재료 과학자들은 나노와이어에게 '춤추는' 방법을 가르칩니다

IBM Thomas J Watson Research Center(뉴욕주 웨스트체스터 카운티의 숲 속에 숨겨져 있음)의 1층에 있는 설명되지 않은 통로 아래에 있는 실험실에 숨겨져 있는 초고진공 전자 현미경은 과학자들이 물리학을 푸는 데 도움이 되는 많은 단서를 보유하고 있습니다. 나노 스케일 차원에서 발생합니다. 이러한 작은 크기에서 재료가 어떻게 작용하는지 이해하면 미래의 새로운 전자 장치에 대한 과학계의 상상력이 열립니다. 전자현미경은 농장처럼 작동하지만 좋아하는 채소를 재배하는 대신 나노와이어가 자라는 물체가 생깁니다. 나노와이어는 매우 좁지만 긴 결정이 반도체 재료로 만들어지며 각각 고유한 전자 특성을 가지고 있습니다.

성장은 촉매 금속 방울로 구성된 작은 "씨앗"에서 시작되며 과학자들은 실리콘의 평평한 "필드"에 뿌립니다. 열과 특수 가스와 같은 올바른 재료가 공급되면 각 씨앗에서 나노와이어가 자라기 시작합니다. 그러나 지하에서 성장이 시작되는 실제 농장과 달리 여기에서는 씨앗 방울이 나노와이어의 끝에 머물며 성장이 팁에서만 발생하도록 합니다. 그 결과 위쪽으로 곧게 자라는 길고 좁은 결정의 숲이 생깁니다. 새로운 실험에서 팀은 전기장을 켤 때 물방울이 옆으로 당겨지거나 수직으로 늘어날 수 있음을 보여주었습니다. 이 작은 "춤" 또는 "늘어나는" 움직임으로 인해 성장하는 수정이 그에 따라 방향을 변경하게 됩니다. 나노와이어 성장의 전기장 제어는 새로운 유형의 전자 장치에 통합될 수 있는 맞춤형 나노구조를 구축할 수 있는 새로운 프론티어입니다.

프랜시스 로스(Frances Ross) 박사가 이끄는 IBM 과학자들은 케임브리지 대학교, 펜실베니아 대학교, 덴마크 공과 대학교와 공동으로 "전기장에 의한 촉매 액적 변형을 통한 나노와이어 성장 제어" 결과를 발표했습니다. 네이처 커뮤니케이션즈 문제 이번 주(DOI:10.1038/NCOMMS12271).

나노와이어를 성장시키는 우아한 액적 매개 과정을 제어하기 위해 팀은 이미 성장하는 동안 온도, 압력, 가스 혼합 및 촉매 물질을 변경하는 많은 간단한 트릭을 시도했습니다. “여기서 우리가 하고 싶었던 것은 우리가 어떤 종류의 구조를 얻을 수 있는지 보기 위해 새로운 손잡이를 돌리는 것이었습니다. 우리가 추가한 손잡이는 성장하는 동안 샘플에 전압을 인가하여 생성한 전기장입니다. 필드를 켜고 끄면 각 액적이 변형되고 나노와이어 성장이 그에 따라 변하는 것을 볼 수 있었습니다.”라고 IBM Research의 재료 과학자인 Ross가 말했습니다.

이것이 팀이 현미경으로 성장 실험을 수행한 이유입니다. 전기장을 켤 때 나노와이어가 움직이는 것을 즉시 볼 수 있었습니다. 현미경은 성장하는 나노와이어를 50,000배 확대하고 초당 30개의 이미지를 기록하여 분석할 많은 데이터를 제공합니다.

Ross는 "전기장은 촉매 방울이 전기장의 다른 금속처럼 행동하고 전기장의 방향으로 당겨진다는 것을 알고 있었기 때문에 시도해 볼 가치가 있는 것 같았습니다."라고 말했습니다. "이러한 실험에서 특히 흥미로운 점은 액적의 변화된 위치가 나노와이어 팁에서 성장이 일어나는 방식에 영향을 미치는 방식이었습니다."

연구의 흥미로운 부산물은 액체 방울의 표면 장력을 측정할 수 있다는 것이었습니다. 표면 장력은 유리에 물방울과 같은 물방울을 구형으로 유지하는 피부입니다. 표면 장력에 대한 정확한 값은 나노와이어 성장을 예측하기 위한 컴퓨터 모델을 개발하기 위한 기본적인 요구 사항입니다.

“우리는 항상 특정 특성을 가진 결정을 성장시키는 가장 좋은 방법을 찾고 있습니다. 우리는 온도나 압력을 변경하여 얻을 수 있는 것을 알고 있습니다. 흥미롭고 유용한 나노와이어이지만 항상 수직으로 성장합니다. 전기장으로 우리는 마침내 와이어를 옆으로 또는 비스듬히 성장시켜 3차원 구조를 형성할 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.”라고 Ross가 덧붙였습니다.

'춤추는' 나노와이어용 애플리케이션

최신 전자 장치는 컴퓨팅 성능과 데이터 용량을 개선하고 새로운 기능을 구현하기 위해 끊임없이 증가하는 재료 포트폴리오를 사용합니다. 각지거나 꼬인 나노와이어는 특히 안정적으로 제작할 수 있는 경우 재료 레퍼토리를 확장할 수 있습니다. 그들은 장치가 회로의 다른 구성 요소 사이에 전기 연결이 필요한 상호 연결로 유용할 수 있습니다. 새로운 유형의 IoT 센서를 허용하거나 프로브로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, V자형 프로브를 살아있는 세포에 찔러 세포의 작은 전기 신호를 모니터링할 수 있습니다. 문자 "T" 또는 "X"와 같은 모양의 다른 나노와이어도 흥미로운 응용 분야를 가지고 있습니다. 자기장에 이 "문자"를 배치하고 다른 다리에 전압을 적용하여 전류 흐름을 측정하면 물리학의 기본 이론을 테스트하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 이론은 반도체 재료의 특수 여기 거동을 지배하기 때문에 난해합니다. 그러나 그것들은 아마도 실질적으로 관련이 있을 것입니다. 여기가 현재 설계의 일부 제한을 피하는 방식으로 양자 컴퓨터에 정보를 저장하는 수단을 제공할 수 있습니다. 춤을 추며 성장한 나노와이어, 늘어진 물방울이 이 경로의 첫 번째 단계일 수 있습니다.

360도 초고진공 전자현미경