KR102481921B1 - 피에조저항성 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어 - Google Patents

피에조저항성 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어 Download PDF

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Abstract

UNCD 나노와이어는 기판 상에 배치되는 제1 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제1 단부를 포함한다. 제2 단부는 또한 기판 상에 배치되는 제2 접촉 패드에 전기적으로 커플링된다. UNCD 나노와이어는 도펀트로 도핑되고 기판 위에 배치된다. UNCD 나노와이어는 UNCD 나노와이어에 힘이 가해지지 않는 제1 구성과, UNCD 나노와이어가 힘에 응답하여 제1 단부와 제2 단부를 고정으로 구부러지는 제2 구성 사이에서 이동가능하다. UNCD 나노와이어는 제1 구성에서의 제1 저항 및 제1 저항과는 상이한 제2 구성에서의 제2 저항을 가진다. UNCD 나노와이어는, 예를 들어, 약 70 내지 약 1,800의 범위 내의, 적어도 약 70의 게이지율을 가지도록 구성된다.

Description

피에조저항성 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어
삭제
관련 특허 출원들에 대한 상호 참조
이 출원은 그 전체가 참조로 본원에 포함되는, 2015년 1월 21일에 출원된 "Piezoresistive Boron Doped Diamond Nanowire"라는 명칭의 미국 실용 특허 출원 제14/601,908호의 이익 및 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 개시내용은 일반적으로 피에조저항성 센서들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
피에조저항성 재료들은 변형(strain)을 거칠 때 재료의 하나 이상의 전기적 특징들에서의 변화를 겪는다. 예를 들어, 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge)의 변형의 효과는 1950년대에 발견되었다. 이러한 재료들에 대한 변형은 밴드 갭, 캐리어 이동도 등과 같은 재료들의 몇몇 전기적 특징들의 수정들을 초래할 수 있다는 것이 발견되었다. 그 결과, 재료의 저항 또는 다른 비저항이 변형으로 인해 또한 달라진다. 이러한 효과는 피에조비저항 또는 피에조저항(PZR) 효과로서 알려져 있다.
피에조저항성 재료들의 이러한 특징은 마이크로전자 기계 시스템들(MEMS) 센서 시스템들에서 광범위한 응용예들을, 특히 변위 센서들 및 힘 센서들로서 발견하였다. 이러한 PZR 센서들 상의 작은 힘들조차 변형을 생성할 수 있고, 이에 의해 이러한 디바이스들의 저항 또는 그렇지 않은 경우 비저항에서의 측정가능한 변화를 생성할 수 있다. 저항 또는 그렇지 않은 경우 비저항에서의 이러한 변화는 피에조저항성 재료의 변위 및/또는 피에조저항성 재료 상에 가해지는 힘의 양에 상관될 수 있다. 또다른 응용예는 캐리어 이동도를 높이고 트랜지스터의 성능을 개선하기위해 트랜지스터들 상에 변형을 고의로 적용하는 것을 수반한다.
PZR 디바이스들을 제조하기 위해 사용되는 가장 일반적인 재료는 Si를 포함한다. 최신 PZR 디바이스들은 일반적으로 화학적 기상 증착(CVD) 프로세스를 사용하여 제조되는 Si 나노와이어들을 포함한다. 이러한 실리콘 나노와이어들의 PZR 계수는 벌크 실리콘보다 약 2배만큼 더 높다. 이러한 Si 나노와이어들은 감지를 위해 Si 나노와이어들의 PZR 효과를 사용하는 감지 응용예들(예를 들어, 힘 감지, 및 생체 감지 응용예들)에서 가장 큰 가능성(promise)을 보이지만, Si 나노와이어들의 강하고 빠른 산화가 이러한 센서들의 성능에 영향을 준다. Si 나노와이어들의 산화가 Si 나노와이어들의 기계적 특징들(예를 들어, 관성 모멘트, 변형 등) 및/또는 전기적 특징들(예를 들어, 비저항)을 변화시키고, 이에 의해 측정들에 영향을 줄 수 있다. 또한, Si 나노와이어들은 섭씨 약 300도보다 더 높은 온도에서 이들의 기능성을 상실하는 것으로 알려져 있는데, 이는 힘 센서들로서의 이러한 Si 나노와이어들의 광범위한 사용을 제한한다.
본원에 기술된 실시예들은 일반적으로 PZR 센서들을 제조하는 방법들에 관한 것이고, 특히 PZR 붕소 도핑된 울트라나노결정질 다이아몬드(UNCD) 나노와이어들 및 이들로 형성되는 변위 센서들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
일부 실시예들에서, UNCD 나노와이어는 기판 상에 배치되는 제1 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제1 단부를 포함한다. UNCD 나노와이어의 제2 단부는 또한 기판 상에 배치되는 제2 접촉 패드에 전기적으로 커플링된다. UNCD 나노와이어는 도펀트로 도핑된다. UNCD 나노와이어는 기판 위에 배치된다. 또한, UNCD 나노와이어는 UNCD 나노와이어 상에 힘이 가해지지 않는 제1 구성과, UNCD 나노와이어가 힘에 응답하여 제1 단부와 제2 단부를 고정으로 구부러지는 제2 구성 사이에서 이동가능하다. UNCD 나노와이어는 제1 구성에서의 제1 저항 및 제1 저항과는 상이한 제2 구성에서의 제2 저항을 가진다. UNCD 나노와이어는 적어도 약 70의 게이지율을 가지도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어의 게이지율(gauge factor)은 약 70 내지 약 1,800의 범위 내에 있다.
일부 실시예들에서, 변위 센서는 기판 상에 배치되는 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어를 포함한다. 붕소 도핑된 나노와이어는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 제1 단부는 기판 상에 배치되는 제1 접촉 패드에 커플링된다. 제2 단부는 또한 기판 상에 배치되는 제2 접촉 패드를 포함한다. 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 제1 구성과 제2 구성 사이에서 이동가능하다. 제1 구성에서, 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어 상에 힘이 가해지지 않으며, 붕소 도핑된 나노와이어는 제1 전기적 파라미터를 가진다. 제2 구성에서, 붕소 도핑된 나노와이어가 힘에 응답하여 제1 단부 및 제2 단부를 고정으로 구부러져서, 붕소 도핑된 나노와이어는 제1 전기적 파라미터와는 상이한 제2 구성에서의 제2 전기적 파라미터를 가진다. 또한, 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 적어도 약 70의 게이지율을 가지도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 약 70 내지 약 1,800의 범위 내의 게이지율을 가진다. 다른 실시예들에서, 전기적 파라미터는 저항이다. 일 실시예에서, 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 붕소 도핑된 UNCD(B-UNCD) 나노와이어를 포함한다.
일부 실시예들에서, 피에조저항성 B-UNCD 나노와이어를 준비하기 위한 방법은 B-UNCD 필름 상에 금속층을 퇴적하는 것을 포함한다. B-UNCD 필름은 기판 상에 배치되는 희생층 상에 배치된다. 금속층이 패터닝되어 B-UNCD 필름 상에 배치되는 접촉 패드들을 형성한다. 제1 마스킹 층은 B-UNCD 필름 상에 퇴적된다. 제2 마스킹 층은 제1 마스킹 층 위에 퇴적된다. 제1 마스킹층 및 제2 마스킹층이 패터닝되어 에칭 마스크를 정의한다. B-UNCD 필름이 에칭되어 붕소 도핑된 UNCD 나노와이어들을 형성한다. 선택적으로, B-UNCD 나노와이어들 아래의 희생층이 에칭되어 B-UNCD 나노와이어들을 릴리즈시킨다. 따라서 형성된 B-UNCD 나노와이어들은 적어도 약 70의 게이지율을 가진다. 특정 실시예들에서, 게이지율 또는 B-UNCD 나노와이어들은 약 70 내지 약 1,800의 범위 내에 있다.
이전 개념들 및 하기에 더 상세히 논의되는 추가적인 개념들의 모든 조합들이 (이러한 개념들이 상호 부합하지 않는 경우가 아니라면) 본원에 개시되는 발명 대상의 일부분으로서 참작될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 특히, 이 개시내용의 말미에 나타나는 청구되는 대상의 모든 조합들은 본원에 개시되는 발명 대상의 일부분으로서 참작된다.
본 개시내용의 이전 및 다른 특징들은 첨부 도면들에 관해 취해지는, 후속하는 기재 및 첨부되는 청구항들로부터 보다 완전히 명백해질 것이다. 이러한 도면들이 개시내용에 따라 단지 몇몇 구현예들만을 도시하며, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로서 간주되지 않아야 함을 이해한다면, 개시내용은 첨부 도면들의 사용을 통해 추가적인 구체성 및 상세성을 가지고 기술될 것이다.
도 1은 실시예에 따른, 기판 상에 B-UNCD 나노와이어들을 제조하기 위한 방법의 개략적 흐름도이다.
도 2는 또다른 실시예에 따른, 기판 상에 B-UNCD 나노와이어들을 제조하기 위한 방법의 개략도이다.
도 3은 또다른 실시예에 따른, 기판 상에 B-UNCD 나노와이어들을 제조하기 위한 방법의 개략도이다.
도 4의 패널 A는 그 위에 배치되는 에칭 마스크를 이용하여 기판 상에 제조되는 복수의 B-UNCD 나노와이어들의 스캐닝 전자 마이크로스코프(SEM) 이미지이다. 도 4의 패널 B는 제조된 B-UNCD 나노와이어들을 도시하는 도 4의 패널 A의 일부분의 확대도이고, 도 4의 패널 C는 B-UNCD 나노와이어들 아래에 배치되는 희생층을 에칭한 이후 릴리즈되는 B-UNCD 나노와이어들을 도시한다.
도 5는 그 위에 배치된 복수의 힘 감지 디바이스들을 포함하는 기판의 SEM 이미지이며, 각각의 힘 감지 디바이스가 B-UNCD 나노와이어들을 포함한다.
도 6의 패널 A는 단일 B-UNCD 나노와이어를 포함하는 힘 감지 디바이스를 도시하는 도 5의 기판의 일부분의 확대도이다. 도 6의 패널 B는 복수의 B-UNCD 나노와이어들을 포함하는 또다른 힘 센서를 도시한다. 도 6의 패널 C는 제1 길이 및 제1 폭을 가지는 B-UNCD 나노와이어의 확대도를 도시하고, 도 6의 패널 D는 패널 C의 나노와이어의 추가적인 확대도를 도시한다.
도 7의 패널들 A, B 및 C는 각자 약 75 nm, 125 nm, 및 약 175 nm의 길이들을 가지는 B-UNCD 나노와이어들의 전류 대 전압(I-V) 플롯들이다. 도 7의 패널 D는 나노와이어들의 길이에 관계되는 나노와이어들의 저항에서의 변화를 도시하는 도 7의 패널들 A, B 및 C의 B-UNCD 나노와이어들 각각의 전송선 모델(TLM) 플롯이다.
도 8의 패널 A는 나노와이어에 근접하는 프로브와 접촉 패드들 사이에 걸리는 단일 B-UNCD 나노와이어를 포함하는 힘 센서를 도시하고, 도 8의 패널 B는 프로브에 의해 편향되는 나노와이어를 도시한다.
도 9는 변형을 거친 이후 다양한 길이들을 가지는 75 nm 폭의 붕소 도핑된 B-UNCD 나노와이어들을 포함하는 힘 센서의 I-V 플롯이다.
도 10은 5 미크론 및 10 미크론의 길이들을 가지는 75 nm 폭의 B-UNCD 나노와이어를 포함하는 힘 센서의 I-V 플롯이다.
도 11의 패널 A는 다양한 변위들 하의 75 nm 폭 및 20 미크론 길이의 B-UNCD 나노와이어를 포함하는 힘 센서의 I-V 플롯이다. 도 11의 패널 B는 패널 A의 플롯으로부터 획득되는 B-UNCD 나노와이어의 저항 대 변위의 플롯이다.
도 12의 패널 A는 응력 시뮬레이션들을 도시하고, 도 12의 패널 B는 75 nm 폭 및 5 미크론 길이이며 100 nm 횡측 변위를 거치는 B-UNCD 나노와이어의 유한 엘리먼트 분석(FEA) 모델에 대해 수행되는 전류 시뮬레이션들을 도시한다.
도 13은 도 12의 B-UNCD 나노와이어의 FEA 모델링으로부터 획득되는 I-V 플롯 및 75 nm 폭 및 5 미크론 길이의 B-UNCD 나노와이어에 대해 획득되는 실험 데이터를 도시한다.
도 14는 다양한 폭들을 가지는 B-UNCD 나노와이어의 FEA 모델링으로부터 획득되는 폭 및 게이지율의 플롯이다.
도 15의 패널 A는 약 20 nm 내지 약 60 nm의 범위 내의 그레인(grain) 크기를 가지는 고 결정질의 B-UNCD 필름의 저확대 투과 전자 현미경 사진(TEM)이다. 도 15의 패널 B는 결정 내의 구조적 결함을 보여주는 단일 다이아몬드 그레인의 고해상도 TEM 이미지이다. 도 15의 패널 C는 화살표들 사이의 {111} 쌍 그레인 경계를 도시하는 패널 B의 이미지의 일부분의 확대도이다. 삽입된 선택된 영역 전자 회절(SAED)은 결함 내의 {111} 거울면을 확인한다.
도 16의 패널 A는 복수의 다이아몬드 그레인들을 포함하는 필름의 큰 영역 상에서 수행된 B-UNCD 필름의 전자 에너지-손실 스펙트라(EELS) 스펙트라이다. 도 16 패널 B는 B-UNCD 필름에 포함된 단일 다이아몬드 그레인의 EELS 스펙트라이다. 도 16의 패널 C는 붕소 K-에지의 에너지 손실 근접-에지 미세 구조체(energy loss near-edge fine structure)(ELNES)를 도시한다.
후속하는 상세한 설명 전반에 걸쳐 첨부 도면들에 대한 참조가 이루어진다. 도면들에서, 유사한 심볼들은, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 유사한 컴포넌트들을 통상적으로 식별한다. 상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에 기술되는 예시적인 구현예들은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 여기서 제시되는 발명 대상의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고, 다른 구현예들이 이용될 수 있고, 다른 변화들이 이루어질 수 있다. 본 개시내용의 양태들이, 본원에서 일반적으로 기술되고, 도면들에서 예시되는 바와 같이, 광범위한 상이한 구성들로 배열되고, 치환되고, 조합되고, 설계될 수 있으며, 이들 모두가 명시적으로 참작되고 이 개시내용의 일부를 구성한다는 것이 용이하게 이해될 것이다.
본원에서 개시되는 실시예들은 일반적으로 PZR 센서들을 제조하는 방법들에 관한 것이고, 특히 PZR 붕소 도핑된 울트라나노결정질 다이아몬드(UNCD) 나노와이어들 및 이들로 형성되는 변위 센서들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
B-UNCD 나노와이어들 및 이들로 형성되는 변위 센서들의 실시예들은, 예를 들어: (1) nm 범위 내의 변위들 및/또는 나노 뉴튼(Newton) 및 피코 뉴튼 범위 내의 힘을 측정할 수 있는 고감도의 변위 센서들 또는 힘 센서들을 제공하는 것; (2) UNCD가 화학적 관성이고 산화에 저항하고, 따라서 고도의 부식성 또는 산화성 환경들에서 사용될 수 있음에 따라 가혹한 환경들을 견디는 것; (3) 다이아몬드 필름의 게이지율의 약 10배일 수 있는 게이지율을 가지고, 따라서 월등한 분해능 및 감도를 제공하는 것; 및 (4) 센서들이 신규한 응용예들, 예를 들어, 촉각 감지, 원격 감지, 항공 기압(aerospace pressure) 감지, 자동차 가속계들, 및 고온 MEMS 또는 나노-전자-기계-시스템(NEMS) 응용예들에서 사용되도록 할 수 있는 극도로 작은 크기를 가지는 것을 포함하는 몇몇 이점들을 제공할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "울트라나노결정질 다이아몬드(UNCD)"는 2 nm 내지 10 nm의 범위 내의 그레인 크기를 가지는 결정질 다이아몬드를 지칭하고; 용어 "나노결정질 다이아몬드(NCD)"는 10 nm 내지 200 nm의 범위 내의 그레인 크기를 가지는 결정질 다이아몬드를 지칭하고; 용어 "마이크로결정질 다이아몬드(MCD)"는 200 nm보다 더 큰 결정질 다이아몬드를 지칭한다.
도 1은 B-UNCD 나노와이어들을 제조하기 위한 예시적인 방법(100)의 개략적 흐름도이다. 이러한 B-UNCD 나노와이어들은 변위 센서들, 예를 들어, 본원에 기술되는 변위 센서들 중 임의의 것을 제조하기 위해 사용될 수 있다. B-UNCD 나노와이어들은 그 위에 배치되는 희생층을 가지는 기판 및 희생층 상에 배치되는 제1 두께를 가지는 B-UNCD 필름을 가지는 기판 상에 제조된다. 기판은 Si, 유리, 석영, 파이렉스, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 금속들(예를 들어, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 플래티늄(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 임의의 다른 적절한 금속 또는 이들의 조합), 세라믹, 폴리머, 임의의 다른 적절한 기판 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 기판은, 예를 들어, 3인치, 4인치, 6인치, 8인치, 12인치의 웨이퍼들의 형태일 수 있거나 또는 임의의 다른 형상 또는 크기를 가질 수 있다.
희생층은 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 그 위에 B-UNCD 필름의 퇴적을 허용할 수 있는 임의의 다른 적절한 층과 같은, 전기적으로 비-전도성 재료로 형성된다. 희생층은 예를 들어, 약 0.1 미크론 내지 약 2 미크론의 범위 내의 임의의 적절한 두께, 예를 들어, 약 1 미크론을 가질 수 있다.
B-UNCD 필름은 임의의 적절한 방법을 사용하여 희생층 위에 퇴적될 수 있다. 일 실시예에서, UNCD 필름은 핫 필라멘트 화학적 기상 증착(HFCVD)을 사용하여 희생층 위에 퇴적된다. 다른 실시예들에서, UNCD 필름은 마이크로파 플라즈마 퇴적 프로세스를 사용하여 퇴적될 수 있다. UNCD 필름의 제1 두께는 약 20 nm 내지 약 200 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 두께는, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는, 약 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 110 nm, 120 nm, 130 nm, 140 nm, 150 nm, 160 nm, 170 nm, 180 nm, 190 nm, 또는 약 200 nm일 수 있다.
일부 실시예들에서, B-UNCD 필름 내에 포함되는 붕소는 희생층 상에 UNCD 필름 퇴적 또는 다른 방식의 성장 동안 현장에서(in situ) UNCD 필름 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 붕소 기체(예를 들어, B2H6 또는 트리메틸 보레이트(trimethyl borate))는, UNCD 필름이 희생층 상에서 성장하여 B-UNCD 필름을 형성함에 따라 붕소 이온들이 UNCD 필름 내에 포함되도록 UNCD 성장 프로세스 동안 성장 챔버 내로 보내질 수 있다(communicate into). 다른 실시예들에서, 붕소는 희생층 상에 이미 퇴적된 UNCD 필름 내로 현장 외에 주입될 수 있다.
일부 실시예들에서, B-UNCD 필름 내의 붕소의 농도는 약 1 x 1021 원자/cm3 내지 약 9 x 1021 원자/cm3 (예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 약 2 x 1021, 3 x 1021, 4x 1021, 5x 1021, 6x 1021, 7x 1021, 또는 약 8 x 1021 원자/cm3)의 범위 내에 있을 수 있다. 일 실시예에서, B-UNCD 필름들 내의 붕소 농도는 약 4.8 x 1021 원자/cm3 일 수 있다.
102에서, 금속층이 B-UNCD 필름 상에 퇴적된다. 금속층은 임의의 금속(예를 들어, Cr, Ti, Pt, Au, Cu, 임의의 다른 적절한 금속 또는 이들의 조합)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속층은 서로 상에 배치되는 복수의 금속들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속층은 Ti/Pt 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, Ti 층은 약 10 nm의 두께를 가질 수 있고, 희생층과 Pt 층 사이에서 접착층으로서의 역할을 할 수 있다. Pt 층은 약 100 nm의 두께를 가질 수 있고, 본원에 기술된 바와 같이 B-UNCD 나노와이어들에 대한 접촉 패드들을 형성하는 역할을 할 것이다.
104에서, 금속층이 패터닝되어 B-UNCD 필름들 상에 배치되는 접촉 패드들을 형성한다. 금속층은 표준 리소그래피 기법들, 예를 들어, 포토리소그래피, 화학적 에칭 등을 사용하여 패터닝될 수 있다. 접촉 패드들은 임의의 적절한 형상, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 원형, 구형, 또는 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다. 또한, 접촉 패드들은 임의의 적절한 크기를 가질 수 있는데, 예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는, 약 0.5 mm 내지 약 5 mm의 단면을 가질 수 있다. 접촉 패드들은 전자 기기에 B-UNCD 나노와이어들의 전기적 인터페이스를 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 접촉 패드들은 전자 기기에 프로브들을 통해 전기적으로 접촉되고, 결합되고(예를 들어, 와이어 결합되고), 또는 땜납될 수 있다. 전자 기기는, 예를 들어, 본원에 기술되는 바와 같이, B-UNCD 나노와이어의 변위에 응답하여, B-UNCD 나노와이어를 통해 전기 신호(예를 들어, 전압 또는 전류)를 통신하고, B-UNCD 나노와이어의 전기적 파라미터(예를 들어, 저항 또는 그렇지 않은 경우 저항의 변화)를 측정하도록 구성될 수 있다.
106에서, 제1 마스킹층이 B-UNCD 필름 상에 퇴적된다. 제1 마스킹 층은 예를 들어, 10 nm/100 nm Ti/Pt 층과 같은 금속층을 포함할 수 있다. 108에서, 제2 마스킹 층은 제1 마스킹 층 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제2 마스킹 층은 포토레지스트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 마스킹 층은 수소 실세스퀴옥산(HSQ)과 같은 e-빔 포토레지스트 또는 임의의 다른 적절한 e-빔 포토레지스트들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 마스킹 층이 배치되지 않고, 오직 제2 마스킹 층만이 B-UNCD 필름 상에 배치된다. 다시 말해, 제2 마스킹 층이 B-UNCD 필름에 대한 단독 마스킹층으로서의 역할을 할 수 있다.
110에서, 제1 마스킹 층 및 제2 마스킹 층이 패터닝되어 에칭 마스크를 정의한다. 특정 실시예들에서, 제2 마스킹 층은 e-빔 리소그래피(EBL)를 사용하여 패터닝되고, 이후, 적절한 현상액, 예를 들어, 테트라메틸암모니움 수산화물 기반 현상액(예를 들어, MF® CD-26))을 사용하여 패터닝될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 마스킹 층은 레이저 에칭을 사용하여 패터닝될 수 있다. 제2 마스킹 층의 패터닝은 B-UNCD 나노와이어들에 대한 패턴 또는 템플릿(template)을 정의한다. 제2 마스킹 층 아래에 있는 제1 마스킹 층은 이후, 예를 들어, 물리적 에칭(예를 들어, 라디오 주파수 플라즈마 에칭) 또는 화학적 에칭(예를 들어, 적절한 Pt 에천트 및 Ti 에천트를 이용하여 에칭됨)을 사용하여 패터닝된다. 이러한 방식으로, B-UNCD 나노와이어 패턴 또는 템플릿은 제2 마스킹 층으로부터 제1 마스킹 층으로 전사된다(transfer).
112에서, B-UNCD 필름이 에칭되어 B-UNCD 나노와이어들을 형성한다. 더 확장하자면, B-UNCD 필름은 B-UNCD 필름에 대한 에칭 마스크로서 함께 역할을 하는 제1 마스킹 층 및 제2 마스킹 층을 이용하여 에칭된다. B-UNCD 필름은, 반응성 이온 에칭 프로세스, 유도적으로 커플링되는 플라즈마 반응성 이온 에칭(ICP-RIE) 또는 임의의 다른 적절한 에칭 프로세스를 사용하여, 예를 들어, 산소 플라즈마 에칭과 같은 임의의 적절한 프로세스를 사용하여, 에칭될 수 있다. 이는 제1 마스킹 층 및 제2 마스킹 층의 B-UNCD 나노와이어 패턴을 B-UNCD 필름 내로 전사한다. 이러한 방식으로, 희생층 상에 배치되는 하나 이상의 B-UNCD 나노와이어들이 형성된다.
일부 실시예들에서, 114에서, B-UNCD 나노와이어들 아래의 희생층이 선택적으로 에칭되어 B-UNCD 나노와이어들을 릴리즈할 수 있다. 희생층(예를 들어, 실리콘 산화물)은 임의의 프로세스, 예를 들어, 습식 화학적 에칭(예를 들어, 불화수소산 또는 버퍼링된 불화수소(BHF) 또는 임의의 다른 적절한 에천트를 사용하는)을 사용하여 에칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 마스킹 층 및 제2 마스킹 층은 희생층을 에칭하기 이전에, 예를 들어, 용제들, 에천트들 또는 임의의 다른 화학적 리무버들을 사용하여, B-UNCD 나노와이어들 위에서부터 제거될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 희생층을 에칭하기 위해 사용되는 프로세스 또는 다른 화학물은 B-UNCD 나노와이어들에 대해 비활성일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 희생층 및 제2 희생층은, 예를 들어, 반응성 에천트로부터 B-UNCD 나노와이어들을 보호하기 위해, 희생층이 에칭된 이후 제거될 수 있다.
이러한 방식으로, 제1 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제1 단부, 및 제2 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제2 단부를 가지는 B-UNCD 나노와이어들이 제조된다. B-UNCD 나노와이어들은 희생층 위에 배치되거나, 또는 (예를 들어, 희생층이 에칭되어 B-UNCD 나노와이어들을 릴리즈시키는 실시예들에서) 제1 단부 및 제2 단부를 통해 기판 위에 걸릴 수 있다. 방법은, 단일 B-UNCD 나노와이어, 또는 각각의 나노와이어가 제1 단부와 제2 단부에 의해 제1 접촉 패드와 제2 접촉 패드 사이의 기판 위에 배치되거나 걸리는, 복수의 B-UNCD 나노와이어들을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
방법(100)을 사용하여 제조되는 B-UNCD 나노와이어들은 피에조저항성 특징들을 가진다. 예를 들어, B-UNCD 나노와이어들은 제1 구성과 제2 구성 사이에서 이동가능할 수 있다. 제1 구성에서, B-UNCD 나노와이어 상에 힘이 가해지지 않으며, B-UNCD 나노와이어는 제1 전기적 파라미터(예를 들어, 제1 저항)를 가진다. 제2 구성에서, B-UNCD 나노와이어는 힘에 응답하여 구부러지고, B-UNCD 나노와이어는 제1 전기적 파라미터와는 상이한 제2 전기적 파라미터(예를 들어, 제2 저항)를 가진다. 또한, B-UNCD 나노와이어는 적어도 약 70의(예를 들어, 약 70 내지 약 1,800의 범위 내의) 게이지율을 가지도록 구성될 수 있다. B-UNCD 나노와이어의 게이지율은 B-UNCD 필름의 게이지율(예를 들어, 7의 게이지율)보다 약 10배 더 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 방법(100) 또는 본원에 기술되는 임의의 다른 방법을 사용하여 형성되는 B-UNCD 나노와이어는 약 20 nm 내지 약 200 nm의 범위 내의 폭(예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 약 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 110 nm, 120 nm, 130 nm, 140 nm, 150 nm, 160 nm, 170 nm, 180 nm, 190 nm 또는 약 200 nm)을 가질 수 있다. 또한, B-UNCD 나노와이어들은, 예를 들어, 약 0.5 미크론 내지 약 25 미크론의 범위 내의 임의의 적절한 길이(예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 약 0.5 미크론, 1 미크론, 2 미크론, 3 미크론, 4 미크론, 5 미크론, 약 10 미크론, 약 15 미크론, 약 20 미크론 또는 약 25 미크론)를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들은 약 70 내지 약 1,800의 게이지율(예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 70, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,100, 1,200, 1,300, 1,400, 1,500, 1,600, 1,700, 또는 약 1,800)을 가질 수 있다. B-UNCD 나노와이어들의 게이지율은 UNCD 필름의 게이지율(예를 들어, 7의 게이지율)보다 적어도 약 10배 더 높을 수 있다. 특정 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어의 제1 저항은 약 25 kOhm 내지 약 1,000 kOhm의 범위 내에 있을 수 있고, 제2 저항이 제1 저항보다 더 크다.
도 2는 또다른 실시예에 따른, B-UNCD 나노와이어들을 제조하기 위한 방법(200)의 개략도를 도시한다. 방법(200)은 기판 상에 배치되는 텅스텐의 얇은 층(예를 들어, 약 200 nm 미만)을 가지는 Si 기판을 포함하고, B-UNCD 층은 텅스텐 층 위에 배치된다. 단계 1에서, HSQ 마스킹층이 B-UNCD 층 위에 배치된다. HSQ 층은 본원에 기술된 바와 같이, B-UNCD 나노와이어들의 템플릿 내로 패터닝될 수 있는 마스킹 층으로서의 역할을 한다.
단계 2에서, HSQ 층이 패터닝되어 나노와이어 템플릿을 형성한다. 예를 들어, HSQ 층은 EBL을 사용하여 패터닝되고, 이후 적절한 현상액을 사용하여 현상되어 나노와이어 템플릿을 형성할 수 있다. 단계 3에서, 에칭 마스크로서 패터닝된 HSQ 층을 사용하여, 노출된 B-UNCD 층 또는 그렇지 않은 경우 HSQ 템플릿에 의해 커버되지 않는 B-UNCD 층의 일부분이 에칭된다. 에칭은 방법(100)에 관해 기술된 바와 같은 임의의 적절한 프로세스를 사용하여 수행될 수 있다. 이는, Si 기판 위에 배치되는 Ti 층 상에 배치되는 B-UNCD 나노와이어들이 형성되도록 나노와이어 패턴을 B-UNCD 층 내로 전사한다.
노출된 텅스텐 층은 이후, 단계 4에서, 나노와이어들 아래의 텅스텐 층이 제거되어 기판 상에 걸리는 B-UNCD 나노와이어들만을 남기도록 에칭된다. 따라서, 텅스텐층은 B-UNCD 나노와이어들을 릴리즈시키도록 에칭되는 희생층으로서의 역할을 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 텅스텐 층은 또한 B-UNCD 나노와이어들의 성장을 위해 시딩 또는 그렇지 않은 경우 핵발생층을 제공할 수 있다. 또다른 실시예들에서, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등과 같은 임의의 다른 희생층이 텅스텐 층 대신 사용될 수 있다.
도 2에 도시되지 않지만, 접촉 패드들은 기판 상에 배치될 수 있다. 방법(200)을 사용하여 형성되는 B-UNCD 나노와이어들은 제1 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제1 단부 및 제2 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제2 단부를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, B-UNCD 나노와이어는 제1 단부 및 제2 단부를 통해 Si 기판 위에 걸릴 수 있다. 또한, 방법(200)을 사용하여 형성되는 B-UNCD 나노와이어들은 피에조저항성 특징들을 가질 수 있다. 방법(200)을 사용하여 형성되는 B-UNCD 나노와이어들은 방법(100)을 사용하여 형성되는 B-UNCD 나노와이어들과 실질적으로 유사하며, 따라서 여기서 더 상세히 기술되지 않는다.
도 3은 또다른 실시예에 따른, B-UNCD 나노와이어들을 제조하기 위한 방법(300)의 개략도를 도시한다. 방법(300)은 기판 상에 배치되는 텅스텐의 얇은 층(예를 들어, 약 200 nm 미만)을 가지는 Si 기판을 포함한다. B-UNCD 층은 텅스텐층 위에 퇴적된다. 단계 1에서, Pt/Ti 층이 B-UNCD 층 위에 배치되고, 음의 포토레지스트가 Pt/Ti 층 위에 배치된다. 일 실시예에서, 음의 포토레지스트는 Microchem, Inc.로부터 이용가능한 MA-N 1405®를 포함할 수 있다.
단계 2에서, 음의 포토레지스트(예를 들어, MA-N 1405®)는 레이저 리소그래피 또는 전자 빔 리소그래피를 사용하여 패터닝되고, 현상되어 음의 포토레지스트 층 내에 나노와이어들의 패턴 또는 그렇지 않은 경우 템플릿을 정의한다. 단계 3에서, 에칭 마스크로서 역할을 하는 패터닝된 포토레지스트를 이용하여, 음의 포토레지스트 아래에 배치되는 Pt/Ti 층이 에칭되어(예를 들어, Pt/Ti 에천트를 이용하여 습식 에칭되어) Pt/Ti 층으로 나노와이어 패턴을 전송한다.
음의 포토레지스트가 제거되고, 에칭 마스크로서의 역할을 하는 패터닝된 Pt/Ti 층을 이용하여, Pt/Ti 층 아래에 배치되는 B-UNCD 층이 에칭되어, 단계 4에서 텅스텐층 위에 배치되는 B-UNCD 나노와이어들을 형성한다. 단계 5에서 텅스텐 층이 에칭된다. B-UNCD 나노와이어 위에 배치되는 Pt/Ti가 이후 (예를 들어, 습식 에칭을 통해) 제거되고, 단계 6에서, B-UNCD 나노와이어들 아래에 배치되는 텅스텐 층이 에칭되어 B-UNCD 나노와이어들을 릴리즈시킨다.
일부 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들이 임의의 다른 "하향식(top-down)" 제조 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, B-UNCD 마이크로와이어들이 임의의 적절한 제조 프로세스를 사용하여 준비될 수 있고, 이후 제어된 에칭이 수행되어 B-UNCD 나노와이어의 디멘젼을 나노스케일(예를 들어, 약 20 nm 내지 약 200 nm의 폭을 가지는)로 축소시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들은 나노 임프린트 리소그래피(nano imprint lithography)를 사용하여 제조될 수 있다. 또다른 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들은 "상향식(bottom-up)" 제조 프로세스, 예를 들어, 자가-어셈블리 기법들을 사용하여 형성될 수 있다.
도 4의 패널 A-C는 다양한 제조 스테이지들에서 기판(402) 상에 제조되는 UNCD 나노와이어들(410)의 이미지들이다. UNCD 나노와이어들(410)을 형성하기 위해 사용되는 제조 프로세스는 방법(100)과 실질적으로 유사했다. 그러나, 임의의 다른 프로세스, 예를 들어, 방법(200, 300) 또는 본원에서 기술되는 임의의 다른 방법이 사용되어 UNCD 나노와이어들(410)을 형성할 수 있다.
기판(402)은 Si로 형성된다. 희생층(404)이 기판(401) 위에 배치된다. 희생층(404)은 실리콘 산화물로 형성되지만, 임의의 다른 재료, 예를 들어, 실리콘 질화물이 사용될 수 있다. UNCD 필름이 희생층(404) 상에 배치된다. UNCD 층은 도펀트로서 붕소를 이용하여 도핑되어 B-UNCD 필름을 형성한다. 방법(100)에 관해 기술된 바와 같이, 붕소 또는 다른 도펀트가 UNCD 필름 성장 프로세스 동안 UNCD 필름 내에 포함되거나 또는 이후 임프린트될 수 있다. B-UNCD 필름은 약 1 x 1021 원자/cm3 내지 약 9 x 1021 원자/cm3 의 범위 내의 붕소 농도(예를 들어, 약 4.8 x 1021 원자/cm3)를 가질 수 있다.
제1 접촉 패드(406) 및 제2 접촉 패드(408)가 B-UNCD 층 상에 패터닝된다. 제1 접촉 패드(406) 및 제2 접촉 패드(408)는 접착층으로서의 역할을 하는 Ti 층을 포함한다. Pt 층이 Ti 층 위에 배치된다. Ti 및 Pt 층은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, Ti 층은 10 nm 두께이고, Pt 층은 100 nm 두께이다. 제1 접촉 패드(406) 및 제2 접촉 패드(408)는 임의의 적절한 프로세스, 예를 들어, 리소그래피, 습식 또는 건식 에칭 등을 사용하여 형성될 수 있다.
도 4의 패널 A에 도시된 바와 같이, HSQ 층이 B-UNCD 필름 위에 퇴적되고 EBL을 사용하여 패터닝되어 제1 접촉 패드(406) 및 제2 접촉 패드(408)에 걸쳐 B-UNCD 필름 상에 HSQ 나노와이어들(405)의 패턴 또는 그렇지 않은 경우 템플릿을 형성한다. 에칭 마스크로서 HSQ 나노와이어(405)를 사용하여, B-UNCD 필름이 에칭되어 나노와이어들의 패턴을 B-UNCD 필름 내로 전사하여 희생층(404) 위에 배치되는 B-UNCD 나노와이어들(410)을 형성한다. HSQ 층(405)이 이후 제거된다. 도 4의 패널 B는 희생층(404) 위에 배치되는 B-UNCD 나노와이어들(410)의 SEM 이미지를 도시한다.
각각의 B-UNCD 나노와이어(410)는 기판(402) 상에(즉, 기판(402) 상에 배치되는 희생층(404) 상에) 배치되는 제1 접촉 패드(406)에 전기적으로 커플링되는 제1 단부(412)를 포함한다. B-UNCD 나노와이어들(410)은 또한 기판 상에 배치되는 제2 접촉 패드(408)에 전기적으로 커플링되는 제2 단부(414)를 또한 가진다. B-UNCD 나노와이어들 아래의 희생층(404)은, B-UNCD 나노와이어들(410)이 제1 단부(412) 및 제2 단부(414)를 통해 기판(402) 위에 걸리도록, 에칭되어 B-UNCD 나노와이어들(410)을 릴리즈시킨다.
B-UNCD 나노와이어들(410)은 제1 구성과 제2 구성 사이에서 이동가능하며, 피에조저항성 특징들을 가진다. 제1 구성에서, B-UNCD 나노와이어들(410) 상에 힘이 가해지지 않으며, B-UNCD 나노와이어들(410)은 제1 저항을 가진다. 제2 구성에서, B-UNCD 나노와이어들(410)은, B-UNCD 나노와이어들(410)이 제2 구성에서 제1 저항과는 상이한 제2 저항을 가지도록, 힘에 응답하여 제1 단부(412)와 제2 단부(414)를 고정으로 구부러진다. 예를 들어, 제2 저항은, 저항의 차이가 B-UNCD 나노와이어들(410)의 변위 또는 그렇지 않은 경우 B-UNCD 나노와이어들(410) 상에 가해지는 힘에 대응하도록, 제1 저항보다 더 높을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 저항은 약 25 kOhm 내지 약 1,000 kOhm의 범위 내에 있을 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 이러한 B-UNCD 나노와이어들은 B-UNCD 나노와이어들(410)의 약 150 Ohm/nm 변위의 저항의 변화를 겪을 수 있다.
이러한 방식으로, B-UNCD 나노와이어들(410)은 변위 센서 또는 그렇지 않은 경우 힘 센서로서의 역할을 할 수 있다. 또한, B-UNCD 나노와이어들(410)은 UNCD 필름의 게이지율보다 약 10배 더 큰 게이지율을 가지도록 구성된다. 예를 들어, UNCD 필름은 약 7의 게이지율을 가질 수 있고, B-UNCD 나노와이어들(410)의 게이지율은 적어도 약 70일 수 있다(예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 70, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,100, 1,200, 1,300, 1,400, 1,500, 1,600, 1,700, 또는 약 1,800).
일부 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들(410)은 약 20 nm 내지 약 200 nm의 범위 내의 폭(예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 약 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 110 nm, 120 nm, 130 nm, 140 nm, 150 nm, 160 nm, 170 nm, 180 nm, 190 nm, 또는 약 200 nm)을 가질 수 있다. 또한, B-UNCD 나노와이어들(410)은 예를 들어, 약 0.5 미크론 내지 약 25 미크론의 범위 내의 임의의 적절한 길이(예를 들어, 그 사이의 모든 범위들 및 값들을 포함하는 약 0.5 미크론, 1 미크론, 2 미크론, 3 미크론, 4 미크론, 5 미크론, 약 10 미크론, 약 15 미크론, 약 20 미크론 또는 약 25 미크론)를 가질 수 있다.
도 5 및 6은 기판(502) 상에 배치되는 복수의 변위센서(500)의 SEM 이미지들을 도시한다. 기판(502)은 Si로 형성될 수 있고, 기판(502) 상에 배치되는 희생층(예를 들어, 실리콘 산화물 층)을 포함한다.
변위 센서들(500)은 제1 단부(512) 및 제2 단부(514)를 가지는 적어도 하나의 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어(510)를 포함한다. 다이아몬드는 각각의 나노와이어(510)가 B-UNCD 나노와이어(510)이도록 울트라나노결정질 다이아몬드를 포함할 수 있다. 변위 센서들(500)은 제1 단부(512)에 전기적으로 커플링되는 기판(502) 상에 배치되는 제1 접촉 패드(506)를 포함한다. 제2 접촉 패드(508)는 제2 단부(514)에 전기적으로 커플링되는 기판(502) 상에 또한 배치된다. 도 6의 패널들 C 및 D에 도시된 바와 같이, B-UNCD 나노와이어들(510)은 기판(502) 위에 걸려 있다. 다른 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들(510)은 기판(502) 위에, 즉, 기판(502) 위에 배치되는 희생층과 접촉하여 배치될 수 있다.
B-UNCD 나노와이어들(510)은 제1 구성과 제2 구성 사이에서 이동가능하다. 제1 구성에서, B-UNCD 나노와이어들(510) 상에 힘이 가해지지 않고, B-UNCD 나노와이어들(510)은 제1 전기적 파라미터를 가진다. 제2 구성에서, B-UNCD 나노와이어들(510)은, B-UNCD 나노와이어들(510)이 제2 구성에서 제1 전기적 파라미터와는 상이한 제2 전기적 파라미터를 가지도록 힘에 응답하여 제1 단부(512)와 제2 단부(514)를 고정으로 구부러진다.
B-UNCD 나노와이어들(510)은 적어도 약 70의 게이지율, 예를 들어, B-UNCD 필름의 게이지율의 10배를 가지도록 구성된다. 일부 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들(510)은 약 70 내지 약 1,800의 범위 내의 게이지율을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 전기적 파라미터 및 제2 전기적 파라미터는 저항들을 포함할 수 있다. 제2 저항은, 제1 저항과 제2 저항 사이의 차이가 B-UNCD 나노와이어들(510)의 변위 또는 그렇지 않은 경우 B-UNCD 나노와이어들(510) 상에 가해지는 힘에 대응하도록, 제1 저항보다 더 클 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 저항은 약 25 kOhm 내지 약 1,000 kOhm의 범위 내에 있을 수 있다. 특정 실시예들에서, 변위 센서들(500)은 B-UNCD 나노와이어들(510)의 약 150 Ohm/nm 변위의 분해능을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 변위 센서들(500)의 어느 한 측 상에 도시되는 십자들은 제1 접촉 패드(506) 및 제2 접촉 패드(508)의 위치를 알아내기 위한 정렬 마크들이다. 변위 센서들(500)은 6개 행들(1-6으로 라벨링됨) 및 10개 열들(1-10으로 라벨링됨)을 가지는 10 x 6 어레이 내에 배치된다. 행들 1 및 2에서, 폭 B-UNCD 나노와이어들(510)은 약 75 nm이다(도 6의 패널 A). 행들 3 및 4에서, B-UNCD 나노와이어들(510)의 폭은 약 125 nm이고, 행들 5 및 6에서, B-UNCD 나노와이어들의 폭은 약 175 nm이다. 일부 실시예들에서, 변위 센서들(500) 내에 포함되는 B-UNCD 나노와이어들(510)은 임의의 적절한 폭(예를 들어, 약 20 nm 내지 약 200 nm의 범위 내의)을 가질 수 있다.
열들 1-5은 제1 접촉 패드(506)와 제2 접촉 패드(508) 사이에 배치되는 단일 B-UNCD 나노와이어(510)를 포함하는 변위 센서들(500)을 포함한다(도 6의 패널들 A, C 및 D). 열들 6-10은 제1 접촉 패드(506)와 제2 접촉 패드(508) 사이에 배치되는 10개의 B-UNCD 나노와이어들을 포함하는 변위 센서들(500)을 포함한다(도 6의 패널 B). 열 1-5로부터의 B-UNCD 나노와이어들(510)의 길이들은 각자 약 2 미크론, 5 미크론, 10 미크론, 15 미크론, 및 약 20 미크론이다. 유사하게, 열 6-10로부터의 B-UNCD 나노와이어들(510)의 길이들은 각자 약 2 미크론, 5 미크론, 10 미크론, 15 미크론 및 약 20 미크론이다. 다른 실시예들에서, B-UNCD 나노와이어들(510)은 예를 들어, 약 0.5 미크론 내지 약 25 미크론의 범위내에서, 임의의 적절한 길이를 가질 수 있다.
전기적 및 피에조저항성 측정들이 기판(502) 상에 배치되는 다양한 변위 센서들(500) 상에서 수행되었다. B-UNCD 나노와이어들(510)이 기판(502)으로부터 릴리즈되어 제1 단부(512) 및 제2 단부(514)를 통해 기판(502) 위에 걸리기 때문에, B-UNCD 나노와이어들(510)을 통해 전달되는 임의의 전기 전류는 오직 나노와이어들(510)만을 통해 흐른다. 또한, 도 6의 패널 D에서 알 수 있는 바와 같이, B-UNCD 나노와이어들(510) 상에 어떠한 잔류물(residue)도 존재하지 않는다. 이는 또한, B-UNCD 나노와이어들이 임의의 전열 효과들에 의해 생성되는 열을 소멸시키기 위한 양호한 열 전도성을 가짐을 보장한다.
도 7의 패널들 A-C는 각자 약 75 nm, 125 nm and 175 nm의 B-UNCD 나노와이어들(510)의 폭을 가지는 변위 센서들(500)에 포함되는 B-UNCD 나노와이어들(510)의 I-V 플롯들을 도시한다. 또한, 각각의 플롯은 약 2 미크론, 5 미크론, 10 미크론, 15 미크론 및 약 20 미크론의 길이들을 가지는 B-UNCD 나노와이어들(510)의 I-V 플롯들을 포함한다. 도 7에 보여지는 바와 같이, B-UNCD 나노와이어들(510) 각각의 I-V 곡선들은 대칭적이며 거의 선형인데, 이는 B-UNCD 나노와이어들(510)이 저항성임을 나타낸다. +/- 2 볼트에서의 전류는 10-5 암페어 정도인데, 이는 B-UNCD 나노와이어들(510)의 단면을 이용한 높은 전류 밀도를 나타낸다.
도 7의 패널 D는 길이의 함수로서 B-UNCD 나노와이어들(510)의 저항의 증가를 도시하는 B-UNCD 나노와이어들(510)의 TLM 플롯을 도시한다. B-UNCD 나노와이어들(510)의 저항은 나노와이어(510) 길이에 따라 준선형으로 증가하고, 나노와이어(510) 폭에 따라 감소한다. 전체적으로, B-UNCD 나노와이어들(510)의 저항은 약 25 kOhm 내지 약 1,000 kOhm의 범위 내에 있으며, 이는 상당한 질소 도핑된 UNCD(N-UNCD) 나노와이어들의 GOhm 저항에 비해 약 6자릿수(6 orders of magnitude) 더 낮다. 이는, N-UNCD 원자들이 UNCD 필름의 도핑 레벨 및 전자 전송을 제한하는 그레인 경계들 내로 우선적으로 포함되기 때문이다.
반면, B-UNCD 나노와이어들의 경우, 붕소 원자들은, 더 높은 도핑 용량을 초래하는 그레인들에서 탄소 원자들을 치환한다. 이러한 효과는, 대칭적 I-V 프로파일로 인해, Schottky 접촉들의 결과로서 설명될 수 없다. 이 효과의 한 가지 가능한 분석은 공간-전하-제한(SCL) 전류라 명명된다. 나노와이어 형태에서, 높은 종횡비는, 벌크 B-UNCD 필름에 비해 더 높은 캐리어 공핍 및 더 열악한 정전기 차단으로 인해, SCL 전류에 강력하게 영향을 주는 것으로 예상된다. 또한, 전열 효과들은 I-V 및 TLM 플롯들에서 관측되는 비-선형성에 또한 기여할 수 있다.
도 8의 패널들 A 및 B는 B-UNCD 나노와이어(610)를 포함하는 변위 센서(600)를 도시한다. B-UNCD 나노와이어는 제1 접촉 패드(606)에 전기적으로 커플링되는 제1 단부(612), 및 제2 접촉 패드(608)에 전기적으로 커플링되는 제2 단부(614)를 가진다. B-UNCD 나노와이어(610)는 기판(602) 위에 걸린다. B-UNCD 나노와이어(610)는 컴퓨터 제어되는 프로브(620)를 사용하여 변위력을 받고, PZR 측정들이 수행되었다. 도 8의 패널 B에 도시된 바와 같이 프로브(620)를 통해 B-UNCD 나노와이어(610) 상에 횡측의 미는 힘(transverse pushing force)을 인가함으로써, 편향이 생성되어 B-UNCD 나노와이어(610)가 제1 단부(612)와 제2 단부(614)를 고정으로 구부러지는 것을 재촉한다.
B-UNCD 나노와이어(610)가 제1 단부(612)와 제2 단부(620)에서 고정되기 때문에, 횡력에 의한 편향 야기는 B-UNCD 나노와이어(610)의 연장(elongation)을 초래한다. 이는 B-UNCD 나노와이어(610) 상의 길이방향 인장 응력을 생성한다. 도 8의 패널 A는 변형되지 않은 B-UNCD 나노와이어(610)를 도시하고, 도 8의 패널 B는 변형된 이후의 B-UNCD 나노와이어(610)를 도시한다.
이러한 설정을 사용하여, I-V 플롯들이 약 5 미크론, 약 10 미크론, 및 약 20 미크론의 길이들을 가지는 B-UNCD 나노와이어들에 대해 획득되었다. 인장 응력 하에서, B-UNCD 나노와이어들의 모든 길이들은 저항의 변화를 보였다. 변형 없는 I-V 곡선들에 비해, 변형된 B-UNCD 나노와이어들을 통과하는 전기 전류는 감소하는데, 이는 저항의 증가를 나타낸다. 이 결과는, 인장 응력 하에서 저항이 감소하는 유사한 Si 나노와이어들의 PZR 효과와는 완전히 상이하다.
이러한 효과는 B-UNCD 나노와이어들의 결정질 구조체의 견지에서 설명될 수 있다. B-UNCD 나노와이어들과 같은 다결정질 구조체에서, 나노크기의 그레인들은 그레인 경계들을 따라 미끄러져서 결함들을 생성한다. 특히 나노와이어 형태에서, 공간은 작고 제한되며, 해당 결함들은 B-UNCD 나노와이어를 통한 전하 이동도의 강한 감소를 야기하고 따라서 저항을 증가시킬 것이다. 또한, B-UNCD 나노와이어들은 약 1 x 1021 원자/cm3 내지 약 9 x 1021 원자/cm3 의 범위 내의(예를 들어, 약 4.8 x 1021원자/cm3) 더 높은 붕소 농도로 인해 훨씬 더 높은 결함 밀도를 가진다. 이로 인해, 다이아몬드 격자는 이미 변형이 시작된다. 기계적 움직임으로 인해, 이 효과를 증가시키고 이에 의해 큰 PZR 효과를 생성하는 나노와이어 내의 높은 국부적 응력의 농도가 존재한다.
특정 변형을 받는 재료의 변화하는 감도를 기술하는, PZR 게이지율이 후속하는 공식을 사용하여 약 5 미크론, 10 미크론, 및 약 20 미크론의 길이를 가지는 B-UNCD 나노와이어들에 대해 계산되었다:
Figure 112017089752722-pct00001
여기서, ρ는 비저항이고, υ는 다이아몬드에 대해 약 0.1인 포아송(Poisson) 비이다. 변형 ε은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112017089752722-pct00002
여기서, L은 B-UNCD 나노와이어 길이이고, D는 프로브(예를 들어, 프로브(620))에 의해 제공되는 횡력으로 인한 B-UNCD 나노와이어의 변위에 의해 생성되는 횡측 변위이다. 수학식 1 및 2로부터, 5 미크론, 10 미크론 및 20 미크론에 대한 게이지율은 각각 70, 84 및 96이다. 이러한 결과들은 지금까지의 최상의 이용가능한 Si 나노와이어 결과들과 비교가능하며, 나노결정질 다이아몬드 및 UNCD 필름보다 10배 더 높다. 결과들은 또한 게이지율이 더 높은 나노와이어들에 대해 더 높음을 보여주었다. 이는 더 긴 B-UNCD 나노와이어들이 더 양호한 PZR 성능을 가질 수 있음을 제안한다. 다양한 폭들을 가지는 75 nm 폭의 나노와이어들의 게이지율들이 표 I에 요약된다.
[표 I]
Figure 112017089752722-pct00003
75 nm 폭 B-UNCD 나노와이어들의 다양한 길이들의 게이지율
B-UNCD 나노와이어들의 비선형 효과가 또한 변형 하에서 모니터링되었다. 도 10은 ±1 V 범위 내에서, 75 nm 폭의 I-V 곡선들, 및 변형이 있는 그리고 변형이 없는 5 미크론 및 10 미크론 길이의 B-UNCD 나노와이어들을 도시한다. 약간 비선형이지만 대칭인 I-V 플롯들이 변형된 경우 및 변형되지 않은 경우 모두로부터 관측될 수 있다. 10 미크론 길이의 B-UNCD 나노와이어들보다 5 미크론 길이의 B-UNCD 나노와이어들에 대해 비선형성이 더욱 두드러지는데, 이는 도 9에 도시된 I-V 측정들로부터의 결론들과 일치한다. 따라서, 비선형성은 B-UNCD 나노와이어 PZR 성능에 영향을 주지 않는다.
변형과 저항 변화 사이의 상관들을 설정하기 위해, I-V 플롯들은 상이한 변형들 하에서 측정되었다. 도 11의 패널 A는 50 nm의 횡측 변위 증가가 있는 75 nm 폭, 20 미크론 길이의 B-UNCD 나노와이어들의 I-V 곡선들을 도시한다. 패널 A에 도시된 바와 같이, I-V 곡선들의 기울기는 변위에 따라 점진적으로 감소하는데, 이는 B-UNCD 나노와이어가 응력에 대한 좋은 전기적 응답을 가짐을 나타낸다. 도 11의 패널 A로부터 저항을 계산함으로써, 저항 대 450 nm까지의 변위의 상관이 도식화되어 도 11의 패널 B에 도시된다. 플롯은, B-UNCD 나노와이어의 약 400 nm 변위까지 저항이 횡측 변위에 따라 선형적으로 증가함을 나타낸다. 결과들은 400 nm보다 더 작은 변위를 가지고 재생가능하였다. 그러나 B-UNCD 나노와이어는 약 450 nm의 변위에서 깨졌다. 따라서, B-UNCD 나노와이어들은 탄력적이고 매우 민감한 변위 또는 그렇지 않은 경우 힘 센서를 제공한다.
FEA 시뮬레이션들은 B-UNCD 나노와이어 길이 및 폭에 대한 PZR 행동 사이의 관계를 결정하기 위해 B-UNCD 나노와이어들의 모델들에 대해 수행되었다. 도 12의 패널 A는 제1 단부(712)에서 제1 접촉 패드(706)에 그리고 제2 단부(714)에서 제2 접촉 패드(708)에 전기적으로 커플링되는 모델링된 B-UNCD 나노와이어(710)에 의해 경험되는 응력의 FEA 시뮬레이션들을 도시한다. 또한, B-UNCD 나노와이어(710)는 제1 단부(712)에서 제1 접촉 패드(706)에, 그리고 제2 단부(714)에서 제2 접촉 패드(708)에 기계적으로 고정된다. 도 12의 패널 B는 동일한 B-UNCD 나노와이어(710) 상에서 수행되는 전류 시뮬레이션들을 도시한다. B-UNCD 나노와이어(710)는 5 마이크론 길이 및 75 nm 폭이었다. 약 100 nm의 횡측 변위가 B-UNCD 나노와이어(710) 상에 인가되고, 응력 분포 및 전기 전류 밀도가 측정되었다. 모든 FEA 시뮬레이션들은 COVENTERWARE™ 소프트웨어를 사용하여 수행되었다.
FEA 시뮬레이션 결과들은, B-UNCD 나노와이어(710) 응력이 제1 단부(712) 및 제2 단부(714)에서 더 높음을 보여주며, 여기서, B-UNCD 나노와이어(710)는 제1 접촉 패드(706) 및 제2 접촉 패드(708)에 고정(anchor)되는데, 이는 예상된다(도 12의 패널 A). 또한 전류 시뮬레이션들(도 12의 패널 B)은, 전류 밀도가 B-UNCD 나노와이어(710)를 통해 균일하게 분포되는 것을 보여주는데, 이는 B-UNCD 나노와이어(710) 전반에 걸쳐 PZR 효과 하에서 균일한 전자 전송을 나타낸다.
시뮬레이션들의 정확성을 평가하기 위해, 도 13에 도시된 바와 같이, B-UNCD 나노와이어(710)의 I-V 측정들이 도식화되어 실험 데이터로부터 획득된 I-V 플롯과 비교되었다. 도 13은 시뮬레이션 결과가 실험 데이터와 매우 잘 맞음을 보여준다. FEA 시뮬레이트된 I-V 특성들은 PZR 측정들로부터의 실험 데이터가 신뢰가능하며 정확하다는 것을 확인하는 실험적으로 획득된 값들의 4% 이내이다.
본원에 기술되는 바와 같이, B-UNCD 나노와이어들의 게이지율은 나노와이어들의 폭에 종속적이다. 도 14는 B-UNCD 나노와이어 폭 및 변형의 함수로서 B-UNCD 나노와이어들의 게이지율의 플롯을 도시한다. B-UNCD 나노와이어의 폭이 50 nm로 스케일 다운됨에 따라, B-UNCD NW의 게이지율은 1,800보다 더 높을 수 있고, 작은 변형(≤ 0.003)이 주어진다. 이러한 게이지율은 B-UNCD 필름의 게이지율의 200배 초과이다. 따라서, 더 얇은 B-UNCD 나노와이어들이 사용되어 나노스케일의 초고감도의 변위, 압력 또는 그렇지 않은 경우 힘 센서들을 개발할 수 있다. 나노와이어 폭의 감소에 따라 높아지는 피에조비저항의 물리적 메커니즘은, 더 작은 폭이 더 높은 응력 농도를 유도하고 따라서 게이지율을 증가시킴을 가정함으로써, 시각화될 수 있다.
투과 전자 현미경(TEM) 및 전자 에너지-손실 스펙트라(EELS) 연구들이 B-UNCD 필름들에 대해 수행되어 B-UNCD 나노와이어들의 PZR 효과 뒤의 메커니즘을 연구하였다. PZR 효과 대 단결정질 Si 나노와이어들의 한 가지 명백한 대비는 붕소 도핑의 존재인데, 이는 다이아몬드의 PZR 효과의 잠재적 원인일 수 있다. 마이크로결정질 다이아몬드의 경우, 붕소 도핑 메커니즘이 이미 잘 설정되어 있고, 도핑 메커니즘은 치환적이다. 그러나, NCD 및 UNCD에 대해서는, 붕소가 가장 치환적인지 또는 그레인 경계에 상주하는지의 여부는 다소 논란이 있다.
도 15의 패널들 A-C는 B-UNCD 필름의 TEM 이미지들을 도시한다. 도 15의 패널 A로부터 관측되는 바와 같이, 나노스케일 다이아몬드 그레인들은 B-UNCD 필름 내에 균일하게 분포되며, 그레인 크기는 20-60nm를 범위로 한다. 도 15의 패널 B는 다이아몬드 그레인들 중 하나의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지를 도시한다. 고품질 결정질 다이아몬드 구조체들 이외에도, 많은 구조적 결함들이 또한 이미지에서 보인다. 이는 다이아몬드 그레인들 내로의 붕소의 치환적 도핑에 의해 야기된다. 이러한 효과는 도 15의 패널 C에 도시된 확대된 HRTEM 이미지로부터 더 양호하게 관측될 수 있다. 특유의 쌍 경계가 흰색 화살표들 사이의 흰색 박스 내에 표시된다. 삽입된 선택된 영역 전자 회절(SAED) 패턴은 결함 내의 {111} 거울 면을 확인한다. HRTEM 및 SAED 정보는 B-UNCD 필름 내의 결정 구조적 결함들의 명백한 증거를 제공하는데, 이는 치환적 붕소 도핑 메커니즘에 대한 지지를 제공한다. 이 메커니즘은 그레인들 내의 붕소 도핑된 장소(site)들이 PZR 측정들 동안 능동적 역할들을 수행함을 제안한다.
도 16은 도 15의 B-UNCD 필름의 EELS 스펙트라를 도시한다. 도 16의 패널 A 및 패널 B는 각자 더 넓은 영역 및 단일 다이아몬드 그레인에 대해 수행된 B-UNCD 필름의 EELS 스펙트라를 도시한다. EELS 스펙트라 둘 모두는 190 eV에서 시작하는 독특한 붕소 K-에지를 도시하는데, 이는 많은 양의 치환적 붕소 도핑을 나타낸다. 285 eV에서의 작은 π* 피크가 패널 A에서 보여지고, sp 2-결합된 그레인 경계들에 기여하는데, 이는 패널 B에서 보여진 바와 같은 다이아몬드 결정들에는 존재하지 않는다.
붕소 K-에지의 에너지 손실 근처-에지 미세 구조체(ELNES)가, 붕소 K-에지 구조체들의 원래 스펙트라 및 스무딩된 스펙트라를 도시하는 도 16의 패널 C에 제시된다. 기준 스펙트라는 기준 다이아몬드 샘플에 대해 취해진 붕소 K-에지 구조체의 스펙트라이다. B-UNCD 붕소 K-에지 구조체들은 기준 다이아몬드 샘플에 비해 유사한 프로파일들을 보여주는데, 이는 B-UNCD 필름에서 치환적 붕소 도핑 행동을 확인한다. 작은 π* 기여는 sp 2-결합된 탄소 내에 내장된 붕소를 가리킨다. EELS로부터 계산된 붕소 농도는 약 4.85 x 1021 원자/cm3이다. 이는 금속-대-절연체 트랜지션 농도 3 x 1020 원자/cm3보다 더 높다.
TEM 및 EELS 연구들로부터, 붕소가 UNCD 그레인들 내에 많이 도핑된다는 것이 관측되는데, 이는 UNCD 결정들 내의 많은 구조적 결함들을 생성한다. 이러한 결함들은 결과적으로 UNCD 그레인들 내의 국부적 변형들을 초래한다. 외부 응력이 인가될 때, 구조적 변형은 결정질 결함들을 변환시켜서 그레인들 내의 내부 변형들의 변화를 초래할 것인데, 이는 B-UNCD들의 페르미(Fermi) 레벨 및 전도성을 효과적으로 변형시킬 것이다. B-UNCD 나노와이어들의 경우, UNCD의 체적은 적어도 2개 디멘젼들에서 엄격히 제한된다. 이는 B-UNCD 필름에 대해 주어진 응력 하에서 더 강한 구조적 변형을 초래한다. 구조적 결함들의 변환 및 내부 변형이 B-UNCD 필름에 비해 또한 높아진다. 따라서, 전기적 전도성이 더욱 급격히 변화하는데, 이는 B-UNCD NW의 거대한 PZR 효과를 초래한다. 이러한 메커니즘 하에서, B-UNCD 나노와이어가 더 얇을수록, PZR 효과가 더 높을 것인데, 이는 시뮬레이션 결과와 절대적으로 일치한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")은 문맥이 다른 방식으로 명백히 지시하지 않는 한, 복수 참조들을 포함한다. 따라서, 용어 "부재"는 단수 부재 또는 부재들의 조합을 의미하도록 의도되며, "재료"는 하나 이상의 재료들 또는 이들의 조합을 의미하도록 의도된다.
다양한 실시예들을 기술하기 위해 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "예시적인"이, 이러한 실시예들이 가능한 예들, 표현들, 및/또는 가능한 실시예들의 예시들임을 나타내도록 의도된다는(그리고 이러한 용어가, 이러한 실시예들이 반드시 비범한 또는 최상의 예들임을 내포하도록 의도되지 않는다는) 것에 유의해야 한다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어들 "커플링되는", "접속되는" 등은 2개의 부재들을 서로 직접적으로 또는 간접적으로 연결하는 것을 의미한다. 이러한 연결은 고정적이거나(예를 들어, 영구적) 이동가능할 수 있다(예를 들어, 제거가능하거나 풀 수 있음). 이러한 연결은 2개의 부재들 또는 서로 단일의 일원형 바디로서 통합적으로 형성되는 2개 부재들과 추가적인 중간 부재들 또는 2개 부재들 또는 서로 부착되는 2개 부재들과 임의의 추가적인 중간 부재들을 이용하여 달성될 수 있다.
다양한 예시적인 실시예들의 구성 및 배열이 단지 예시적임에 유의하는 것이 중요하다. 단지 몇몇 실시예들만이 이 개시내용에서 상세히 기술되었지만, 이 개시내용을 검토하는 본 기술분야의 통상의 기술자는, 본원에 기술되는 발명 대상의 신규한 교시들 및 장점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 많은 수정들(예를 들어, 다양한 엘리먼트들의 크기들, 디멘젼들, 구조들, 형상들 및 비율들, 파라미터의 값들, 장착 배열들, 재료들의 사용, 컬러들, 배향들 등에서의 변경들)이 가능함을 용이하게 인지할 것이다. 다른 치환들, 수정들, 변경들 및 생략들이, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건들 및 배열에서 또한 이루어질 수 있다.

Claims (24)

  1. 울트라나노결정질(ultrananocrystalline) 다이아몬드 나노와이어로서,
    제1 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제1 단부 ― 상기 제1 접촉 패드는 기판 상에 배치됨 ― ; 및
    제2 접촉 패드에 전기적으로 커플링되는 제2 단부 ― 상기 제2 접촉 패드는 기판 상에 배치됨 ― 를 포함하고,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 도펀트로 도핑되고, 상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 상기 기판 위에 배치되고,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는, 상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어 상에 힘이 가해지지 않고 상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어가 제1 저항을 가지는 제1 구성과, 상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어가 힘에 응답하여 상기 제1 단부와 상기 제2 단부를 고정으로 구부러지는(bends about) 제2 구성 사이에서 이동가능하고, 상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 상기 제2 구성에서 상기 제1 저항과는 상이한 제2 저항을 가지고,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 70 내지 1,800의 범위 내의 게이지율(gauge factor)을 가지도록 구성되는 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 20 nm 내지 200 nm의 범위 내의 폭을 가지는 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 50 nm의 폭을 가지는 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 0.5 마이크로미터 내지 25 마이크로미터의 범위 내의 길이를 가지는 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 저항은 25 kOhm 내지 1,000 kOhm의 범위 내에 있는 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트는 붕소인 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어 내의 붕소의 농도는 1 x 1021 원자/cm3 내지 9 x 1021 원자/cm3의 범위 내에 있는 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어 내의 붕소의 농도는 4.8 x 1021 원자/cm3 인 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어는 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부를 거쳐 상기 기판 위에 걸리는(suspended over) 울트라나노결정질 다이아몬드 나노와이어.
  11. 변위 센서로서,
    기판 상에 배치되는 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어 ― 상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 제1 단부 및 제2 단부를 가짐 ― ;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 접촉 패드 ― 상기 제1 단부는 상기 제1 접촉 패드에 전기적으로 커플링됨 ― ; 및
    상기 기판 상에 배치되는 제2 접촉 패드 ― 상기 제2 단부는 상기 제2 접촉 패드에 전기적으로 커플링됨 ― 를 포함하고,
    상기 붕소 도핑된 나노와이어는, 상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어 상에 힘이 가해지지 않고 상기 붕소 도핑된 나노와이어가 제1 전기적 파라미터를 가지는 제1 구성과, 상기 붕소 도핑된 나노와이어가 힘에 응답하여 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부를 고정으로 구부러지는 제2 구성 사이에서 이동가능하고, 상기 붕소 도핑된 나노와이어는 상기 제2 구성에서 상기 제1 전기적 파라미터와는 상이한 제2 전기적 파라미터를 가지고, 상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 70 내지 1,800의 범위 내의 게이지율을 가지도록 구성되는 변위 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 20 nm 내지 200 nm의 범위 내의 폭을 가지는 변위 센서.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 울트라나노결정질 다이아몬드로 형성되는 변위 센서.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전기적 파라미터는 제1 저항이고 상기 제2 전기적 파라미터는 제2 저항이고, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항보다 크고, 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이의 차이는 상기 힘에 대응하는 변위 센서.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어는 25 kOhm 내지 1,000 kOhm의 범위 내에서 상기 제1 구성에서의 저항을 가지는 변위 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 붕소 도핑된 나노와이어는 자신의 nm 변위당 150 Ohm의 분해능(resolution)을 가지는 변위 센서.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 붕소 도핑된 다이아몬드 나노와이어 내의 붕소의 농도는 1 x 1021 원자/cm3 내지 9 x 1021 원자/cm3의 범위 내에 있는 변위 센서.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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