Characteristics of metal nanoparticles and semiconductor quantum dots for the application of unique quantum functional devices

Abstract

본 연구에서는 강자성 (Co, CoFe), 금속 (Au) 나노입자 및 반도체 (Si) 양자점의 제작과 특성에 관한 연구와 이를 이용하여 신 기능 양자소자에 응용에 관한 연구를 실험적으로 수행하였다. 첫 번째로 금속 나노입자와 반도체 양자점의 최적화된 제작을 위하여 Nd:YAG pulse Laser 조사방법이라는 새로운 제작 방법을 최초로 도입하였으며 이 방법을 이용하여 최적화된 나노입자 및 반도체 양자점을 형성 할 수 있었다. 이 방법은 제작 방법이 간단하면서도 어떠한 micro- or nanopattering없이 직접적으로 나노입자 및 양자점을 형성할 수 있었다. 먼저 기판 위에 thin film을 1 nm ~ 4 nm 사이의 두께로 deposition한 후 Laser를 이용해 적절한 에너지로 thin film에 조사시키면 순간적인 높은 Laser의 에너지에 의하여 thin film이 heating이 되며 이로 인하여 자발적으로 나노입자 및 양자점의 형성이 유도되는 원리를 가지고 있다. 나노입자 및 양자점의 크기와 밀도 등의 구조적인 특성들을 초기 thin film의 두께로 쉽게 제어가 가능했으며 특히 나노입자 및 양자점의 크기 분포가 상당히 균일하게 형성되는 결과를 얻었다. 실험적으로 관측된 결과는 Si 양자점의 경우 4 nm ~ 12 nm 크기 및 1.5×10^(12)/㎠ ~ 0.87×10^(12)/㎠ 밀도 제어를 할 수 있는 양자점이 형성 가능했으며, Co 나노입자의 경우 6 nm ~ 100 nm의 크기 및 8×10^(9)/㎠ ~ 1×10^(12)/㎠ 의 밀도 제어를 할 수 있는 나노입자가 형성되었으며, 그밖에 10 ~ 30 nm 크기와 7×10^(10)/㎠ ~ 3×10^(11)/㎠ 밀도 제어를 할 수 있는 CoFe 나노입자, 6 nm ~ 25 nm 크기, 1×10^(11)/㎠ ~ 1.5×10^(12)/㎠ 밀도제어를 할 수 있는 Au 나노입자가 형성할 수 있었다. 두 번째로 자성 물질은 크기에 관하여 상당히 의존적인 자기적 특성을 보이기 때문에 Laser 조사방법으로 제작 된 자성 나노입자의 자기적인 특성 분석을 수행하였다. 그 결과 Laser 조사방법으로 제작된 자성(Co, CoFe) 나노입자는 magnetic hysteresis loops (M-H loops) 측정 결과 강자성 특성을 보여줬으며 초기 thin film의 보자력 (coercivity)보다 향상된 보자력 값을 얻을 수 있었다. Co thin film과 CoFe thin film의 보자력은 5K에서 각각 95 Oe와 250 Oe의 값이 관측되었으나, Co와 CoFe나노입자의 경우 5K에서 각각 1000 Oe와 450 Oe의 값이 관측되었다. 이는 자성체에서 크기 및 부피가 작아짐에 따라 magnetic coupling이 작아지기 때문에 나타나는 전형적인 현상으로 분석할 수 있었다. 좀 더 자세한 자성 나노입자의 자기적인 특성을 분석하기 위하여 Co 나노입자의 magnetic domain을 magnetic force microscopy로 관측하였고, superconducting quantum interference device (SQUID)를 이용하여 Co 나노입자의 크기에 따른 M-H loops를 온도 별로 측정을 수행하였다. 실험적인 결과 magnetization process는 Co 나노입자의 사이즈와 온도에 따라 강한 의존현상을 보였다. 일반적인 자성체 thin film과 나노입자는 표면상태에 따라 자기적 특성에 많은 영향을 미친다는 것으로 알려져 있다. 본 실험에서는 Laser 조사방법을 이용하여 제작 시 Co thin과 나노입자가 자연적으로 공기 중에 노출 될 수 있기 때문에 Co thin film과 나노입자의 표면이 상당히 쉽게 산화가 되거나 다른 defect에 의해 노출이 될 수 있기 때문에 세 번째로 이들의 passivation방법에 관한 연구를 수행하였다. 총 2가지 passivation방법을 사용하여 실험적인 변화를 관측해 보았다. 하나는 Co 나노입자 형성 후 곧 바로 AlN층을 그 위에 덮음으로써 자연적인 공기 노출을 막는 방법으로 이 방법은 초기 Co thin film 증착 후 Laser 조사를 위하여 다른 chamber로 옮기는 과정에서 약간의 공기 중 노출이 있을 수 있다. 또 다른 한가지 방법은 초기 thin film을 Co/Ta multi-layer로 형성한 후 Laser 조사 방법을 이용하여 나노입자를 제조 하는 방법이다. 이 방법은 초기 thin film형성 시부터 초고진공의 chamber에서 두 층으로 형성 하였기 때문에 Co thin film자체는 공기 중에 노출이 전혀 발생하지 않는다. 이와 같이 두 방법으로 passivation된 Co 나노입자의 구조적, 자기적인 특성을 분석할 결과 후자의 방법으로 passivation했을 경우 Ta layer가 Co 나노입자의 표변에 자연적으로 coating되는 현상을 관측할 수 있었으며 이로 인하여 표면 산화나 defect free한 Co 나노입자의 자기적인 특성을 관측 할 수 있었다. 네 번째로 Co 나노입자의 초상자성 특성과 magnetic anisotropy특성을 조사하기 위하여 여러 가지 다른 크기의 Co 나노입자의 remanent magnetization을 온도에 따라 측정하였다. 그 결과, Co 나노입자의 크기가 커지면서 초상자성이 나타나는 blocking temperature (TB)가 점점 증가하는 경향을 얻었으며 K = 25kBTB /V (V: Co 나노입자의 부피) 식을 이용하여 magnetic anisotropy constant를 구한 결과 K = 3.7×10^(5) J /㎥ (fcc구조) 값을 얻었다. 이 값은 다른 그룹과 비교해 봤을 때 약간 높은 값을 보였는데 이는 Co 나노입자 형성 시 외부에서 자기장을 가하면서 형성했기 때문이라는 예측을 할 수 있었다. 다섯 번째로 Co 나노입자로 이루어진 system에서 비정성적인 자성 특성 다시 말해서 inverted hysteresis loops가 발견되었다. 이를 분석하기 위하여 자기적인 특성들을 온도에 따라 측정을 하였으며 또한 uni-axial anisotropy를 갖는 물질에 대한 Stoner-Wohlfarth model을 기본으로 이론적인 분석을 동시에 수행한 결과 Co 나노입자가 두 가지의 phase를 동시에 가지고 있을 경우 inverted hysteresis loops가 관측되는 것을 알 수 있었다. 이는 특정한 온도에서 하나의 강자성 Co 나노입자와 여러 개의 초상자성 Co 나노입자들 사이의 dipolar interaction에 의한 coupling에 기인한 것으로 예상된다. 마지막으로 자성 및 금속 나노입자와 반도체 나노입자의 양자기능 기반소자에 응용인 비 휘발성 nano-floating gate memory (NFGM)에 적용한 실험을 수행하였다. 총 3가지 구조의 NFGM단위 소자인 metal-oxidesemiconductor capacitor의 구조적, 전기적, 비 휘발성 특성을 연구를 진행한 결과 SiO₂ gate oxide에 Si 양자점이 삽입된 구조에서는 약 1.8 V의 메모리 window를 관측하였으며, SiO₂ gate oxide에 Co 나노입자가 삽입된 구조에서는 약 1.1 V의 메모리 window를 관측 할 수 있었다. High-k 물질인 HfO₂에 Au 나노입자를 삽입한 구조에서는 약 5V의 메모리 window를 관측했으며 일반적인 비 휘발성 메모리의 특성보다 향상된 retention, endurance, programming/erasing time 에 관한 결과를 얻을 수 있었다.