the increased flow rate, the time required for silicon carbide to participate in the growth of the silicon substrate appears to be difficult to manufacture silicon carbide nanowires, so the flow rate range of the dichloromethylvinylsilane and the carrier gas of the present invention can be applied. In this case, it can be seen that an optimal effect can be obtained.

한편, 도 2에는 상기 실시예 1에 의하여 제조된 시료 3의 탄화규소 나노선의 주사전자현미경 사진을 나타내었으며, 도 3에는 X-선 회절 그래프, 도 4에는 제조된 나노선의 투과전자현미경 사진 및 전자회절 사진을 나타내었다. 각 도에 제시된 바에 의하면 제조된 탄화규소 나노선의 직경은 대략 20 ∼ 200 nm 범위이고, 길이는 대략 10 ∼ 100 ㎛ 범위이었으며, 입방체의 탄화규소 나노선이 [111] 결정 방향으로 성장함으로 확인할 수 있었다. On the other hand, Figure 2 shows a scanning electron micrograph of the silicon carbide nanowires of Sample 3 prepared by Example 1, Figure 3 is an X-ray diffraction graph, Figure 4 is a transmission electron micrograph and electrons of the prepared nanowires Diffraction photographs are shown. As shown in each figure, the diameters of the prepared silicon carbide nanowires ranged from about 20 to 200 nm, the lengths ranged from about 10 to 100 μm, and it was confirmed that the silicon carbide nanowires grew in the [111] crystal direction. .

또한, 상기 실시예 2에 의하여 제조된 시료 11의 탄화규소 나노선이 도입된 전계 방출 소자는 우수한 단결정성과 작은 직경을 가지는 측면에서 우수한 전계방출특성을 나타내는데, 도 5에 이러한 전계방출소자의 일례를 구조도로서 나타내었다. 전계 방출 특성은 "Flat screen" 법을 이용하여 10-6 torr 이하의 고진공 하에서 측정하였으며, 제조된 탄화규소는 10 ㎂/㎠ 이상 흐르는데 필요한 구동 전압은 ∼1.8 V/cm 이였으며, 1 mA/㎠ 이상 흐르는데 필요한 구동 전압은 ∼2.5 V/cm 이하로 낮은 구동 전압에도 우수한 전계 방출 특성을 나타내었다. 전계 향상 계수(field enhancement factor, β)는 10000 이상의 높은 전계 향상 계수를 나타내었다. 또한, 어노드와 캐소드 물질(탄화규소 나노선)의 거리는 160 ㎛의 스페이서를 사용하여 측정하였다. In addition, the field emission device in which the silicon carbide nanowires of the sample 11 prepared in Example 2 is introduced shows excellent field emission characteristics in terms of excellent single crystallinity and small diameter, and FIG. 5 shows an example of such a field emission device. It is shown as a structural diagram. The field emission characteristics were measured under a high vacuum of 10 -6 torr or less using the "Flat screen" method. The silicon carbide produced had a driving voltage of -1.8 V / cm for flowing 10 ㎂ / ㎠ or more and 1 mA / ㎠ The driving voltage required for the abnormal flow was ˜2.5 V / cm or less, showing excellent field emission characteristics even at a low driving voltage. The field enhancement factor (β) showed a high field enhancement factor of 10,000 or more. In addition, the distance of an anode and a cathode material (silicon carbide nanowire) was measured using the spacer of 160 micrometers.

얻어진 전류-전압 곡선과 파울러-노드하임 (Fowler-Nordheim)그래프를 도 6에 나타내었는데, 파울러-노드하임 (Fowler-Nordheim) 그래프의 기울기가 직선 형태로 나타났으며, 이는 전계 방출 이론에 따르면 본 발명에서 제조된 탄화규소가 균일한 직경, 일정한 길이의 형상을 가지고 있다는 것을 의미한다. The resulting current-voltage curve and Fowler-Nordheim graph are shown in FIG. 6, where the slope of the Fowler-Nordheim graph is shown in a straight line, which is according to the field emission theory. It means that the silicon carbide produced in the invention has a uniform diameter, a certain length shape.

이와 같이 본 발명에서 제조된 탄화규소 나노선은 물질 자체가 가지는 뛰어난 물성과 형상이 가지는 장점으로 인하여 낮은 구동 전압(turn-on voltage)과 10000 이상의 높은 전계 향상 계수 (field enhancement factor, β)값을 나타내는 것으로 판단되며, 향후 전계 방출용 소자에 이용될 수 있음을 확인하였다.As described above, the silicon carbide nanowires prepared in the present invention have low turn-on voltage and high field enhancement factor (β) values of 10000 or more due to the advantages of excellent physical properties and shapes of the materials themselves. It was confirmed that the present invention can be used for the field emission device in the future.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 탄화규소 나노선은 낮은 일함수 값, 뛰어난 내구성, 우수한 열적 안정성 등의 물질 자체가 가지는 뛰어난 물성과 1차원 나노선이 가지는 형상의 장점으로 인하여 저전력, 고효율 등의 전계 방출 특성이 매우 우수하며, 저가의 제조 공정과 대면적화, 기판 상에 선택적인 패터닝이 가능하여 향후 나노선 및 나노막대를 포함한 반도체 나노구조체 전계 방출 소자 제작시 매우 유리한 위치를 차지할 수 있을 것으로 예상된다.As described above, the silicon carbide nanowires prepared according to the present invention have low power and high efficiency due to the excellent physical properties of the material itself such as low work function value, excellent durability, and excellent thermal stability and the shape of the one-dimensional nanowires. Its excellent field emission characteristics, low cost manufacturing process, large area, and selective patterning on the substrate enable it to occupy a very advantageous position when manufacturing semiconductor nanostructure field emission devices including nanowires and nanorods in the future. It is expected.

Claims (4)

기판에, 금, 니켈 및 코발트 중에서 선택된 1종의 금속 또는 이들 금속이 2종 이상 포함된 합금 중에서 선택된 촉매를 10 ∼ 100 Å의 두께로 증착하여 금속촉매층을 형성하는 과정과, Forming a metal catalyst layer by depositing a catalyst selected from a metal selected from gold, nickel and cobalt or an alloy containing two or more of these metals in a thickness of 10 to 100 GPa on a substrate; 900 ∼ 1200 ℃ 범위로 유지되는 환원 분위기에서 디클로로메틸비닐실란(dichloromethylvinylsilane)의 반응원료물질과 운반가스(carrier gas)를 각각 1 ∼ 20 sccm 유량과 100 ∼ 1000 sccm 유량으로 함께 주입하면서 10 ∼ 120 분간 유지하여, 상기 촉매층에서 반응원료물질이 반응 및 증착하여 직경 20 ∼ 200 ㎚ 및 길이 10 ∼ 100 ㎛ 범위인 탄화규소(silicon carbide) 나노선으로 성장하는 과정,In a reducing atmosphere maintained at 900 to 1200 ° C., the reaction raw material and carrier gas of dichloromethylvinylsilane were injected together at a flow rate of 1 to 20 sccm and a flow rate of 100 to 1000 sccm, respectively for 10 to 120 minutes. Maintaining and reacting and depositing a reaction raw material in the catalyst layer to grow into silicon carbide nanowires having a diameter of 20 to 200 nm and a length of 10 to 100 μm, 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소(silicon carbide) 나노선의 제조방법.Method of producing a silicon carbide (silicon carbide) nanowires comprising a. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판은 실리콘 또는 사파이어인 것을 특징으로 하는 탄화규소(silicon carbide) 나노선의 제조방법.The substrate is a method of manufacturing silicon carbide nanowires, characterized in that the silicon or sapphire. 삭제delete
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