나노기술 및 정책 정보

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중국 장수(江蘇, 강소) 대학교 거다오한(葛道晗, 갈도함) 교수 연구팀은 화학기상증착 방법과 드라이 에칭(dry etching) 방법을 통해 일정한 두께를 가지는 질화 실리콘 기판을 개발하고, 습식 전사 방법으로 그래핀을 다양한 형태의 기판에 전사하여 그래핀/질화 실리콘 복합 소재를 개발한 동시에 라만 광 스펙트럼, 원자력 현미경 등을 이용하여 다양한 형태의 질화 실리콘 기판이 동 복합 소재 성능에 끼치는 영향에 대해 연구하였음.

연구팀은 에칭 공정으로 포토 마스크의 패턴(홀과 홈)을 질화 실리콘(Si3N4) 기판에 전사하고, 주사 전자 현미경(SEM)과 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 다양한 패턴의 Si3N4에 대한 표면 특성 분석을 하였음. 그 결과, 하나는 홀 간격 3μm와 지름 1.5μm 포인트의 3각형 배열이고, 다른 하나는 폭이 2μm이고 간격은 4μm의 평행 홈인 것으로 나타났으며, 두 가지 패턴의 두께는 모두 500나노 수준에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀은 AFM 측정을 통해 홀 윗 부분의 Ra 거칠기는 13.99나노 수준이고, 홈 밑 부분의 Ra는 7.12나노 수준으로, 홈 밑 부분이 더욱 매끈하였음. 연구팀은 습식 전사를 통해 그래핀을 두 가지 패턴화된 Si3N4 기판으로 이전하였으며, SEM 표면 특성 분석을 통해 그래핀은 완전히 기판을 덮고, 홀 배열 그래핀(H-그래핀)과 트렌치 배열 그래핀(T-그래핀)을 얻을 수 있다는 점을 입증하였음. 그래핀은 패턴화된 Si3N4 기판과 일치된 표면을 이루어 홀과 홈 속까지 밀착하여, 홀과 홈 위에 떠 있지 않는다는 점을 입증하였음.

연구팀은 라만 광 스펙트럼 분석을 통해 그래핀 G 피크와 2D 피크 강도 비례가 0.5보다 낮다는 점을 발견하였으며, 이는 홀 배열과 홈 배열의 Si3N4 기판에서 단일층 그래핀이 만들어 졌음을 의미하는 것임.

연구팀은 패턴화된 Si3N4의 표면 형태와 조도(roughness)가 라만 산란과 그래핀 역학 성능에 끼치는 영향을 분석하였으며, 라만 광 스펙트럼 분석 결과 패턴화 구역의 형태와 크기가 그래핀의 인장 변형률에 끼치는 영향은 표면 조도(roughness)의 역할을 크게 능가하는 것으로 나타났음. 홀의 표면 조도(roughness)는 비교적 큰 편이지 높은 표면적을 가지는 홈 속에서 그래핀의 변형률(0.32%에서 0.54％)은 홀 속의 변형률(0.2%에서 0.24％)을 능가하는 것으로 나타났음.

그 외, 연구팀은 패턴 두께가 그래핀의 라만 피크 위치 이동에 끼치는 영향을 분석하였는데 그래핀의 성능은 Si3N4의 패턴 두께에 의해 제어되며, 패턴 두께의 증가는 2D 피크의 이동을 높이고 그래핀의 변형률은 더욱 커지는 것으로 나타났음. 패턴화된 Si3N4 기판의 미시적 형태 특징이 그래핀 기계 성능에 끼치는 영향은 마이크로 나노 디바이스 제조 과정에서 중요한 역할을 함.

연구팀의 이번 성과는 그래핀에 기반한 디바이스 디자인에 대해 중요한 가이드를 제공함.

본 연구 성과는 ‘Materials and Design’ ("Effect of patterned silicon nitride substrate on Raman scattering and stress of graphene") 지에 게재됨.