KR20100131690A - 은이 도핑된 나노선, 이를 포함하는 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

은이 도핑된 나노선, 이를 포함하는 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

실시예들은 나노선, 이를 포함하는 소자 및 은이 도핑된 나노선의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 나노선은 은이 도핑된 산화아연을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 소자는, 기판 및 기판상에 위치하며 은이 도핑된 산화아연을 포함하여 이루어진 나노선을 포함할 수 있다. 은이 도핑된 나노선의 제조 방법은, 기판, 및 은에 의해 도핑된 산화 아연을 포함하는 타겟 물질을 챔버 내에 서로 인접하여 위치시키는 단계; 상기 챔버를 가열하는 단계; 및 상기 타겟 물질에 레이저를 조사함으로써, 상기 타겟 물질을 상기 기판상에 나노선 형상으로 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.
나노선, 은, 도핑, 산화아연, 온벽, 펄스 레이저, 증착

Description

은이 도핑된 나노선, 이를 포함하는 소자 및 그 제조 방법{Silver-doped nanowire, device comprising the same and method for manufacturing the same}
본 발명의 실시예들은 은이 도핑된 나노선, 이를 포함하는 소자 및 은이 도핑된 나노선의 제조 방법에 관한 것이다.
나노구조체(nanostructure)들은 나노 단위의 크기(nanoscale dimension), 양자구속효과, 탁월한 결정성 및 체적 대비 높은 표면적 등 기존의 벌크(bulk) 소재에서는 발견할 수 없는 다양한 물리적 및 화학적 특성들을 나타낼 수 있다. 따라서, 나노구조체를 이용하여 상대적으로 고도화되고 소형화된 전기 화학적 또는 광학적 소자들을 구현할 수 있으며, 기존에는 불가능했던 새로운 특성 또는 구조를 구현할 수도 있다. 여기서 나노구조체란, 나노미터(nm) 수준의 크기를 갖는 구조체를 의미한다.
물리적, 화학적, 광학적, 역학적 특성은 입자의 크기와 형태에 따라 매우 민감하게 변할 수 있다.　나노기술을 적용하여 만든 나노물질 및 나노구조체들은 촉매, 광전자, 전자 재료, 신소재, 의학을 포함한 정보통신공학, 전기전자공학 및 생명공학 등 광범위한 분야에서 응용이 진행되고 있으며, 응용 가능한 기술 개발에 많은 연구가 이루어지고 있다.
나노기술이 사용되는 분야 중에서 반도체 산업 분야는 점점 더 좁은 영역에 더 많은 전자소자를 집적하는 방향으로 진행되어, 나노기술이 나노구조체를 합성하여 적용되기에 이르렀다.　이러한 나노구조체를 합성하여 응용하는 나노기술을 적용하여 반도체 산업 분야의 소자를 제작할 수 있다.
밴드갭이 약 3.35 전자볼트(eV)이며 n형 반도체인 산화아연은, 다양한 분야에의 응용 가능성이 확인되면서 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.　특히 산화아연은 상대적으로 넓은 밴드갭과 더불어 상대적으로 높은 60 meV의 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy)를 가지고 있어, 단파장 영역에서의 광전자 소자로서의 응용 연구가 많이 이루어지고 있다.　
산화아연은 상대적으로 고품질의 단결정 성장이 용이하고, 전기 전도도의 제어가 가능하여 발광소자 및 전하수송 소자로의 응용 가능성이 매우 크다.　또한, 상대적으로 낮은 여기 에너지로도 엑시톤에 의한 높은 발광 특성을 나타낼 수 있는 광학 특성으로 인하여, 청색 및 자외선(UV)용 발광 소자 구현에 적합하며, 그 밖에도 고온/고전압 전기전자 소자, 표면탄성파(Surface Acoustic Wave) 소자, 압전소자, 기체 센서, 투명 전도막 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
특히 산화아연 나노선에 관련하여, 산화아연 물성들을 규명하고 활용하려는 시도가 최근 활발하게 이루어지고 있다.　산화아연 나노선은 발광소자 또는 레이저 다이오드 등과 같은 저전압 단파장 나노 광전소자를 만들 수 있는 중요한 나노 빌딩 블럭이 될 수 있기 때문에 특히 집중적인 관심이 쏠리고 있다.　1차원의 산화아 연 나노선은 양자 효과를 이용한 상대적으로 낮은 문턱 레이저 에너지를 갖게 되고, 이는 캐리어 제한으로 인한 방사성 결합(radiative recombination)을 향상시킬 수 있다.
이러한 산화아연 나노구조체의 합성은 탄소열환원법(carbothermal reduction method), 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 습식합성법(wet chemical method) 등의 공정 방법을 이용할 수 있다. 이를 이용하여 나노선, 나노막대 및 나노시트 등 다양한 형태의 1차원 나노구조체들을 합성할 수 있으며, 광전자소자 또는 레이저 화학센서 등에 응용할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)을 포함하여 이루어지는 은이 도핑된 나노선, 이를 포함하는 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 나노선은, 은이 도핑된 산화아연을 포함하여 이루어질 수 있다.
다른 실시예에 따른 소자는, 기판 및 상기 기판상에 위치하며 은이 도핑된 산화아연을 포함하여 이루어지는 나노선을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 은이 도핑된 나노선의 제조 방법은, 기판, 및 은에 의해 도핑된 산화 아연을 포함하는 타겟 물질을 챔버 내에 서로 인접하여 위치시키는 단계; 상기 챔버를 가열하는 단계; 및 상기 타겟 물질에 레이저를 조사함으로써, 상기 타겟 물질을 상기 기판상에 나노선 형상으로 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라 은이 도핑된 산화아연으로 이루어진 나노선을 제조할 수 있다. 은이 도핑된 나노선은 종래 기술에 따른 방법에 의해서는 제조할 수 없었던 물질로서, p형 반도체 특성을 지니며, 조성과 도핑을 제어함에 따라 센서 등 다양한 소자 기술에 있어 다기능 부품으로서 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 실시예들에 따른 나노선을 제조하기 위한 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하여, 실시예들에 따른 나노선 및 은이 도핑된 나노선의 제조 방법에 대하여 설명한다. 실시예들에 따른 나노선을 제조하기 위해 챔버(10), 기판(20), 타겟 물질(30), 가열기(40) 및 레이저 발생기(50)를 포함하여 이루어진 장치를 사용할 수 있다. 챔버(10)는 구, 원기둥, 또는 다른 적당한 형상으로 되어 있을 수 있다.
챔버(10) 안의 압력은 적절히 조절될 수 있으며, 챔버(10) 안은 진공 상태일 수도 있다. 예를 들어, 챔버(10) 안의 압력은 약 10-3 토르(torr) 일 수도 있다. 챔버(10)는 펌프 등을 사용하여 챔버(10) 내의 기체를 외부로 배출하기 위한 배출구(100) 및 챔버(10) 내에 기체를 주입하기 위한 주입구(110)를 포함할 수도 있다. 주입구(110)를 통하여 챔버(10) 내로 아르곤(Ar) 등의 비활성 기체를 유입하면서 챔버(10) 내의 압력을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 챔버(10) 내에서 아르곤(Ar) 기체의 압력은 약 0.5 토르 내지 약 1.5 토르일 수도 있다.
챔버(10)는 부분적으로 레이저를 통과시키기 위한 투과창(140)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 투과창(140)은 유리로 이루어질 수도 있다. 또한, 챔버(10)는 기판(20)과 타겟 물질(30) 각각을 지지하기 위한 지지부(120, 130)를 포함할 수도 있다. 각 지지부(120, 130)는 상대적으로 고온에서도 안정한 물질로 이루어질 수 있으며, 예컨대 몰리브덴(Mo) 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수도 있다.
기판(20)은 지지부(120)에 의해 지지되어 챔버(10) 내에 위치할 수 있다. 기판(20)은 사파이어(Al2O3) 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 기판(20)은 기판(20)상의 촉매 물질(200)을 포함할 수도 있다. 촉매 물질(200)은 증착, 도금, 스퍼터링(sputtering), 또는 다른 적당한 방법에 의하여 기판(20)상에 형성될 수 있다. 기판(20)상에 형성된 촉매 물질(200)은 추후 형성될 나노선(1)의 성장을 촉진시키는 역할을 할 수 있다. 촉매 물질(200)은 금(Au) 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다. 기판(10)상에 나노선(1)을 형성하는 경우에 비해 촉매 물질(200)상에 나노선(1)을 성장시키는 경우 나노선(1)의 성장이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다.
챔버(10) 내에는 기판(20)과 인접하여 타겟 물질(30)이 위치할 수 있다. 타겟 물질(30)은 지지부(130)에 의하여 지지될 수 있다. 타겟 물질(30)이 레이저에 의하여 기화됨으로써 기판(20)상에 나노선(1)이 형성될 수 있다. 타겟 물질(30)은 도펀트에 의해 도핑된 물질로서, 가루 또는 덩어리 등 다양한 형태일 수도 있다. 도펀트에 의해 도핑된 타겟 물질(30)을 형성하는 방법에 대해서는 종래의 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition; PLD) 등을 통하여 당업자들에게 널리 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
일 실시예에서, 타겟 물질(30)은 은(Ag)으로 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루 어질 수 있다. 은(Ag)으로 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어진 타겟 물질(30)을 이용함으로써, 기판(20)상에 p형 반도체인 나노선(1)을 형성할 수 있다. 이때, 타겟 물질(30)에 포함된 은(Ag)은 나노선(1)에서 아연(Zn)을 치환하면서 p형 반도체의 확산용 소스로서 작용할 수 있다.
타겟 물질(30)에 도핑되는 도펀트의 양은 나노선(1)에서 구현하고자 하는 반도체 특성에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질(30)은 약 1 중량%(wt%) 내지 약 5 wt%의 양으로 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수도 있다.
한편, 타겟 물질(30) 내의 도펀트로는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 붕소(B), 비소(As), 인(P), 금(Au), 안티몬(Sb), 리튬(Li), 질소(N), 구리(Cu), 실리콘(Si), 텅스텐(W) 또는 니오븀(Nb) 등이 사용될 수도 있다.
가열기(40)는 챔버(10)를 소정의 온도로 가열할 수 있다. 예를 들어, 가열기(40)는 챔버(10) 내의 온도가 약 500℃ 내지 약 1400℃의 온도가 되도록 챔버(10)를 가열할 수 있다. 가열기(40)는 챔버(10)의 외부에 챔버(40)와 접촉하여 위치할 수 있다. 가열기(40)가 챔버(10) 외부에 위치함으로써 챔버(10)가 온벽(hot-wall)을 갖도록 하여 나노선(1) 형성에 적합한 환경을 조성할 수 있다.
레이저 발생기(50)는 챔버(10) 내의 타겟 물질(30)에 레이저를 조사할 수 있다. 레이저 발생기(50)에 의해 조사된 레이저는 챔버(10)의 투과창(140)을 통하여 챔버(10) 내로 조사될 수 있다. 가열기(40)에 의하여 가열된 챔버(10) 내에서 타겟 물질(30)에 레이저가 조사되면, 레이저와 타겟 물질(30)의 상호 작용으로 인하여 타겟 물질(30)의 열적 및/또는 비열적 분해 현상이 발생할 수 있다. 분해되어 기화된 물질이 타겟 물질(30)에 인접하여 위치하는 기판(20)에 증착되어, 기판(20) 상에 나노선(1)이 형성될 수 있다.
따라서, 기판(20)상에 형성되는 나노선(1)은 타겟 물질(30)과 동일한 조성을 갖게 된다. 즉, 은(Ag) 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어진 타겟 물질(30)을 이용하여 기판(20)상에 나노선(1)을 형성할 경우, 형성된 나노선(1)은 타겟 물질(30)과 마찬가지로 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어지게 된다.
일 실시예에서, 레이저 발생기(50)는 약 248 nm의 파장을 갖는 불화크립톤(KrF) 레이저, 약 193 nm의 파장을 갖는 불화아르곤(ArF) 레이저, 또는 약 308nm 의 파장을 갖는 염화크세논(XeCl) 레이저 등의 엑시머(excimer) 레이저 발생기를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 발생기(50)는 약 355 nm의 파장을 갖는 네오디뮴(neodymium)-이트륨(yttrium)·알루미늄(aluminum)·가닛(garnet) 레이저(Nd:YAG laser) 발생기를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 레이저 발생기(50)는 펄스 레이저를 조사할 수도 있다. 이때 펄스 레이저의 주파수는 약 1 내지 약 20 Hz일 수도 있다. 또한 레이저 발생기(50)는 레이저 발생기(50)와 챔버(10) 사이에 위치하는 렌즈(500)를 포함하며, 렌즈(500)를 이용하여 타겟 물질(30)의 단위 면적에 전달되는 에너지가 펄스 당 수 J/cm2 정도가 되도록 레이저 빔을 집속할 수도 있다.
한편, 타겟 물질(30)을 고정하는 지지부(130)는 타겟 물질(30)을 탑재한 채 로 소정의 속도로 회전할 수 있다. 예를 들어, 지지부(130)는 챔버(10) 외부의 모터(300) 등에 연결되어 회전할 수 있다. 일 실시예에서, 지지부(130)는 0 내지 약 20 rpm의 분당 회전수로 회전할 수도 있다. 지지부(130)가 회전함에 따라 타겟 물질(30)에 레이저가 조사되는 위치가 이동하게 된다. 따라서, 타겟 물질(30)의 동일한 영역에 레이저가 지속적으로 조사되는 것을 방지할 수 있으며, 결과적으로 타겟 물질(30)의 각 영역을 상대적으로 균일하게 소모할 수 있다. 또한, 타겟 물질(30)의 부분적인 열산화나 온도차의 형성을 방지하여, 기판(20)상에 덩어리 등의 이상 증착이 일어나는 방지할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 온벽을 갖는 챔버(10) 및 레이저 발생기(50)를 이용하여 기판(20)상에 물리적 증착 방식으로 나노선(1)을 형성할 수 있다. 이때, 기판(20) 상에는 나노선(1)의 성장을 촉진하기 위한 촉매 물질(200)이 형성되어 있을 수도 있다. 타겟 물질(30)은 도펀트에 의하여 도핑된 물질로 이루어지며, 기판(20)상에 형성되는 나노선(1)은 타겟 물질(30)과 동일한 조성을 가지므로, 결과적으로 은(Ag)에 의해 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어진 나노선(1)을 형성할 수 있다.
도 2a 내지 2c는 실시예들에 따른 나노선의 전자현미경 사진이다.
도 2a 내지 2c는 각각 약 1 wt%, 3 wt% 및 5 wt%의 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어진 타겟 물질을 이용하여 성장된 나노선의 사진들이다. 도 2a 내지 2c에 도시된 나노선은 모두 약 800℃의 챔버 내에서 성장되었다. 도시되는 바와 같이, 직선, 곡선 또는 꺾은 선 등 다양한 형상의 나노선이 제조되었음을 확인 할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예들에 따른 나노선을 에너지 분산 분광법(energy dispersive spectroscopy; EDS)에 의하여 성분을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 3개의 점은 각각 도 2a, 2b 및 2c에 도시된 은(Ag)이 도핑된 나노선을 분석한 결과를 나타낸다.
도 3으로부터 확인되는 바와 같이, 약 1 wt%의 은(Ag)이 도핑된 타겟 물질을 사용하여 나노선을 성장시킨 결과, 나노선에 약 1.13 wt%의 은(Ag)이 도핑되었다. 또한, 약 3 wt%의 은(Ag)이 도핑된 타겟 물질을 사용하여 나노선을 성장시킨 결과, 나노선에서 약 3.08 wt%의 은(Ag)이 도핑되었다. 또한, 약 5 wt%의 은(Ag)이 도핑된 타겟 물질을 사용하여 나노선을 성장시킨 결과, 나노선에 약 6.68 wt%의 은(Ag)이 도핑되었다.
따라서, 타겟 물질 내의 은(Ag) 함량을 조절함으로써 성장시키고자 하는 나노선에 도핑되는 은(Ag)의 함량을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따라 3 wt%의 은이 도핑된 산화아연을 이용하여 성장된 나노선을 광루미네선스(Photoluminescence; PL)를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4는 PL 분석 결과 중 특히 가시광 영역을 제외한 자외선 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 4의 각 그래프(400, 410, 420)는 각각 약 17K, 100K 및 300K의 온도에서 측정한 파장에 따른 PL 강도(PL intensity)를 나타낸다. PL은 가전자대(valence band)의 자유 전자들이 조사된 빛에 의해 전도대(conduction band)로 이동하여 전 자-정공의 쌍(electron-hole pair)이 형성되었다가, 전자가 정공과 재결합됨에 따라 일어나는 현상을 지칭한다.
그래프(400)로부터 약 3.353 전자볼트(eV)를 갖는 피크(peak)와 약 3.366 eV를 갖는 피크를 확인할 수 있다. 상기 두 개의 피크는 각각 가전자대의 전자와 억셉터 준위(acceptor level)의 정공의 결합(acceptor-bound exciton)에 의해 나타나는 피크(A0X)와, 전도대의 정공과 도너 준위(donor level)의 전자의 결합(donor-bound exciton)에 의해 나타나는 피크(D0X)이다. 이때 전자와 억셉터 준위의 정공의 결합에 의한 피크(A0X)는 p형 반도체 물질의 광특성으로서, 나노선이 은에 의하여 도핑되어 p형 반도체 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 실시예들에 따른 나노선을 제조하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2a 내지 2c는 실시예들에 따른 나노선의 전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예들에 따른 나노선을 에너지 분산 분광법(energy dispersive spectroscopy; EDS)에 의하여 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 나노선을 광루미네선스(Photoluminescence)를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (3)

  1. 은이 도핑된 산화아연을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노선.
  2. 기판; 및
    상기 기판상에 위치하며 은이 도핑된 산화아연을 포함하여 이루어진 나노선을 포함하는 것을 특징으로 하는 소자.
  3. 기판, 및 은에 의해 도핑된 산화 아연을 포함하는 타겟 물질을 챔버 내에 서로 인접하여 위치시키는 단계;
    상기 챔버를 가열하는 단계; 및
    상기 타겟 물질에 레이저를 조사함으로써, 상기 타겟 물질을 상기 기판상에 나노선 형상으로 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 은이 도핑된 나노선의 제조 방법.
KR1020090050409A 2009-06-08 2009-06-08 은이 도핑된 나노선, 이를 포함하는 소자 및 그 제조 방법 KR20100131690A (ko)

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