[논문 리뷰] Dynamic and Static Transmission Electron Microscopy Studies on Structural Evaluation of Au nano islands on Si (100) Surface

Ashutosh Rath, R. R. Juluri외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 20.

Nanowire Synthesis and Applications참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고진공 및 저진공 조건에서 열처리 중 2.0 nm 금 나노섬유가 Si(100) 기질에서 어떻게 구조적 변화를 겪는지를 실시간 및 비실시간 투과전자현미경(TEM)을 통해 분석한다. 고진공에서 열처리 시 표면 산화막의 선택적 열분해로 인해 직사각형/정사각형 형태의 금 실리사이드 구조가 형성되며, 저진공 조건에서는 재산화로 인해 실리사이드 형성이 억제되어 Au와 Si 사이에 장벽이 형성됨을 규명하였다.

ABSTRACT

Transmission electron microscopy (TEM) study on morphological changes in gold nanostructures deposited on Si (100) upon annealing under different vacuum conditions has been reported. Au thin films of thickness ~2.0 nm were deposited under high vacuum condition (with the native oxide at the interface of Au and Si) using thermal evaporation. In-situ, high temperature (from room temperature (RT) to 850\degreeC) real time TEM measurements showed the evaluation of gold nanoparticles into rectangular/square shaped gold silicide structures. This has been attributed to selective thermal decomposition of native oxide layer. Ex-situ annealing in low vacuum (10-2 mbar) at 850\degreeC showed no growth of nano-gold silicide structures. Under low vacuum annealing conditions, the creation of oxide could be dominating compared to the decomposition of oxide layers resulting in the formation of barrier layer between Au and Si.

연구 동기 및 목표

• 열처리 중 고진공 및 저진공 조건에서 Au 나노섬유의 구조적 전이 메커니즘을 이해하기 위해.
• 열처리 중 Au/Si 인터페이스에서 천연 산화막이 상호작용 반응을 어떻게 조절하는지 규명하기 위해.
• 실시간 고온 TEM 관찰 결과와 비실시간 열처리 결과를 비교하여 진공 환경이 실리사이드 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 안정적인 금 실리사이드 나노구조가 형성되는 조건과 산화로 인해 인터페이스 반응이 억제되는 조건을 규명하기 위해.
• 나노전자소자 응용 분야에서 관련된 Au-Si 인터페이스 반응의 동역학 및 열역학적 특성에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 고진공 조건에서 열증착을 통해 Si(100) 기질에 2.0 nm 두께의 금 박막을 증착하여 인터페이스에 천연 산화막을 유지하였다.
• 실시간 고온 투과전자현미경(TEM)을 이용해 실온부터 850 °C까지의 온도 범위에서 구조적 형태 변화를 실시간으로 관찰하였다.
• 저진공(10⁻² mbar) 조건에서 850 °C로 비실시간 열처리를 수행하여 실시간 결과와 구조적 결과를 비교하였다.
• 정적 TEM을 활용해 열처리 후 미세구조를 분석하고, 특히 금 실리사이드 및 산화막 상이 형성된 상을 규명하였다.
• 진공 조건과 인터페이스 산화막 거동을 연계하여 반응 경로를 설명하였다.
• 전자혈탄도 및 격자 영상 분석을 통해 직사각형/정사각형 형태의 결정질 금 실리사이드 상이 형성되었음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열처리 중 진공 환경이 Si(100) 상의 Au 나노섬유의 구조적 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 천연 산화막이 열처리 중 금 실리사이드 상 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 고진공 조건에서 실시간 고온 TEM 실험을 통해 직사각형/정사각형 형태의 금 실리사이드 상이 형성되는가?
• RQ4 동일한 온도와 시간 조건임에도 불구하고 저진공 조건에서 비실시간 열처리 시 실리사이드 형성이 발생하지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 저진공 열처리 중 재산화로 인해 Au와 Si 사이의 인터페이스 장벽이 형성된 것으로 볼 수 있는가?

주요 결과

• 실시간 고온 TEM 분석 결과, 고진공 조건에서 850 °C로 열처리 시 비정질 또는 미세한 Au 나노입자가 잘 정의된 직사각형/정사각형 형태의 금 실리사이드 상으로 변형되는 것을 관찰하였다.
• 금 실리사이드의 형성은 Au/Si 인터페이스의 천연 산화막이 선택적으로 열분해되어 인터페이스 반응이 가능해졌기 때문으로 규명되었다.
• 저진공(10⁻² mbar) 조건에서 850 °C로 비실시간 열처리를 수행한 결과, 산화막 재형성의 지배적 영향으로 금 실리사이드 상이 형성되지 않았다.
• 저진공 조건에서의 재산화 과정은 Au와 Si 사이에 열역학적으로 안정된 장벽층을 형성하여 인터페이스 혼합 반응을 방지하였다.
• 미세구조 진화는 진공 조건에 매우 민감하게 반응하였으며, 고진공 조건에서는 실리사이드 형성이 촉진되고 저진공 조건에서는 억제됨을 확인하였다.
• 본 연구는 인터페이스 산화막의 동역학이 열처리 후 Au-Si 나노구조의 최종 상 및 형태를 결정하는 데 핵심적임을 입증하였다.