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전자 재료의 미래로서 1 차원 및 2 차원 (2D) 나노 구조의 출현으로 전통적인 공정을 개선할 수 있는 새로운 나노 기술 장치용 전기적 접촉 기술을 개발할 필요가 있다. 반도체 디바이스의 미래는 디바이스 구성 요소의 크기가 3 차원 (3-D)에서 2-D로, 이제는 1-D로 축소됨으로써 심각한 문제를 야기한다. 스완지 대학의 윌크스 (Wilks) 교수가 이끄는 연구팀은 나노 물질 기반의 디바이스를 개발하면서 반도체 산업의 요구를 해결하기 위해 양자 기반 전기 접촉 기술을 개발하고 있다. 전기 접촉은 모든 전기 장치의 필수 구성 요소이며 최종 특성에 대한 제어가 부족한 경우 시스템 설계 및 최적화가 불가능하다. 수 십 년간의 실험적 및 이론적 연구를 통해 전계 효과 트랜지스터와 같은 대규모 평면 디바이스에 대한 접촉을 선택할 때 대역 엔지니어링을 통해 제어가 되었다. 나노 기술이 출현하기 전에 반도체 소자는 양자 우물을 사용하는 레이저와 같은 인터페이스 및 접점을 엔지니어에게 제공하기 위해 얇은 물질층을 적용했으며,이 경우 활성층은 사실상 2 차원적으로 간주 될 수 있었다. 이제 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 막대, 양자 와이어, 나노 리본 및 기타 여러 재료에 대한 집중적인 연구를 통해 어떤 경우에서 물리학이 한 차원으로 축소되었다. 화학 및 생물학 센서, 양자 컴퓨팅, 에너지 수확, 레이저, 환경 및 광자 검출기와 같은 신소재를 기반으로 하는 신기술이 등장하고 있다. 그러나 이러한 나노 물질에 대한 전기 접점을 신뢰할 수 있는 엔지니어링은 나노 기술 개발을 허락하고 과학자와 엔지니어가 이해하는 전자 산업에 진전을 가능하게 할 수 있다. 전기적 접촉을 엔지니어링하는 전통적인 방법은 나노 물질에 적용되었지만 종종 나노 과학자들이 열심히 연구한 나노 스케일 효과를 무시한다. 현재 나노 물질에 선택된 특성의 전기적 접촉을 제조하기 위한 설계 툴박스 (toolbox)는 근접하지 않으며 연구는 재료의 잠재적 적용에 뒤떨어져 있다. 높은 저항 또는 낮은 저항의 쇼트키 또는 오믹으로 접촉을 정의하는 기능은 많은 나노 물질의 2-D, 1-D 또는 준 1-D 특성 및 엔지니어링에 사용할 수 있는 재료의 제한된 양에 의해 복잡해 진다. 본질적으로 크고 노출된 재료 표면 때문에 필연적으로 접촉 성질을 조작하는 전통적인 기술은 나노 물질 특성을 변경시킨다. 나노 기술은 새로운 재료와 신기술을 제공해 왔으며 향후 수 십년 동안 계속 확장될 것이다. 많은 유용성은 원자 또는 나노 수준에서 발생하는 효과에 기인한다. 스완지 대학의 알렉스 M.로드 (Alex M. Lord) 교수와 스티브 윌크스 (Steve Wilks) 박사가 연구한 이 연구는 나노 와이어에서 발생하는 이러한 길이에서의 독특한 효과에 대한 깊은 이해를 이끌어 냈으며 금속 나노 촉매 입자와 나노 와이어 사이의 시너지 관계를 결합했다. 아래에 설명된 메커니즘은 나노 와이어 특성을 변경하지 않고 전기적 접촉 특성을 완전히 결정할 수있는 잠재력이 있다. 우리는 최근 나노 와이어 상의 나노 촉매 접촉의 전기 수송이 접촉 가장자리에서의 양자-역학적 터널링으로 인해 나노 와이어 직경과 관련하여 금속 입자의 크기를 변화시킴으로써 제어될 수 있음을 보여 주었다. 이것은 일탈-교정 STEM을 위한 영국의 EPSRC 지원 국가 시설인 SuperSTEM의 영국 공동 연구자인 퀜틴 라마세 (Quentin Ramasse) 박사와 데미 베팝초그로우 (Demie Kepaptsoglou) 박사가 함께 새로 발표한 나노레터에 게재된 연구에서 확인되었다. 이 연구는 단일 Au 나노 와이어 인터페이스상에서 원자 해상 전자 현미경을 직접 측정하기 위한 새로운 실험 프로세스 (eSTEM)를 개발했다. eSTEM은 터널링 경로를 강화하거나 제거하는 인터페이스 가장자리에서 터널링 채널에 재료를 추가하거나 제거함으로써 초기 결과를 확인하고 그림 2에 요약된 나노 접촉의 전기적 전송 특성을 제어하는 간단한 방법을 나타낸다. SuperSTEM에서 Au-나노와이어 인터페이스의 상세한 원자 분해능 검사는 ZnO 나노 와이어와 Au 입자가 높은 결정학적 품질로 구조적으로 화학적으로 급격한 계면을 가지는 것을 보여주었다. 이 기능은 금속 촉매 나노 접촉이 그림 1에 강조 표시된 영역의 경계면에서 이중 효과를 나타냄을 보장한다. 첫째, 촉진된 화학 반응은 촉매 활성이 가장 높은 모서리 영역에서 일어나고 두 번째로 터널링 전류는 동일한 표면에 집중되어 매우 표면에 민감한 수송 특성을 생성한다. 촉매와 전기 접점 사이에는 자연적인 교차가 있다. 두 가지의 거동은 입자와 지지체 사이의 경계면에서 물질의 표면 특성에 크게 영향을 받을 수 있다. 촉매가 잠재적으로 효율성과 표면 감도의 엄청난 증가를 가져올 수 있기 때문에 이러한 새로운 나노 촉매의 다기능 능력은 새로운 기술 장치에 적용될 때 큰 이점을 제공할 수 있다. 표면 화학의 변경 또는 증착 기술과 같은 간단한 방법을 사용하여 성장 프로세스, 조성 또는 중앙 인터페이스 품질을 개선하지 않고 접점의 전기적 특성을 쇼트키 또는 오믹으로 선택할 수 있다. 이 연구는 나노 물질의 전기적 접촉을 설계할 때 금속 나노 입자의 촉매 작용과 양자 수송 효과를 결합함으로써 차세대 기술에 대한 진보를 실현할 수 있음을 보여준다. 본 기사는 저차원 나노물질을 위한 새로운 접촉 기법과 이에 따른 특성을 보내주고 있어 향후 연구자들에게 많은 도움을 줄 것이다. |
