KR101719763B1 - Method for controlling of growth of self-assembled Au nanoparticles on 4H-SiC - Google Patents

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KR101719763B1 KR1020150149411A KR20150149411A KR101719763B1 KR 101719763 B1 KR101719763 B1 KR 101719763B1 KR 1020150149411 A KR1020150149411 A KR 1020150149411A KR 20150149411 A KR20150149411 A KR 20150149411A KR 101719763 B1 KR101719763 B1 KR 101719763B1
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이지훈
이명옥
수이 마오
푸란
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, a method for controlling the growth of Au nanoparticles which are spontaneously-formed on 4H-SiC is provided. The method for controlling the growth of Au nanoparticles which are spontaneously-formed on the 4H-SiC comprises the following steps: preparing a 4H-SiC substrate; depositing Au on the prepared 4H-SiC substrate with a deposition thickness in a range of 30.5 to 151 nm; and growing the Au nanoparticles which are spontaneously formed on the 4H-SiC substrate, through a heat treatment process at an annealing temperature of 300-950C for 45045 seconds, after the Au deposition step, wherein the annealing temperature and the deposition thickness are controlled to control the shape, size and density of the spontaneously-formed Au nanoparticles.

Description

4H-SiC상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법{Method for controlling of growth of self-assembled Au nanoparticles on 4H-SiC }Method for controlling growth of self-assembled gold nanoparticles on 4H-SiC {Methods for controlling growth of self-assembled Au nanoparticles on 4H-SiC}

본 발명은 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법에 관한 기술이다.The present invention relates to a method for controlling the growth of gold nanoparticles spontaneously formed on 4H-SiC.

Au 나노-클러스터 및 나노입자들은 대단한 잠재력 때문에 다양한 전자, 광전자, 바이오-메디칼 분야에서 널리 이용되고 있다. 금 나노입자들의 크기, 밀도, 구성은 이런 기기들의 성능에 중요한 역할을 한다.Au nanoclusters and nanoparticles are widely used in a variety of electronic, optoelectronic, and bio-medical fields due to their great potential. The size, density, and composition of gold nanoparticles play an important role in the performance of these devices.

최근에, 금 나노입자들은, 국부화된 표면 플라즈몬 공명, 증가된 흡수, 강화된 형광성, 산란성 때문에 솔라셀, 메모리, 센서, 바이오-의료 기기에서 그들의 잠재적인 응용 때문에 주요한 연구 관심을 끌어 모으고 있다. 상응하는 기기들의 성능들은 금 나노입자의 크기 및 밀도에 강하게 의존한다.Recently, gold nanoparticles have attracted major research attention due to their potential applications in solar cells, memory, sensors, and bio-medical devices due to localized surface plasmon resonance, increased absorption, enhanced fluorescence and scattering. The performance of the corresponding devices is strongly dependent on the size and density of gold nanoparticles.

또한, 국부적인 표면 플라즈몬 공명 및 큰 표면 대 볼륨 비율 때문에, 금 나노입자들은 광학, 전기, 생물학 애플리케이션에 대해서 광범위한 연구 관심을 받고 있다.In addition, due to local surface plasmon resonance and large surface to volume ratios, gold nanoparticles have received extensive research interest in optical, electrical and biological applications.

예를 들어, 금 나노입자들은 빛의 흡수를 강화하는 국부화된 표면 플라즈몬 공명 성질을 나타내며 그래서 솔라셀의 효율성에서 의미있는 개선이 있게 된다. 상대적으로 큰 금 나노입자들은 보다 높은 전력 변환 효율을 이룰 수 있다. 한편, 증가된 밀도를 갖는 작은 크기의 금 나노입자들은 나노파이버-기반 메모리 기기에서 턴 온 전압과 온/오프 전류 비율을 개선할 수 있는 가능성을 가지고 있다For example, gold nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonance properties that enhance the absorption of light, thus providing meaningful improvements in the efficiency of the solar cell. Relatively large gold nanoparticles can achieve higher power conversion efficiencies. On the other hand, small-sized gold nanoparticles with increased density have the potential to improve the turn-on voltage and on / off current ratio in nanofiber-based memory devices

또한, 구형 형상의 대형 금 나노입자들의 어레이들은 센싱 애플리케이션을 위한 레이저 제조에 사용될 수 있다. 또한 금 나노입자들은 형광성 강도를 증가시킬 수 있기 때문에 바이오 의료기기에서 DNA 검출을 위한 성능을 개선하는 데 사용될 수 있다.In addition, arrays of large gold nanoparticles of spherical shape can be used in the manufacture of lasers for sensing applications. Gold nanoparticles can also be used to improve performance for DNA detection in biomedical devices because they can increase fluorescence intensity.

금 나노입자(NPs)의 모양, 크기, 밀도의 다양성은, FETs의 메모리 윈도우를 제어하는, 굴절률 감도 및 표면 플라즈몬 감쇠를 결정함으로써 국부적인 표면 플라즈몬 공명 트랜듀서의 성능 및 태양 전지의 강화된 광흡수와 같은 상응하는 기기의 성능을 최적화하기 위한 능숙한 방법을 제공할 수 있다.The variety of shapes, sizes and densities of gold nanoparticles (NPs) determines the performance of local surface plasmon resonance transducers by determining the refractive index sensitivity and surface plasmon damping, which controls the memory window of the FETs, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >

또한 현저한 결정 능력을 갖춘 금 나노입자들은, 증기-액체-고체-성장 메카니즘, 지름 및 길이에 기초하여 증기화된 목표 물질을 흡수함으로써 나노와이어(nano wires:NWs)에 대한 핵생성사이트(nucleation sites)로서 역할을 할 수 있으며, NWs의 밀도, 방향, 모양은 금나노 입자의 그것에 의해 본질적으로 결정될 수 있다.Gold nanoparticles with significant crystal abilities also absorb nucleated sites for nano wires (NWs) by absorbing the vaporized target material based on vapor-liquid-solid-growth mechanism, diameter and length. ), And the density, orientation, and shape of the NWs can be essentially determined by that of the gold nanoparticles.

한편, 통신용 파워 디바이스에 대해서는 큰 열전도율을 가지고 전기적으로는 절연성인 기판이 필요한데 III-N와 같은 격자 정수를 가지는 실리콘 카바이드(SiC)가 뛰어난 후보로 주목받고 있다.On the other hand, silicon carbide (SiC) having a lattice constant such as III-N is attracting attention as an excellent candidate for a communication power device, because a substrate having a large thermal conductivity and electrically insulating property is required.

탄화규소는 다양한 결정다형을 가지고 있으며, 특정한 결정방향(hexagonal 축계에서 0001방향)에 따라 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC 등으로 구분하는 데 전자 응용소자에서는 4H-SiC 및 6H-SiC가 활용성이 크다.SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, and 15R-SiC depending on the crystal orientation (0001 direction in hexagonal axis) of silicon carbide. 6H-SiC is highly utilizable.

고순도 SiC 기판은 실리콘보다 열 전도도가 세배 높고, 절연파괴 강도는 월등하여 고온과 고전압에서도 작동하는 에너지 효율적인 반도체를 만들 수 있으며, 500℃의 높은 환경온도에서도 정상적으로 작동하는 부품을 개발할 수 있다. 이와 같이 SiC 반도체 소자는 그 우수한 특성으로 인행 현재는 고출력 LED의 기판으로 사용되고 있으나 향후에는 LED 보다 저전력 반도체 등으로의 응용이 더욱 클 것으로 전망되고 있다.High-purity SiC substrates have three times higher thermal conductivity than silicon and superior breakdown strength, making it possible to produce energy-efficient semiconductors that operate at high temperatures and high voltages, and can operate normally at temperatures as high as 500 ° C. In this way, SiC semiconductor device is used as a substrate of high power LED at present due to its excellent characteristics, but it is expected that application to low power semiconductors will be larger than LED in the future.

고온에서, 육방 금 나노-결정은 NPs의 증가된 양에 의해 야기된 표면 에너지의 이방성 분포(anisotropic distribution)에 기인한 면들로 형성된다. 이로 인하여, 4H-SiC(0001) 기판상에 이방성 분포를 가진 금 나노입자는 SiC의 결합 과정에서 우르츠광형 결정 구조 등 극성 축열이 일부 어긋나게 결합되어 성장된 물리적 특징이 제어 여건에 따라 다르게 형성될 수 있다.At high temperature, hexagonal nano-crystals are formed into planes due to the anisotropic distribution of surface energy caused by the increased amount of NPs. As a result, the gold nanoparticles having anisotropic distribution on the 4H-SiC (0001) substrate are differently formed according to the control conditions due to the fact that the polar heat accumulation such as the wurtzite crystal structure is partially shifted during the bonding process of SiC. .

금 나노입자(NPs)의 모양, 크기, 밀도의 제어 특성들은 FETs의 메모리 윈도우를 제어하는, 굴절률 감도 및 표면 플라즈몬 감쇠를 결정하게 되며, 트랜듀서의 성능, 태양 전지의 강화된 광흡수와 같은 상응하는 기기의 성능을 최적화하기 위한 능숙한 방법을 제공할 수 있다.Control characteristics of the shape, size and density of gold nanoparticles (NPs) will determine the refractive index and surface plasmon damping, which controls the memory window of the FETs, and the corresponding performance, such as transducer performance, Lt; RTI ID = 0.0 > performance < / RTI >

그러나 4H-SiC(0001) 기판상에 자발 형성되는 금 나노입자의 형상, 크기 및 밀도를 결정하는 체계적인 제어방법은 여전히 이루어지지 않는 실정이다.However, a systematic control method for determining the shape, size, and density of spontaneously formed gold nanoparticles on a 4H-SiC (0001) substrate is still not achieved.

이 분야에 대한 종래기술은 국내 등록 특허공보 10-1287611호에 게시되어 있다.Prior art in this field is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1287611.

국내 등록 특허공보 KR 1287611B1(실리콘 나노선의 제조 방법)Korean Registered Patent No. KR 1287611B1 (Manufacturing Method of Silicon Nanowire)

본 발명은 본 발명은 4H-SiC(0001) 기판상에 어닐링 온도 및 증착 두께를 제어하여 자발-형성된 Au 나노입자의 형상, 크기, 밀도에 대한 성장 제어방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a growth control method for shape, size and density of spontaneously-formed Au nanoparticles by controlling the annealing temperature and the deposition thickness on a 4H-SiC (0001) substrate.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 4H-SiC 기판 준비 단계; 상기 준비된 4H-SiC 기판에 3±0.5 ~ 15±1 nm범위의 증착 두께로 Au가 증착되는 금 증착 단계; 및 상기 금 증착 단계 이후에, 어닐링 온도 300 ~ 950℃ 범위에서 450±45초 동안의 열처리 과정을 통하여 상기 4H-SiC 기판 상에서 금 나노입자가 자발 형성되는 금 나노입자 성장 단계; 를 포함하되, 상기 어닐링 온도 및 증착 두께를 제어하여, 상기 자발 형성된 금 나노입자의 형상, 크기 및 밀도를 제어하는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a 4H-SiC substrate, A gold deposition step of depositing Au on the prepared 4H-SiC substrate with a deposition thickness in the range of 3 ± 0.5 to 15 ± 1 nm; And a gold nanoparticle growth step in which gold nanoparticles are spontaneously formed on the 4H-SiC substrate through a heat treatment process at an annealing temperature of 300 to 950 ° C for 450 ± 45 seconds after the gold deposition step; Wherein the shape, size and density of the spontaneously formed gold nanoparticles are controlled by controlling the annealing temperature and the deposition thickness, and a method for controlling growth of spontaneously formed gold nanoparticles on 4H-SiC is provided .

또한, 상기 4H-SiC 기판 준비 단계는, ±0.1°의 비축(off-axis)을 가진 25±2㎛ 두께의 Epi-ready N-type 4H-SiC 기판을 10 ~ 20분간 불산(hydrofluoric acid 49.0~51.0%)용액에서 화학적 크리닝 처리된 후, 이어서 2~4번 탈이온수로 세정 처리하는 단계; 및 상기 세정 처리된 4H-SiC 기판은 Inconel 홀더 상에 탑재되어 표면상의 오염들을 제거하고 탈가스를 위하여 (1±0.1)×10-4Torr, 700℃ 분위기의 진공챔버에서 에서 20~50분간 탈가스 처리되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The 4H-SiC substrate preparation step is a step of preparing an Epi-ready N-type 4H-SiC substrate having a thickness of 25 ± 2 袖 m having an off-axis of ± 0.1 ° with fluoric acid (hydrofluoric acid 49.0 ~ 51.0%) solution, followed by washing with deionized water 2 to 4 times; The cleaned 4H-SiC substrate was mounted on an Inconel holder to remove (1 ± 0.1) × 10 -4 Torr, degassing for 20 to 50 minutes in a vacuum chamber at 700 ° C A gas treatment step; And a control unit.

또한, 상기 금 나노입자 성장 단계에서, 상기 자발 형성되는 금 나노 결정은 {111} 및 {100} 면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.Also, in the gold nanoparticle growing step, the spontaneously formed gold nanocrystals are formed of {111} and {100} planes.

또한, 상기 금 증착 단계는, (1±0.1)× 10-1 Torr 상태 및 3mA의 이온화 전류가 흐르는 플라즈마 이온 챔버(plasma ion-coater chamber)에서 준비된 4H-SiC 기판 상에 0.04 ~0.06nm/s의 성장률로 금이 증착되는 것을 특징으로 한다.In addition, the gold deposition step may be performed at 0.04 to 0.06 nm / s on a 4H-SiC substrate prepared in a plasma ion-coater chamber in which the ionization current of 3 mA flows (1 ± 0.1) × 10 -1 The gold is deposited at a growth rate of < RTI ID = 0.0 >

또한, 상기 금 나노입자 성장단계에서 자발-형성되는 금의 집합체는 다음 식에 의한 기준 크기(Rc)보다 큰 반경을 갖는 핀홀들에서 생성되기 시작하는 것을 특징으로 한다. The aggregate of gold spontaneously formed in the gold nanoparticle growing step is characterized in that it starts to be generated in pinholes having a radius larger than the reference size Rc according to the following equation.

[식 1][Formula 1]

Figure 112015104275379-pat00001
Figure 112015104275379-pat00001

여기서 tAu : 는 금 층의 두께이며 Θ: 다음 [식 2]로 나타내는 금 나노-입자의 평형접촉 각도임 Au where t: is the thickness of the gold layer Θ: The following [Equation 2] represented by the gold nano-Im equilibrium contact angle of the particles

[식 2][Formula 2]

Figure 112015104275379-pat00002
Figure 112015104275379-pat00002

여기서

Figure 112016066920565-pat00003
는 Au 및 진공 간의 대면 에너지 밀도(interfacial energy densities),
Figure 112016066920565-pat00004
는 SiC 및 진공 간의 대면 에너지 밀도,
Figure 112016066920565-pat00005
는 Au 및 SiC 간의 대면 에너지 밀도를 의미하는 것임here
Figure 112016066920565-pat00003
Is the interfacial energy densities between Au and vacuum,
Figure 112016066920565-pat00004
The surface energy density between SiC and vacuum,
Figure 112016066920565-pat00005
Refers to the facing energy density between Au and SiC.

또한, 상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서, 상기 어닐링 온도를 300 ~ 850℃ 범위에서 온도를 증가시켜서, 상기 자발 형성되는 금 나노 입자의 크기는 커지도록 제어하고, 상기 어닐링 온도를 850 ~ 950℃ 범위에서 온도를 증가시켜서, 상기 금 나노 입자의 크기를 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.The annealing temperature is controlled to be increased in the range of 300 to 850 ° C so that the size of the spontaneously formed gold nanoparticles is increased and the annealing temperature is increased to 850 To 950 < 0 > C, thereby reducing the size of the gold nanoparticles.

또한, 상기 증착 두께를 8±0.5nm로 증착하고, 상기 어닐링 온도를 500℃에서 700℃로 증가시켜서, 상기 자발 형성되는 금 나노 입자의 더미의 표면 면적비(SAR)를 2.3~ 2.6배로 증가하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.Further, the deposition thickness is controlled to 8 ± 0.5 nm, and the annealing temperature is increased from 500 ° C. to 700 ° C. to control the surface area ratio (SAR) of the spontaneously formed gold nanoparticles to 2.3 to 2.6 times .

또한, 상기 증착 두께를 8±0.5nm로 증착을 하고, 상기 어닐링 온도를 500℃에서 700℃로 증가시켜서, 상기 자발 형성되는 금 나노 입자의 더미의 자승 평방근 거칠기(RRMS)를 3.65 ~ 4.25배 증가하도록 제어하는 것 특징으로 한다.Further, the deposition thickness was 8 ± 0.5 nm, and the annealing temperature was increased from 500 ° C. to 700 ° C., so that the square root mean square roughness (R RMS ) of the pile of spontaneously formed gold nanoparticles was 3.65 to 4.25 times And a control unit for controlling the control unit.

또한, 상기 금 증착단계에서 15±1nm 두께의 금이 증착되고, 상기 성장단계에서 상기 어닐링 온도를 500℃로 제어하여, 상기 자발 형성된 금 나노입자는 힐락이 10㎛ 이상의 큰 지름을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.Further, in the gold deposition step, gold of 15 ± 1 nm is deposited, and the annealing temperature is controlled to 500 ° C. in the growth step, so that the spontaneously formed gold nanoparticles are formed so that the helix has a large diameter of 10 μm or more .

또한, 상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서, 상기 어닐링 온도를 750℃에서 850℃로 증가시켜서, 상기 자발 형성되는 금 나노 입자는 금 나노 더미에서 금 나노 결정들로 분리되며, 상기 금 나노 결정의 평균 높이는 어닐링 온도 750℃ 상태에 비하여 증가하고, 수평지름은 감소하며, 평균밀도는 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.Further, the annealing temperature is increased from 750 ° C. to 850 ° C. in a state where the deposition thickness is 15 ± 1 nm, the spontaneously formed gold nanoparticles are separated into gold nanocrystals in the gold nanoduple, The average height of the nanocrystals is controlled to be increased in comparison with the annealing temperature of 750 DEG C, the horizontal diameter is decreased, and the average density is increased.

또한, 상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서, 상기 어닐링 온도를 750℃에서 850℃로 증가시켜서, 상기 평균 높이는 1.34 ~1.52배 증가하고, 상기 수평지름은 15.5 ~ 18.5% 감소하며, 상기 평균밀도는 12.4 ~ 15.2배로 증가되는 것을 특징으로 한다. The average height is increased by 1.34 to 1.52 times, the horizontal diameter is decreased by 15.5 to 18.5% by increasing the annealing temperature from 750 ° C to 850 ° C in a state where the deposition thickness is 15 ± 1 nm, And the average density is increased to 12.4 to 15.2 times.

또한, 상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서, 상기 어닐링 온도를 850℃에서 950℃로 증가시켜서, 상기 자발 형성되는 금 나노 입자는 금 나노 결정으로 형성되며, 상기 금 나노 결정의 평균 높이, 수평지름 및 평균밀도는 어닐링 온도 850℃ 상태에 비하여 감소되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.Further, in the state that the deposition thickness is 15 ± 1 nm, the annealing temperature is increased from 850 ° C. to 950 ° C., the spontaneously formed gold nanoparticles are formed of gold nanocrystals, and the average height of the gold nanocrystals , The horizontal diameter and the average density are controlled so as to be reduced compared to the annealing temperature of 850 캜.

또한, 어닐링 온도 850℃ 상태에 비하여 상기 평균 높이는 2.50 ~3.00% 감소하고, 상기 수평지름은 2.73~3.03% 감소하며, 상기 평균밀도는 42.7 ~52.1% 감소되는 것을 특징으로 한다.Also, the average height is reduced by 2.50 to 3.00%, the horizontal diameter is reduced by 2.73 to 3.03%, and the average density is reduced by 42.7 to 52.1%, compared with the annealing temperature of 850 ° C.

또한, 상기 증착 두께를 3nm로 증착한 상태에서, 상기 어닐링 온도를 300℃에서 500℃로 증가시켜서, 금 원자들 간의 결합 에너지(EAu)가 금 흡착원자들(adatoms) 및 Si 및 C 원자들 간의 결합에너지(EI)보다 많도록 제어를 하여, 금 흡착원자들(adatoms)이 핵형성하여 아일랜드 나노입자를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법Further, the annealing temperature was increased from 300 ° C. to 500 ° C. in the state that the deposition thickness was 3 nm, so that the bonding energy (EAu) between the gold atoms was higher than that between gold adsorbing atoms and Si and C atoms Wherein the gold nanoparticles are controlled so as to be greater than the binding energy (EI) so that gold adsorbing atoms are nucleated to form island nanoparticles.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 4H-SiC 기판 상에 성장과정의 어닐링 온도를 제어하여 자발-형성된 금 나노입자의 형상, 크기 및 밀도를 제어할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the shape, size, and density of spontaneously-formed gold nanoparticles can be controlled by controlling the annealing temperature of the growth process on a 4H-SiC substrate.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 어닐링 온도 및 증착량을 변화시키면서 4H-SiC(0001) 기판 상에 자발 형성된 금 나노입자 및 나노구조들의 제조하는 다양한 성장 조건을 제시할 수 있는 효과를 가진다.According to one embodiment of the present invention, various growth conditions for manufacturing gold nanoparticles and spontaneously formed nanoparticles on a 4H-SiC (0001) substrate can be presented while varying the annealing temperature and the deposition amount.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 및 3nm 금 증착 두께에 대하여 어닐링 온도(AT)의 제어에 의해 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 8nm 금 증착 두께에 대하여 500℃ ~ 700℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 500℃ ~ 750℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 (a) 500℃ 및 (b) 600℃의 어닐링 과정에서 성장된 금 박막 집합체의 초기 단계에서의 표면 형태 변화를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 8nm 금 증착 두께에 대하여 600℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 특성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 750℃ ~ 950℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 750℃ ~ 950℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조의 물리적 특성을 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 900℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 특성을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 3nm 금 증착 두께에 대하여 300℃ ~ 900℃ 사이의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조 및 그 물리적 특징을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 (a)3nm 및 (b)15nm 증착 두께에 대하여 800℃ 어닐링 온도(AT)에서 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자의 EDS 스펙트럼을 도시한 것이다.Figure 1 shows a gold nanoparticle structure spontaneously formed on 4H-SiC (0001) by control of the annealing temperature (AT) for 15 nm and 3 nm gold deposition thickness according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the gold nano dummy structure prepared by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 500 ° C to 700 ° C for 8 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention FIG.
FIG. 3 is a graph showing the results of a gold nano dummy structure (I) formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 500 ° C to 750 ° C for a 15 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention FIG.
Figure 4 shows the surface morphology change at an early stage of a gold film assembly grown in (a) 500 ° C and (b) 600 ° C annealing for a 15 nm gold deposition thickness in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the characteristics of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 600 DEG C for 8 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention It is.
FIG. 6 is a graph showing the results of a gold nanocrystal structure (I) formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 750 ° C. to 950 ° C. for a 15 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention FIG.
FIG. 7 is a graph showing the results of a gold nanocrystal structure (a) formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 750 ° C. to 950 ° C. for a 15 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention Are graphically shown.
8 is a graph showing a characteristic of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 900 DEG C for a 15 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention It is.
FIG. 9 is a graph showing the results of measurement of gold nanocrystals prepared by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) between 300 DEG C and 900 DEG C for a 3 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention. Structure and its physical characteristics.
Figure 10 is a graph showing the results of a gold nanomaterial prepared by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds at 800 ° C annealing temperature (AT) for 3 nm and (b) 0.0 > EDS < / RTI >

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.In the present application, when a component is referred to as "comprising ", it means that it can include other components as well, without excluding other components unless specifically stated otherwise. Also, throughout the specification, the term "on" means to be located above or below the object portion, and does not necessarily mean that the object is located on the upper side with respect to the gravitational direction.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 어닐링 온도(Ta) 및 증착량(DA)을 변화시키면서 4H-SiC(0001) 기판 상에 나노구조 및 자발 -형성된 금 나노입자의 제조방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing nanostructured and spontaneously-formed gold nanoparticles on a 4H-SiC (0001) substrate while varying the annealing temperature Ta and the deposition amount DA.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 어닐링 온도 및 증착량을 변화시키면서 4H-SiC(0001) 기판 상에 자발 형성된 금 나노입자 및 나노구조들의 제조하는 다양한 성장 조건을 제시한다.According to one embodiment of the present invention, various growth conditions for the production of spontaneously formed gold nanoparticles and nanostructures on a 4H-SiC (0001) substrate with varying annealing temperature and deposition amount are presented.

본 발명의 일 실시 예에 따른 4H-SiC(0001) 기판은 오프축 ±0.1°를 가진 25±2㎛ 두께의 Epi-ready N-type 4H-SiC 기판이 준비된다.A 4H-SiC (0001) substrate according to an embodiment of the present invention is prepared with an Epi-ready N-type 4H-SiC substrate having a thickness of 25 ± 2 μm with off axis ± 0.1 °.

본 발명의 일 실시 예에 따른 4H-SiC 기판은 10~20분간 불산(hydrofluoric acid) (49.0 ~ 51.0%)용액에서 화학적 크리닝 처리된 후, 이어서 2 ~4번 탈이온(DI)수로 세정처리된다. The 4H-SiC substrate according to an embodiment of the present invention is subjected to a chemical cleaning treatment in a hydrofluoric acid (49.0 to 51.0%) solution for 10 to 20 minutes, followed by a cleaning treatment with a DI water (No. 2 to 4) .

세정 처리된 4H-SiC 기판은 Inconel 홀더 상에 탑재되어 표면상의 오염들을 제거하고 탈가스를 위하여 (1±0.1)×10-4Torr, 650~750℃ 분위기의 진공챔버에서 에서 20~50분간 탈가스 처리된다.The cleaned 4H-SiC substrate was mounted on an Inconel holder to remove (1 ± 0.1) × 10 -4 Torr, degassing in a vacuum chamber at 650-750 ° C for 20-50 minutes Gas treated.

이어서, (1±0.1)×10-1 Torr 하에 3mA의 이온화 전류 및 0.05±0.01nm/s의 성장률로 플라즈마 이온-코우터 챔버 내에서 3±0.5, 8±0.5 또는 15±1nm 두께의 금이 4H-SiC기판 상에 증착된다.Subsequently, 3 ± 0.5, 8 ± 0.5 or 15 ± 1 nm thick gold in the plasma ion-coater chamber at an ionization current of 3 mA and a growth rate of 0.05 ± 0.01 nm / s under (1 ± 0.1) × 10 -1 Torr 4H-SiC substrate.

여기서 ±0.5nm 및 ±1nm는 본 발명의 일 실시 예에 따라 증착 단계 수행 중 발생되는 오차 범위를 의미한다.Here, ± 0.5 nm and ± 1 nm mean the error range generated during the deposition step according to one embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에서는 자발 형성된 금 나노입자 및 나노구조들은 일정한 증착량(DA)및 고정된 어닐링 시간에서의 제어특성을 나타낸다.In one embodiment of the present invention, spontaneously formed gold nanoparticles and nanostructures exhibit controlled deposition (DA) and controlled annealing time.

본 발명의 일 실시 예에서는 어닐링 온도에 의한 제어 특성을 규명하기 위하여 플라즈마 이온-코우터 챔버 내의 할로겐 램프에 의해 2℃/s의 램핑율(ramping rate)로 500, 600, 700, 750, 800, 900 및 950℃의 다양한 어닐링 온도AT에서 체계적으로 어닐링 과정이 수행된다.In an embodiment of the present invention, the annealing temperature is controlled by a halogen lamp in a plasma ion-coater chamber at 500, 600, 700, 750, 800, The annealing process is systematically performed at various annealing temperatures AT of 900 and 950 ° C.

각 목표 온도에 도달한 후에는, 450±45초 동안의 성장 공정이 수행된다.After each target temperature is reached, a growth process of 450 +/- 45 seconds is performed.

여기서 ±45초는 어닐링 과정 수행 중에 발생되는 오차 범위를 의미한다.Here, ± 45 seconds means an error range generated during the annealing process.

각 성장이 고정된 후, Ostwald ripening을 최소화하기 위해서 즉시 온도를 실온으로 급랭시킨다.After each growth is fixed, the temperature is quenched immediately to room temperature to minimize Ostwald ripening.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 4H-SiC 기판 상에 8㎚ 및 15㎚의 비교적 높은 두께의 금이 증착된 것의 자발 형성된 금 나노 구조는, 어닐링 온도(AT) 변화에 따라, 표면 형상이 (I) 불규칙한 나노-더미(nano-mounds) 및 (II) 육방 나노-결정(hexagonal nano-crystals)으로 진화하여 형성되는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, a spontaneously formed gold nanostructure of a relatively high thickness of gold deposited on a 4H-SiC substrate of 8 nm and 15 nm has a surface morphology of ( Characterized in that it is formed by evolution of irregular nano-mounds and (II) hexagonal nano-crystals.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 어닐링 과정에서 열 에너지는 비교적 낮은 어닐닝 온도에서 확산 제한된 집합체에 기초하여 자기-조립된 불규칙한 금 나노-더미의 형성이라는 결과를 가져오도록 흡착원자들(adatoms)을 활성화시키며, 또한 금 필름의 디웨팅(dewetting) 및 표면 재정렬에 기인하여 힐락(hilocks) 및 알갱이(granules)의 형성이 수반된다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the thermal energy in the annealing process is such that the adatoms are adsorbed so as to result in the formation of self-assembled irregular gold nano-dummies based on the diffusion limited aggregates at relatively low annealing temperatures. And also involves the formation of hilocks and granules due to dewetting and surface realignment of the gold film.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고온에서, 자발 형성된 육방 금 나노 결정은 금 나노입자(NPs)의 증가된 양에 의해 야기된 표면 에너지의 이방성 분포(anisotropic distribution)에 기인하여, {111} 및 {100} 면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, at high temperature, the spontaneously formed hexagonal nanocrystals are formed by {111} and {111} due to the anisotropic distribution of the surface energy caused by the increased amount of gold nanoparticles {100} plane.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15±1nm 및 3±0.5nm 금 증착 두께에 대하여 어닐링 온도(AT)의 제어에 의해 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자 구조를 도시한 것이다.Figure 1 is a graph showing the results of a gold nanoparticle structure produced by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) by controlling the annealing temperature (AT) for 15 < RTI ID = 0.0 & FIG.

도 1(a)는 15±1nm 증착 두께(DA)를 가지고 600℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자 구조(5x 5 ㎛2)의 SEM 이미지를 도시한 것이다.Fig. 1 (a) is a graph of the SEM (5 x 5 탆 2 ) structure of the gold nanoparticle structure (5 x 5 탆 2 ) prepared by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) at a deposition temperature FIG.

도 1의 (a-1)은 힐락(hillocks) 구조(1.6x 1.6㎛2)의 SEM이미지를 나타낸다.1 (a-1) shows a SEM image of a hillock structure (1.6 x 1.6 탆 2 ).

도 1의 (a-2)은 핀홀(pinholes) 구조(1.6x1.6㎛2)의 SEM이미지를 나타낸다.1 (a-2) shows an SEM image of a pinholes structure (1.6 x 1.6 m 2 ).

도 1(b)는 15nm 증착 두께(DA)를 가지고 850℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 4H-SiC(0001) 상에 hexagonal Au nano-crystals 형상으로 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자 구조(5x5㎛2)의 Atomic force microscope (AFM) 측면 이미지를 도시한 것이다.FIG. 1 (b) shows a gold nanoparticle structure (5 × 5 μm) prepared by spontaneously forming hexagonal Au nano-crystals on 4H-SiC (0001) with a deposition thickness (DA) of 15 nm and an annealing temperature 2 ) is an AFM side image of an atomic force microscope.

도 1(b-1)은 도 1(b)의 hexagonal Au nano-crystals 구조(1x1㎛2)의 AFM 평면(Top view) 이미지를 도시한 것이다.FIG. 1 (b-1) shows an AFM plane top view image of the hexagonal Au nano-crystals structure (1 × 1 μm 2 ) of FIG. 1 (b).

도 1(c)는 3nm 증착 두께(DA)를 가지고 800℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 4H-SiC(0001) 상에 Dome형상으로 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자 구조(500x500nm2)의 AFM 평면(Top view) 이미지를 도시한 것이다.1 (c) shows the AFM plane of a gold nanoparticle structure (500 x 500 nm 2 ) produced by spontaneous formation in the form of a dome on 4H-SiC (0001) with a deposition thickness (DA) of 3 nm and an annealing temperature (Top view) image.

도 1(d)는 3nm 증착 두께(DA)를 가지고 900℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 4H-SiC(0001) 상에 Dome 형상으로 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자 구조(500x500nm2)의 AFM 평면(Top view) 이미지를 도시한 것이다.1 (d) shows the AFM plane of a gold nanoparticle structure (500 x 500 nm 2 ) prepared by spontaneous formation in the form of a dome on 4H-SiC (0001) by a 900 占 폚 annealing temperature (AT) (Top view) image.

도 1을 참조하면, 자발 형성된 금 나노 입자 구조는, 금 증착 두께에 따라, 다양한 형상으로 제조되고, 증가된 어닐링 온도(AT)에 따라 진화된다. Referring to FIG. 1, the spontaneously formed gold nanoparticle structure is produced in various shapes according to the gold deposition thickness, and evolves according to the increased annealing temperature (AT).

도 1(a)의 15±1nm DA에서, (1) 불규칙 금 나노-더미 및 (2) 육방 금 나노-결정의 2가지 구별되는 금 나노 입자 구조를 가진다.At 15 +/- 1 nm DA in Figure 1 (a), there are two distinct gold nanoparticle structures: (1) irregular gold nano-dummies and (2) hexagonal nano-crystals.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 열 에너지를 공급하면서, 금 흡착원자들(adatoms)은, 도 1 (a), (a-1) 및 (a-2)에 도시된 바와 같이 상대적으로 낮은 600℃의 어닐링 온도에서 확산 제한된 집합체(agglomeration)로 서술될 수 있는 힐락(hillocks) 및 과립형태(granules)들이 형성됨에 따라, 보이드(voids)에 의한 구멍이 뚫린 핀홀들이 점차로 확산되고 모여서 불규칙 금 나노-더미를 형성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, while supplying the thermal energy, the gold adsorbing atoms (adatoms) are deposited at a relatively low 600 < RTI ID = 0.0 > As the hillocks and granules, which can be described as diffusion-limited agglomeration at the annealing temperature of 占 폚, are formed, the perforated pinholes by voids gradually diffuse and aggregate to form irregular gold nano- A pile can be formed.

또한, 도 1(b), (b-1)을 참조하면, 850℃의 어닐링 온도에서 모든 금 나노 구조들은 강화된 표면 확산에 기인하여 점진적으로 육방 나노-결정으로 발전하며, 절단된 면들(truncated facets)은 이방성 표면 에너지가 최소화하도록 형성된다.1 (b) and 1 (b-1), at an annealing temperature of 850 ° C., all of the gold nanostructures gradually develop into hexagonal nano-crystals due to the enhanced surface diffusion, facets are formed to minimize the anisotropic surface energy.

한편, 상대적으로 낮은 3±0.5nm 증착 두께(DA)에서는 자발 형성된 금 나노입자들은 돔-모양의 구조로 형성되며, 금 나노입자들은 어닐링 온도(AT)의 함수로서 작은 금 나노입자들의 공정 비용으로 큰 크기로 진화할 수 있다.On the other hand, in the relatively low 3 ± 0.5 nm deposition thickness (DA), the spontaneously formed gold nanoparticles are formed into a dome-shaped structure, and the gold nanoparticles have a low cost as a function of the annealing temperature It can evolve to a large size.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 3±0.5nm 증착 두께(DA)에서는 Volmer Weber 성장 모델에 기초하여 돔-모양으로 형성된다.According to one embodiment of the present invention, the deposition thickness (DA) of 3 ± 0.5 nm is dome-shaped based on the Volmer Weber growth model.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 8nm 금 증착 두께에 대하여 500℃ ~ 700℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450±45초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.FIG. 2 is a graph showing the relationship between a gold nano-scale (thickness) formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 ± 45 seconds by an annealing temperature (AT) Dummy structure.

도 2(a)는 프리 어닐(pre-annea)단계에서의 4H-SiC(0001) (1x1㎛2)의 AFM 측면 이미지를 도시한 것이다.2 (a) shows an AFM side image of 4H-SiC (0001) (1 x 1 탆 2 ) in the pre-annealing step.

도 2(b)는 8nm 금 증착 두께에 대하여 450±45초 동안 500℃ 어닐링 온도(AT)에서 4H-SiC(0001), (3x3㎛2) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.2 (b) shows a gold nano dummy structure spontaneously formed on 4H-SiC (0001) (3 x 3 탆 2 ) at an annealing temperature (AT) of 500 ° C for 450 ± 45 seconds with respect to an 8 nm gold deposition thickness It is.

도 2(c)는 8±0.5nm 금 증착 두께에 대하여 450±45초 동안 600℃ 어닐링 온도(AT)에서 4H-SiC(0001) (3x3㎛2) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.Fig. 2 (c) shows the gold nano dummy structure prepared by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) (3 x 3 탆 2 ) at 600 캜 annealing temperature (AT) FIG.

도 2(d)는 8±0.5nm 금 증착 두께에 대하여 450±45초 동안 700℃ 어닐링 온도(AT)에서 4H-SiC(0001) (3x 3㎛2) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.Fig. 2 (d) is a graph showing the results of a gold nano dummy manufactured by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) (3 x 3 占 퐉 2 ) at 700 占 폚 annealing temperature (AT) Fig.

도 2의 (a-1) ~ (d-1)은 (a) ~ (d)의 백색 라인에 대한 단면 프로파일을 나타낸다.2 (a-1) to (d-1) show cross-sectional profiles for white lines (a) to (d).

도 2의 (a-2) ~ (d-2)는 2차원 푸리에 필터 변환 스펙트라를 도시한 것이다.2 (a-2) to (d-2) show the two-dimensional Fourier transform spectra.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 어닐링 온도(AT)를 높은 온도로 변화시키면, 금 필름의 이종(異種) 디웨팅(heterogeneous dewetting)을 표면 에너지의 함수로서 일으키게 되고, 그 결과 연속된 금 박막이 고립된 불규칙 금 나노-더미로 급격하게 표면 형태 진화가 되는 것을 알 수 있다.According to one embodiment of the present invention, changing the annealing temperature (AT) to a higher temperature causes heterogeneous dewetting of the gold film as a function of surface energy, resulting in a continuous gold thin film It can be seen that the surface morphology evolves suddenly into an isolated irregular gold nano-pile.

이는 확산 제한 집합체 모델(DLA: diffusion limited agglomeration)의 경향과 연합하여 분석될 수 있다.This can be analyzed in conjunction with the trend of diffusion limited agglomeration (DLA).

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 초기에 증착된 금 박막은 열 에너지가 제공된, 높은 진공 농도를 소유할 수 있기 때문에, 금 흡착원자들(adatoms)은 순간적으로 확산에 반응될 수 있으며, 이는 공백의 핵형성(nucleation)을 일으킬 수 있고, Au 및 SiC 사이에 열 팽창 계수 차이에 의해 야기되는 그레인 바운더리(grain boundaries) 및 높게 변형된 사이트를 포함하는 랜덤 핵형성 사이트에서 보이드(void)를 형성하게 된다.According to one embodiment of the present invention, the initially deposited gold film can possess a high vacuum concentration, provided with thermal energy, so that gold adsorbing atoms (adatoms) can be momentarily reacted to diffusion, And can form voids at random nucleation sites including grain boundaries and highly deformed sites caused by the difference in thermal expansion coefficient between Au and SiC do.

따라서, 보이드는 증가된 공간 핵형성을 가지고 계속 형성되며, 금 필름에 핀홀들이 형성되어 구멍이 형성될 수 있는 것으로 분석된다.Therefore, the voids continue to form with increased spatial nucleation, and pinholes are formed in the gold film, and holes are formed.

한편, 자발-형성되는 금의 집합체는 수식 1에 의한 기준 크기(Rc)보다 큰 반경(Rp)을 갖는 핀홀들에서 생성되기 시작한다.On the other hand, the aggregate of spontaneously formed gold starts to be generated in pinholes having a radius Rp larger than the reference magnitude Rc according to Equation (1).

[수식 1][Equation 1]

Figure 112015104275379-pat00006
Figure 112015104275379-pat00006

여기서 tAu는 금 층의 두께이다.Where t Au is the thickness of the gold layer.

또한, 금 나노-입자의 평형접촉 각도는 [수식 2]로 나타낼 수 있다.Further, the equilibrium contact angle of the gold nano-particles can be expressed by [Equation 2].

[수식 2][Equation 2]

Figure 112015104275379-pat00007
Figure 112015104275379-pat00007

여기서

Figure 112016066920565-pat00008
는 Au 및 진공 간의 대면 에너지 밀도(interfacial energy densities),
Figure 112016066920565-pat00009
는 SiC 및 진공 간의 대면 에너지 밀도,
Figure 112016066920565-pat00010
는 Au 및 SiC 간의 대면 에너지 밀도를 의미한다.here
Figure 112016066920565-pat00008
Is the interfacial energy densities between Au and vacuum,
Figure 112016066920565-pat00009
The surface energy density between SiC and vacuum,
Figure 112016066920565-pat00010
Refers to the surface energy density between Au and SiC.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, Rc보다 큰 Rp를 가진 핀홀들은 집합체(dewetting의 특징을 가진 집합체))에 대해 보다 강한 구동력을 소유할 수 있고, 이는 결과적으로 불규칙 나노-더미의 형성을 가져올 수 있다.According to one embodiment of the present invention, pinholes with Rp greater than Rc may have stronger driving forces for the aggregate (aggregate with the feature of dewetting), resulting in the formation of irregular nano-dummies have.

한편, 확산길이(ㅣD)는 [수식 3]으로 나타낼 수 있다.On the other hand, the diffusion length ( D ) can be expressed by [Equation 3].

[수식 3][Equation 3]

Figure 112015104275379-pat00011
Figure 112015104275379-pat00011

여기서 Ds는 확산계수, t는 금 흡착원자들(adatoms)의 residence time를 나타낸다.Where Ds is the diffusion coefficient and t is the residence time of the gold adsorption atoms (adatoms).

또한, 확산계수 Ds는 다음 [수식 4]로 나타낼 수 있다.Further, the diffusion coefficient Ds can be expressed by the following equation (4).

Figure 112015104275379-pat00012
Figure 112015104275379-pat00012

k는 볼쯔만 상수이고, Do 및 EA(확산 장벽)는 동일한 성장 조건하에 특정값을 가진다.k is a Boltzmann constant, and D o and E A (diffusion barrier) have specific values under the same growth conditions.

따라서, 확산길이(ㅣD)는 표면온도(T)의 변화에 의해 결정될 수 있다.Therefore, the diffusion length ( D ) can be determined by the change of the surface temperature T.

결과적으로, 강화된 확산 길이는 공급되는 에너지보다 큰 열 에너지를 가지는 것으로 예측될 수 있다.As a result, the enhanced diffusion length can be expected to have a thermal energy greater than the energy supplied.

그 결과 어닐링 온도(AT)가 증가될 때, 더 많은 핀홀들이 큰 반경을 가지는 크기(Rp>Rc)로 형성될 수 있으며, 이에 상응하여 집합체 형성이 강화될 수 있다. 한편, 증가된 확산길이(ㅣD)를 가지면서 연결된 불규칙 나노-더미들은, 도 2에 AFM 측면도 및 평면도에 나타낸 바와 같이, 레일리 불안정성(Rayleigh instability) 때문에 확장하고 고립된 것으로 분리되는 경향을 가지는 것으로 분석된다.As a result, as the annealing temperature AT is increased, more pinholes can be formed with a larger radius (Rp > Rc), correspondingly, aggregate formation can be enhanced. On the other hand, the connected irregular nano-dummies with increased diffusion length ( D ) tend to be isolated and expanded due to Rayleigh instability, as shown in the AFM side view and plan view of FIG. 2 Is analyzed.

특히, 8nm 두께 금 증착을 갖춘 프리-어닐단계의 표면 형상은 도 2(a), (a-1)에 나타낸 바와 같이, 표면 변조가 불과 몇 나노미터에 불과하며 꽤 부드럽게 보이도록 형성된다.Particularly, the surface shape of the pre-annealing step with 8 nm thick gold deposition is formed so that the surface modulation is only a few nanometers and appears to be fairly smooth, as shown in Figs. 2 (a) and 2 (a-1).

도 2를 참조하면, 500℃로 어닐닝 과정을 거친 후에는, 도 2(b), (b-1)에 도시된 바와 같이, 제한된 금 흡착원자들(adatoms)에 기인하여 금 필름에 연결된 나노-더미들의 부분적 형성 과정이 생성된다.Referring to FIG. 2, after the annealing process is performed at 500 ° C., as shown in FIGS. 2 (b) and 2 (b-1) A partial formation process of the dummies is generated.

도 2 (c), (d)를 참조하면, 어닐링 온도(AT)를 600℃에서 700℃으로 증가시킬 때, 금 흡착원자들(adatoms)은 더욱 콤팩트하게 모이고, 결과적으로 도 2(c-1) ~ (d-1)에 나타낸 바와 같은 급격하게 수직으로 크기가 확장되며, 연결된 나노-더미들은 고립된 것으로 형태상의 변화가 이루어진다.Referring to FIGS. 2 (c) and 2 (d), when the annealing temperature AT is increased from 600 ° C. to 700 ° C., gold adsorbed atoms adhere more compactly, ) to (d-1), and the connected nano-dummies are morphologically changed to be isolated.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 어닐링 온도(AT)가 증가됨에 따라 의미있는 수직 크기 증가와 함께, 표면 면적비(SAR) 및 자승평방근 거칠기(root-mean-squared roughness: RRMS) 양쪽 모두에서 급격히 증가되는 현상으로 명백한 형태의 진화가 발생된다.In accordance with one embodiment of the present invention, with a significant increase in vertical size as the annealing temperature (AT) is increased, both the surface area ratio (SAR) and the root-mean-squared roughness (R RMS ) The evolving phenomenon manifests itself in an evident form.

표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 8±0.5nm 금 증착 두께에 대하여 500℃ ~ 700℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450±45초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 표면 면적비(SAR) 및 자승 평방근 거칠기를 정리한 것이다. Table 1 shows the results of spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 ± 45 seconds by an annealing temperature (AT) of 500 ° C. to 700 ° C. for 8 ± 0.5 nm gold deposition thickness according to one embodiment of the present invention The surface area ratio (SAR) of the gold nano dummy structure and the roughness square root roughness are summarized.

ATAT
[℃][° C] RR RMSRMS
[ [ nmnm ]] SARSAR
[%][%] 00 1One 0.090.09 500500 12.112.1 3.193.19 600600 22.422.4 5.995.99 700700 47.747.7 8.278.27

표1을 참조하면, 초기 단계에서 700℃와 대비하면, RRMS는 ~1에서 ~47.7로 47.7배 증가하고, SAR는 상응하여 0.09%에서 8.27%로 증가하는 것으로 나타난다.Referring to Table 1, in comparison with 700 ° C in the initial stage, R RMS increases by 47.7 times from ~ 1 to ~ 47.7, and the SAR increases correspondingly from 0.09% to 8.27%.

또한, 500℃ 어닐링 단계에서 700℃와 대비하면, RRMS는 12.1에서 ~47.7로 3.94배 증가하고, SAR는 상응하여 3.19%에서 8.27%로 증가하는 것으로 나타난다.Also, as compared to 700 ° C in the 500 ° C annealing step, the R RMS increases 3.94-fold to ~ 47.7 from 12.1 and the SAR increases correspondingly from 3.19% to 8.27%.

이를 본 발명의 실험 예에 따른 분포 범위로 정리하면, 어닐링 온도를 500℃에서 700℃로 증가시키면, RRMS는 3.65 ~ 4.25배 증가하고, SAR는 상응하여 2.3~ 2.6배로 증가하는 것으로 나타난다.When the annealing temperature is increased from 500 ° C. to 700 ° C., the R RMS increases by 3.65 to 4.25 times and the SAR increases by 2.3 to 2.6 times according to the distribution range according to the experimental example of the present invention.

그 결과, 표면 형태 진화에 따라 2차원(2-D) 푸리에 필터 트랜스폼(FFT) 파워 스펙트라에서의 급격한 변화가 도 2(a-2) ~ (d-2)에 유사하게 목격될 수 있다. As a result, a sudden change in the two-dimensional (2-D) Fourier transform transform (FFT) power spectra can be observed similar to FIG. 2 (a-2) to (d-2) according to the surface morphology evolution.

도 2(a-2) ~ (d-2)를 참조하면, 랜덤 분포된 높이를 나타내는 대칭 밝은 점은 수직 크기 증가에 따른 높이 분포의 감소에 따라 작은 점으로 급격하게 줄어드는 것으로 나타난다.Referring to FIGS. 2 (a-2) to (d-2), the symmetrical bright point representing the randomly distributed height sharply decreases to a small point as the height distribution decreases as the vertical size increases.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 어닐링 온도 500℃에서 700℃ 사이의 어닐링 과정에서, 온도의 함수로서 강화된 표면 확산으로 인해 단지 수 나노미터 변조를 갖는 평탄한 금 박막이 높이가 수백 나노미터인 불규칙 금 나노-더미로 표면 형태가 급격하게 진화하게 되는 특징을 가진다.According to one embodiment of the present invention, in an annealing process at an annealing temperature between 500 캜 and 700 캜, a flat gold thin film having only a few nanometer modulation due to the enhanced surface diffusion as a function of temperature has irregularities of several hundred nanometers Gold nano-dummy, and the surface morphology is rapidly evolved.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 500℃ ~ 750℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조를 도시한 것이다.FIG. 3 is a graph showing the results of a gold nano dummy structure (I) formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 500 ° C to 750 ° C for a 15 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention FIG.

도 3(a)는 15nm 금 증착 두께에 대하여 500℃의 어닐링 온도(AT)에서 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 SEM이미지를 도시한 것이다.3 (a) shows an SEM image of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds at an annealing temperature (AT) of 500 캜 for a 15 nm gold deposition thickness.

도 3(b)는 15nm 금 증착 두께에 대하여 600℃의 어닐링 온도(AT)에서 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 SEM이미지를 도시한 것이다.FIG. 3 (b) shows an SEM image of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds at an annealing temperature (AT) of 600 ° C. for a 15 nm gold deposition thickness.

도 3(c)는 15nm 금 증착 두께에 대하여 750℃의 어닐링 온도(AT)에서 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 SEM이미지를 도시한 것이다.FIG. 3 (c) shows an SEM image of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds at an annealing temperature (AT) of 750 ° C. for a 15 nm gold deposition thickness.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm 금 증착 두께에 대하여 (a) 500℃ 및 (b) 600℃의 어닐링 과정에서 성장된 금 박막 집합체의 초기 단계에서의 표면 형태 변화를 도시한 것이다.Figure 4 shows the surface morphology change at an early stage of a gold film assembly grown in (a) 500 ° C and (b) 600 ° C annealing for a 15 nm gold deposition thickness in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4의 (a-1), (b-1)은 도 4의 (a) 및 (b)의 일부분을 확대한 AFM의 측면을 도시한 것이다.(A-1) and (b-1) in FIG. 4 show a side view of the AFM obtained by enlarging a part of FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b).

도 4의 (a-2), (b-2)은 도 4의 (a-1) 및 (b-1)의 백색 라인에 대한 단면 프로파일을 나타낸다.4 (a-2) and (b-2) show cross-sectional profiles for the white lines of (a-1) and (b-1) in FIG.

도 4의 (a-3) ~ (b-3)는 FET 파워 스펙트라를 도시한 것이다.4 (a-3) to (b-3) show FET power spectra.

도 4의 (c), (d)는 500℃ 및 600℃로 어닐링된 후, 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 SEM이미지를 도시한 것이다.4C and 4D are SEM images of the gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) after annealing at 500 ° C and 600 ° C.

도 3, 4를 참조하면, 8±0.5nm 두께의 금 증착과 유사하게, 금 흡착원자들(adatoms)은 점차적으로 모여서 어닐링 온도(AT)에 따라 증가된 변화를 갖는 고립된 불규칙 나노-더미로 발전한다.Referring to Figures 3 and 4, similar to gold deposition of 8 ± 0.5 nm thickness, gold adsorbing atoms adhere gradually to an isolated irregular nano-dummy with increased variation with annealing temperature (AT) Develop.

한편, 핀홀(pinholes) 및 과립(granules) 형성은 도 3의 SEM 이미지에서 나타낸 바와 같이, 금 나노-더미가 진화되는 동안 동시에 나타난다.On the other hand, pinholes and granules formation occur simultaneously during the evolution of the gold nano-dummy, as shown in the SEM image of FIG.

또한, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 힐락들이 금박의 열 팽창에 기인하여 500℃에서 10㎛ 이상의 큰 지름을 갖도록 형성된다.Further, as shown in Fig. 3 (a), the hillocks are formed to have a large diameter of at least 10 mu m at 500 DEG C due to thermal expansion of the gold foil.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 힐락들은 증가된 열 에너지에 의한 핀홀 형성의 이전 단계에 나타났으며, 힐락들은 결국 이어지는 나노-더미의 형성에 수반하는 핀홀들로 진화한다.According to one embodiment of the present invention, healocks appeared at a previous stage of pinhole formation by increased thermal energy, and hillocks eventually evolve into pinholes with subsequent formation of nano-dummies.

도 3을 참조하면, 600℃ 어닐링 단계에서, 증가된 열 에너지에 의해 힐락(hillocks) 및 핀홀들이 더욱 증가된다. 또한, 과립 형태(granules)들은 금 필름이 압축 응력을 해제하려는 경향으로 인하여 힐락(hillocks) 상에 형성되기 시작하고, 그 결과 4H-SiC(0001) 기판보다 금 필름의 열 계수가 높아지게 된다.Referring to FIG. 3, in the 600 DEG C annealing step, the hillocks and pinholes are further increased by the increased thermal energy. Also, granules begin to form on the hillocks due to the tendency of the gold film to release compressive stress, resulting in a higher coefficient of thermal expansion of the gold film than the 4H-SiC (0001) substrate.

또한, 어닐링 온도(AT) 750℃에서, 모든 금 구조는 도 3(c)에 나타낸 바와 같이 금 흡착원자들(adatoms)의 강화된 확산 때문에 균일한 분포를 갖는 고립된 금 나노-더미들로 응집된다. Also, at an annealing temperature (AT) of 750 캜, all of the gold structures were agglomerated into isolated gold nano-dummies having a uniform distribution due to the enhanced diffusion of gold adsorbing atoms (adatoms) do.

핀홀 형성 단계에서, 온도를 증가시키면, 핀홀들의 크기는, 도 4의 AFM 측면도, 라인-프로파일들 및 평면도에 나타낸 바와 같이, 더욱 급격한 응집 때문에 주목할 정도로 확대된다.In the pinhole forming step, as the temperature is increased, the size of the pinholes is noticeably enlarged due to the more rapid agglomeration, as shown in the AFM side view, line-profiles and plan view of FIG.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 8nm 금 증착 두께에 대하여 600℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 특성을 도시한 것이다.5 is a graph showing the characteristics of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 600 DEG C for 8 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention It is.

도 5의 (a)는 상기 금 나노 더미 구조에 대한 SEM이미지를 도시한 것이다.5 (a) shows an SEM image of the gold nano dummy structure.

도 5의 (b)는 금 나노 더미 구조에 대하여 에너지 분산형 X선 분광법(EDS: energy-dispersive X-ray spectroscopy)에 의한 위상도(phase map)를 도시한 것이다.FIG. 5 (b) shows a phase map by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for the gold nano dummy structure.

도 5의 (b)에서 Au는 노란색으로 표시되고 Si는 적색으로 표시된다.In Fig. 5 (b), Au is displayed in yellow and Si is displayed in red.

도 5의 (c)는 SEM이미지와 SEM이미지 엘로우 라인에 대한 단면 프로파일을 나타낸다.Figure 5 (c) shows a cross-sectional profile for an SEM image and an SEM image yellow line.

그린 색은 Si 엘레멘트의 카운트 라인 프로파일을 나타내며, 블루 색은 Au 엘레멘트의 카운트 라인 프로파일을 나타낸다.The green color represents the count line profile of the Si element and the blue color represents the count line profile of the Au element.

도 5의 (d), (e)는 각각 Si 및 Au 위상도(phase map)의 3차원 Top-view를 나타낸다.5 (d) and 5 (e) show a three-dimensional top view of the Si and Au phase maps, respectively.

도 5(b)에 결합된 EDS 위상도(phase map)로 도시된 바와 같이, Au(노란색) 및 Si(빨간색) 페이스는 도 5(a)에 SEM 이미지에 나타낸 표면 형태와 매치된다.The Au (yellow) and Si (red) faces match the surface morphology shown in the SEM image in Fig. 5 (a), as shown by the EDS phase map coupled to Fig. 5 (b).

도 5(c)를 참조하면, Si(녹색 라인)는 표면상에 모든 곳에서 관찰될 수 있으며, 도 5(c)에 확대 이미지에서 노란 라인으로 표시되는 라인 프로파일로 나타낸 바와 같이, 제한 확산되며 응집이 일어난다. 이에 기인하여 나노-더미들을 따라 Au 카운트(청색 라인)가 주로 분포된다.Referring to Figure 5 (c), Si (green line) can be observed everywhere on the surface and is limited diffused, as indicated by the line profile shown in yellow lines in the enlarged image in Figure 5 (c) Coagulation occurs. Due to this, Au counts (blue lines) are mainly distributed along the nano-dummies.

또한, Au의 주요 카운트들은 나노-더미를 갖는 면에 존재하였고, 나머지 면은 도 5(d, e)에 나타낸 바와 같이, Si 카운트들로 가득 차게 된다.Also, the major counts of Au were on the face with the nano-dummy, and the remaining faces were filled with Si counts, as shown in Figure 5 (d, e).

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15±1nm 금 증착 두께에 대하여 750℃ ~ 950℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450±45초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조를 도시한 것이다.Fig. 6 is a graph showing the results of a sputtering process in which sputtering was performed spontaneously on 4H-SiC (0001) for 450 ± 45 seconds by an annealing temperature (AT) of 750 ° C to 950 ° C for 15 ± 1 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention Gold nanocrystal structure.

도 6의 (a) ~ (c)는 각각 750℃, 850℃ 및 950℃의 어닐링 과정에서 성장된 금 박막 결정의 AFM 측면을 도시한 것이다.6 (a) to 6 (c) show AFM side views of gold thin film crystals grown in the annealing process at 750 ° C, 850 ° C, and 950 ° C, respectively.

도 6의 (a-1) ~ (c-1)은 상기 (a) ~ (c)의 일부분을 확대한 AFM의 측면을 도시한 것이다.6 (a-1) to (c-1) show aspects of the AFM in which a part of (a) to (c) is enlarged.

도 6의 (a-2) ~ (c-2)는 상기 도 6의 (a-1) ~ (c-1)의 백색 라인에 대한 단면 프로파일을 나타낸다.6 (a-2) to (c-2) show cross-sectional profiles of the white lines in FIG. 6 (a-1) to (c-1).

도 6의 (a-3) ~ (c-3)는 각각 FET 파워 스펙트라를 도시한 것이다.6 (a-3) to (c-3) show FET power spectra, respectively.

도 6은 4H-SiC(0001)상에 750℃~950℃의 높은 어닐링 온도(AT) 범위에서 금 나노-결정들 및 금 나노-더미 사이의 천이 위상을 나타낸다. Figure 6 shows the transition phase between gold nano-crystals and gold nano-dummies in a high annealing temperature (AT) range of 750 ° C to 950 ° C on 4H-SiC (0001).

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 금 나노구조 제조는 AT에 꽤 민감한 특징을 가진다. 예를 들면, 어떤 AT온도 이상에서 민감하게 작용되어 육방 금 나노-결정들이 합성된다. According to one embodiment of the present invention, gold nanostructure fabrication is characterized by a considerable sensitivity to AT. For example, hexagonal nano-crystals are synthesized by being acted sensitively above a certain AT temperature.

나노입자들의 평형 모양은 표면 에너지의 방향 의존성으로부터 얻어지는 Wulff 구축에 의해 결정될 수 있으며, 그에 따라 각 고정된 성장 조건에서 나노입자들의 모양은 어떤 부피 내에서 표면 에너지를 최소화하려는 경향을 가진다.The equilibrium shape of the nanoparticles can be determined by Wulff's construction resulting from the direction dependence of the surface energy, and thus the shape of the nanoparticles at each fixed growth condition tends to minimize the surface energy within a certain volume.

Au와 같은, 면-중심-큐빅(fcc:face-centered-cubic) 물질들은 표면 에너지를 감소하려고 면들이 절단되는 경향을 가지며, 그 결과 금 흡착원자들(adatoms)의 축적과 함께 이방성 특성이 나타난다. 그리하여, 기준 부피에 이르자마자, 면 절단(facet truncation) 현상이 각 {111} 및 {100}을 따라 일어날 수 있고, 그 결과 마침내 육방 나노-결정이 형성된다. Face-centered-cubic materials such as Au tend to have their faces cut to reduce surface energy, resulting in anisotropic properties with the accumulation of gold adsorbing atoms (adatoms) . Thus, as soon as the reference volume is reached, a facet truncation phenomenon can occur along each {111} and {100}, resulting in the formation of hexagonal nano-crystals.

보다 구체적으로, 어닐링 온도 750℃에서 그 집합체(금 나노-더미 분리)는 불충분한 확산이 지배적으로 되며, 이는 도 6(a), (a-1)에 나타낸 바와 같이, 다소 연장된 나노-더미(phase I )로 입증될 수 있다.More specifically, the aggregate (gold nano-dummy separation) becomes dominant due to insufficient diffusion at an annealing temperature of 750 ° C, which results in a slightly elongated nano-dummy (phase I).

850℃의 충분한 열 에너지를 제공하면, 나노-더미들은 도 6(b), (b-1)에 나타낸 바와 같이, 주목할만하게 크기가 증가되어 금 나노-결정들로 점차 분리된다. 앞에서 전술한 바와 같이, 이방성 표면 에너지 때문에, 금 나노-결정은 도 6(a-1)에 나타낸 바와 같은 육방 모양으로 변한다(phase II). Providing sufficient heat energy at 850 캜, the nano-dummies gradually increase in size and gradually separate into gold nanocrystals, as shown in Figs. 6 (b) and (b-1). As described above, due to the anisotropic surface energy, the gold nano-crystal changes to a hexagonal shape as shown in Fig. 6 (a-1) (phase II).

어닐링 온도가 950℃에 이르면, 육방 나노-결정들은 도 6(c), (c-1)에 나타낸 바와 같이, 밀도 및 크기 모두에서 약간 감소한 상태로 제조된다.When the annealing temperature reaches 950 占 폚, the hexagonal nano-crystals are produced with a slight decrease in both density and size, as shown in Figs. 6 (c) and 6 (c-1).

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 밀도 감소와 관련된 보다 높은 표면 온도에서 크기 감소는 표면 확산의 일반적인 경향에 반대적 특성을 가진다. 이는 어닐링 온도의 함수로서 나노스케일의 금의 강화된 증발 때문에 발생되는 현상으로 분석된다.According to one embodiment of the present invention, size reduction at higher surface temperatures associated with density reduction has an opposite property to the general tendency of surface diffusion. This is analyzed as a phenomenon caused by enhanced evaporation of nanoscale gold as a function of the annealing temperature.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15±1nm 금 증착 두께에 대하여 750℃ ~ 950℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조의 물리적 특성을 그래프로 도시한 것이다.FIG. 7 is a graph showing the relationship between a gold nano-scale (thickness) formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 750 ° C to 950 ° C for 15 ± 1 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention And graphical representation of the physical properties of the crystal structure.

도 7의 (a)는 물리적 특성 중 평균높이(AH) 및 수평지름(LD)의 변화를 나타낸다.Figure 7 (a) shows the change in average height (AH) and horizontal diameter (LD) among the physical properties.

도 7의 (b)는 각 어닐링 온도(AT)에서 평균 밀도(AD)의 변화를 나타낸다.FIG. 7 (b) shows the change in average density AD at each annealing temperature AT.

도 7의 (c) ~(e)는 각 어닐링 온도(AT)의 금 나노 결정 구조 (19.4 (x) × 14.6 (y) ㎛2)의 SEM 이미지를 도시한 것이다.Figs. 7C to 7E show SEM images of the gold nanocrystal structure (19.4 (x) x 14.6 (y) 탆 2 ) at each annealing temperature (AT).

표 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 15±1nm 금 증착 두께에 대하여 750℃ ~ 950℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450±45초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조의 물리적 특성을 정리한 것이다.Table 2 shows the results obtained by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 +/- 45 seconds by an annealing temperature (AT) of 750 DEG C to 950 DEG C for 15 +/- 1 nm gold deposition thickness according to one embodiment of the present invention The physical properties of the gold nanocrystal structure are summarized.

ATAT
[℃][° C] AHAH
[[ nmnm ]] LDLD
[ [ nmnm ]] ADAD
[×10 [× 10 77 / / cmcm 22 ]] RR RMSRMS
[ [ nmnm ]] SARSAR
[%][%] 750750 143.5143.5 842.5842.5 5.65.6 7.17.1 47.247.2 850850 212.7212.7 697.5697.5 7.87.8 15.615.6 84.984.9 950950 206.7206.7 676.3676.3 4.14.1 1010 71.571.5

여기서 AT는 어닐링 온도, AH는 평균높이, LD는 수평지름, AD는 평균밀도를 나타낸다.Where AT is the annealing temperature, AH is the average height, LD is the horizontal diameter, and AD is the average density.

도 7(a)를 참조하면, 물리적 특성은 750 및 850℃ 사이에서 phase I, 850℃ 이상에서 phase II의 두 개의 위상으로 구분될 수 있다.Referring to FIG. 7 (a), the physical properties can be divided into phase I between 750 and 850 ° C, and phase II at 850 ° C or above.

크기 및 밀도 진화는, 도 7(c-e)에 도시된 바와 같이 보다 큰 스케일의 SEM 이미지에서 명확하게 알 수 있다.Size and density evolution can be clearly seen in a larger scale SEM image as shown in Figure 7 (c-e).

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 15nm 금 증착 두께에 대하여 750℃ ~ 850℃의 어닐링 온도(AT)에 의해 450±45초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조는 보다 강화된 확산 에너지 때문에, AH는 1.48배 지속적으로 증가하고 금 흡착원자들(adatoms)의 콤팩트한 집합의 결과로서, LD는 17% 감소하는데 반해, AD는 phaseI에서 1.39배 증가했다. According to one embodiment of the present invention, a gold nanocrystal structure (hereinafter, referred to as " gold nanocrystal structure ") prepared by spontaneously forming on 4H-SiC (0001) for 450 +/- 45 seconds by an annealing temperature Because of the enhanced diffusion energy, AH increased 1.48 times and AD increased by 1.39 times in phase I, while LD was reduced by 17% as a result of a compact set of gold adsorbing atoms (adatoms).

이를 본 발명의 실험 예에 따른 분포로 정리하면, 750℃에서 850℃로 온도를 증가시키면, AH는 1.34 ~1.52배 증가하고 LD는 15.5 ~ 18.5% 감소하는데 반해, AD는 phaseI에서 12.4 ~ 15.2배 증가했다.When the temperature is increased from 750 ° C. to 850 ° C., the AH increases by 1.34 to 1.52 times and the LD is decreased by 15.5 to 18.5%, while the AD is decreased by 12.4 to 15.2 times Respectively.

AD 증가는 750℃에서 850℃로 온도가 증가함에 따라 금 더미들에서 육방 나노입자들로 위상(phase)이 변화하기 때문으로 분석된다.The AD increase is analyzed as the phase shifts from gold piles to hexagonal nanoparticles as the temperature increases from 750 ° C to 850 ° C.

어닐링 온도 950℃의 phaseII에서, AD는 도 7(b, e)에 명확히 나타난 바와 같이, 강화된 표면 확산 때문에 어닐링 온도 850℃에 비하여 47.4% 감소된다.At phase II of the annealing temperature 950 ° C, AD is reduced by 47.4% as compared to the annealing temperature 850 ° C due to the enhanced surface diffusion, as clearly shown in Figure 7 (b, e).

그러나 AH 및 LD 모두 950℃에서 각각 어닐링 온도 850℃에 비하여 2.82% 및 3.03% 감소한 것으로 나타나는데, 이는 나노스케일 금 증발 때문으로 분석된다.However, both AH and LD were decreased by 2.82% and 3.03% at 950 ℃, respectively, compared to the annealing temperature of 850 ℃, which is analyzed by nanoscale gold evaporation.

이를 본 발명의 실험 예에 따른 분포 범위로 다시 정리하면, 850℃에서 950℃로 온도를 증가시키면, AH는 2.50 ~3.00% 감소하고, LD는 2.73~3.03% 감소하는데 반해, AD는 42.7 ~52.1% 감소되는 것으로 나타난다.When the temperature is increased from 850 ° C. to 950 ° C., the AH is decreased by 2.50 to 3.00%, the LD is decreased by 2.73 to 3.03%, and AD is from 42.7 to 52.1 %.

RRMS 및 SAR은 수직 크기가 나노-결정의 성정에 따라 초기에 증가하였고, 표 2에 나타낸 바와 같이, 나도-결정의 감소된 크기 및 밀도 때문에 낮아졌다. The RRMS and SAR were initially increased according to the nature of the nano-crystals, and decreased as a result of the reduced size and density of the nano-crystals, as shown in Table 2.

도 6(a-3) ~ (c-3)를 참조하면, 2-D FFT 파워 스펙트라에서의 밝은 점은, 금 나노결정이 형성되면서, 온도가 올라갈수록 육방 패턴을 갖는 보다 작은 것으로 방사적으로 줄어드는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6 (a-3) to (c-3), the bright points in the 2-D FFT power spectra are smaller, with gold nanocrystals being formed, It can be seen that it is shrinking.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 15nm±1 금 증착 두께에 대하여 900℃ 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 더미 구조의 특성을 도시한 것이다.8 is a graph showing the characteristics of a gold nano dummy structure formed by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) of 900 캜 for a 15 nm 짹 1 gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention FIG.

도 8의 (a)는 상기 금 나노 더미 구조에 대한 SEM이미지를 도시한 것이다.8 (a) shows an SEM image of the gold nano dummy structure.

도 8의 (b)는 상기 금 나노 더미 구조에 대하여 에너지 분산형 X선 분광법(EDS: energy-dispersive X-ray spectroscopy)에 의한 위상도(phase map)를 도시한 것이다.FIG. 8 (b) shows a phase map by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for the gold nano dummy structure.

도 8의 (b)에서 Au는 노란색으로 표시되고 Si는 적색으로 표시된다.In Fig. 8 (b), Au is displayed in yellow and Si is displayed in red.

도 8의 (c)는 SEM이미지와 SEM이미지 엘로우 라인에 대한 단면프로파일을 나타낸다.Figure 8 (c) shows a cross-sectional profile for an SEM image and an SEM image yellow line.

그린 색은 Si 엘레멘트의 카운트 라인 프로파일을 나타내며, 블루 색은 Au 엘레멘트의 카운트 라인 프로파일을 나타낸다.The green color represents the count line profile of the Si element and the blue color represents the count line profile of the Au element.

도 8의 (d), (e)는 각각 도 8(c)의 래드박스 및 블루박스에 대응하는 EDS 스팩트라를 도시한 것이다.Figures 8 (d) and 8 (e) show EDS specifications corresponding to the redbox and blue box of Figure 8 (c), respectively.

도 8의 (f), (g)는 각각 Si 및 Au 위상도(phase map)의 3차원 Top-view를 나타낸다.8 (f) and 8 (g) show a three-dimensional top view of the Si and Au phase maps, respectively.

도 8을 참조하면, 자발 형성된 금 나노-결정 형성에 대하여 성분 분석을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, the compositional analysis for spontaneously formed gold nano-crystal formation can be seen.

도 8(b) 위상도에 나타낸 바와 같이, Au(yellow색)는 나노입자들 중에 분포하고, 금 나노입자들의 형성과 함께 위상 변화가 일어났음을 의미한다. 결과적으로, 금은 나노입자들을 가진 면적에서만 검출될 수 있는데 반해, Si는 도 8(c)에서 라인-프로파일로 나타낸 바와 같이, 나노입자가 있든 없든 모든 면적에 골고루 존재하는 것으로 나타난다.As shown in the phase diagram of FIG. 8 (b), Au (yellow color) is distributed in the nanoparticles, which means that a phase change occurs together with the formation of gold nanoparticles. As a result, Si appears to be uniformly present in all areas, with or without nanoparticles, as indicated by the line-profile in Figure 8 (c), while gold can only be detected in areas with nanoparticles.

도 8 (d), (e)를 참조하면, Si 및 C Kα peaks는 양쪽 위치에서 모두 동등하게 목격될 수 있는데 반해, 2.123 KeV 의 Mα 1 peak는 나노입자들이 있는 면적에서만 발생되는 것으로 나타난다.Referring to FIGS. 8 (d) and 8 (e), it can be seen that both the Si and CKa peaks can be seen equally in both positions, whereas the Mα 1 peak of 2.123 KeV occurs only in the area of the nanoparticles.

도 8 (g)를 참조하면, 금 나노입자들은 금 맵의 3-D 측면에서 보다 높은 농도를 나타내는 기둥들로 동등하게 나타나는데, 이는 도 8(f)에 나타낸 바와 같이, Si 맵에서의 홀들과 매치되는 것으로 분석된다.Referring to Figure 8 (g), gold nanoparticles are equally represented as columns exhibiting a higher concentration in the 3-D aspect of the gold map, as shown in Figure 8 (f) It is analyzed as being matched.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 3±0.5nm 금 증착 두께에 대하여 300℃ ~ 900℃ 사이의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조 및 그 물리적 특징을 도시한 것이다.Figure 9 is a graph showing the results of a sputtering process in which sputtering is performed on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) between 300 ° C and 900 ° C for 3 ± 0.5 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention Gold nanocrystal structures and their physical characteristics.

도 9의 (a) ~ (d)는 각각 300℃, 500℃, 800℃ 및 900℃의 어닐링 과정에서 성장된 금 박막 결정의 AFM 측면을 도시한 것이다.9 (a) to 9 (d) show AFM side views of gold thin film crystals grown in the annealing process at 300 ° C, 500 ° C, 800 ° C and 900 ° C, respectively.

도 9의 (a-1) ~ (d-1)은 상기 (a) ~ (d)의 백색 라인에 대한 단면프로파일을 나타낸다.9 (a-1) to (d-1) show cross-sectional profiles for the white lines in (a) to (d).

도 9의 (a-2) ~ (d-2)는 각각 2-D FET 파워 스펙트라를 도시한 것이다.9 (a-2) to (d-2) show the 2-D FET power spectra, respectively.

도 9를 참조하면, 어닐링 온도 300℃ 및 900℃ 사이에서 어닐링 온도(AT)를 변화시킴으로써 4H-SiC (0001) 상에서 상대적으로 낮은 수평지름(DA)으로 작은 돔-모양의 특징을 가진 나노입자들의 진화를 알 수 있다.Referring to FIG. 9, nanoparticles having small dome-shaped features at relatively low horizontal diameters (DA) on 4H-SiC (0001) by varying the annealing temperature (AT) between annealing temperatures of 300 ° C and 900 ° C Evolution can be seen.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 증가된 어닐링 온도(AT)에서, 작은 돔-모양의 금 나노입자들은 어닐링 처리 후에 즉시 제조되었으며, 이러한 작은 돔-모양의 금 나노입자들은 모양의 변화없이 크기 및 밀도가 진화되는 특징을 가진다. 이는 Volmer-Weber 성장 모델로 분석될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, at increased annealing temperature (AT), small dome-shaped gold nanoparticles were produced immediately after the annealing process, and these small dome-shaped gold nanoparticles were sized and shaped And the density is evolved. This can be analyzed by the Volmer-Weber growth model.

금 흡착원자들(adatoms)은 보이드에 의해 천공된 핀홀들에서 제한된 확산길이(lD)에서만 자유로이 응집되는 특징으로 가지는 것으로 분석된다.The gold adsorbed atoms (adatoms) are analyzed to have free flocculation in the limited diffusion length (l D ) in the pinholes punctured by voids.

3±0.5nm의 증착 두께(DA)를 갖춘 금 박막이 8±0.5nm 및 15±1nm보다 훨씬 얇기 때문에, 천공은 훨씬 적은 열에너지를 가지고 초기 단계에서 즉시 일어날 수 있는 특징을 가진다.Because gold films with a deposition thickness (DA) of 3 ± 0.5 nm are much thinner than 8 ± 0.5 nm and 15 ± 1 nm, perforations have features that can have much less heat energy and can occur immediately at an early stage.

또한, 충분한 열 에너지가 공급되는 것(즉, 어닐링 온도가 300℃에서 상승하면)과 더불어 금 원자 간의 결합 에너지(EAu)가 금 흡착원자들(adatoms) 및 Si 및 C 원자 간의 결합에너지(EI)보다 많은 시점(즉 EAu > EI, 일 경우)에서 금 흡착원자들(adatoms)은 즉시 핵형성하여 3-D 아일랜드 나노입자를 형성하게 된다. The bond energy (E Au ) between the gold atoms is higher than the bond energy between the gold adsorbing atoms (adatoms) and the Si and C atoms (E ( Au )), along with the supply of sufficient heat energy I ), gold adsorbing atoms (adatoms) immediately nucleate to form 3-D island nanoparticles at more points in time (ie, E Au > E I ).

한편, 평형형상(equilibrium shape)은 각 방향에 대한 표면 에너지에 의해 결정될 수 있고, 작은 부피에서, 표면 에너지는 여전히 이방성을 유지하게 되는데, 이는 결과적으로 구형(돔) 모양의 금 나노입자들로 형성될 수 있다.On the other hand, the equilibrium shape can be determined by the surface energy for each direction, and in a small volume, the surface energy remains anisotropic, resulting in spherical (dome) shaped gold nanoparticles .

결과적으로, 돔-모양 금 나노입자들은 도 9(a, b)에 나타낸 바와 같이, 300℃에서 500℃로 충분한 열 에너지로 어닐링 처리를 하는 동시에 부드러운 금 박막으로부터 직접적으로 진화된다.As a result, the dome-shaped gold nanoparticles evolve directly from the smooth gold film while annealing with sufficient heat energy from 300 ° C to 500 ° C, as shown in FIG. 9 (a, b).

따라서, 표면 변조는 도 9(a-1), (b-1)의 라인-프로파일로 나타낸 바와 같이, ~1 nm에서 ~5 nm까지 증가되는 것으로 나타난다.Thus, surface modulation appears to increase from ~ 1 nm to ~ 5 nm, as indicated by the line-profile of Figures 9 (a-1) and (b-1).

한편, 증가된 온도에서 EAu > EI 이면, 보다 큰 경계를 갖는 금 아일랜드 들은 보다 많은 주변 흡착원자들(adatoms)을 흡수하려는 경향이 있고 표면 에너지를 최소화하기 위하여 작은 것들을 합쳐서 보다 큰 것을 형성하는 특징을 가진다.On the other hand, if E Au > E I at elevated temperatures, gold islands with larger boundaries tend to absorb more peripheral adsorbate atoms and aggregate small ones to form larger ones to minimize surface energy .

그러므로 500℃에서 900℃ 사이에서 강화된 확산길이(ID)와 함께, 돔-형상 금 나노입자들은 도 9(c, d)에 나타낸 바와 같이, 금 나노입자 밀도를 대가로 점차로 크기가 증가하였고, 그 결과 도 9(c-1), (d-1)의 라인-프로파일에 나타난 바와 같이 표면 변조가 사소하게 증가하였다. Therefore, with the enhanced diffusion length (I D ) between 500 ° C and 900 ° C, the dome-shaped gold nanoparticles gradually increased in size in exchange for the gold nanoparticle density, as shown in Figure 9 (c, d) , Resulting in a slight increase in surface modulation as shown in the line-profile of Figures 9 (c-1) and (d-1).

또한, 전체 진화에 걸쳐서, 작은 돔-형상 나노입자들은 각 어닐링 온도(AT)에서 뭉친(packed) 밀도로 균일하게 제조되며, 그 결과 도 9(b-2) ~ (d-2)에 나타낸 바와 같이, 2-D FFT power spectra에서 불규칙 패턴 대신에 대칭적인 밝은 점들로 발생된다.In addition, over the entire evolution, small dome-shaped nanoparticles are uniformly produced at a density that is packed at each annealing temperature (AT), resulting in the formation of the dome-shaped nanoparticles as shown in Figures 9 (b-2) Likewise, in the 2-D FFT power spectra, it occurs as symmetrical bright spots instead of an irregular pattern.

표 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 3nm 금 증착 두께에 대하여 300℃ ~ 900℃ 사이의 어닐링 온도(AT)에 의해 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 결정 구조의 자승 평방근 거칠기(root-mean-squared roughness: RRMS)를 나타낸다.Table 3 shows the gold nanocrystals prepared by spontaneous formation on 4H-SiC (0001) for 450 seconds by an annealing temperature (AT) between 300 DEG C and 900 DEG C for 3 nm gold deposition thickness according to an embodiment of the present invention. Root-mean-squared roughness (R RMS ) of the structure.

ATAT
[℃][° C] RMSRMS RoughnessRoughness
[ [ nmnm ]] 300300 0.70.7 500500 2.02.0 800800 2.12.1 900900 2.22.2

진화된 표면 형태는 표 3의 자승 평방근 거칠기(RRMS)의 증가로부터도 알 수 있다.The evolved surface morphology can also be seen from the increase of the square root of roughness (R RMS ) in Table 3.

초기에 500℃까지의 RRMS는 금 나노입자 형성 때문에 0.7에서 2nm로 급격하게 증가하고, 이어서 더 높은 어닐링 온도에서의 RRMS는 표 3에 나타난 바와 같이 AT의 함수로서 점차적으로 증가된다.Initially R RMS up to 500 캜 sharply increases from 0.7 to 2 nm due to gold nanoparticle formation and then R RMS at a higher annealing temperature is gradually increased as a function of AT as shown in Table 3. [

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 돔-모양은 500℃ 어닐링 온도 이상에서 제조될 수 있고, 증가된 AT에서, 금 나노입자들의 크기는 증가된 밀도에 따라 증가되는 것으로 나타난다.According to one embodiment of the present invention, the dome-shape can be produced above the 500 캜 annealing temperature, and at increased AT, the size of gold nanoparticles appears to increase with increasing density.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 (a) 3±0.5nm 및 (b) 15±1nm 금 증착 두께에 대하여 800℃ 어닐링 온도(AT)에서 450초 동안 4H-SiC(0001) 상에 자발 형성되어 제조된 금 나노 입자의 EDS 스펙트럼을 도시한 것이다.10 is a graph showing the results of spontaneous sputtering on 4H-SiC (0001) for 450 seconds at 800 DEG C annealing temperature (AT) for (a) 3 +/- 0.5 nm and (b) 15 +/- 1 nm gold deposition thickness according to one embodiment of the present invention. The EDS spectra of the gold nanoparticles prepared and formed are shown in FIG.

도 10의 (a-1) 및 (b-1)는 상기 (a) 3±0.5nm 및 (b) 15±1nm 금 증착 두께에 대응하는 AFM 측면(side-view)을 도시한다.Figures 10 (a-1) and (b-1) show the AFM side-view corresponding to (a) 3 ± 0.5 nm and (b) 15 ± 1 nm gold deposition thickness.

도 10의 (a-2), (b-2)는 9 ~ 11 keV 범위에서 확대 스펙트럼을 도시한 것이다.10 (a-2) and (b-2) show enlarged spectra in the range of 9 to 11 keV.

도 10을 참조하면, 더 두꺼운 15±1nm 증착 두께에서는 도 10 (a-2) 및 (b-2)에 나타낸 바와 같이, Lα 1 (9.711 keV) peaks로 도시된 바와 같이 3±0.5nm DA의 그것보다 Au의 Mα 1 (2.123 keV) peaks에서 거의 5배 높은 카운트가 나타나는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, as shown in FIG. 10 (a-2) and (b-2), at a thicker 15 ± 1 nm deposition thickness, as shown by Lα 1 (9.711 keV) peaks, It can be seen that a count almost five times higher than that of Au's Mα 1 (2.123 keV) peaks appears.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 8±0.5 nm 및 15±1 nm 두께에서는, AT가 증가되면, 금 나노구조의 급격한 형태 진화가 (I) Au 나노-더미(nano-mounds), 및 (II) 육방 금 나노-결정(hexagonal Au nano-crystals)의 2가지 위상으로 구분되는 특징을 가진다.According to one embodiment of the present invention, when AT is increased at 8 ± 0.5 nm and 15 ± 1 nm thickness, the rapid morphological evolution of the gold nanostructure is (I) Au nano-mounds, and (II ) And hexagonal Au nano-crystals (Fig. 2).

어닐링 온도가 700℃ 미만에서는, 금 나노-더미들은, AT의 함수로서 핵형성된 보이드들에 의해 천공된 핀홀들에 점차로 형성되고 진화된다.At annealing temperatures below 700 캜, gold nano-dummies gradually form and evolve into pinholes punctured by nucleated voids as a function of AT.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 힐락들은 금막의 열팽창에 의해 야기된, 500℃ 및 600℃ 어닐링 온도 사이에서는 보다 낮은 어닐링 온도(AT) 범위에서 제조되는 특징을 가진다.According to one embodiment of the present invention, hillocks are characterized in that they are produced in the lower annealing temperature (AT) range between 500 < 0 > C and 600 < 0 > C annealing temperature caused by thermal expansion of the gold film.

또한, 어닐링 온도 750℃ 이상에서, 충분한 열 에너지와 더불어 육방 나노-결정들이, 증가된 부피에 의해 야기된 표면 에너지의 이방성 형태로서 4H-SiC (0001) 상에 제조된다.In addition, at an annealing temperature of 750 ° C or more, hexagonal nano-crystals with sufficient heat energy are produced on 4H-SiC (0001) as an anisotropic form of surface energy caused by the increased volume.

또한, 어닐링 온도 850℃ 이상에서, 금 나노결정들의 나노규모의 의존적 증발 현상으로 인하여 금 나노입자들의 크기가 감소하기 시작하는 것으로 나타난다.In addition, at an annealing temperature of 850 ° C or higher, the nanoscale-dependent evaporation of gold nanocrystals indicates that the size of the gold nanoparticles begins to decrease.

또한, 3nm 증착 두께의 경우에는, 작은 돔-모양 금 나노입자들은 불규칙 나노-더미의 형성 없이 Volmer-Weber 성장모델의 기초하여 제조되는 것으로 분석된다.Also, for the 3 nm deposition thickness, small dome-shaped gold nanoparticles are analyzed to be fabricated on the basis of the Volmer-Weber growth model without the formation of irregular nano-dummies.

작은 부피에서도, 금 나노입자들의 표면 에너지의 분포는 이방성으로 나타난다. 이는 결과적으로 다면체모양(polyhedral shape)이라기 보다는 다소 돔 모양으로 형성되는 특징을 가진다.Even in small volumes, the distribution of the surface energy of gold nanoparticles is anisotropic. This results in a rather dome-shaped feature rather than a polyhedral shape.

Claims (14)

4H-SiC 기판 준비 단계;
상기 준비된 4H-SiC 기판에 3±0.5 ~ 15±1nm 범위의 증착 두께로 Au가 증착되는 금 증착 단계; 및
상기 금 증착 단계 이후에, 어닐링 온도 300 ~ 950℃ 범위에서 450±45초 동안의 열처리 과정을 통하여 상기 4H-SiC 기판 상에서 금 나노입자가 자발 형성되는 금 나노입자 성장 단계;
를 포함하며,
상기 어닐링 온도 및 증착 두께를 제어하여, 상기 자발 형성된 금 나노입자의 형상, 크기 및 밀도를 제어하는 것을 특징으로 하며,
상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서,
상기 어닐링 온도를 750℃에서 850℃로 증가시켜서,
상기 자발 형성되는 금 나노 입자는 금 나노 더미에서 금 나노 결정들로 분리되며, 상기 금 나노 결정의 평균 높이는 750℃ 상태에 비하여 증가하고, 수평지름은 감소하며, 평균밀도는 증가되도록 제어하거나,
또는 상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서
상기 어닐링 온도를 850℃에서 950℃로 증가시켜서,
상기 자발 형성되는 금 나노 입자는 금 나노 결정으로 형성되며, 상기 금 나노 결정의 평균 높이, 수평지름 및 평균밀도는 어닐링 온도 850℃ 상태에 비하여 감소되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하되,
상기 금 나노입자 성장단계에서 자발-형성되는 금의 집합체는 다음 [식 1]에 의한 기준 크기(Rc)보다 큰 반경을 갖는 핀홀들에서 생성되기 시작하는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법
[식 1]
Figure 112017005718878-pat00028

여기서 tAu: 는 금 층의 두께이며 Θ: 다음 [식 2]로 나타내는 금 나노-입자의 평형접촉 각도임
[식 2]
Figure 112017005718878-pat00029

여기서
Figure 112017005718878-pat00030
는 Au 및 진공 간의 대면 에너지 밀도(interfacial energy densities),
Figure 112017005718878-pat00031
는 SiC 및 진공 간의 대면 에너지 밀도,
Figure 112017005718878-pat00032
는 Au 및 SiC 간의 대면 에너지 밀도를 의미하는 것임.
4H-SiC substrate preparation step;
A gold deposition step of depositing Au on the prepared 4H-SiC substrate with a deposition thickness in the range of 3 ± 0.5 to 15 ± 1 nm; And
A gold nanoparticle growth step in which gold nanoparticles are spontaneously formed on the 4H-SiC substrate through a heat treatment process at an annealing temperature of 300 to 950 ° C. for 450 ± 45 seconds after the gold deposition step;
/ RTI >
Wherein the shape, size and density of the spontaneously formed gold nanoparticles are controlled by controlling the annealing temperature and the deposition thickness,
With the deposition thickness of 15 +/- 1 nm deposited,
The annealing temperature was increased from 750 占 폚 to 850 占 폚,
The spontaneously formed gold nanoparticles are separated from the gold nanoduple into gold nanocrystals, and the average height of the gold nanocrystals is increased compared to the 750 ° C state, the horizontal diameter is decreased, the average density is increased,
Or in the state that the deposition thickness is 15 +/- 1 nm
The annealing temperature was increased from 850 캜 to 950 캜,
Wherein the spontaneously formed gold nanoparticles are formed of gold nanocrystals and the average height, the horizontal diameter, and the average density of the gold nanocrystals are controlled to be lower than the annealing temperature of 850 DEG C,
The aggregate of gold spontaneously formed in the gold nanoparticle growth step starts to be generated in pinholes having a radius larger than the reference size Rc according to the following formula 1: How to control growth of gold nanoparticles
[Formula 1]
Figure 112017005718878-pat00028

Where t Au is the thickness of the gold layer, and Θ is the equilibrium contact angle of the gold nano-particles as shown in the following equation
[Formula 2]
Figure 112017005718878-pat00029

here
Figure 112017005718878-pat00030
Is the interfacial energy densities between Au and vacuum,
Figure 112017005718878-pat00031
The surface energy density between SiC and vacuum,
Figure 112017005718878-pat00032
Refers to the facing energy density between Au and SiC.
제1항에 있어서,
상기 4H-SiC 기판 준비 단계는,
±0.1°의 비축(off-axis)을 가진 25±2㎛ 두께의 Epi-ready N-type 4H-SiC 기판을 10 ~ 20분간 불산(hydrofluoric acid 49.0~51.0%)용액에서 화학적 크리닝 처리된 후, 이어서 2~4번 탈이온수로 세정 처리하는 단계; 및
상기 세정 처리된 4H-SiC 기판은 Inconel 홀더 상에 탑재되어 표면상의 오염들을 제거하고 탈가스를 위하여 (1±0.1)×10-4Torr, 700℃ 분위기의 진공챔버에서 에서 20~50분간 탈가스 처리되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법The method according to claim 1,
In the 4H-SiC substrate preparation step,
An Epi-ready N-type 4H-SiC substrate with a thickness of 25 ± 2 μm with an off-axis of ± 0.1 ° was chemically cleaned with a solution of hydrofluoric acid (49.0 ~ 51.0%) for 10 to 20 minutes, Followed by washing with deionized water 2 to 4 times; And
The cleaned 4H-SiC substrate was mounted on an Inconel holder to remove contaminants on the surface and to degas (1 ± 0.1) × 10 -4 Torr, degassed in a vacuum chamber at 700 ° C. for 20-50 minutes A step to be processed; A method for controlling the growth of gold nanoparticles spontaneously formed on 4H-SiC 제1항에 있어서,
상기 금 나노입자 성장 단계에서,
상기 자발 형성되는 금 나노 결정은 {111} 및 {100} 면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법
The method according to claim 1,
In the gold nanoparticle growing step,
Wherein the spontaneously formed gold nanocrystals are formed of {111} and {100} planes, and a method of controlling growth of spontaneously formed gold nanoparticles on 4H-SiC
제1항에 있어서,
상기 금 증착 단계는,
(1±0.1) × 10-1 Torr 상태 및 3mA의 이온화 전류가 흐르는 플라즈마 이온 챔버(plasma ion-coater chamber)에서 준비된 4H-SiC 기판 상에 0.04 ~0.06nm/s의 성장률로 금이 증착되는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법
The method according to claim 1,
In the gold deposition step,
The gold was deposited on a 4H-SiC substrate prepared in a plasma ion-coater chamber through which the ionization current of 3 mA was flowing in a (1 ± 0.1) × 10 -1 Torr state at a growth rate of 0.04 to 0.06 nm / s Method for controlling growth of spontaneously formed gold nanoparticles on 4H-SiC
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서
상기 어닐링 온도를 750℃에서 850℃로 증가시킬 경우,
상기 평균 높이는 1.34 ~1.52배 증가하고, 상기 수평지름은 15.5 ~ 18.5% 감소하며, 상기 평균밀도는 12.4 ~ 15.2배로 증가되는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법.
The method according to claim 1,
With the deposition thickness of 15 +/- 1 nm deposited
When the annealing temperature is increased from 750 캜 to 850 캜,
Wherein the average height is increased by 1.34 to 1.52 times, the horizontal diameter is decreased by 15.5 to 18.5%, and the average density is increased by 12.4 to 15.2 times.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 증착 두께를 15±1nm로 증착한 상태에서,
상기 어닐링 온도를 850℃에서 950℃로 증가시킬 경우,
상기 평균 높이는 2.50 ~3.00% 감소하고, 상기 수평지름은 2.73~3.03% 감소하며, 상기 평균밀도는 42.7 ~52.1% 감소되는 것을 특징으로 하는 4H-SiC 상에 자발 형성된 금 나노입자의 성장 제어방법.The method according to claim 1,
With the deposition thickness of 15 +/- 1 nm deposited,
When the annealing temperature is increased from 850 캜 to 950 캜,
Wherein the average height is reduced by 2.50 to 3.00%, the horizontal diameter is decreased by 2.73 to 3.03%, and the average density is decreased by 42.7 to 52.1%. 삭제delete
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