KR20100130437A - 나노 디바이스 - Google Patents

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KR20100130437A
KR20100130437A KR1020090049123A KR20090049123A KR20100130437A KR 20100130437 A KR20100130437 A KR 20100130437A KR 1020090049123 A KR1020090049123 A KR 1020090049123A KR 20090049123 A KR20090049123 A KR 20090049123A KR 20100130437 A KR20100130437 A KR 20100130437A
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nano device
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nano
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KR1020090049123A
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이규철
김용진
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀(graphene)과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연(graphite)을 포함하는 탄소층의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물이 형성된 나노 디바이스에 관한 것으로서, 그래핀 전자 소자와 광소자를 비롯한 다양한 소자를 결합한 집적회로를 제공할 수 있으며, 금속 촉매를 사용하지 않으므로 불순물을 적게 함유하는 고순도 및 고품질의 나노 디바이스를 제공할 수 있다.
나노디바이스, 나노구조물, 그래핀, 단결정흑연, 나노물질

Description

나노 디바이스{NANO DEVICE}
본 발명은 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀(graphene)과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연(graphite)을 포함하는 탄소층의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물이 형성된 나노 디바이스에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소원자들이 벌집모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나소 소자이다.
탄소화합물로써 그래파이트(graphite)가 판상구조를 가지는데 그래파이트 한겹을 그래핀이라 부른다.
탄소 원자들이 원통모양으로 연결된 탄소나노튜브와는 전혀 성질이 다르다.
그래핀을 통과하는 전자는 초당 105m(빛 속도의 300분의 1)로 흐른다. 반도체와 금속의 전기적 성질이 공존하는 탄소나노튜브보다 훨씬 전자 소자로 사용하기에 적합한 재료이다.
또한, 그래핀은 우수한 전기적인 특성, 기계적 특성을 가지고 있기 때문에, 많은 관심을 가지고 있다.
투명 플렉시블 디스플레이, 초고속 나노 메모리, 차세대 태양 전지 등 앞으로 적용범위가 무궁 무진하다.
특히, 그래핀을 이용해서 전자 소자를 제조하기 위한 많은 연구가 이루어 지고 있다. 실리콘 기반 전자소자를 광소자와 같이 집적해서 기능성을 부가하고자 하는 연구와 같이, 그래핀 전자 소자에 광소자, 메모리 소자 등의 소자를 구현하여 더 많은 기능성을 부가할 수 있다. 그래핀은 잘 알려진 것과 같이, 전자 소자로 이용하기에는 유용한 물질이지만, 광소자 (특히, 가시광 영역이나 자외선 영역)으로 개발하기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서는 단결정 그래핀 상에 다양한 기능성 나노 구조물을 이용한 소자를 제작하여 집적하는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 그래핀과 단결정 흑연 상에 집적화가 가능한 나노 디바이스를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 디바이스는 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연을 포함하는 탄소층; 및 상기 탄소층의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 탄소층 하판에 구비되어 회로를 구성하기 위한 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 나노 구조물은 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브 및 나노 벽 인 것 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 나노 구조물의 직경에 대한 길이의 비는 1 내지 1000 인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 나노 구조물의 직경은 10 nm 내지 100 mm인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 나노 구조물의 높이는 10 nm 내지 100 mm인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 나노 구조물은 금속 및 반도체 물질인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 탄소층 상에는 식각부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 식각부는 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 선 중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상가 식각부는 나노 구조물이 성장하는 씨드층으로 작용을 하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 식각부는 하나 이상이 형성되며, 각 식각부 간의 거리는 1 nm 내지 1000 mm인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 식각부는 서로 상이한 모양을 갖는 둘 이상의 식각부가 형성된 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 탄소층과 하나 이상의 나노 구조물 사이에는 하나 이상의 개구부를 갖는 마스크층을 더 포함하는 하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 하나 이상의 개구부는 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 선의 형태중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 개구부들간의 거리는 1 nm 내지 1000 mm인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 나노 구조물 표면을 균일하게 덮은 다층 필름층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 다층 필름층은 0.1 nm 내지 100 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 다층 필름층은 나노 구조물과 복수의 접합부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 다층 필름층은 나노 구조물과 접합부가 양자 우물 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 다층 필름층은 나노 구조물과 접합부가 p-n 접합부로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 디바이스는 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연을 포함하는 탄소층; 상기 탄소층 상에 형성된 소스 전극; 상기 탄소층 의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물; 상기 하나 이상의 나노 구조물 사이에 형성된 절연체; 및 상기 하나 이상의 나노 구조물 상에 형성된 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로써, 상기 절연층의 상부 및 상기 나노 구조물의 표면을 덮는 유전체 층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀(graphene)과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연(graphite)을 포함하는 탄소층의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물이 형성된 나노 디바이스를 제공함으로써, 그래핀 전자 소자와 광소자를 비롯한 다양한 소자를 결합한 집적회로를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 촉매를 사용하지 않으므로 불순물을 적게 함유하는 고순도 및 고품질의 나노 디바이스를 제공하는 효과가 있다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는 것을 이해할 수 있다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서는 도 1 내지 도 11을 통하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 그래핀과 단결정 흑연은 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 것을 단결정 흑연으로, 그 중 한 겹의 층이 그래핀으로 정의된다.
따라서, 본 발명의 목적에 따라 상기 나노 구조물(20)을 성장시키기 위한 선택적으로 사용될 구성요소로써, 본 발명에서는 그래핀과 단결정 흑연을 탄소층(10)으로 표현하여 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기본적인 나노 디바이스의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 나노 디바이스는 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연을 포함하는 탄소층(10)의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구 조물(20)을 포함하여 구성된다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 탄소층(10)이 기판(30)상에 제공될 수 있으며, 상기 탄소층(10) 자체가 기판으로 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노 구조물의 형태는 나타낸 사시도이다.
도 3a 내지 3d에서 도시한 바와 같이, 나노 디바이스를 구성하는 나노 구조물(20)은 나노 막대(22), 나노 바늘(24), 나노 튜브(26) 및 나노 벽(28)의 형태로 구성될 수 있다.
나노 디바이스를 구성하는 나노 구조물(20)의 직경(두께 포함)에 대한 길이의 비는 1 내지 1000이다.
또한, 나노 구조물(10)의 직경(두께 포함)은 10 nm 내지 100 mm이고, 나노 구조물(10)의 높이는 10 nm 내지 100 mm이다.
나노 디바이스를 구성하는 나노 구조물(10)은 금속 및 반도체 물질이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탄소층에 구비된 식각부에 형성된 나노 구조물의 형태를 나타낸 사시도이다.
도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 나노 디바이스는 탄소층(10)상에 하나 이상의 임의의 모양(원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 선을 포함)을 가지는 식각부(40)가 형성되어 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 식각된 부위에서 나노 구조물이 성장하는 씨드층으로 작용을 할 수 있다.
또한, 나노 디바이스는 하나 이상의 임의의 모양을 가지는 식각부(40)는 하나 이상의 식각된 부위가 포함되며, 상기 하나 이상의 식각부(40)간의 거리는 1 nm 내지 1000 mm이다.
상기 하나 이상의 식각부(40)는 서로 상이한 모양을 가지는 둘 이상의 식각부(40)가 형성될 수 있다.
도 6과 도7에 도시한 바와 같이, 나노 디바이스는 탄소층(10)의 나노 구조물(20) 사이에 하나 이상의 개구부(52)를 가지는 마스크층(50)을 형성하여 구성될 수 있다.
또한, 하나 이상의 개구부(52)는 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 선의 형태일 수 있다.
상기 개구부(52)들간의 거리는 1 nm 내지 1000 mm이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 나노 디바이스를 구성하는 나노 구조물(20)표면을 균일하게 덮은 다층 필름층(60)이 더 구성될 수 있다.
상기 다층 필름 층(60)은 0.1 nm ~ 100 mm의 두께를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 밴드 갭에 서로 다른 다층 필름이 형성된 나노 구조물이 탄소층에 성장된 형태를 나타낸 단면도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 나노 구조물(20)은 밴드 갭이 작은 다층 필름 층(60)과 밴드 갭이 큰 다층 필름 층(70)과의 접합부를 형성할 수 있다.
또한, 다층 필름 층(60,70)과 나노 구조물과의 접합부는 양자 우물 구조를 형성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다층 필름층과 나노 구조물과의 p-n 접합부의 형태를 나타낸 단면도이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 상기 p-type 다층 필름층(74)과 n-type 나노 구조물(20)는 p-n 접합부로 형성할 수 있다.
도 11 내지 도 12은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 나노 디바이스의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 나노 디바이스는 탄소층(10), 나노 구조물(20), 절연체(110), 드레인 전극(120), 및 소스 전극(100)으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 탄소층(10)이 소스 전극으로서 작용할 수 있으며, 탄소층(10)을 패터닝하여 하나의 나노 디바이스에 하나의 소스 전극(100)을 형성할 수 있다.
그 결과, 소스 전극(100)들은 상호 전기적으로 절연되므로, 각각의 나노 디바이스에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
상기 나노 구조물(10) 사이에는 절연체(110)가 형성된다.
따라서, 나노 디바이스들은 상호 전기적으로 절연된다. 또한, 절연체(110)는 소스 전극(100)과 드레인 전극(120) 사이를 전기적으로 절연시킨다.
그러므로 각각의 나노 디바이스의 동작을 제어할 수 있다.
나노 구조물(20) 및 절연체(110) 위에는 드레인 전극(70)이 위치한다.
도 12에 도시한 바와 같이, 나노 디바이스는 탄소층(10), 나노 구조물(20), 절연체(110), 유전체(130), 드레인 전극(120), 게이트 전극(140) 및 소스 전극(100)이 포함되어 구성된다.
또한, 탄소층(10)이 소스 전극(100)으로서 작용할 수 으며, 탄소층(10)을 패터닝하여 하나의 나노 디바이스에 하나의 소스 전극(100)을 형성할 수 있다.
그 결과, 소스 전극(100)들은 상호 전기적으로 절연되므로, 각각의 나노 디바이스에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
복수의 나노 구조물 사이에는 절연체가 형성된다. 따라서, 나노 디바이스들은 상호 전기적으로 절연된다. 또한, 절연체(110)는 소스 전극(100)과 드레인 전극 사이(120)를 전기적으로 절연시킨다.
따라서 각각의 나노 디바이스의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 나노 구조물(10) 주위에는 유전체층(130)이 형성된다. 유전체층(130)은 드레인 전극(120)과 게이트 전극(140)을 상호 절연시키며, 나노 구조물(10) 및 절연체(110) 위에는 드레인 전극(120)이 위치한다.
상기와 같이, 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀(graphene)과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연(graphite)을 포함하는 탄소층(10)의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물(20)이 형성된 나노 디바이스를 제공함으로써, 그래핀 전자 소자와 광소자를 비롯한 다양한 소자를 결합한 집적회로를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 촉매를 사용하지 않으므로 불순물을 적게 함유하는 고순도 및 고품질의 나노 디바이스를 제공하는 효과가 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기본적인 나노 디바이스의 구성을 나타낸 사시도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 나노 구조물의 형태는 나타낸 사시도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탄소층에 구비된 홈에 형성된 나노 구조물의 형태를 나타낸 사시도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다층 필름이 형성된 나노 구조물이 탄소층에 성장된 형태를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 밴드 갭에 서로 다른 다층 필름이 형성된 나노 구조물이 탄소층에 성장된 형태를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다층 필름층과 나노 구조물과의 p-n 접합부의 형태를 나타낸 단면도.
도 11 내지 도 12은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 나노 디바이스의 구성을 나타낸 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 탄소층 20 : 나노 구조물
30 : 기판

Claims (22)

  1. 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연을 포함하는 탄소층; 및
    상기 탄소층의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소층 하판에 구비되어 회로를 구성하기 위한 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물은 나노 막대, 나노 바늘, 나노 튜브 및 나노 벽인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 직경에 대한 길이의 비는 1 내지 1000 인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 직경은 10 nm 내지 100 mm인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 높이는 10 nm 내지 100 mm인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물은 금속 및 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소층 상에는 식각부가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 식각부는 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 선 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  10. 제8항에 있어서,
    상가 식각부는 나노 구조물이 성장하는 씨드층으로 작용을 하는 것을 특징으 로 하는 나노 디바이스.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 식각부는 하나 이상이 형성되며, 각 식각부 간의 거리는 1 nm 내지 1000 mm인 나노 디바이스.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 식각부는 서로 상이한 모양을 갖는 둘 이상의 식각부가 형성된 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탄소층과 하나 이상의 나노 구조물 사이에는 하나 이상의 개구부를 갖는 마스크층을 더 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 개구부는 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 선의 형태중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 개구부들간의 거리는 1 nm 내지 1000 mm인 것을 특징으로 하는 나노 디 바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물 표면을 균일하게 덮은 다층 필름층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다층 필름층은 0.1 nm 내지 100 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 다층 필름층은 나노 구조물과 복수의 접합부가 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 다층 필름층은 나노 구조물과 접합부가 양자 우물 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 다층 필름층은 나노 구조물과 접합부가 p-n 접합부로 형성되는 것을 특 징으로 하는 나노 디바이스.
  21. 탄소원자가 서로 연결돼 벌집모양의 평면구조를 갖는 하나의 층으로 구성된 그래핀과 둘 이상의 층으로 구성된 단결정 흑연을 포함하는 탄소층;
    상기 탄소층 상에 형성된 소스 전극;
    상기 탄소층의 판면에 수직으로 성장한 하나 이상의 나노 구조물;
    상기 하나 이상의 나노 구조물 사이에 형성된 절연체; 및
    상기 하나 이상의 나노 구조물 상에 형성된 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 절연층의 상부 및 상기 나노 구조물의 표면을 덮는 유전체 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 디바이스.
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