KR101500291B1 - 수직 나노와이어 배열 상의 천공 접촉 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지지체, 그 지지체에 수직인 복수의 나노와이어들, 및 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극을 포함하는 구조물에 관한 것이다. 그 전극은 복수의 구멍들을 포함한다. 그리고 본 발명은 위의 지지체와 나노와이어들을 제공하고, 각 나노와이어의 일부분을 덮고 각 나노와이어의 제1 말단부를 노출시켜 남겨두는 충전재료의 층을 적층하고, 복수의 나노입자들을 상기 충전재료에 적층하고, 전극물질을 상기 나노입자들, 상기 나노와이어들의 말단부들, 및 어떤 노출된 충전재료에도 적층하고, 상기 나노입자들과 충전재료를 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는, 복수의 구명들을 포함하는 전극을 형성하도록 제거하는 방법에 관한 것이다.

Description

수직 나노와이어 배열 상의 천공 접촉 전극 {PERFORATED CONTACT ELECTRODE ON VERTICAL NANOWIRE ARRAY}
본 출원은 2010년 11월 15일에 출원된 미국 가출원 제61/413,664호(2010년 11월 15일 출원)에 바탕을 둔 우선권을 주장한다. 상기 가출원 및 본 출원을 통하여 인용된 다른 출간물 및 문서들은 그 전문이 본 출원에 참고인용된다.
본 발명은 일반적으로 센서에 사용할 수 있는 전극에 관한 것이다.
많은 유형의 나노와이어(nanowire)들과 유사한 차원의 다른 나노미터스케일 구조들(nanometer-scale structures)은 그 독특한 특성의 연구와 새로운 장치 내의 통합을 목표로 하는 대형 연구의 중심이 되어 왔다. 예를 들면, 나노와이어의 유용한 물리적, 화학적, 전기적 및 광학적 특성을 활용하는 단일 실리콘 나노와이어(큐이 외, 사이언스 293, 2001, 1289) 또는 실리콘 나노와이어 배열(엥겔 외, 케미스트리 인터내셔널 에디션 49, 2010, 6830)로부터 서로 다른 유형의 센서들이 다수 제작되어 왔다. 가스 센서와 같은 많은 장치 응용에 있어서 기판의 산화물 및 다른 표면 화학의 유해한 효과를 최소화하면서 환경과 접촉하는 나노와이어의 표면적을 최대화하므로 수직 나노와이어 방향이 이상적이다(오퍼만 외, 나노레터 10, 2010, 2412). 이들 유해한 효과는 전하운반자(charge carrier)의 트래핑(trapping) 및 디트래핑(detrapping), 기판 상의 다른 분자들의 비선택적 흡수, 목표 분자와의 반응에 대한 나노와이어 표면 일부의 입체 거부(steric denial) 등을 포함한다. 나아가, 배열에 있는 다수의 그러한 나노와이어들은 1/f 노이즈 및 전하 수에 민감한 유형의 다른 노이즈를 감소시킴으로써 장치의 성능을 개선한다.
수직 나노와이어 배열에 기초를 둔 센서형 장치를 만들 때 도전적인 것은 모든 나노와이어들에 개별적인 전기적 연결을 하는 것이다. 소수의 기존 접근방법은 나노와이어 배열 전체를 어떤 유형의 희생물질(sacrificial material)에 함입(embed)하고 나노와이어들의 끝을 노출시키고, 원하는 상부 접촉 전극층을 적층(deposit)하는 것을 포함한다(오퍼만 외, 나노레터 10, 2010, 2412; 박 외, 나노테크놀로지 19, 2008, 105503; 펭 외, 어플라이드 피직스 레터 95, 2009, 243112). 이러한 경우들에서 희생물질을 제거하면 나노와이어 센싱 영역이 드러나고 그 기판 자체는 하부 전극의 역할을 한다.
다공성 전극(porous electrode)을 만들기 위한 다양한 방법들이 존재하지만(로뮬러 외, 마이크로미캐닉스 & 마이크로엔지니어링 저널 18, 2008, 115011; 김 외, 센서 & 액츄에이터 B 141, 2009, 441-446), 이 방법들은 주로 전극의 표면적을 증가시키기 위해 설계되었을 뿐이며, 그러한 구조물들을 나노와이어 배열의 상부에 만드는데 적용할 수 없다. 금 나노입자 필름(파싼갈 외, 나노테크놀로지 17, 2006, 3786) 및 전기방사(electrospun) 금속 나노섬유(우 외, 나노레터 10, 2010, 4242)와 같은 다른 시도들은 전극층에서 홀(hole)들의 크기와 위치에 대한 정확한 제어를 허용하지 않고 또한 사용될 수 있는 재료의 유형도 상당한 제약을 받는다.
본 발명은 지지체(support), 상기 지지체에 수직인 복수의 나노와이어들, 및 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극을 포함하는 구조물(structure)에 관한 것이다. 각 나노와이어의 제2 말단부는 지지체와 접촉한다. 전극은 복수의 구멍(perforation)들을 포함한다.
그리고 본 발명은 지지체 및 상기 지지체에 수직이며 각 나노와이어는 상기 지지체와 접촉하는 제2 말단부를 가지는 복수의 나노와이어를 포함하는 구조물을 제공하고; 각 나노와이어의 한 부분을 덮고 각 나노와이어의 제1 말단부를 노출 상태로 남겨두는 충전재료(filler material) 층의 적층하고; 상기 충전재료 상에 복수의 나노입자(nanoparticle)들을 적층하고; 나노입자들, 상기 나노와이어들의 말단부 및 노출된 충전재료 상에 전극물질(electrode material)을 적층하고; 상기 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 복수의 구멍을 가지는 전극을 형성하도록 상기 나노입자들과 충전재료를 제거하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 충전재료에 고정된 복수의 상호 평행한, 상기 구조물의 제1 측면상에 노출된 제1 말단부들을 가지는, 나노와이어들을 포함하는 구조물을 제공하고; 상기 제1측면 상의 충전재료에 복수의 나노입자들을 적층하고; 상기 나노입자들, 상기 나노와이어의 제1 말단부들, 및 상기 제1 측면의 노출된 충전재료 상에 전극 물질을 적층하고; 상기 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 복수의 구멍들을 가지는 제1 전극을 형성하도록 상기 나노입자들과 충전재료를 제거하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.
나아가 본 발명은 지지체, 상기 지지체에 수직인 복수의 나노와이어들, 및 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극을 포함하는 구조물에 관한 것이다. 각 나노와이어는 상기 지지체와 접촉하는 제2 말단부를 가진다. 상기 지지체는 제2 전극, 또는 상기 나노와이어들의 반대쪽 표면의 전기적 접촉을 포함한다.
다음의 실시예에 대한 설명 및 그에 따르는 도면들을 참조함으로써 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있을 것이다.
도1은 제작과정의 여러 단계에서의 단면도 및 사시도로 상기 구조물을 설명하고 있다. (a)는 지지바(bar support), (b)는 나노스피어 밀집 단일층, (c)는 축소 직경 나노스피어들, (d)는 전체 구조물 상의 Au 코팅, (e)는 Si 에칭을 위한 Au 에칭 템플릿, (f)는 수직 SiNW 배열, (g)는 Au가 제거된 수직 SiNW 배열, (h)는 포토레지스트에 함입된 SiNW 배열의 노출된 끝 부분들, (i)는 SiNW 배열의 갭들을 점유하는 제2 나노스피어층, (j)는 산소 플라즈마 축소 직경의 제2 나노스피어층, (k)는 전체 구조물 상의 Au 코팅, 그리고 (l)은 하부의 PTE 및 SiNW 배열을 보여주는 장치 전체이다.
도2는 제작 과정의 여러 단계에서의 SEM(scanning electron microscope) 이미지들이며 (a)는 폴리스티렌 나노스피어의 밀집 단일층, (b)는 산소 플라즈마 축소 직경의 나노스피어들, (c)는 Si 에칭을 위한 Au 에칭 템플릿 (d) 수직 SiNW 배열, (e)는 포토레지스토에 함입된 SiNW 배열의노출된 끝부분들 (f)는 SiNW 배열의 갭을 완전히 점유하는 제2 나노스피어층, 그리고 (g)는 하부의 PTE 및 배열을 보여주는 장치 전체이다.
도3은 장치 전체의 개념도이다(평면도).
도4는 2분간의 맑은 공기 뒤에 따라오는 다양한 NO2 및 NH3 농도에 대한 센서의 반응을 보여준다. (a)는 30%까지의 RH에서 1 ppm의 NH3, 500 ppb의 NH3, 1 ppm 의 N02, 및 500 ppb 의 N02 에 대한 것이고, (b)는 10% 미만의 RH에서 250 ppb의 N02, 50 ppb의 N02 및 10 ppb of N02 에 대한 것이다.
도5의 (a)는 30%까지의 RH에서 500 ppb의 NH3에 대한 PTE 센서 및 고체전극센서의 반응이고, (b)는 상기 고체전극센서의 지연 포화 반응(delayed saturation response)이다..
도6은 다양한 농도에서의 암모니아와 이산화질소에 대한 센서의 반응이다. 점선은 비교를 위해 기본선을 확장한 것이다.
도7은 초기 경사기반 방법(slope-based method)을 사용한 암모니아(A)와 이산화질소(B)에 대한 보정곡선(calibration curve) 및 |ΔR/Ro|포화로 고정시간법(fixed-time point method)을 사용한 암모니아(C)와 이산화질소(D)에 대한 보정곡선이다.
이하에서 제한이 아닌 설명의 목적으로 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 특정한 상세 내용들을 서술하였다. 그렇지만 이 분야의 기술자에게는 본 발명이 이러한 특정한 상세 내용을 떠난 다른 실시예에 적용할 수 있다는 것이 명확할 것이다. 때에 따라서는 잘 알려진 방법과 장치에 대한 상세한 서술은 본 발명에 대해 혼동하지 않도록 불필요한 상세내용은 서술하지 않았다.
스피어, 와이어, 로드(rod), 튜브, 리본 등과 같은 나노구조에 기반을 둔 미세제작(microfabricated) 센서들은 화학무기 성분이나 폭발물의 감지를 위하여 필드에 적용가능한 가스상 또는 액상 센서를 달성하기 위한 노력에서 집중적인 연구의 초점이 되어왔다. 그러한 센서들은 선택적이고 민감하며, 소형이고, 저전력이며, 빠르고, 경제적이며, 사용법이 단순하고, 전투 장소 또는 공항과 같은 복잡한 환경에서 넓은 범위의 분석물질(analyte)을 감지할 수 있어야 할 것이다. 나노구조의 독특한 전기적 및 기계적 성질들은 센서를 위한 커다란 잠재력이 될 수 있지만 또한 화학적 FET(ChemFET)와 같은 가스상 센싱 플랫폼에서 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들면, 프로토타입 나노스케일 장치들은 높은 표면적 대 체적 비율 때문에 매크로스케일 벌크 장치보다 분석물질 흡수에 더욱 민감하다. 그렇지만 또한 나노스케일에서 더욱 중요한 샷 노이즈(shot noise) 및 1/f 노이즈로 인한 신호 대 잡음비가 상대적으로 좋지 않다. 단일 나노와이어는 분석물질에 빨리 반응할 수 있다. 그렇지만 나노와이어 배열을 통한 확산제한 대량수송(diffusion-limited mass transport)은 모든 나노와이어들에 의한 동시 반응을 막아 반응 시간을 증가시킨다. 좋은 나노구조 기반의 가스 센서는 센싱 요소의 표면적을 최대화하고 전하운반자에 관련된 잡음 원천을 줄이거나 제거하고, 확산제한된(diffusion-hindered) 반응시간을 최소화한다.
실리콘 나노와이어들은 그러한 이상적인 나노구조 기반 센서의 요건을 만족할 수 있을 것이다. 그것들은 비용을 절감하고 전통적인 CMOS 장치와의 통합성을 보장하는 기존의 실리콘 제작 기술로 쉽게 제작할 수 있다. 수직배열은 나노스케일에서 잡음원천을 최소화하고 센서 표면적을 최대화함으로써 중요한 장점을 제공한다. 잡음이 있는 와이어 대 와이어 접합들이 제거되고 와이어 표면이 지지기판에 의해 막히지 않는다. 추가적으로, 제한된 확산은 반응 시간을 증가시키기 때문에 수직으로 정렬된 실리콘 나노와이어 배열을 통한 증기 확산(vapor diffusion)은 결정적이다.
본 발명은 수직 나노와이어들의 배열, 특히 고체 상부 전극(top electrode) 또는 홀, 특히 주기적이고 잘 정의된 홀들의 배열로 된 순서 배열을 만드는 방법에 관한 것이다. 상부 접촉전극층의 홀들은 기체 또는 액체와 같은 다양한 요소들이 그것을 통하여 빨리 흐르고 하부의 나노와이어 감지 영역에 접촉할 수 있게 해 준다. 상기 홀 또는 구멍들은 전극층의 전반적인 다공성을 최대화하면서 배열에 있는 나노와이어들의 끝 부분에 전기적 접촉이 이루어지도록 크기와 위치가 정해질 수 있다. 순서 배열의 경우, 주기적 배치는 배열을 포함하는 와이어들의 측면으로부터 기체 또는 액체가 들어오는 것을 최대화할 수 있다. 어떤 구성에서는 배열까지 깨끗한 통로가 있을 수 있다. 마찬가지로, 순서배열의 나노와이이어들은 보통 유사하거나 동일한 차원과 피치(pitch)를 가지며 그렇게 하여 와이어 대 와이어의 변이와 최고의 반응을 주는 차원의 선택을 허용한다. 가능하게 한다. 나노와이어의 비순서배열(disordered array)들은 여전히 다공성 상부전극의 도움을 받을 수 있는데, 그것은 목표 분자가 상기 배열을 포함하는 모든 나노와이어들로 빨리 들어가기 위한 또 다른 통로를 제공한다.
상기 지지체와 나노와이어는 수행할 전기적 측정치에 부합하는 어떤 재료도 가능하며 반도체, 도전체, 금속 또는 절연 재료 등을 포함하나 이에 국한되지는 않는다. 상기 나노와이어들과 지지체간에 전기적 연결이 있을 수 있다. 지지재료의 한 예는 실리콘 웨이퍼와 같은 실리콘이다. 지지체는 기판 또는 여기에 서술된 천공 전극을 포함한 다른 전극일 수 있다. 지지체는 상기 나노와이어들의 반대쪽 표면에서 전기적 접촉을 포함할 수 있다.
그 나노와이어들은 지지체와 동일한 또는 다른 재료로 만들어 질 수 있고, 예로서 실리콘, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 또는 질화갈륨 등을 들 수 있다. 나노와이어 재료의 성질은 통제(control)될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 제어 재료의 경우 이것은 예를 들면 합성(composition), 도핑(doping), 도전률(electrical conductivity), 결정도(crystalinity), 화학적 기능성화(chemical functionalization), 및 추가적 표면층 등을 포함한다.
상기 지지체와 접촉하는 제2 말단부만을 가진 지지체에 수직인 복수의 나노와이어들이 있다. 그렇지만, 그 지지체에 수직이 아닌 추가적 나노와이어들도 있을 수 있다. 여기서 사용된 “수직”은 지지체에 직각의 1°, 5°, 10°, 20°, 40°, 또는 60° 이내로 정의될 수 있다. 나노와이어의 차원들은 예를 들면 길이, 직경, 및 크리스탈면(crystal face) 등에 관해 통제(control)될 수도 있고 통제되지 않을 수도 있다. 그것은 모두 평균 길이의 1%, 5%, 10%, 20%, 40%, 또는 60% 내에 있다는 의미에서 일정한 길이일 수 있다.
지지체에 나노와이어를 형성하는 방법들은 그 기술 분야에서 알려져 있는데 (후앙 외, 어드밴스트 머티리얼 23, 2011, 285-308; 케이스 외, 어플라이드 피직스 레터, 91, 2007, 103110; 리 외, 나노 레터 10, 2010, 1016-1021, 웨이스 등, 나노 레터 11, 2011, 1300-1305; 오퍼만 외, 나노 레터 10, 2010, 2412-2415), 이상의 문헌에 국한되지는 않는다. 이 나노와이어와 지지체는 모두 동일한 전구체(precursor) 기판으로부터 만들어질 수 있다. 이것은 그 나노와이어와 지지체를 남기도록 전구체 기판을 에칭하는 것을 통하여 할 수 있다. 다른 방법들로는 나노와이어들을 그 지지체 상에서 성장시키고 미리 형성된 나노와어들을 그 지지체에 부착시키는 것이 있는데 그에 국한되지는 않는다. 성장방법은 화학증착법(촉매형 또는 비촉매형). 물리증착법, 분자빔 결정법(molecular beam epitaxy) alc 관련된 성장방법과 액체 성장 등을 포함하는데 여기에 국한되지는 않는다.
어떤 실시예에서는 수직 나노와이어들의 순서 배열이 다양한 재료의 기판에 에칭되거나(펭 등, 어드밴스트 머티리얼 14, 2002, 1164) 또는 그로부터 성장되어 나올 수 있다(웨스트워터 외, 배큐엄 사이언스 테크놀로지 저널 B 15, 1997, 554). 나노와이어들의 직경은 물론 간격도 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 간섭 리소그래피, 및 나노스피어 리소그래피 등 일련의 방법을 통하여 제어할 수 있는데 그 방법들이 이들에 국한되지는 않는다. 나노스피어 리소그래핑와 실리콘의 촉매 에칭(펭 외, 어플라이드 피직스 레터 90, 2007, 163123)의 조합은 모든 나노와이어가 거의 같은 직경을 가지는 잘 통제된 차원과 물성을 가지는 주기적 수직 실리콘 나노와이어 배열을 만들어 낼 수 있다.
나노와이어들은 예를 들면 육각형 나노와이어 배열과 같이 임의로 또는 주기적으로 지지체에 배치될 수 있다. 주기적 나노와이어를 형성하는 한 가지 방법은 나노스피어의 밀집 육각배열을 전구체 기판에 적층하고, 나노스피어들을 에칭하여 그것들을 더 작게 만들고 기판의 부분들을 나노스피어들 사이에 노출하고, 나노스피어들과 노출된 전구체 기판에 에칭 촉매를 적층하고, 상기 나노스피어를 제거하고, 그리고 기판을 에칭하는 것이다. 이것은 거의 같은 길이, 나노와이어의 밀집배열와 같은 피치, 크기가 축소된 나노스피어와 거의 같은 직경의 육각형 나노와이어 배열을산출한다. 다른 나노입자들도 나노와이어들의 다른 배치를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 직경이 50nm에서 1μm까지 범위의 크기를 가지는 나노입자들이나 나노스피어들이 사용될 수 있고 그보다 더 크거나 작아도 된다. 수행할 전기적 특성치에 부합하는 어떤 재료도 만들어진 전극도 사용될 수 있다. 그것은 어떤 금속이라고 되고, 투명 도전성 산화물, 나노뷰브 필름, 또는 다른 나노구조와 같은 어떤 재료나 다른 도전성 재료라도 된다. 전극의 두께나 홀의 직경 또는 간격은 어떤 것도 된다. 그 나노와이어들과 전극 사이에 전기적 연결이 있을 수 있다. 예의 전극은 증기 또는 다른 방법으로 적층될 수 있고 연속 재료(continuous material)를 형성할 수 있다. 연속재료는, 나노 입자들이나 엉킴 필라멘트(entangled filament)와 같은 작은 물체의 혼합체(conglomeration)로서 형성되기 보다는, 층상화된 부품(layered article)을 포함하는 단일체(single article)로서 형성된다. 예의 전극은 티타늄과 금의 조합, 금, 은, 알루미늄, 그래핀, 그리고 크롬과 금의 조합 등을 포함하는데 그에 한정되지는 않는다.
상기 전극은 구멍들을 포함하는데, 그것은 상기 지지체에 직각이고 직선의 경로를 형성하고 상기 전극을 완전히 통과하는 개방된 공간들이다. 한다. 위에서 서술한 나노와이어들은 그 구멍들의 바로 아래에서 끝을 노출하지 않았을 것이지만 그러한 추가적인 나노와이어들이 있을 수 있다. 구멍들을 형성하는 예시적인 방법 한 가지는 충전재료를 적층하여 나노와이어들을 그 나노와이어들의 제1 말단부들을 남기고 덮도록 하는 것이다. 이것은 처음에 이루어질 수 있고 또는 나노와이어들을 완전히 덮고 난 후 잉여 충전재료가 제거될 수도 있다. 상기 충전재료는 나노와이어들과 전극을 제거하지 않고 나중에 제거되는 어떤 재료라도 되는데, 포토레지스트, 산화물, 알루미나, 실리카 등을 포함하나 그에 국한되지는 않는다. 그리고 나노입자들이 구멍들이 될 지점에 있는 충전재료에 적층될 수 있다. 그 나노입자들은 나노와이어들의 끝부분들이 나노스피어 사이의 공간에 있는 밀집 육각 배열의 나노스피어일 수 있다. 선택사항으로 나노입자들의 크기는 더 작은 구멍들을 허용하도록 축소될 수 있다. 그리고 전극재료가 나노입자들, 나노와이어의 말단부들, 및 노출된 어떤 충전재료라도 포함하는 전제 구조물의 상부에 적층된다. 그리고 원하지 않는 전극재료와 함께 부착된 나노입자들과 충전재료는 기판, 나노와이어들, 및 천공된 전극을 남겨두고 제거된다.
주기적 천공은 밀집 나노스피어들을 사용할 때 형성되는데, 그것은 샘플에 방사된 폴리스티렌 (또는 유사한) 나노스피어들을 포함하는 용액(solution)으로부터일 수 있다. 스핀-온(spin-on) 파라미터들은 나노와이어 상부에 나노스피어의 밀집 단일층(monolayer)을 산출하도록 제어될 수 있다. 그 나노스피어 직경이 나노와이어 대 나노와이어 거리와 같다면, 각 나노스피어는 기하학적으로 나노와이어들 간의 틈을 채우도록 배치될 것이다. 그 나노스피어들은 나노와이어들의 말단부 위에 놓이지 않도록 될 것인데, 그것은 입자들이 와이어들 간의 빈 곳을 채우도록 추가적인 나노스피어들의 자동 배열을 공급한다. 나노스피어들이 충분히 크다면, 하나 이상의 나노스피어들이 나노와이어들 간의 빈 곳을 점유하는 것이 가능하지 않을 것이다. 그렇지만, 더 작은 나노스피어들 또는 나노입자들은 인접한 나노와이어들 사이의 더 작은 다수의 구멍들을 형성하도록 사용될 수 있다.
그 나노와이어들이 주기적이지 않거나, 나노입자들이 밀집되지 않거나, 또는 다른 유형의 나노입자들이 사용된다면, 이 방법은 또한 비주기적 구멍들을 산출하는데 사용될 수 있다. 나노와이어들 상부의 나노입자들의 적층을 누락함으로써, 비천공 전극들은 나노와이어들의 순서 배열 또는 비순서 배열 상에 만들어 질 수 있다.
이 구조물은 흡수된 분자들을 전기적 신호로 바꾸기 위한 변환(transduction) 메커니즘을 사용하는 센서의 한 부분으로 사용될 수 있다. 전기적 신호는 전압, 전류, 저항, 주파수, 또는 용량(capacitance) 등의 변화일 수 있다. 출력(output)과 함께 측정된 값은 저항으로 변환하는데 사용된다. 그 구조물은 샘플에 노출될 수 있고, 그리고 그 구조물의 전기적 성질의 변화가 측정된다. 예를 들면, 상기 지지체(또는 그에 포함된 전기적 접촉)와 상기 전극 사이의 저항은 하나 또는 그 이상의 분석물질에 반응하여 변할 수 있다. 그러한 센서들의 그 응용의 사례들은 가스 또는 액체 폭발물, 그리고 화학적 또는 생물학적 작용제(agent) 또는 독성 산업물질(TIC)들의 감지를 포함한다.
하나의 구조물을 형성하기 위해서 다음과 같은 단계들이 수행될 수 있다.
나노와이어 형성
1. 약 1-10 Ω-cm의 저항성(resistivity)을 가지는 p-형 실리콘 웨이퍼로 시작한다.
2. 상온(room temperature)에서 다음의 세척 단계들을 수행한다(도1(a)).
H2SO4 및 30% H202 의 3:1 용액으로 30분간
H20, NH4OH, 및 H202 의 5:1:1 용액으로 30분간
3. 샘플에 490 nm 폴리스티렌 나노스피어 용액(10% 고체)을 적층하고 밀집 단일층을 얻기 위해 스핀코팅한다(기판 1cm2당 나노스피어 용액 약 1 μL)(도1(b)).
4. 샘플을 하룻밤 건조한다.
5. 산소 플라즈마 에치(etch)를 사용하여 나노스피어 직경을 원하는 값까지 축소한다(도1(c)).
6. 전자빔증착기(e-beam evaporator)를 사용하여 샘플 상부에 금 25nm를 적층한다(도1(d)).
7. CHCl3에 5분까지 잠기게 하여 나노스피어 및 불필요 금속을 제거한다(도1(e)). 간단한 음파처리(sonication)가 필요할 수도 있다.
8. 샘플을 4.6 M HF 및 0.44 M H202 용액에서 길이 4~8 μm 정도의 나노와이어를 위해 20-30분 에칭한다(도1(f)).
9. TFA 금 에천트(etchant)를 사용하여 남은 금을 제거한다(도1(g)).
10. 상기 샘플을 주의 깊게 씻어내고 임계점 건조기(critical point dryer)를 사용하여 건조한다.
전극 형성
11. 나노와이어 배열을 완전히 덮도록 두꺼운 포토레지스트 층을 적층한다.
12. 니노와이어 끝부분들을 노출시키기 위해 산소 플라즈마 에치를 사용하여 포토레지스트 층의 상부 층을 제거한다(도1(h)).
13. 제3단계에서 설명한 동일한 공정을 사용하여 490nm 폴리스티렌 나노스피어들을 적층한다(도1(i)).
14. 산소 플라즈마 에치를 사용하여 나노스피어 직경을 원하는 값까지 축소한다(도1(j)).
15. 점자빔증착기를 사용하여 20 nm의 티타늄과 100nm의 금으로 구성되는 전극층을 적층한다(도1(k)).
16.샘플을 하룻밤 아세톤에 잠기게 하여 포토레지스트와 나노스피어층을 제거한다(도1(l)). 간단한 음파처리 및/또는 CHCl3에 잠기게 하는 것이 상기 나노스피어를 완전히 제거하기 위해 필요할 수 있다.
17. 임계점 건조기를 사용하여 상기 샘플을 건조한다.
다른 실시예에서, 나노와이어들은 충전재료에 고정되고, 그리고 지지체로부터 하나의 단위로 제거되어 상기 나노와이어들의 제2 말단부를 노출시킨다. 그 충전재료는 중합체 또는 위에서 서술된 충전재료들과 같이 상기 나노와이어들을 자리에 고정시키고 후에 제거되는 어떤 재료도 될 수 있다. 여기에 서술된 어떤 지지체, 기판, 나노와이어, 나노입자, 전극, 및 공정들도 이 실시예에 사용될 수 있다.
상기 지지체는 천공 전극이 상기 구조의 제1 노출 측면에 형성되기 전 또는 후에 상기 나노와이어와 충전재료로부터 제거될 수 있다. 한가지 변형은, 그 지지체가 제거되고 천공 전극이 상기 제1 측면에 형성되고, 이어서 제2 전극이 제2 측면에 형성되는 것이다. 그 제2 전극은 제2 측면 전체를 덮을 수도 있고 그 제1 전극과 같은 방법으로 천공될 수도 있다. 그 제2 전극은 또한 제1 전극 이전에 형성될 수도 있다. 다르게는, 상기 제1 전극이 형성되고, 그리고 지지체가 제거되고, 그리고 제2 전극이 형성된다. 그 전극들이 별도로 형성될 때는 상기 충전재료가 양자의 형성을 위해서 남거나, 또는 하나의 전극을 형성한 후 제거되고 제2 전극을 형성하기 위하여 동일한 또는 다른 충전재료로 대체될 수 있다. 다르게는, 상기 지지체가 제거되고, 그리고 양 전극 모두 동시에 형성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 상기 제1 전극이 천공되거나 또는 천공되지 않을 수 있고, 상기 지지체는 제2 전극이거나 또는 잔기적 접촉을 포함한다. 양 전극은 그리고 나노와이어의 전체 배열과 접촉하여, 모든 나노와이어들을 통하여 전기적 성질을 측정하는 것이 가능하게 할 수 있다.
상기 방법의 잠재적인 이점은 나노스피어들의 밀집 배열의 셀프-어셈블리(slef-assembly)로 인해 자동 공정에 의한 나노와이어 사이의 주기적 천공 형성 능력이다. 그 구멍들을 위치시키기 위한 등록(registration) 또는 정렬이 요구되지 않는다. 그래서 상기 방법은 웨이퍼의 크기로 인한 복잡함 없이 전체 웨이퍼를 포함하는 대영역으로 확대적용(scale) 될 수 있다.
수평으로 연결된 다수의 수직 나노와이어들은 물론 상기 전극과 나노와이어 배열을 통과하는 기하학적으로 가능하게 된 가스의 흐름이 빠른 반응 속도와 높은 민감도의 가스 감지를 결과적으로 가져오는 가스 센서 유형의 응용에서 상기 구조물의 잠재적 이득은 명백하다. 그 구조물을 통한 최대의 가스 흐름을 얻기 위해서, 그 공기흐름이 수동적이든 또는 센서를 통과하여 능동적으로 주입(pumped) 되든, 천공된 상부 전극은 매우 효과적일 수 있다.
나노스피어 가용화(nanosphere-enabled) 천공 전극의 다른 특성은 단순히 나노와이어들의 상부에 적층된 나노스피어들의 크기를 바꿈으로써 그리고 그것들이 산호 플라즈마에서 에칭되는 (etched down) 시간을 변화시킴으로써 피치 또는 직경과 같은 상부 전극의 홀의 성질들이 쉽게 제어될 수 있다는 것이다. 다음 사례들은 특정한 응용을 설명하기 위한 것이다. 아들 특정한 사례들은 이 응용의 공개 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
한 연구에서 나노스피어 리소그래피와 금속촉매 화학적 에칭(metal-assisted chemical etching)의 조합을 사용하여 잘 정렬된(well-oredered) 실리콘 나노와이어(SiNW) 배열을 합성하였다(펭 외, 어플라이드 피직스 레터 95, 2009, 243112). 실리콘은 감도 및 선택성 증가를 위한 다양한 기능화(functionalization)와 표면 변경(modification) 기술의 넓은 가용성 뿐 아니라 제작과 통합의 용이성을 위해 실리콘이 선정되었다. 상업적으로 판매되는 웨이퍼에서는 도핑제(dopant) 유형과 농도(concentration)의 정확한 통제가 가능하다. 상기 공정은 직경 100 nm, 저항성 10 Ω-cm까지의 B 도핑(B-doped) p형 Si(100)를 1 cm2 조각들로 잘라 3:1의 H2S04:H202 (30%) 용액, 1:1:5의 H2O2(30%):NH4OH:H2O 용액, 및 탈이온수(deionized water)에 연속적으로 세척하는 것으로 시작했다. 그리고 그 결과로 얻어진 친수성 기판이 490 nm의 폴리스티렌 나노스피어(뱅스 랩, 10% w/v) 밀집 단일층으로 스핀코팅(청 외, 나노테크놀로지 17, 2006, 139-43)(도2 (a)) 되었다. 그 나노스피어들은 이어서 산소 플라즈마 에치(도2 (b))를 통해 직경이 축소되었다. 실리콘의 촉매 이방성 에칭(catalytic anisotropic)을 위한 천공 금 템플릿이 25 nm 두께층의 금을 그 나노스피어 상부에 증착하고 이어서 CHCl3 (Fig. 2(c))에 잠기게 하여 상기 나노스피어를 제거함으로써 만들어졌다. 그리고 상기 장치를 10% HF 및 0.6% H2O2에 잠기게 하여 그 SiNW가 형성되었는데, 여기서 금이 선택적으로, 또 이방성으로 그 실리콘 기판 안으로 에칭되고 잘 정렬된 수직 나노와이어들의 배열을 남겼다(도2 (d)). 포토레지스트 층은 접촉패드 영역과 같은 특정한 위치들에서 실리콘의 에칭을 방지하기 위해 템플릿의 부분들에 패턴화될 수 있었다. HF-H2O2 용액에서 실리콘 에칭율은 용액의 농도, 온도, 템플릿 차원(dimension) 등의 여러 요인에 의존하지만 이 경우 200 nm min-1로 나타났다. 그 샘플들은 전형적으로 길이 4-6 μm, 직경 200 nm까지, 나노와이어 대 나노와이어 거리 490 nm 인 4x 108 /cm2 까지의 SiNW를 만들기 위해 약 30분간 에칭된다. 폴리스티렌 나노스피어의 초기 직경은 SiNW 배열의 주기를 정의했고, 이 초기 직경과 뒤따른 산소 플라즈마에서의 나노스피어 에칭은 결과로 나온 나노와이어 직경을 정의했다. 다음으로, 500 nm 두께 층의 SiO2가 전기적으로 접촉 패드 영역을 기판 벌크(bulk)로부터 분리하기 위하여 장치 전체에 증착되었다. 그리고 산화층이 나노와이어 표면의 어떤 남은 산화물도 제거하는 한편 그 SiNW 배열을 노출시키기 위하여 선택적으로 에칭되어 나갔다. 이 단계는 또한 접촉 저항을 줄이고 상기 나노와이어 끝부분들과 후에 적층된 전극층 간의 옴접촉(ohmic contact)을 만들었다. 그리고 전체 SiNW 배열이 SiNW 끝부분들만을 노출시키기 위해 산소 플라즈마에서 뒤이어 에칭백(etched back)이 된 두꺼운 포토레지스트로 덮였다(도2(e)).
SiNW 끝부분들을 노출시킨 후 상기 에칭 템플릿을 만드는데 사용된 이전의 것과 동일한 제2 나노스피어층이 적층되었다. 이 제2 나노스피어층의 주기가 상기 SiNW들의 주기와 같기 때문에 새 나노스피어들은 물리적으로 그 배열의 공백(void)들을 완전히 점유하고 노출된 SINW 끝부분들의 상부에 밀집 배열을 형성하도록 물리적으로 제약된다. 산소 플라즈마에서 상기 제2 나노스피어 배열을 가볍게 에칭 다운(etching down)하고, 20 nm 두께의 티타늄과 100 nm 두께의 금으로 구성되는 금속 전극층을 증착하고, 그리고 끝으로 그 포토레지스트와 나노스피어들을 아세톤으로 제거하여 도2(g)와 같이 PTE 층이 있는 큰 SiNW 배열(5 mm x 5 mm)이 형성되었다. 아직 폴리스티렌 나노스피어들이 안에 보이는데 포토레지스토와 금 필름 두께의 국지적 변이의 결과이다. 구멍(pore)들의 크기와 분포는 나노스피어 처리 조건을 변화시킴으로써 제어할 수 있고 나노와이어들과 상부 전극간의 접촉 저항은 저온 풀림(annealing)에 의해 더욱 줄일 수 있다. 바닥의 전기적 연결을 만들기 위해서 도전성 에폭시를 사용하여 핀 그리드 어레이(PGA)에 장치가 완전히 적재되었다. 상부의 전기적 연결은 상기 접촉 패트에 대한 와이어본딩(wirebonding)에 의해 만들어졌다(도3).
PTE/SiNW 배열 센서의 생화학적 능력을 평가하기 위해서 완성된 장치가 ?춤 실험실(custom-built testing chamber)(필드 등, 애널리티컬 케미스트리 83, 2011, 4724-4728)에서 다양한 수준의 NO2 또는 NH3 에 노출되었다. 벽 흡수를 최소화하기 위해 이중 매니폴드(dual manifold)(분석물질 라인 및 깨끗한 공기 라인)가 코팅 스테인레스강(실리코너트(SilicoNert) 코팅 스테인레스강 튜빙, 레스텍(Restek))으로 구축되었다. 암모니아와 이산화질소의 압축된 가스 실린더가 매니폴드의 분석물질 라인에 연결되었다. 분석물질 라인과 깨끗한 공기 라인 모두에 제로에어발생기(인바이로닉스)와 습도 제어 유닛(밀러 넬슨)이 가습된 공기(상대 습도 40%까지)를 만들기 위해 사용되었다. 알려진 분석물질의 농도는 교정 가스 표준(calibrated gas standard)(100 ppm 암모니아 및 50 ppm 이산화질소, 에어가스)을 T-커넥터와 매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller)을 통하여 캐리어 에어(carrier air)로 희석하여 얻어졌다. 매니폴드의 깨끗한 공기 및 분석물질 라인 사이의 스위칭(switching)을 위해 쓰리 웨이 밸브와 액튜에이터가 사용되었다. 매니폴드 전체가 온도 제어 오븐에 놓여졌다. PGA 적재 센서를 시험하기 위해 콘 모양을 가진 스테인레스강 샘플 챔버가 구축되었다. 샘플 펌프가 챔버를 통하여 공기를 100 mL/min으로 흘리기 위하여 사용되었다.
샘플 챔버 내의 전기적 연결은 센서의 적재와 이탈(unloading)을 쉽게 하기 위하여 ZIF(zero insertion force) 소켓과 단순한 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)으로 만들어졌다. 멀티플렉서(케이슬리, 2001)와 소스 미터(케이슬리, 2602)가 상기 샘플 챔버의 회로 기판에 연결되었다. 그 멀티플렉서는 각각 PGA 의 특정한 핀 및 기능과 센서의 선택을 가능하게 해 주었다. 저항은 100 μA의 전류를 공급하고 10 Hz의 샘플 율(rate)에서 전압을 기록함으로써 모니터링 되었다. 센서에 관한 전자공학적 특성은 랩뷰(LabView) 프로그램으로 모니터링되고 제어되었다. 깨끗한 공기에 노출되는 동안 기록된 저항은 평균하여 초기 저항 R0를 산출하였다. 센서 반응(ΔR/R0)은 비교와 추가적 평가를 위해 저항의 차이(R-R0, ΔR)를 초기 저항으로 정규화(normalize)하여 계산하였다. 모든 데이터 모델링과 플로팅은 오리진프로 8.1 소프트웨어 패키지를 사용하여 수행하였다.
더 이상의 실리콘 처리 또는 변경이 없이 NO2(NH3)와 같은 전자끄는(주는) 종(species)의 표면 흡수는 p-형 Si 장치의 전반적 저항을 감소(증가)시킨다. 이 증기 전달 시스템의 중요한 차이점은 현실 시험 환경을 시뮬레이션하기 위해 건조한 N2에 대조적으로 분석물질을 교정된(calibrated) 양의 가습 공기와 혼합할 수 있다는 것이다. SiNW가 수증기에 매우 민감하므로 가습 공기에서의 센서 시험은 현실에서의 구현을 위한 매우 중요한 단계이다.
프로토타입 센서들은 통제된 40°C 의 온도와 30%까지의 상대 습도에서 NO2 또는 NH3의 농도의 변화에 대한 반응에 대하여 시험되었다. 저항의 변화는 10 μA의 일정한 전류를 유지하면서 전압계로 전압을 기록하여 결정되었다. 센서 반응은 실시간 데이터를 아무런 필터링 또는 스무딩이 없이 그대로 저항의 변화를 베이스라인 저항(ΔR/R0 )으로 나눈 것으로 플로팅하였다. 도4(a)는 가습 공기에서 NO2 와 NH3 각각에 대하여 1 ppm 및 500 ppb 에 대한 프로토타입 센서의 반응으로 보여 준다. 예상대로, 장치 전체의 저항은 NH3에 노출 시 증가하고 NO2에 노출시 감소하였다. 그 반응은 아마 PTE 때문에 몇 분 내로 포화에 도달하였는데 한편 대량의 평행한 나노와이어 배치가 매우 낮은 노이즈 프로필을 결과로 내었다. 가습 공기는 산화 금속(스타크 외, 센서와 액튜에이터 B, 2002, 239-45)과 카본 나노튜브(장 외, 나노테크놀로지 20, 2009, 255501) 센서에서 NO2/NH3 감지 능력에 역으로 영향을 준다. 그렇지만 물은 매우 낮은 분석물질 농도에서 센서 반응을 개선하는 것 같다. 저농도에서의 감지를 위해서 시험 챔버에서의 습도 수준이 10% RH 미만으로 감소되었다. 도4(b)는 250, 50, 10 ppb의 NO2에 30분간 노출시켰을 때의 센서 반응을 보여 준다. 가장 낮은 10 ppb 농도 수준에 대해 센서의 저항은 18%의 하락을 시현하였다. NO2에 대한 10 ppb 감도는 SiNW 기반 센서에 대해 보고된 가장 낮은 수준이며 연간 NO2 노출에 대한 미국내 또는 국제적 표준보다 훨씬 아래라고 할 수 있다(벨랑거 외, 아메리칸 저널 오브 레스피러토리 앤드 크리티컬 케어 메디신 173, 2006, 297-303).
센싱 성능에 대한 PTE의 효과는 비다공성 고체 전극을 가진 센서를 생산하기 위한 제작 공정에서 제2 나노스피어 적층 단계를 누락함으로써 조사되었다. 전극층에서 홀이 있는 장치와 없는 장치는 다른 모든 면에서 동일했다. 도5는 500 ppb의 NH3에 대한 2개 유형의 장치의 센싱 반응을 보여 준다. 2개 센서 모두 시간의 흐름에 따라 유사한 포화 수준에 도달했지만 윗부분의 선으로 표시된 것과 같이 상기 PTE 센서는 약 6분에 이 수준에 도달했다. 반면 비다공성 형태들은 포화에 도달하는데 거의 1시간이 요구되었다. NO2에 대한 반응도, NH3에 대해서와 같이 나타나지는 않았지만, PTE 센서에 대해 더 빨랐다. 이 차이는 상기 나노와이어들의 평행한 전기적 배치와 상호작용하는 분자들에 의해 유도된 서로 다른 저항의 변화에 의해 설명된다. NH3는 저항의 증가를 유도하므로 상기 나노와이어의 대부분은 상기 배열에 의해 전체적으로 커다란 반응을 위해 변화해야 한다. 대조적으로 NO2는 개별 나노와이어의 저항을 감소시키므로 단지 몇 개의 나노와이어가 전체 배열에 대한 커다란 저항의 변화를 일으킬 수 있다. 모든 감지 구도에 대해, 특히 증가된 나노와이어 저항을 결과하는 것들에 대해, 상부 전극층의 홀들은 그 분석물질들을 그 전극층을 통하여 직접적으로 흘러 빨리 배열의 모든 나노와이어들과 상호작용하는 것을 허용함으로써 감지 반응을 상당히 개선한다. 분석물질의 전기음성도(electronegativity)에 대한 상대적 민감도는 n-도핑 Si로부터 나노와이어를 제작함으로써 역전될 수 있다.
다른 실험에서 단일 배치(batch)로부터의 합계 6개 센서가 시험되었다. 센서들은 초기에 깨끗한 공기에 2분간 노출된 후 암모니아 또는 이산화질소에 8분간 노출되었다. 흡착기반센서(absorption-based sensor)는 랑무이르 흡착 모델(Langmuir Absorption Model)을 따르고 대용량 수송 제한적(mass-transport limited)이어야 한다. 그래서 저항은 점근적으로(asymptotically) 변화하여야 한다(와시번 외, 애널리티컬 케미스트리 81, 2009, 9499-9506; 와시번 외, 애널리티컬 케미스트리 82, 2011, 69-72; 에도우즈 등, 바이오센서 3, 1987, 1-15; 부니모비치 외, 저널 오브 아메리칸 케미컬 소사이어티 128, 2006, 16323-16331). 8분의 노출 시간은 암모니아와 이산화질소 양자 모두에 대한 센서의 전상승시간(full rise time)을 결정하기 위해 사용되었다.
40°C 및 서로 다른 농도에서의 암모니아와 이산화질소에 대한 반응을 나타낸 것이 도6에 있다. 나타낸 데이터는 하나의 대표적 센서에 대한 것이다. 추가적인 센서에 대한 반응은 전반적으로 일관성이 있었다. 약간의 온도 상승은 센서 반응에 있어서 온도에 의해 유도된 파동(fluctuation)을 제거하였다. 암모니아와 이산화질소의 농도 범위는 250 ppb에서 10 ppb까지이다. 도6에서, 지목되고 예상되었던 것과 같이, 그 저항은 암모니아에 대해 증가하고 이산화질소에 대해 감소하였다. 그 반응은 두 개의 분석물질 모두에 대해(노출시간 8분) 약 10분의 실행시간(run time)에서 농도에 무관하게 포화(편평해짐)되었다. 그렇지만 나노와이어 표면들로부터 흡착된 분석물질을 깨끗한 공기에 노출시켜 부분적으로 제거하여 40°C에서 안정된 평탄(flat)한 베이스라인으로 돌아오는데 센서가 최소한 1시간을 필요로 했다(데이터는 나타내지 않았음). 분석물질들의 나노와이어 상의 비가역적 흡착 때문에 상기 베이스라인은 원래의 노출 전 저항으로 결코 완전히 돌아오지는 않았지만 새로운 평형 저항에 도달했고 시간이 지남에 따라 센서는 민감도(sensitivity)를 상실했다. 노출 동안 나노와이어 표면으로부터 흡착된 분석물질의 불완전한 제거에 따라 노출의 횟수가 제한되었고 암모니아 또는 이산화질소의 각 농도에서 반복적인 측정이 되지 못했다. 흡착, 제거는 온도에 의존하지만 민감도와 상쇄적이고 추가적인 최적화를 요구하므로 회복(recovery) 및 수명은 더 높은 작동 온도로 개선될 수 있을 것이다. 센서를 재생(regenerate)하기 위해 전류를 와이어들을 통해 흘림으로써 열에 의한 흡착 분석물질의 제거는 쉽게 달성될 수 있고, 그 결과는 줄(Joule) 가열 및 그것들의 온도 상승이 될 것이다.
도6은 10 ppm 암모니아 노출에 대한 저항의 변화를 보여주는데 초기 노출시의 최대값을 함께 보여 준다. 이 초기 최대값은 상대적으로 높은 암모니아 농도에서만 관찰되고 10 ppm에서 가장 뚜렷하다. 이산화질소에 대해서는 어떤 농도에서도 초기 최대값이 관찰되지 않는 것으로 볼 때, 그것은 분석물질별로 다르다는 것을 시사한다. 예를 들어 암모니아와 가습 공기가 반응하여 수산화암모늄(ammonium hydroxide)을 형성할 수 있다. 다르게는, 암모니아가 상온의 초고진공(ultrahigh vacuum)에서는 실리콘 표면에서 NH2 및 H로 분리될 수 있다(보즈소 외, 피지컬 리뷰 레터 57, 1986, 1185; 딜론, 저널 오브 배큐엄 사이언스 앤드 테크놀로지 A 9, 1991, 2222). 분리는 상기 실리콘 나노와이어 표면의 화학적 성질을 변화시키거나 또는 재구조화할 것이고, 남은 표면을 보다 반응적이지 않게 만들 것이다. 초기 최대값의 근원이 명확하게 파악되지는 않았지만, 그 존재가 실리콘 나노와이어를 기초로 한 센서의 전반적 반응과 성능의 추가적 분석을 방해하지는 않는다.
도6은 2분간 깨끗한 공기에 노출시킨 다음 암모니아에 노출시킨 후의 급격한 저항의 증가로서 빠른 반응을 보여 준다. 센서가 상온에 있고 건조한 공기 또는 불활성 기체(inert gas)와 대조적으로 운반자로서 가습 공기가 사용되었으므로 실리콘 나노와이어 기반 센서의 초-분 포화 반응은 놀랍다. 다공성 고체 상부 전극을 가진 센서들 사이의 직접적 비교는 공극성(porosity)이 빠른 반응을 가능하게 한다는 것을 확인해 주었다. 원추형 샘플 챔버의 모형화 및 시뮬레이션(데이터는 나타내지 않았음)은 일정한 증기 프론트가 PTE를 통해 전체 센서 표면에 전달되고, 그렇게 하여 분석물질 분자들이 와이어배열을 횡단하는 확산 시간을 단축한다.
상기 실리콘 나노와이어 기반 센서의 신호대 잡음비는 유사한 나노튜브 및 나노와이어 기반 센서들보다 뚜렷하게 개선되었다(펭 외, 어플라이드 피직스 레터 95, 2009, 243112; 리 등, 저널 오브 피키컬 케미스트리 B 110, 2006, 11055-11061; 스노우 외, 케미컬 소사이어티 리뷰 35, 2006, 790-798; 스노우 외, 나노 레터 5, 2005, 2414-2417; 로빈슨 외, 나노 레터 8, 2008, 3137-3140). 그 신호대 잡음비는 가습된 상온의 공기에서 시험된 두 개의 분석물질에 대해 약 1000:1 이었다(도6). 이 결과는 10 Hz의 샘플 레이트(rate)에서 얻어졌고 아무런 획득 후(post-acquisition) 스무딩(smooting), 필터링, 또는 배경 제거(background subtraction)가 요구되지 않았다. 그 탁월한 분석물질 반응과 최소 배경 습도 반응은 PTE 및 배열 내의 모든 나노와이어가 상부 및 하부 전극 양자에 접촉하고 있다는 사실 때문이라고 할 수 있다. 다른 수직 정렬 나노와이어 기반 센서들은 비순서배열 나노와이어의 일부에 대해서만 접촉하는 상대적으로 작은 전극들을 가지고 그래서 소수의 나노와이어들만 센싱 요소로 작용한다(펭 외, 어플라이드 피직스 레터 95, 2009, 243112). 본 센서에서 상기 PTE는 모든 나노와이어가 1/f 노이즈 같은 전하운반자의 수에 민감한 잡음 원천을 최소하하는 대량의 평행 배열에 있는 센싱 요소가 되도록 보장한다. 상기 나노와이어들과 상기 PTE 사이 인터페이스의 산탄잡음(shot noise)은 그 천연산화막(native oxide layer)을 그 나노와이어들의 끝부분들로부터 제거함으로써 더욱 최소화된다.
초기경사법(initial slope method)은 흡착기반 센서에 대해 수량 정보를 획득하기 위한 방법으로 효과적으로 사용되어 왔지만 특지 액상에서 및 비 나노와이어 센서에 대해서였다(와시번 외, 애널리티컬 케미스트리 81, 2009, 9499-9506; 와시번 외, 애널리티컬 케미스트리 82, 2010, 69-72; 에도우즈, 바이오센서 3, 1987, 1-15). 초기경사법은 포화를 획득할 필요가 없는 보다 짧은 샘플링 시간을 가능하게 해 주며 더 큰 동적 범위에 대해 더 선형적인 보정 곡선을 산출할 수 있다. 도6의 암모니아와 이산화질소의 각 농도에서 그 센서 반응이 하나의 지수 함수(y=Ae-t/r+y0)에 적합화(fitting)되었다. 밸브가 그 분석물질 라인으로 스위칭되는 시점에 t=0에서의 기울기는 단순히 A/r이다. 도7의 A, B는 각각 암모니아와 이산화질소에 대한 보정곡선을 보여주는데, 그 초기 기울기(A/r)가 ln-ln 스케일 상에 농도에 대해 플로팅되었다.
|ΔR/R0|포화를 사용하는 고정시점법(fixed-time point method)도 또한 비교를 위한 보정 곡선(도7 C, D)을 그리기 위해 사용되었다(|ΔR/R0|포화는 10분의 가동 시간에서 정규화된 반응). 그 R2는 초기경사법에 대해 0.996 및 0.912이었고, 고정시점법에 대해 0.711 및 0.807이었다. 보정곡선에서 계산된 각 농도에 관련된 오차의 평균인 상대예측오차(RPE)는 암모니아와 이산화질소 각각에 대해 고정시점법의 49.0% 및 40.3%와 비교하여 초기경사법에서 5.1% 및 24.9%이었다. 대량수송이 제한된 조건하에서 상기 초기경사는 포화에서 고정시점법보다 농도와의 상관관계를 더 잘 연관지어주는 지수법칙 의존(power law dependence)을 시현한다. 암모니아 보정곡선은 곡선적합화(curve fitting)가 더 높은 농도에서 관찰된 초기 최대값을 명시적으로 모델링하지 않는다는 것을 고려하면 합리적이지만, 이산화질소 보정곡선은 아마도 단일 지수보다 더 좋은 적합화 모델을 사용하여 더욱 개선될 수 있다.
상기 초기경사법은 센서 포화를 제거하기 때문에 상기 고정시점법보다 농도에 대한 더 좋은 상관관계를 제공한다. 이것은 샘플링 시간을 줄이고 상기 센서를 현실 환경에 더욱 적용가능하게 할 뿐 아니라 수량화(quantitation)에 필요한 재료의 양 및 센서 재생을 위하여 제거되어야 하는 양을 제한함으로써 센서 회복 및 수명을 개선한다.
상기 내용에 비추어 여러가지 변경과 변형이 가능함은 분명하다. 그러므로 청구된 대상 항목은 특정하게 기술된 내용과 달리 실시될 수 있을 것으로 이해된다. 단수(singular)로 청구된 요소들과 관련하여 하나의(a, an), 그(the), “상기(said)” 등이 해당 요소를 단수로 제한하는 것으로 해석되는 것은 아니다.

Claims (21)

  1. 하나의 지지체;
    상기 지지체에 수직인 복수의 나노와이어; 및
    상기 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극;
    을 포함하고,
    상기 각 나노와이어는 상기 지지체와 접촉하는 제2 말단부를 갖고, 그리고 상기 전극은 복수의 천공(a plurality of perforation)을 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 및 천공은 주기적으로 정렬된 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  3. 제1항에 있어서 상기 지지체는 기판인 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 제2 전극인 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 전극은 복수의 천공을 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 및 상기 지지체 모두는 전구체 기판으로부터 형성된 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 및 상기 지지체는 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극은 증착(deposition of a vapor)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전극은 연속재료(continuous material)인 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전극은 티타늄과 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.
  11. 제1항에 따른 천공 접촉 전극 구조물; 및
    상기 구조물의 전기적 특성을 측정하기 위하여 상기 구조물에 결합된 미터기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 구조물의 전기적 특성 변화 감지를 위한 센서.
  12. 제1항에 따른 천공 접촉 전극 구조물을 제공하고;
    상기 구조물을 샘플에 노출시키고; 그리고,
    상기 구조물의 전기적 특성 변화를 탐지하는;
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 구조물의 전기적 특성 변화감지 방법..
  13. 지지체 및 상기 지지체에 수직인 복수의 나노와이어를 포함하는 구조물로서, 상기 각 나노와이어는 상기 지지체와 접촉하는 제2 말단부를 갖는 구조물을 제공하고;
    상기 각 나노와이어의 일부분을 덮는 것과 동시에, 상기 각 나노와이어의 제1 말단부를 노출시키는 충전재료 층을 적층하고;
    상기 충전재료 위로 복수의 나노입자를 적층하고;
    상기 나노입자, 상기 나노와이어의 말단부(the ends of the nanowires) 및 노출된 충전재료 위에 전극물질을 적층하고; 그리고,
    상기 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극을 형성하기 위해, 상기 나노 입자 및 충전재료를 제거하는;
    단계를 포함하는 방법이고,
    상기 전극은 복수의 천공을 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극의 형성방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 나노입자는 나노스피어(nanosphere)인 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극의 형성방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 충전재료 층을 적층하는 단계는,
    상기 나노와이어를 충전재료로 완전히 덮고; 그리고,
    상기 나노와이어의 제1 말단부를 노출시킬 수 있을 만큼 상기 충전 재료를 제거하는;
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극의 형성방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 전극물질을 적층하기 전에 상기 적층된 나노입자의 크기를 감소시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극의 형성방법.
  17. 충전재료 내에서 고정된 서로 평행한 복수의 나노와이어를 포함하는 구조물의 제공 단계로, 상기 나노와이어는 상기 구조물 제1 측면 위에 노출된 제1 말단부를 갖도록 형성된 구조물의 제공단계;
    상기 제1 측면 상의 상기 충전재료 위로 복수의 나노입자를 적층하는 단계;
    상기 나노입자, 상기 나노와이어의 제1 말단부, 및 제1 측면상의 노출된 충전재료 위에 전극물질을 적층하는 단계; 및
    상기 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 제1 전극을 형성하기 위하여 상기 나노입자 및 충전재료를 제거하는 단계;
    를 포함하는 방법이고, 상기 제1 전극은 복수의 천공을 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 제1 전극의 형성방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 구조물은, 상기 구조물의 제2 측면 및 각 나노와이어의 제2 말단부와 접촉하는 하나의 지지체를 더 포함하고, 그리고 상기 방법은,
    상기 제2 말단부를 노출시키기 위해 상기 지지체를 제거하는;
    단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 제1 전극의 형성방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 구조물은 각 나노와이어의 노출된 제2 말단부를 갖는 상기 구조물의 제2 측면을 더 포함하고, 그리고 상기 방법은,
    상기 각 나노와이어의 일부분을 덮는 것과 동시에, 상기 충전재료가 이미 제거된 경우 상기 각 나노와이어의 제2 말단부를 노출시키는 상기 충전재료의 제2 층을 적층하고;
    상기 나노와이어의 제2 말단부 상에 제2 전극물질을 적층하고, 그리고 노출된 충전재료를 상기 제2 측면에 적층하고; 그리고,
    상기 각 나노와이어의 제2 말단부와 접촉하는 제2 전극을 형성하기 위해 상기 충전재료를 제거하는;
    단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 제1 전극의 형성방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 구조물은 각 나노와이어의 노출된 제2 말단부를 갖는 상기 구조물의 제2 측면을 더 포함하고, 그리고 상기 방법은,
    상기 각 나노와이어의 일부분을 덮는 것과 동시에, 상기 충전재료가 이미 제거된 경우 상기 각 나노와이어의 제2 말단부를 노출시키는 상기 충전재료의 제2 층을 적층하고;
    상기 제2 측면 상의 상기 충전재료 위로 복수의 제2 나노입자를 적층하고;
    상기 제2 나노입자, 상기 나노와이어의 제2 말단부, 및 상기 제2 측면 상의 노출된 충전재료 위에 제2 전극 물질을 적층하고; 그리고,
    각 나노와이어의 제2 말단부와 접촉하는 제2 전극을 형성하기 위해, 상기 제2 나노입자 및 상기 충전재료를 제거하는;
    단계를 더 포함하고, 상기 제2 전극은 복수의 천공을 포함하는 것을 특징으로 하는 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 제1 전극의 형성방법.
  21. 하나의 지지체;
    상기 지지체에 수직인 복수의 나노와이어; 및
    상기 각 나노와이어의 제1 말단부와 접촉하는 전극;
    을 포함하고,
    상기 각 나노와이어는 상기 지지체와 접촉하는 제2 말단부를 가지고; 그리고 상기 지지체는 제2 전극이거나 또는 상기 나노와이어의 반대쪽 표면상의 전기적 접촉을 포함하는 것을 특징으로 하는 천공 접촉 전극 구조물.


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