탄소 나노튜브 이종접합(heterojunction)으로부터 분자 크기의 양자점 구현 

 

탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)가 발견된 지 얼마 후에 다른 키랄

(chirality) 특성을 가진 나노튜브를 결합시키는 것이 가능하다는 사실이 밝혀졌다. 

이는 작은 수의 5각형, 7각형 결함(defect) 구조를 이용하여, 나노크기의 금속/반도

체(metal/semiconductor) 또는 금속/금속(metal/metal) 구조의 탄소 나노튜브 이

종접합(heterojuction, HJ)을 구현하는 것이다. 

 

이러한 소자는 응용 가능성이 많기 때문에, 많은 연구팀의 관심을 받았지만, 현재까

지 이러한 타노 나노튜브의 이종접합에 대한 연구 성과는 미미한 수준이었다. 탄소 

나노튜브의 이종접합에 대한 직접적인 관찰을 위해 STM(scanning tunneling 

microscopy)이나 라만(Raman) 기법을 이용한 연구가 발표된 바는 있다. 이러한 금

속-반도체 이종 접합 구조에 대한 전기적 이동 특성을 연구한 결과로는 이러한 나노

튜브에서 다이오드와 같은 특성이 관찰된다는 점과 kink가 관찰된다는 결과가 있었

다. 

 

하지만, 현재까지의 연구에서는 이러한 이종접합 구조에서 구조적인 특성과 전기적

인 이동 특성을 결합하여 그 관계를 명확히 규명한 바가 없었다. 최근 이와 관련하

여 미국의 Columbia University와 Lawrence Berkeley National Lab 그리고 한국

의 KIST(Korea Institute for Advanced Study)의 공동 연구에 의하여 수행된 연구

가 있어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 Nano Letters 학술지에 “Molecular-

Scale Quantum Dots from Carbon Nanotube Heterojunctions”라는 제목으로 발표

되었다. 

 

이번 연구를 위하여 연구팀은 단일벽 탄소 나노튜브(single-wall carbon 

nanotube, SWCNT)를 이용하였고, Si/SiO2 웨이퍼(wafer) 위에서 100마이크로 미

터의 간격 사이에 CVD(chemical vapor deposition)을 이용하여 탄소 나노튜브를 

성장시켰다. 특성 분석을 위해서는 Rayleigh scattering spectroscopy를 이용하였

다. 이러한 Rayleigh 스펙트럼은 띄워진(suspended) 나노튜브에서 변하지 않고 유

지된다고 한다. 

 

그림 1에는 연구팀이 사용한 소자의 실제 구조도를 SEM 이미지로 보여주고 있다. 

또한 이러한 소자에서의 전압에 따른 컨덕턴스(conductance) 특성과 함께, 

Rayleigh 산란 스펙트럼의 특성도 보여주고 있다. 이러한 스펙트럼을 보면 띄워진 

나노튜브의 중앙 부분에서 스펙트럼이 반도체 특성에서 금속 특성으로 급격히 변한 

것을 알 수 있다. 나노튜브의 기계적 안정성과 구조 변화의 급격성 덕분에 두 가지 

다른 특성을 가지는 나노튜브가 공유결합(covalently)적으로 잘 접합되어 있음을 

알 수 있다. 

 

그림 2에는 이러한 이종접합 구조에서 온도에 따른 컨덕턴스 특성이 나타나 있고, 

10K에서 게이트 전압(gate voltage)을 바꾸어가며 측정한 I-V 특성도 알 수 있다. 그

림 3에는 이종접합에서의 이동 특성을 알 수 있는 데이터가 제시되어 있다. 10K의 이

종접합 구조에서의 differential 컨덕턴스와 함께 이러한 금속-반도체 나노튜브 이종

접합 구조의 특성을 설명하기 위한 모델도 제시되어 있다. 마지막으로 그림 4에서는 

여러 가지 구조에서의 LDOS(local density of state)가 제시되어 있다. 

 

연구팀은 이번 연구를 통하여 이종접합 탄소 나노튜브의 구조적 특성 및 이에 따른 

전기적 특성에 대한 이해도를 많이 높였다고 판단하며, 앞으로 이를 이용하여 더 실

용적인 탄소 나노튜브 소자를 연구할 수 있을 것이라 기대한다고 한다.

 

Nano Letters

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-12