AFM Applications: Fabrication of Metallic Nano-structure on Insulating Substrate and Development of Scanning Noise Microscopy

Abstract

원자 현미경은 광학현미경에 비해 1000 배 이상의 매우 높은 분해능을 제공하기 때문에, 나노미터 크기의 물질 특성을 관찰할 수 있다. 따라서 높은 분해능을 가지고 있는 원자 현미경을 활용하여 나노 크기 물질을 영상화하고 측정하며, 더 나아가 여러 물질들을 원자 구조적으로 조작하는 것까지 가능하다. 이와 같이 원자 현미경은 나노 세계를 보고 만질 수 있는 대표적인 창으로서 대학이나 연구소등에서 많은 연구자들이 활용하고 있지만, 기본적인 측정 기능을 제외했을 때 실제적으로 산업 현장에 적용하기에는 아직 많은 어려움이 있다. 그렇기 때문에 이러한 원자 현미경이 가지고 있는 나노 세계에 대한 잠재력을 산업에 적용할 수 있다면, 원자 현미경은 나노 산업을 한걸음 더 성장시킬 수 있는 매우 유용한 도구가 될 것이다. 이 학위 논문에서는 이와 같은 관점을 가지고 원자 현미경을 기반으로 하는 딥펜 나노리소그래피를 사용한 나노 크기의 금속 구조 형성기술과 주사 잡음 현미경법이라는 새로운 기술을 보고한다. 먼저 딥펜 나노리소그래피를 이용하여 염화금산 분자 잉크로 임의의 절연 기판 위에 50 나노미터 이하 크기의 금 패턴을 직접 형성하는 공정을 설명한다. 이 공정에서 염화금산 분자는 어떠한 화학적 반응도 일어나지 않는 상태에서 단순 분자 확산 과정을 거쳐 절연 기판 위로 증착된다. 이후 형성된 염화금산 분자 패턴에 열처리 공정을 적용하여 최종적으로 순수한 금 패턴만을 남길 수 있다. 이러한 열처리 공정을 거쳐 형성된 금 패턴은 평균 지름 47.90 +- 3.07 나노미터의 균일한 분포를 가지고 있음을 확인 할 수 있었다. 이 기술을 사용하면 기존의 화학적 표면 기능화나 추가적인 전극 구조를 이용하지 않고도 산화 실리콘이나 산화 알루미늄 또는 폴리이미드와 같은 절연기판에서도 금속 패턴을 형성할 수 있다. 원자 현미경법 기술 응용의 또 다른 예로서, 우리는 나노 전자 소자의 잡음 특성을 측정하고 분석할 수 있는 원자 현미경 기반의 주사 잡음 현미경법을 개발하였다. 개발된 주사 잡음 현미경법은 전류의 요동을 측정하기 위한 이동 전극으로 금속팁을 사용한다. 금속팁으로 측정한 전류 요동을 분석함으로써, 나노 전자 소자 내 임의의 위치에서의 잡음 정보를 얻을 수 있다. 주사 잡음 현미경을 사용한 예로써, 다층 그래핀으로 제작된 소자의 전체 저항과 잡음 진폭을 측정하였다. 측정된 전체 잡음 정보로부터 일반적으로 널리 알려진 저항과 잡음 진폭간의 실험적 관계식을 사용하여 그래핀 소자의 채널 저항과 채널 잡음 진폭을 추출하였다. 더 나아가 그래핀 채널의 이차원 잡음 진폭 영상을 그릴 수 있었다. 이와 같이 위에서 언급한 두 가지 기술들은 새로운 미래 나노 산업에 다양하게 응용 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

Since atomic force microscopy (AFM) has a higher resolution than the optical diffraction limit, the AFM is utilized as one of the foremost tools for imaging, measuring, and manipulating matter at the nano-scale. In other words, AFM plays a role as window for nano-world, and many researchers have applied AFM to their works. However, there is few practical application of AFM to industry except the field of measurement. Therefore, more practical application of AFM to industry should make AFM serve as a useful tool for the growth of nano-industry. From this point of view, in this dissertation, we present two novel AFM-based techniques, the generation of metallic pattern via dip-pen nanolithography (DPN) and the measurements of noise in nano-scale using scanning noise microscopy (SNM). First, a direct deposition strategy for sub-50 nm scale uniform Au patterns on virtually any general insulating substrate via DPN is presented. In this process, HAuCl4 molecules were deposited onto bare insulating substrates via a molecular diffusion process, in the absence of electrochemical reactions. Subsequently, the generated HAuCl4 molecular patterns were decomposed to leave Au-only patterns using a thermal annealing process. Uniform Au patterns with a mean diameter of 47.90 +-3.07 nm were successfully achieved after the annealing process. The method allowed us to generate metallic patterns on virtually any general insulating substrate (e.g. SiO2, Al2O3, polyimide, etc) without any surface functionalization or additional electrode structures. As another application of AFM, a conductive AFM-based scanning noise microscopy (SNM) was develped to investigate the electrical noise properties of nano-devices. In this novel tool, a Pt wire tip was utilized as a mobile electrode to measure current fluctuations. From the current fluctuations, we have obtained the information of noise originated from the both channel and electrodes of sample devices. Using well known empirical model on resistance and noise amplitude, the graphene channel resistance Rch and channel noise amplitude Ach were separated from the measured noise information. In addition, a noise scaling factor of graphene channel was calculated. Furthermore, the 2-dimensional map of noise amplitude was plotted using the separated resistance and noise amplitude. Therefore we expect that the SNM should be one of the useful tools to analyze the noise which affects the performance of various nano-devices. These two methods are expected to be useful in future development of various novel industrial applications.