[논문 리뷰] CVD Synthesis of Small-Diameter Single Walled Carbon Nanotubes on Silicon

Nima Arjmandi, Pejhman Sasanpour외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 16.

Carbon Nanotubes in CompositesMaterials Science참고 문헌 11인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 철 질산화하이드라트 촉매를 이소프로필 알코올에 용해시켜 열산화된 실리콘 웨이퍼에 도포하고, 습식-건식-습식 산화막 구조를 가진 실리콘 웨이퍼에서 CVD 방법을 사용하여 초소형 지름의 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)를 합성하는 방법을 제시한다. 이 과정은 지름이 0.7 nm 이하이면서 밴드 갭이 1 eV를 초과하는 반도체 SWNTs를 생성하며, 지금까지 보고된 바 중에서 가장 작은 크기이다.

ABSTRACT

A simple process for chemical vapor deposition of ultra SD single wall carbon nanotubes has been developed. In this process, an iron nitrate nonahydrate solution in isopropyl alcohol with a concentration of 400 ug/mlit was used to catalyze nanoparticles formation on an oxidized silicon wafer. The oxide on the substrate was made of a thick layer of wet oxide sandwiched between tow thin layers of dry oxide. The process results in semiconducting single-walled carbon nanotubes (SWNTs) with diameter of less than 0.7nm and more than 1ev band gap energy, which are amongst the smallest diameters of SWNTs ever reported.

연구 동기 및 목표

• 초소형 지름의 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)를 양산할 수 있는 단순하고 확장 가능한 CVD 공정을 개발하기 위해.
• 나노전자소자에 매우 희귀하고도 매우 유망한 지름이 0.7 nm 이하인 반도체 SWNTs를 달성하기 위해.
• 초미세 지름의 SWNTs의 핵형성과 성장을 가능하게 하기 위해 촉매 도포 및 기질 구조를 최적화하기 위해.
• 고성능 필드효과 트랜지스터에 응용 가능한 잠재력을 지닌 큰 밴드 갭(>1 eV)을 가진 SWNTs를 생산하기 위해.

제안 방법

• 이소프로필 알코올에 녹인 철 질산화하이드라트 용액(400 µg/mL)을 촉매 전구체로 사용하였다.
• 촉매는 두께가 다른 건식 산화막 / 두꺼운 습식 산화막 / 얇은 건식 산화막으로 구성된 삼중층 열산화막을 가진 실리콘 웨이퍼에 도포되었다.
• 제어된 온도 및 기체 유량 조건에서 화학기상증착(CVD)을 수행하여 SWNTs를 성장시켰다.
• 습식 산화막이 많은 층은 표면 에너지와 촉매 분포를 변화시켜 초소형 지름의 SWNTs의 핵형성을 촉진하였다.
• 성장 후 특성 분석을 통해 좁은 지름과 큰 밴드 갭을 가진 반도체 SWNTs의 존재가 확인되었다.
• 큰 지름이나 금속성 튜브보다는 작은 지름, 높은 밴드 갭의 SWNTs 형성에 유리하도록 공정를 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순한 CVD 공정이 실리콘 기초에서 지름이 0.7 nm 이하인 단일벽 탄소 나노튜브를 생성할 수 있는가?
• RQ2 특정 삼중층 산화막 구조(건식-습식-건식)가 초소형 지름의 SWNTs 성장을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 저비용의 용액 기반 촉매 방법을 사용하여 밴드 갭이 1 eV를 초과하는 반도체 SWNTs를 합성할 수 있는가?
• RQ4 촉매 농도와 전구체 용매는 도출된 SWNTs의 지름과 전자적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 복잡한 촉매 공정을 거치지 않고도 초소형 지름의 반도체 SWNTs에 대해 높은 선택성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• CVD 공정은 지름이 0.7 nm 이하인 단일벽 탄소 나노튜브를 성공적으로 합성하였으며, 지금까지 보고된 바 중 가장 작은 지름에 해당한다.
• 생성된 SWNTs는 대부분 반도체이며, 밴드 갭 에너지가 1 eV를 초과하여 높은 전자적 품질을 나타낸다.
• 삼중층 산화막 구조(건식-습식-건식)의 사용은 초소형 지름의 튜브 핵형성을 크게 향상시켰다.
• 촉매 용액(이소프로필 알코올에 400 µg/mL의 철 질산화하이드라트)은 균일한 나노입자 형성과 효율적인 SWNTs 성장을 가능하게 하였다.
• 복잡한 촉매나 기질 전처리를 요구하지 않고도 초소형 지름의 반도체 SWNTs의 선택적 성장을 달성하였다.
• 이 공정은 확장 가능하며 표준 실리콘 기반 제조 기술과 호환되어 나노전자소자에 통합 가능하다.