A study on electrical and thermal transportation properies of Nano-patterned CNT and bismuth film

Abstract

본 논문에서는 나노스케일의 공정기술이 열전소자에 사용되는 재료에 적용되었을 때 열전성능과 전기적 성능을 밝혀보고자 하였다. 나노스케일의 공정기술이 열전성능을 높일 수 있다는 가능성이 발표된 후 나노메쉬 (Nanomesh) 구조와 나노와이어 (Nanowire) 구조가 잠재적으로 열전소자에 쓰일 수 있는 재료들에 적용이 되었다. 본 논문에서는 나노메쉬와 나노와이어 구조가 각각 CNT film과 bismuth에 적용을 시켜 전기적, 열적 transport 특성에 관하여 분석한 결과를 고찰하였다. 첫 번째로, 나노메쉬 패턴을 CNT film에 삽입한 nanomesh CNT film과 나노메쉬 패턴을 삽입하지 않은 pristine CNT film의 전기적, 열적 광학적 특성을 비교하였다. Metallic carbon nanotube는 Seebeck coefficient가 0에 가까워야 함에도 불구하고 nanotube film은 상당히 높은 Seebeck coefficient를 가지고 있다. 본 실험에서는 anodized aluminum oxide membrane을 etching hard mask로 이용하여 nanomesh pattern을 CNT film에 삽입하였다. 조밀한 나노스케일의 hole들이 patterning 되어 삽입된 CNT film의 thermoelectric power가 30% (29 to 39 V/K) 가량 증가된 것이 관찰되었다. 이러한 현상을 Nano-patterning에 의한 electron localization 에 의한 것으로 설명하였다. 두 번째로, 표면의 거칠기가 낮은 bismuth film을 증착하기 위해 pulsed laser deposition (PLD) system의 증착조건이 최적화 되었다. Bismuth film의 전기적 특성과 표면의 거칠기를 PLD system의 Working pressure와 target to substrate (TS) distance, 그리고 기판의 온도를 조절해 가며 관찰 하였다. 각 증착 parameter 들의 영역은 working pressure의 경우 10 mTorr 에서 base pressure (10-6 Torr), TS distance의 경우 4cm ~ 7cm, 그리고 기판의 온도는 22 °C 에서 200 °C까지 조절하였다. Bismuth film의 electrical resistivity와 표면의 거칠기는 working pressure, TS distance, 그리고 기판의 온도에 따라 달라지는 경향을 보였으며, 최적화 된 조건에서 증착 된 bismuth film의 RMS surface roughness value는 1.57nm 이고 electrical resistivity는 300µΩcm 이다. 이러한 좋은 표면을 가진 필름을 바탕으로 하여 최종적으로 bismuth nanowire를 top-down fabrication 방식인 e-beam lithography를 통해 제작하였고 bismuth nanowire의 온도에 따른 전기적 성질을 bismuth thin film과 bulk bismuth와 비교해 보았다.