Fabrication and Characterization of Porous Silicon Nanowires

Abstract

실리콘 나노와이어는 나노스케일의 전자소재, 열전변환, 광전지, 배터리 전극, 전자 바이오센서, 전계효과 트랜지스터 등 여러 분야로의 활용으로 각광받고 있는 연구 분야이다. 실리콘 기반의 물질들은 풍부한 매장량과 독성이 없으며 생산 제작과정에 있어 비용이 저렴하며 수득률이 높아 관심이 높다. 최근 여러 실리콘 나노와이어의 제작 기술이 발전되어 왔다. 대표적인 예로는 기상-액상-고상 성장 (Vapor-Liquid-Solid growth, VLS), 화학적 또는 물리적 증착법, 전자빔 증착법으로 제작 될 수 있다. 하지만 이러한 방법들은 높은 온도, 복잡한 장비와 격렬한 조건과 성장 속도가 느리며 가격이 높다는 단점이 있다. 최근 금속을 이용한 화학적 식각(Metal-Assisted Chemical Etching, MACE)가 단순하고 낮은 제작온도, 저렴한 제작비용과 대면적 제작이 가능해 실리콘 나노와이어를 제작하는데 널리 사용되고 있다. 실리콘 웨이퍼 위에 금속 나노 입자들을 전기도금을 통해 형성시키고 이 입자들이 산화/환원 반응을 촉진시키는 촉매로 사용되는데 표면에 도금된 은 입자들과 실리콘 웨이퍼 접촉면에서 촉매현상으로 실리콘이 산화되어 HF에 의해 식각되고 결과적으로 남게 되는 기벽이 나노와이어 형태를 만들게 된다. 이 때 실리콘 나노와이어의 형태를 결정짓는 요소들은 도핑 유형, 도핑 레벨, 실리콘 웨이퍼의 결정 방향과 과산화수소의 농도와 식각 온도 등 다양하다. 다공성 실리콘 나노와이어는 비표면적이 매우 높아 화학적, 생물학적 센서, 약물전달체, 의학적 진단과 같이 넓은 분야로의 활용이 가능해 특히 관심 받고 있는 연구 분야이다. 배터리 음극제로써의 실리콘 나노와이어 전극은 높은 충전 용량과 용량 유지율을 기대할 수 있다. 특히 다공성 실리콘 나노와이어는 충전 용량과 용량 유지율을 높이고 특히 리튬 이온의 삽입과 추출 과정에서 리튬-실리콘의 부피 팽창 문제를 크게 완화시킬 수 있다. 하지만 지금까지의 다공성 실리콘 나노와이어를 제작하는 방법은 식각용액의 과산화수소의 농도를 조절하면서 다공성도를 조절하는 것이었다. 이에 본 연구에서는 다공성 실리콘을 이용하여 금속을 이용한 화학적 식각을 통한 실리콘 나노와이어의 표면과 내부에도 기공을 가지는 다공성 실리콘 나노와이어를 효율적으로 제작하는 방법에 대하여 연구하였다. 또한 최근 Voigt가 MACE를 통한 실리콘 나노와이어의 가시광선 영역에서 나오는 발광현상에 관하여 보고하였지만 발광현상이 실리콘 나노와이어에서 나오는 것인지는 명확하게 증명하지는 못하였다. 이에 본 연구에서 MACE를 통해 만들어진 발광현상을 가진 실리콘 나노와이어를 제작하여 실리콘 나노와이어에서 나오는 발광현상의 기원을 증명하고자 5 K에서 300 K까지 다양한 온도에서 광학적 특성을 분석하였다.