KR20190023384A - Synthesis of Silica Nanowires Using Amorphous Silicon - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silica nanowires using amorphous silicon.
실리카 나노와이어는 발광성 및 이물질 흡착성 등이 우수하여 마이크로 도파관, 발광 다이오드, 바이오센서 등과 같이 다양한 광전소자(photoelectric element)에 이용될 수 있는 나노소재이다. Silica nanowires are excellent in luminescence and foreign matter adsorption, and are nanomaterials that can be used in various photoelectric elements such as micro waveguides, light emitting diodes, and biosensors.
실리카 나노와이어의 높은 응용 가능성 때문에 이를 제조하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 최근에는 금속촉매를 이용한 실리카 나노와이어 제조방법이 많은 관심을 받고 있다.Due to the high applicability of silica nanowires, various studies have been conducted to produce them. Recently, a method for manufacturing silica nanowires using a metal catalyst has attracted much attention.
이러한 금속촉매를 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법에 관한 일 예로, 결정질 실리콘 웨이퍼 위에 촉매용 금속 박막을 증착한 후, 미량의 산소가 포함된 아르곤(Ar) 혹은 질소(N2) 가스의 분위기 속에서 열처리하여 실리카 나노와이어를 제조하는 기술(이하, ‘선행기술1’이라 칭함)이 일반적으로 공지된 바 있다. As an example of a method for producing the silica nanowire using such a metal catalyst, a metal thin film for catalyst is deposited on a crystalline silicon wafer, and then, in an atmosphere of argon (Ar) or nitrogen (N 2 ) gas containing a small amount of oxygen, (Hereinafter, referred to as "
그리고, 상술한 금속촉매를 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 관한 연구의 일환으로 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0053140호(출원일 : 2013. 11. 07, 공개일 : 2015. 05. 15, 이하 ‘선행기술2’이라 칭함)에서 실리콘 웨이퍼 상에 실리카 나노와이어를 성장시키고, 실리카 나노와이어 표면에 실란기를 도입하는 실리카 나노와이어 복합체의 제조방법에 관한 기술이 제시된 바 있다.As a part of a study on a method for producing silica nanowires using the metal catalyst described above, Korean Patent Publication No. 10-2015-0053140 filed on Mar. 11, 2013, published on May 15, 2015, A technique for manufacturing a silica nanowire composite in which silica nanowires are grown on a silicon wafer and a silane group is introduced on the surface of the silica nanowires has been proposed.
여기서, 선행기술1과 선행기술2는 실리콘 웨이퍼로부터 실리카 나노와이어를 형성하는 선구원소(Precursor)인 규소(Si)와 산소(O) 중 규소(Si)를 제공하는 기반물질로 사용하여 실리카 나노와이어를 성장시키고 있으나, 이러한 실리콘 웨이퍼의 이용은 웨이퍼 비용자체가 고가인 관계로 실리카 나노와이어를 제조하는데 높은 제조비용이 수반될 수밖에 없었다.The
또한, 실리카 나노와이어를 제조하는데 있어서 실리콘 웨이퍼의 사용은 실리콘 웨이퍼 표면층의 일부분만 사용되기 때문에 기반물질의 낭비가 크고, 그 면적의 제한성으로 인해 대량제조가 어려운 문제점이 있어, 저비용으로 나노와이어를 제조하는데 근본적인 제약으로 작용한다. In addition, since the use of a silicon wafer in manufacturing a silica nanowire uses only a part of a surface layer of a silicon wafer, there is a problem that a large amount of base material is wasted and mass production is difficult due to limitation of the area, This is a fundamental limitation.
그렇기에, 저비용으로 다량의 실리카 나노와이어를 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a need for a technique for manufacturing a large amount of silica nanowires at low cost.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 고가의 실리콘 웨이퍼를 대체하여 저비용으로 다량의 실리카 나노와이어의 형성이 가능한 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of forming a large amount of silica nanowires at low cost by replacing expensive silicon wafers.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법은 (a) 플라즈마 화학기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition ;PECVD) 방법을 수행하여 반응기 내 위치한 기판 상에 비정질 실리콘 박막층을 증착하는 단계; (b) 상기 (a)단계를 통해 비정질 실리콘 박막 층이 증착된 기판 상에 진공증착 방법을 수행하여 금속 박막층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계를 통해 상기 금속 박막층이 증착된 기판 상에 상기 금속 박막층의 금속원자를 촉매로 하여 실리카 나노와이어가 형성되도록 열처리하는 단계;를 포함한다. 이때, 상기 비정질 실리콘 박막층은 실리카 나노와이어를 형성하기 위해 상기 금속 박막층의 금속원자와 반응하는 규소(Si)의 공급원이다.In order to achieve the above object, a method for manufacturing a silica nanowire using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (a) performing a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) Depositing an amorphous silicon thin film layer on the substrate; (b) forming a metal thin film layer by performing a vacuum deposition method on the substrate on which the amorphous silicon thin film layer is deposited through the step (a); And (c) heat-treating the substrate on which the metal thin film layer is deposited through the step (b) to form silica nanowires with metal atoms of the metal thin film layer as catalysts. At this time, the amorphous silicon thin film layer is a source of silicon (Si) reacting with metal atoms of the metal thin film layer to form silica nanowires.
그리고, 상기 (a)단계 이전에 기판 상에 완충층을 형성하는 단계가 선행되고, 상기 완충층은 이산화규소(SiO2) 박막층일 수 있다.A step of forming a buffer layer on the substrate may be preceded by the step (a), and the buffer layer may be a silicon dioxide (SiO 2 ) thin film layer.
또한, 상기 (a)단계는 플라즈마 화학기상 증착 방법을 수행하는데 있어서 질소로 희석된 5% 사일렌(SiH4) 가스를 반응가스로 이용할 수 있다.Further, the step (a) in carrying out a plasma chemical vapor deposition method can be used with 5% four days alkylene (SiH 4) diluted with nitrogen gas into the reaction gas.
그리고, 상기 (b)단계에서, 상기 금속 박막층은 니켈(Ni)로 이루어질 수 있다.In the step (b), the metal thin film layer may be made of nickel (Ni).
또한, 상기 (c)단계는 산소가 포함된 질소가스 하에서 상기 비정질 실리콘 박막층 및 상기 금속 박막층이 증착된 기판을 열처리할 수 있다.In the step (c), the substrate on which the amorphous silicon thin film layer and the metal thin film layer are deposited under a nitrogen gas containing oxygen may be heat-treated.
한편, 상술한 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법으로 실리카 나노와이어를 제조할 수 있다.On the other hand, silica nanowires can be manufactured by the above-described method for producing silica nanowires using amorphous silicon.
이때, 상기 실리카 나노와이어는 SiOx로 구성된 비정질 실리카이고, 상기 x는 0<x<3일 수 있다.Here, the silica nanowire is amorphous silica composed of SiOx, and x may be 0 < x < 3.
그리고, 실리카 나노와이어를 사용하여 광전소자를 제조할 수 있다.Then, a photoelectric device can be manufactured using a silica nanowire.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the present invention has the following effects.
첫째, 비정질 실리콘을 이용하여 제조된 실리카 나노와이어는 형성 메커니즘을 포함하여 제조된 실리카 나노와이어의 미세구조 및 물리적 특성 등 모든 면에서 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용한 경우와 거의 차이가 없기에 실리카 나노와이어를 제조하는데 있어서 종래의 결정질 실리콘 웨이퍼를 대체하여 비정질 실리콘 박막을 이용하는 것이 가능하다.First, silica nanowires fabricated using amorphous silicon have almost no difference from the case of using crystalline silicon wafers in all aspects, such as the microstructure and physical characteristics of silica nanowires including the formation mechanism, so that silica nanowires are manufactured It is possible to use an amorphous silicon thin film instead of a conventional crystalline silicon wafer.
둘째, 본 발명은 플라즈마 화학기상 증착(PECVD)법을 통해 임의의 기판 상에 비정질 실리콘 박막층을 증착하는 과정에서 질소로 희석된 5% 사일렌(SiH4) 가스를 공급하여 제조될 수 있기에, 고가인 순수 사일렌(SiH4) 가스의 사용량을 줄이며 고가인 종래의 결정질 실리콘 웨이퍼에 비해 그 제조비용이 절감될 수 있고, 이때, 비정질 실리콘 박막층은 대면적으로 제조될 수 있어 면적의 제한성을 가지는 종래의 결정질 실리콘 웨이퍼에 비해 다량의 실리카 나노와이어를 제조하는 것 또한 가능하다. 즉, 비정질 실리콘 박막의 이용은 종래의 결정질 웨이퍼를 이용하여 실리카 나노와이어를 제조하는 것에 비해 낮은 제조비용으로 다량의 실리카 나노와이어를 제조하는 것이 가능하다. Second, the present invention because it can be produced by plasma chemical vapor deposition (PECVD) of 5% four days alkylene (SiH 4) supplies the gas is diluted by the method of nitrogen in the process of depositing an amorphous silicon thin film on an arbitrary substrate, a high-priced the pure four days alkylene (SiH 4) prior art, reduce the amount of the gas can be the production cost savings compared to conventional crystalline silicon wafer is expensive, and this time, the amorphous silicon thin film layer can be manufactured in a large area with a limitation of the area It is also possible to produce a larger amount of silica nanowires than the crystalline silicon wafers of the present invention. That is, the use of the amorphous silicon thin film makes it possible to manufacture a large amount of silica nanowires at a low manufacturing cost as compared with the production of the silica nanowires using a conventional crystalline wafer.
셋째, 본 발명의 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법으로 제조된 실리카 나노와이어를 이용하여 제작되는 광전소자의 제조비용 또한 절감할 수 있다. Third, the manufacturing cost of the photoelectric device manufactured using the silica nanowire manufactured by the method of manufacturing the silica nanowire using the amorphous silicon of the present invention can be reduced.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도4는 니켈 박막층이 코팅된 (a) 실리콘 웨이퍼와 (b) 비정질 실리콘 박막층이 증착된 기판을 1100℃에서 1시간 동안 어닐링 한 후 측정한 측면 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도5는 (a) 실리콘 웨이퍼와 (b) 비정질 실리콘 박막층이 증착된 기판을 1100℃에서 1시간 동안 어닐링 한 후 나노와이어로 덮여진 표면을 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 (a) 고배율 투과 현미경(HRTEM) 사진과 (b) 전자회절(ED) 패턴을 예시한 것이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 X-선 분광분석(EDX) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 포토루미네센스(photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a silica nanowire using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view schematically illustrating a method for manufacturing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 is a schematic view schematically illustrating a method of manufacturing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a silicon wafer (a) coated with a nickel thin film layer and (b) a substrate on which an amorphous silicon thin film layer is deposited, after annealing at 1100 ° C for 1 hour.
5 is a scanning electron microscope (SEM) image of a silicon wafer and (b) a substrate on which an amorphous silicon thin film layer is deposited, after annealing the substrate at 1100 ° C for 1 hour and measuring the surface covered with the nanowire.
FIG. 6 is a photograph showing a high magnification transmission microscope (HRTEM) photograph and (b) an electron diffraction (ED) pattern of the silica nanowire prepared according to the method for producing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. It is.
FIG. 7 is a graph showing an X-ray spectroscopy (EDX) spectrum of silica nanowires prepared according to the method for producing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing a photoluminescence spectrum of a silica nanowire fabricated according to a method of manufacturing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.The preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which the technical parts already known will be omitted or compressed for simplicity of explanation.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법을 도시한 흐름도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법을 개략적으로 도시한 개략도이며, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법을 개략적으로 도시한 개략도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a silica nanowire using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a silica nanowire using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. And FIG. 3 is a schematic view schematically showing a method of manufacturing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention.
도1 내지 도3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법은 비정질 실리콘 박막층을 증착하는 다음의 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 3, a method for fabricating silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention may include the following steps of depositing an amorphous silicon thin film layer.
1. (a)단계<S100>1. (a) Step < S100 >
(a)단계(S100)는 플라즈마 화학기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition ; PECVD) 방법을 수행하여 반응기 내 위치한 기판(1) 상에 비정질 실리콘 박막층(2)을 증착하는 단계이다. 이때, (a)단계(S100)는 플라즈마 화학기상 증착방법을 수행하는데 있어서 질소로 희석된 5 % 사일렌(SiH4) 가스를 반응가스로 이용하여 기판(1) 상에 비정질 실리콘 박막층(2)을 증착할 수 있다. 이때, 상술한 반응가스는 질소와 사일렌(SiH4) 가스가 포함된 혼합가스의 총 유량 중 질소에 대한 사일렌(SiH4) 가스의 포함 비율이 5 %인 것을 의미한다. 또한, 기판(1)은 유리(glass), 플라스틱 등 그 재질에 한정되지 않고 비정질 실리콘 박막층(2)의 코팅이 가능한 임의의 기판일 수 있다.(a) step S100 is a step of depositing an amorphous silicon
그리고, (a)단계(S100) 이전에 기판(1) 상에 완충층(bl)을 형성하는 단계가 선행될 수 있으며, 이때, 완충층(bl)은 이산화규소(SiO2) 박막층일 수 있다. 여기서, 완충층(bl)을 형성하는 단계는 기판(1)의 특정 성분이 나노와이어 성장에 영향이 미치는 것을 차단할 필요가 있을 경우에 수행될 수 있다. 그런데, 기판(1)이 글래스기판인 경우, 완충층(bl)은 유리와 같은 성분이므로 완충층(bl) 형성단계를 생략할 수 있다.The step (a) may be preceded by a step of forming a buffer layer (bl) on the
이때, (a)단계(S100)에서 기판(1) 상에 증착되는 비정질 실리콘 박막층(2)은 실리카 나노와이어를 형성하는 선구원소인 규소(Si)와 산소(O) 중 규소(Si)를 제공하는 기반물질로 사용될 수 있다. 즉, 비정질 실리콘 박막층(2)은 실리카 나노와이어(4)를 형성하기 위해 후술할 금속 박막층(3)의 금속원자와 반응하는 규소(Si)의 공급원이다.At this time, the amorphous silicon
여기서, 비정질 실리콘 박막층(2)은 플라즈마 화학기상 증착(PECVD)법을 통해 임의의 기판 상에 비정질 실리콘 박막층(2)을 증착하는 과정에서 질소로 희석된 5% 사일렌(SiH4) 가스를 공급하여 제조될 수 있기에, 고가인 순수 사일렌(SiH4) 가스의 사용량을 줄이며 그 제조비용이 절감될 수 있다. 또한, (a)단계(S100)에서 비정질 실리콘 박막층(2)은 대면적으로 제조될 수 있어 면적의 제한성을 가지는 종래의 결정질 실리콘 웨이퍼에 비해 다량의 실리카 나노와이어를 제조하는 것이 가능하다. Here, the amorphous silicon
즉, 비정질 실리콘 박막층(2)은 저비용으로 다량의 실리카 나노와이어를 제조하는데 있어서 표면층의 일부분만 사용하여 기반물질의 낭비가 크고, 그 면적의 제한성으로 인해 대량제조가 어려운 문제점이 존재하는 종래의 결정질 실리콘 웨이퍼에 비해 적합한 기반물질의 특성을 가진다.That is, since the amorphous silicon
2. (b)단계<S200>2. (b) In step < S200 >
(b)단계(S200)는 (a)단계를 통해 비정질 실리콘 박막층이 증착된 기판 상에 진공증착(vacuum deposition) 방법을 수행하여 금속 박막층(3)을 형성하는 단계이다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 박막층(3)은 니켈(Ni)로 이루어질 수 있다. (b) Step (S200) is a step of forming a metal
여기서, 금속 박막층(3)의 금속원자는 후술할 (c)단계에서 비정질 실리콘 박막층(2)에서 공급되는 규소(Si)와 반응하는 금속촉매로 작용한다.Here, the metal atom of the metal
3. (c)단계<S300>3. (c) Step < S300 >
(c)단계(S300)는 (b)단계(S200)를 통해 금속 박막층(3)이 증착된 기판 상에 금속 박막층(3)의 금속원자를 촉매로 하여 실리카 나노와이어(4)가 형성되도록 열처리하는 단계이다. (c) In step S300, the metal nanowire 4 is formed on the substrate on which the metal
여기서, (c)단계(S300)는 금속 박막층(3), 비정질 실리콘 박막층(2) 등이 증착된 기판(1)을 관상 가열 전기로 속에 위치시키고, 산소가 포함된 고순도 질소를 대기압 상태로 흐리면서 800 ℃ 내지 1200 ℃ 범위 내 온도에서 어닐링(annealing) 즉, 열처리한다. 좀 더 구체적으로는 1100 ℃의 온도에서 열처리가 이루어질 수 있다. 이때, 열처리는 촉매로 사용된 금속 박막층(3)의 금속원소 즉, 니켈(Ni)과 규소(Si)의 공융점 온도(eutectic temperature)에서 이루어질 수 있다. In step S300, the
이때, (c)단계(S300)에서 전기로 내부로 공급되는 산소는 실리카 나노와이어를 형성하는 선구원소인 규소(Si)와 산소(O) 중 산소(O)를 제공한다.At this time, (c) the oxygen supplied into the electric furnace in step S300 provides silicon (Si), which is a precursor element forming the silica nanowire, and oxygen (O), among oxygen (O).
그리고, (c)단계(S300)를 좀 더 자세히 설명하자면, 관상 가열 전기로 속에 위치한 금속 박막층(3), 비정질 실리콘 박막층(2) 등이 증착된 기판(1)을 니켈(Ni)과 규소(Si)의 공융점 온도로 열처리하는 경우에, 니켈(Ni)이 비정질 실리콘 박막층(2)의 규소(Si)과 반응하여 Si-Ni 공융액체방울(eutectic liquid droplet)이 형성된다. 이때, 열처리 중 전기로 속에 공급되는 산소(O)가 공융액체방울에 흡수되어 규소(Si)과 산소(O)의 반응에 의해 실리카 나노와이어를 형성하는 미립자인 SiO가 생성되고, 이들이 과포화 상태가 되어 고체상의 실리카 나노와이어(4)의 성장이 이루어진다.The
이때, 상술한 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법으로 실리카 나노와이어(4)는 SiOx로 구성된 비정질 실리카이고, 상기 x는 0<x<3일 수 있다.At this time, the silica nanowire (4) is amorphous silica composed of SiOx, and x may be 0 <x <3.
그리고, 상술한 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법으로 실리카 나노와이어(4)를 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 실리카 나노와이어(4)를 사용하여 광전소자를 제조할 수 있다.The silica nanowire 4 can be manufactured by the above-described method for producing silica nanowires using amorphous silicon, and the photoelectric device can be manufactured using the silica nanowire 4 thus produced.
한편, 상술한 제조방법을 통해 실리카 나노와이어가 제조될 수 있으며, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 및 비교예를 기재하고, 도4 내지 도8을 참조하여 설명하고자 한다. 그러나, 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.In the meantime, the silica nanowires can be manufactured through the above-described manufacturing method, and examples and comparative examples will be described in order to facilitate understanding of the present invention and will be described with reference to FIGS. 4 to 8. FIG. However, the following embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments.
도4는 니켈 박막층이 코팅된 (a) 실리콘 웨이퍼와 (b) 비정질 실리콘 박막층이 증착된 기판을 1100℃에서 1시간 동안 어닐링 한 후 측정한 측면 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도5는 (a) 실리콘 웨이퍼와 (b) 비정질 실리콘 박막층이 증착된 기판을 1100℃에서 1시간 동안 어닐링 한 후 나노와이어로 덮여진 표면을 측정한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 그리고, 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 (a) 고배율 투과 현미경(HRTEM) 사진과 (b) 전자회절(ED) 패턴을 예시한 것이며, 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 X-선 분광분석(EDX) 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어 제조방법에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 포토루미네센스(photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a silicon wafer coated with a nickel thin film layer and (b) an amorphous silicon thin film layer deposited thereon, annealed at 1100 ° C. for 1 hour, a scanning electron microscope (SEM) photograph of a silicon wafer and (b) a substrate on which an amorphous silicon thin film layer is deposited is annealed at 1100 캜 for 1 hour and then the surface covered with the nanowire is measured. 6 is a photograph showing a high-magnification transmission microscope (HRTEM) photograph of the silica nanowire prepared according to the method for producing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention and (b) an electron diffraction (ED) pattern FIG. 7 is a graph showing an X-ray spectroscopy (EDX) spectrum of a silica nanowire fabricated by a method for producing silica nanowires using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing a photoluminescence spectrum of a silica nanowire fabricated according to a method of manufacturing a silica nanowire using amorphous silicon according to an embodiment of the present invention. FIG.
실시예Example
먼저, 질소로 희석된 5% 사일렌(SiH4) 가스 하에서 플라즈마 화학기상 증착방법으로 기판위에 비정질 실리콘(a-Si) 박막층을 증착시켰다. 이때, 기판은 완충층인 이산화규소(SiO2)막이 코팅된 P-형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 이산화규소(SiO2)막은 실리카 나노와이어를 형성할 때 결정질 실리콘 웨이퍼(c-Si)의 효과를 차단하기 위하여 사용하였으며, 그 두께는 650 nm이었다. 그리고, 플라즈마 화학 기상 증착방법으로 증착된 비정질 실리콘 박막층은 1μm의 두께를 가지도록 형성되었다. First, an amorphous silicon (a-Si) thin film layer was deposited on a substrate by a plasma chemical vapor deposition (CVD) method under 5% SiH 4 gas diluted with nitrogen. At this time, the substrate was a P-type silicon wafer coated with a silicon dioxide (SiO 2 ) film as a buffer layer. The silicon dioxide (SiO 2 ) film was used to block the effect of the crystalline silicon wafer (c-Si) when forming the silica nanowire, and its thickness was 650 nm. The amorphous silicon thin film deposited by the plasma chemical vapor deposition method was formed to have a thickness of 1 탆.
이후, 비정질 실리콘 박막층 위에 진공증착 방법으로 두께 약 20 nm의 금속 박막층 즉, 니켈막을 형성한 뒤, 니켈막이 증착된 시료1을 관상 가열 전기로 속에서 열처리하여 기판 상에 SiOx 형태의 실리카 나노와이어를 성장시켰다. 이때, 열처리는 약 2.0 ppm의 산소가 포함된 고순도 질소를 대기압 상태로 흐리면서 1100 ℃에서 1시간 동안 수행하였다. Then, a metal thin film layer having a thickness of about 20 nm is formed on the amorphous silicon thin film layer by a vacuum deposition method, that is, a nickel film is formed. Then, the
비교예Comparative Example
실시예에서 비정질 실리콘 박막층 위에 금속 박막층을 형성할 때 이와 동시에 결정질 실리콘(s-Si) 웨이퍼 위에 진공증착 방법으로 두께 약 20 nm의 금속 박막층 즉, 니켈막을 형성한 뒤, 니켈막이 증착된 시료2를 관상 가열 전기로 속에서 열처리하여 실리콘 웨이퍼 상에 실리카 나노와이어를 성장시켰다. 이때, 열처리는 약 2.0 ppm의 산소가 포함된 고순도 질소를 대기압 상태로 흐리면서 1100 ℃에서 1시간 동안 수행하였다. In this embodiment, when a metal thin film layer is formed on the amorphous silicon thin film layer, a metal thin film layer, that is, a nickel film having a thickness of about 20 nm is formed on a crystalline silicon (s-Si) wafer by a vacuum deposition method, The silica nanowires were grown on a silicon wafer by heat treatment in a tubular heating furnace. At this time, the heat treatment was performed at 1100 占 폚 for 1 hour while clouding the high purity nitrogen containing about 2.0 ppm of oxygen.
실시예와Examples 비교예의Comparative example 비교 분석 comparison analysis
도4는 실시예의 시료1과 비교예의 시료2를 동시에 1100 ℃에서 1시간 동안 열처리 한 후 측정한 측면 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이며, 사진 속 삽입된 작은 사진은 각각 붉은 사각형 부분을 확대한 사진이다. 여기서 도4(a)는 비교예의 시료2의 사진이며, 도4(b)는 실시예의 시료1의 사진이다.FIG. 4 is a side-view scanning electron microscope (SEM) photograph of the
여기서, 두 시료 모두 기판 상에 나노와이어가 형성되었음을 확인할 수 있으며, 이를 통해 비정질 실리콘(a-Si) 박막도 니켈(Ni) 금속을 촉매로 실리카 나노와이어가 형성되었음을 알 수 있다. 이때, 도4(a)에는 결정질 실리콘(c-Si) 웨이퍼 표면이 패여 울퉁불퉁한 형태를 이루고 있는데 이는 금속 박막층의 니켈이 실리콘 웨이퍼의 규소(Si)와 반응하여 Si-Ni 공융액체방울이 형성되기 때문이다. 이 후, 실리카 나노와이어의 성장이 이루어지는 과정은 상술하였기에 생략하고자 한다. In this case, it can be confirmed that nanowires are formed on the substrate in both samples. As a result, it can be seen that the amorphous silicon (a-Si) thin film also has silica nanowires formed by using nickel (Ni) metal as a catalyst. 4 (a), the surface of the crystalline silicon (c-Si) wafer is ruggedly formed because the nickel of the metal thin film layer reacts with the silicon (Si) of the silicon wafer to form a Si-Ni eutectic liquid droplet to be. Hereinafter, the process of growing the silica nanowires has been described in detail.
그리고, 도4(b)를 보면, 이산화규소(SiO2)막 아래의 기판으로 이용된 실리콘(c-Si) 웨이퍼의 표면이 매끄러운 형태를 유지하고 있음을 보이는데 이는 실리콘 웨이퍼(s-Si)에 포함된 Si가 Si-Ni 공융 액체방울의 형성 반응과정에 관여하지 않았음을 의미한다. 반면, 이산화규소(SiO2)막 상부에는 열처리 이전 초기 비정질 실리콘(a-Si) 박막층의 위치에 작은 나노와이어들이 매우 조밀하게 얼기설기 배열된 층이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 초기 비정질 실리콘(a-Si) 박막층의 규소(Si)가 모두 니켈(Ni)과 반응하여 실리카 나노와이어로 성장하였음을 알 수 있다. 4 (b), the surface of the silicon (c-Si) wafer used as the substrate under the silicon dioxide (SiO 2 ) film remains smooth, Which means that the contained Si did not participate in the formation reaction process of the Si-Ni eutectic liquid droplets. On the other hand, on the silicon dioxide (SiO 2 ) film, it is confirmed that a layer in which small nanowires are densely arranged in a pore pattern is formed at the position of the initial amorphous silicon (a-Si) thin film layer before the heat treatment. -Si) thin film layer all react with nickel (Ni) to grow into silica nanowires.
도5는 도4(a) 및 도4(b)의 실리카 나노와이어를 동일한 배율로 확대하여 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸다. 이때, 도5(a)는 실리콘 웨이퍼를 사용하여 성장한 실리카 나노와이어(시료2)의 사진이고, 도5(b)는 비정질 실리콘을 사용하여 성장한 실리카 나노와이어(시료1)의 사진이다. Fig. 5 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph taken at the same magnification of the silica nanowires of Figs. 4 (a) and 4 (b). 5 (a) is a photograph of silica nanowire (sample 2) grown using a silicon wafer, and FIG. 5 (b) is a photograph of a silica nanowire (sample 1) grown using amorphous silicon.
여기서, 도5는 두 시료모두에서 길이가 긴 나노와이어가 형성되어 있음을 보여주고 있으며, 굵기 또한 매우 균일함을 나타낸다. 이러한 결과를 통해 결정질 실리콘(c-Si) 웨이퍼뿐만 아니라 비정질 실리콘(a-Si) 박막을 사용해서 충분한 길이 및 균일한 굵기를 가지는 실리카 나노와이어가 제조 가능함을 확인할 수 있다. Here, FIG. 5 shows that nanowires of long length are formed in both samples, and the thickness is also very uniform. From these results, it can be confirmed that silica nanowires having a sufficient length and a uniform thickness can be manufactured using amorphous silicon (a-Si) thin film as well as crystalline silicon (c-Si) wafers.
이때, 도5(b)에 도시된 실리카 나노와이어의 굵기는 평균지름이 약 53 nm이다. 여기서, 실리카 나노와이어의 굵기는 비정질 실리콘 박막층의 두께에 따라 좌우될 수 있다. 즉, 기판 상에 증착되는 비정질 실리콘 박막층의 두께가 두꺼워질수록 열처리단계에서 공급되는 규소(Si)원자의 수가 늘어나고, 실리카 나노와이어의 굵기 또한 그 평균지름이 커질 수 있다.At this time, the thickness of the silica nanowire shown in Fig. 5 (b) is about 53 nm in average diameter. Here, the thickness of the silica nanowire may depend on the thickness of the amorphous silicon thin film layer. That is, as the thickness of the amorphous silicon thin film layer deposited on the substrate increases, the number of silicon (Si) atoms supplied in the heat treatment step increases, and the average diameter of the silica nanowires also increases.
도6 내지 도7은 실시예에 의해 성장된 실리카 나노와이어의 미세구조, 화학적 조성 및 광발광 특성을 조사 분석한 것이다. FIGS. 6 to 7 illustrate the microstructure, chemical composition, and photoluminescence characteristics of the silica nanowires grown by the examples.
도6(a)와 도6(b)는 각각 실리카 나노와이어에 대한 고배율 투과 현미경(HRTEM) 사진과 전자회절(ED)패턴을 나타낸 것이다. 여기서 도6(a)의 사진으로부터 실시예에 따라 제조된 실리카 나노와이어가 아주 매끄러운 표면을 가지고 있으며, 나노와이어 내에 어떠한 입자도 내포하고 있지 않음을 보여주고 있다. 이러한 결과는 나노와이어가 균질한 구조로 형성되어 있음을 의미한다. 그리고, 도6(b)의 사진으로부터 실시예에 따라 제조된 실리카 나노와이어가 결정성을 나타내는 규칙적인 배열의 밝은 점이나 다결정성을 나타내는 밝은 점들로 구성되어 형성된 원형의 패턴을 보여주고 있지 않다.6 (a) and 6 (b) show a high magnification transmission microscope (HRTEM) photograph and an electron diffraction (ED) pattern for silica nanowires, respectively. Here, the photograph of FIG. 6 (a) shows that the silica nanowires prepared according to the example have a very smooth surface and do not contain any particles in the nanowires. These results indicate that the nanowires are formed in a homogeneous structure. From the photograph of FIG. 6 (b), the silica nanowire produced according to the example does not show the circular pattern formed by the bright points of regular arrangement indicating crystallinity or the bright points indicating polycrystallinity.
이러한 도6(a) 및 도6(b)의 결과는 비정질 상에서 관측되는 전형적인 패턴으로 기존 실리카 나노와이어에 대한 실험 결과와 잘 일치하며, 이러한 결과로부터 비정질 실리콘 박막층에 의해 형성된 실리카 나노와이어는 비정질 상의 물질로 판단된다. The results of FIGS. 6 (a) and 6 (b) are in good agreement with experimental results for conventional silica nanowires, which is a typical pattern observed on an amorphous phase. From these results, the silica nanowires formed by the amorphous silicon thin- It is judged as a substance.
도7은 비정질상인 실리카 나노와이어의 화학적 구성 성분을 측정하기 위하여 수행한 X-선 분광분석(EDX) 스펙트럼을 나타낸다. 여기서, 실시예에 따라 제조된 실리카 나노와이어는 규소(Si), 산소(O), 니켈(Ni)을 포함하고 있으며, 특히, 실리카 나노와이어의 주요 화학적 구성원소인 규소(Si)와 산소(O) 원자의 화학적 조성 비율은 각각 30.2at.%와 68.9 at.%로 함유되어 있음을 보여준다. 이때, 상술한 조성 비율은 원자수의 조성비율(atomic percent)을 의미한다. 이러한 결과를 통해 실시예에 따라 제조된 실리카 나노와이어는 SiO2 .3의 조성을 가진 비정질 실리카임을 확인할 수 있다.Figure 7 shows an X-ray spectroscopy (EDX) spectrum performed to determine the chemical composition of the amorphous silica nanowire. The silica nanowires prepared according to the embodiments include silicon (Si), oxygen (O) and nickel (Ni), and in particular, silicon (Si) and oxygen (O), which are major chemical components of silica nanowires, The chemical composition ratios of the atoms are 30.2at.% And 68.9at.%, Respectively. At this time, the above composition ratio means atomic percent of atomic number. From these results, it can be confirmed that the silica nanowire prepared according to the embodiment is amorphous silica having a composition of SiO 2 .3 .
도8은 실시예에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 포토루미네슨스(photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 것이며, 이는 도4와 같이 실리카 나노와이어가 덮인 시료의 표면에 여기 광원을 조사하여 나오는 발광 빛을 측정하여 얻은 것이다.FIG. 8 is a photoluminescence spectrum of the silica nanowire fabricated according to the embodiment. As shown in FIG. 4, the light emitted from the excitation light source is measured on the surface of the silica nanowire- .
여기서, 도8에 도시된 바와 같이, 실시예에 따라 제조된 실리카 나노와이어의 주 발광 파장은 대략 430 nm임을 알 수 있으며, 이러한 결과는 기존에 보고된 결정질 실리콘(c-Si) 웨이퍼로부터 성장된 실리카 나노와이어의 포토루미네슨스(photoluminescence) 발광 특성과 잘 일치한다.8, it can be seen that the main emission wavelength of the silica nanowire fabricated according to the embodiment is about 430 nm, and the results are shown in FIG. 8, which shows that the silica nanowires grown from the crystalline silicon (c-Si) It is in good agreement with the photoluminescence emission characteristics of the silica nanowires.
상술한 실시예와 비교예의 비교를 통해 비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조는 실리카 나노와이어의 형성 메커니즘을 포함하여 제조된 실리카 나노와이어의 미세구조 및 물리적 특성 등 모든 면에서 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용한 경우와 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.The comparison of the above-described examples and comparative examples shows that the production of silica nanowires using amorphous silicon is superior to the case of using crystalline silicon wafers in all aspects including the microstructure and physical properties of the silica nanowires including the mechanism of formation of silica nanowires And there is almost no difference between them.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. And the scope of the present invention should be understood as the scope of the following claims and their equivalents.
1 : 기판
2 : 비정질 실리콘 박막층
3 : 금속 박막층
4 : 실리카 나노와이어
bl :완충층1: substrate
2: Amorphous silicon thin film layer
3: metal thin layer
4: silica nanowire
bl: buffer layer
Claims (8)
(b) 상기 (a)단계를 통해 비정질 실리콘 박막 층이 증착된 기판 상에 진공증착 방법을 수행하여 금속 박막층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 (b)단계를 통해 상기 금속 박막층이 증착된 기판 상에 상기 금속 박막층의 금속원자를 촉매로 하여 실리카 나노와이어가 형성되도록 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 비정질 실리콘 박막층은 실리카 나노와이어를 형성하기 위해 상기 금속 박막층의 금속원자와 반응하는 규소(Si)의 공급원인 것을 특징으로 하는
비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법.
(a) depositing an amorphous silicon thin film layer on a substrate placed in a reactor by performing a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method;
(b) forming a metal thin film layer by performing a vacuum deposition method on the substrate on which the amorphous silicon thin film layer is deposited through the step (a); And
(c) heat-treating the metal thin film layer deposited on the substrate using the metal atoms of the metal thin film layer as a catalyst to form silica nanowires through the step (b)
Wherein the amorphous silicon thin film layer is a source of silicon (Si) reacting with metal atoms of the metal thin film layer to form silica nanowires
Process for the preparation of silica nanowires using amorphous silicon.
상기 (a)단계 이전에 기판 상에 완충층을 형성하는 단계가 선행되고, 상기 완충층은 이산화규소(SiO2) 박막층인 것을 특징으로 하는
비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of forming a buffer layer on the substrate is preceded by the step (a), and the buffer layer is a silicon dioxide (SiO 2 ) thin film layer
Process for the preparation of silica nanowires using amorphous silicon.
상기 (a)단계는 플라즈마 화학기상 증착 방법을 수행하는데 있어서 질소로 희석된 5% 사일렌(SiH4) 가스를 반응가스로 이용하는 것을 특징으로 하는
비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), 5% silane (SiH 4 ) gas diluted with nitrogen is used as a reaction gas in the plasma chemical vapor deposition
Process for the preparation of silica nanowires using amorphous silicon.
상기 (b)단계에서, 상기 금속 박막층은 니켈(Ni)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는
비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the step (b), the metal thin film layer may be formed of nickel (Ni)
Process for the preparation of silica nanowires using amorphous silicon.
상기 (c)단계는 산소가 포함된 질소가스 하에서 상기 비정질 실리콘 박막층 및 상기 금속 박막층이 증착된 기판을 열처리하는 것을 특징으로 하는
비정질 실리콘을 이용한 실리카 나노와이어의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (c) comprises annealing the substrate on which the amorphous silicon thin film layer and the metal thin film layer are deposited under a nitrogen gas containing oxygen
Process for the preparation of silica nanowires using amorphous silicon.
실리카 나노와이어.
A method for producing a silica nanowire using amorphous silicon according to any one of claims 1 to 5,
Silica nanowires.
실리카 나노와이어.
The method of claim 6, wherein the silica nanowire is amorphous silica composed of SiOx, and x is 0 < x < 3
Silica nanowires.
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