KR101200864B1 - Fabrication Method of Metal Silicide Single Crystalline Nanowire and The Oriented Metal Silicide Single Crystalline Nanowire - Google Patents

Fabrication Method of Metal Silicide Single Crystalline Nanowire and The Oriented Metal Silicide Single Crystalline Nanowire Download PDF

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Abstract

본 발명은 무-촉매, 무-템플레이트(template-free) 조건으로, 단축 직경의 길이가 엄밀하게 조절되며 기판에 대해 일정한 방향성을 가지며, 기판 상 독립적으로 서 있는(free-standing) 규화철 나노와이어의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 규화철 나노와이어에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 제조방법은 반응로의 전단부에 위치한 할로겐화철을 함유하는 제1선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 규소(Si) 및 탄소(C)를 함유하는 제2선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 기판을 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 상기 기판 상에 규화철 나노와이어가 제조되며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 상기 기판상 형성되는 상기 규화철 나노와이어의 단축 방향과 장축 방향의 상대적 성장 속도가 제어되는 특징이 있다.The present invention is a catalyst-free, template-free condition, in which the length of the minor axis diameter is tightly controlled and has a constant orientation with respect to the substrate, and free-standing iron silicide nanowires on the substrate. The present invention relates to a method for producing iron nanowires prepared using the same, and in detail, the method according to the present invention includes a first precursor containing iron halide located at a front end of a reactor, and a rear end of the reactor. The second precursor containing silicon (Si) and carbon (C) located in the substrate, the substrate located in the rear end of the reactor is heat-treated in an atmosphere of flowing inert gas to produce iron silicide nanowires on the substrate, The relative growth rate in the short axis direction and the long axis direction of the iron silicide nanowires formed on the substrate is controlled by the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor.

Description

규화금속 단결정 나노와이어의 제조방법 및 방향성을 갖는 규화금속 단결정 나노와이어{Fabrication Method of Metal Silicide Single Crystalline Nanowire and The Oriented Metal Silicide Single Crystalline Nanowire}Fabrication Method of Metal Silicide Single Crystalline Nanowire and The Oriented Metal Silicide Single Crystalline Nanowire

본 발명은 무-촉매(catalyst-free), 무-템플레이트(template-free)로 규화철 단결정 나노와이어를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상세하게, 조성 및 구조의 변화 없이 규화철 단결정 나노와이어의 단축 직경의 길이가 제어되며, 기판에 에피텍샬 성장하여 기판과 일정한 방향성을 갖는 규화철 단결정 나노와이어를 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for preparing iron silicide single crystal nanowires in a catalyst-free, template-free manner, in detail, the shortening of iron silicate single crystal nanowires without change in composition and structure. The length of the diameter is controlled, and relates to a method for producing an iron silicide single crystal nanowire having a constant orientation with the substrate by epitaxial growth on the substrate.

규화 전이 금속은 나노 스케일에서의 전자공학(electronics), 광기전성 소자(photovoltaic), 열전 소자(thermoelectric), 스핀트로닉스(spintronics) 소자에 폭넓게 사용될 잠재적 응용성이 있어 오래 동안 많은 주목을 받아 왔다 (J. D. Kim, W. A. Anderson, Nano Lett, 6, 1356(2006); Y. Maeda, K. Umezawa, Y. Hayashi, K. Miyake, K. Ohashi, Thin Solid Films, 381. 256(2001); I. Aoyama, H. Kaibe, L. Rauscher, T. Kanda, M. Mukoujima, S. Sano, T. Tsuji, Jpn. J. Appl. Phys, 44. 4275(2005); A.L. Schmitt, J. M. Higgins, S. Jin, Nano Lett, 8. 810(2008)). 그 중에서 규화철은 온도에 의존하여 이례적인 전기적, 광적, 자기적(anomalous electrical, optical, magnetic) 특성을 나타내는 상자성 반도체 물질로서 현재까지 상온에서 콘도(Kondo)성질을 보이는 유일한 전이 금속 콘도 절연체(Kondo insulator)로 알려져 있다(S. Paschen, E. Felder, M. A. Chernikov, L. Degiorgi, H. Schwer, H. R. Ott, Phys. Rev. B,. 56. 12916 (1997); E. Aeppli, J. F. Ditusa, Mater. Sci. Eng. B, 63. 119(1999)). Silicide transition metals have received a lot of attention for a long time because of their potential applications in nanoscale electronics, photovoltaic, thermoelectric and spintronics devices (JD). Kim, WA Anderson, Nano Lett, 6, 1356 (2006); Y. Maeda, K. Umezawa, Y. Hayashi, K. Miyake, K. Ohashi, Thin Solid Films, 381. 256 (2001); I. Aoyama, H. Kaibe, L. Rauscher, T. Kanda, M. Mukoujima, S. Sano, T. Tsuji, Jpn. J. Appl. Phys, 44. 4275 (2005); AL Schmitt, JM Higgins, S. Jin, Nano Lett, 8. 810 (2008)). Among them, iron silicide is a paramagnetic semiconductor material exhibiting unusual electrical, optical, and magnetic properties depending on temperature, and the only transition metal consulator (Kondo insulator) exhibiting Kondo properties at room temperature to date. (S. Paschen, E. Felder, MA Chernikov, L. Degiorgi, H. Schwer, HR Ott, Phys. Rev. B ,. 56. 12916 (1997); E. Aeppli, JF Ditusa, Mater. Sci. Eng. B, 63. 119 (1999)).

한편, 자기 조립(self-assembly)된 규화 금속 나노와이어는 완벽한 단결정성, 금속 저항성, 및 실리콘을 기반으로 한 소자 제작 과정에서의 적합성 등의 장점을 가질 것으로 예상되어, 자기 조립된 에피텍샬(epitaxial) 규화 전이 금속 나노와이어 및 규화 희토류 금속 나노와이어의 개발을 위한 많은 연구가 진행 중이다 ( H. C. Hsu, W. W. Wu, H. F. Hsu, L. J. Chen, Nano Lett, 7. 885(2007); Y. Chen, D. A. A. Ohlberg, R. S. Williams, J. Appl. Phys, 91. 3213(2002)). Self-assembly metal silicide nanowires, on the other hand, are expected to have advantages such as perfect monocrystalline, metal resistivity, and compatibility in silicon-based device fabrication, and thus are self-assembled epitaxial. Much research is underway to develop silicified transition metal nanowires and silicified rare earth metal nanowires (HC Hsu, WW Wu, HF Hsu, LJ Chen, Nano Lett, 7. 885 (2007); Y. Chen, DAA Ohlberg) RS Williams, J. Appl. Phys, 91. 3213 (2002)).

하지만 지금까지 보고된 에피텍샬하게 자기 조립된 규화 금속 나노와이어들은 모두 기판에 수평 성장한 것으로, 다기능성 및 고집적이 가능한 3차원의 복합 구조체(integrated platform)의 제작에 응용하기에는 많은 어려움이 있다. 따라서 3차원의 복합 구조 소자 제작을 위해서는 기판 위에 특정한 방향으로 정렬되어 독립구조로서 위치해 있는 나노와이어를 합성하는 것이 매우 유용할 것으로 기대된다. However, all of the epitaxially self-assembled metal silicide nanowires reported so far are horizontally grown on a substrate, and there are many difficulties in applying them to the fabrication of a multifunctional and highly integrated three-dimensional integrated platform. Therefore, it is expected to synthesize nanowires which are arranged in a specific direction on a substrate and positioned as independent structures for manufacturing a three-dimensional composite structure device.

최근, 기판에 대하여 일정한 각도를 가지고 에피텍샬하게 성장한 ZnO, Si, 및 InP 나노와이어 등의 반도체 나노와이어의 합성에 대하여 보고된 바 있으나, 이들 나노와이어의 합성을 위해서는 금속 촉매 또는 추가적인 필름 형성 등의 전 처리를 필요로 한다(P. Yang, H. Yan, S. Mao, R. Russo, J. Johnson, R. Saykally, N. Morris, J. Pham, R. He, H. J. Choi, Adv. Funct. Mater. 12, 323(2002); Al. I. Hochbaum, R. Fan, R. He, P. Yang, Nano Lett. 5, 457(2005); L. Gao, R. L. Woo, B. Liang, M. Pozuelo, S. Prikhodko, M, Jackson, N. Goel, M. K. Hudait, D. L. Huffaker, M. S. Goorsky, S. Kodambaka, R. F. Hicks, Nano Lett, 9. 2223(2009)). Recently, the synthesis of semiconductor nanowires such as ZnO, Si, and InP nanowires grown epitaxially at a constant angle with respect to a substrate has been reported, but for the synthesis of these nanowires, metal catalysts or additional film formation, etc. Pretreatment (P. Yang, H. Yan, S. Mao, R. Russo, J. Johnson, R. Saykally, N. Morris, J. Pham, R. He, HJ Choi, Adv. Funct. Mater. 12, 323 (2002); Al. I. Hochbaum, R. Fan, R. He, P. Yang, Nano Lett. 5, 457 (2005); L. Gao, RL Woo, B. Liang, M. Pozuelo, S. Prikhodko, M, Jackson, N. Goel, MK Hudait, DL Huffaker, MS Goorsky, S. Kodambaka, RF Hicks, Nano Lett, 9. 2223 (2009)).

하지만, 촉매 없이 방향성 있게 독립구조로서 성장한 규화 전이 금속 나노와이어에 대한 연구는 아직까지 보고된 바 없다 However, no studies have been reported on silicified transition metal nanowires grown directionally and freely without a catalyst.

본 발명은 촉매 및 템플레이트를 사용하지 않고 간단한 화학 기상 이동법을 통하여 무-촉매, 무-템플레이트 조건으로, 단축 길이의 엄밀한 조절이 가능하며, 기판에 에피텍샬 성장하여 일정한 방향성을 가지며, 독립적으로 서 있는(free-standing) 규화철 나노와이어의 제조방법을 제공하고자 한다. The present invention is a catalyst-free, template-free condition without the use of catalysts and templates, it is possible to precisely control the length of the short axis in a catalyst-free, template-free condition, epitaxial growth on the substrate has a certain direction, independently A method of making free-standing iron silicide nanowires is provided.

기판으로부터 에피텍샬하게 합성된 규화금속 나노와이어의 성장을 조절함으로써 미래의 상보성 금속산화물 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)에서의 저항성 접촉(ohmic contact) 또는 내부연결(interconnect)로 좀 더 손쉽게 응용될 수 있을 것으로 생각되며, 또한 고집적, 고성능의 실현이 가능할 것으로 예상되는 3차원의 광(photonic) 및 스핀트로닉(spintronic) 소자의 개발에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.By regulating the growth of epitaxially synthesized metal silicide nanowires from the substrate, it is easier to use ohmic contacts or interconnects in future complementary metal-oxide-semiconductors (CMOS). It is expected to be applicable to the development of three-dimensional photonic and spintronic devices, which are expected to be applicable and are expected to realize high integration and high performance.

본 발명은 무-촉매, 무-템플레이트 조건으로, 단축 직경의 길이가 조절되며, 일정한 방향성을 갖는 규화철 나노와이어의 제조방법을 제공하는 것이며, 수 마이크로미터 이상의 길이를 가지고 엄밀하게 단축 직경의 길이가 조절되며, 기판에 에피텍샬(epitaxial) 성장하여 일정한 방향성을 가지며 독립적으로 서 있는(free-standing) 규화철 나노와이어를 제공하는 것이다.
The present invention provides a method for producing iron silicide nanowires having a constant orientation and having a fixed direction in a catalyst-free, template-free condition, and having a length of several micrometers or more and a strictly short diameter diameter. Is controlled and epitaxially grown on the substrate to provide free-standing iron silicide nanowires with constant orientation.

본 발명에 따른 규화철 나노와이어의 제조방법은 반응로의 전단부에 위치한 할로겐화철을 함유하는 제1선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 규소(Si) 및 탄소(C)를 함유하는 제2선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 기판을 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 상기 기판 상에 규화철 나노와이어가 제조되며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 상기 기판상 형성되는 상기 규화철 나노와이어의 단축 방향과 장축 방향의 상대적 성장 속도가 제어되는 특징이 있다.The method for producing iron silicide nanowires according to the present invention comprises a first precursor containing iron halides located at the front end of the reactor, and a silicon (Si) and carbon (C) located at the rear end of the reactor. The iron precursor nanowires are manufactured on the substrate by heat-treating a two precursor material and a substrate located at the rear end of the reactor in an inert gas flowing atmosphere, and the silicon precursor of the second precursor material on the substrate by the mass ratio of silicon: carbon. The relative growth rate in the short axis direction and the long axis direction of the iron silicide nanowires formed is controlled.

특징적으로, 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 상기 규화철 나노와이어의 단축 직경이 제어되며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비의 변화에 의해 일정한 조성 및 결정구조가 유지되며 단축 직경이 제어된 규화철 나노와이어가 제조된다. Specifically, the short axis diameter of the iron silicide nanowire is controlled by the silicon: carbon mass ratio of the second precursor, and the composition and crystal structure of the second precursor are maintained by the change of the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor. Iron silicide nanowires with controlled short axis diameters are produced.

본 발명에 따른 제조방법은 상기 제2선구물질의 규소 함유량을 감소시켜 상기 규화철 나노와이어의 단축 직경을 감소시키는 특징이 있으며, 상세하게, 상기 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비는 1:8~20로 제어하여, 단축 직경이 50 내지 350nm인 규화철 나노와이어가 제조되는 특징이 있다.The production method according to the present invention is characterized by reducing the uniaxial diameter of the iron silicide nanowires by reducing the silicon content of the second precursor, in detail, the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor is 1: By controlling to 8 to 20, the iron silicate nanowire having a short axis diameter of 50 to 350 nm is produced.

상기 규화철 나노와이어의 단축 직경을 제어하기 위해 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비를 변화시킴에도 불구하고, 상기 규화철 나노와이어는 일정한 조성을 가지며, 상기 규화철 나노와이어는 Fe1Si1인 특징이 있다.In order to control the uniaxial diameter of the iron silicide nanowires, although the silicon: carbon mass ratio of the second precursor is changed, the iron silicide nanowires have a constant composition, and the iron silicide nanowires are made of Fe 1 Si 1. There is a characteristic that is.

상기 규화철 나노와이어의 단축 직경을 제어하기 위해 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비를 변화시킴에도 불구하고, 상기 규화철 나노와이어는 일정한 결정구조를 가지며, 상기 규화철 나노와이어는 입방정계 B20형 구조(space group P213)인 특징이 있다.In order to control the uniaxial diameter of the iron silicide nanowires, although the silicon: carbon mass ratio of the second precursor is changed, the iron silicide nanowires have a constant crystal structure, and the iron silicide nanowires have a cubic system. It is characterized by a B20 type structure (space group P2 1 3).

나아가, 상기 제조방법에 의해 제조되는 규화철 나노와이어는 트윈(twin)을 포함한 면결함이 없는 단결정체인 특징이 있다.Furthermore, the iron silicide nanowires produced by the above production method are characterized by being single crystal without defects including twins.

바람직하게, 상기 기판 하부에 상기 제2선구물질이 위치하여, 상기 기판 상 규화철 나노와이어가 제조되며, 본 발명에 따른 제조방법에 있어, 상기 반응로 전단부는 450 ℃ 내지 600 ℃로 유지되며, 상기 반응로 후단부는 900 ℃ 내지 1000 ℃로 유지되고, 상기 불활성 기체는 반응로 전단부에서 반응로 후단부로 흐르며, 상기 불활성 기체의 유량은 100 내지 300 sccm인 특징이 있다. Preferably, the second precursor is located below the substrate, the iron silicide nanowires are manufactured on the substrate, in the manufacturing method according to the present invention, the front end of the reactor is maintained at 450 ℃ to 600 ℃, The rear end of the reactor is maintained at 900 ℃ to 1000 ℃, the inert gas flows from the front end of the reactor to the rear end of the reactor, the flow rate of the inert gas is characterized in that 100 to 300 sccm.

특징적으로, 상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장하여 제조되는 특징이 있으며, 에피텍샬 성장에 의해, 상기 규화철 나노와이어는 상기 기판의 표면에 대해 일정한 배향성을 갖는 특징이 있으며, 상기 기판 상에 독립적으로 서 있는(free-standing) 특징이 있다.In particular, the iron silicide nanowires may be epitaxially grown on the substrate, and by epitaxial growth, the iron silicide nanowires may have a constant orientation with respect to the surface of the substrate. And free-standing on the substrate.

본 발명에 따른 규화철 나노와이어는 반응로의 전단부에 위치한 할로겐화철을 함유하는 제1선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 규소(Si) 및 탄소(C)를 함유하는 제2선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 기판을 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 제조되며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 단축 직경이 제어된 규화철 나노와이어인 특징이 있다.Iron silicide nanowires according to the present invention is a first precursor containing iron halides located at the front end of the reactor, a second precursor containing silicon (Si) and carbon (C) located at the rear end of the reactor And, the substrate located in the rear end of the reactor is manufactured by heat treatment in the atmosphere flowing inert gas, characterized in that the iron silica nanowires whose uniaxial diameter is controlled by the silicon to carbon mass ratio of the second precursor.

상기 단축 직경이 제어된 규화철 나노와이어는 Fe1Si1인 특징이 있으며, 입방정계 B20형 구조(space group P213)를 갖는 특징이 있으며, 트윈을 포함한 면결함이 없는 단결정체인 특징이 있다.The iron silicate nanowires with controlled short axis diameters are characterized by Fe 1 Si 1 , have a cubic B20 type structure (space group P2 1 3), and are characterized by being single crystal without defects including twins. .

상기 규화철 나노와이어의 장축 방향은 [110]이며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 제어된 규화철 나노와이어의 단축 직경은 50 내지 350nm인 특징이 있다.The major axis direction of the iron silicide nanowire is [110], and the short axis diameter of the iron silicide nanowire controlled by the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor is 50 to 350 nm.

보다 특징적으로, 상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장하여, 기판의 표면에 대해 일정한 배향성을 가지며, 상기 기판 상에 독립적으로 서 있는(free-standing) 특징이 있다.
More particularly, the iron silicide nanowires are epitaxially grown on the substrate, have a constant orientation with respect to the surface of the substrate, and are free-standing on the substrate.

본 발명에 따른 규화철 나노와이어 제조방법은 조성 및 결정 구조의 변화 없이 나노와이어의 단축 직경만을 엄밀히 제어할 수 있는 장점이 있으며, 기판 표면에 대해 일정한 방향성을 가지며 독립적으로 서 있는 규화철 나노와이어를 제조할 수 있는 장점이 있으며, 고순도이며 규화철 나노와이어를 단시간에 대량생산할 수 있는 장점이 있으며, 나아가 단일한 규화철 나노와이어가 트윈(twin)을 포함한 면결함이 존재하지 않는 단일한 단결정체로 이루어진 고품질의 규화철 나노와이어를 제조할 수 있는 장점이 있다.
Iron silicide nanowire manufacturing method according to the present invention has the advantage that can strictly control only the uniaxial diameter of the nanowire without a change in composition and crystal structure, it has a constant orientation to the substrate surface and independently standing iron silicide nanowire It has the advantage of manufacturing, high purity and the advantage of mass production of iron silicide nanowires in a short time, and furthermore, the single iron silicide nanowires are single crystals with no defects including twin. There is an advantage that can be made of high quality iron silicide nanowires made.

도 1은 본 발명의 제조방법이 수행되는 장치를 도시한 일 구성도이며,
도 2는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 규화철 나노와이어의 규소분말과 탄소분말의 혼합 비율에 따른 나노와이어 단축 직경을 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 제2선구물질의 규소:탄소 질량비가 1:20 인 경우, 방향성 있게 성장한 규화철 나노와이어의 (a) 투과전자 현미경 사진 (첨부사진 : 제한시야전자회절 패턴) 및 (b) 고분해능 투과전자 현미경 사진 (첨부사진 : 2차원 고속푸리에변환 패턴)이며,
도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 제2선구물질의 규소:탄소 질량비가 1:8 인 경우, 방향성 있게 성장한 규화철 나노와이어의 (a) 투과전자 현미경 사진 (첨부사진 : 제한시야전자회절 패턴) 및 (b) 고분해능 투과전자 현미경 사진 (첨부사진 : 2차원 고속푸리에변환 패턴)이며,
도 5는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 규화철 나노와이어의 엑스선 회절 패턴이며,
도 6은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 규화철 나노와이어의 투과전자현미경-에너지분산분석기(TEM-EDS)를 통한 성분 분석결과이며,
도 7은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 규화철 나노와이어의 주사전자현미경 사진으로, (a) 사파이어 기판 위에 방향성 있게 성장한 규화철 나노선의 저배율 주사전자현미경 사진 및 (b) 고배율 주사전자현미경 사진(첨부사진: 기판 위에서 나노선과 함께 관찰되는 시드의 주사전자 현미경 사진)으로, (b)의 빨간색과 초록색의 화살표는 기판에 대한 나노와이어의 성장방향을 나타낸 것이며,
도 8은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 규화철 나노와이어의 주사전자현미경 사진으로, (a) 사파이어 기판 위에 합성된 다양한 형태의 규화철 시드의 주사전자 현미경 사진이며, (b)~(j) 3가지 유형의 시드와 특정 방향으로 성장한 나노선 팁 및 뿌리, 시드 나노결정의 확대 주사전자 현미경 사진이다.
1 is a configuration diagram showing an apparatus in which the manufacturing method of the present invention is performed,
2 is a diagram showing the diameter of the nanowire short axis according to the mixing ratio of the silicon powder and the carbon powder of the iron silicide nanowires prepared according to the production method of the present invention,
Figure 3 is a (a) transmission electron micrograph of the silicon silica nanowires directionally grown when the silicon: carbon mass ratio of the second precursor according to the manufacturing method of the present invention (attached photo: restriction field electron diffraction pattern ) And (b) high-resolution transmission electron micrograph (attached photo: two-dimensional fast Fourier transform pattern),
Figure 4 is a (a) transmission electron micrograph of the iron silicide nanowires grown directionally when the silicon: carbon mass ratio of the second precursor is 1: 8 according to the production method of the present invention (attached photo: restriction field electron diffraction pattern ) And (b) high-resolution transmission electron micrograph (attached photo: two-dimensional fast Fourier transform pattern),
5 is an X-ray diffraction pattern of iron silicide nanowires prepared according to the method of the present invention.
6 is a result of component analysis through a transmission electron microscope-energy dispersion analyzer (TEM-EDS) of the iron silicide nanowires prepared according to the method of the present invention.
7 is a scanning electron micrograph of the iron silicide nanowires prepared according to the manufacturing method of the present invention, (a) a low magnification scanning electron micrograph and (b) a high magnification scanning electron microscope photograph of iron silicide nanowires grown directionally on a sapphire substrate (Attachment: Scanning Electron Micrograph of Seed Observed with Nanowires on the Substrate), the red and green arrows in (b) indicate the growth direction of the nanowires on the substrate,
8 is a scanning electron micrograph of the iron silicide nanowires prepared according to the manufacturing method of the present invention, (a) scanning electron micrographs of various types of iron silicide seeds synthesized on a sapphire substrate, (b) to (j An enlarged scanning electron micrograph of three types of seeds, nanowire tips and roots grown in specific directions, and seed nanocrystals.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, a manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided by way of example so that the spirit of the invention to those skilled in the art can fully convey. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Also, throughout the specification, like reference numerals designate like elements.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 발명의 규화철 나노와이어의 제조방법은 반응로의 전단부에 위치시킨 제1선구물질, 반응로의 후단부에 위치시킨 제2선구물질, 및 반응로의 후단부에 위치시킨 기판을 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 상기 기판의 표면에 규화철 나노와이어가 형성되어, 무-촉매 및 무-템플레이트 조건에서 규화철 나노와이어가 제조되는 특징이 있으며, 상기 제1선구물질이 할로겐화철을 함유하며, 상기 제2선구물질이 규소(Si) 및 탄소(C)를 함유하고, 상기 제2선구물질의 규소와 탄소의 상대적 함량을 조절하여, 규화철 나노와이어의 단축 방향의 성장속도와 장축방향의 성장속도간의 상대적인 성장 속도를 제어하는 특징이 있다.In the method for producing iron silicide nanowires of the present invention, a first precursor placed at the front end of the reactor, a second precursor placed at the rear end of the reactor, and a substrate placed at the rear end of the reactor are inert gas. Heat treatment in an atmosphere of flowing iron sulfide nanowires are formed on the surface of the substrate, characterized in that the iron silicide nanowires are produced in the catalyst-free and template-free conditions, the first precursor contains iron halide The second precursor contains silicon (Si) and carbon (C), and by controlling the relative content of silicon and carbon of the second precursor, the growth rate in the short axis direction and the long axis direction of the iron silicide nanowires are controlled. There is a characteristic that controls the relative growth rate between growth rates.

상세하게, 상기 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비를 제어하여 상기 규화철 나노와이어의 단축 방향 성장속도를 제어하여, 제조되는 규화철 나노와이어의 단축 직경을 엄밀하게 제어한다.In detail, by controlling the mass ratio of silicon to carbon of the second precursor, the growth rate of the uniaxial direction of the iron silicide nanowires is controlled to precisely control the short axis diameter of the manufactured iron silicide nanowires.

이때, 규화철 나노와이어의 단축 직경을 제어하기 위해, 상기 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비를 변화시켜도, 동일한 조성 및 동일한 결정구조의 규화철 나노와이어가 제조되고, 제조되는 나노와이어의 장축 방향의 길이는 거의 변화되지 않으며, 단축 직경만이 정밀하게 조절되는 특징이 있다.At this time, in order to control the uniaxial diameter of the iron silicide nanowires, even if the mass ratio of silicon to carbon of the second precursor is changed, iron silicide nanowires having the same composition and the same crystal structure are produced, and the long axis of the nanowires to be manufactured. The length of the direction is hardly changed, and only the minor axis diameter is precisely controlled.

상세하게, 본 발명에 따른 제조방법에 있어, 상기 제2선구물질의 규소 함유량을 감소시켜 상기 나노와이어의 단축 방향의 성장속도를 감소시킴으로써 상기 규화철 나노와이어의 단축 직경이 단축되는 특징이 있다.Specifically, in the manufacturing method according to the present invention, the short axis diameter of the iron silicide nanowires is shortened by reducing the silicon content of the second precursor and reducing the growth rate in the short direction of the nanowires.

보다 상세하게, 상기 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비는 1 : 8 ~ 20인 특징이 있으며, 상기 규소 대비 탄소의 질량이 증가함에 따라, 제조되는 규화철 나노와이어의 단축 직경이 감소하는 특징이 있다. 상세하게, 상기 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비를 1 : 8 ~ 20로 제어하여 350nm 내지 50nm의 단축 직경을 갖는 규화철 나노와이어가 제조되는 특징이 있다.More specifically, the silicon: carbon mass ratio of the second precursor is characterized in that 1: 8 to 20, and as the mass of carbon to silicon increases, the uniaxial diameter of the manufactured iron silicide nanowires decreases. There is this. Specifically, the silicon silica nanowires having a short axis diameter of 350 nm to 50 nm are manufactured by controlling the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor to 1: 8 to 20.

이때, 수 내지 수십 마이크로미터 오더의 길이를 가지며 단축직경이 50 내지 350nm로 조절되는 규화철 나노와이어는 Fe1Si1로 조성이 유지되는 특징이 있으며, 입방정계 B20형 구조(space group P213)로 구조가 유지되는 특징이 있다. In this case, the iron silicide nanowire having a length of several tens to several tens of micrometers and having a short axis diameter of 50 to 350 nm is characterized in that the composition is maintained as Fe 1 Si 1 , and a cubic B20 type structure (space group P2 1 3). ) Structure is maintained.

이때, 단일한 나노와이어가 트윈을 포함한 면 결함이 존재하지 않는 단일한 단결정체로 이루어진, 단결정체의 규화철 나노와이어가 제조되는 특징이 있다. At this time, the single nanowires are made of a single single crystal without a surface defect including a twin, characterized in that the single crystal iron silicide nanowires are produced.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법의 제1 핵심사상은 나노와이어의 장축 방향의 성장속도에는 미미한 영향을 미치며, 단축 방향의 성장속도에 영향을 미치는 제어인자로, 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비를 사용하는 것이다. 이에 의해, 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비를 이용하여 유사한 장축 방향의 길이를 가지며 단축 직경의 길이가 엄밀하게 제어된 규화철 나노와이어가 제조된다.As described above, the first core idea of the manufacturing method according to the present invention is a control factor which has a slight influence on the growth rate in the long axis direction of the nanowire and affects the growth rate in the short axis direction, and the silicon of the second precursor material. : Use mass ratio of carbon. Thereby, iron silicide nanowires having a length in a similar long axis direction and controlled strictly in length of a short axis diameter using a silicon to carbon mass ratio of the second precursor are produced.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법의 제2 핵심사상은 단축 방향의 성장속도에 영향을 미치는 제어인자로 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비를 사용함과 동시에, 할로겐화철을 함유하는 제1선구물질과 규소 및 탄소를 함유하는 제2선구물질을 반응로 전단부와 후단부로 분리시키고, 기판을 상기 제2 선구물질과 같은 반응로 후단부에 위치시키며, 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리함으로써, 조성 및 결정 구조가 동일하게 유지되면서 나노와이어의 단축 직경이 제어된 규화철 나노와이어를 제조하는 것이다.As described above, the second core idea of the manufacturing method according to the present invention is a control factor influencing the growth rate in the uniaxial direction, using a silicon to carbon mass ratio of the second precursor, and containing iron halide. By separating the first precursor and the second precursor containing silicon and carbon into the front end and the rear end of the reactor, the substrate is placed at the rear end of the same reactor as the second precursor, and heat-treated in an atmosphere where an inert gas flows. To prepare iron silicide nanowires in which the uniaxial diameter of the nanowires is controlled while maintaining the same composition and crystal structure.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법의 제3 핵심사상은 무-촉매 및 무-템플레이트 조건에서 선구물질의 열 기화 및 기상 캐리어에 의한 선구물질(기화된 또는 기화되고 분해된 선구물질을 포함함)의 이송을 이용하여, 기판 상 면결함(2-dimensional defect, twin plane을 포함함)이 존재하지 않는 완벽한 단결정체의 규화철 나노와이어를 제조하는 것이다. 이에 따라, 고순도, 우수한 결정성을 가진 단결정체의 규화철 나노와이어를 손쉽고 빠른 시간 안에 대량 생산할 수 있다.As described above, the third core idea of the manufacturing method according to the present invention includes the precursor (heated or vaporized and decomposed precursors) by thermal vaporization and vapor phase carriers of the precursors under catalyst-free and template-free conditions. By using this method, the complete single-crystal iron silicide nanowires are free from defects on the substrate (including 2-dimensional defects and twin planes). Accordingly, it is possible to mass-produce monocrystalline iron silicide nanowires having high purity and excellent crystallinity easily and in a short time.

본 발명에 따른 제조방법에 있어, 단축직경이 제어된 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장하여 제조되는 특징이 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the iron silicide nanowires whose uniaxial diameter is controlled are characterized by being epitaxially grown on the substrate.

상기 규화철 나노와이어의 핵생성 및 성장 중, 상기 규화철 나노와이어와 상기 기판이 에피텍샬 관계를 가짐에 따라, 기판상 제조되는 상기 규화철 나노와이어는 기판에 다수개의 규화철 나노와이어가 랜덤(random)이 아닌 기판의 표면에 대해 일정한 배향성을 가지며 배열된 특징이 있다.During the nucleation and growth of the iron silicide nanowires, as the iron silicide nanowires and the substrate have an epitaxial relationship, the iron silicide nanowires prepared on a substrate may be formed by randomly generating a plurality of iron silicide nanowires on a substrate. non-random) and is arranged in a certain orientation with respect to the surface of the substrate.

이때, 상기 일정한 방향성은 규화철 나노와이어의 장축 방향의 벡터가 기판 표면 방향의 기준 벡터 성분; 기판 수직 방향의 기준 벡터 성분; 또는 기판 표면 방향의 기준 벡터 성분과 기판 수직 방향의 기준 벡터 성분;을 가짐을 의미한다.In this case, the constant directionality is the vector of the major axis direction of the iron silicide nanowire is a reference vector component of the substrate surface direction; A reference vector component in the substrate vertical direction; Or a reference vector component in a substrate surface direction and a reference vector component in a substrate vertical direction.

기판 표면에 대해 일정 배향성을 갖는 규화철 나노와이어를 제조하기 위해, 상기 기판은 단결정 기판인 것이 바람직하며, 상기 단결정 기판의 표면은 상기 규화철의 핵생성, 특히 2차원 핵생성(2-dimensional nucleation)이 용이하게 발생하는 부도체 또는 반도체 단결정의 표면이며, 격자 미스매치(lattice mismatch)에 의해 유도되는 탄성응력(elastic stress 또는 elastic strain) 및 선결함(dislocation)이 잘 발생하지 않도록 적절히 선택해야 한다. In order to produce iron silicide nanowires having a constant orientation with respect to the substrate surface, the substrate is preferably a single crystal substrate, the surface of the single crystal substrate is nucleation of the iron silicide, in particular 2-dimensional nucleation ) Is a surface of an insulator or semiconductor single crystal that easily occurs, and should be appropriately selected so that elastic stress or elastic strain and dislocation induced by lattice mismatch do not easily occur.

상술한 바와 같이 상기 부도체 또는 반도체 단결정 기판은 규화철의 2차원 핵생성이 용이하게 발생하며, 나노와이어를 제조하기 위한 열처리 조건에서 화학적/열적으로 안정한 반도체 또는 부도체이면 모두 사용가능하나 실질적으로 실리콘 단결정, 게르마늄 단결정 또는 실리콘게르마늄 단결정에서 선택된 4족 단결정; 갈륨비소 단결정, 인듐인 단결정 또는 갈륨인 단결정에서 선택된 3-5족 단결정; 2-6족 단결정; 4-6족 단결정; 사파이어 단결정; 산화규소 단결정; 또는 이들의 적층 기판;에서 선택된다. 상기 단결정 기판은 벌크(bulk) 규화철의 결정 구조 및 격자상수를 고려하여, 4족 단결정 기판; 3-5족 단결정 기판; 2-6족 단결정 기판; 4-6족 단결정 기판; 사파이어 단결정 기판; 산화규소 단결정 기판; 또는 이들의 적층 기판;을 사용할 수 있으며, 열역학적으로 안정한 단결정 기판의 저지수면((100), (110), (111)면 등)을 표면으로 갖는 단결정 기판을 사용할 수 있다. 규화철 나노와이어의 제조시 사용할 수 있는 기판의 일 예로 사파이어 단결정 기판(m-plane)을 들 수 있다.As described above, the non-conductor or semiconductor single crystal substrate can be easily generated as a two-dimensional nucleation of iron silicide, and can be used as a semiconductor or non-conductor that is chemically / thermally stable under heat treatment conditions for manufacturing nanowires, but substantially silicon single crystal. Group 4 single crystal selected from germanium single crystal or silicon germanium single crystal; Group 3-5 single crystal selected from gallium arsenide single crystal, indium single crystal or gallium single crystal; Group 2-6 single crystals; Group 4-6 single crystals; Sapphire single crystal; Silicon oxide single crystals; Or a laminated substrate thereof. The single crystal substrate may include a group 4 single crystal substrate in consideration of the crystal structure and lattice constant of bulk iron silicide; Group 3-5 single crystal substrate; Group 2-6 single crystal substrate; Group 4-6 single crystal substrate; Sapphire single crystal substrate; Silicon oxide single crystal substrate; Or these laminated substrates can be used, and the single crystal substrate which has the low water surface ((100), (110), (111) surface etc.) of a thermodynamically stable single crystal substrate as a surface can be used. An example of a substrate that can be used in the production of iron silicide nanowires is a sapphire single crystal substrate (m-plane).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제4 핵심사상은 상기 규화철의 2차원 핵생성이 용이하게 발생하는 기판을 사용하고, 규화철 물질의 열역학적으로 안정한 표면상(surface phase)을 열처리 온도를 이용하여 제어하고, 불활성 기체의 흐름양을 조절하여 상기 기판 표면에 전달되는 핵생성 및 성장 구동력을 조절하여 상기 정렬된 방향성(기판 표면에 대한 배향성)을 갖는 규화철 나노와이어를 제조하는 것이다.As described above, the fourth core image according to the present invention uses a substrate which easily generates two-dimensional nucleation of the iron silicide, and uses a heat treatment temperature for a thermodynamically stable surface phase of the iron silicide material. By controlling the flow rate of the inert gas and controlling the nucleation and growth driving force delivered to the substrate surface to produce iron silicide nanowires having the aligned orientation (orientation to the substrate surface).

상기 제1 내지 제4 핵심사상에 따라, 본 발명에 따른 규화철 나노와이어의 제조방법은 반응로 전단부(제1선구물질)의 온도를 제어하고, 상기 불활성 기체의 흐름 정도를 제어하여 상기 기판으로 공급되는 제1선구물질의 양을 제어하고, 상기 반응로 후단부(기판 및 제2선구물질)의 온도를 제어하여 기판으로 공급되는 제2선구물질의 양 및 기판에서의 규화철 물질의 핵생성 및 성장 속도를 제어하고, 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비를 제어하여, 조성 및 구조가 유지되며 단축직경이 제어되고 일정한 방향성을 갖는 독립된 구조의 규화철 나노와이어가 제조되는 특징이 있다. According to the first to fourth core idea, the method for producing iron silicide nanowires according to the present invention controls the temperature of the front end of the reactor (first precursor), and the flow rate of the inert gas to control the substrate The amount of the first precursor to be supplied to the substrate, the temperature of the rear end of the reactor (substrate and the second precursor) and the amount of the second precursor to be supplied to the substrate and the nuclei of the iron silicide on the substrate. By controlling the rate of production and growth, and controlling the mass ratio of silicon to carbon of the second precursor, the composition and structure are maintained, and independent structured iron silicide nanowires having a controlled uniaxial diameter and having a constant orientation are produced. .

상기 제1선구물질은 분말상의 할로겐화철을 포함하며, 상기 할로겐화철은 플루오르화철, 염화철, 브롬화철, 요오드화철 또는 이들의 혼합물이다. 이때, 상기 할로겐화철은 무수화할로겐화철을 포함한다. The first precursor comprises powdered iron halides, the iron halides being iron fluoride, iron chloride, iron bromide, iron iodide or mixtures thereof. At this time, the iron halide includes anhydrous iron halides.

상기 제2선구물질은 규소 및 탄소를 포함하며, 규소 분말과 탄소 분말의 혼합 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 기판에 공급되는 규소의 양을 상기 반응로 후단부의 온도와 독립적으로 제어하고, 조성 및 결정 구조를 유지하며 기판상 제조되는 규화철 나노와이어의 단축 직경을 제어하기 위해, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비는 1 : 8 ~ 20로 조절되는 특징이 있다. 상기 제2선구물질은 탄소(C)를 더 함유하는 것이 바람직하다.The second precursor includes silicon and carbon, and preferably includes a mixed powder of silicon powder and carbon powder. In order to control the amount of silicon supplied to the substrate independently of the temperature of the rear end of the reactor, to maintain the composition and crystal structure and to control the short axis diameter of the iron silicide nanowires produced on the substrate, The mass ratio of silicon to carbon is controlled to be 1: 8-20. Preferably, the second precursor further contains carbon (C).

상기 제2선구물질과 함께 반응로 후단부에 위치한 기판은 불활성 기체가 상기 제2선구물질에서 상기 기판으로 흐르도록 위치할 수 있으며, 상기 제2선구물질 상부에 위치할 수 있으나, 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 나노와이어의 단축직경을 보다 엄밀히 제어하기 위해 상기 제2선구물질의 상부에 기판이 위치하는 것이 바람직하다. The substrate located at the rear end of the reactor together with the second precursor may be positioned such that an inert gas flows from the second precursor to the substrate, and may be positioned above the second precursor, but not a second precursor. In order to more tightly control the short axis diameter of the nanowire by the mass ratio of silicon: carbon, the substrate is preferably placed on top of the second precursor.

상기 반응로 전단부(제1선구물질) 및 반응로 후단부(제2선구물질 및 기판) 각각의 온도는 선구물질의 녹는점, 기화점, 기화 에너지 등의 물리적 성질 및 불활성 기체의 흐름 조건 및 열처리시의 압력 조건을 고려하여 제어되어야하며, 상기 반응로 전단부(제1선구물질)의 온도는 450 ℃ 내지 600 ℃인 특징이 있으며, 상기 반응로 후단부(제2선구물질 및 기판)의 온도는 900 ℃ 내지 1000 ℃인 특징이 있다. The temperature of each of the front end of the reactor (first precursor) and the rear end of the reactor (second precursor and the substrate) may be determined by physical properties such as melting point, vaporization point, vaporization energy, and flow conditions of an inert gas. It is to be controlled in consideration of the pressure conditions during the heat treatment, the temperature of the front end of the reactor (first precursor) is characterized in that 450 ℃ to 600 ℃, the rear end of the reactor (second precursor and substrate) The temperature is characterized in that 900 ℃ to 1000 ℃.

상기 불활성 기체는 상기 반응로 전단부(제1선구물질)에서 상기 반응로 후단부(제2선구물질 및 기판) 쪽으로 100 내지 300 sccm 흐르는 특징이 있다.The inert gas is characterized by flowing from 100 to 300 sccm from the front end of the reactor (first precursor) toward the rear end of the reactor (second precursor and substrate).

상기 열처리시의 압력은 상압과 유사한 압력 범위(상압 ± 0.1 atm)가 바람직하며, 더욱 바람직하게 상압이다. The pressure during the heat treatment is preferably a pressure range (normal pressure ± 0.1 atm) similar to the normal pressure, more preferably normal pressure.

상기의 반응로 온도 조건, 불활성 기체의 흐름 조건, 탄소의 혼합비는 각 선구물질의 기화 정도, 시간당 기판으로 전달되는 기화된 선구물질의 양, 기판 상의 규화철 물질의 핵생성 및 성장 속도, 동일 열처리 시간 동안의 나노와이어의 단축 직경의 크기, 기판 상 생성된 규화철 물질(나노와이어)의 표면 에너지, 기판 상 생성된 규화철 물질(나노와이어)의 응집 정도, 기판 상 생성된 규화철 물질의 형상(morphology)에 영향을 미치게 된다. The reaction temperature of the reactor, the flow conditions of the inert gas, the mixing ratio of carbon, the degree of vaporization of each precursor, the amount of vaporized precursor delivered to the substrate per hour, the nucleation and growth rate of iron silicide material on the substrate, the same heat treatment The size of the uniaxial diameter of the nanowires over time, the surface energy of the iron silicide material (nanowire) produced on the substrate, the degree of aggregation of the iron silicide material (nanowire) produced on the substrate, the shape of the iron silicide material formed on the substrate affects morphology.

따라서, 상기의 온도, 불활성 기체의 흐름 및 열처리 시 압력조건에서 본 발명의 선구물질들을 이용하여 기상 이송법으로 가장 바람직한 품질과 형상으로 단축 직경이 조절되며 기판에 대해 일정한 방향성을 갖는 규화철 나노와이어를 제조할 수 있게 된다. 상기의 조건 범위를 벗어날 시에는 제조된 나노와이어의 응집, 형상의 변화, 결함과 같은 품질의 문제가 발생할 수 있고 나노와이어의 형태가 아닌 입자, 로드 (rod) 등을 얻게 되는 문제점이 있다. Therefore, the uniaxial diameter is controlled to the most desirable quality and shape by the vapor phase transfer method using the precursors of the present invention at the temperature, the flow of the inert gas and the pressure during the heat treatment, the iron silicide nanowire having a certain orientation to the substrate It can be prepared. When the condition is out of the above range, quality problems such as agglomeration of a manufactured nanowire, a change in shape, and defects may occur, and there is a problem of obtaining particles, rods, etc., which are not in the form of nanowires.

열처리 시간은 나노와이어의 밀도, 나노와이어의 길이 등에 영향을 미치므로, 규화철 나노와이어의 용도에 따라 적절히 제어되어야 하나, 바람직하게 2분 내지 1시간동안 열처리한다. Since the heat treatment time affects the density of the nanowires, the length of the nanowires, etc., the heat treatment time should be appropriately controlled according to the use of the iron silicide nanowires, but is preferably heat treated for 2 minutes to 1 hour.

상기의 열처리 시간 동안 기화된 선구물질들이 기판으로 이동하여 핵 생성 및 성장에 참여하게 되지만, 이와 동시에 기판에 이미 형성된 규화철 물질들 사이에서 기상 및 기판 표면을 통한 물질이동(원자 또는 클러스터 단위의 물질이동)이 일어나게 된다.During the heat treatment time, the vaporized precursors move to the substrate to participate in nucleation and growth, but at the same time, mass transfer (atomic or cluster unit material) through the gas phase and the substrate surface between the iron silicide materials already formed on the substrate Move).

따라서, 상기의 열처리 후 규화철 나노와이어가 형성된 기판을 선구물질을 모두 제거한 상태로 물질 이동이 가능한 온도 범위로 재 열처리 하여 규화철 나노와이어의 밀도, 크기 등을 조절 할 수 있음은 물론이다.Therefore, after the heat treatment, the substrate on which the iron silicide nanowires are formed may be reheat-treated to a temperature range in which material movement is possible while removing all the precursors, thereby controlling the density, size, and the like of the iron silicide nanowires.

상술한 제조방법으로 제조되는 규화철 나노와이어는 수 내지 수십마이크로 미터의 장축 길이를 가지며, 단축 직경이 엄밀하게 제어된 규화철 나노와이어인 특징이 있다.The iron silicide nanowires produced by the above-described manufacturing method have a long axis length of several to several tens of micrometers, and are characterized by being iron silicide nanowires whose axial diameter is strictly controlled.

상세하게, 본 발명에 따른 규화철 나노와이어는 10㎛ 이상의 장축 길이를 가지며 단축 직경이 50 내지 350nm로 제어된 특징이 있으며, 면결함이 존재하지 않는 단결정체인 특징이 있으며, 단축 직경과 무관하게 Fe1Si1의 조성을 가지며, 단축 직경과 무관하게 입방정계 B20형 구조(space group P213)의 결정 구조를 가지며, 지지체에 의한 지지 없이 스스로 기판 상에 일정한 방향성을 가지며 서 있는 독립 구조인 특징이 있다. In detail, the iron silicide nanowire according to the present invention has a long axis length of 10 μm or more and has a uniaxial diameter controlled from 50 to 350 nm, and is characterized by a single crystal having no surface defects, regardless of the uniaxial diameter of Fe. It has a composition of 1 Si 1 , has a crystal structure of a cubic B20 type structure (space group P2 1 3) irrespective of uniaxial diameter, and has an independent structure that stands on its own substrate with a certain directivity without being supported by a support. have.

상기 규화철 나노와이어의 장축 방향은 [110]이며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 제어된 규화철 나노와이어의 단축 직경은 50 내지 350nm인 특징이 있다.The major axis direction of the iron silicide nanowire is [110], and the short axis diameter of the iron silicide nanowire controlled by the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor is 50 to 350 nm.

보다 특징적으로, 상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장하여, 기판의 표면에 대해 일정한 방향성을 가지며, 상기 기판 상에 독립적으로 서 있는(free-standing) 특징이 있다.
More particularly, the iron silicide nanowires are epitaxially grown on the substrate, have a constant orientation with respect to the surface of the substrate, and are free-standing on the substrate.

(실시예)(Example)

도 1과 유사한 장치 및 구성을 사용하였으며, 반응로(furnace)는 전단부 (Upstream Zone)와 후단부 (Downstream Zone)로 구별이 되고 독립적으로 발열체 및 온도 조절 장치를 구비하였다. A device and configuration similar to that of FIG. 1 were used, and the furnace was divided into an upstream zone and a downstream stream, and was independently provided with a heating element and a temperature control device.

반응로는 기체가 통하는 직경 1인치, 길이 60 cm 크기의 석영관으로 이루어지고, 반응로 전단부의 가운데에 제1선구물질을 투입하기 위한 알루미나 재질의 보트형 용기(길이 60 mm, 폭 8 mm, 높이 7 mm)가 위치하며, 반응로 후단부의 가운데에는 제2선구물질을 투입하기 위한 알루미나 재질의 보트형 용기(길이 70 mm, 폭 15 mm, 높이 10 mm)를 위치하였다. The reactor consists of a quartz tube with a diameter of 1 inch and a length of 60 cm through which the gas passes, and a boat-shaped vessel made of alumina (60 mm in length, 8 mm in width, for injecting the first precursor in the center of the front end of the reactor) A height of 7 mm) was located, and a boat-shaped container (70 mm long, 15 mm wide, 10 mm high) made of alumina was placed in the center of the rear end of the reactor to inject the second precursor.

불활성 기체로 아르곤을 사용하였으며, 아르곤 기체는 반응로 전단부로 투입되어 반응로 후단부로 배기되며 반응로 후단부에는 진공펌프(미도시)가 구비되어 있다. Argon was used as the inert gas, and argon gas was introduced into the front end of the reactor and exhausted to the rear end of the reactor, and a vacuum pump (not shown) is provided at the rear end of the reactor.

제1선구물질로 무수화이염화철(Anhydrous iron chloride (II))를 사용하였으며, 제2선구물질로 규소 (Si) 분말 : 탄소 (C) 분말이 1:2에서 1:30의 범위로 혼합된 다양한 혼합분말을 사용하였다. Anhydrous iron chloride (II) was used as the first precursor, and silicon (Si) powder: carbon (C) powder was mixed in the range of 1: 2 to 1:30 as the second precursor. Mixed powders were used.

상세하게, 상기 혼합분말을 상기 보트형 용기에 담고, 보트형 용기 내 혼합분말 위에 사파이어 기판(5 mm ㅧ 5 mm, m-plane)을 위치시킨 후 반응로의 후단부 중간에 위치시켰다. In detail, the mixed powder was placed in the boat-type vessel, and a sapphire substrate (5 mm × 5 mm, m-plane) was placed on the mixed powder in the boat-type vessel, and then placed in the middle of the rear end of the reactor.

상세하게, 무수화이염화철은 상기 보트형 용기(길이 60 mm, 폭 8 mm, 높이 7 mm)에 0.05 g 투입하여 반응로 전단부 중간에 위치시켰다.In detail, 0.05 g of anhydrous iron dichloride was placed in the boat front end (60 mm long, 8 mm wide, 7 mm high) and placed in the middle of the front end of the reactor.

이후, 진공 펌프를 이용하여 반응로 (furnace)의 진공 테스트를 수행한 후 반응로 내부에 누설(leakage)이 없음을 확인한 후에, 아르곤 가스를 흘려 반응로 내부를 상압으로 조절하고, 상압 상태인 반응로에 20분간 아르곤 가스를 흘려주어 기타 불순물을 제거하는 퍼징(purging)을 수행하였다. 이후, 상압 상태의 반응로 내부에 200 sccm의 Ar을 흘려주며 반응로 전단부에서 후단부로의 Ar 흐름을 형성하며, 반응로 전단부의 온도는 530 ℃로 유지하고, 반응로 후단부의 온도는 950 ℃로 유지한 상태에서 10분간 열처리를 수행하였다.Then, after performing a vacuum test of the furnace (furnace) using a vacuum pump, and after confirming that there is no leakage (leakage) inside the reactor, the inside of the reactor is adjusted to atmospheric pressure by flowing argon gas, the reaction at atmospheric pressure Purging was performed by flowing argon gas into the furnace for 20 minutes to remove other impurities. Thereafter, 200 sccm of Ar is flowed into the reactor under atmospheric pressure to form an Ar flow from the front end to the rear end of the reactor. The temperature of the front end of the reactor is maintained at 530 ° C., and the temperature of the rear end of the reactor is 950 ° C. Heat treatment was performed for 10 minutes in the state maintained.

합성된 규화철 나노와이어의 형태와 구조는 주사전자 현미경(SEM) 및 투과전자 현미경(TEM)을 이용하여 관찰하였다. 나노와이어의 조성과 구조를 분석하기 위하여 엑스선 회절 장비(X-ray Diffractometer, XRD), 에너지분산 엑스레이 분광기(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)와, 고분해능 투과전자 현미경 (High Resolution TEM, HRTEM), 그리고 제한시야 전자회절(Selected Area Electron Diffraction, SAED) 패턴 등을 이용하였다.
The shape and structure of the synthesized iron silicide nanowires were observed using a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM). X-ray Diffractometer (XRD), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), High Resolution TEM (HRTEM), In addition, a limited area electron diffraction (SAED) pattern was used.

실시예에 따라 동일한 열처리 조건에서 제2선구물질의 규소:탄소 질량비만을 변화시켰을 때, 규소:탄소의 질량비가 1:2에서는 나노와이어가 아닌 나노입자와 나노로드가 주로 제조됨을 알 수 있었으며, 규소:탄소의 질량비가 1:8~20의 범위에서 기판에 대해 방향성을 갖는 규화철 나노와이어가 제조됨을 알 수 있었다. 또한, 규소:탄소의 질량비가 1:20을 초과하는 경우, 기판에 대해 방향성을 잃고 랜덤하게 규화철 나노와이어가 제조됨을 알 수 있었다. According to the embodiment, when only the silicon: carbon mass ratio of the second precursor is changed under the same heat treatment conditions, it can be seen that the nanoparticles and the nanorods are mainly manufactured, not the nanowires, when the silicon: carbon mass ratio is 1: 2. It was found that iron silicide nanowires having an orientation with respect to the substrate were produced in a mass ratio of silicon: carbon of 1: 8 to 20. In addition, it was found that when the mass ratio of silicon: carbon exceeds 1:20, the orientation of the substrate is lost and randomly produced iron silicide nanowires.

도 2는 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비가 1:8~20로 변화됨에 따른 나노와이어의 평균 단축 직경을 정리 도시한 도면으로, 규소:탄소=1:8(질량비) 조건에서 합성된 규화철 나노와이어는 300 nm의 평균직경을 가지며, 규소:탄소=1:20(질량비) 조건에서 합성된 규화철 나노와이어는 90 nm의 평균직경을 가짐을 알 수 있다. FIG. 2 is a view showing the average uniaxial diameter of nanowires as the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor changes from 1: 8 to 20, synthesized under conditions of silicon: carbon = 1: 8 (mass ratio). FIG. The iron silicide nanowires have an average diameter of 300 nm, and the iron silicide nanowires synthesized under the condition of silicon: carbon = 1: 20 (mass ratio) have an average diameter of 90 nm.

즉, 다른 조건은 동일하게 유지한 상태에서, 규소 기체 압력만을 감소시켰을 때, 규화철 나노와이어가 기판에 대해 방향성을 가지고 10㎛이상의 장축 길이를 가지면서 수백 nm이던 나노와이어의 단축 직경이 수십 nm 정도로 감소함을 알 수 있다. That is, when only silicon gas pressure was reduced while the other conditions were kept the same, the minor diameter of the nanowires, which were several hundred nm while having long axis lengths of 10 µm or more with the orientation of the silicon nanowires, was tens of nm. It can be seen that the decrease.

규소:탄소의 질량비가 1:8~20로 변화됨에 따른 직경감소가 나노와이어의 성분 및 구조에 영향을 끼치는지 확인하기 위하여 규소:탄소의 혼합비율이 1:20 조건 및 규소:탄소의 혼합비율이 1:8 조건에서 합성된 규화철 나노와이어 각각에 대하여 TEM 측정을 수행하였다. In order to check whether the decrease in diameter affects the composition and structure of the nanowire as the silicon: carbon mass ratio is changed from 1: 8 to 20, the silicon: carbon mixing ratio is 1:20 and the silicon: carbon mixing ratio TEM measurements were performed on each of the iron silicide nanowires synthesized under these 1: 8 conditions.

도 3은 규소:탄소의 혼합비율이 1:20 조건에서 합성된 규화철 나노와이어의 투과전자현미경 관찰 결과를 도시한 것으로, 도 3(a)는 약 50 nm 직경의 규화철 나노와이어에 대하여 측정한 투과전자 현미경 사진이며, 첨부 사진은 제한시야전자회절(Selected Area Electron Diffraction, SAED) 패턴을 보여준다. 도 3(b)는 규화철 나노와이어의 고분해능 투과전자 현미경 사진이고, 첨부사진은 고분해능 투과전자 현미경 사진을 통하여 얻은 2차원 고속푸리에 변환(Two-dimensional Fast Fourier Transform, FFT) 패턴이다. 이를 분석한 결과, 회절 패턴으로부터 합성한 나노와이어가 입방정계 규화철 임을 확인하였으며, 또한 제한시야전자회절 패턴에서의 규칙적인 점 패턴 및 고분해능 투과전자 현미경 사진은 합성한 나노와이어가 단결정임을 보여준다. 또한 격자면은 0.313nm의 간격을 갖는데, 이는 입방정계 규화철의 (110) 면 간격 0.317nm와 거의 일치하며, 나노와이어는 [110]방향으로 성장한 것을 알 수 있다. FIG. 3 shows the transmission electron microscope observation results of the iron silicide nanowires synthesized under a silicon-carbon ratio of 1:20. FIG. 3 (a) is measured with respect to the iron silicide nanowires having a diameter of about 50 nm. One transmission electron micrograph, and the attached photograph shows the Selected Area Electron Diffraction (SAED) pattern. Figure 3 (b) is a high resolution transmission electron micrograph of the iron silicide nanowires, the attached picture is a two-dimensional Fast Fourier Transform (FFT) pattern obtained through a high resolution transmission electron micrograph. As a result of the analysis, it was confirmed that the nanowires synthesized from the diffraction pattern were cubic iron silicides, and the regular dot pattern and the high resolution transmission electron micrograph of the limited field electron diffraction pattern showed that the synthesized nanowires were single crystals. In addition, the lattice plane has a spacing of 0.313 nm, which almost coincides with 0.317 nm of (110) plane spacing of cubic iron silicide, and it can be seen that the nanowires are grown in the [110] direction.

도 4는 규소:탄소의 혼합비율이 1:8 조건에서 합성된 규화철 나노와이어의 투과전자현미경 관찰 결과를 도시한 것으로, 도 4(a)는 규화철 나노와이어의 투과전자 현미경 사진이며, 첨부 사진은 제한시야전자회절(Selected Area Electron Diffraction, SAED) 패턴을 보여준다. 나노와이어에 대한 회절 패턴을 분석한 결과 입방정계 B20 형 구조의 규화철에 완벽히 일치하며, 또한 규칙적인 점 패턴을 보이는 것을 보아 합성된 나노와이어가 단결정성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 도 4(b)는 규화철 나노와이어의 고분해능 투과전자 현미경 사진이고, 첨부사진은 고분해능 투과전자 현미경 사진을 통하여 얻은 2차원 고속푸리에 변환(Two-dimensional Fast Fourier Transform, FFT) 패턴이다. 고분해능 투과전자 현미경은 단결정 나노와이어의 선명한 격자무늬를 보여준다. 또한 격자면은 0.312nm의 간격을 갖는데, 이는 입방정계 B20 형 구조를 갖는 규화철의 (110) 면 간격 0.317nm와 거의 일치하며 나노와이어는 [110]방향으로 성장한 것을 알 수 있다. Figure 4 shows the transmission electron microscope observation results of the iron silicide nanowires synthesized in a silicon: carbon mixing ratio of 1: 8 conditions, Figure 4 (a) is a transmission electron micrograph of the iron silicide nanowires, attached The picture shows the Selected Area Electron Diffraction (SAED) pattern. As a result of analyzing the diffraction pattern of the nanowires, it is confirmed that the synthesized nanowires have single crystallinity as they perfectly match the iron silicides of the cubic B20 type structure and show regular dot patterns. Figure 4 (b) is a high resolution transmission electron micrograph of the iron silicide nanowires, the attached picture is a two-dimensional Fast Fourier Transform (FFT) pattern obtained through a high resolution transmission electron micrograph. High resolution transmission electron microscopy shows clear lattice of single crystal nanowires. In addition, the lattice plane has a spacing of 0.312 nm, which is almost identical to the (110) plane spacing of iron silicide having a cubic B20 type structure, and the nanowires are grown in the [110] direction.

또한, 규소:탄소의 혼합비율이 1:8 ~ 20의 조건에서 합성된 규화철 나노와이어 각각에 대한 X-선 회절분석을 수행한 결과, 도 5와 같이 제조된 모든 규화철 나노와이어의 X-선 회절 스펙트럼 상 모든 피크(peak)가 입방정계 B20 형(type) 구조를 갖는 규화철(Cubic B20 type FeSi (space group P213, JCPDS card No. 38-1397)에 해당함을 확인 하였다. In addition, X-ray diffraction analysis was performed on each of the iron silicide nanowires synthesized under the condition that the silicon: carbon mixing ratio was 1: 8 to 20. As a result, X- of all the iron silicide nanowires prepared as shown in FIG. It was confirmed that all peaks in the line diffraction spectrum correspond to Cubic B20 type FeSi (space group P2 1 3, JCPDS card No. 38-1397) having a cubic B20 type structure.

투과전자 현미경-에너지 분산 분석기(TEM-EDS) 스펙트럼 측정을 통하여 규소:탄소의 혼합비율이 1:8 ~ 20의 조건에서 합성된 나노와이어의 성분 분석을 수행하였다. 분석결과, 도 6에서 관찰된 결과와 동일하게 철(Fe)과 규소(Si)가 1:1의 비율로 존재하는 것을 확인하였다. 이때, 도 6의 구리(Cu)는 TEM 그리드(grid)의 성분이며, 일정한 규소:탄소의 질량비에서 제조된 다섯 개의 서로 다른 나노와이어에 대하여 각각 세 지점에서 총 열 다섯 번의 TEM-EDS 측정을 수행하였다. 측정한 모든 나노와이어에서 철과 규소의 비율이 1:1인 것을 확인할 수 있었으며, 규소:탄소의 혼합비율이 1:8 ~ 20로 변화되어도 동일한 TEM-EDS 측정 결과가 얻어짐을 확인하였다. Through analysis of the transmission electron microscope-energy dispersion analyzer (TEM-EDS) spectrum, the component analysis of the nanowires synthesized under the conditions of the silicon: carbon mixing ratio of 1: 8-20 was performed. As a result, it was confirmed that iron (Fe) and silicon (Si) were present in a ratio of 1: 1 similar to the results observed in FIG. 6. In this case, copper (Cu) of FIG. 6 is a component of the TEM grid, and a total of fifteen TEM-EDS measurements are performed at three points on five different nanowires manufactured at a constant silicon: carbon mass ratio. It was. It was confirmed that the ratio of iron and silicon was 1: 1 in all the measured nanowires, and the same TEM-EDS measurement result was obtained even when the silicon: carbon mixing ratio was changed from 1: 8 to 20.

주사전자 현미경 측정을 통해 규소:탄소의 혼합비율이 1:8 ~ 20의 조건에서 합성된 나노와이어의 거시적 형상 및 기판에 대한 배향성을 관찰한 결과, 도 7과 유사하게, 모든 조건에서 평균 장축 길이가 10㎛ 이상인 규화철 나노와이어가 합성되고, 기판에 대해 일정한 방향성을 갖는 규화철 나노와이어가 합성됨을 알 수 있다.As a result of observing the macroscopic shape and the orientation of the nanowires synthesized under the conditions of silicon: carbon mixing ratio of 1: 8-20 by scanning electron microscopy, the average major axis length under all conditions was similar to that of FIG. It can be seen that iron silicide nanowires having a thickness of 10 µm or more are synthesized, and iron silicide nanowires having a constant orientation with respect to the substrate are synthesized.

도 7은 규소:탄소의 질량비가 1:8인 경우, m-plane 사파이어 기판 위에 형성된 규화철 나노와이어의 주사전자 현미경 사진이 도시한 것으로, 도 7에서 알 수 있듯이 나노와이어의 뿌리(root) 부분은 기판에 접합되어 있고, 나노와이어가 길이 방향으로 성장함에 따라 도 7(b)에 화살표로 표시한 것과 같은 8 방향으로 기판으로부터 독립되어 서 있는 것을 알 수 있다. 또한 기판 위에서는 도 7(b)의 첨부사진에 보이는 것과 같이, 나노와이어와 함께 시드 나노결정이 관찰되었다. 규소:탄소의 질량비가 1:8인 경우, TEM 관찰 결과와 유사하게 나노와이어의 평균직경은 대략 300 nm이며, 길이는 수 마이크로미터 인 것을 확인할 수 있다. FIG. 7 illustrates a scanning electron micrograph of iron silicide nanowires formed on an m-plane sapphire substrate when the mass ratio of silicon to carbon is 1: 8. As shown in FIG. 7, the root portion of the nanowires is shown. Is bonded to the substrate, and as the nanowires grow in the longitudinal direction, it can be seen that they are independent from the substrate in eight directions as indicated by arrows in FIG. In addition, seed nanocrystals were observed together with the nanowires as shown in the attached photograph of FIG. 7 (b) on the substrate. When the ratio of silicon to carbon is 1: 8, the average diameter of the nanowires is about 300 nm and the length is several micrometers, similar to the TEM observation result.

상기 TEM 분석, SEM 분석, TEM-EDS 분석 및 X-선 회절분석 결과를 통해 규소:탄소=1:8~20(질량비) 조건에서 합성된 나노와이어가 단결정체의 규화철 나노와이어이며, 규소:탄소의 질량비에 따라 단축 직경이 50 내지 350nm로 엄밀하게 제어된 나노와이어가 제조되며, 동일한 조성 및 동일한 결정구조가 유지된 상태로 단축 직경이 제어된 나노와이어가 제조되며, 기판에 일정한 방향성을 가지며 독립된 구조로 서 있는 나노와이어가 제조됨을 알 수 있다. Through the TEM analysis, SEM analysis, TEM-EDS analysis and X-ray diffraction analysis, the nanowires synthesized under silicon: carbon = 1: 8-20 (mass ratio) conditions are single crystal iron silicide nanowires, and silicon: According to the mass ratio of carbon, nanowires having a uniaxial diameter of 50 to 350 nm are strictly controlled, and nanowires with a controlled uniaxial diameter are manufactured with the same composition and the same crystal structure. It can be seen that the nanowires are produced in an independent structure.

앞서 언급했듯이, 규화철 나노와이어가 합성된 사파이어 기판을 살펴보면 방향성 있게 성장한 나노와이어와 함께 시드 나노결정이 관찰된다. 또한, 각각의 방향으로 성장한 규화철 나노와이어와 시드 나노결정의 외형적 형태 및 방향이 상당히 유사한 것을 관찰할 수 있었다(도 8(b)~(j)). As mentioned above, when examining the sapphire substrate synthesized with iron silicide nanowires, seed nanocrystals are observed along with the oriented nanowires. In addition, it was observed that the appearance and orientation of the iron silicide nanowires and the seed nanocrystals grown in the respective directions were very similar (Figs. 8 (b) to (j)).

기판에 대한 방향성을 갖는 나노와이어의 성장에 대한 면밀한 분석을 위하여 각 방향으로 성장한 나노와이어와 시드를 확대하여 관찰해 보았다. 도 8(a)는 합성된 규화철 나노와이어와 동일한 기판 위에서 관찰되는 규화철 나노결정을 위에서 찍은 주사전자 현미경 사진이다. 도 8(b)~(j)는 특정한 3 방향으로 성장한 규화철 나노와이어의 팁 부분(도 8(b) ~ (d)), 뿌리 부분(도 8(e) ~ (g)), 그리고 각각의 성장한 나노와이어의 시드로 예상되는 나노 결정 (도 8(h) ~ (j))의 확대한 주사전자 현미경 사진을 각각 보여준다. 도 8(b)와 8(e)는 도 8(h)의 시드로부터 성장한 나노와이어에 해당하며 (type I), 도 8(c)와 8(f)는 도 8(i)의 시드로부터 성장한 나노와이어에 해당한다 (type II). 또한, 도 8(d)와 8(g)는 도 8(j)의 시드로부터 성장한 나노와이어에 해당한다 (type III). Type I과 type II 시드의 경우에 도 8(h)와 8(i)에서 보여지는 시드 외에 90°씩 회전하여 존재하는 3 종류의 시드들도 존재한다. Type I과 type II 시드는 비대칭적인 사면체 형태를 지니고 있으며, 이들 시드로부터 성장한 나노와이어의 경우에, 각각의 시드의 가장 긴 모서리가 향하는 방향으로 나노와이어가 성장하며, 따라서 서로 다른 4가지 방향으로 성장한 나노와이어가 합성된다(도 7(b)의 빨간색 화살표로 표시한 방향). Type III 시드의 경우에도 type I과 type II 시드의 경우와 마찬가지로, 도 8(j)에 보여지는 시드 외에 90°씩 회전하여 존재하는 3종류의 시드들이 존재하여, 따라서 총 4 종류의 시드들로 이루어져 있다. Type III 시드의 형태는 거의 정사면체에 가까우며, 모서리를 따라 성장할 수 있는 나노와이어의 방향을 살펴보면, 도 7(b)의 빨간색 및 초록색 화살표로 표시한 방향과 동일하게 서로 다른 8 방향으로의 성장이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 흥미롭게도, type I, II, III의 총 12개의 시드 중에서, 도 7(b)의 빨간색 화살표 방향으로는 12개의 시드 모두로부터 성장이 가능한 반면에, 초록색 화살표 방향으로 나노와이어가 성장할 가능성은 type III 시드에 해당하는 4개의 시드만이 지니고 있음을 관찰할 수 있었다. 시드 분석을 통하여, 도 6(b)의 빨간색 화살표 방향으로 자란 나노와이어가 초록색 화살표 방향으로 성장한 나노와이어의 경우에 비하여, 3배 정도 더 많은 밀도를 가질 것으로 예상할 수 있다. SEM 관찰을 통하여 합성된 나노와이어의 비율을 대략적으로 살펴본 결과, 빨간색 화살표 방향으로 성장한 나노와이어가 대략 77% 정도 되었고, 초록색 화살표 방향으로 성장한 나노와이어가 대략 23% 정도로, 시드 분석을 통하여 예상한 결과와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 방향성 있게 성장한 규화철 나노와이어가 규화철 시드 나노결정으로부터 성장한 것으로 추측할 수 있으며, 시드 나노결정의 타입(type), 시드 나노결정의 위치를 이용하여 3차원 구조체를 이루는 규화철 나노와이어의 설계가 가능함을 알 수 있다. In order to closely analyze the growth of nanowires having a direction toward the substrate, the nanowires and seeds grown in each direction were magnified and observed. FIG. 8A is a scanning electron micrograph of the iron silicide nanocrystals observed from the same substrate as the synthesized iron silicide nanowires. 8 (b) to (j) show the tip portions (Fig. 8 (b) to (d)), the root portions (Fig. 8 (e) to (g)) of the iron silicide nanowires grown in specific three directions, respectively. Magnified scanning electron micrographs of the nanocrystals (FIGS. 8 (h) to (j)), which are expected to be seeds of grown nanowires, are shown. 8 (b) and 8 (e) correspond to nanowires grown from the seeds of FIG. 8 (h) (type I) and FIGS. 8 (c) and 8 (f) grown from the seeds of FIG. 8 (i). Corresponds to nanowires (type II). 8 (g) and 8 (g) correspond to nanowires grown from the seeds of FIG. 8 (j) (type III). In the case of Type I and Type II seeds, in addition to the seeds shown in FIGS. 8 (h) and 8 (i), there are three kinds of seeds which rotate by 90 °. Type I and type II seeds have asymmetric tetrahedral morphology, and in the case of nanowires grown from these seeds, the nanowires grow in the direction toward the longest edge of each seed, thus growing in four different directions. The wire is synthesized (direction indicated by the red arrow in Fig. 7 (b)). In the case of the type III seed, as in the case of the type I and type II seeds, there are three types of seeds that are rotated by 90 ° in addition to the seeds shown in FIG. 8 (j). consist of. The type III seed is almost tetrahedral, and looking at the direction of the nanowires that can grow along the edges, it is possible to grow in eight different directions as indicated by the red and green arrows in FIG. I could confirm that. Interestingly, out of a total of 12 seeds of type I, II, and III, growth is possible from all 12 seeds in the direction of the red arrow in FIG. 7 (b), whereas the possibility of nanowires growing in the direction of the green arrow is type III. It can be observed that only four seeds corresponding to the seeds have. Through the seed analysis, it can be expected that the nanowires grown in the direction of the red arrow of FIG. 6 (b) will have three times more density than the nanowires grown in the direction of the green arrow. As a result of the SEM observation, the ratio of the synthesized nanowires was approximately 77%. The nanowires grown in the direction of the red arrow were approximately 77%, and the nanowires were grown in the direction of the green arrow, approximately 23%. Almost matched with. From this, it can be inferred that directionally grown iron silicide nanowires were grown from iron silicide seed nanocrystals, and the type of seed nanocrystals and positions of seed nanocrystals were used to form a three-dimensional structure of iron silicide nanowires. It can be seen that the design is possible.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (22)

반응로의 전단부에 위치한 할로겐화철을 함유하는 제1선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 규소(Si) 및 탄소(C)를 함유하는 제2선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 기판을 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 상기 기판 상에 규화철 나노와이어가 제조되며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 상기 기판상 형성되는 상기 규화철 나노와이어의 단축 방향과 장축 방향의 상대적 성장 속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.A first precursor containing iron halide located at the front end of the reactor, a second precursor containing silicon (Si) and carbon (C) located at the rear end of the reactor, and a rear end of the reactor The substrate is heat-treated in an inert gas atmosphere to produce iron silicide nanowires on the substrate, and the short axis direction and the long axis of the iron silicide nanowires formed on the substrate by the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor. Method for producing iron silicide nanowires, characterized in that the relative growth rate of the direction is controlled. 제 1항에 있어서,
상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 상기 규화철 나노와이어의 단축 직경이 제어되는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 1,
The uniaxial diameter of the iron silicide nanowires is controlled by the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor.
제 2항에 있어서,
상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비의 변화에 의해 일정한 조성 및 결정구조가 유지되며 단축 직경이 제어된 규화철 나노와이어가 제조되는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 2,
A method of manufacturing iron silicide nanowires, wherein the iron silicide nanowires having a constant composition and crystal structure are maintained by controlling the silicon: carbon mass ratio of the second precursor and the uniaxial diameter is controlled.
제 1항에 있어서,
상기 제2선구물질의 규소 함유량을 감소시켜 상기 규화철 나노와이어의 단축 직경을 감소시키는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 1,
And reducing the silicon content of the second precursor to reduce the short axis diameter of the iron silicide nanowires.
제 3항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 Fe1Si1인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The iron silicide nanowire is a method for producing iron silicide nanowires, characterized in that Fe 1 Si 1 .
제 3항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 입방정계 B20형 구조(space group P213)인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The iron silicide nanowires have a cubic B20 type structure (space group P2 1 3).
제 3항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 트윈을 포함한 면결함이 없는 단결정체인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
The iron silicide nanowire is a method for producing iron silicide nanowires, characterized in that the single crystal without a defect including the twin.
제 1항에 있어서,
상기 제2선구물질의 규소 : 탄소의 질량비는 1:8~20인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing iron silicide nanowires, characterized in that the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor is 1: 8-20.
제 8항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어의 단축 직경은 50 내지 350nm인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 8,
The uniaxial diameter of the iron silicide nanowires is a method for producing iron silicide nanowires, characterized in that 50 to 350nm.
제 1항에 있어서,
상기 기판 하부에 상기 제2선구물질이 위치하는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 1,
The second precursor material is located below the substrate, characterized in that the iron silicide nanowire manufacturing method.
제 1항에 있어서,
상기 반응로 전단부는 450 ℃ 내지 600 ℃로 유지되며, 상기 반응로 후단부는 900 ℃ 내지 1000 ℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 1,
The front end of the reactor is maintained at 450 ℃ to 600 ℃, the rear end of the reactor is a method of manufacturing iron silicide nanowires, characterized in that maintained at 900 ℃ to 1000 ℃.
제 11항에 있어서,
상기 불활성 기체는 반응로 전단부에서 반응로 후단부로 흐르며, 상기 불활성 기체의 유량은 100 내지 300 sccm인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The inert gas flows from the front end of the reactor to the rear end of the reactor, the flow rate of the inert gas is 100 to 300 sccm manufacturing method of iron silicide nanowires.
제 8항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장한 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 8,
The iron silicide nanowires are epitaxially grown on the substrate.
제 13항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 상기 기판의 표면에 대해 일정한 배향성을 갖는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 13,
The iron silicide nanowires have a predetermined orientation with respect to the surface of the substrate.
제 13항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 독립적으로 서 있는(free-standing)것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어의 제조방법.
The method of claim 13,
The iron silicide nanowires are free-standing on the substrate.
반응로의 전단부에 위치한 할로겐화철을 함유하는 제1선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 규소(Si) 및 탄소(C)를 함유하는 제2선구물질, 상기 반응로의 후단부에 위치한 기판을 불활성 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 제조되며, 상기 제2선구물질의 규소:탄소의 질량비에 의해 단축 직경이 제어된 규화철 나노와이어이며,
상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 에피텍샬(epitaxial) 성장하여, 상기 규화철 나노와이어와 상기 기판이 에피텍샬 관계를 가지며,
상기 규화철 나노와이어는 상기 기판의 표면에 대해 둘 이상의 방향으로 서로 평행하게 배열된 배향성을 갖는 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어.
A first precursor containing iron halide located at the front end of the reactor, a second precursor containing silicon (Si) and carbon (C) located at the rear end of the reactor, and a rear end of the reactor It is manufactured by heat-treating the substrate in an inert gas flowing atmosphere, the iron silica nanowires whose uniaxial diameter is controlled by the mass ratio of silicon: carbon of the second precursor,
The iron silicide nanowires are epitaxially grown on the substrate, and the iron silicide nanowires have an epitaxial relationship.
The iron silicide nanowires are characterized in that the iron silicide nanowires having an orientation arranged in parallel to each other in two or more directions with respect to the surface of the substrate.
제 16항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 Fe1Si1인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어.
17. The method of claim 16,
The iron silicide nanowires are iron silicide nanowires, characterized in that Fe 1 Si 1 .
제 16항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 입방정계 B20형 구조(space group P213)인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어.
17. The method of claim 16,
The iron silicide nanowires have a cubic B20 type structure (space group P2 1 3).
제 16항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 트윈을 포함한 면결함이 없는 단결정체인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어.
17. The method of claim 16,
The iron silicate nanowires are iron silicide nanowires, characterized in that the single crystal without a defect including the twin.
제 18항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어의 장축 방향은 [110]이며, 단축 직경은 50 내지 350nm인 것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어.
19. The method of claim 18,
The major axis direction of the iron silicide nanowires is [110], and the minor diameter is 50 nm to 350 nm iron silicide nanowires.
삭제delete 제 16항에 있어서,
상기 규화철 나노와이어는 상기 기판 상에 독립적으로 서 있는(free-standing)것을 특징으로 하는 규화철 나노와이어.
17. The method of claim 16,
The iron silicide nanowires are free-standing on the substrate.
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