This thesis concerns the nanofabrication and characterizations of metal nanopatterns for the applications of ultrahigh density spin data storage and bio device by using both the “top-down” and “bottom-up” approaches. For magnetic patterns, Co/Pd multilayer nanodot arrays with the wide size range in diameter were successfully fabricated through the optimization of the colloidal particle and the RIE process. Additionally, elliptical Co dot and ring structure also were prepared by imprint lithography. Magnetic property of patterns was characterized according to center to center distance, shape or size of patterns by magneto-optical Kerr effect and magnetic force microscope measurements. On the other hands, we focus on the bio applications of the fabricated patterns and examined the characteristic behavior of localized surface plasmon resonance of Au, AuAg dot and ring arrays in response to refractive index change. To do this, patterned arrays of Au rings and Au, AuAg dots with various feature scales were fabricated over large areas. A spectroscopic study on these patterns suggested that these patterned structures can be successfully used for probing biomolecules such as the DNA-DNA or biotin-straptavidin interaction.
본 연구에서는 초고밀도 정보저장소자 및 바이오 소자에 응용이 가능한 미세 나노패턴을 제작하기 위하여 상, 하향식 패터닝 방법을 연구하였다. 상향식 방식인 콜로이드 입자의 자기조립 방식은 값싼 공정 및 높은 효율로 미세패턴을 제작할 수 있는 장점이 있으며, 하향식 방식인 임프린트 기법은 상대적으로 대면적의 미세패턴을 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 위의 두가지 방법을 이용하여 스핀 정보 소자 응용을 위한 Co 및 Co/Pd 다층박막의 자성 패턴과 바이오 소자 응용을 위한 Au, AuAg 패턴을 제작하였다. 스핀 정보 소자 패턴의 경우, 여러 가지 모양으로 제작된 자성패턴의 자구형태 및 스핀 동력학을 중점적으로 연구하였으며, 이를 위해 기존의 광식각 및 전자빔 공정을 사용하지 않고, 나노임프린트, 콜로이드 자기조립체의 나노점 마스크를 이용하여 여러 가지 형태의 새로운 나노 자성체를 제조후 나노 자성체의 자기적 특성을 측정하였다. 또 다른 응용분야로서 제안된 생물감지용 소재를 위해서는 표면 플라즈몬 공명현상을 나타내는 Au, AuAg 금속을 패터닝 하였으며, 제한된 공간에서의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용해 생물분자의 선택성 및 감도를 향상시킴으로서 생물감지 소재로서의 응용성을 제안하였다.
스핀정보 소자의 패턴을 위해서 다양한 콜로이드 입자와 반응성 이온식각공정을 이용하여 40 nm - 1000 nm의 넓은 영역에서 다양한 크기의 콜로이드 마스크를 제조하였으며, 이를 이용하여Co/Pd 다층박막 나노점 정렬을 제조하였다. 제작된 나노자성체의 자구 형태 및 자구 반전과정을 관찰하기 위해 MFM, 자기광 현미경 (MOMM) 측정이 이루어 졌으며, 수백 나노급의 짧은 반복주기를 갖는 Co/Pd 다층박막 나노점 패턴에서 나노점의 크기 및 주기에 따른 보자력 및 보자력 분포에 관한 실험이 수행되었다. 또한 자기조립 방식과 더불어 상향식 방법인 임프린트 기법으로 나노점, 나노링과 같은 다양한 형태의 나노자성체를 제작하였다. 이와 같은 패턴의 자구 형태 및 자구 반전을 관찰히기 위해 MOMM 측정 및 시뮬레이션 작업이 더불어 수행되었다. 관찰결과 타원형의 점, 링 패턴 모두에서 장축을 중심으로 외부 자기장에 따라서 두 개의 vortex 가 생성 및 소멸되었으며 패턴의 모양에 따라서 vortex의 동역학이 다름을 확인하였다.
바이오소자로의 응용을 위한 패턴에서는 생물분자를 감지하기 위한 금속패턴에서의 표면 플라즈몬 공명현상을 관찰하였다. 본 연구에서는 임프린트 기법 및 모세관 힘 식각공정을 이용하여 Au 점과 링 패턴을 제작하였으며, 제작된 패턴에 대해 표면 플라즈몬 공명현상과 같은 광학적 특성을 측정하였다. Au 링 패턴의 경우 링의 두께가 감소할 수록, 패턴크기가 커질수록 장파장 영역에서 흡수 스펙트럼의 최대치가 측정되었다. 또한, 생물분자를 흡착시켰을 때의 흡수 스펙트럼의 최대치 변화의 폭이 증대되는 것을 확인하였으며, 이를 통해 생물감지의 민감도가 금속패턴의 구조와 밀접한 상관관계가 있음을 입증하였다. 생물감지의 민감도를 증가시키기 위한 방법으로서 서로 다른 두 금속, 즉 Au와 Ag를 두층으로 증착한 형태의 점 패턴을 제작하여 특성을 관찰한 결과 Au 한 가지 금속만으로 이루어진 패턴보다 주위 환경의 굴절률 변화에 따른 변화의 폭이 증가함을 확인하였다. 이와 더불어 AuAg금속패턴 표면에서 DNA 상보결합을 시켰을 경우도 마찬가지의 결과를 얻음으로써 금속의 구조 및 종류와 생물감지 성능과의 연관성을 규명하였다.
