KR101523947B1 - 나노구조 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서, 기판을 준비하는 단계와; 이원(binary) 조성의 나노와이어를 상기 기판에 성장시키는 단계와; 상기 기판 상에 성장시킨 나노와이어에 소정 물질을 증착하여, 코어/쉘 구조의 나노와이어를 형성하는 단계와; 상기 코어/쉘 구조의 나노와이어를 열처리하여, 상기 쉘을 구성하는 물질의 산화물로 구성되는 튜브 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 쉘을 구성하는 물질과 상기 코어 물질이 상호 확산하여 고용된 삼원(tertiary) 조성의 나노와이어 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 코어를 구성하는 두 원소 중 한 원소와 상기 쉘을 구성하는 물질의 원소가 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 나노와이어와 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 나머지 한 원소가 상분리되어 상기 나노와이어 표면에 부분적으로 석출된 결정을 포함하는 나노구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법이 제공된다.

Description

나노구조 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING NANO-STRUCTURES}

본 발명은 나노와이어, 나노튜브 등과 같은 나노구조의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 다양한 용례에 맞춰 나노구조의 형태를 제조할 수 있는 나노구조 제조 방법에 관한 것이다.

결정 성장 등을 통한 나노와이어, 나노튜브 등과 같은 나노구조 및 그 제조방법이 알려져 있다(예컨대, 10-1155340호 등). 나노구조 중, 나노와이어 제조 방법과 관련하여, VLS, VS 등의 방법이 있으나, 이러한 제조 방법을 이용하여 나노와이어를 제조하기 위해서는 촉매, 높은 공정 온도 등을 필요로 한다. 특히, 촉매를 이용하기 때문에, 성장시킨 나노와이어, 특히 나노와이어의 끝단 부분에 촉매가 잔존하게 된다. 반도체 분야에서 이러한 촉매는 불순물로 작용하고, 따라서 이를 제거해야 하는 공정이 추가로 수행되어야 하는 문제점이 있다. 촉매가 잔존하지 않는다 하더라도, 일단 촉매를 사용하였기 때문에, 촉매의 잔존 여부를 확인해야 하는 문제가 있다.

한편, 나노구조 중 SiO계 나노튜브는 약물전달 시스템, 광전소자 등에 응용되고 있고, AlO계 나노튜브는 광전 및 유전체, 약물전달 시스템에 활용되고 있으며, PtTe 나노와이어는 초전도체 등으로 활용되고 있다. 그러나, 기존의 나노구조 제조방법에 따르면, 그 각각의 형태에 따라서 상이한 제조 과정에 따라 나노튜브, 나노와이어 등을 제조하고 있으며, 그 제조 방법의 형태도 매우 제한적이어서, 이를 확대할 수 있는 제조 방법에 대한 요구가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 한 가지 목적은 종래와는 전혀 다른 방법으로 나노튜브, 나노와이어 등의 나노구조를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 나노튜브, 나노와이어 등을 특정 용례에 맞춰 전혀 다른 방법을 통해 제조하는 것이 아니라, 기본적인 공정을 공유하면서 제조 공정 중의 파라미터만을 변경하여, 원하는 형태의 나노구조를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서, 기판을 준비하는 단계와; 이원(binary) 조성의 나노와이어를 상기 기판에 성장시키는 단계와; 상기 기판 상에 성장시킨 나노와이어에 소정 물질을 증착하여, 코어/쉘 구조의 나노와이어를 형성하는 단계와; 상기 코어/쉘 구조의 나노와이어를 열처리하여, 상기 쉘을 구성하는 물질의 산화물로 구성되는 튜브 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 쉘을 구성하는 물질과 상기 코어 물질이 상호 확산하여 고용된 삼원(tertiary) 조성의 나노와이어 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 코어를 구성하는 두 원소 중 한 원소와 상기 쉘을 구성하는 물질의 원소가 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 나노와이어와 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 나머지 한 원소가 상분리되어 상기 나노와이어 표면에 부분적으로 석출된 결정을 포함하는 나노구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법이 제공된다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 쉘을 형성하는 물질로서, 상기 코어를 구성하는 물질보다 녹는점이 높고 상기 열처리에 의해 산화물을 형성하는 제1 물질을 이용할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열처리는 상기 코어를 구성하는 물질이 녹는 온도보다 높은 온도에서 수행하고, 이에 따라 상기 코어를 구성하는 물질이 상기 코어/쉘 나노와이어의 끝 부분을 통해 외부로 휘발되어, 상기 제1 물질의 산화물로 이루어지는 상기 튜브 형태의 나노 구조가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 제1 물질로서, Si 또는 Al을 증착하고, 상기 열처리에 의해 비정질의 Si_{1 - x}O_x 나노튜브 또는 다결정의 Al_{1 - x}O_x 나노튜브가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 쉘을 구성하는 물질로서 상기 열처리에 따라 산화되지 않는 제2 물질을 이용할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열처리는 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 제2 물질이 상호 확산하여 고용체를 형성할 수 있는 온도에서 수행하여, 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 제2 물질로 구성되는 상기 3원 조성의 나노와이어 형태의 나노구조가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 코어 물질로서 Sb₂Te₃를 이용하고, 상기 제2 물질로서 Bi₂Te₃를 이용하며, 상기 열처리에 의해, Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 쉘을 구성하는 물질로서 상기 열처리에 따라 산화되지 않으며, 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 한 원소와 온도에 따라 반응하는 제3 물질을 이용할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열처리는 상기 제3 물질이 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 한 원소와 반응하는 온도 이상에서 수행하여 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 한 원소와 상기 제3 물질이 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 단결정 나노와이어가 형성되고, 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 나머지 한 원소는 상분리되어, 상기 단결정 나노와이어 표면에 결정 형태로 석출될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 코어 물질로서 Sb₂Te₃를 이용하고, 상기 제2 물질로서 Pt를 이용하며, 상기 열처리에 의해 단결정 PtTe 나노와이어가 형성되고, 그 표면에 Sb가 결정 형태로 석출될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따라서, 기판을 준비하는 단계와; 단일 조성의 나노와이어를 상기 기판에 성장시키는 단계와; 상기 기판 상에 성장시킨 나노와이어에 소정 물질을 증착하여, 코어/쉘 구조의 나노와이어를 형성하는 단계와; 상기 코어/쉘 구조의 나노와이어를 열처리하여, 상기 쉘을 구성하는 물질의 산화물로 구성되는 튜브 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 쉘을 구성하는 물질이 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 나노와이어 형태의 나노구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법이 제공된다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 쉘을 형성하는 물질로서, 상기 코어를 구성하는 물질보다 녹는점이 높고 상기 열처리에 의해 산화물을 형성하는 제1 물질을 이용할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열처리는 상기 코어를 구성하는 물질이 녹는 온도보다 높은 온도에서 수행하고, 이에 따라 상기 코어를 구성하는 물질이 상기 코어/쉘 나노와이어의 끝 부분을 통해 외부로 휘발되어, 상기 제1 물질의 산화물로 이루어지는 상기 튜브 형태의 나노 구조가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 제1 물질로서, Si 또는 Al을 증착하고, 상기 열처리에 의해 비정질의 Si_{1 - x}O_x 나노튜브 또는 다결정의 Al_{1 - x}O_x 나노튜브가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 쉘을 구성하는 물질로서 상기 열처리에 따라 산화되지 않으며, 상기 코어를 구성하는 물질과 온도에 따라 반응하는 제2 물질을 이용할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열처리는 상기 제2 물질이 상기 코어를 구성하는 물질과 반응하는 온도 이상에서 수행하여, 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 제2 물질이 상호 반응하도록 함으로써, 그 두 원소로 구성되는 단결정 나노와이어가 형성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 코어 물질로서 Te를 이용하고, 상기 제2 물질로서 Pt를 이용하며, 상기 열처리에 의해 단결정 PtTe 나노와이어가 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 방법으로 성장시킨 단결정 나노와이어를 이용하여, 다양한 구조 및 형태의 나노구조를 형성할 수 있어, 적용하고자 용례에 맞춰 다양한 나노구조를 용이하게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 여러 형태의 나노구조를 형성하기 위한 프로세스를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 Sb₂Te₃ 코어/Si 쉘 나노와이어를 열처리하여, 비정질의 Si_{1 - x}O_x 나노튜브를 형성한 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 열처리에 따라 상기 나노튜브 끝부분이 개방된 것을 보여주는 현미경 사진이다.
도 4는 상기 나노튜브의 생성 메커니즘을 보여주는 도면이다.
도 5는 Sb₂Te₃ 코어/Al 쉘 나노와이어를 열처리하여, 다결정 Al_{1 - x}O_x 나노튜브를 형성한 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 Sb₂Te₃ 코어/Bi₂Te₃ 쉘 나노와이어를 열처리하여, 단결정 Bi-Sb-Te 나노와이어를 형성한 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 Sb₂Te₃ 코어/Pt 쉘 나노와이어를 열처리하여, Sb 결정들로 덮인 단결정 PtTe 나노와이어를 형성한 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 상기 PtTe 나노와이어의 모식도, TEM 이미지 및 EDS 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 9는 상기 PtTe 나노와이어의 XRD 분석결과 및 반응식을 보여주는 도면이다.
도 10은 Sb 결정들로 덮인 단결정 PtTe 나노와이어의 형성 메커니즘을 모식적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 Te 코어/Pt 쉘 나노와이어를 열처리하여, 단결정 PtTe 나노와이어를 형성한 예를 보여주는 도면이다.
도 12는 직경이 일정하고 표면이 매끄러운 단결정 PtTe 나노와이어의 현미경 사진 및 생성 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라, 코어/쉘 나노와이어를 이용하여 형성할 수 있는 여러 나노구조를 모식적으로 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 나노와이어를 성장시키는 기술 자체는 이미 널리 알려진 기술이므로, 나노와이어 성장 방법 자체에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 1에는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 다양한 나노구조를 제조하는 프로세스가 모식적으로 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 소정의 기판에 형성한 나노와이어에 추가의 코팅막을 형성하고, 이에 대해 여러 파라미터를 변경하여 열처리를 수행함으로써, 다양한 나노구조(나노와이어, 나노튜브 등)를 형성할 수 있다. 이하에서는, 각각의 프로세스에 대하여, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

먼저 도 1에 도시한 바와 같이, 소정의 기판에 단결정 Sb₂Te₃ 나노와이어를 성장시킨다. 본 실시예에서, 상기 나노와이어는 기판에 Al-Sb-Te 박막을 형성하고, 이 박막으로부터 성장시킨 것이다. 이와 같이 기판에 형성한 박막으로부터 나노와이어를 성장시키는 기술은 공지의 기술이므로, 그 설명은 생략한다. 한편, 기판에 나노와이어를 형성하는 방법은 이와 같이 기판 상의 박막으로부터 성장시키는 방법에 제한되지 않는다. 예컨대, 화학적 엣칭 등에 의하여, 기판에 나노와이어를 형성할 수도 있다. 즉, 본 발명은 기판에 나노와이어를 형성하는 것과 관련하여 특별히 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명자는 상기와 같이 기판에 형성한 나노와이어에 대하여, 이하에서 설명하는 추가의 프로세스를 적용하여, 다양한 형태의 나노구조를 형성할 수 있다는 것을 발견하였다.

구체적으로, 상기 형성한 Sb₂Te₃ 나노와이어에 대하여 스퍼터(DC/RF 스퍼터)를 이용하여, 약 50 nm 두께의 Si, Al, Pt 등의 코팅막을 증착하였다. 이어서, 각각의 코팅막이 형성된 나노와이어에 대하여, 튜브로(반응로) 내의 구순도 질소가스 분위기에서 소정의 열처리를 수행하였다.

먼저, 스퍼터를 이용하여 Sb₂Te₃ 나노와이어에 Si 코팅막을 형성한 후 여러 온도에서 열처리를 수행하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 도시한 바와 같이, Si 코팅막이 형성된 Sb₂Te₃ 나노와이어는 코어(Sb₂Te₃)/쉘(Si) 구조를 갖고 있음을 알 수 있다(도 2의 (a) 참조). 그러나, 600℃에서 대략 1시간 동안 열처리를 수행한 결과, 코어 부분이 비어 있는 튜브 형태의 나노 구조로 변화하였으며(도 2의 (b) 참조), 800℃에서 약 6시간 동안 열처리하여도 그 튜브 형태의 나노구조가 유지되었다(도 2의 (c) 참조). 상기 튜브 형태의 나노구조에 대하여 EDS 분석을 수행하였고, 그 결과 튜브형태의 나노구조는 Si1-x0x 조성의 나노튜브임이 확인되었다(도 2의 (d) 참조). 미량의 Sb가 검출되었고, 이 함량은 열처리 조건에 따라 변화하였다. 즉, 상기 열처리를 활용하여 도핑 물질의 농도 조절이 가능하다는 것을 알 수 있다.

본 발명자는 투과 전자 현미경(TEM)을 이용하여 상기 나노튜브의 구조를 추가 분석하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 600℃에서 1시간 열처리한 경우의 나노튜브, 800℃에서 6시간 열처리한 경우의 나노튜브 모두 끝 부분이 개방되어 있음을 알 수 있다. 본 발명자는 이러한 현상의 메커니즘에 대해 분석을 하였고, 그 메커니즘을 도 4에 모식도로 나타내었다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 코어(Sb₂Te₃)/쉘(Si)의 나노구조에서는 Sb₂Te₃ 나노와이어가 Si 코팅막에 의해 완전히 에워싸여져 있으며, 이는 전술한 바와 같다. 한편, 쉘에 해당하는 Si의 융점(약 1410℃)이 코어에 해당하는 Sb₂Te₃(629℃)와 비교하여, 대략 2-3배 더 높기 때문에, Sb₂Te₃의 융점 부근인 600℃에서 상기 나노구조에 대하여 열처리를 하게 되면, Sb₂Te₃가 용융되고, 이에 따라 쉘 내부의 코어 부분에 증기압이 형성되어, 상기 나노구조의 가장 약한 부분인 나노구조의 끝 부분이 그 증기압을 견뎌내지 못하고 터지게 되어, Sb₂Te₃가 상기 개방된 부분을 통해 휘발되어 버리는 것으로 보인다. 또한, Si 코팅막은 열처리에 의해 산화되어, Si 산화물로 변화되어, 도 2, 도 3에 도시한 것과 같이, 튜브 형태의 나노구조가 형성된다. 한편, SiO₂의 융점은 대략 1600~1723℃ 정도로, 상기 열처리를 견딜 수 있어, 그 튜브 형태를 유지할 수 있다. 한편, Sb₂Te₃의 융점은 대략 629℃인데, 이는 벌크 상태에서의 융점으로서, 본 실시예에서와 같이, 나노크기의 Sb₂Te₃는 해당 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 용융되고, 따라서 상기 열처리에 의해, Sb₂Te₃가 용융되어, 상기 과정에 따라 튜브 형태의 나노구조가 형성될 수 있다. 실제 나노크기의 Sb₂Te₃는 벌크 형태와 비교하여, 훨씬 낮은 온도(예컨대, 400℃)에서도 용융될 수 있다.

한편, Si 대신에 Al을 Sb₂Te₃에 형성한 경우도 동일한 현상이 관찰되었으며, 이를 도 5에 나타내었다. 즉 코어(Sb₂Te₃)/쉘(Al)의 나노구조에 대하여, 600℃에서 1시간, 800℃에서 6시간 동안 열처리를 하였고, 이를 TEM으로 관찰함과 아울러, SAED 패턴과 EDS 분석 결과를 함께 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 바와 같이, Si을 코팅한 경우와 마찬가지로, 열처리 중에 낮은 녹는점을 가지는 Sb₂Te₃가 먼저 용융되어, 나노구조의 끝부분을 통해 휘발되어 버리고, 쉘에 해당하는 Al(융점 대략 660℃)이 산화되어 Al_{1 - x}O_x 나노튜브(Al₂O₃ 융점 대략 2070℃)를 형성하였다. 한편, 열처리 온도가 높거나 유지시간이 길수록, Al_{1 - x}O_x 나노튜브는 결정화가 진행되어 다결정의 Al_1-xO_x 나노튜브를 형성하였다(도 5 참조). 이와 같이, Al을 코팅한 후 열처리를 수행하였을 때, 나노튜브 형태의 나노구조가 형성되는 메커니즘은 Si을 코팅한 경우의 상기 메커니즘과 동일하다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명자는 Sb₂Te₃ 나노와이어에 Bi₂Te₃ 코팅막을 형성하고, 여러 온도에서 열처리를 수행하였으며, 그 결과가 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 (a)는 Sb₂Te₃ 나노와이어를 나타내며, (b)는 Bi₂Te₃ 코팅막을 증착한 Sb₂Te₃(코어)/Bi₂Te₃(쉘) 구조를 보여준다. 150℃ 및 250℃의 비교적 저온 열처리에서는 Sb₂Te₃와 Bi₂Te₃ 상이 모두 존재함을 TEM과 XRD 분석을 통해 확인할 수 있었다(도 6의 (c),(e) 참조). 그러나, 약 400℃의 열처리에서는 Sb₂Te₃와 Bi₂Te₃ 가 상호 확산하여, 완전고용체를 형성하고, 최종적으로 B-Sb-Te 단일상이 형성되었다. 이때, 코어에 해당하는 Sb₂Te₃(단결정)가 주형(template) 역할을 하여, Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어(도 6의 (d) 참조)를 형성할 수 있다. 단결정 Sb₂Te₃ 나노와이어로부터 Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어가 형성되어, 조직학적으로는 큰 의미를 부여하지 못할 수 있으나, 현재까지 Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어를 성장시키는 방법이 제안되지 않았고, 따라서 Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어 물질이 보고되지 않았다는 것을 고려하면, 본 발명의 방법을 이용하여 Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어가 형성된다는 것은 큰 의미를 갖는다. 한편, Bi₂Te₃는 Si, Al과 달리 열처리시 산화되지 않고 Sb₂Te₃와 비슷한 융점(Bi₂Te₃: 약 585℃)을 갖고 있어서, 나노튜브가 형성되는 것이 아니라, 상기와 같이 Sb₂Te₃와 상호 확산하여, 단결정 나노와이어를 형성하는 것으로 보인다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명자는 Sb₂Te₃ 나노와이어에 Pt 코팅막을 형성하고, 약 600℃에서 열처리를 수행하였으며, 그 결과가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7의 (a)는 Pt 코팅막을 증착한 Sb₂Te₃(코어)/Pt(쉘) 구조(열처리 전)를 보여주며, (b)는 상기 코어/쉘 구조에 대하여 600℃에서 1시간 열처리하였을 때 생성된 Sb 결정들이 부분적으로 덮인 단결정 PtTe 나노와이어를 보여준다.

고분해능 TEM(HRTEM) 이미지와 EDS 분석을 통해 표면의 결정들이 Sb임을 확인하였으며(도 7의 (b) 및 도 8 참조). 도 8은 Sb 결정들로 덮인 단결정 PtTe의 모식도, TEM 이미지 및 EDS 스펙트럼이다. 한편, 도 9는 상기 코어/쉘 구조에 대하여, 400℃, 600℃에서 열처리를 수행한 후 XRD 분석을 한 결과 및 그 반응식을 도식화한 것이다. XRD 분석을 통해 알 수 있는 바와 같이, 400℃의 열처리에서는, Sb₂Te₃와 Pt가 반응하여, 일종의 meta 상인 PtTe₂가 생성되지만, 더 높은 600℃의 열처리에서는 PtTe₂와 PtTe가 반응하여, PtTe라고 하는 안정한 상으로 모두 변화하고, 남은 Te은 휘발되어 사라지는 것으로 보이며, 따라서 XRD 분석 결과 PtTe₂는 관찰되지 않았다. 이러한 메커니즘을 도 10을 참조하여 설명하면, 열처리 온도가 증가함에 따라, 쉘 부분의 Pt와 코어 부분의 Sb가 서로 이동하고, 코어 부분으로 이동된 Pt가 Te과 반응하여 PtTe₂ 중간상을 형성하고, 더 높은 온도의 열처리에 의해, PtTe₂와 PtTe가 반응하여, 안정된 PtTe 상을 형성하는 것으로 보인다. 이때, 남은 Sb는 표면으로 석출되고, Pt와 반응하지 못하고 남은 Te는 그 강한 휘발성으로 인해, 휘발되어 버린다. 그 결과 최종적으로, Sb 결정들로 덮인 단결정 PtTe 나노와이어가 생성된다. 한편, Pt는 Bi₂Te₃와 마찬가지로, Si, Al과 달리 열처리시 산화되지 않기 때문에, 나노튜브가 형성되는 것이 아니라, 상기와 같이 반응을 통해 단결정 PtTe 나노와이어를 형성한다. Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어와 마찬가지로, 단결정 PtTe 나노와어어를 성장시키는 방법이 제안되지 않았고, 따라서 PtTe 단결정 나노와이어 물질이 보고되지 않았다는 것을 고려하면, 본 발명의 방법을 이용하여 PtTe 단결정 나노와이어가 형성된다는 것은 큰 의미를 갖는다.

마지막으로, 본 발명자는 단결정 Te 나노와이어를 소정의 기판에 성장시켰다. 본 실시예에서, 상기 나노와이어는 기판에 Al-Sb-Te 박막을 형성하고, 이 박막으로부터 성장시킨 것이다. 이러한 나노와이어 성장법 자체는 상기 단결정 Sb₂Te₃ 나노와이어 성장법과 마찬가지로, 공지의 기술이므로, 그 설명은 생략한다. 한편, 단결정 Te 나노와이어는 단결정 Sb₂Te₃ 나노와이어와 마찬가지로, VS 등의 다른 공지의 방법을 이용하여 성장시킬 수도 있다.

상기 형성한 단결정 Te 나노와이어에 스퍼터를 이용하여, 약 50 nm 두께의 Pt 코팅막을 증착하고, 600℃의 온도에서 열처리하였다. 도 11의 (a)는 열처리 전 Te(코어)/Pt(쉘) 구조를 보여주는 TEM 사진이고, (b)는 600℃에서 1시간 열처리하여 생성한 단결정 PtTe 나노와이어를 보여주는 TEM 사진이다.

도시한 바와 같이, 단결정 PtTe이 형성되었는데, 상기 Sb₂Te₃/Pc와 달리, 코어 부분에 Sb가 없으므로, 매끄러운 표면의 단결정 PtTe이 형성되었다(도 12 참조). 이러한 PtTe 단결정 나노와이어 형성 메커니즘은 상기한 경우와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.

한편, 도 13에는 상기 실시예에 따라 다양한 나노구조를 형성하는 케이스를 정리하여 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 본 발명은 코어 부분에 해당하는 2원(binary) 조성의 나노와이어와, 쉘의 형태로 상기 나노와이어에 증착되는 물질 사이의 상호관계에 따라 다양한 나노구조를 형성할 수 있다. 즉, 코어 물질과 비교하여 높은 융점을 갖고 또 열처리에 따라 산화되는 물질을 쉘의 형태로 상기 코어 물질에 증착하여, 코어물질이 녹는 온도 이상에서 열처리를 수행하면, 쉘 물질은 산화물을 형성하고, 코어물질은 녹아, 나노구조의 가장 취약한 끝부분을 통해 휘발하여 증발되고, 결국 속이 빈 튜브 형태의 나노구조가 형성된다(예컨대, Si_{1 -x}O_x, Al_{1 - x}O_x 등). 이때, 쉘 물질의 종류에 따라 나노튜브는 비정질 또는 다결정일 수 있다. 한편, 쉘 물질로서, 코어 물질과 비교하여 예컨대, 비슷한 융점을 갖고 또 열처리에 따라 산화되지 않는 물질을 증착하여 열처리를 수행하면, 쉘 물질의 종류에 따라, 코어 물질과 쉘 물질이 상호 확산하여, 완전고용체를 형성하여, 3원 조성의 단결정 나노와이어가 형성되거나, 코어물질의 두 원소 중 특정의 한 원소와 쉘 물질의 원소가 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 단결정 나노와이어가 형성되고, 코어물질의 두 원소 중 나머지 한 원소는 상분리되어, 상기 나노와이어 표면에 결정 형태로 석출된다. 한편, 단일 원소의 물질로 된 나노와이어에 상기 쉘 물질을 증착한 후, 열처리하여도 동일한 결과가 얻어진다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 기존의 방법으로 성장시킨 단결정 나노와이어를 이용하여, 비정질, 단결정, 다결정의 나노 구조, 나노튜브, 나노와이어 형태의 나노구조를 다양하게 형성할 수 있어, 적용하고자 용례에 맞춰 다양한 나노구조를 용이하게 제공할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예컨대, 2원 조성의 나노와이어로서, Sb₂Te₃를 예시하였지만, 이는 하나의 예에 불과하며, 다른 조성의 물질을 이용할 수도 있으며, 단일 조성의 나노와이어 역시 마찬가지이다. 또한, 쉘 물질로서 적용하는 물질도 상기한 것 외에 다른 물질도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들 역시 본 발명의 범위 내에 속하는 것이며, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서 제한된다.

Claims (17)

1. 기판을 준비하는 단계와;
   이원(binary) 조성의 나노와이어를 상기 기판에 성장시키는 단계와;
   상기 기판 상에 성장시킨 나노와이어에 소정 물질을 증착하여, 코어/쉘 구조의 나노와이어를 형성하는 단계와;
   상기 코어/쉘 구조의 나노와이어를 열처리하여, 상기 쉘을 구성하는 물질의 산화물로 구성되는 튜브 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 쉘을 구성하는 물질과 상기 코어 물질이 상호 확산하여 고용된 삼원(tertiary) 조성의 나노와이어 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 코어를 구성하는 두 원소 중 한 원소와 상기 쉘을 구성하는 물질의 원소가 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 나노와이어와 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 나머지 한 원소가 상분리되어 상기 나노와이어 표면에 부분적으로 석출된 결정을 포함하는 나노구조를 형성하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 쉘을 형성하는 물질로서, 상기 코어를 구성하는 물질보다 녹는점이 높고 상기 열처리에 의해 산화물을 형성하는 제1 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 열처리는 상기 코어를 구성하는 물질이 녹는 온도보다 높은 온도에서 수행하고, 이에 따라 상기 코어를 구성하는 물질이 상기 코어/쉘 나노와이어의 끝 부분을 통해 외부로 휘발되어, 상기 제1 물질의 산화물로 이루어지는 상기 튜브 형태의 나노 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 물질로서, Si 또는 Al을 증착하고, 상기 열처리에 의해 비정질의 Si_{1 - x}O_x 나노튜브 또는 다결정의 Al_{1 - x}O_x 나노튜브가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 쉘을 구성하는 물질로서, 상기 코어를 구성하는 물질과 비교하여 비슷한 융점을 갖고 또 상기 열처리에 따라 산화되지 않는 제2 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 열처리는 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 제2 물질이 상호 확산하여 고용체를 형성할 수 있는 온도에서 수행하여, 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 제2 물질로 구성되는 상기 3원 조성의 나노와이어 형태의 나노구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 코어 물질로서 Sb₂Te₃를 이용하고, 상기 제2 물질로서 Bi₂Te₃를 이용하며, 상기 열처리에 의해, Bi-Sb-Te 단결정 나노와이어가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 쉘을 구성하는 물질로서 상기 열처리에 따라 산화되지 않으며, 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 한 원소와 온도에 따라 반응하는 제3 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 열처리는 상기 제3 물질이 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 한 원소와 반응하는 온도 이상에서 수행하여 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 한 원소와 상기 제3 물질이 상호 반응하도록 함으로써, 그 두 원소로 구성되는 단결정 나노와이어가 형성되고, 상기 코어를 구성하는 물질의 두 원소 중 나머지 한 원소는 상분리되어, 상기 단결정 나노와이어 표면에 결정 형태로 석출되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 코어 물질로서 Sb₂Te₃를 이용하고, 상기 제3 물질로서 Pt를 이용하며, 상기 열처리에 의해 단결정 PtTe 나노와이어가 형성되고, 그 표면에 Sb가 결정 형태로 석출되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
11. 기판을 준비하는 단계와;
    단일 조성의 나노와이어를 상기 기판에 성장시키는 단계와;
    상기 기판 상에 성장시킨 나노와이어에 소정 물질을 증착하여, 코어/쉘 구조의 나노와이어를 형성하는 단계와;
    상기 코어/쉘 구조의 나노와이어를 열처리하여, 상기 쉘을 구성하는 물질의 산화물로 구성되는 튜브 형태의 나노구조를 형성하거나, 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 쉘을 구성하는 물질이 상호 반응하여, 그 두 원소로 구성되는 나노와이어 형태의 나노구조를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 쉘을 형성하는 물질로서, 상기 코어를 구성하는 물질보다 녹는점이 높고 상기 열처리에 의해 산화물을 형성하는 제1 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 열처리는 상기 코어를 구성하는 물질이 녹는 온도보다 높은 온도에서 수행하고, 이에 따라 상기 코어를 구성하는 물질이 상기 코어/쉘 나노와이어의 끝 부분을 통해 외부로 휘발되어, 상기 제1 물질의 산화물로 이루어지는 상기 튜브 형태의 나노 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 물질로서, Si 또는 Al을 증착하고, 상기 열처리에 의해 비정질의 Si_{1 - x}O_x 나노튜브 또는 다결정의 Al_{1 - x}O_x 나노튜브가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
15. 청구항 11에 있어서, 상기 쉘을 구성하는 물질로서 상기 열처리에 따라 산화되지 않으며, 상기 코어를 구성하는 물질과 온도에 따라 반응하는 제2 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 열처리는 상기 제2 물질이 상기 코어를 구성하는 물질과 반응하는 온도 이상에서 수행하여, 상기 코어를 구성하는 물질과 상기 제2 물질이 상호 반응하도록 함으로써, 그 두 원소로 구성되는 단결정 나노와이어가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 코어를 구성하는 물질로서 Te를 이용하고, 상기 제2 물질로서 Pt를 이용하며, 상기 열처리에 의해 단결정 PtTe 나노와이어가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 제조 방법.
    
    

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