현재 나노기술에서 이슈가 되고 있는 것 중 하나가 금속성 단일벽 탄소나노튜브와 

반도체성 단일벽 탄소나노튜브를 구별하는 문제이다. 고밀도 어레이로 만들어진 단

일벽 탄소나노튜브 전자 장치의 전자 성질을 부여할 수 있는 신속하고 병렬적인 기

술을 개발하는 것은 나노전자장치 구성 요소를 미래에 대량 생산하는데 필수적이

다. 

 

단일벽 탄소나노튜브 장치와 어레이의 전자 성질을 부여하기 위해서 현재 사용되고 

있는 방법들은 시간이 많이 소모되고 느리게 실행되며 대량 생산에 적당하지 않다. 

이 방법은 직접 전자 수송을 측정한다. 그래서 각 장치들은 3개의 전극(소스, 드레

인, 게이트)이나 주사 탐침 현미경(scanning probe microscopy)으로부터 개별적으

로 측정되어져서 나노튜브 주위의 표면 퍼텐셜 지도가 만들어진다. 즉 기존의 기술

들은 마이크로전자장치 제조와 특성 부여를 위한 프로세스 흐름 속에 결합되기에는 

제한된 능력을 가지고 있어서 매우 느리다. 최근에 DNA를 가지고 나노튜브를 정렬

하는 연구가 진행되었는데 아직 초기 단계이다. 

 

독일 카를수르에 연구소(Research Center Karlsruhe)의 나노기술 연구소(Institute 

of Nanotechnology, INT) 연구진은 분자 전자장치와 장치 어레이에 특성을 부여하

기 위한 새로운 기술로서 전압-콘트라스트 주사 전자 현미경(Voltage-Contrast 

Scanning Electron Microscopy, VC-SEM)을 제안했다. 연구진은 VC-SEM을 사

용해서 단일벽 탄소나노튜브 장치의 고밀도 어레이에 전자 성질을 부여하는 것이 가

능하고 각 장치의 전자 수송 특징을 개별적으로 측정할 필요 없이 반도체성 단일벽 

탄소나노튜브에서 금속성을 식별는 것이 가능했다. 또한 이 기술은 나노튜브의 결함

과 장치 파손을 확인하는데도 사용될 수 있었다. 

 

VC-SEM은 회로의 파손 위치를 알기 위해서 1960년대에 개발되었다. 이번 연구진

은 나노전자장치의 전자 성질 부여를 위해서 외부 인가 바이어스와 전기장 작용으

로 향상된 VC-SEM을 개발했다. VC-SEM은 매우 집적된 어레이와 회로 특히 분자 

장치를 위한 전자 특성 부여 기술에서 공공(void)을 메우는 데 도움을 준다. 

 

VC-SEM은 전자 밴드 구조(electronic band structure)를 조절하고 나노튜브의 길

이를 따라 퍼텐셜의 형성을 이미지로 나타낼 수 있다. 전자 주사로 발생된 이차 전

자 콘트라스트는 금속성과 반도체성 탄소나노튜브를 구별할 수 있고 서로 전환될 

수 있도록 한다. 

 

이번 연구진이 개발한 이 기술은 세 개의 전극 바이어스 상태에서 단일벽 탄소나노

튜브로부터 방출된 이차전자를 이미지로 볼 수 있도록 했다. 원리를 간단하게 알아

보면, 표면 퍼텐셜(surface potential)은 이차 전자 발생량을 변화시킨다. 즉, 양 퍼

텐셜일 때 이차 전지 발생량은 감소하고 음 퍼텐셜일 때 이차 전자 발생량은 증가한

다. 또한 횡 전기장(transverse electric field)은 검출기로 전자를 편향시킬 수 있다. 

반도체성과 금속성 단일벽 탄소나노튜브는 다른 전도성을 가지고 있기 때문에 길이

에 따라서 다른 퍼텐셜 떨어짐(potential drop)을 보이고 이차 전자 이미지에서 다른 

모양을 가지게 된다. 

 

연구진은 VC-SEM이 정전기력 현미경(electrostatic force microscopy)과 이동 접

촉 측정(sliding contact measurement) 같은 주사 탐침 기술과 비슷한 방법으로 탄

소나노튜브를 따라서 퍼텐셜 분포를 탐침할 수 있다. 그러나 기존의 방법과 다른 것

은 탐침시간이 더 짧고 소스 전극에 바이어스를 걸 필요가 없다는 점이다. 

 

연구진은 고밀도 나노튜브 장치 어레이의 통계 분석을 위한 기술을 개발하고 있다. 

이 연구결과로 이 장치의 어떤 부분이 금속성, 반도체성 아니면 결함이 존재하는지

를 알 수 있다. 탄소나노튜브의 탄소 원자 단락이나 키랄성 변화(chirality change)

를 일으키는 결합-회전 같은 나노튜브의 구조적 결함들은 성장 과정이나 고주파에 

의한 분해나 산처리 같은 프로세스 과정 중에 발생된다. 

 

연구진은 결함 위치를 알 수 있고 전자 성질 특성을 부여할 수 있는 연구를 하려고 

하고 있다. VC-SEM은 근접 라만 분광기(near-field Raman spectroscopy) 같은 

기술에서 전자 특성을 빠르게 조사하는데 사용될 수 있다. 

 

이 연구결과는 Nano Research에 "Imaging electronic structure of carbon 

nanotubes by voltage-contrast scanning electron microscopy" 이라는 제목으로 

게재되었다. 

 

그림. (위쪽 그림) 10개의 장치 어레이는 각각이 전도성 실리콘 후면 게이트 아래의 

절연 실리콘 이산화물 위에 놓이면서 소스와 드레인 전극과 연결된 개개의 단일벽 

탄소나노튜브로 구성된다. (아래쪽 그림) 나노튜브가 OFF 상태일 때 낮은 게이트 바

이어스에서 나노튜브를 따라 콘트라스트가 드레인에서 소스까지 점차적으로 변화되

고 장치가 ON 상태일 때 높은 게이트 바이어스에서 나노튜브를 따라 콘트라스트가 

드레인에서 소스까지 균일하게 되는 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 확대 사진.

 

http://www.nanowerk.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-07