KR20150017422A - Graphene/Silicon Nanowire Molecular Sensor and the Fabricating Method and Method of Identification Using thereof - Google Patents

Graphene/Silicon Nanowire Molecular Sensor and the Fabricating Method and Method of Identification Using thereof Download PDF

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KR20150017422A
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최석호
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신동희
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

A silicon/graphene molecular nanosensor comprises: a silicon substrate; a silicon nanowire coupled to the silicon substrate; and a graphene layer arranged on an upper portion of the silicon nanowire. A method to manufacture a silicon/graphene molecular nanosensor comprises: a first step of fabricating a silicon nanowire from a silicon substrate using an electrochemical etching method; and a second step of bonding graphene onto the silicon nanowire formed on the silicon substrate. Moreover, a method to identify the type of molecule using a silicon/graphene molecular nanosensor comprises: a step of repeatedly supplying and interrupting a target molecule at a predetermined cycle while applying a voltage to the silicon/graphene molecular nanosensor; and the other step of measuring a trend in resistance change, in terms of time, when the target molecule is repeatedly supplied and interrupted at the predetermined cycle. According to an embodiment of the present invention, a graphene/silicon nanowire molecular sensor can identify restoration to its original resistance at a high rate when the resistance changes at a high rate and gas supply is suspended, and exhibits performance as a molecular sensor to the target molecule through waveform analysis of a specific resistance graph to the target molecule.

Description

그래핀/실리콘 나노선 분자 센서 또는 이의 제조 방법과 이를 이용한 분자 확인 방법 {Graphene/Silicon Nanowire Molecular Sensor and the Fabricating Method and Method of Identification Using thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a graphene / silicon nanowire molecular sensor, a method of manufacturing the same, and a molecular identification method using the graphene / silicon nanowire molecular sensor.

본 발명은 그래핀/실리콘 나노선 분자 센서 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 분자 확인 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 나노선에 그래핀을 접목한 분자 센서 및 이의 제조 방법과 분자 센서를 이용한 대상 분자의 확인 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene / silicon nanowire molecular sensor, a method of manufacturing the same, and a molecular identification method using the same. More particularly, the present invention relates to a molecular sensor using graphene grafted onto silicon nanowire, Lt; / RTI >

최근 수년간 나노선은 기초과학 연구에서의 높은 중요성과 함께 산업적인 응용 가능성에 대해서도 큰 관심을 받아 왔다. 특히 수직으로 정렬된 실리콘 나노선은 그 수직구조에서 얻을 수 있는 높은 부피 대 면적비의 장점으로 인하여, 집광, 발전, 에너지 저장, 및 센서 등의 기능을 하는 차세대 소자로서의 이상적인 나노기반소재로 여겨지고 있다.In recent years, nanowires have received great interest in industrial applications as well as their high importance in basic science research. In particular, vertically aligned silicon nanowires are considered to be ideal nano-based materials for next generation devices that perform functions such as condensing, power generation, energy storage, and sensors due to their high volume-to-area ratio advantages obtained from their vertical structures.

실리콘 나노선을 이용한 미래의 소자로서의 실질적인 응용을 위해서 필요한 물리-화학적 특성의 수월성을 구현하기 위해서는 수직 정렬된 나노선들과 전극과의 원활한 전기적 접촉이 실현되어야 한다.In order to realize the physico-chemical properties necessary for practical application as a future device using silicon nanowires, it is necessary to realize smooth electrical contact between the vertically aligned nanowires and the electrode.

실리콘 나노선을 이용한 미래의 소자로서의 실질적인 응용을 위해서 필요한 물리-화학적 특성의 수월성을 구현하기 위해서는 수직 정렬된 나노선들과 전극과의 원활한 전기적 접촉이 실현되어야 한다. 현재까지의 분자센서에 대한 연구들은 나노선의 상부에 균일한 전극 증착을 위하여 나노선 상부의 일정부분을 다양한 유전체나 유기물을 덮은 후 전극을 증착하는 방법이 이용되어 왔다. 그러나 이런 방법들은 부도체나 유기물이 상부의 나노선의 일정부분을 덮어버림으로써 분자들과 접촉하는 표면적을 감소시켜 효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한 상부에 균일한 금속전극 증착을 위하여 유전체를 사용하면 구동전압이 높아지게 되어 열적인 문제 등을 유발하여 소자 성능 및 내구성이 감소하게 된다.In order to realize the physico-chemical properties necessary for practical application as a future device using silicon nanowires, it is necessary to realize smooth electrical contact between the vertically aligned nanowires and the electrode. To date, molecular sensors have been used for the deposition of uniform electrodes on the top of the nanowire, followed by deposition of various dielectric or organic materials on top of the nanowire. However, these methods have disadvantages in that the insulator or the organic material covers a certain portion of the nanowires on the upper part, thereby reducing the surface area in contact with the molecules, thereby decreasing the efficiency. Also, when a dielectric material is used for uniform metal electrode deposition on the upper part, the driving voltage is increased, which causes thermal problems and the device performance and durability are reduced.

또한, 미래의 소자들은 유연하고, 구부릴 수 있으며, 입을 수 있는 유용한 소자가 요구되고 있어 유전체를 사용하는 것에 한계가 있다. 이 문제들을 해결하기 위해 사용된 유기물들은 실리콘 나노선과 옴 접촉을 하기 때문에 분자 센서의 암전류를 커지게 하여 미세한 양의 분자들의 흡착에 따르는 저항 변화를 관찰하기 어려운 문제가 있다.In addition, future devices require flexible, bendable, and wearable devices that limit the use of dielectrics. Organic materials used to solve these problems are in ohmic contact with silicon nanowires, which makes it difficult to observe the resistance change due to the adsorption of minute amounts of molecules by increasing the dark current of the molecular sensor.

상기의 문제를 해결하고자, 수직하고 균일하게 정렬된 실리콘 나노선들과 접촉이 가능하면서 높은 전기 전도도 및 유연성을 가지는 그래핀을 이용하여 센서의 암전류를 낮추고 on/off 비 및 효율을 높일 수 있는 분자 센서를 개발하였다.In order to solve the above problem, a molecular sensor capable of lowering the dark current of the sensor and increasing the on / off ratio and the efficiency by using the graphen having high electrical conductivity and flexibility, which can contact with the vertically and uniformly aligned silicon nanowires, .

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실리콘 기판; 실리콘 나노선; 및 그래핀 층을 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, Silicon nanowires; Graphene nanoparticles comprising a graphene layer and a silicon / graphene molecular nanosensor comprising a graphene layer.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 실리콘 기판으로부터 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하고, 실리콘 나노선 위에 그래핀을 접합하는 단계를 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.A further object of the present invention is to provide a method of manufacturing a silicon / graphene molecular nanosensor comprising the steps of: preparing a silicon nanowire from a silicon substrate by electrochemical etching and bonding graphene to the silicon nanowire; To provide.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서에 전압을 인가한 상태에서 대상 분자를 공급 및 차단할 때 나타나는 시간에 따른 저항의 변화 추세를 측정하는 단계를 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 이용하여 분자의 종류를 확인하는 방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a silicon / graphene nanosensor comprising a step of measuring a change in resistance with time, which is observed when a target molecule is supplied and cut under a voltage applied to the silicon / And to provide a method for identifying the kind of a molecule using a molecular nanosensor.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 결합되어 있는 실리콘 나노선; 및 실리콘 나노선 상부에 배치된 그래핀 층을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a silicon / graphene molecular nanosensor comprising: a silicon substrate; Silicon nanowires bonded to the silicon substrate; And a graphene layer disposed on top of the silicon nanowire.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조 방법은 실리콘 기판으로부터 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하는 제 1단계; 및 상기 실리콘 기판에 형성된 실리콘 나노선 위에 그래핀을 접합시키는 제2 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a silicon / graphene molecular nanosensor, comprising: a first step of fabricating a silicon nanowire from a silicon substrate using an electrochemical etching process; And a second step of bonding the graphene to the silicon nanowire formed on the silicon substrate.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 이용하여 분자의 종류를 확인하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서에 전압을 인가한 상태에서 대상 분자를 일정 주기로 반복적으로 공급 및 차단 하는 단계; 및 상기 대상 분자를 일정 주기로 반복적으로 공급 및 차단하였을 때 시간에 따른 저항의 변화 추세를 측정하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a silicon / graphene molecular nanosensor for identifying the type of a molecule using a silicon / graphene molecular nanosensor according to an embodiment of the present invention. Repeatedly supplying and shutting off the battery in a cycle; And measuring a change in resistance with time when the target molecule is repeatedly supplied and cut off at a predetermined cycle.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.The embodiments of the present invention have at least the following effects.

즉, 그래핀을 실리콘 나노선 기반의 분자센서에 접목시켜 기능 및 효율을 증대시키는 기술을 제공하여 다양한 센서에 적용할 수 있는 가능성을 제시한다.In other words, graphene is applied to a silicon nanowire-based molecular sensor to enhance the function and efficiency, and thus it is possible to apply it to various sensors.

본 발명의 실시예에 따른 그래핀/실리콘 나노선 분자 센서는 저항이 빠른 속도로 변화하고 가스 공급이 중단될 때 빠른 속도로 본래의 저항으로 회복되는 것을 확인할 수 있으며, 대상 분자에 대한 특유의 저항 그래프의 파형 분석을 통해 대상 분자에 대한 분자센서로서의 성능이 나타날 수 있다.It can be seen that the graphene / silicon nanowire molecular sensor according to the embodiment of the present invention is restored to the original resistance at a high speed when the resistance changes rapidly and the gas supply is stopped, and a specific resistance Waveform analysis of the graph can show performance as a molecular sensor for the target molecule.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effects according to the present invention are not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the specification.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노선의 SEM 이미지의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노선의 SEM 이미지의 평면도이다.
도 2는 실리콘/그래핀 접합 분자 나노 센서의 제조 방법의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 층에 금 접촉전극이 증착된 현미경 이미지이다.
도 4는 본 발명과 비교하는 그래핀이 증착되지 않은 비교예에 대한 현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 p 도핑된 실리콘/그래핀 접합 분자 나노 센서에서의 역전압 시의 전류-전압 곡선 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실리콘/그래핀 접합 분자 나노 센서를 이용한 수소 기체에 대한 시간에 대한 저항의 변화 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실리콘/그래핀 접합 분자 나노 센서를 이용한 산소 기체에 대한 시간에 대한 저항의 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실리콘/그래핀 접합 분자 나노 센서를 이용한 아르곤 기체에 대한 시간에 대한 저항의 변화 그래프이다.
1A is a perspective view of a SEM image of a silicon nanowire according to an embodiment of the present invention.
1B is a top view of an SEM image of a silicon nanowire according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a method for producing a silicon / graphene junction molecule nanosensor.
3 is a microscope image of a gold contact electrode deposited on a graphene layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a microscope image of a comparative example in which graphene is not deposited compared with the present invention.
5 is a graph of current-voltage curves at the time of reverse voltage in a p-doped silicon / graphene junction molecular nanosensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph of resistance versus time for hydrogen gas using a silicon / graphene junction molecular nanosensor, in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
7 is a graph of change in resistance versus time for oxygen gas using a silicon / graphene junction molecular nanosensor, in accordance with an embodiment of the present invention.
8 is a graph of the change in resistance versus time for argon gas using a silicon / graphene junction molecular nanosensor, according to one embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 ""직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.It is to be understood that when an element or layer is referred to as being "on" or " on "of another element or layer, All included. On the other hand, when a device is referred to as "directly on" or "directly above ", it does not intervene another device or layer in the middle.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.The terms spatially relative, "below", "beneath", "lower", "above", "upper" May be used to readily describe a device or a relationship of components to other devices or components. Spatially relative terms should be understood to include, in addition to the orientation shown in the drawings, terms that include different orientations of the device during use or operation. For example, when inverting an element shown in the figure, an element described as " below or beneath "of another element may be placed" above "another element. Thus, the exemplary term "below" can include both downward and upward directions. The elements can also be oriented in different directions, in which case spatially relative terms can be interpreted according to orientation.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 결합되어 있는 실리콘 나노선; 및 실리콘 나노선 상부에 배치된 그래핀 층을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a silicon / graphene molecular nanosensor comprising: a silicon substrate; Silicon nanowires bonded to the silicon substrate; And a graphene layer disposed on top of the silicon nanowire.

도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노선의 SEM 이미지의 사시도 및 평면도이다.1A and 1B are a perspective view and a plan view, respectively, of an SEM image of a silicon nanowire according to an embodiment of the present invention.

실리콘 나노선은 실리콘 기판 상에 형성될 수 있다. 실리콘 나노선은 실리콘 기판과 일체형으로 결합되어 있는 구조일 수 있다.Silicon nanowires may be formed on a silicon substrate. The silicon nanowire may be a structure that is integrally bonded to the silicon substrate.

실리콘 기판 상에 배치된 실리콘 나노선은 복수 개가 구비되어 있을 수 있다. 복수 개의 실리콘 나노선은 일정한 간격으로 배열될 수 있으며, 간격 및 높이를 일정한 높이와 간격으로 조절하여 배치시킬 수 있다. 복수 개의 실리콘 나노선은 실리콘 나노선의 머리 부분이 뭉쳐서 다발을 형성하는 구조일 수 있다(도 1b).A plurality of silicon nanowires disposed on the silicon substrate may be provided. The plurality of silicon nanowires may be arranged at regular intervals, and the spacing and height may be arranged at a constant height and spacing. The plurality of silicon nanowires may be a structure in which the heads of the silicon nanowires are bundled together to form a bundle (Fig. 1B).

실리콘 기판 상에 배치된 실리콘 나노선은 수직 정렬되어 있을 수 있지만, 90도의 직각을 의미하는 것에 한정되는 것은 아니며, 비스듬하게 기울어져 배치되어 있는 경우도 포함될 수 있다. The silicon nanowires disposed on the silicon substrate may be vertically aligned, but the present invention is not limited to the perpendicular angle of 90 degrees, and may include a case where the silicon nanowires are arranged obliquely.

실리콘 나노선은 불순물이 부존재하는 실리콘 나노선인 것을 포함할 수 있으나, p형 또는 n형 실리콘 나노선일 수 있다. p형 실리콘 나노선은 p형 불순물이 도핑된 상태이며, n형 실리콘 나노선은 n형 불순물이 도핑된 상태에 있다.Silicon nanowires may include silicon nanowires in which impurities are absent, but may be p-type or n-type silicon nanowires. The p-type silicon nanowires are doped with p-type impurities and the n-type silicon nanowires are doped with n-type impurities.

n형 불순물은 인(P), 비소(As)와 같은 5족의 화학원소를 포함할 수 있다. p형 불순물은 붕소(B), 알루미늄(Al)과 같은 3족의 화학원소를 포함할 수 있다.The n-type impurity may include a Group 5 chemical element such as phosphorus (P), arsenic (As). The p-type impurity may include a group III chemical element such as boron (B) and aluminum (Al).

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서는 분자에 감응할 수 있으며, 특히 기체 분자에 대하여 감응할 수 있다. 기체 분자는 다양한 기체 분자일 수 있으며, 수소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 암모니아, 헬륨, 네온, 메테인, 에테인, 프로페인 또는 뷰테인일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The silicon / graphene molecular nanosensor according to an embodiment of the present invention is capable of responding to molecules, and is particularly sensitive to gas molecules. Gaseous molecules may be various gas molecules and may be, but are not necessarily limited to, hydrogen, oxygen, argon, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen, ammonia, helium, neon, methane, ethane, propane or butane.

상기 실리콘 상에 배치되는 실리콘 나노선 위에 그래핀 층이 배치될 수 있다. 그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 빠른 전하 이동도를 가지며, 구리보다 많은 전류를 흐르게 할 수 있다.A graphene layer may be disposed over the silicon nanowires disposed on the silicon. Graphene is a conductive material with a thickness of one layer of atoms, with carbon atoms forming a honeycomb arrangement in two dimensions. Graphene is structurally and chemically very stable and is an excellent conductor with a faster charge mobility than silicon and can carry more current than copper.

실리콘 나노선 상에 배치되는 그래핀은 박막 형태로 되어 있는 단층 그래핀이거나, 2층 그래핀일 수 있다. The graphene disposed on the silicon nanowire may be a single layer graphene in the form of a thin film or a two layer graphene.

실리콘/그래핀 분자 나노 센서에서 실리콘 기판과 그래핀 층에 각각 접촉 전극을 더 포함할 수 있다. 접촉 전극은 금속 전극일 수 있으며, 금속으로는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.The silicon / graphene molecular nanosensor may further include contact electrodes on the silicon substrate and the graphene layer, respectively. The contact electrode may be a metal electrode, and the metal may include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt)

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서는 쇼트키(Schottky) 다이오드 특성이 나타날 수 있다. 쇼트키 다이오드 특성을 가지는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서는 일반 다이오드와 달리 축적 효과가 나타나지 않으며, 또한 문턱 전압이 상대적으로 낮아 회로의 전력 측면에서 효율이 높아 신호의 왜곡이 적게 나타나게 되어 분자 센서로서 측정 효율이 높아질 수 있는 특징이 있다.The silicon / graphene molecular nanosensor according to an embodiment of the present invention may exhibit Schottky diode characteristics. Silicon / graphene molecular nanosensors with Schottky diode characteristics do not exhibit the accumulation effect unlike ordinary diodes, and their threshold voltages are relatively low, resulting in high efficiency in terms of the power of the circuit, resulting in less signal distortion, There is a characteristic that the efficiency can be increased.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조 방법은 실리콘 기판으로부터 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하는 제 1단계; 및 상기 실리콘 기판에 형성된 실리콘 나노선 위에 그래핀을 접합시키는 제2 단계를 포함한다.A method of fabricating a silicon / graphene molecular nanosensor according to an embodiment of the present invention includes: a first step of fabricating a silicon nanowire from a silicon substrate using an electrochemical etching method; And a second step of bonding the graphene to the silicon nanowire formed on the silicon substrate.

도 2는 실리콘/그래핀 접합 분자 나노 센서의 제조 방법의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a method for producing a silicon / graphene junction molecule nanosensor.

보다 구체적으로 제 1단계의 전기화학적 식각법은 실리콘 기판에 질산은과 불산 혼합액을 공기 분위기에서 처리하여 실리콘 표면에 은입자를 코팅시키는 단계 (a);More specifically, the first step of the electrochemical etching method comprises: (a) a step of treating a silicon substrate with silver nitrate and a hydrofluoric acid mixture in an air atmosphere to coat silver particles on the silicon surface;

상기 은입자가 코팅된 실리콘 기판에 탈이온수를 처리하여 실리콘 기판에 남은 상기 혼합액을 제거하는 단계 (b); 및(B) treating deionized water on the silver-coated silicon substrate to remove the remaining mixed solution on the silicon substrate; And

은입자가 코팅된 실리콘 기판을 불산, 과산화수소 및 탈이온수를 혼합한 혼합액에 담구어 식각시키는 단계 (c)를 포함할 수 있다. 실리콘 기판에 질산은과 불산 혼합액을 처리하면 금속인 은이 실리콘 식각에서 촉매로 사용될 수 있다. 질산은은 그 농도가 0.001 내지 0.05 M이고, 불산은 그 농도가 1 내지 10 M의 범위에서 혼합시킬 수 있다.(C) of immersing and etching the silver-coated silicon substrate in a mixed solution of hydrofluoric acid, hydrogen peroxide and deionized water. When silver nitrate and hydrofluoric acid mixture is treated on a silicon substrate, phosphorus metal can be used as a catalyst in silicon etching. The silver nitrate has a concentration of 0.001 to 0.05 M, and the concentration of hydrofluoric acid can be mixed in the range of 1 to 10 M.

실리콘 상에 배치된 은 입자는 높은 전기친화력의 성질을 가지고 있어 용액에 노출되어 있는 실리콘 표면보다 은 입자와 접촉하는 실리콘 표면으로부터 전자를 잘 빼앗고, 전자에 의해 용액 속의 과산화수소는 물로 환원되며 실리콘에 정공을 주게 된다. 전자를 빼앗김과 동시에 정공을 얻은 실리콘은 산화 반응이 진행되고, 산화된 실리콘은 불산에 의해 제거 될 수 있다. 이러한 연속적인 반응으로 은 입자가 코팅된 박막은 실리콘을 식각하며 은박막 구멍사이로 실리콘 나노선이 형성된다. 예컨대 실리콘 나노선에 HF/H2O2/H2O의 체적비를 1/0.2/2 농도인 혼합액을 10 분간 상온에서 식각하는 경우 실리콘 나노선의 길이는 도 1a에서 나타난 바와 같이 17μm 정도가 될 수 있다. 평면도를 통해서는 실리콘 나노선의 머리 부분이 뭉쳐서 다발을 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 HF/H2O2/H2O의 체적비를 달리 구성하는 경우 최종적으로 식각되어 형성되는 실리콘 나노선의 길이를 달리 조절할 수 있다. 과산화수소의 농도에 따라 다공성도를 제어할 수 있어, 다공성 구조가 많이 생기도록 조절하여 실리콘 나노선의 배열을 조절할 수 있다.The silver particles placed on the silicon have a high electric affinity property, so they take the electrons from the silicon surface in contact with the silver particles rather than the silicon surface exposed to the solution, and the hydrogen peroxide in the solution is reduced to water by the electrons, . At the same time as the electrons are taken away, the silicon that acquires the holes is oxidized and the oxidized silicon can be removed by hydrofluoric acid. In this continuous reaction, the thin film coated with the silver particles etches the silicon and forms silicon nanowires between the silver foil pores. For example, when a mixed solution having a volume ratio of 1 / 0.2 / 2 of HF / H 2 O 2 / H 2 O to silicon nanowires is etched at room temperature for 10 minutes, the length of the silicon nanowires may be about 17 μm have. Through the plan view, it can be seen that the head of the silicon nanowires is bundled together. However, if the volume ratio of HF / H 2 O 2 / H 2 O is varied, the length of the finally formed silicon nanowires can be controlled. The degree of porosity can be controlled according to the concentration of hydrogen peroxide, and the arrangement of silicon nanowires can be controlled by adjusting the number of porous structures to be large.

실리콘 기판으로부터 실리콘 나노선을 형성시킨 이후, 실리콘 나노선 상에 그래핀을 증착하여 배치시킬 수 있다.After forming a silicon nanowire from a silicon substrate, graphene can be deposited and placed on the silicon nanowire.

그래핀은 기계적 박리법, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 에피택시법(Epitaxy) 등을 이용하여 제작할 수 있다. 그래핀의 제조 과정에 대해서는 선행 연구에 기술되어 있다.[J. Appl. Phys. 113, 064305]The graphene can be manufactured by using a mechanical stripping method, a chemical vapor deposition method (CVD), an epitaxy method, or the like. The manufacturing process of graphene is described in a previous study [J. Appl. Phys. 113, 064305]

금속 표면에 생성된 그래핀을 다른 기판으로 옮기기 위해서는 이동 수단인 지지막을 이용할 수 있는데, 이는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리다이메틸실록산(PDMS) 등을 사용할 수 있으나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 금속에서 성장한 그래핀에 지지막인 PMMA, PDMS 등을 그래핀/금속 층에 올리고, 실리콘 나노선에 전사시키기 전에 이를 식각 용액에 담구어 금속을 제거할 수 있다.In order to transfer the graphene produced on the metal surface to another substrate, a supporting film which is a moving means can be used, which may be polymethyl methacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS) or the like, but not always limited thereto . PMMA, PDMS, etc., which are supporting films, are placed on the graphene / metal layer grown on the metal, and the metal can be removed by immersing the graphene / metal layer on the graphene / metal layer before transferring them to the silicon nanowire.

예시적으로 화학기상증착법을 이용하여 제작한 그래핀을 PMMA로 지지하여 탈이온수에 띄워 이를 실리콘 나노선 위에 전사시킬 수 있다. 실리콘 나노선 상에 전사가 완료된 시료를 상온에서 건조시켜 실리콘 나노선 위에 그래핀을 접합시킨다.Illustratively, the graphene produced by the chemical vapor deposition method can be supported on PMMA, transferred to deionized water, and transferred onto the silicon nanowire. A sample that has been transferred to silicon nanowire is dried at room temperature to bond the graphene to the silicon nanowire.

그래핀이 전사된 실리콘 나노선에 접촉전극을 추가적으로 증착시키는 단계를 포함한다.Further comprising depositing a contact electrode on the silicon nanowire with the graphene transferred thereto.

접촉 전극은 금속 전극일 수 있으며, 금속으로는 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다.The contact electrode may be a metal electrode, and the metal may include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), aluminum (Al), platinum (Pt)

상기 그래핀이 전사된 실리콘 나노선에 접촉 전극을 증착시키기 위해 열 증착법, 전자빔 증착법, 스퍼터링 증착법 등을 이용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.A thermal deposition method, an electron beam deposition method, a sputtering deposition method, or the like may be used for depositing the contact electrode on the silicon nanowire to which the graphen is transferred, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 이용하여 분자의 종류를 확인하는 방법은 실리콘/그래핀 분자 나노 센서에 전압을 인가한 상태에서 대상 분자를 일정 주기로 반복적으로 공급 및 차단 하는 단계; 및 상기 대상 분자를 일정 주기로 반복적으로 공급 및 차단하였을 때 시간에 따른 저항의 변화 추세를 측정하는 단계를 포함한다.A method for identifying the type of a molecule using a silicon / graphene molecular nanosensor according to an embodiment of the present invention includes repeatedly supplying and blocking a target molecule at a predetermined cycle while a voltage is applied to the silicon / ; And measuring a change in resistance with time when the target molecule is repeatedly supplied and cut off at a predetermined cycle.

상기의 실리콘/그래핀 분자 나노 센서에 순방향 전압 또는 역방향 전압을 인가할 수 있으며, 대상 분자로서 측정하려고 하는 예컨대 기체 분자를 센서에 처리하면 시간에 따른 저항의 변화 추세로 기체 분자의 종류를 판단할 수 있다.A forward voltage or an inverse voltage can be applied to the silicon / graphene molecular nanosensor. When a gas molecule to be measured as a target molecule is processed in a sensor, the type of gas molecule is judged by the tendency of resistance change with time .

기체 분자는 다양한 기체 분자일 수 있으며, 수소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 암모니아, 헬륨, 네온, 메테인, 에테인, 프로페인 또는 뷰테인일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Gaseous molecules may be various gas molecules and may be, but are not necessarily limited to, hydrogen, oxygen, argon, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen, ammonia, helium, neon, methane, ethane, propane or butane.

대상 분자를 일정한 주기로 on/off의 방식으로 센서에 처리하는 경우 기체 특유의 시간에 따른 저항 그래프가 나타난다. 예컨대, 수소를 처리할 때와 산소를 처리하는 경우, 또는 아르곤 기체를 처리하는 경우 나타나는 저항 그래프가 다르다. 따라서, 특정 기체에 대한 레퍼런스를 확인한 후, 미지의 기체에 대한 저항이 나타나는 그래프를 상호 비교함으로써, 측정하고자 하는 기체가 어떤 기체인지 확인할 수 있다.When the target molecule is treated on the sensor by the on / off method at a constant cycle, a resistance graph according to the gas characteristic time appears. For example, there is a different resistance graph that appears when treating hydrogen, treating oxygen, or treating argon gas. Therefore, after confirming the reference to a specific gas, it is possible to confirm which gas is to be measured by comparing the graphs showing the resistance to the unknown gas.

실시예Example

1. One. 제조예Manufacturing example 1: 실리콘  1: Silicon 나노선의Nano-ray 제작 making

에칭에 사용될 실리콘은 붕소로 도핑되어 1-10 Ohm/cm의 저항을 가지고 있는 p형이며 결정방향인 Si 웨이퍼를 사용하였다. 실리콘 웨이퍼 표면의 유기물 등은 황산과 과산화수소의 3:1 혼합액으로 제거하였으며 탈이온수(deionized water)로 세정하였다. 실리콘 나노선을 제작하기 위한 첫 번째 단계로 실리콘 표면에 식각 촉매로인 은입자를 형성시키기 위해, 실리콘 웨이퍼를 곧바로 0.005 M의 AgNO3 와 5 M의 불산 혼합액에 1분간 느린 속도로 용액을 섞으면서 공기분위기에서 처리하였다. 이렇게 준비된 실리콘 웨이퍼 위의 남는 용액은 탈이온수로 충분히 희석하여 제거하였다. 두 번째 단계로 은입자가 표면에 입혀진 실리콘 웨이퍼를 불산, 과산화수소, 탈이온수의 혼합액에 담아서 10분간 상온에서 식각하였다. 식각 용액의 농도는 HF/H2O2/H2O의 체적비가 1/0.2/2, 1/0.5/2, 1/0.75/2, 1/1/2가 되도록 조정하였다. The silicon to be used for the etching was a p-type Si wafer doped with boron and having a resistance of 1-10 Ohm / cm and a crystal orientation. Organic matters on the surface of the silicon wafer were removed with a 3: 1 mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide and rinsed with deionized water. As a first step to fabricate silicon nanowires, silicon wafers were immediately added to a mixed solution of 0.005 M of AgNO 3 and 5 M of hydrofluoric acid at a slow rate for 1 minute in order to form phosphorus particles as an etch catalyst on the silicon surface Air atmosphere. The remaining solution on the prepared silicon wafer was sufficiently diluted with deionized water and removed. In the second step, the silicon wafer with the silver particles on the surface was immersed in a mixture of hydrofluoric acid, hydrogen peroxide and deionized water and etched at room temperature for 10 minutes. The concentration of the etching solution was adjusted so that the volume ratios of HF / H 2 O 2 / H 2 O were 1 / 0.2 / 2, 1 / 0.5 / 2, 1 / 0.75 / 2 and 1/1/2.

2. 2. 제조예Manufacturing example 2:  2: 그래핀의Grapina 제작  making

일반적으로 잘 알려진 화학기상증착법 (Chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 대면적의 그래핀을 제조하였다. 먼저 촉매 층으로 활용할 구리를 기판위에 증착하고 약 1000 ℃의 고온에서 메탄과 수소 혼합가스를 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매 층에 녹아들어가거나 흡착되도록 한다. 이후 냉각을 하게 되면 촉매층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정구조를 형성하게 된다. 이렇게 합성된 그래핀은 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있다. 자세한 제조과정 및 전사과정은 선행연구에 기술되어 있다.[J. Appl. Phys. 113, 064305 (2013)].Generally, a large area of graphene was produced by using a well-known chemical vapor deposition (CVD) method. First, copper to be used as a catalyst layer is deposited on the substrate, and a methane-hydrogen mixed gas is reacted at a high temperature of about 1000 ° C. so that an appropriate amount of carbon is dissolved or adsorbed in the catalyst layer. After cooling, the carbon atoms contained in the catalyst layer are crystallized on the surface to form a graphene crystal structure. The graphene thus synthesized can be separated from the substrate by removing the catalyst layer and then used for a desired application. Detailed manufacturing and transcription processes are described in previous studies [J. Appl. Phys. 113, 064305 (2013).

3. 3. 제조예Manufacturing example 3: 실리콘  3: Silicon 나노선Narrow -- 그래핀Grapina 접합구조의 제작 Fabrication of bonding structure

화학기상증착법(CVD)으로 제작된 대면적의 그래핀을 PMMA로 지지하여 탈이온수에 띄우고, 실리콘 나노선 위에 전사시켰다. 실리콘 나노선 위에 전사가 완료된 시료는 열판 위에 올려서 상온에서 1시간 이상 건조시킨 후 이어서 60 내지 100도로 3시간 이상 동안 더 건조시켰다. A large area of graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD) was supported on PMMA, floated in deionized water, and transferred onto silicon nanowires. The transferred sample on the silicon nanowire was placed on a hot plate, dried at room temperature for 1 hour or more, and then further dried at 60 to 100 degrees for 3 hours or more.

4. 4. 제조예Manufacturing example 4: 실리콘  4: Silicon 나노선Narrow -- 그래핀Grapina 접합구조의  Bonded structure 접촉전극의Contact electrode 제작 making

건조가 완료된 실리콘 나노선-그래핀에 대하여 열 증착법, 전자빔 증착법, 스퍼터링 증착법등을 이용하여 그래핀 위에 접촉전극(Au, Ag, Pt 등)을 증착시켰다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상부에는 금(Au)을 증착시키고, 하부의 접촉전극으로는 은(Ag)을 증착시켰다. A contact electrode (Au, Ag, Pt, etc.) was deposited on the graphene by thermal evaporation, electron beam evaporation, sputtering or the like on the dried silicon nanowire-graphene. In one embodiment of the present invention, gold (Au) is deposited on the top and silver (Ag) is deposited on the bottom contact electrode.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 층에 금 접촉전극이 증착된 현미경 이미지이며, 도 4는 본 발명과 비교하는 그래핀이 증착되지 않은 비교예에 대한 현미경 이미지이다.FIG. 3 is a microscope image of a gold contact electrode deposited on a graphene layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a microscope image of a comparative example in which graphene is not deposited, compared with the present invention.

이를 통해 그래핀이 증착된 경우 금 접촉전극은 그래핀 상에 배치될 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 그래핀이 존재하는 부분에서는 균일하고 평평한 Au 박막이 형성되어 있다. 반면에 그래핀이 증착되지 않은 경우 금은 평면형태로 배치되지 못하고 실리콘 나노선 머리 위에 덩어리(lump) 형태로 배치됨을 확인할 수 있었다. 그래핀은 실리콘 나노선의 머리 부분 위에서 금이 실리콘 나노선 아쪽으로 스며들지 않도록 지지막 역할을 하고 있으며, 실리콘 머리가 균일하게 금속과 접촉할 수 있도록 도와준다. 그에 반하여, 그래핀이 부존재하는 경우에는 실리콘 나노선 머리에 불균일하게 배치되어 있으므로 균일한 전기적 접촉을 기대하기 어렵다.It can be seen that when the graphene is deposited, the gold contact electrode can be placed on the graphene. That is, a uniform and flat Au thin film is formed at the portion where graphen is present. On the other hand, when graphene was not deposited, it was confirmed that the gold was not arranged in a plane shape but arranged in a lump form on the silicon nanowire head. Graphene acts as a support membrane to prevent gold from penetrating into the silicon nanowires on the head of the silicon nanowire, helping the silicone head to evenly contact the metal. On the other hand, in the case where graphene is not present, it is difficult to expect uniform electrical contact since it is non-uniformly arranged on the silicon nanowire head.

4. 4. 실험예Experimental Example 1:  One: 그래핀Grapina /실리콘 /silicon 나노선Narrow 접합구조의 전류-전압 특성 Current-voltage characteristics of junction structure

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상-하부 전극이 형성된 그래핀/실리콘 나노선의 접합 구조를 제작하고, 전압을 인가하였을 때의 전류-전압 곡선을 나타내었다. 그래핀의 금속성으로 인하여 반도체인 실리콘 나노선과 접합되는 경우 전류-전압 곡선은 쇼트키(schottky) 다이오드의 특성을 보임을 확인하였다. 본 발명은 p 형 실리콘 나노선을 예시하였다. p 형 실리콘 나노선인 그래핀/실리콘 나노선 분자 센서는 순방향 전압에서는 전류가 흐르지 않음을 관찰하였으며, 역방향 전압에서만 전류가 흐르는 정류 작용이 관찰되었다. As shown in FIG. 5, a junction structure of graphene / silicon nanowires with upper and lower electrodes formed and a current-voltage curve when voltage was applied are shown. Due to the metallic nature of graphene, it was confirmed that the current-voltage curve shows the characteristics of a schottky diode when it is bonded to a semiconductor silicon nanowire. The present invention exemplifies p-type silicon nanowires. The graphene / silicon nanowire molecular sensor, a p-type silicon nanowire, observed no current flow at forward voltage and rectified current flow only at reverse voltage.

이는 도 5의 우측 패널 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 전압에서는 그래핀과 p 형 실리콘 나노선 사이의 높은 전위 장벽(barrier)에 의해 전자가 이동하기 어려우며, 역방향 전압이 인가되는 경우 낮아진 전위 장벽을 통해 정공이 잘 흐르게 되어 전류의 세기가 증가하기 때문이다. As shown in the right panel diagram of FIG. 5, electrons are difficult to move due to a high potential barrier between the graphene and the p-type silicon nanowire at the forward voltage, and when the reverse voltage is applied, So that the intensity of the current increases.

4. 4. 실험예Experimental Example 2: 기체 종류에 따른  2: Depending on the type of gas 그래핀Grapina /실리콘 분자 나노 센서에서 나타나는 저항 변화 측정/ Measurement of resistance change in silicon molecule nanosensor

(1) 수소 기체 처리 시 저항 변화 측정(1) Measurement of resistance change during hydrogen gas treatment

먼저 제조예 1 내지 4의 방법을 통해 제작한 그래핀/실리콘 나노선 분자 센서에 인가 전압은 -10 V로 하고, 수소 기체를 주기적으로 처리하여 센서의 시간에 따른 변화율을 평가하였다. First, the applied voltage to the graphene / silicon nanowire molecular sensor manufactured by the methods of Production Examples 1 to 4 was -10 V, and hydrogen gas was periodically treated to evaluate the change rate of the sensor over time.

도 6을 참조하면, 수소 기체를 흘려 주었을 때 그래핀/실리콘 나노선의 저항이 약 11배 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 30% 저항 증가까지 걸린 시간이 약 12초가 걸린 것을 확인할 수 있다. 다시 수소 가스의 공급을 중단하면 30% 저항이 원상복귀하는데 걸리는 시간은 약 0.15초가 걸리며, 저항의 최고치에서 저항이 원상복귀하는데 걸리는 시간은 1초가 걸렸다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the resistance of the graphene / silicon nanowire increased about 11 times when the hydrogen gas was supplied, and it took about 12 seconds for the 30% resistance increase to take place. When the supply of the hydrogen gas is stopped again, the time required for the 30% resistance to return to the original state takes about 0.15 second, and the time taken for the resistance to return to the original state takes 1 second at the maximum value of the resistance.

반복적으로 수소가스를 흘려 주고, 차단한 결과 반복된 저항 그래프를 보여주고 있음을 확인할 수 있었다. As a result, it was confirmed that the hydrogen gas was repeatedly flown and cut off repeatedly.

(2) 산소 기체 처리 시 저항 변화 측정(2) Measurement of resistance change during oxygen gas treatment

도 7을 참조하면, 수소 기체와 마찬가지의 방법으로 산소 기체를 흘려주었을 때, 그래핀/실리콘 나노선 접합 구조의 저항은 1.37배(37) 감소하는 경향을 보여 주었다. 30%의 저항감소에 3.5초가 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 다시 산소가스의 공급을 중단하였을 때 30%의 저항이 원상 복귀하는데 약 0.15초 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 또한 그래프 파형을 판단 시, 수소 기체와 달리 저항 값이 낮게 측정되는 것에 차이가 있음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 7, when oxygen gas was flowed in the same manner as hydrogen gas, the resistance of the graphene / silicon nanowire junction structure tended to decrease by 1.37 times (37). It was confirmed that it takes 3.5 seconds to reduce the resistance by 30%. When the supply of the oxygen gas was stopped again, it was confirmed that the resistance of 30% took about 0.15 seconds to return to the original state. In addition, when judging the graph waveform, it was confirmed that the resistance value is lower than hydrogen gas.

(3) 아르곤 기체 처리 시 저항 변화 측정(3) Measurement of resistance change during argon gas treatment

도 8을 참조하면, 수소 기체와 마찬가지의 방법으로 아르곤 기체를 흘려주었을 때, 그래핀/실리콘 나노선 접합 구조의 저항은 1.4배(40%) 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 30%의 저항 감소에 1.5초가 소모되는 것을 확인할 수 있었다. 다시 아르곤 가스의 공급을 중단하였을 때에 30%의 저항이 원상 복귀하는 데 약 0.07초 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 산소 기체와 비슷한 그래프 파형이 나타나지만, 저항값이 떨어지는 폭의 차이와 산소를 공급할 때 최대로 증가하는 수치에 차이가 있음을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 8, when the argon gas is flowed in the same manner as the hydrogen gas, the resistance of the graphene / silicon nanowire junction structure is reduced by 1.4 times (40%). 1.5 seconds was consumed. When the supply of the argon gas was stopped again, it was confirmed that the resistance of 30% takes about 0.07 seconds to return to the original state. A graphical waveform similar to that of oxygen gas is shown, but it can be seen that there is a difference in the difference between the widths at which the resistance value drops and the maximum value that increases when oxygen is supplied.

Claims (18)

실리콘 기판;
상기 실리콘 기판에 결합되어 있는 실리콘 나노선; 및
상기 실리콘 나노선 상부에 배치된 그래핀 층을 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서.
A silicon substrate;
Silicon nanowires bonded to the silicon substrate; And
And a graphene layer disposed above the silicon nanowire.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 나노선은 복수 개로 구비되는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서.
The method according to claim 1,
A silicon / graphene molecular nanosensor comprising a plurality of silicon nanowires.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 나노선은 수직 정렬된 실리콘/그래핀 분자 나노 센서.
The method according to claim 1,
The silicon nanowires are vertically aligned silicon / graphene molecular nanosensors.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 나노선은 p 형 또는 n 형 도핑된 실리콘/그래핀 분자 나노 센서.
The method according to claim 1,
The silicon nanowires are p-type or n-type doped silicon / graphene molecular nanosensors.
제 1항에 있어서,
상기 분자는 기체 분자인 실리콘/그래핀 분자 나노 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the molecule is a gas molecule.
제 1항에 있어서,
상기 기체는 수소, 산소 또는 아르곤인 실리콘/그래핀 분자 나노 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the gas is hydrogen, oxygen, or argon.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 기판과 그래핀 층에 각각 접촉 전극을 더 포함하는 실리콘/그래핀 분자 센서.
The method according to claim 1,
And a contact electrode on the silicon substrate and the graphene layer, respectively.
제 7항에 있어서,
상기 접촉 전극은 Ag, Au 또는 Al인 실리콘/그래핀 분자 센서.
8. The method of claim 7,
Wherein the contact electrode is Ag, Au or Al.
제 1항에 있어서,
상기 그래핀은 단층 또는 2층 그래핀인 실리콘/그래핀 분자 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the graphene is a single-layer or two-layer graphene.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘/그래핀 분자 센서는 쇼트키(schottky) 다이오드 특성을 나타내는 실리콘/그래핀 분자 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the silicon / graphene molecular sensor exhibits schottky diode characteristics.
실리콘 기판으로부터 전기화학적 식각법을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하는 제 1단계; 및
상기 실리콘 기판에 형성된 실리콘 나노선 위에 그래핀을 접합시키는 제2 단계;
를 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조방법.
A first step of fabricating a silicon nanowire from a silicon substrate by using an electrochemical etching method; And
A second step of bonding graphene to a silicon nanowire formed on the silicon substrate;
/ RTI > of claim < RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
제 11항에 있어서,
상기 제 1단계의 전기화학적 식각법은 실리콘 기판에 질산은과 불산 혼합액을 공기 분위기에서 처리하여 실리콘 표면에 은입자를 코팅시키는 단계 (a);
상기 은입자가 코팅된 실리콘 기판에 탈이온수를 처리하여 실리콘 기판에 남은 상기 혼합액을 제거하는 단계 (b); 및
은입자가 코팅된 실리콘 기판을 불산, 과산화수소 및 탈이온수를 혼합한 혼합액에 담구어 식각시키는 단계 (c)
를 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The first step of electrochemical etching comprises: (a) treating a silicon substrate with silver nitrate and hydrofluoric acid in an air atmosphere to coat silver particles on the silicon surface;
(B) treating deionized water on the silver-coated silicon substrate to remove the remaining mixed solution on the silicon substrate; And
A step (c) of immersing and etching the silver-coated silicon substrate in a mixed solution of hydrofluoric acid, hydrogen peroxide and deionized water,
/ RTI > of claim < RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
제 12항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 질산은은 그 농도가 0.001 내지 0.05 M이고, 불산은 그 농도가 1 내지 10 M인 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the concentration of silver nitrate is 0.001 to 0.05 M in the step (a), and the concentration of hydrofluoric acid is 1 to 10 M in the step (a).
제 11항에 있어서,
상기 제 2 단계 후 제조된 그래핀이 전사된 실리콘 나노선에 접촉전극을 증착시키는 제 3 단계를 추가적으로 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조방법.
12. The method of claim 11,
And a third step of depositing a contact electrode on the silicon nanowire to which the graphene is transferred after the second step.
제 14항에 있어서,
상기 접촉 전극은 금, 은 또는 백금인 실리콘/그래핀 분자 나노 센서의 제조방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the contact electrode is gold, silver or platinum.
실리콘/그래핀 분자 나노 센서에 전압을 인가한 상태에서 대상 분자를 일정 주기로 반복적으로 공급 및 차단 하는 단계; 및
상기 대상 분자를 일정 주기로 반복적으로 공급 및 차단하였을 때 시간에 따른 저항의 변화 추세를 측정하는 단계를 포함하는 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 이용한 분자의 종류를 확인하는 방법.
Repeatedly supplying and blocking target molecules at a predetermined cycle while a voltage is applied to the silicon / graphene molecular nanosensor; And
And measuring the change in resistance with time when the target molecules are repeatedly supplied and blocked at a predetermined cycle.
제 16항에 있어서,
상기 대상 분자는 대상 기체인 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 이용한 분자의 종류를 확인하는 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the target molecule is a target gas, wherein the target gas is a silicon / graphene molecular nanosensor.
제 17항에 있어서,
상기 대상 분자는 수소, 산소 또는 아르곤인 실리콘/그래핀 분자 나노 센서를 이용한 분자의 종류를 확인하는 방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the molecule of interest is hydrogen, oxygen, or argon.
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