나노기술 및 정책 정보

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대면적의 플렉시블 기판 상에서 직접 성장시키는 집적, 고품질의 결정질 실리콘(crystalline silicon) 나노와이어 채널을 통해 고성능 플렉시블 전자 로직, 웨어러블 센서와 디스플레이 등은 응용 면에서 직면하고 있는 관건적인 기술 난제를 돌파할 수 있는 상황이지만, 고품질의 결정체 채널 획득은 고온 성장 과정(>800 ℃)에 의존해야해서 이런 상황은 플렉시블 폴리머 기판(용해 점은 <150 ℃에 도달함)이 감당할 수 없음.

중국 난징(南京, 남경) 대학교 전자과학 및 공정대 위린워이(余林蔚, 여림울), 쉬쥔(徐駿) 교수 연구팀은 독자적으로 혁신한 평면 고체-액체-고체(IPSLS) 나노와이어 성장 모델(최근 연구 Refs. 1-4)에 기반 하여 완전히 새로운 ‘레이저-액적(液滴)’ 자체 초점 국지 영역 가열 성장 전략에 대해 연구함. 전통적인 환경 가열 기술의 한계를 돌파하고 플렉시블 폴리머 기판(폴리이미드, PI)과 금속 인듐 촉매제 입자가 특정 레이저 (808nm)의 복사에 대한 높은 선택성 흡수 차이를 이용하여 액적/나노와이어 인터페이스 주번 범위에서의 효율적인 국지 가열을 가능하게 하며, 플렉시블 기판 상에서의 결정질 실리콘 나노와이어 초고속 성장을 구동하였음.

연구팀은 환경 가열이 필요하지 않은 실온 냉각 환경 하에서 결정질 실리콘 나노와이어 성장 속도는 3.5μm/s 수준에 도달하여 전통적인 가열 방식의 나노와이어 성장 속도보다 3개 수량 등급이나 더 높다는 점을 입증하였음. 고속 성장 과정에서 IPSLS 나노와이어의 성장 루트는 여전히 정밀 유도 및 위치 확정이 가능하다는 점을 입증하였으며, 풍부한 라인 형태에 대한 조정 제어 능력을 구현하는데 성공하였음.

나노금속 액적이 극히 낮은 열 용해 점을 보유하고 있는 특징에 근거하여 연구팀은 레이저 조사 시간 순서에 대한 조정 제어를 실행하고, 나노와이어 성장의 동적 과정에 대해 전례 없는 정밀 조정 제어(예를 들면, 성장 액적에 대해 순간적인 활성화와 냉각 등 조작(操作)을 실행할 수 있음)를 통해 초장(超長) 나노와이어에 대한 정밀 형태/지름 코딩을 실현하였음.

연구팀은 관련 기술에 기반 하여 플렉시블 PI 기판 상에서 고품질의 나노와이어 채널을 성장시킨 동시에 나노와이어 필드 효과 트랜지스터(FET) 디바이스를 개발함. 동 디바이스의 전류 스위치 비례와 서브 한도 값 진폭은 각각 >104와 386mV/dec 수준에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀이 개발한 ‘레이저-액적’ 선택성 가열 성장 전략은 향후 폭넓게 응용될 것으로 전망됨. 구체적으로 각 종 유형의 대 면적, 저렴한 원가 특징을 보유한 플렉시블 기판 상의 냉각 환경 속에서 직접 위치 확정 성장과 고품질 결정질 실리콘 나노와이어 배열 집적에 응용되어 각 종 고성능 플렉시블 전자 디바이스의 규모화 응용을 위해 관건적인 소재 지원과 완전히 새로운 기술 로드맵을 제공하게 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 Nano Letters ("Superfast Growth Dynamics of High-Quality Silicon Nanowires on Polymer Films via Self-Selected Laser-Droplet-Heating")에 게재됨.