나노튜브 혼합물을 정제하는 레이저 광

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-17

단일벽 탄소 나노튜브에는 금속성 및 반도체성 튜브가 혼합되어 있다. 이것은 고성능 전자장치를 만드는데 반도체 또는 금속성 튜브 중 하나가 필요하기 때문에 큰 문제로 대두되고 있다. 현재, 미국 연구팀은 특정 파장의 적외선 레이저 빔을 탄소 나노튜브 혼합물 속에 주사함으로써 두 종류의 튜브를 분리할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 고성능 전자장치를 제조하는데 사용될 수 있는 순수한 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브 어레이를 제조할 수 있게 한다. 단일벽 탄소 나노튜브는 단지 원자 한 개 두께를 가진 그래핀 시트를 말아서 만들어지고, 시트가 말린 방향에 따라서 금속성(metallic, m) 또는 반도체성(semiconducting, s)을 가질 수 있다. 그들은 나노크기 전자장치의 빌딩블록으로서 이상적이고, 큰 전류를 전달할 수 있는 능력과 매우 작은 크기 때문에 실리콘을 대체할 수 있을 것이라고 기대되고 있다. 예를 들어, 캐리어 이동도는 104 cm2/Vs를 초과할 수 있다. 반도체성 튜브들은 우수한 나노크기 트랜지스터(10^6보다 더 큰 전류 전환 비율을 가짐)를 만들 수 있지만, 이것은 금속성 튜브가 전혀 존재하지 않을 때만 가능하다. 만약 금속성 튜브가 존재한다면, 전자장치에 단락이 생길 수 있다. 기존의 화학 기상 증착 기술을 사용해서 성장된 단일벽 탄소 나노튜브는 약 3분 2가 반도체성 튜브이고 약 3분의 1이 금속성 튜브를 일반적으로 가지고 있다. 두 종류의 튜브를 분리할 수 있는 몇 가지 방법들이 존재하지만, 이런 방법들의 대부분은 화학물질을 기반으로 하고, 크로마토그래피 또는 원심 분리와 같은 기술을 필요로 한다. 이러한 용액 처리 기술은 튜브의 전기적 특성을 저하시키고, 고성능 장치를 만드는데 그들을 사용할 수 없게 한다. 일리노이즈 대학의 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 연구팀은 2500nm의 파장을 가진 레이저 광을 노출시킴으로써 반도체성 튜브를 분리할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 광은 단일벽 탄소 나노튜브의 밴드갭보다 낮은 에너지를 가지고, 금속성 튜브들이 우선적으로 빛을 흡수할 수 있기 때문에 그들은 가열된다. 실제로, 1.4nm의 평균 지름을 가진 단일벽 탄소 나노튜브는 유사한 지름을 가진 단일벽 탄소 나노튜브보다 3배 더 많은 광을 흡수한다. 이런 가열은 단일벽 탄소 나노튜브의 영역에 열린 트렌치(trench)를 형성하게 하고, 튜브 상부의 매우 얇은 유기 코팅 속에 “열모세관 흐름(hermocapillary flow)”을 생성한다. 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)이라고 불리는 최종 단계는 노출된 금속성 튜브를 선택적으로 제거하고, 단지 반도체성 튜브만을 남긴다. “우리의 기술은 기존에 보고된 분리 기술들을 대체할 수 있는 매우 간단한 방법이다. 전극들과 다른 테스트 구조들이 튜브 위에 제조되고, 그 후에 혼합물을 정제함으로써 불순물들이 제거된다”고 그는 말했다. 생성된 단일벽 탄소 나노튜브(적어도 99.8%의 순도를 가짐)는 트랜지스터와 센서와 같은 다른 전자장치를 만드는데 사용되는 표준 평면 장치 구조 속에 결합될 수 있는 잘 정렬된 어레이를 가진다. 실제로, 이번 연구진은 900 cm2/V/s보다 더 높은 이동도와 10^4보다 더 큰 전류 온/오프 전환 비율을 가진 트랜지스터를 실제로 만들었다. 이 연구에는 일리노이즈 대학 이외에도 저장 대학(Zhejiang University), 노스웨스턴 대학(Northwestern University), 마이애미 대학(University of Miami)이 참여하였고, 이번 연구진은 고속 트랜지스터 속에 정제된 나노튜브 어레이를 집적시키고 그들의 특성을 평가할 계획을 가지고 있다. 이 연구결과는 저널 ACS nano에 “Laser-Induced Nanoscale Thermocapillary Flow for Purification of Aligned Arrays of Single-Walled Carbon Nanotubes”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nn505566r). 그림. 나노크기 열모세관 흐름을 생성시키는 단일벽 탄소 나노튜브. noname017.bmp http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59587