슬라이드 1

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한성 채
5 years ago
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1 Ch. 18. Nanostructures 나노미터의크기 나노과학및나노기술의제안

3 나노구조체의발견 C 60 (1985) CNT (1991) Nanowire (1998) Graphene (2005) 나노구조체의물성 13 nm

4 나노구조체의부피대표면적비율 나노세계의관찰 광학현미경

5 나노세계의관찰 전자현미경 주사형전자현미경 투과형전자현미경 SEM image of an insect Model and TEM image of a CdSe nanocrystal

6 나노세계의관찰 Scanning Tunneling Microscope Si (111) surface manipulating atoms "Quantum coral" ~ 48 Fe atoms on a Cu(111) surface

7 나노구조체의제작 하향식 (top-down approach) Integrated circuits in a chip

8 나노구조체의제작 상향식 (bottom-up approach) C 60 (1985) CNT (1991) Nanowire (1998) Graphene (2005) self-assembly ( 자기조립법 ) Self-assembled nanoparticles of PbS

9 자연계의나노구조체 연잎효과 (lotus effect) computer graphic of a lotus leaf 돌기에의한소수성구조때문에연잎위에서물방울이구르면서표면의먼지등을청소함

10 자연계의나노구조체 나비의날개 나비날개의확대현미경사진 ~ 빛의파장에가까운구조로서화학염료없이도특정한파장의빛을반사 / 흡수함으로써다양한색깔을낼수있음. 공작새깃털의화려한색깔도나노구조때문.

11 자연계의나노구조체 게코도마뱀 Gecko foot hair

12 SPM(Scanning Probe Microscope) 미세구조관찰의필요성대두 광학현미경전자현미경원자현미경 스위스쮜리히소재의 IBM 연구원이었던 Binning, Roher, Gerber 와 Weibel 에의해 1982 년에개발 정의 : STM (Scanning Tunneling Microscope) 과 AFM (Atomic Force Microscope) 을통칭하여부르는용어날카로운탐침 (Probe 혹은 Tip) 이표면에수 A 이내로접근하여 Scanning 응용분야 표면분석 ( 표면거칠기, 표면형상, 자기특성 )

13 SPM(Scanning Probe Microscope) 1 High Quality Optical Microscope 2 Advanced Scan System 3 EZ Snap Probe Tip Exchange

14 분석방법비교 광학현미경 SPM SEM 측정정보표면의상태표면형상표면형상 관찰기술 3차원형상 ( 표면 ) 3차원형상 ( 표면 ), 마찰, 표면전위 2 차원형상 X 축분해능 0.1 μm 10A 100A Y 축분해능 0.1 μm 0.2A 100A 배율 3 1~ ~ ~ 10 시료의환경대기, 진공대기, 진공, 용액진공 시료의제한도전성의고체거의모든고체도전성의고체 시료의손상없음적다크다 측정시간 ~ 분 ~ 분 ~100 초 probe Tip 전자총 8

15 STM(Scanning Tunneling Microscope) 최초의원자현미경 가느다란텅스텐선을전기화학적으로에칭시키면그끝이아주뾰 족하게되어맨끝에는원자몇개만이존재 원자한두개크기의간격 (~0.5nm) 으로표면접근 적터널링효과 양자역학

16 The Principle of STM 원자한, 두개크기의간격 (~0.5nm) 으로가까이접근 적당한전압을걸어주면전자가에너지벽을뚫고지나가전류가흐름 STM 의탐침과시료간격이멀어지면전자의터널링확률이작아짐

17 The Method of Measurement Constant-height mode fast relatively smooth surfaces Constant-current mode slow irregular surfaces with high precision

T = 5 K in the constant-current mode Disadvantages 1.

18 STM Sample Defects on a Ag film grown on HOPG HOPG : Substrate Materials for Scanning Tunneling Microscopy and Atomic Force Microscopy At. T = 5 K in the constant-current mode Disadvantages 1. Electrochemical/Liquid use may be difficult or impossible 2. Sample surface not visible for tip positioning 3. Large sample analysis not possible

19 AFM(Atomic Force Microscope) STM(Scanning Tunneling Microcopy) 의문제점해결 원자와원자와의반발력과인력 전기적인특성과무관하므로도체, 반도체및부도체등모든시료의분석에범용적으로적용

20 The Principle of AFM 캔틸레버 (Cantilever) 와표면과의 상호작용 거리에의해인력과척력이발생 하며이를이용하여측정함 ( 접촉 식, 비접촉식방식 ). Tip 시료접근 Tip 진동 Photodiode 감지 표면이미지화

21 Cantilever 캔틸레버와탐침은시료표면에적용되는힘이나 AFM의 lateral resolution을결정. Silicon, silicon nitride로만듦 길이 μm, 넓이 40μm, 두께 0.3-2μm non-contact 방법에서는작동하는진동주파수의범위가넓어야한다.

22 Contact AFM 표면에수직하게야기되는반발력 반발력은 1~10 nn 작은힘에도매우민감하게반응하여 0.01 nm 정도로미세하게움직이는것까지측정 표면형상의변화 캔틸레버 spring constant (0.01~0.005 N/m)

23 Non-Contact AFM 시료사이에작용하는 attractive van der Waals force(0.1nn~0.01nn) 를측정한다 비접촉방식에서는큰공진주파수와큰탄성계수를갖는뾰족한캔틸레버가좋다 원자간의인력 고유진동수변화 진폭과위상변화 Lock-in amp 로측정

24 AFM Sample

25 AFM Sample RMS 18.4nm RA 11.6nm

26 표면거칠기 중심선평균거칠기 (Ra) R 1 l ( x) a d x 0 l f

27 표면거칠기중심선평균거칠기 (Ra) 와제곱평균거칠기와의비교 )... ( 1 ) ( n l x a y y y n d x f l R n y y y d x y l R n l x rms ) ( 1

28 LFM & FMM LFM (Lateral Force Microscope) : 표면의마찰력을재는원자현미경 유리가코팅된나일론화학용기의표면 (5 x 5 mm) FMM (Force Modulation Microscope) : 시료의경도를재는원자현미경 탄소광섬유가폴리머접착제사이에들어있는단면을찍은원자현미경사진

29 PDM & SCM PDM (Phase Detection Microscope) : 시료의탄성및점성등을재는원자현미경 폴리머코팅한것을원자현미경으로찍은사진 SCM (Scanning Capacitance Microscope) : Capacitance 를재는원자현미경 MOSFET 의단면을원자현미경으로찍은사진 (4 x 4 mm)

30 MFM (Magnetic Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) 자기력 ( 磁氣力 ) 을재는원자현미경 컴퓨터용하드디스크를원자현미경으로찍은사진

31 EFM (Electrostatic Force Microscope) EFM (Electrostatic Force Microscope) 시료의전기적특성을재는원자현미경 정전기력을사용하여표면전위, 표면전하, dielectric constant 측정 ASIC 소자를원자현미경으로찍은사진

2nm -Magnification : ~300000 시편에충돌시발생하는 2 차전자를사용하여상을만든다 장점

32 Introduction SEM (Scanning Electron Microscopy) 고체상태에서작은크기의미세조직과형상을관찰할때쓰이는전자현미경 분석능력 -Resolution : 0.2nm -Magnification : ~ 시편에충돌시발생하는 2 차전자를사용하여상을만든다 장점 초심도가깊다 사용배율의범위가넓다 기기조작시료취급이용이 분석소요시간이짧다 TEM에비해시편준비간편 단점 TEM 에비해해상력낮다 진공유지가필수적이다 액체, 젖은시료취급불가

33 2 차전자발생 입사전자 탄성산란 (Elastic Scattering) 에너지를잃지않은채방향만바꾼전자 Auger 전자 가시광선 후방산란전자 이차전자 특성 X 선 원자핵과충돌 (backscattered electron) 시편을빠져나가기전다른원자들과상호작용으로인하여 2차전자발생 backscattered electron이전자현미경내부부품과충돌하여 2차전자발생 회절전자 시편 투과전자 흡수전자 에너지손실전자 Emitting signal electron from the specimen 이때시편에서나온 2차전자들과썩여 noise 로작용 비탄성산란 (Inelastic Scattering) 입사빔보다낮은에너지혹은 2차전자발생 2차전자들은 0~50eV 에너지를가짐 2차전자 detector에의해 image 형성

34 SEM 작동원리 Electron Gun Structure of SEM 1st Condenser lens Condenser Aperture 2nd condenser lens 전자빔집광 이탈하는전자빔제거, 전류량제한전자빔집광 Coherent 한전자빔형성 Object Aperture scanning Detector Scan coils Object lens Scanning beam 초점맞춤 Specimen Schematic drawings of SEM

SEM 구성요소 (1) Vacuum system- Remove air molecules :

control the e-beam Electron Gun Tungsten filament

LaB 6 과같은희토류산화물높은열전자방출 Field emission cathode :

35 SEM 구성요소 (1) Vacuum system- Remove air molecules : 10-5 ~10-7 Torr Electrical Optical System Focus and control the e-beam Electron Gun Tungsten filament cathode : 약 2700K 가열되어열전자방출 LaB 6 filament cathode : LaB 6 과같은희토류산화물높은열전자방출 Field emission cathode : 필라멘트표면에고압의전위차를걸어주어전자를방출 Tungsten filament cathode Field emission cathode

36 SEM 구성요소 (2) Condenser lenses 2nm 이하크기의 spot 을형성 ( 작을수록분해능증가 ) 렌즈에고정된조리개를통하여 spot size를줄이거나수차조절 Object lenses Deflection coil : scan generator 연결되어표면에형성된 spot 을체계적으로이동 Stigmator : CRT 화소 (pixel) 는둥근데반해 2차전자빔은둥글지않다이때비점수차발생. Stimators를이용하여교정 Apertures 50~200 micrometer Apertures 작으면 spot size 감소, 통과하는전자수감소, 구면수차감소,depth of field 증가

SEM 구성요소 (3) Specimen stage Insertion and manipulation Magnification Contrast Resolution Depth of field Specimen preparation 부도체의경우 1 차전자의전하가표면에쌓여방전됨

37 SEM 구성요소 (3) Specimen stage Insertion and manipulation Magnification Contrast Resolution Depth of field Specimen preparation 부도체의경우 1 차전자의전하가표면에쌓여방전됨 Sputter Coating procedure Specimen coating 20~30nm 두께로 gold, platinum 코팅 정전하방지 우수한 2차전자발생 입사빔시편과충돌시열방출 Ion-coater 1~3kV 전압 Argon gas Rotary vacuum pump(100m Torr)

38 분해능 (Resolution) 현미경관찰시작은부위를확실히분간할수있는성능을말함 전자현미경에서의분해능은대략 0.2nm 0.2nm 보다멀리떨어져있는것들만이 2 개로보이고이보다더가까운경우에는 1 개로보인다. High resolution mode: small spot size, short working distance, small aperture 그러나 2 차전자의수를감소하는단점

39 Example 배율가속전압대물렌즈와시편사이의거리 눈금의크기 금속성물질은밝게나타남 (ITO) 2 차전자많이발생 같은가속전압과같은배율로시편를관찰하였으나다른양상을보여주고있다. 즉조건이같더라도시편에종류에따라영상의질은달라진다.!!!

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<4D F736F F F696E74202D20B3AAB3EBC8ADC7D0B0F8C1A4202DB3AAB3EBB1E2BCFA2E BC8A3C8AF20B8F0B5E55D> NANOTECHNOLOGY 2008. 3. 13 ( 목 ) 이길선 나노기술 (Nano Technology) 나노미터 (1nm = 1x10-9 m : 10억분의 1미터 ) 크기의물질을조작하고제어하는기술 나노 : 그리스어로난쟁이를의미함 지구 백두산 사람핀머리적혈구 DNA 원자 10 3 km km m ( 백만 ) ( 천 ) (1) mm (1/ 천 ) μm (1/