현재 나노 재료는 이미 점점 더 전자, 광 전기, 생물전자, 센서 및 에너지 등 분야 각종 디바이스에 폭넓게 응용되고 있는 상황이다. 때문에 나노 재료의 전기학 성능을 이해하고 표면 특성 분석을 실행하는 것은 기초과학 연구 분야 이슈에 속하는 동시에 폭넓은 실용화를 실현하는데 있어서의 절박한 수요로 되고 있는 상황이다.
하지만 전통적인 필드 효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET) 방법은 나노 재료 전기학 성능의 표면 특성 분석 과정에서 디바이스 제조 과정이 복잡하고, 재료-전극 옴 접촉 실현이 어려울 뿐만 아니라 검출 통과량이 비교적 낮은 등 문제점에 부딪히고 있는 상황이다.
중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소 천리워이(陳立桅) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일종 유전체 전력 현미경(dielectric force microscopy, DFM)의 신형 기능 이미징 기술을 개발하여 관련 난제를 해결하는데 성공하여 이슈가 되고 있다.
연구팀의 관련 연구 성과는 미국 화학분야 권위 학술지인‘어카운츠 오브 케미컬리서치(Accounts of Chemical Research)’에 게재되었다(Accounts of Chemical Research 48:1788 (2015)).
반도체와 금속 재료가 외부 전기 필드 유전체 응답에 대한 주요 기여는 캐리어 이전으로 유발된 거시적 극화에 의해 발생된다.
때문에 재료 중의 캐리어 농도 및 이전 비율은 동 재료의 유전체 응답이 전기 전도율에 의해 결정되는 상황에 따라 결정되고 있는 상황이다.
스캐닝 프로브 기술이 미세한 역할에 대한 초 감광 검출(~pN)에 의존하여 DMF는 측정 재료의 유도 쌍극자 및 핀 포인트 상의 전하간 상호 역할을 통해 나노 재료의 유전체 응답에 대한 표면 특성 분석을 실행한다.
이런 이미징 모드는 전극 접촉이 필요없이 나노 재료 중의 캐리어를“볼 수 있는 것”으로 나타났다(그림 1. A 참조).
단일벽 탄소 나노튜브(지름 ~1nm)와 산화 아연 나노 와이어(지름 ~30-50nm)를 연구 모델로 선정하여 DMF는 나노 재료유전체 상수(常數)를 성공적으로 측정하였으며(Nano Letters 7:2729 (2007)), 반도체와 금속 전도성 해상도 분석을 실현(Nano Letters 7:2729 (2007))하였을 뿐만 아니라 반도체 재료 중의 캐리어 유형 판정을 실현(Nano Letters 9:1668 (2009))하였다(그림 1. e-g 참조).
더욱 흥미로운 점은 DMF가 전통적인 FET 방법으로는 실현할 수 없는 ~20nm 수준의 공간 해상도를 나타냈다는 점이다.
그 외, 연구팀은 동일 단일 벽 탄소 튜브의 DFM과 FET 측정 결과에 대한 비교를 통해 DFM과 FET는 상호 평행 측정 수단에 속한다는 점을 입증하였다(Nano Research 7:1623 (2014)).
연구팀은 이번 연구를 통해 DFM 신호의 게이트 제어 조정 변조 비례(DFM 신호가 다양한 게이트 전압 하에서의 비례치)는 FET 디바이스 스위치의 대수(logarithm)에 정비례한다는 점을 제시하였다(그림 1. B 참조).
이런 세미 로그의 관계(Semilogarithmic relationship)는 미시적인 차원에서의 Drude 모델에 의해 해석된 동시에 입증되었다(그림 1. 참조).
이런 모델은 미래 DMF 기술이 다양한 재료와 디바이스 시스템에 응용되기 위한 이론적인 프레임워크를 제공하였다.
나노 재료 전기학 특성에 대한 측정 분야에서 스탠포드 대학 선즈쉰(沈志勛) 교수가 개발한‘스캐닝 근거리 필드 마이크로파 현미경(scanning near-field microwave microscopy)’은 DMF와 유사한 특성과 기능을 보유하고 있는 것으로 나타났다(Review of Scientific Instruments 79:063703 (2008)).
‘스캐닝 근거리 필드 마이크로파 현미경’과 DMF는 비 접촉 측정과 나노 사이즈 공간 해상도 수준에 도달하고 있는 등의 특성을 보유하고 있다.
다른 점이라면‘스캐닝 근거리 필드 마이크로파 현미경’과 DMF는 각각 재료의 높은 주파수와 낮은 주파수 유전체를 측정하는 특성이다.
DMF는 가격이 매우 높은 고주파수 네트워크 분석 장치와 특별히 제조한 스캐닝 프로브가 필요하지 않기 때문에 다양하고 복잡한 이미징 환경 속에서 더욱 편리하게 응용될 수 있다.
DMF의 이미지 형성 모델은 미래 기초연구와 산업 관련 온라인 모니터링을 실행하는 분야에서 폭넓게 응용될 것으로 전망된다.
이번 연구는 국가자연과학기금위원회의‘기초과학 연구 프로젝트’비용, 중국과학원의‘선행연구 전문 프로젝트’비용, 장수성(江蘇省) 자연과학기금위원회의‘기초과학 연구 프로젝트’비용, 미국화학학회의‘석유 연구 기금 위원회 프로젝트’비용, 수저우(蘇州) 나노 과학기술 협동 혁신 센터의‘과학연구 기금 프로젝트’비용 지원을 받아 실행되었다.
위 자료는 KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』의 발표자료를 요약한 것이다.