KR101030434B1 - Method for formation of nanoholes using carbothermal reduction - Google Patents

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Abstract

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상부에 금속 혹은 전이 금속 입자를 증착하는 단계; 및 상기 금속 입자가 형성된 절연층의 탄소용융환원(carbothermal reduction) 반응으로 절연층에 나노 홀을 형성하는 단계;를 포함하는 절연층의 식각 방법이 제공된다.Forming an insulating layer on the substrate; Depositing metal or transition metal particles on the insulating layer; And forming nano holes in the insulating layer by a carbon thermal reduction reaction of the insulating layer having the metal particles formed thereon.

탄소용융환원, 나노홀, 철 나노입자, 배열, 블록공중합체 Carbon Molten Reduction, Nanoholes, Iron Nanoparticles, Arrays, Block Copolymers

Description

탄소용융환원반응을 이용한 나노 홀 형성 방법{Method for formation of nanoholes using carbothermal reduction}Method for formation of nanoholes using carbothermal reduction

본 발명은 식각에 필요한 유독한 화학약품, 복잡한 전처리 과정 및 비싼 기계 장비를 사용하지 않고 절연층에 나노 미터 크기의 폭을 가지는 홀을 직접적으로 제작할 수 있는 간단한 화학 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a simple chemical method that can directly produce nanometer-sized holes in an insulating layer without the use of toxic chemicals required for etching, complex pretreatment and expensive mechanical equipment.

지난 20년 동안, 양자 크기의 작용성 나노재료를 합성하기 위한 새로운 화학적 합성 방법 개발의 지속적인 노력으로 인해 다양한 크기 및 모양의 나노물질들이 제조되었으며 이들을 이용함으로써 CMOS (complementary metal-oxide 반도체) 직접회로, 메모리, 나노센서, 광전자 소자, 그리고 에너지 전환 시스템 등의 차세대 전자 제품의 성능을 월등히 향상시킬 수 있었다. 나노재료를 합성하기 위한 대표적인 예들 중, 용액 합성 방법 (solution chemistry)은 일반적으로 금속 및 반도체의 0 차원 나노크리스탈의 합성에 성공적으로 사용되는 반면, 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition(CVD)), 기상-액상-고상 (vapor-liquid-solid (VLS)) 및 기상-고상 (vapor-solid (VS)) 방법은 1 차원 소재인 나노튜브, 와이어, 벨트 및 리본 합성에 주로 사용된다. 더욱 최근에, 변형된 VS 방법이 유기 전구체 분자에 적용되 어, 전례없는 나선형의 유기 리본 및 C60 단일 결정 나노디스크 (single crystalline nanodisk)가 만들어진 바 있다. Over the past two decades, ongoing efforts to develop new chemical synthesis methods for the synthesis of quantum-sized functional nanomaterials have led to the manufacture of nanomaterials of various sizes and shapes. The performance of next-generation electronics, such as memory, nanosensors, optoelectronic devices, and energy conversion systems, has been significantly improved. Among representative examples for synthesizing nanomaterials, solution chemistry is generally used successfully for the synthesis of 0-dimensional nanocrystals of metals and semiconductors, while chemical vapor deposition (CVD), gas phase Vapor-liquid-solid (VLS) and vapor-solid (VS) methods are mainly used for synthesizing one-dimensional materials, nanotubes, wires, belts and ribbons. More recently, modified VS methods have been applied to organic precursor molecules, resulting in unprecedented spiral organic ribbons and C 60 single crystalline nanodisks.

합성된 나노재료들을 공업, 산업적으로 의미있는 시스템으로 활용하기 위해 수행해야 할 프로세스 중 하나는 이들을 체계적인 패턴을 가지도록 배열하는 일이다. Langmuir-Blodgett 및 표면-프로그램된 어셈블리 (surface-programmed assembly)를 포함하는 여러 물리화학적인 표면 보호막 형성 기술들이 지금까지 나노재료들을 정렬시키기 위해 사용되어 왔다. 이들 구조 중, 나노홀 배열은 특히 많은 관심을 받아왔는데 이는 집적 양자 메모리 소자 (integrated quantum memory device) 및 표면 플라즈몬 공명 센서 (surface plasmon resonance sensor)를 구현하는데 직접적인 소스로 제공되기 때문이다. 또한 나노홀은 단일 분자 분광학(single molecule spectroscopy)용 나노-호스트, 왕래하는 이온 및 단일 생체분자의 움직임에 대한 인공적인 채널, 및 나노미터 크기의 반응기인 젭토리터 비이커 (zeptoliter beaker)로서 활용가능하다. 지금까지 나노홀을 배열시키는 방법으로 콜로이드성 리소그래픽 식각 (colloidal lithographic etching), 나노임프린트 리소그래피 (nanoimprint lithography), 양극 산화 알루미늄 템플릿 (anodic aluminum oxide template) 사용, 및 블록공중합체에 기초한 광학 리소그래픽 패터닝 공정 (block copolymer-based optical lithographic patterning processes)등이 보고된 바 있다. 그러나, 이들 방법은 많은 시간 소요 및 복잡한 공정과정을 요하고 있어 직경 20 nm 이하를 가지는 나노홀 배열을 "직접" 형성시키는 새로운 방법 이 절실히 요구되는 바이다.One of the processes that need to be carried out to utilize synthesized nanomaterials as industrially and industrially meaningful systems is to arrange them in a systematic pattern. Several physicochemical surface shielding techniques have been used to align nanomaterials, including Langmuir-Blodgett and surface-programmed assemblies. Of these structures, nanohole arrays have received particular attention because they serve as direct sources for implementing integrated quantum memory devices and surface plasmon resonance sensors. Nanoholes are also available as nano-hosts for single molecule spectroscopy, artificial channels for the movement of incoming and outgoing ions and single biomolecules, and as zeptoliter beakers, nanometer-sized reactors. . To date, the arrangement of nanoholes has led to colloidal lithographic etching, nanoimprint lithography, the use of anodized aluminum oxide templates, and optical lithographic patterning based on block copolymers. Block copolymer-based optical lithographic patterning processes have been reported. However, these methods require time-consuming and complicated processes, and a new method of "directly" forming nanohole arrays having a diameter of 20 nm or less is urgently needed.

최근, 본 발명자들은 단일층 탄소 나노튜브 (SWNT) 및 SiO2 표면 사이에 일어나는 새로운 표면 반응을 발견하였다 (탄소용융 환원이라 한다. 대한민국 출원: 2007-0001626). 본 반응에 의하면 SiO2 표면은 SWNT와 열화학적으로 반응하여, SWNT의 궤도(trajectories)를 따라 식각된 10 nm 이하의 폭을 가지는 SiO2 나노트렌치를 형성시킬 수 있다. 본 발명자는 SiO2의 탄소용융 환원에서 영감을 얻어 나노홀을 직접 형성하는데 이를 적용하고자 하였다. 탄소용융 환원의 메카니즘을 깊이 연구한 결과, 본 발명자는 철 촉매 나노입자 (NP)가 SWNT의 성장에 결정적인 역할을 할 뿐만 아니라 탄소용융 환원의 개시에도 중요한 역할을 한다는 것을 알았다. 이는 철 NP를 둘러싸고 있는 무정형 탄소 또는 흑연층이 열적으로 SiO2 기판의 환원을 촉진시킬 수 있고, 결과적으로 SiO2 나노홀이 형성 될 것임을 의미한다 (C(철 NP 상에, s) + SiO2(s) ↔ SiO(g) + CO(g)). 본 명세서에서, 본 발명자들은 철 NP을 매개로 한 SiO2의 탄소용융 환원을 유도하여 10 nm 이하의 직경을 가지는 나노홀 형성을 보고한다. 뿐만이 아니라, 블록공중합체 패턴을 사용하여 배열된 철 NP들로부터 형성되는 나노홀 배열의 성공적인 제작을 보고한다.Recently, the inventors have discovered a new surface reaction which takes place between single layer carbon nanotubes (SWNT) and SiO 2 surface (called carbon melt reduction. Korean application: 2007-0001626). According to the present reaction, the SiO 2 surface may be thermochemically reacted with SWNTs to form SiO 2 nano trenches having a width of 10 nm or less etched along the trajectories of the SWNTs. The inventors intend to apply this method to directly form nanoholes by inspiration from melting of SiO 2 . As a result of in-depth study of the mechanism of carbon melt reduction, the inventors found that iron-catalyzed nanoparticles (NP) not only play a critical role in the growth of SWNTs but also play an important role in initiating carbon melt reduction. This means that an amorphous carbon or graphite layer surrounding iron NP can thermally promote the reduction of the SiO 2 substrate, resulting in the formation of SiO 2 nanoholes (C (on iron NP, s) + SiO 2 ). (s) ↔ SiO (g) + CO (g)). In the present specification, the present inventors report the formation of nano holes having a diameter of 10 nm or less by inducing carbon melt reduction of SiO 2 via iron NP. In addition, we report the successful fabrication of nanohole arrays formed from iron NPs arranged using block copolymer patterns.

금속 촉매 입자가 증착된 절연층의 기판을 고온(> 700 ℃)에서 화학기상증착법을 사용하여 산소, 수소 및 탄화수소 기체들과 반응시키면 탄소 나노튜브가 형성될 뿐만 아니라 형성된 나노튜브들이 기판인 절연체 표면을 환원시켜 나노트렌 치(nanotrench)를 형성한다는 사실이 본 발명자에 의해 보고된 바 있다. 결과적으로 형성된 나노트렌치의 모양, 폭, 길이 등은 이전에 형성된 나노튜브의 그것들과 일치함을 관찰하였고 이는 탄소용융환원반응(carbothermal reduction)에 의한 것으로 밝혀졌다. When the substrate of the insulating layer on which the metal catalyst particles are deposited is reacted with oxygen, hydrogen, and hydrocarbon gases using chemical vapor deposition at a high temperature (> 700 ° C.), not only carbon nanotubes are formed, but the formed nanotubes are substrates of the insulator surface. It has been reported by the present inventors to reduce and form nanotrenches. The shape, width and length of the resulting nano trenches were observed to be consistent with those of the previously formed nanotubes, which were found to be due to carbon thermal reduction.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 식각에 필요한 유독한 화학약품, 복잡한 전처리 과정 및 비싼 기계 장비를 사용하지 않고 간단한 화학적 방법을 통하여 절연층에 극미소 크기의 나노 홀을 직접적으로 형성시키는 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for directly forming a nano-sized nano-hole directly in the insulating layer through a simple chemical method without the use of toxic chemicals, complicated pretreatment and expensive mechanical equipment required for etching will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, The present invention to achieve the above technical problem,

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계; Forming an insulating layer on the substrate;

상기 절연층 상부에 금속 혹은 전이 금속 입자를 증착하는 단계; Depositing metal or transition metal particles on the insulating layer;

상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층을 형성시키는 단계; 및 Forming a carbon layer in contact with the metal particles; And

상기 절연층을 탄소용융환원(carbothermal reduction) 시켜 나노 홀을 형성하는 단계; Carbon nano reduction of the insulating layer to form nano holes;

를 포함하는 절연층에 나노 홀을 형성시키는 방법을 제공한다. It provides a method for forming nano holes in the insulating layer comprising a.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 마이셀(micelle), Languir-Blodgett 기술, 표면 프로그램된 어셈블리 (surface-programmed assembly), 용액 증발법 또는 기판의 스텝 에지 (step edge), 전자기장 사용 등을 통해 정렬될 수 있다. According to one embodiment of the invention, the metal or transition metal particles are polymers, block copolymers, surfactants, micelles, micelles, Languir-Blodgett technology, surface-programmed assembly, solution evaporation method or Alignment through the step edge of the substrate, the use of electromagnetic fields, and the like.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 절연층의 나노 홀은 패턴을 가지고 형성될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the nano holes of the insulating layer may be formed with a pattern.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼, 사파이어, 유리, 석영, 금속, 알루미나, 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the substrate is preferably selected from the group consisting of silicon wafer, sapphire, glass, quartz, metal, alumina, and plastic.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 절연층은 규소를 포함하는 화합물로 형성되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the insulating layer is preferably formed of a compound containing silicon.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 절연층은 산화규소, 이산화규소, 질산화규소, 및 질화규소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the insulating layer is preferably formed of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitrate, and silicon nitride.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 루비듐(Ru), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 망간(Mn), 주석(Sn), 백금(Pt) 혹은 이들의 합금으로 이루어진 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the metal or transition metal particles are nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), molybdenum (Mo), aluminum (Al), rhodium ( Rh), rubidium (Ru), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), magnesium (Mg), chromium (Cr), manganese (Mn), tin (Sn), platinum ( Pt) or an alloy thereof is preferable.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 스핀 코팅(spin-coating), 용액의 주입 및 증발, 메탈 증착, 스퍼터링(sputtering) 또는 리소그래피 방법을 이용하여 증착되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the metal or transition metal particles are preferably deposited using spin-coating, solution injection and evaporation, metal deposition, sputtering or lithography.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 탄소용융환원 (carbothermal reduction) 단계는 동시에 일어날 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the carbon layer forming step and the carbothermal reduction step in contact with the metal particles may occur simultaneously.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 상기 탄소 용융 환원 단계는 수소, 아르곤 및 알코올을 동시에 주입하면서 일어나는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the carbon layer forming step and the carbon melt reduction step contacting the metal particles are preferably performed while simultaneously injecting hydrogen, argon and alcohol.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 알코올의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 70 % 인 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the content of the alcohol is preferably 0.01 to 70% of the total gas volume.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 상기 탄소 용융 환원 단계는 물 또는 산소, 수소, 아르곤 및 탄화 수소를 동시에 주입하면서 일어나는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the carbon layer forming step and the carbon melt reduction step contacting the metal particles are preferably performed while injecting water or oxygen, hydrogen, argon and hydrocarbon simultaneously.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 물의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 10 % 이고, 상기 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 5 % 인 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the content of water is 0.01 to 10% of the total gas volume, the content of oxygen is preferably 0.01 to 5% of the total gas volume.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 탄소 층은 400 내지 1500℃에서 탄소소스 기체를 주입하거나 또는 0 내지 300 ℃에서 탄소기가 포함된 용액 상의 화학 반응을 통하여 상기 금속 입자 상에 형성되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the carbon layer is preferably formed on the metal particles through a chemical reaction on a carbon-containing gas injecting a carbon source gas at 400 to 1500 ℃ or from 0 to 300 ℃ .

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 입자 상의 탄소 층은 탄화소스 기체 및 탄소기가 포함된 용액 상을 동시에 주입하는 것이 바람직하다.According to one embodiment of the invention, the carbon layer on the metal particles is preferably injected at the same time the solution phase containing the carbonization source gas and carbon group.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 입자 상의 탄소 층은 용액 상에 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 혹은 마이셀(micelle)의 화학반응을 통해 형성될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the carbon layer on the metal particles may be formed through a chemical reaction of a polymer, a block copolymer, a surfactant, or a micelle on a solution.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 0.5 내지 1000 nm의 평균 지름을 가지며, 상기 절연층의 나노 홀은 0.5 내지 1500 nm의 평균 폭을 가지는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the metal or transition metal particles have an average diameter of 0.5 to 1000 nm, the nano holes of the insulating layer preferably has an average width of 0.5 to 1500 nm.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 탄소용융환원반응은 산소 및 비활성기체 를 주입하면서 이루어지는 것이 바람직하다.According to one embodiment of the invention, the carbon melt reduction reaction is preferably made while injecting oxygen and inert gas.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.0001 내지 30 % 인 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the content of oxygen is preferably 0.0001 to 30% of the total gas volume.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 탄소용융환원반응은 700 내지 1700 ℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the invention, the carbon melt reduction reaction is preferably made at a temperature of 700 to 1700 ℃.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 측면인 탄소용융환원반응을 이용한 절연층에 나노홀을 형성시키는 방법은, As described above, the method for forming nano-holes in the insulating layer using the carbon melt reduction reaction of one aspect of the present invention,

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계; Forming an insulating layer on the substrate;

상기 절연층 상부에 금속 혹은 전이 금속 입자를 증착하는 단계; Depositing metal or transition metal particles on the insulating layer;

상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층을 형성시키는 단계; 및Forming a carbon layer in contact with the metal particles; And

상기 절연층을 탄소용융환원(carbothermal reduction) 시켜 나노 홀을 형성시키는 단계를 포함한다. And carbon nano reduction of the insulating layer to form nano holes.

본 발명에 있어서, 절연층에 형성되는 나노홀은 상기 절연층 상부에 증착되는 금속 혹은 전이 금속 입자에 의하여 유도되므로, 금속 입자의 무작위적인 배열 또는 규칙적인 배열 여부에 따라 나노홀의 배열이 무작위적인지 규칙적인지가 결정된다고 할 수 있다. 나노홀의 무작위적인 배열보다는 규칙적인 배열이 매우 유용하므로 나노홀이 패턴을 가지도록 배열하는 것이 더욱 바람직하다.In the present invention, the nano-holes formed in the insulating layer is induced by the metal or transition metal particles deposited on the insulating layer, so whether the arrangement of the nano holes is random according to the random arrangement or regular arrangement of the metal particles Perception is determined. It is more preferable to arrange the nano holes to have a pattern because a regular arrangement is more useful than a random arrangement of nano holes.

나노입자를 정열시키는 많은 방법이 공지되어 있다.  본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 마이셀(micelle), Languir-Blodgett 기술, 표면 프로그램된 어셈블리 (surface-programmed assembly), 용액 증발법, 기판의 스텝 에지 (step edge), 전자기장 사용 등을 통해 정열될 수 있다. 상기 정열 [또는 패턴]은 일렬, 육각형, 사각형, 삼각형 등의 기하학적 형태만이 아니라 일정 단위가 반복되는 것을 포함한다.Many methods of aligning nanoparticles are known. According to one embodiment of the invention, the metal or transition metal particles are polymers, block copolymers, surfactants, micelles (micelle), Languir-Blodgett technology, surface-programmed assembly, solution evaporation method, It can be aligned through the step edge of the substrate, the use of electromagnetic fields and the like. The alignment (or pattern) includes not only geometric shapes such as line, hexagon, rectangle, triangle, etc., but certain units are repeated.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 절연층의 나노 홀은 패턴을 가질 수 있다. 이후 설명하겠지만, 나노 홀은 금속 입자가 있던 자리에서 절연층과 탄소 층과의 탄소용융환원 반응에 의하여 생성되므로, 절연층 상부에 금속 입자를 정열되도록 증착시키면 생성되는 나노 홀 역시 일정 패턴을 가진다고 예측할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, the nano holes of the insulating layer may have a pattern. As will be described later, since the nano holes are generated by the melt-melting reduction reaction between the insulating layer and the carbon layer in the place where the metal particles were located, it can be predicted that the nano holes generated when the metal particles are arranged to be aligned on the insulating layer also have a predetermined pattern. Can be.

다음으로, 기판 상부에 절연층을 형성하는 단계에 대하여 상세하게 설명한다.  Next, the step of forming the insulating layer on the substrate will be described in detail.

상기 기판으로는 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예를 들면, 실리콘 웨이퍼, 사파이어, 유리, 석영, 금속, 알루미나, 또는 플라스틱 등을 포함한다. The substrate is not particularly limited, and specific examples thereof include silicon wafers, sapphire, glass, quartz, metals, alumina, plastics, and the like.

상기 절연층은 규소를 포함하는 화합물이라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적인 예를 들면, 산화규소, 이산화규소, 질산화규소, 및 질화규소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 절연층이 이산화규소로 이루어지는 경우 탄소용융환원반응에 따른 나노 홀 형성의 높은 효율성으로 더 바람직하다. The insulating layer is not particularly limited as long as it is a compound containing silicon, but may be formed of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitride, and silicon nitride. In this case, when the insulating layer is made of silicon dioxide, it is more preferable because of the high efficiency of nano hole formation according to the carbon melt reduction reaction.

이후, 상기 기판에 절연층을 형성한 후, 상기 절연층 상부는 금속 혹은 전이 금속 입자로 증착되는데, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 니켈(Ni), 철(Fe), 코 발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 루비듐(Ru), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) ,마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 망간(Mn), 주석(Sn), 백금(Pt) 혹은 이들의 합금으로 이루어진 것일 수 있으며, 스핀 코팅(spin-coating), 용액의 주입 또는 증발, 메탈 증착, 스퍼터링(sputtering) 또는 리소그래피 방법 등을 이용하여 증착될 수 있다. Thereafter, after forming the insulating layer on the substrate, the insulating layer is deposited on the metal or transition metal particles, the metal or transition metal particles are nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), molybdenum (Mo), aluminum (Al), rhodium (Rh), rubidium (Ru), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), magnesium (Mg) , Chromium (Cr), manganese (Mn), tin (Sn), platinum (Pt) or alloys thereof, spin-coating, solution injection or evaporation, metal deposition, sputtering Or a lithographic method or the like.

이제, 상기 절연층에 나노홀을 식각하는 탄소용융환원 반응에 대해 살펴본다. Now, the carbon melt reduction reaction for etching nano holes in the insulating layer will be described.

상기 절연층의 나노홀은 금속 입자와 접촉한 탄소 층과 기판 상에 형성된 절연층 사이에서 탄소용융 환원 (carbothermal reduction) 반응으로 형성되는데, 상기 반응은 화학기상증착법(CVD), 플라즈마강화 화학기상증착법(PECVD), 열화학기상증착법, 기상합성법으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다.  The nano hole of the insulating layer is formed by a carbon thermal reduction reaction between the carbon layer in contact with the metal particles and the insulating layer formed on the substrate, the reaction is chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), thermochemical vapor deposition, and vapor phase synthesis.

일 구현예로서, 절연층인 SiO2 층에 나노홀 형성을 위한 주요한 구동력은 절연층 상의 금속 입자와 접촉한 탄소 층이 환원제로서 역할을 하는 SiO2 탄소용융 환원 반응인데, 상기 금속 입자와 접촉한 탄소 층(C)이 절연층을 환원하여 에칭시키기 위해서 환원제로서 역할을 한다.  예를 들어, 비정질의 벌크 실리카 (SiO2(s))는 하기 식 에서와 같이 SiO(g) 및 CO(g)를 방출함으로써, 1000 ℃ 이상 및 대기압 하에서 탄소 (C(s))에 의해 환원되는 것으로 알려져 있다.In one embodiment, the main driving force for forming nano holes in the SiO 2 layer, which is an insulating layer, is a SiO 2 carbon melting reduction reaction in which a carbon layer in contact with the metal particles on the insulating layer serves as a reducing agent. The carbon layer (C) serves as a reducing agent to reduce and etch the insulating layer. For example, amorphous bulk silica (SiO 2 (s)) emits SiO (g) and CO (g) as shown in the following formula, thereby reducing by carbon (C (s)) at least 1000 ° C. and under atmospheric pressure. It is known to become.

SiO2(s) + C(s) ↔ SiO(g) + CO(g) SiO 2 (s) + C (s) ↔ SiO (g) + CO (g)

상기 식에서, 탄소 소스로부터의 탄소는 SiO2를 열적으로 환원시키기 위하여 C(s)의 역할을 한다.  In the above formula, carbon from the carbon source serves as C (s) to thermally reduce SiO 2 .

따라서, 상기 금속 입자가 형성된 절연층의 탄소용융 환원(carbothermal reduction) 반응으로 절연층에 나노 홀을 형성하는 단계에서, 먼저 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층이 형성된다. 상기 탄소 층은 예를 들어 무정형 탄소 또는 흑연층으로서 바람직하게는 상기 금속 입자 주변에 접촉하여 생성된다. Therefore, in the step of forming nano holes in the insulating layer by a carbon thermal reduction reaction of the insulating layer on which the metal particles are formed, a carbon layer contacting the metal particles is first formed. The carbon layer is produced, for example, as an amorphous carbon or graphite layer, preferably in contact with the periphery of the metal particles.

상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층이 형성되는 단계와 탄소용융환원 (carbothermal reduction) 반응은 동시에 일어날 수 있다.  따라서, 단 시간 내에 연료 손실을 줄이면서 절연층의 나노홀을 형성할 수 있게 되는 이점을 가지게 된다. 이 경우, 수소, 아르곤 및 알코올을 동시에 주입함으로써, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 상기 탄소 용융 환원 단계가 동시에 일어나도록 유도할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 것으로서 상기 알코올의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 70 % 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 알코올의 함량은 총 기체 부피의 0.03 내지 30 %의 범위이다(알코올을 사용하는 경우 알코올은 산소 소스이기도 하므로 산소를 사용하지 않을 수 있다). 상기 범위에서 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 탄소 용융 환원 단계가 동시에 원활하게 진행된다.The step of forming a carbon layer in contact with the metal particles and a carbon thermal reduction reaction may occur simultaneously. Therefore, there is an advantage that it is possible to form nano holes of the insulating layer while reducing fuel loss in a short time. In this case, by injecting hydrogen, argon and alcohol at the same time, the carbon layer forming step and the carbon melt reduction step in contact with the metal particles can be induced to occur at the same time. According to one embodiment of the present invention, the alcohol is one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol and butanol and the content of the alcohol may be 0.01 to 70% of the total gas volume, more preferably of alcohol The content is in the range of 0.03 to 30% of the total gas volume (although alcohol is also an oxygen source, alcohol may not be used). The carbon layer forming step and the carbon melt reduction step in contact with the metal particles in the above range proceeds smoothly at the same time.

또 다르게는, 물 또는 산소, 수소, 아르곤 및 탄화 수소를 동시에 주입하여, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 상기 탄소 용융 환원 단계가 동시에 일어나도록 유도할 수 있다. 즉, 기판 상에 나노홀을 형성하기 위한 화학기상증착 시스템 내에, 물 또는 산소, 수소, 아르곤 및 탄소 소스 기체를 주입하게 되면 기판의 절연층 상의 금속 입자에 탄소 층이 형성되는 것과 동시에 형성된 탄소 층이 환원제의 역할을 하여 절연층의 탄소용융 환원 반응이 일어난다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 산소 소스로서 산소를 사용하는 경우 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 5 % 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 총 기체 부피의 0.03 내지 0.5 %의 범위이다. 산소 대신 물을 사용하는 경우 물의 함량은 총 기체 부피의 0.01 내지 10 % 이고, 더욱 바람직하게는 총 기체 부피의 0.03 내지 1.0 % 의 범위이다. 상기 범위에서 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 탄소 용융 환원 단계가 동시에 원활하게 진행된다. 탄소 소스로서 탄화 수소를 사용하는 경우 상기 탄화수소는 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌, 부탄 및 프로판으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.Alternatively, water or oxygen, hydrogen, argon and hydrocarbons may be injected simultaneously to induce a carbon layer forming step in contact with the metal particles and the carbon melt reduction step to occur simultaneously. In other words, injecting water or oxygen, hydrogen, argon and a carbon source gas into a chemical vapor deposition system for forming nanoholes on a substrate, the carbon layer formed at the same time as the carbon layer is formed on the metal particles on the insulating layer of the substrate. By acting as this reducing agent, the carbon melt reduction reaction of the insulating layer occurs. According to one embodiment of the invention, when oxygen is used as the oxygen source, the content of oxygen is preferably 0.01 to 5% of the total gas volume, more preferably 0.03 to 0.5% of the total gas volume. When water is used instead of oxygen, the water content is in the range of 0.01 to 10% of the total gas volume, more preferably in the range of 0.03 to 1.0% of the total gas volume. The carbon layer forming step and the carbon melt reduction step in contact with the metal particles in the above range proceeds smoothly at the same time. When using hydrocarbon as the carbon source, the hydrocarbon is preferably at least one selected from the group consisting of methane, ethane, acetylene, ethylene, butane and propane.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 탄소 용융 환원 단계가 별개로 일어나거나 또는 동시에 일어나는 경우, 상기 탄소 층은 400 내지 1500℃에서 탄소소스 기체를 주입하거나 또는 0 내지 300 ℃에서 탄소기가 포함된 용액 상의 화학 반응을 통하여 상기 금속 입자 상에 형성될 수 있다. 상기 온도 범위에서 각각의 경우에 탄소소스 기체 또는 탄소기가 포함된 용액 상이 금속 입자 상에 탄소 층을 잘 형성한다. 탄소 소스는 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어 앞서 언급한 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌, 부탄 및 프로판으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 것일 수 있다. 상기 탄소기가 포함된 용액 상의 비제한적인 예로서 알코올 등이 사용될 수 있으며, 용액 상의 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 혹은 마이셀(micelle) 등이 사용될 수도 있다. 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 혹은 마이셀(micelle) 등을 용액 상으로 사용하는 경우, 사용되는 용매는 특별히 제한되지 않으나, 이들을 용해시키는 유기 용매인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄화소스 기체 및 탄소기가 포함된 상기 용액 상은 동시에 주입될 수도 있다.According to one embodiment of the invention, when the carbon layer forming step and the carbon melt reduction step in contact with the metal particles occur separately or simultaneously, the carbon layer is injected with a carbon source gas at 400-1500 ° C. or 0 It may be formed on the metal particles through a chemical reaction in the solution phase containing a carbon group at 300 ℃. In each case in this temperature range, the carbon phase gas or the solution phase containing the carbon group forms a carbon layer well on the metal particles. The carbon source is not particularly limited and may be, for example, one or more selected from the group consisting of methane, ethane, acetylene, ethylene, butane and propane mentioned above. Alcohol and the like may be used as a non-limiting example of the solution phase containing the carbon group, and a polymer, a block copolymer, a surfactant, or a micelle may be used in the solution phase. When a polymer, a block copolymer, a surfactant, a micelle, or the like is used in the solution phase, the solvent used is not particularly limited, but is preferably an organic solvent in which these are dissolved. In addition, the solution phase containing the carbonization source gas and the carbon group may be injected at the same time.

한편, 절연층과 탄소 층 사이의 탄소용융환원 반응으로 나노홀이 형성되기 위해서는 금속 입자에 의해 나노튜브가 형성되거나 나노홀 대신 나노트렌치 (nanotrench)가 생성되는 등의 부반응은 억제하며 나노홀의 생성을 촉진시키는 최적 조건을 찾아야 한다. On the other hand, in order to form the nano holes through the carbon melt reduction reaction between the insulating layer and the carbon layer, side reactions such as nanotubes are formed by metal particles or nano trenches instead of nano holes are suppressed, and nano holes are generated. Find the best conditions to promote.

본 발명자들은 많은 시도 결과, 탄소용융환원 반응에서 공급되는 탄소 소스 이외에 산소가 지원되는 경우 및 금속 입자의 크기가 어느 정도 큰 경우, 단일층 탄소나노튜브 (SWNT)의 성장이 억제된다는 것을 알았다. 나노트렌치는 나노튜브로부터 유도되므로 SWNT의 성장을 억제시키면 나노트렌치 형성도 당연히 억제된다. As a result of many attempts, the inventors have found that when oxygen is supported in addition to the carbon source supplied in the carbon melting reduction reaction, and when the size of the metal particles is somewhat large, the growth of single layer carbon nanotubes (SWNTs) is suppressed. Since nano trenches are derived from nanotubes, inhibiting the growth of SWNTs naturally inhibits the formation of nano trenches.

나노홀의 생성을 촉진시키는 조건으로서, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자는 0.5 내지 1000 nm의 평균 지름을 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 300 nm의 평균 지름을 가진다. 상기 범위에서 나노트렌치 형성이 거의 억제된다.As conditions for promoting the production of nano holes, the metal or transition metal particles preferably have an average diameter of 0.5 to 1000 nm, more preferably has an average diameter of 0.5 to 300 nm. In the above range, nano trench formation is almost suppressed.

한편, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층이 형성되는 단계와 탄소용융환원 (carbothermal reduction) 반응은 분리되어 일어날 수도 있다.  이 경우 탄소 층은 고온에서 수소 및 탄소소스 기체를 주입하거나 상온에서 탄소소스가 포함된 용액 상의 화학 반응을 통하여 바람직하게는 금속 입자 상에 형성되며. 탄소소스의 기체로는 탄화수소인 메탄, 에탄, 아세틸렌, 에틸렌, 부탄 및 프로판으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것이나 알코올인 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 것이 바람직하다. 용액 상의 탄소소스로는 탄소기가 포함된 고분자, 블록공중합체, 계면활성제 혹은 마이셀(micelle)이 바람직하다. On the other hand, the step of forming a carbon layer in contact with the metal particles and the carbothermal reduction reaction may occur separately. In this case, the carbon layer is preferably formed on the metal particles by injecting hydrogen and carbon source gas at high temperature or by chemical reaction on a solution containing carbon source at room temperature. The gas of the carbon source is preferably at least one selected from the group consisting of hydrocarbons methane, ethane, acetylene, ethylene, butane and propane, and at least one selected from the group consisting of alcohols methanol, ethanol, propanol and butanol. The carbon source in the solution is preferably a polymer containing a carbon group, a block copolymer, a surfactant, or a micelle.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소용융환원반응은 산소 및 비활성기체를 주입하면서 이루질 수 있는데, 이 경우 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.0001 내지 30 % 인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 산소의 함량은 총 기체 부피의 0.0003 내지 1.0 %의 범위이다. 산소의 함량이 상기 범위인 경우, 단일층 탄소나노튜브 (SWNT)의 성장이 거의 억제된다. 상기 산소가 포함된 비활성기체로는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈이 사용가능하고, 바람직하게는 아르곤을 사용할 수 있다. According to one embodiment of the invention, the carbon melt reduction reaction may be achieved while injecting oxygen and inert gas, in which case the content of oxygen is preferably 0.0001 to 30% of the total gas volume. More preferably the content of oxygen is in the range of 0.0003 to 1.0% of the total gas volume. When the oxygen content is in the above range, growth of single layer carbon nanotubes (SWNT) is almost suppressed. As the inert gas containing oxygen, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon may be used, and argon may be preferably used.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소용융환원반응의 온도는 700 내지 1700 ℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 800 내지 1200 ℃이다. 상기 범위에서 단일층 탄소나노튜브 (SWNT)의 성장이 거의 억제되어 결과적으로 나노트렌치 형성이 억제되고 나노홀의 생성이 최대가 된다.According to one embodiment of the invention, the temperature of the carbon melt reduction reaction is preferably 700 to 1700 ℃, more preferably 800 to 1200 ℃. Within this range, growth of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) is almost suppressed, resulting in the suppression of nano-trench formation and maximum generation of nano-holes.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예로서, 상기 절연층이 SiO2인 경우를 예로 들어 절연층의 나노홀 형성단계에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, as an embodiment of the present invention with reference to the drawings, looking at the nano-hole forming step of the insulating layer taking the case where the insulating layer is SiO 2 as an example.

도 1a는 히드록실아민-매개 방법에 의하여 SiO2/Si 기판 상에 형성된 철 NP의 AFM 이미지를 보여주는 도면이다. 탄소용융 환원을 통한 SiO2 나노홀 형성을 증명하기 위해, 히드록실아민 매개된 철 NP을 800 ℃ 공기 중에서 5 분 동안 소결하여 SiO2/Si 기판 상에 철 NP을 제조하였다 (도 1a). 생성된 철 NP은 1.5 nm의 평균 직경을 가지는 매우 좁은 직경 분포를 보였다. 1A shows an AFM image of iron NP formed on a SiO 2 / Si substrate by a hydroxylamine-mediated method. To demonstrate SiO 2 nanohole formation through carbon melt reduction, hydroxylamine mediated iron NP was sintered in 800 ° C. air for 5 minutes to produce iron NP on SiO 2 / Si substrate (FIG. 1A). The resulting iron NPs showed a very narrow diameter distribution with an average diameter of 1.5 nm.

상기 철 NP을 포함하는 SiO2/Si 기판을 900 ℃에서 10 분 동안 O2, H2, CH4, C2H4 기체가 각각 1.5, 500, 1000, 20 sccm (분당 표준 큐빅 센티미터)으로 도입되는 O2가 주입된 CVD 시스템에 기판을 옮기자, 매우 낮은 밀도 (population)로 나노홀이 형성되었다. 이를 도 1b에 나타내었다. 이 경우 주로 나노트렌치가 형성되었다. 나노트렌치의 높은 밀도는 본질적으로 철 NP의 크기에 기인하는데 왜냐하면 이들 철 NP의 직경은 단일층 탄소나노튜브 (SWNT)의 성장에 매우 적합하기 때문이며, 이로써 결국 나노트렌치가 생성된 것이다. Introduced into the O 2, H 2, CH 4 , C 2 H 4 gas is 1.5, 500, 1000, 20 sccm ( per standard cubic centimeters), respectively, the SiO 2 / Si substrate for at 900 ℃ 10 minutes including the iron NP When the substrate was transferred to the CVD system in which the O 2 was injected, nano holes were formed at very low population. This is shown in Figure 1b. In this case, mainly nano trenches were formed. The high density of the nano trenches is essentially due to the size of the iron NPs because the diameters of these iron NPs are very suitable for the growth of single layer carbon nanotubes (SWNTs), resulting in nano trenches.

철 NP 크기 및 나노홀의 밀도 사이의 관계를 조사하기 위해, 더 큰 평균 직경 크기 (7.9 nm)를 가지는 훨씬 더 넓은 크기 분포 (4 ~ 15 nm)를 제공하는 페리틴(ferritin) 유도 철 NP을 사용하여 탄소용융 환원을 수행하였다. 먼저 미리 증착된 페리틴 단백질을 공기 중에서 800 ℃에서 5 분 동안 소결하여 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-매개된 철 NP을 제조하였다.  도 1c는 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-유도된 철 NP의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다 (삽입 그림은 고배율확대 이미지로서 스케일 바는 100 nm). To investigate the relationship between iron NP size and nanohole density, ferritin-induced iron NPs are used that provide a much wider size distribution (4-15 nm) with a larger average diameter size (7.9 nm). Carbon melt reduction was performed. First, the pre-deposited ferritin protein was sintered in air at 800 ° C. for 5 minutes to prepare ferritin-mediated iron NP on an SiO 2 / Si substrate. FIG. 1C shows an AFM image of ferritin-induced iron NP on a SiO 2 / Si substrate (insertion figure is high magnification image with scale bar 100 nm).

다음으로 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/20/100 sccm의 통상적인 가스 조건 하에서 900 ℃에서 10 분 동안 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-유도된 철 NP를 O2가 주입된 CVD 처리하였다. 상기 처리 후의 AFM 이미지를 도 1d에 나타내었다. 도 1d에서 보이는 바와 같이, 나노트렌치 및 반응하지 않은 SWNT가 아직 발견됨에도 불구하고 나노홀의 밀도가 실질적으로 증가하였다. 이러한 결과는 SWNT 성장은 O2가 주입되는 CVD 환경에서 큰 크기의 철 NP을 사용함으로써 효과적으로 억제되며, 이는 더 효율적인 나노홀의 생성을 이끌어 낸다는 것을 명백히 암시한다. 나노홀 밀도를 더 증가시키기 위해, SWNT 성장을 매우 억제시킬 예상으로 탄소 가스 소스 (C2H4)의 함량을 줄였다. CH4 보다 C2H4를 선택하였는데 왜냐하면 C2H4는 활발하게 열분해되는 경향이 있고, 따라서 SWNT의 성장에 더 기여하기 때문이다. 실제로, C2H4없이 900 ℃에서 10 분 동안 탄소용융 환원을 수행한 경우 (O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/0/100 sccm), 나노트렌치 또는 미반응 SWNT 없이 나노홀이 선택적으로 형성되었다. 이를 도 1e에 나타내었다. 도 1e는 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-유도된 철 NP을 에틸렌 가스 없이 O2가 주입된 CVD 처리한 후의 AFM 이미지를 나타내는 도면이며, 삽입 그림은 고배율확대 이미지로서 스케일 바는 100 nm이다.Next, ferritin-induced on SiO 2 / Si substrates at 900 ° C. for 10 minutes under conventional gas conditions of O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/20/100 sccm Iron NP was subjected to CVD treatment with O 2 . The AFM image after the said process is shown to FIG. 1D. As shown in FIG. 1D, the density of the nanoholes increased substantially despite the discovery of nanotrench and unreacted SWNTs. These results clearly suggest that SWNT growth is effectively inhibited by the use of large sized iron NPs in the CVD environment in which O 2 is injected, which leads to the creation of more efficient nano holes. To further increase the nanohole density, the content of carbon gas source (C 2 H 4 ) was reduced in anticipation of highly inhibiting SWNT growth. C 2 H 4 was chosen over CH 4 because C 2 H 4 tends to be actively pyrolyzed, thus contributing more to the growth of SWNTs. Indeed, when carbon melt reduction was performed at 900 ° C. for 10 minutes without C 2 H 4 (O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/0/100 sccm), nano Nanoholes were selectively formed without trenches or unreacted SWNTs. This is shown in Figure 1e. FIG. 1E is a diagram showing an AFM image after CVD treatment in which ferritin-induced iron NP is injected with O 2 without ethylene gas on a SiO 2 / Si substrate, and an inset is a high magnification image with a scale bar of 100 nm.

나노홀이 주로 형성되는 최적화된 반응 조건을 확정한 후, 블록공중합체를 사용하여 규칙적 패턴이 있는 철 NPs로부터 SiO2 나노홀 배열의 제조를 시도하였다. 도 2a는 SiO2/Si 기판 상에 나노홀 배열을 형성하기 위한 두 단계를 개략적으로 도식화한 그림이다. 상기 단계는 1) 폴리스티렌-블럭-폴리(2-비닐피리딘) (PS-b-P2VP) 블록공중합체를 사용해서 철 NP 배열을 형성시키고 O2 플라즈마로 처리하는 단계 및 2) O2가 주입된 CVD 시스템에서 탄소용융 환원을 통해 나노홀 배열을 형성시키는 단계를 포함한다. 상기 단계 1)인 핵에 철 이온을 포함하는 PS-b-P2VP 마이셀 배열의 자발적인 형성을 도 2b에 더 상세히 나타내었다. After determining the optimized reaction conditions in which the nanoholes are mainly formed, an attempt was made to produce SiO 2 nanohole arrays from iron NPs with regular patterns using block copolymers. FIG. 2A is a schematic diagram of two steps for forming a nanohole array on a SiO 2 / Si substrate. FIG. The steps include 1) forming an iron NP array using a polystyrene-block-poly (2-vinylpyridine) (PS- b- P2VP) block copolymer and treating with an O 2 plasma and 2) injecting O 2 Forming a nano-hole array through carbon melt reduction in a CVD system. The spontaneous formation of the PS- b -P2VP micelle array containing iron ions in the nucleus of step 1) is shown in more detail in Figure 2b.

블록공중합체 마이셀은 보통 조절된 함량의 철 이온을 가지는 육각형으로 정열된 구조를 제공한다. 톨루엔 용매 하에서 폴리스티렌-블럭-폴리(2-비닐피리딘) (PS-b-P2VP) 블록공중합체의 철 이온은 P2VP 핵 내에 자리잡는 반면 PS 코로나 쉘은 용매를 향하여 바깥쪽으로 뻗어 있다. 패턴이 있는 철 NP 배열을 형성시키기 위해, 두 가지 다른 조성 (마이셀 I 및 II)으로 제조된 철 이온을 포함하는 PS-b-P2VP 마이셀 용액을 SiO2/Si 기판 상에 스핀 코팅하였다. Block copolymer micelles usually provide a hexagonal aligned structure with a controlled amount of iron ions. The iron ions of the polystyrene-block-poly (2-vinylpyridine) (PS- b- P2VP) block copolymers in toluene solvent settle in the P2VP nucleus while the PS corona shell extends outward toward the solvent. To form a patterned iron NP array, a PS- b- P2VP micelle solution containing iron ions prepared in two different compositions (Micelle I and II) was spin coated onto a SiO 2 / Si substrate.

먼저, 2VP 단위에 대해 FeCl2 0.3 몰 비로 용해된 PS-b-P2VP 마이셀성 용액 (마이셀 I) 0.5 중량%을 SiO2/Si 기판에 스핀 코팅하였다. O2 플라즈마 처리 후 얻은 철 NP은 Fourier 전환 패턴뿐만 아니라 원자힘 현미경 (AFM)으로 확인한 바와 같이 육각형 배열을 보였다 (도 3b 및 도 3 b의 삽입 그림). 직경, 철 NP간 거리, 및 1×1 μm2에서 철 NP의 수의 평균 값은 각각 3.5 ± 0.6 nm, 45.6 ± 4.3 nm, 및 약 550이었다 (도 3a 내지 도 3c). First, 0.5 wt% of PS- b- P2VP micelle solution (Micelle I) dissolved in a 0.3 molar ratio of FeCl 2 relative to 2VP units was spin coated onto a SiO 2 / Si substrate. Iron NPs obtained after O 2 plasma treatment showed a hexagonal arrangement as confirmed by atomic force microscopy (AFM) as well as a Fourier conversion pattern (inset of FIGS. 3B and 3B). The mean values of diameter, distance between iron NPs, and number of iron NPs at 1 × 1 μm 2 were 3.5 ± 0.6 nm, 45.6 ± 4.3 nm, and about 550, respectively (FIGS. 3A-3C).

앞서 최적화된 반응 조건 (900 ℃에서 15 분 동안 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/0/100 sccm) 하에서 이렇게 배열된 철 NP 시료를 탄소용융 환원시키자, 나노트렌치가 전혀 관찰됨이 없이 나노홀이 선명히 얻어졌다 (도 3d 내지 도 3f). 또한 고해상도 투과 전자 현미경 (HRTEM)의 단면 이미지로 나노홀을 조사하였는데, 이는 반치폭 (full-width at half maximum) (FWHM)에서 측정된 약 22.4nm의 나노홀 폭 및 약 45 nm의 상부 폭, 그리고 약 5.2 nm의 깊이를 보여주었다. 또한, AFM 프로파일은 나노홀에서 40~50 nm의 상부 폭을 보여주었다 (팁 반경 < 10 nm). 나노홀이 성공적으로 생성되었음에도 불구하고, 요구되는 나노홀은 무작위적인 위치에 놓여졌고 홀의 밀도는 처음의 철 NP 밀도와 비교하여 16.5 % 감소하였다. 나노홀의 그러한 불규칙적인 형성 및 심지어 합쳐진 나노홀 (나노자국 (nanotrace)이라 한다)은 철 NP이 반응 동안 표면 상에서 이동하였으며 어떤 것은 제거되었음을 가리킨다. 철 NP의 이동은 연속적인 가스 흐름 하에서 철 NP 및 아래의 SiO2 사이에 일어나는 탄소용융 환원에 의하여 야기되는 철 NP의 부양 (levitation)에 주로 기인한다. 철 NP의 움직임 (또는 이동)을 억제하기 위해, 반응 환경 두 가지를 바꾸는 시도를 하였다. 먼저, H2의 가스 함량이 본 실험과 비교하여 작을 경우 철 NP의 부양 및 이동 정도가 활발해짐이 관찰되었기 때문에 H2 농도를 증가시켰다. 그러나, H2 가스의 함량을 1000 sccm까지 두 배로 한 경우, 나노홀의 밀도는 38.8 %까지 어느 정도 증가하였음에도 불구하고 배열 패턴은 파괴되었다 (도 3g 내지 도 3i). Carbon melt reduction of the iron NP samples thus arranged under previously optimized reaction conditions (O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/0/100 sccm for 15 minutes at 900 ° C) As a result, nanoholes were clearly obtained without any nano trenches being observed (FIGS. 3D to 3F). Nanoholes were also examined with cross-sectional images of high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), which measured about 22.4 nm of nanohole width and about 45 nm of upper width, and measured at full-width at half maximum (FWHM). It showed a depth of about 5.2 nm. In addition, the AFM profile showed a top width of 40-50 nm in the nanoholes (tip radius <10 nm). Although the nanoholes were successfully created, the required nanoholes were placed in random positions and the hole density decreased by 16.5% compared to the original iron NP density. Such irregular formation of nanoholes and even coalesced nanoholes (called nanotraces) indicate that iron NPs migrated on the surface during the reaction and some were removed. The movement of iron NP is mainly due to the levitation of iron NP caused by carbon melt reduction occurring between iron NP and the underlying SiO 2 under continuous gas flow. In order to suppress the movement (or movement) of iron NP, attempts were made to change two reaction environments. First, when the gas content of H 2 is small compared with the present experiment, it was observed that the iron NP and the degree of migration became active, H 2 concentration was increased. However, when the content of H 2 gas was doubled to 1000 sccm, the arrangement pattern was destroyed despite the increase of the density of the nanoholes to 38.8% to some extent (FIGS. 3G to 3I).

다음으로, 철 NP의 밀도가 NP 사이에 인력을 발생시키기에 매우 충분하다면 떠다니는 철 NP의 불안정한 이동은 더 가속될 것이기 때문에 더 먼 입자간 거리를 가지는 새로운 철 NP 배열 시료를 사용하였다. 이를 위해, 2VP 단위에 대해 0.2 몰 비의 FeCl2를 포함하는 PS-b-P2VP 마이셀 0.3 중량%의 용액 (마이셀 II)을 기판 위에 스핀 코팅하였는데, 도 4a 및 삽입 그림에서 보이는 바와 같이 철 NP의 육각형 배열이 잘 형성되었다. 직경, 철 NP 사이의 거리, 및 1×1 μm2에서 철 NP의 수의 평균 값은 각각 3.2 ± 0.6 nm, 59.0 ± 5.6 nm, 및 약 270이었다. 마이셀 I이 사용된 경우와 비교하여, 입자간 거리는 약 30 % 증가한 반면 직경은 변하지 않고 그대로였다. 두 개의 철 NP이 동일한 크기를 가진다는 가정 하에 식 (1)을 사용하여 두 개의 철 NP 사이의 London-van der Waals 힘을 예측할 수 있었다.Next, if the density of iron NP is very sufficient to generate attraction between the NPs, a new iron NP array sample with farther interparticle distance was used because the unstable movement of the floating iron NP would be accelerated further. To this end, a 0.3 wt% solution of PS- b- P2VP micelle (Micelle II) containing 0.2 molar ratio of FeCl 2 per 2VP units was spin coated onto the substrate, as shown in FIG. 4a and inset. The hexagonal arrangement is well formed. The mean values of diameter, distance between iron NPs, and number of iron NPs at 1 × 1 μm 2 were 3.2 ± 0.6 nm, 59.0 ± 5.6 nm, and about 270, respectively. Compared to the case where micelle I was used, the interparticle distance increased by about 30% while the diameter remained unchanged. Assuming that two iron NPs have the same magnitude, Equation (1) can be used to predict the London-van der Waals forces between the two iron NPs.

Figure 112008078247426-pat00001
Figure 112008078247426-pat00001

(1)                                                               (One)

여기서 A는 Hamaker 상수이고, d는 입자의 직경이고, r은 입자 사이의 중심에서 중심까지의 거리이다. 진공에서 철 NP (Fe2O3)에 대한 Hamaker 상수가 23.2 × 10-20 J인 경우, 마이셀 I (d=3.5 nm, r = 45.6 nm) 및 마이셀 II (d=3.2 nm, r = 59.0 nm)에서의 철 NP에 적용되는 van der Waals 힘은 각각 4.23 × 10-24 J 및 2.26 × 10-24 J였다. 따라서, 마이셀 II에서는 약 절반의 입자간 인력으로 탄소용융 환원 반응 동안 철 NP의 이동성이 제약될 것으로 기대되었다. Where A is the Hamaker constant, d is the diameter of the particle, and r is the distance from the center to the center between the particles. When the Hamaker constant for iron NP (Fe 2 O 3 ) in vacuum is 23.2 × 10 -20 J, micelle I (d = 3.5 nm, r = 45.6 nm) and micelle II (d = 3.2 nm, r = 59.0 nm The van der Waals forces applied to iron NP in) were 4.23 × 10 -24 J and 2.26 × 10 -24 J, respectively. Thus, in micelle II, about half of the interparticle attraction was expected to limit the mobility of iron NP during the carbon melt reduction reaction.

실제로, 최적화된 조건에서 마이셀 II로 제조된 철 NP 배열 시료에 탄소용융 환원시킨 경우 철 NP의 이동이 상당히 억제되는 것으로 드러났다 (도 4b). 그러나, 적은 반응성 때문에 나노홀이 외관상 생성되지는 않았다. 이는 놀라운 결과가 아닌데 왜냐하면 이런 특수한 상황에서 철 NP의 억제된 이동은 우회적으로 탄소용융 환원의 효율성이 또한 매우 낮다는 것을 가리키기 때문이다. 이제, 철 NP의 이동성은 계속 효과적으로 억제하고 반응성은 증가시키기 위해, 최적 반응 조건을 다음과 같이 조금씩 튜닝하였다: 1) O2 가스의 함량을 두 배로 증가시켰고, 2) 반응 시간을 증가시켰다. 도 4c는 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 3/500/1000/0/100 sccm 하에서 900 ℃에서 반응 15 분 후 찍은 AFM 이미지를 보여준다. 적은 수의 나노홀이 생성되었으나, 대부분의 철 NP는 계속 처음의 자리에 있다. 도 4c의 삽입 그림은 육각형 꼭지점 상의 두 개의 나노홀 (녹색 원) 및 5 개의 철 NP (적색 원)을 보여준다. 60 분 동안의 연장시킨 반응 후, 두드러진 위치 이동없이 거의 완벽한 나노홀 배열이 마침내 형성되었고 (평균 홀 거리는 59.8 ± 9.5 nm) 홀 밀도는 철 NP 배열과 비교하여 80 %보다 높았다 (도 4d). AFM 프로파일은 나노홀의 상부가 약 16 nm임을 보여주는 데 (도 4e), 이에 의하면 FWHM에서 나노홀의 직경은 약 8 nm가 될 것이다. Indeed, it was found that carbon melt reduction in iron NP array samples made with micelles II under optimized conditions significantly inhibited the movement of iron NP (FIG. 4B). However, due to the low reactivity, no nanoholes were apparently produced. This is not surprising because the suppressed migration of iron NP in this particular situation indirectly indicates that the efficiency of carbon melt reduction is also very low. Now, in order to continue to effectively inhibit the mobility of iron NP and increase the reactivity, the optimum reaction conditions were tuned in small increments as follows: 1) the content of O 2 gas was doubled, and 2) the reaction time was increased. 4C shows an AFM image taken after 15 minutes of reaction at 900 ° C. under O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 3/500/1000/0/100 sccm. Although a small number of nanoholes were produced, most of the iron NPs remained in place first. The inset of FIG. 4C shows two nanoholes (green circles) and five iron NPs (red circles) on hexagonal vertices. After an extended reaction for 60 minutes, a nearly perfect nanohole array was finally formed (with an average hole distance of 59.8 ± 9.5 nm) without noticeable position shift and the hole density was higher than 80% compared to the iron NP array (FIG. 4D). The AFM profile shows that the top of the nanoholes is about 16 nm (FIG. 4E), whereby the diameter of the nanoholes in the FWHM will be about 8 nm.

이하, 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

실시예 Example

철 나노입자 (NP)의 형성 Formation of Iron Nanoparticles (NP)

1) 히드록실아민-매개 형성 1) hydroxylamine-mediated formation

SiO2/Si 기판 (B가 고도핑된 Si 상에 약 500 nm 두께의 SiO2가 열적으로 생성됨, Silicon Valley Microelectronics)을 탈이온수 10 mL에 침지시켰고, 여기에 5 mM FeCl3.6H2O (aq) 10 μL를 첨가하였고, 30 초 후에, 계속하여 40 mM NH2OH.HCl (aq) 100 μL를 첨가하였다. 전체 침지시간은 3 분이었다. SiO2/Si 기판을 탈이온수로 철저히 세척하였고 흐르는 N2 가스로 건조시킨 다음, 공기 중 800 ℃에서 5 분 동안 소결시켰다. An SiO 2 / Si substrate (about 500 nm thick SiO 2 thermally produced on B doped Si, Silicon Valley Microelectronics) was immersed in 10 mL of deionized water, containing 5 mM FeCl 3 .6H 2 O ( aq) 10 μL was added and after 30 seconds, 100 μL of 40 mM NH 2 OH.HCl (aq) was subsequently added. The total immersion time was 3 minutes. The SiO 2 / Si substrate was washed thoroughly with deionized water and dried over flowing N 2 gas and then sintered at 800 ° C. for 5 minutes in air.

2) 페리틴-매개 형성 2) ferritin-mediated formation

SiO2/Si 기판을 2 μg/mL 페리틴 수성 용액 (유형 VII: Human Heart으로부터, Sigma)에 5 분 동안 침지시켰고 다음으로 건조시켰다. 상기 시료를 공기중 800 ℃에서 5 분 동안 소결시켰다.SiO 2 / Si substrates were immersed in 2 μg / mL ferritin aqueous solution (Type VII: Human Heart, Sigma) for 5 minutes and then dried. The sample was sintered at 800 ° C. for 5 minutes in air.

철 NP 배열Iron NP array

폴리스티렌-블럭-폴리(2-비닐피리딘), PS-b-P2VP, (Mn PS = 56 kg/mol, Mn P2VP = 21 kg/mol, Mw/Mn = 1.06, Polymer Source, Inc.) 0.5 중량% (마이셀 I) 또는 0.3 중량% (마이셀 II)를 70 ℃에서 톨루엔에 용해시켰고 4-5 시간 동안 교반하였다. 톨루엔에서, PS-b-P2VP은 자발적으로 구형의 마이셀을 형성하였는데 여기서 소용매성 (solvophobic) P2VP는 핵이 된 반면 친용매성 (solvophilic) PS는 코로나를 형성하였다 (도 2b). 실온까지 냉각시킨 후, 마이셀 I (또는 마이셀 II의 경우 0.2 몰 비)의 경우 2VP 단위에 대해 0.3 몰 비의 FeCl2.4H2O를 마이셀 용액에 용해시켰고 Fe2+ 염이 핵 P2VP 모이어티 내부로 충분히 침투하도록 3 일 이상 격렬히 교반하였다. SiO2/Si 기판 상에 Fe 이온을 포함한 마이셀성 단일층 필름을 형성시키기 위해, 상기 용액을 4000 rpm에서 50 초 동안 스핀 코팅하였다. 마지막으로, O2 플라즈마 (SPI plasma-prepTM II)로 50 mA 및 100 mTorr에서 5 분 동안 처리하여 유기 모이어티(moiety)를 제거했고 시료를 800 ℃ 공기 중에서 5 분 동안 소결시켰다. Polystyrene-block-poly (2-vinylpyridine), PS- b -P2VP, (M n PS = 56 kg / mol, M n P2VP = 21 kg / mol, Mw / Mn = 1.06, Polymer Source, Inc.) 0.5 Wt% (micelle I) or 0.3 wt% (micel II) was dissolved in toluene at 70 ° C and stirred for 4-5 hours. In toluene, PS- b -P2VP spontaneously formed spherical micelles, where solvophobic P2VP became a nucleus while solvophilic PS formed corona (Figure 2b). After cooling to room temperature, 0.3 mole ratio of FeCl 2 .4H 2 O was dissolved in the micelle solution for 2 VP units for micelle I (or 0.2 molar ratio for micelle II) and the Fe 2+ salt was inside the nuclear P2VP moiety. The mixture was stirred vigorously for at least 3 days to sufficiently infiltrate the furnace. To form a micellar monolayer film containing Fe ions on a SiO 2 / Si substrate, the solution was spin coated at 4000 rpm for 50 seconds. Finally, the organic moiety was removed by treatment with O 2 plasma (SPI plasma-prepTM II) at 50 mA and 100 mTorr for 5 minutes and the sample was sintered in 800 ° C. air for 5 minutes.

SiOSiO 22 나노홀 배열의 형성  Formation of Nanohole Arrays

철 NP이 배열된 시료를 O2가 주입된 CVD 시스템 내로 옮겼다. 가열하는 동안 Ar (350 sccm) 및 O2 (3 sccm) 가스를 수송 가스로서 도입하였고 900 ℃에서 계획한 반응 시간 동안 O2, H2, CH4, 및 Ar 가스를 도입하였다. 탄소용융 환원 반응을 마친 후, Ar 가스 (350 sccm)를 제외한 모든 가스를 차단하였고 다음으로 실온까지 냉각시켰다. Samples in which iron NPs were arrayed were transferred into an O 2 injected CVD system. Ar (350 sccm) and O 2 (3 sccm) gases were introduced as transport gases during heating and O 2 , H 2 , CH 4 , and Ar gases were introduced during the planned reaction time at 900 ° C. After the carbon melt reduction reaction, all gases except Ar gas (350 sccm) were blocked and then cooled to room temperature.

한편, 본 명세서에 기재하지 않은 다른 실시예에서 반응 기체인 O2는 H2O 혹은 알코올 증기(메탄 혹은 에탄올)로 대체할 수 있었으며 그 양은 O2의 양과 동일하거나 크게는 5배를 넘지 않았다. 또한 알코올 증기의 사용의 경우에는 별도의 탄화수소 기체가 없어도 무방하였다. On the other hand, in another embodiment not described herein, the reaction gas O 2 could be replaced with H 2 O or alcohol vapor (methane or ethanol) and the amount was not the same or greater than five times the amount of O 2 . In addition, in the case of using alcohol vapor, there was no need for a separate hydrocarbon gas.

본 명세서에 기재하지 않은 또 다른 실시예에서 SiO2 기판의 나노홀의 형성은 이미 형성된 탄소 층(무정형 탄소 또는 흑연층)으로 둘러싸인 철 NP 샘플에 탄소용융 환원 반응을 유도하여 형성시킬 수도 있었다. 탄소 층의 합성은 산소 기체의 주입을 제외하고는 상기의 실험 방법과 동일하였다. 즉, H2/CH4 = 500/1000 sccm으로 900 ℃에서 15분 간 반응시켜 탄소 층을 형성 시킬 수 있었다. 또한 상온에서 용액 상의 화학 반응을 통하여 철 NP-탄소 층의 코어-쉘 구조를 형성할 수 도 있었다. PS-b-P2VP로 코팅된 철 NP 샘플을 SiO2 기판에 스핀 코팅을 하여 정렬시킨 후 O2 플라즈마 처리를 생략하여 본래의 탄소 층을 탄소용융 환원 반응에 그대로 이용할 수 있었다. 이 후 탄소 층으로 코팅된 철 NP이 증착된 기판을 화학기상증착기의 석영 관 안으로 옮긴 후 1000 sccm의 Ar 기체와 3 sccm의 산소 기체 혹은 1000 sccm의 Ar 기체와 3 sccm 정도의 물 증기 (혹은 알코올 증기)를 흘려주면서 900 ℃ 까지 온도를 올리고 60분 이상 반응시킨 후 상온으로 온도를 내려사 탄소용융 환원 반응에 의해 SiO2 나노 홀이 SiO2/Si 기판에 형성됨을 관찰할 수 있었다. In another embodiment not described herein, the formation of nano holes in a SiO 2 substrate could also be formed by inducing a carbon melt reduction reaction in an iron NP sample surrounded by an already formed carbon layer (amorphous carbon or graphite layer). The synthesis of the carbon layer was the same as the above experimental method except for the injection of oxygen gas. That is, H 2 / CH 4 = 500/1000 sccm by 15 minutes at 900 ℃ it was possible to form a carbon layer. It was also possible to form a core-shell structure of the iron NP-carbon layer through a chemical reaction in solution phase at room temperature. Iron NP samples coated with PS- b- P2VP were spin-coated and aligned on a SiO 2 substrate, and then the O 2 plasma treatment was omitted so that the original carbon layer could be used as it was for the carbon melt reduction reaction. Subsequently, the substrate on which the iron NP coated with the carbon layer was deposited was transferred into the quartz tube of the chemical vapor deposition machine, and then 1000 sccm Ar gas and 3 sccm oxygen gas or 1000 sccm Ar gas and 3 sccm water vapor (or alcohol It was observed that the SiO 2 nanoholes were formed on the SiO 2 / Si substrate by the carbon melting reduction reaction by increasing the temperature to 900 ° C. and reacting for 60 minutes or more after flowing the vapor).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

도 1a는 히드록실아민-매개 방법에 의하여 SiO2/Si 기판 상에 형성된 철 NP의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. 1A is a diagram showing an AFM image of iron NP formed on a SiO 2 / Si substrate by a hydroxylamine-mediated method.

도 1b는 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/20/100 sccm의 통상적인 가스 조건 하에서 900 ℃에서 10 분 동안 히드록실아민-매개 방법에 의하여 SiO2/Si 기판 상에 형성된 철 NP를 O2가 주입된 CVD 처리한 후의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. FIG. 1 b shows SiO 2 by hydroxylamine-mediated method at 900 ° C. for 10 minutes under conventional gas conditions of O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/20/100 sccm / Si diagram for iron NP formed on a substrate showing an AFM image after O 2 is injected into the CVD processing.

도 1c는 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-유도된 철 NP의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. (삽입 그림은 고배율확대 이미지로서 스케일 바는 100 nm) 1C is a diagram showing an AFM image of ferritin-induced iron NP on a SiO 2 / Si substrate. (Inset is high magnification image, scale bar is 100 nm)

도 1d는 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/20/100 sccm의 통상적인 가스 조건 하에서 900 ℃에서 10 분 동안 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-유도된 철 NP를 O2가 주입된 CVD 처리한 후의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. 1D shows ferritin-on a SiO 2 / Si substrate for 10 minutes at 900 ° C. under conventional gas conditions of O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/20/100 sccm. the derived iron NP O 2 is injected into a view showing an AFM image after the CVD processing.

도 1e는 SiO2/Si 기판 상에 페리틴-유도된 철 NP을 에틸렌 가스 없이 O2가 주입된 CVD 처리한 후의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. (900 ℃에서 10 분 동안, O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/0/100 sccm, 삽입 그림은 고배율확대 이미지로서 스케일 바는 100 nm) Figure 1e is on the SiO 2 / Si substrate ferritin - a view showing an AFM image after the induction of the iron without NP ethylene gas O 2 are injected into CVD process. (O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/0/100 sccm for 10 min at 900 ° C, inset is high magnification image with scale bar 100 nm)

도 2a는 SiO2/Si 기판 상에 나노홀 배열을 형성하기 위한 두 단계를 개략적으로 도식화한 그림이다. FIG. 2A is a schematic diagram of two steps for forming a nanohole array on a SiO 2 / Si substrate. FIG.

도 2b는 SiO2/Si 기판 상에 나노홀 배열을 형성하기 위한 두 단계 중 첫단계인 핵에 철 이온을 포함하는 PS-b-P2VP 마이셀 배열이 자발적으로 형성되는 것을 상세히 나타낸다. FIG. 2B shows in detail the spontaneous formation of the PS- b- P2VP micelle array containing iron ions in the nucleus, the first of two steps for forming nanohole arrays on a SiO 2 / Si substrate.

도 3a는 SiO2/Si 기판 상의 철 NP 배열 (마이셀 I을 이용)을 보여주는 도면이다. FIG. 3A shows the iron NP array (using micellar I) on SiO 2 / Si substrates.

도 3b는 도 3a의 확대도이다 (삽입 도면은 Fourier 변환된 패턴을 보여준다). FIG. 3B is an enlarged view of FIG. 3A (insertion diagram shows Fourier transformed pattern).

도 3c는 도 3a의 고배율 확대 3-D AFM 이미지를 나타내는 도면이다. 3C is a diagram illustrating the high magnification 3-D AFM image of FIG. 3A.

도 3d는 900 ℃에서 15 분 동안 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/0/100 sccm의 가스 조건 하에서 탄소용융 환원후 처음 NP 밀도와 비교하여 16.5%의 나노홀 밀도를 보여주는 도면이다. FIG. 3d shows 16.5 compared to the initial NP density after carbon melt reduction under gas conditions of O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/0/100 sccm for 15 minutes at 900 ° C. Figure showing nanohole density of%.

도 3e는 도 3d의 확대도이다. 3E is an enlarged view of FIG. 3D.

도 3f는 도 3d의 고배율 확대 3-D AFM 이미지를 나타내는 도면이다. FIG. 3F is a diagram illustrating the high magnification 3-D AFM image of FIG. 3D.

도 3g는 900 ℃에서 15 분 동안 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/1000/1000/0/100 sccm의 가스 조건 하에서 탄소용융 환원 후 처음 NP 밀도와 비교하여 38.8%의 나노홀 밀도를 보여주는 도면이다. Figure 3g is 38.8 compared to the initial NP density after carbon melt reduction under gas conditions of O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 1000/1000/0/100 sccm for 15 minutes at 900 ℃ Figure showing nanohole density of%.

도 3e는 도 3g의 확대도이다. 3E is an enlarged view of FIG. 3G.

도 3f는 도 3g의 고배율 확대 3-D AFM 이미지를 나타내는 도면이다. FIG. 3F is a diagram illustrating the high magnification 3-D AFM image of FIG. 3G.

도 4a는 SiO2/Si 기판 (마이셀 II를 사용) 상의 철 NP 배열의 AFM 이미지를 나타내며 삽입 그림은 Fourier 변환된 패턴을 나타내는 도면이다. 4A shows an AFM image of an iron NP array on a SiO 2 / Si substrate (using micellar II) and an inset is a diagram showing a Fourier transformed pattern.

도 4b는 최적화된 조건 (O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 1.5/500/1000/0/100 sccm 900 ℃에서 15 분 동안) 하에서 O2가 주입된 CVD 처리 후의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. 4B shows AFM after CVD treatment with O 2 implanted under optimized conditions (O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 1.5 / 500/1000/0/100 sccm for 15 minutes at 900 ° C.). It is a figure which shows an image.

도 4c는 O2/H2/CH4/C2H4/Ar = 3/500/1000/0/100 sccm의 변화된 가스 조건 하에서 900 ℃에서 15 분 반응 후 부분적으로 형성된 나노홀의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다 (삽입 그림은 고배율 확대 이미지를 나타내며 스케일 바는 50 nm이다. 그림에서 보이는 적색 원은 남아있는 철 NP을 나타내며 녹색 원은 나노홀을 나타낸다.). 4C shows an AFM image of partially formed nanoholes after 15 min reaction at 900 ° C. under changed gas conditions of O 2 / H 2 / CH 4 / C 2 H 4 / Ar = 3/500/1000/0/100 sccm Figure (Inset shows high magnification image, scale bar is 50 nm. Red circle shown shows remaining iron NP and green circle shows nanohole).

도 4d는 60 분 동안의 장기의 반응으로부터 얻어진 거의 완벽한 나노홀 배열의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다 (삽입 그림은 고배율 확대 이미지를 나타내며 스케일 바는 50 nm이다. 그림에서 보이는 녹색 원은 나노홀을 나타낸다.). FIG. 4D shows an AFM image of a nearly perfect nanohole array obtained from a long-term reaction for 60 minutes (Inset figure shows high magnification image and scale bar is 50 nm. Green circle shown shows nano hole) .).

도 4e는 60 분 동안의 장기의 반응으로부터 얻어진 거의 완벽한 나노홀 배열의 3-D 이미지이며 단일 나노홀의 AFM 폭 프로파일을 보여주는 도면이다.FIG. 4E is a 3-D image of a nearly perfect nanohole array obtained from a long-term reaction of 60 minutes and shows the AFM width profile of a single nanohole.

Claims (20)

기판 상부에 절연층을 형성하는 단계; Forming an insulating layer on the substrate; 상기 절연층 상부에 금속 혹은 전이 금속 입자를 증착하는 단계; Depositing metal or transition metal particles on the insulating layer; 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층을 형성시키는 단계; 및Forming a carbon layer in contact with the metal particles; And 상기 절연층을 탄소용융환원(carbothermal reduction) 시켜 나노 홀을 형성시키는 단계; Carbothermal reduction of the insulating layer to form nano holes; 를 포함하며,Including; 상기 탄소 층이 400 내지 1500℃에서 탄소소스 기체를 주입하거나 또는 0 내지 300 ℃에서 탄소기가 포함된 용액 상의 화학 반응을 통하여 상기 금속 입자 상에 형성되어 절연층에 나노 홀을 형성시키는 방법. Wherein the carbon layer is formed on the metal particles by injecting a carbon source gas at 400 to 1500 ° C. or through a chemical reaction on a solution containing carbon groups at 0 to 300 ° C. to form nano holes in the insulating layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자가 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 마이셀(micelle), Languir-Blodgett 기술, 표면 프로그램된 어셈블리 (surface-programmed assembly), 용액 증발법 또는 기판의 스텝 에지 (step edge), 전자기장 사용 등을 통해 정렬됨을 특징으로 하는 방법.The metal or transition metal particles may be polymers, block copolymers, surfactants, micelles, Languir-Blodgett technology, surface-programmed assemblies, solution evaporation methods or step edges of substrates, Characterized in that it is aligned through the use of electromagnetic fields. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절연층의 나노 홀이 패턴을 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.And the nano holes of the insulating layer are formed in a pattern. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기판이 실리콘 웨이퍼, 사파이어, 유리, 석영, 금속, 알루미나, 및 플 라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.And wherein said substrate is selected from the group consisting of silicon wafers, sapphire, glass, quartz, metals, alumina, and plastics. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절연층이 규소를 포함하는 화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. And wherein said insulating layer is formed of a compound comprising silicon. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절연층이 산화규소, 이산화규소, 질산화규소, 및 질화규소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. And the insulating layer is formed of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitrate, and silicon nitride. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자가 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 루비듐(Ru), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 망간(Mn), 주석(Sn), 백금(Pt) 혹은 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법. The metal or transition metal particle is nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), molybdenum (Mo), aluminum (Al), rhodium (Rh), rubidium (Ru), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), magnesium (Mg), chromium (Cr), manganese (Mn), tin (Sn), platinum (Pt) or alloys thereof How to feature. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자가 스핀 코팅(spin-coating), 용액의 주입 및 증발, 메탈 증착, 스퍼터링(sputtering) 또는 리소그래피 방법을 이용하여 증착됨을 특징으로 하는 방법. The metal or transition metal particles are deposited using spin-coating, injection and evaporation of a solution, metal deposition, sputtering or lithography. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 탄소용융환원 (carbothermal reduction) 단계가 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.And forming a carbon layer in contact with the metal particles and a carbothermal reduction step. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 상기 탄소 용융 환원 단계가 수소, 아르곤 및 알코올을 동시에 주입하면서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법. Forming a carbon layer in contact with the metal particles and the carbon melt reduction step occurs while simultaneously injecting hydrogen, argon and alcohol. 제 10 항에 있어서, 11. The method of claim 10, 상기 알코올의 함량이 총 기체 부피의 0.01 내지 70 % 인 것을 특징으로 하는 방법. Wherein the content of alcohol is from 0.01 to 70% of the total gas volume. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 금속 입자에 접촉하는 탄소 층 형성 단계 및 상기 탄소 용융 환원 단계가 물 또는 산소, 수소, 아르곤 및 탄화 수소를 동시에 주입하면서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.Forming a carbon layer in contact with the metal particles and the carbon melt reduction step occur while simultaneously injecting water or oxygen, hydrogen, argon and hydrocarbons. 제 12 항에 있어서, 13. The method of claim 12, 상기 물의 함량이 총 기체 부피의 0.01 내지 10 % 이고, 상기 산소의 함량이 총 기체 부피의 0.01 내지 5 % 인 것을 특징으로 하는 방법. The water content is 0.01 to 10% of the total gas volume and the oxygen content is 0.01 to 5% of the total gas volume. 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 입자 상의 탄소 층이 탄화소스 기체 및 탄소기가 포함된 용액 상을 동시에 주입함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.And the carbon layer on the metal particles is formed by simultaneously injecting a solution phase comprising a carbon source gas and a carbon group. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 입자 상의 탄소 층이 용액 상에 고분자, 블록공중합체, 계면활성제, 혹은 마이셀(micelle)의 화학반응을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.And the carbon layer on the metal particles is formed on the solution through a chemical reaction of a polymer, a block copolymer, a surfactant, or a micelle. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속 혹은 전이 금속 입자가 0.5 내지 1000 nm의 평균 지름을 가지며, 상기 절연층의 나노 홀이 0.5 내지 1500 nm의 평균 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 방법. The metal or transition metal particles have an average diameter of 0.5 to 1000 nm, and the nano holes of the insulating layer have an average width of 0.5 to 1500 nm. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄소용융환원반응이 산소 및 비활성기체를 주입하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법. And the carbon melt reduction reaction is performed while injecting oxygen and an inert gas. 제 18 항에 있어서, The method of claim 18, 상기 산소의 함량이 총 기체 부피의 0.0001 내지 30 % 인 것을 특징으로 하는 방법. The oxygen content is 0.0001 to 30% of the total gas volume. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄소용융환원반응이 700 내지 1700 ℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법. The carbon melt reduction reaction is characterized in that at a temperature of 700 to 1700 ℃.
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