KR20060058085A - 나노위스커를 통합하는 프로브 구조체, 그 제조 방법, 및나노위스커를 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
스캐닝 프로브 현미경용 프로브 구조체는 직립한 탐침 부재(4, 26)의 자유단으로부터 돌출되고 상기 탐침 부재와 일체로 형성된 나노위스커(16, 34)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 데이터 저장 매체는, 나노위스커들(54)의 어레이를 포함하고, 각각의 나노위스커는 자성 물질로 형성되며, 나노위스커의 직경은 단일 강자성 도메인이 나노위스커내에 존재하도록 되어 있고, 바람직하게는 약 25nm보다 크지 않은 직경, 보다 바람직하게는 약 10nm보다 크지 않은 직경을 가지며, 상기 어레이의 선택된 나노위스커안으로 스핀-분극된 전자들의 스트림을 주입하기 위해, 나노위스커내의 자화 방향을 감지하거나 원하는 자화 방향으로 나노위스커를 강제하기 위해, 프로브 구조체를 포함하는 판독/기록 구조체를 포함한다. 프로브 나노위스커가 촉매 입자 용융물을 이용하는 VLS 공정에 의해 형성되는 경우, 위스커는 세그먼트의 선택적인 에칭에 의한 촉매 물질의 제거를 허용하도록 희생 세그먼트와 일체로 형성될 수 있다.
Description
본 출원은, 본 명세서에서 인용 참조되고 있는, 2003년 7월 8일에 출원된 미국 가 출원 제 60/485,104호의 이익을 주장(claim)한다.
본 발명은, 1-차원의 나노요소(nanoelement)들을 통합(incorporate)하고, 스캐닝 프로브 현미경 검사(scanning probe microscopy), 현재의 주입 용도(injection application)들, 및 여타의 용도들에서 사용하기에 적합한 구조체들에 관한 것이다. "1-차원 나노요소들"은, 본질적으로 1-차원 형태로 되어 있는 구조체들이며, 이 구조체들은 그들의 폭 또는 직경이 나노미터 치수로 되어 있고, 통상적으로 나노위스커(nanowhisker)들, 나노로드(nanorod)들, 나노와이어들, 나노튜브들 등으로 알려져 있다. 더욱 상세하게는, 다음과 같은 것으로 국한되지는 않지만, 본 발명은 나노위스커들을 통합하는 구조체들, 그와 관련된 제조 방법들, 및 나노위스커들을 형성하는 방법들에 관한 것이다.
소위 VLS(Vapour-Liquid-Solid) 메커니즘을 이용하는, 기판상의 위스커 형성의 기본 공정이 잘 알려져 있다. 촉매 물질, 통상적으로 금의 입자 또는 매스 (mass)는 소정 가스들의 존재로 기판상에서 가열된다. 이 가스들은 촉매 매스(catalytic mass)에 의해 흡수되어 합금을 형성하게 된다. 이 합금은 과포화(supersaturate)되고, 고체화된 물질의 필러(pillar)가 매스 아래에 형성되며, 상기 매스는 필러의 최상부상으로 상승된다. 이 결과물이, 촉매 매스가 최상부상에 위치되어 있는, 원하는 물질로 된 위스커이다(참조: E.I Givargizov, Current Topics in Materials Science, Vol. 1, 79 내지 145 페이지, North Holland Publishing Company, 1978년). 이러한 위스커의 치수는 마이크로미터 범위 내에 있었다.
종래에는, 성장 위스커(growing whisker)의 탐침(tip)에서의 촉매 입자의 존재에 의해 촉매화된 나노위스커들의 성장이 VLS(Vapour-Liquid-Solid) 공정이라 칭해졌음에도 불구하고, 촉매 입자가 액상(liquid state)으로 존재하지 않아도 위스커 성장에 효과적인 촉매로서 기능할 수 있다고 인식되어 왔다. 적어도 몇몇 증거는, 심지어 촉매 입자가 그 녹는점 이하의 온도에 있고 아마도 고체 상태로 존재할 것 같은 경우에도, 위스커를 형성하는 물질이 입자-위스커 계면(interface)에 도달할 수 있고 성장 위스커에 기여할 수 있다는 것을 제안한다. 이러한 조건들 하에서, 상기 성장 물질, 예컨대 성장함에 따라 위스커의 탐침에 부가되는 원자들은, 고체 촉매 입자의 몸체(body)를 통해 확산될 수 있거나, 심지어는 성장 온도에서 고체 촉매 입자의 표면을 따라 위스커의 성장 탐침으로 확산될 수도 있다. 특정한 온도 상황, 촉매 입자 조성(composition), 위스커의 의도된 조성 또는 위스커 성장과 관련된 여타의 조건들 하에서 정확한 메커니즘(exact mechanism)이 존재할 수 있더라도, 전체 효과, 즉 촉매 입자에 의해 촉매화된 상기 위스커의 길이(elongation)가 동일함은 분명하다. 이러한 적용을 위해, "VLS 공정", VLS 메커니즘 또는 이와 등가의 용어들은, 나노위스커의 성장이 나노위스커의 성장 탐침과 접촉하여, 입자, 액체 또는 고체에 의해서 촉매화되는 이러한 모든 촉매화 과정들을 포함하는 것으로 의도된다.
국제 출원 공보 제 WO 01/84238호는 도 15 및 도 16에서 나노위스커를 형성하는 방법을 개시하며, 에어러졸(aerosol)로부터의 나노미터 크기의 입자들이 기판상에 증착되며, 이들 입자들은 필라멘트들 또는 나노위스커들을 생성하는 시드(seed)들로서 사용된다.
상세한 설명을 위해, 나노위스커라는 용어는 직경 또는 단면이 나노미터 치수, 바람직하게는 500nm이하인 1차원 나노요소들을 의미하는 것으로 의도된다.
1980년대, 스캐닝 터널링 현미경(Scanning Tunnelling Microscope)의 개발 이후, 표면과 매우 근접해 있거나 접촉해 있는 나노미터 치수의 탐침을 이용하여 원자 치수에서 표면들을 조사(examine)하고 처리하는 집중적인 연구가 행해졌다. STM은 표면을 가로질러(across) 탐침을 이동시키면서, 탐침과 샘플 표면 사이에서 유동하는 터널링 전류(tunnelling current)의 원리에 기초하여 작동된다. 원자 레벨에서 표면들을 조사하는 다소 상이한 원리들로 작동되는 다양한 여타의 현미경들도 개발되었다. 이들은, 예를 들어, 유연한 캔틸레버(cantilever)상에 장착된 탐침을 이용하여 표면의 전자 척력을 감지하는 것에 의존하는 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy), 자성 탐침을 이용하여 자성 인력 또는 척력을 측정하는 현미경 들, 및 샘플 표면에 의해 발생된 열을 검출하는 현미경들을 포함한다(참조: www.nanoworld.org). 이 모든 현미경들은 스캐닝 프로브 현미경(Scanning Probe Microscope: SPM)으로 알려진 포괄적인 부류에 속한다. 상세한 설명을 위해, 스캐닝 프로브 현미경이라는 용어는, 스캐닝 터널링 현미경, 원자력 현미경, 및 나노미터 또는 원자 스케일(scale)로 표면의 특성들을 결정하는 시편(specimen)의 표면에 걸쳐 이동되는 매우 미세한 탐침을 포함하는 여타의 현미경들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
STM의 원래 형태는 압전 튜브(piezoelectric tube)상에 장착된 탐침을 포함하였다. 시편 표면에 대한 터널링 전류가 모니터링되었고, 탐침과 표면간의 거리는 터널링 전류를 일정하게 유지하도록 조정되었다. 요즘, 이러한 STM의 탐침은 통상적으로 Pt/Ir로 된 와이어를 포함하며, 탐침은 컷터(cutter)들 및 플라이어(plier)들을 이용하여 와이어를 컷팅하고 드로잉(drawing)함으로써 형성된다. STM 탐침의 또 다른 보편적인 형태는 단부가 에칭되는 텅스텐 와이어이다. 이러한 탐침의 두 형태들은 나노미터 범위의 치수를 갖는 자유단(free end)들을 가진다.
AFM의 공지된 구성은, 마이크로기계가공된(micromachined) 유연한 캔틸레버 빔의 자유단으로부터 직립한(upstanding) 일체화된(integral) 실리콘 탐침을 갖는 실리콘의 상기 빔을 이용하며, 상기 빔의 유연성 정도는 상기 탐침이 표면에 걸쳐 이동됨에 따라 측정된다(참조: 예를 들어, McGraw Hill Encyclopaedia for Science and Technology 7th Edition). 탐침의 단부는 보편적으로 나노미터 범위의 치수를 가진다.
Samuelson 외, Physica Scripta, vol. T42, 149 내지 152 페이지, (1992년), 제목 "Tunnel-Induced Photon Emission in Semiconductors Using an STM"에서는, 갈륨 인화물로 된 삼각형 반도체 탐침을 갖는 STM이 도 6에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반도체 표면내에서의 광자 방출(photon emission)을 달성하는 P-타입 또는 N-타입 캐리어들의 터널링 전류를 허용하기 위해서, 다양한 타입의 탐침 물질이 제안되어 있다. 이는, 이 디바이스에 의해 프로브 조사(probe)될 반도체 표면의 특정한 전자 상태 특징들(예컨대, 밴드갭(bandgap))을 이용하여 공명적으로(resonantly) 주입(inject)될 수 있는 낮은 에너지 전자들의 좁은 대역(band)에 형성된 터널링 전류를 제공함으로써 행해진다.
탄소 나노튜브들은, 캔틸레버 빔의 단부에 탄소 나노튜브를 부착(glue)시킴으로써, SPM의 탐침들에 대해 제안되었다. 하지만, 특히 SPM이 유체내에 침지(immerse)되는 경우에 부착제가 떨어질 수 있다. 더욱이, 이러한 SPM-탐침들은, 원칙적으로, 탐침으로부터 전자 상태들의 매우 넓은 대역으로부터의 동시적 주입을 갖는 종래의 금속성 SPM-탐침과 동일한 한계를 겪을 것이다.
자성 응용예들에서의 나노기술의 이용이 잘 알려져 있다. 예를 들어, 그 중 몇몇이 자성인 다양한 물질들로 된 나노로드들을 설명하는 Lieber의 US-A-5,997,832호 및 WO 97/31139호를 참조한다. 데이터 저장 용도를 위한 얇은 필름들을 현상(develop)하는 나노기술의 이용은 Shouheng Sun 외, Science Vol. 287, 2000년 3월 17일, 제목 "Monodisperse FePt Nanoparticles and Ferromagnetic FePt Nanocrystal Superlattices"에 개시되어 있다. 스핀트로닉스(Spintronics)의 분야에서는, 스핀트로닉스 디바이스로의 스핀-분극된 전자(spin-polarised electron)들의 효율적인 주입에 있어 여러가지 문제점이 발생한다. 진공 터널링 공정을 이용하여 이러한 주입들을 위해 강자성 탐침을 갖는 SPM을 이용하는 것이 제안되었다. (Wolf 외, Science Vol. 294, 1488 내지 1495 페이지, 2001년 11월 16일, 그 중 1491 페이지를 참조한다. 또한, Orgassa 외, Nanotechnology 12, 281 내지 284 페이지(2001년)도 참조한다.)
제 1 실시형태에 있어서, 본 발명은, 탐침 부재를 포함하는 스캐닝 프로브 현미경에서 사용되는 나노기술 구조체, 및 상기 탐침 부재의 자유단으로부터 돌출되며 그와 함께 일체화되는 나노위스커를 제공한다.
따라서, 하기에 설명되는 바와 같은 결과적인 기술적 장점들을 갖는, 스캐닝 터널링 현미경(STM), AFM, 및 여타의 형태의 SPM에 대해 프로브로서 사용될 수 있는 구조체가 제공된다. 탐침 부재는 여하한의 원하는 형상으로 되어 있을 수 있으며, 예컨대 튜브형, 원뿔형 또는 삼각형으로 되어 있을 수 있다. 보편적인 형태의 STM에서, 탐침 부재는 금속성 와이어의 단부 영역을 구성하며, 나노위스커는 와이어 단부에 있는 준비된 영역상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 탐침 부재는 그 요구되는 용도에 따라, 기판 또는 여타의 적절한 지지체상에 장착되는 별도의 부재(separate member)로서 형성될 수 있다. 탐침 부재와 나노위스커 모두는 전류 유동을 허용하기 위해서 통상적으로 도전성(conductive) 또는 반도전성(semiconductive) 물질로 형성될 것이나, 메트릭(metric)으로서 사용되는 물리적인 파라미터에 따라, 절연성 물질이 채택되는 상황들이 있을 수도 있다.
통상적으로, STM을 이용한 측정들은 표면 특징들을 극히 세부적으로 조사하기 위해 원자 스케일에서 존재한다. 한편, AFM을 이용한 측정들은, 강화된(engineered) 나노구조체들을 조사하기 위해 보다 큰 나노미터 스케일상에서 행해지는 것이 보다 보편적이다. 보편적으로 이 경우에서처럼, 프로브 구조체가 원자력 측정들을 위해 의도된 경우, 탐침 지지 부재는 유연한 세장형 부재(flexible elongate member) 또는 사전설정된 치수와 기계적 특성, 특히 탄력성(elasticity)을 갖는 빔을 포함할 수 있다. 그러면, 프로브 구조체는 AFM(Atomic Force Microscope)에서의 사용에 적합하다. 탐침 부재는 빔과 일체화될 수 있으며, 상기 빔은 적절한 물질, 예컨대 실리콘으로 되어 있다. 여타의 형태의 탐침 지지 부재, 예컨대 V-형 지지 부재가 사용될 수 있다.
그러므로, 보다 상세하게, 본 발명은 유연한 지지 부재를 포함하는 나노기술 구조체를 제공하고, 상기 지지 부재는 상기 지지 부재의 단부에 또는 그 단부에 인접해 있는 직립한 탐침 부재를 가지며, 상기 탐침 부재의 자유단으로부터 돌출되며 그와 함께 일체화된 나노위스커를 제공한다.
제 2 실시형태에 있어서, 본 발명은 스캐닝 프로브용 나노기술 구조체를 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
탐침 부재를 제공하는 단계; 및
상기 탐침 부재로부터 돌출된 나노위스커를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
바람직한 실시예에서, 나노위스커의 형성 방법은:
탐침 부재의 자유단에 사전설정된 볼륨(volume)의 촉매 물질의 매스를 제공하는 단계; 및
VLS 공정을 이용하여 상기 탐침 부재로부터 직립한 나노위스커를 형성하도록, 상기 매스를 가열하고 여러 조건들하에서 사전설정된 타입의 가스들에 상기 매스를 노출시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 탐침 부재의 단부에 1이상의 나노위스커가 형성될 수 있다. 1이상의 탐침 부재가 제공될 수 있으며, 각각의 탐침 부재는 그 위에 형성된 1이상의 나노위스커들을 가진다. 이러한 탐침 부재들은 단일 지지체상에 장착될 수 있거나, 독립적인 이동을 위해 독립적으로 장착될 수 있다.
본 발명의 1이상의 바람직한 실시예에서, 탐침 부재는 실리콘 또는 여타의 도전성 또는 반도전성 물질으로 된 캔틸레버 빔상에 장착되며, 사전설정된 치수, 통상적으로는 마이크로미터 범위를 가진다. 상기 빔은 사전설정된 기계적 특징, 특히 상기 빔의 단부에 가해진 힘들에 응답하는 사전설정된 탄성(resilience)을 가진다. 상기 빔은 그 자유단에서 직립한 탐침 부재와 함께 형성된다. 상기 빔이 Si와 같은 적절한 물질로 만들어진 경우, 탐침 부재는 마이크로기계가공과 같은 적절한 공정에 의해 상기 빔과 일체로 형성된다.
나노위스커는 탐침 부재의 말단부(extreme end)에 형성되며, 본 명세서에서 인용참조되고 있는, 함께 계류중인(copending) 2003년 7월 7일에 출원된 US 특허 출원 일련번호 제 10/613,071호 및 2003년 7월 8일에 출원된 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호에 개시된 공정에 의해 성장되는 것이 바람직하다. 리소그래피 공정, 예컨대 나노임프린트 리소그래피(NIL)에 의해, 또는 금 나노입자의 증착(deposition)에 의해, 금 또는 여타의 촉매 물질의 영역이 탐침 부재의 단부상에 제공된다. 에피택시 장치(epitaxy apparatus)에서 가열된 경우, 금 영역은 합체(coalesce)되고 촉매 용융물(catalytic melt)을 형성한다. 성장 시스템안으로 도입된 가스들은 상기 용융물에 의해 흡수되며 공정 합금(eutectic alloy)을 형성한다. 과포화시, 원하는 조성의 고체화된 물질, 예컨대 갈륨 비소는 용융물과 반도체 결정 밑 사이의 계면에 증착된다. 이러한 방식으로 컬럼(column)이 형성되며, 이 컬럼은 나노위스커 또는 나노와이어라 칭해진다.
본 발명에 따른 스캐닝 프로브 현미경은 주입된 캐리어들의 매우 좁은 에너지 분포가 제공될 수 있다는 특징을 가진다. 그러므로, 샘플 표면의 조사를 위해 매우 정확하고 민감한 툴이 제공된다. 이 좁은 에너지 분포는, 약 10mev의 에너지 범위를 갖는(이는 특정 물질과 본질적으로 독립적임), 반도체의 전도대(conduction band)내에 자유 전자들을 생성하는 약하게(degenerately) 도핑된 큰 밴드-갭 반도체 나노와이어 물질(예컨대, GaP, GaN, ZnO)의 이용에 의해 얻어질 수 있다. 대안적으로, 약 1mev의 훨씬 더 작은 에너지 분포는, 예를 들어 나노와이어내의 설계된 공명 터널링 구조체(designed resonant tunnelling structure)의 이용에 의해 얻어질 수 있다. 상이한 밴드갭의 물질들간의 나노와이어내의 일련의 이종접합(heterojunction)들로 구성된 공명 터널링 구조체는, 본 명세서에서 인용참조되고 있는, 함께 계류중인 2003년 7월 7일에 출원된 US 특허 출원 일련번호 제 10/613,071호 및 2003년 7월 8일에 출원된 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호에 충분히(fully) 개시되어 있으며, 본질적으로 상술된 공정에 의해 형성되나, 가스 성분(gas constituent)들이 나노와이어의 성장 시 상이한 물질의 세그먼트(segment)들을 생성하기 위해서 신속하게 스위칭된다.
어느 경우에서도, 나노위스커는 그 길이를 따라 일정한 직경의 단면을 가질 수 있으며, 바람직하다면, 테이퍼진(tapering)/원뿔형 형상을 가질 수도 있다. 함께 계류중인 2003년 7월 7일에 출원된 US 특허 출원 일련번호 제 10/613,071호 및 2003년 7월 8일에 출원된 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호에 개시된 바와 같이, 원하는 형상은 성장 조건들, 주로 온도의 적절한 조정에 의해 생성된다.
나노위스커는 매우 정밀한 치수, 특히, 단지 수 나노미터, 즉 10nm 미만의 치수로 정확히 치수화(dimension)될 수 있는 직경으로 만들어질 수 있다. 일반적으로, 나노위스커의 직경은 바람직하게는 5 내지 50nm내에서 사전설정될 수 있다. 그 길이는 통상적으로 약 100nm 내지 수 마이크로미터 사이에 있도록 선택될 수 있다. 이에 따라 형성된 나노위스커는 프로브 탐침 구조체의 사전설정된 특성과 정밀한 치수의 요소로 구성된다. 이것이 상술된 공정에 의해 캔틸레버 빔과 일체로(모노리식으로(monolithically)) 형성되는 경우, 이는 사용시 매우 안전하고 신뢰성이 있으며, 또한, 프로브 구조체의 지지대(rest)에 대한 완벽하고, 연속적이며, 임피던스-없는(impedance-less) 전기적 커플링을 갖는다. 이는, 특히, 유체내에 침지되는 경우에 탐침을 손실할 위험이 있고, 또한 나노튜브와 SPM 사이에 상당한 전기적 임피던스가 존재할 수 있는, 예를 들어 빔상에 부착된 탄소 나노튜브들을 채택하는 구성들과 대조적이다.
나노위스커의 최상부에 남아 있는, 촉매 물질의 용융물은 몇몇 상황들에서는 바람직하지 않을 수 있다; 이는, 나노위스커를 통과하는 전자들의 스트림(stream)의 에너지 분포에 영향을 줄 수 있으며, 위스커 단부의 형상이 특별히 양호하게-정의(well-defined)되지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 용융물이 제거될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 함께 계류중인 2003년 7월 7일에 출원된 US 특허 출원 일련번호 제 10/613,071호 및 2003년 7월 8일에 출원된 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호에 개시된 기술들을 이용하여, 나노위스커의 주요한 또는 인접한 부분과 상이한 물질로 된 "희생(sacrificial)" 세그먼트의 짧은 세그먼트로 성장을 종료하기 위해서, 성장 조건들을 적절히 변화시키고 반응 챔버(reaction chamber)내의 상이한 가스들을 대체(substitute)시킴으로써, 나노위스커의 성장이 완성될 수 있다. 예를 들어, 희생 물질은 위스커가 GaAs인 경우에 InAs일 수 있거나, 위스커가 InAs인 경우에 GaAs일 수 있다. 이 희생 물질은 선택적 에칭(selective etching)에 의해 이후 제거될 수 있으며, 따라서 촉매(예컨대, 금) 입자가 제거될 수 있고 위스커를 종료하는 새로운 표면이 형성될 수 있다. 또한, 상기 에칭은, 보다 높은 정밀성을 위해 날카롭게 라운딩되거나 뾰족한 위스커를 생성할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 나노위스커를 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
VLS 공정에 의해 나노위스커를 형성하기 위해서, 촉매 물질의 매스를 제공하고, 사전설정된 작동 조건들 하에서 1이상의 가스들에 상기 매스를 노출시키는 단계;
상기 나노위스커의 단부에, 상기 나노위스커의 잔여부 또는 적어도 인접한 부분의 물질과 상이한 물질의 세그먼트를 제공하기 위해서, 1이상의 작동 조건을 변화시킴으로써 상기 나노위스커의 성장을 종료하는 단계; 및
상기 나노위스커의 형성 후, 그 위의 촉매 물질의 상기 매스와 상기 상이한 물질을 제거하도록 상기 상이한 물질을 선택적으로 에칭하는 단계를 포함하여 이루어진다.
금 촉매 물질에 대한 대안예로서, 촉매 물질은 나노위스커를 형성하도록 의도된 물질로 구성된, Ga 또는 In과 같은 III-족-금속을 포함할 수 있다. 나노위스커는 단순히 III-족-금속만으로 형성될 수 있거나, 반도체 화합물을 형성하도록 V-족-물질과의 합금으로 형성될 수도 있다. 어느 경우에서도, 나노위스커가 형성된 후에 나노위스커의 자유단에 남아 있는 촉매 용융물은 나노위스커의 잔여부의 그것과 동일한 물질이며, 이는 몇몇 상황들에서 장점일 수 있다.
본 발명은 바이오 센싱 응용(bio sensing application)들에서 프로브 구조체들의 이용을 도모한다. 바이오 센싱 기술은, 그 중에서도 핵산, 프로테인 또는 항체 또는 프래그먼트(fragment), 통상적인 결합(binding) 또는 증폭 상호작용(amplification interaction)과 같은 바이오 분자들을 활용하는 여하한의 센서 방법으로서 간주될 수 있다. 본 발명에 따르면, SPM 탐침내에 통합된 나노위스커는 사전설정된 분자들을 결합시키는 코팅을 가질 수 있거나, 그 코팅은 생물학적 활성 분자(biologically active molecule)들을 포함할 수 있다.
본 발명의 이 실시형태에 따른 SPM 탐침내에 통합된 나노위스커는, 특히, DNA와 같은 생물학적 분자들의 파라미터들을 감지하는 고도로 국부화된 센서로서 순응(adapt)된다. 예를 들어, 이러한 분자들은 기판상에 위치될 수 있으며, AFM은 기판의 표면 및 DNA의 맵 특성(map property)에 걸쳐 스캐닝하도록 배치될 수 있다. 또한, SPM 탐침내에 통합된 나노위스커는 실리콘 또는 여타의 산화성 물질로 형성될 수 있다. 나노위스커는 그 길이를 따라 산화물의 주변 층(surrounding layer)을 형성하도록 산화되지만, 나노위스커의 자유단에 있는 금 또는 여타의 촉매 시드(seed) 입자 용융물은 산화의 자유를 유지한다. 그러므로, 이는 생물학적 표면들을 조사하기 위한 고도로 정확한 프로브를 제공하며, 그 상호작용은 정밀하게 정의된 영역내에서 생긴다. 이는, 높이 방향으로, 또한 평면 방향으로, 분자들의 맵핑(mapping)을 허용함에 따라, 3차원의 XYZ 맵핑을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따르면, SPM에 통합된 나노위스커는, 이종접합들 사이에, 매우 작은, 예컨대 20nm3만큼 작은 치수의 발광 다이오드를 생성하도록, 그 길이를 따라 상이한 물질의 일련의 세그먼트들을 가질 수 있다. 이러한 다이오드의 파장은 물질 및 치수의 적절한 선택에 의해 원하는 값으로 사전설정될 수 있다. 이러한 다이오드는, 적절히 에너지화(energise)되는 경우, 필요하다면, 단일 광자를 방출하도록 배치될 수 있으며, 이는 생물학적 샘플(예컨대, 조직, 셀 또는 분자)을 조사(irradiate)하도록 채택될 수 있다. 전자기방사선을 이용한 생물학적 샘플들의 조사는, 분자들, 인광(phosphorescence), 형광(luminescence) 등의 광학 흡수를 결정하는 극히 민감한 툴이다.
본 발명에서, 자성 응용예에 관해서, 나노위스커를 갖는 프로브 탐침 구조체는 전기 회로내로의 전류 주입(current injection) 목적을 위해 이용되며, 전류를 형성하는 전자들은 스핀의 정밀하게 결정된 파라미터들을 가져야 한다. 예를 들어, 나노위스커는 MnInAs, MnGaAs, MnAs와 같은 자성 물질 또는 반자성(semimagnetic) 물질로 형성되며, 스핀 분극된 전자들은 위스커의 탐침으로부터 방출될 수 있다(반자성 물질은 자성 이온들, 예컨대 Mn의 희석 농도(dilute concentration)를 함유한 반도체 화합물이다). 탐침 구조체는 여하한의 적절한 지지 부재, 예컨대 강성의(rigid) 기판 또는 금속 와이어상에 제공될 수 있지만, 캔틸레버 빔 구성을 이용하는 것이 바람직한데, 그 이유는, 상기 빔의 탄성은 신뢰성 있는 접촉을 제공하며, 상기 빔과 탐침 구조체의 치수는 전자들이 주입되는 회로의 치수와 필적할만(compatible)하기 때문이다.
대안예로서, 캔틸레버 빔 및 탐침 부재는, 나노위스커에 들어가는 전자들 이전의 전자 스핀들의 정렬과 분극을 위해 강자성 물질로 구성된다. 그 후, 나노위스커는 스핀 분극된 전자 스트림용 도관(conduit)으로서 기능할 수 있다. 이는 강자성 물질의 나노위스커를 형성하는 것이 불편(inconvenient)한 경우에 장점일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는, 데이터 저장 매체로서 채택되고 적절한 자성 물질로 형성되는 나노위스커들 또는 나노와이어들의 어레이에 기초하며, 각각의 나노와이어는 "1" 또는 "0" 비트를 나타내는 스핀-업(spin-up) 또는 스핀-다운(spin-down) 조건에서 선택적으로 자화될 수 있다.
강자성 특성들에 관하여, 나노위스커들은 매우 작은 영역들내에 강자성을 보유(retain)할 가능성(possibility)을 나타낼 수 있다. 메모리 요소들로서, 매우 작은, 통상적으로 단일-도메인(single-domain), 자성 입자들, 또는 유사한 구조체들을 채택하는 자성 메모리 디바이스에는 엄청난 이점이 존재한다. 하지만, 강자성 단일 도메인의 크기가 감소되는 경우, 강자성 상태가 존재할 수 없는 한계 이하에 도달된다고 공지되어 있으며, 도메인, 예컨대 단일 입자는, 모든 원자들의 자성 모멘트(moment)들이 강자석내에서와 마찬가지로 집합적인 거대한 자성 모멘트를 형성하도록 여전히 일렬로 되어 있으나, 이것이 강자석내에 존재함에 따라 이 거대한 스핀의 방위가 정의된 방향으로 더 이상 고정(lock)되지 않는 경우인 초상자성 상태(superparamagnetic state)라고 가정된다. 이 한계는 구형의(spherical) 자성 입자에 대해 통상적으로 약 50nm이다. 하지만, 자성 도메인, 예컨대 강자성 도메인이 나노위스커내에 통합되는 경우, 상기 도메인이 강자성이 되지 않고 초상자성 상태로의 전이(transition)를 겪게 되는 직경이 감소될 수 있는데, 그 이유는 나노위스커의 실질적으로 1차원 특성은 자성 물질의 이온들(또는 원자들)의 자성 모멘트의 가능한 재방위(reorientation)를 제한하려는 경향이 있기 때문이다. 위스커의 물질은 철, 코발트, 망간 또는 그 합금으로 만들어질 수 있다. 여타의 가능한 물질들은 망간 비소(강자성)를 포함할 수 있다. 따라서, 특정한 물질에 대한 종래의 하한(lower limit) 미만으로 나노위스커내에 형성된 강자성 도메인의 크기를 감소시킬 수 있다. 따라서, 강자성 특성들은, 적어도 몇몇 자성 물질들에 대해서, 10nm 이하의 직경을 갖는 나노위스커들내에 그들을 형성함으로써 10nm 이하의 횡단 치수(transverse dimensions)로 보유될 수 있다. 이러한 매우 작은 강자성 요소들은 자성 메모리 디바이스들의 분야에서 분명한 용도들을 가진다.
따라서, 본 발명에 따르면, 선택적으로 자화될 수 있는 보다 작은 자성 메모리 요소들을 준비할 수 있고, 감지될 수 있는 자성 플럭스(magnetic flux)를 생성할 수 있다. 나노와이어(또는 나노위스커) 지오메트리(geometry)의 감소된 대칭성은, 자성 반도체 물질들에 대한 보다 높은 퀴리 온도(Curie temperature)를 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 상이한 격자 상수(lattice constant)들을 갖는 (위스커 내부의) 물질들을 조합하는 자유는, 실온 이상의 퀴리-온도를 가질 수 있는, MnGaP 및 MnGaN과 같은, 이들 응용예들에 대한 새로운 자성 반도체들의 이용을 향상시킬 수 있게 된다. 대안적으로, Fe, Co, Ni과 같은 요소들을 포함하는 금속성 강자성 물질들이 채택될 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 강자성 물질, 반자성 물질(반도체 매트릭스(matrix)내의 자성 이온들의 희석 용액) 또는 여타의 적절한 가지 물질, 예컨대 강자성체를 이용하여 시행될 수 있다.
그러므로, 또 다른 실시형태에서, 본 발명은 자성 물질을 포함하는 나노위스커를 제공하고, 상기 나노위스커의 직경은 단일 강자성 도메인이 나노위스커내에 존재하도록 되어 있다. 나노위스커의 직경은 약 25nm보다 크지 않은, 바람직하게는 약 10nm보다 크지 않은 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 생성된 나노위스커들은 본질적으로 원통형일 수 있으며 일정한 직경을 가질 수 있거나, 정밀한 나노위스커 성장 조건들에 따라 다소 테이퍼진 형태를 가질 수도 있다. 나노위스커의 길이를 따라 직경이 엄격히(strictly) 일정하지 않은 경우, 나노위스커의 직경은 평균값으로 간주되어야 한다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 나노요소들, 바람직하게는 나노위스커들의 어레이를 포함하는 데이터 저장 매체를 제공하고, 그 각각은 자성 물질을 포함하며, 또한 제 1 자화 방향(magnetised direction)과 제 2 자화 방향 중 어느 방향으로도 각각의 나노위스커를 선택적으로 자화하고 각각의 나노위스커의 자화 방향을 감지하는 판독/기록 구조체를 제공한다.
감지 디바이스는 SPM 타입 구성을 포함하는 것이 바람직하며, 상술된 바와 같이, 캔틸레버 지지체에는 스핀-분극된 전자들의 스트림을 제공하는 나노위스커 및 탐침 부재가 제공된다. 이러한 탐침 구조체(탐침 부재 및 나노위스커)는 나노요소들을 스캔하도록 어레이를 가로질러 이동될 수 있으며, 자화 방향을 감지하기 위해서 요소와 정렬되어 선택적으로 위치될 수 있다. 전류 유동에 대한 요소의 임피던스는 자화 방향의 표시(indication)를 제공한다. 자화 방향을 기록하는 디바이스는 감지를 위한 디바이스를 포함할 수 있지만, 스핀 분극된 전류의 크기는 원하는 자화 방향안으로 나노요소를 강제(force)하기 위해 크게 증가된다. 대안적으로, 단지 예시의 방식으로, 그 자기장에 의해 나노요소들을 선택적으로 자화하도록 강력히 자화될 수 있는 탐침을 포함하는 별도의 기록 헤드(writing head)가 제공될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 데이터 저장 매체를 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
기판상의 사전설정된 위치들에 촉매 물질의 볼륨들을 형성하는 단계; 및
각각의 위치에, 단일 강자성 도메인만이 나노위스커내에 존재하는 치수로 되어 있고 자성 물질로 되어 있는 상기 나노위스커를 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 제 1 실시예를 형성하는, 원자력 현미경(AFM)용 탐침의 형성의 공정 단계들을 도시하는 도면;
도 2a 및 도 2b는 스캐닝 터널링 현미경(STM)용 탐침을 포함하는 본 발명의 제 2 실시예를 도시하는 도면;
도 3은 생물학적 샘플들의 특성들을 결정하도록 순응된 본 발명의 제 3 실시예를 도시하는 도면;
도 4는 스핀트로닉스 회로내에 스핀 분극된 전자들의 전류 주입을 위한 기구를 형성하는 나노구조체를 포함하는 본 발명의 제 4 실시예를 도시하는 도면;
도 5a 내지 도 5c는 데이터 저장 매체를 형성하는 자성 물질의 나노위스커들의 어레이를 포함하는 본 발명의 제 5 실시예를 도시하는 도면; 및
도 6a 내지 도 6e는 나노위스커 어레이를 형성하는 공정을 도시하는 도면이 다.
이제, 도 1a를 참조하면, AFM용 탐침은, 예를 들어 100 내지 500㎛ 사이의 길이로 되어 있고 직사각형 단면 50 x 5㎛을 갖는 직사각형 세장형 바아(elongate bar)을 형성하기 위해 (예를 들어, 에칭으로) 마이크로-기계가공된 실리콘의 빔(2)을 포함한다. 이는 바아에 휨(flexure)에 대한 사전설정된 탄성을 제공한다. 이 탄성은 상기 구조체가 AFM에서 사용되기에 적합하게 한다. 빔(2)의 일 단부에는, 바닥 넓이가 10㎛ 이고 높이가 20㎛인 원뿔형 탐침(4)이 상기 빔과 함께 일체로 형성된다. 탐침(4)의 말단부(6)는 약 20nm의 가로 치수를 가진다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 금의 볼륨(10)이 탐침의 단부(6)에 부착되어 있다. 이 단계를 수행하기 위해서 다양한 기술들이 채택될 수 있다. 예를 들어, 금(10)은 금 이온들을 함유한 용액내에 단부(6)를 침지시키고 전극들의 쌍 중 일 전극으로서 탐침을 채택함으로써 전해 도금(electrolytically plate)될 수 있으며, 전극들간에는 전압이 인가된다. 대안적으로, 분자들의 빔은 분자 빔 장치(molecular beam apparatus)에서, 단부(6)에서 지향될 수 있다. 분자들은 금 이온들을 함유한 유기금속성 타입(organometallic type)으로 되어 있다. 적절한 작동 조건들 하에서, 들어가는 분자(incident molecule)들은 단부(6)에 접합되어 있는 금 이온들과 함께 단부(6)에서 프래그먼트(fragment)된다. 또 다른 대안예로서, 금속의 에어러졸 드롭릿(aerosol droplet)은 이러한 에어러졸에 탐침을 노출시킴으로써 탐침의 단부에 부착될 수 있다. 전기장을 통해 단부(6)의 영역내에 드롭릿들을 끌어당기기 위해서, 탐침에 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 당업자라면 쉽게 구현할 수 있을 것이기 때문에, 이들 기술은 모두 예시되어 있지 않다.
단부(6)상의 금 볼륨(10)의 형성 후, 빔(2)은 도 1c의 CBE(Chemical Beam Epitaxy) 장치(14)안으로 이동된다. 금이 용융되고 합체되어 입자(12)가 되도록, 빔은 400℃ 정도의 온도로 가열된다. 그 후, 갈륨, TMG(trimethylgallium) 또는 TEG(triethylgallium)을 함유한 유기 분자들의 빔이 소스 챔버(source chamber)(14)안으로 주입되며, 비소 이온들, 예컨대 TBA(tributylarsine) 또는 AsH3를 함유한 가스가 상기 챔버안으로 도입된다. TBA 물질은 채택된 높은 온도에 의해 분해(decompose)되는 반면, III 족 분자들, TMG 또는 TEG는 샘플 표면에서 브레이크 다운(break down)된다. 여하간에, 갈륨 및 비소 원자들은 공정 합금을 형성하기 위해 금 촉매 입자(6)에 의해 흡수된다. 또 다른 흡수 시에는, 공정 합금이 과포화되고 갈륨 비소가 입자(12)와 탐침 자유단의 표면 사이에 증착되어, 나노위스커 컬럼(16)을 형성하게 된다. 이 공정은 2003년 7월 8일에 출원된 우리의 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호에 보다 충분히 서술되어 있다. 채택되는 온도에 따라, 나노위스커는 완벽하게 원통형일 수 있으며, 또는, 바람직하다면, 원뿔형으로 형성될 수 있다. 나노위스커의 직경은 금(10)의 초기 영역 및 입자(12)의 결과적인 직경에 의존한다. 결과적인 AFM 탐침이 도 1d에 도시되어 있다.
도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 주입된 캐리어들의 매우 좁은 에너지 분포가 설계되고 제어될 수 있는 참신한 특성(novel property)을 갖는 원자력 현미 경 또는 여타의 현미경 기구(microscopic instrument)용 탐침이 이에 따라 형성된다. 이 좁은 에너지 분포는, 약 10mev의 에너지 범위를 갖는(이는 특정 물질과 본질적으로 독립적임), 반도체의 전도대내에 자유 전자들을 생성하는 약하게 도핑된 큰 밴드-갭 반도체 나노와이어 물질(예컨대, GaP, GaN, ZnO)의 이용에 의해 얻어질 수 있다. 대안적으로, 약 1mev의 훨씬 더 작은 에너지 분포는, 예를 들어 나노와이어내의 설계된 공명 터널링 구조체의 이용에 의해 얻어질 수 있다. 상이한 밴드갭의 물질들간의 나노와이어내의 일련의 이종접합들로 구성된 공명 터널링 구조체는, 본 명세서에서 인용참조되고 있는, 함께 계류중인 2003년 7월 7일에 출원된 미국 출원 제 10/613,071호 및 2003년 7월 8일에 출원된 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호에 충분히 개시되어 있으며, 본질적으로 상술된 공정에 의해 형성되나, 가스 성분들이 나노와이어의 성장 시 상이한 물질의 세그먼트들을 생성하기 위해서 신속하게 스위칭된다. 이는 도 1e에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서, 나노위스커(16)는 공명 터널링 다이오드(RTD)를 형성하기 위해서 낮은 밴드 갭 물질의 도전성 세그먼트(18)를 한정(bound)하는 넓은 밴드 갭 물질의 세그먼트들(17)을 포함한다.
대안적인 구성에서, 2003년 7월 8일에 출원된 국제 출원 제 PCT/GB03/002929호의 도 15 및 도 16을 참조하여 보다 충분히 서술된 바와 같이, 특정 파장의 발광 다이오드를 생성하기 위해서, 세그먼트(18)의 물질, 및 나노위스커의 길이를 따른 그 폭이 선택된다. 이 다이오드는, 충분히 작아서(20nm3) 포인트 소스(point source)로서 간주될 수 있으며, "요구에 따라(on demand)" 단일 광자들을 방출할 수 있도록 정확하게 제어될 수 있다. 이는, 상술된 바와 같이, 생물학적 분자들을 맵핑하고 스캐닝하는데 사용될 수 있다.
대안적인 구성에서, 도 1f에 도시된 바와 같이, CBE 챔버내에서 가스의 성분들을 신속히 스위칭함으로써, InAs와 같은 희생 물질로 된 짧은 세그먼트(20)가 GaAs 나노위스커의 단부에 형성된다. 적절한 산을 이용한 후속 에칭은 세그먼트(20) 및 금 입자 용융물(12)을 제거한다. 남아 있는 나노위스커(16)는 (상이한 물질들의 부분들 또는 세그먼트들을 포함할 수 있지만) 이 예시 전반에 걸쳐 동일한 물질로 되어 있고, 양호하게-정의된 단부를 가지며, 에칭 공정은 뾰족하게 되거나 예리하게 라운딩된 단부(22)를 생성한다. 그 단부에서의 와이어의 직경은 5 내지 25nm 사이에 존재할 수 있다. 원칙적으로는 위스커가 보다 작은 직경으로 만들어질 수 있지만, 이 범위가 AFM의 요구되는 응용예들에 적합하다는 것이 밝혀졌다. 이 구성은, 나노위스커를 통해 유동하는 전자들의 양호하게-정의된 스트림을 가져야할 필요가 있는 경우에 유익하다.
상술된 바와 같이, AFM 탐침은 유연한 캔틸레버 빔을 가지지만, 이는 여타의 응용예들에 엄격하게 필요한 것은 아니며, 강성의 기판 또는 여타의 지지 부재가 상기 빔을 대신할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 STM용 프로브를 도시한다. 도 2a에서, 지지체(24)는 홀더(28)내에 유지된 금속성 와이어 탐침 부재(26)를 포함하는 STM 탐침 구조체를 장착하고 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 와이어(26)의 단부는 도면번호(30)에서 테이퍼진다. 도 1b 내지 1g를 참조하여 상기에 서술된 공정들에 따라, 나노위스커(34)가 그 단부에 형성된다. STM 응용예들은 통상적으로 원자 스케일의 측정들을 요구하기 때문에, 나노위스커는 적어도 그 탐침에서 매우 작은, 다시 말해 10nm 이하, 또는 훨씬 작은 5nm 미만의 직경을 가질 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 일체화된 나노위스커를 갖는, AFM의 탐침 구조체를 포함하는 제 3 실시예가 도시되어 있으며, 도 1과 유사한 부분들은 동일한 참조 번호들로 표시되어 있다. 나노위스커(36)는 상술된 방법에 의해 형성된다. 나노위스커는 실리콘으로 형성되며 일 단부에 금 입자 용융물(12)을 가진다. 위스커의 형성에 후속하여, 위스커는 실리콘의 산화를 위해 적절한 온도에서 분위기(atmosphere)에 노출된다. 이는, 위스커를 둘러싸고 그 길이를 따라 연장되는 실리콘 이산화물로 된 외측 쉘(outer shell)(38)을 형성한다. 금 입자 용융물(38)은 산화되지 않은 상태로 남아 있다.
그러므로, 이는, 생물학적 샘플과의 상호작용 영역이 매우 정밀하게 정의되기 때문에, 생물학적 샘플들의 정밀한 조사에 매우 적합한 구조체를 제공한다. 나노위스커(36, 38, 12)는, 예를 들어 탐침 구조체의 3개의 이동 방향들(X, Y, Z)로 생물학적 조직의 특성들을 맵핑하는데 사용될 수 있다.
대안예로서, 위스커(36)는 산화층(38)에 대한 대안예로서 높은 밴드 갭 물질을 형성하는 적절한 물질의 분위기에 노출될 수 있다. 금 입자 용융물(12)은, 어느 경우에서도, 생물학적 샘플들과의 원하는 반응들을 생성하기 위해서, 효소 물질(enzyme material) 또는 여타의 생물학적 활성 물질로 코팅될 수 있다.
생물학적 조직의 특성 및 3차원 맵핑에 대한 대안적인 구성에서는, 도 1e를 참조하여 상술된 바와 같이, 나노위스커(16, 17, 18)내에 발광 다이오드가 형성된다. 생물학적 조직과 광의 상호작용은, 특히, 충분히 작아서(20nm3) 포인트 소스로서 간주될 수 있는 경우, 또한 다이오드가 "요구에 따라" 단일 광자들을 방출할 수 있는 경우, 조직을 특성화하는 고도로 민감한 툴을 제공한다.
도 4에는, 스핀트로닉스의 분야에서 사용되는 본 발명의 제 4 실시예가 도시되어 있다. 스핀트로닉스는 전자 디바이스들의 특성들이 그 디바이스를 통해 전자 스핀의 전달(transport)에 의존하는 기술 분야이다. 도 4에서, 도 1과 유사한 부분들은 유사한 참조 번호들로 표시되어 있다. 상술된 공정에 의해 탐침 부재(4)의 단부에 형성된 위스커(40)는, Mn의 희석 농도를 함유한 자성 물질(MnInAs, MnGaAs, MnAs) 또는 반자성 물질로 되어 있다. 전압(V)이 인가되면, 스핀 분극된 전자들(44)은, 기판(48)상에 증착된 전기적 접촉부(46)와 전기적으로 접촉하게 하는 위스커의 탐침으로부터 방출된다. 스핀 분극 전자들(44)은, 터널링 공정에 의해 접촉부(46)안으로 주입된 후, 기판(48)상에 배치된 나노필러(nanopillar)(49)와 같은 자성 메모리 요소의 상태를 판독하는 것과 같이 원하는 기능을 위해 사용되며, 각각 도면번호(50L) 및 도면번호(50U)로 도시적으로 나타낸 하부 및 상부 전기 도전체들에 의해 전기적으로 연결된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 제 5 실시예에서는, 나노위스커들(50)의 규칙적인 어레이가 기판(52)상에 형성된다. 도 5a에는 실제 어레이의 작은 부분만이 도시되어 있으며, 간명함을 위해서, 나노위스커들 중 다수의 위치들만이 나타내어져 있 다. 각각의 나노위스커(54)는 직경이 20nm이고, 단일 강자성 도메인으로 구성된 자성 물질(예컨대, Fe, Co, Mn, MnAs, MnGaAs, MnInAs)로 형성되며, 도 5b에 도시된 바와 같이 스핀-업 상태로 존재할 수 있거나 도 5c에 도시된 바와 같이 스핀-다운 상태로 존재할 수 있다. 본 발명에 따르면, 나노위스커내에 통합되는 경우, 1차원 시스템에서의 기하학적 대칭 정렬의 가능성이 감소됨에 따라 도메인 직경이 감소될 수 있으며, 이는 물질의 이온들이 1이상의 방위를 갖는 것을 더욱 어렵게 한다. 위스커의 물질은, 철, 코발트, 망간, 또는 그 합금을 포함할 수 있다.
어레이(50)는 로우(row)들 및 컬럼들(56, 58)을 갖는 정사각형 매트릭스로서 배치된다. 각각의 나노위스커는 직경이 20nm이며, 인접한 나노위스커들로부터 로우 및 컬럼 방향들로 10nm의 거리만큼 이격되어 있다. 일반적으로, 인접한 나노위스커들간의 간격은 그들 직경의 2배 미만이어야 한다. 이 값은, 가능한한 밀접하게 패킹(closely pack)되게 하기 위한 나노위스커들의 요건과, 나노위스커들이 개별적으로 모니터링될 수 있도록 충분히 양호하게 이격되어야 하는 요건간의 타협점(compromise)을 나타낸다. 직사각형 매트릭스 대신에, 나노위스커들은 여하한의 원하는 구성, 예컨대 육각형 격자 구성(밀접하게 패킹된 육각형), 또는 심지어 선형 구성으로 배치될 수 있다. 도 4에서와 유사한 캔틸레버 & 탐침 구성(2, 4, 40)은 로우 및 컬럼 방향들(X, Y)로 어레이를 스캐닝하기 위해서 상기 어레이에 걸쳐 이동가능한 판독/기록 헤드로서 채택된다. 헤드 이동은, 각각의 나노위스커와 정렬하여, 직접 오버헤드(overhead)를 선택적으로 위치설정하기 위해 종래의 SPM 기술들에 의해 제어된다.
판독 또는 감지 모드에서, 헤드(2, 4, 40)는 인접한 나노위스커내에 스핀-분극된 전자들의 약한 전류를 방출한다. 전류 유동에 대한 나노위스커의 임피던스는 자화 방향의 표시를 제공한다.
기록 모드에서, 헤드로부터 방출된 스핀 분극된 전자들의 전류의 크키는, 나노위스커를 통해 유동하는 경우, 원하는 자화 방향으로 나노위스커를 강제하기 위해서, 크게 증가되며 또한 충분하다.
나노위스커들의 어레이를 형성하는 공정에 관하여, 금 촉매 영역들은 NIL 공정에 의해 나노위스커들(54)의 원하는 위치들에서 기판(52)상에 형성된다. 이는 위치들의 로우의 일부분의 단면도인 도 6a 내지 도 6e에 도시되어 있다. 도 6a에서, 기판(52)은 그 상부 표면상에, 변형가능한 폴리머(deformable polymer)(60)의 층을 형성하였다. 상기 폴리머는 나노위스커들의 의도된 위치들(62)에 직사각형 후퇴부들을 형성하도록 강성의 스탬프(stamp)(도시되지 않음)에 의해 변형되었다. 그 후, 위치 후퇴부들(62)내의 폴리머를 제거하기 위해 폴리머가 에칭되며, 금(64)의 층이 도포(apply)된다. 그 결과가 도 6b에 도시되어 있으며, 여기서, 금(64)은 그 위치들에서 기판과 접촉하게 하며, 그 이외에는 잔여 폴리머(60)의 최상부상에 배치된다. 마지막으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 또 다른 에칭 단계는 나노위스커 위치들(62)에 금 영역들(66)을 남겨두기 위해서, 잔여 폴리머 영역들을 제거한다.
그 후, 도 6d에 나타낸 바와 같이, 금 영역들이 합쳐져 입자(12)가 되게 하기 위해서 열이 가해지는 에피택셜 성장 반응 챔버(epitaxial growth reaction chamber)로 기판이 전달된다. 상기 반응 챔버 안으로 가스들이 도입되며, VLS 공정 에 의해 나노와이어들(54)이 성장된다(도 6e). 나노와이어들은 정밀하게 형성되며, 원하는 위치들에 정확히 위치된다. 필요하다면, 이전에 서술된 바와 같이, 후속 에칭 단계는 나노와이어들의 단부에 있는 금 입자들을 제거할 수 있다.
Claims (66)
- 스캐닝 프로브 현미경(scanning probe microscope)을 위한 나노기술 구조체(nanotechnological structure)에 있어서,지지 부재로부터 직립한(upstanding) 탐침 부재(tip member), 및 상기 탐침 부재의 자유단상에서 성장되며 또한 그로부터 돌출되는 나노위스커를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지 부재는 기계적 특성들 및 사전설정된 치수의 유연한 부재를 포함하여 이루어지고, 상기 직립한 탐침 부재는 상기 유연한 부재의 자유단에 또는 그와 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 2 항에 있어서,상기 유연한 부재는 세장형 빔(elongate beam)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노위스커는, 사용시 그를 통해 유동하는 전자들의 좁은 에너지 분포를 제공하기 위해서, 도핑된 큰 밴드 갭(band gap) 반도체 물질을 포함하여 이루어 지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노위스커는 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트(segment)들의 시퀀스를 포함하는 공명 터널링 다이오드 구조체(resonant tunnelling diode structure)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노위스커는 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스를 포함하는 발광 다이오드 구조체(light emitting diode structure)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 1 항에 있어서,생물학적 물질(biological material)에 대해 불활성(inert)인 물질의 동축 층(coaxial layer)이 상기 나노위스커의 길이를 따라 제공되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 7 항에 있어서,상기 나노위스커는 실리콘으로 형성되며, 상기 동축 층은 실리콘 이산화물인 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노위스커는 자성 물질 또는 반자성 물질로 형성되며, 스핀-분극된 전자(spin-polarised electron)들의 스트림(stream)을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 9 항에 있어서,상기 나노위스커는, MnInAs 또는 MnGaAs 또는 MnAs 중 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 9 항에 있어서,상기 나노위스커는 단일 강자성 도메인(single ferromagnetic domain)만을 갖는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 2 항에 있어서,상기 유연한 부재는 자성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 나노기술 구조체에 있어서,유연한 지지 부재를 포함하여 이루어지고, 상기 지지 부재는 상기 지지 부재 의 자유단에 형성되거나 그와 인접하여 형성된 직립한 탐침 부재를 가지며, 상기 탐침 부재의 자유단상에서 성장된 나노위스커를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,상기 유연한 지지 부재는 세장형 빔을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,상기 나노위스커는, 사용시 그를 통해 유동하는 전자들의 좁은 에너지 분포를 제공하기 위해서, 도핑된 큰 밴드 갭 반도체 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,상기 나노위스커는 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스를 포함하는 공명 터널링 다이오드 구조체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,상기 나노위스커는 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스 를 포함하는 발광 다이오드 구조체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,생물학적 물질에 대해 불활성인 물질의 동축 층이 상기 나노위스커의 길이를 따라 제공되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 18 항에 있어서,상기 나노위스커는 실리콘으로 형성되며, 상기 동축 층은 실리콘 이산화물인 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,상기 나노위스커는 자성 물질 또는 반자성 물질로 형성되며, 스핀-분극된 전자들의 스트림을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 20 항에 있어서,상기 나노위스커는, MnAs 또는 MnInAs 또는 MnGaAs 중 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 20 항에 있어서,상기 나노위스커는 단일 강자성 도메인만을 갖는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 제 13 항에 있어서,상기 지지 부재는 자성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체.
- 스캐닝 프로브 현미경을 위한 나노기술 구조체를 형성하는 방법에 있어서,탐침 부재를 제공하는 단계;상기 탐침 부재의 자유단에 촉매 물질의 매스(mass)를 제공하는 단계; 및상기 매스를 가열하고, VLS 공정에 의해서, 상기 탐침 부재로부터 직립한 나노위스커를 형성하기 위한 조건들하에서 사전설정된 타입의 가스들에 상기 매스를 노출시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,촉매 물질의 상기 매스는, 전해 공정(electrolytic process)에 의해 상기 탐침 부재 자유단상에 제공된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,촉매 물질의 상기 매스는, 에어러졸 입자(aerosol particle)를 그 위에 증착함으로써, 상기 탐침 부재 자유단상에 제공된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 나노위스커는, 사용시 그를 통해 유동하는 전자들의 좁은 에너지 분포를 제공하기 위해서, 도핑된 큰 밴드 갭 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 나노위스커는, 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스를 갖는 공명 터널링 다이오드 구조체를 포함하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 나노위스커는, 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스를 갖는 발광 다이오드 구조체를 포함하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 나노위스커는 자성 물질 또는 반자성 물질로 형성되며, 스핀-분극된 전자들의 스트림을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 30 항에 있어서,상기 나노위스커는, MnAs 또는 MnInAs 또는 MnGaAs 중 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 30 항에 있어서,상기 나노위스커는 단일 강자성 도메인만을 갖는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 탐침 부재는 사전설정된 치수의 유연한 지지 부재상에 장착되며, 상기 유연한 지지 부재는 자성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 촉매 물질은 상기 나노위스커와 동일한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 나노위스커는 산화성 물질(oxidisable material)로 형성되며, 상기 방법은, 상기 나노위스커의 길이를 따라 동축 산화물층을 형성하기 위해서, 산화 환경에 상기 나노위스커를 노출시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 나노위스커의 단부에, 상기 나노위스커의 인접한 부분의 물질과 상이한 물질의 세그먼트를 제공하기 위해서, 1이상의 작동 조건을 변화시킴으로써 상기 나노위스커의 성장을 종료하는 단계; 및상기 나노위스커와 상이한 물질 및 상기 나노위스커로부터 상기 촉매 물질을 제거하기 위해서, 상기 상이한 물질을 선택적으로 에칭하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 나노기술 구조체를 형성하는 방법에 있어서,기계적 특성 및 사전설정된 치수의 유연한 지지 부재의 단부에 또는 그 근처에 직립한 탐침 부재를 제공하는 단계;상기 탐침 부재의 자유단에 촉매 물질의 매스를 제공하는 단계; 및상기 매스를 가열하고, VLS 공정에 의하여, 상기 탐침 부재로부터 직립한 나노위스커를 형성하기 위한 조건들하에서 사전설정된 타입의 가스들에 상기 매스를 노출시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 지지 부재는 세장형 빔을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 38 항에 있어서,촉매 물질의 상기 매스는, 전해 공정에 의해 또는 에어러졸 입자의 증착에 의해, 상기 탐침 부재 자유단상에 제공된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 나노위스커는, 사용시 그를 통해 유동하는 전자들의 좁은 에너지 분포를 제공하기 위해서, 도핑된 큰 밴드 갭 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 나노위스커는, 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스를 갖는 공명 터널링 다이오드 구조체를 포함하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 나노위스커는, 상이한 밴드 갭들의 반도체 물질의 세그먼트들의 시퀀스를 갖는 발광 다이오드 구조체를 포함하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 나노위스커는 자성 물질 또는 반자성 물질로 형성되며, 스핀-분극된 전자들의 스트림을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 43 항에 있어서,상기 나노위스커는, MnAs 또는 MnInAs 또는 MnGaAs 중 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 43 항에 있어서,상기 나노위스커는 단일 강자성 도메인만을 갖는 것을 특징으로 하는 나노기 술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 지지 부재는 자성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 촉매 물질은 상기 나노위스커와 동일한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 나노위스커는 산화성 물질로 형성되며, 상기 방법은, 상기 나노위스커의 길이를 따라 동축 산화물층을 형성하기 위해서, 산화 환경에 상기 나노위스커를 노출시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 나노위스커의 단부에, 상기 나노위스커의 인접한 부분의 물질과 상이한 물질의 세그먼트를 제공하기 위해서, 1이상의 작동 조건을 변화시킴으로써 상기 나노위스커의 성장을 종료하는 단계; 및상기 나노위스커와 상이한 물질 및 상기 나노위스커로부터 상기 촉매 물질을 제거하기 위해서, 상기 상이한 물질을 선택적으로 에칭하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노기술 구조체를 형성하는 방법.
- 나노위스커를 형성하는 방법에 있어서,촉매 물질의 매스를 제공하고, VLS 공정에 의해 나노위스커를 형성하기 위해서, 사전설정된 작동 조건들 하에서 1이상의 가스들에 상기 매스를 노출시키는 단계;상기 나노위스커의 단부에, 상기 나노위스커의 인접한 부분의 물질과 상이한 물질의 세그먼트를 제공하기 위해서, 1이상의 작동 조건을 변화시킴으로써 상기 나노위스커의 성장을 종료하는 단계; 및상기 나노위스커와 상이한 물질 및 상기 나노위스커와 상기 촉매 물질을 제거하기 위해서, 상기 상이한 물질을 선택적으로 에칭하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노위스커를 형성하는 방법.
- 제 50 항에 있어서,상기 나노위스커의 상기 단부는 예리하게 라운딩되거나(sharply rounded) 뾰족한 단부(pointed end)를 생성하기 위해서 에칭되는 것을 특징으로 하는 나노위스커를 형성하는 방법.
- 자성 물질로 형성된 나노위스커에 있어서,단일 강자성 도메인만이 상기 나노위스커내에 존재하며, 상기 나노위스커의 직경은 약 25nm 미만인 것을 특징으로 하는 나노위스커.
- 데이터 저장 매체에 있어서,기판상에 형성된 나노위스커들을 포함하여 이루어지고, 각각의 나노위스커는 자성 또는 반자성 물질로 형성되며, 및2개의 자화 방향(magnetised direction)들 중 어느 방향으로도 각각의 나노위스커를 선택적으로 에너지화(energise)하고 각각의 나노위스커의 자화 방향을 감지하도록 작동하는 판독/기록 구조체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 53 항에 있어서,각각의 나노위스커는 단일 강자성 도메인만을 갖는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 53 항에 있어서,각각의 나노위스커는 약 25nm보다 크지 않은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 53 항에 있어서,상기 판독/기록 구조체는, 상기 나노위스커들 위에서 이동가능하고, 스핀-분극된 전자들의 전류를 그 안에 주입하기 위해 각각의 나노위스커 위에서 선택적으로 위치될 수 있는 1이상의 헤드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 56 항에 있어서,상기 헤드는 판독/기록 헤드이며, 기록 모드에서, 상기 헤드는, 상기 나노위스커안으로 원하는 자화 방향을 강제(force)하기 위해서, 선택된 나노위스커안으로 스핀 분극된 전자들의 충분히 강한 전류를 주입하도록 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 56 항에 있어서,상기 헤드는, 도전성 또는 반도전성 물질의 탐침 부재를 포함하는 나노기술 구조체, 및 상기 탐침 부재의 단부로부터 돌출되고 그와 함께 일체화되는 나노위스커를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 58 항에 있어서,상기 탐침 부재는 유연한 지지 부재상에 배치되는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 59 항에 있어서,상기 유연한 지지 부재와 상기 나노위스커 중 하나는, 스핀 분극된 전자들의 스트림을 제공할 수 있는 자성 또는 반자성 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 제 53 항에 있어서,각각의 나노위스커는 그 가장 가까운 이웃들의 각각으로부터 그 직경의 2배 미만의 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 데이터 저장 매체에 있어서,기판상에 형성된 1차원의 나노요소들을 포함하여 이루어지고, 각각의 나노요소는 자성 또는 반자성 물질로 형성되며, 및제 1 자화 방향과 그와 반대인 제 2 자화 방향 중 어느 방향으로도 각각의 나노 요소를 선택적으로 자화하고, 각각의 나노요소의 자화 방향을 감지하는 판독/기록 구조체를 포함하여 이루어지며,상기 판독/기록 구조체는, 상기 나노요소들에 걸쳐 이동가능하고 스핀-분극된 전자들의 전류를 그 안에 주입하기 위해 각각의 나노요소에 걸쳐 선택적으로 위치될 수 있는 헤드를 포함하여 이루어지고,상기 헤드는, 도전성 또는 반도전성 물질의 탐침 부재를 포함하는 나노기술 구조체, 및 상기 탐침 부재의 단부로부터 돌출되고 그와 함께 일체화되는 나노위스커를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
- 데이터 저장 매체를 형성하는 방법에 있어서,기판상의 사전설정된 위치들에 촉매 물질의 매스들을 형성하는 단계; 및단일 강자성 도메인만이 나노위스커내에 존재하도록, 각각의 위치에, 자성 또는 반-자성 물질이 상기 나노위스커를 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체를 형성하는 방법.
- 제 52 항에 있어서,약 25nm보다 크지 않은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 나노위스커.
- 약 10nm보다 크지 않은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 나노위스커.
- 제 53 항에 있어서,각각의 나노위스커는 약 10nm보다 크지 않은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 매체.
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