Nanotechnology is a new paradigm and not just a research trend, as it can be applied to all existing fields of science and technology. All materials ever developed can potentially be synthesized in nanoform through current synthetic technology. Interestingly, nanomaterials sometimes show fascinating properties that have never before been observed in bulk. In particular, among the various nanostructures in existence, nanowire is considered a promising candidate as a building block for nanoelectronics because of its high aspect ratio, which allows for electromagnetic transport.
Currently, nanotechnology consists of three parts: synthesis of nanomaterials, fabrication of nanodevices using nanomaterials, and future technology applications. However, even in each of these three fields, the synthesis of nanomaterials is essential because each application needs appropriate materials that have specific shapes and properties. To date, the majority of nanostructure synthesis has been with semiconductors, and as a result, current nanotechnology has been focused on semiconductor industry. If we can develop new nanomaterials that display novel metallic, semi-metallic, or superconducting properties, it would further expand the applicability of nanotechnology.
Metal silicides are one of the best candidates for a potentially new class of nanomaterials because of the variety of electrical, mechanical, and magnetic properties they possess. This dissertation presents the synthesis, structural characterization, and physical properties of various metal silicide nanowires, which in this work are further distinguished as thermodynamically stable phase, metastable phase, and ternary system nanowires.
First, thermodynamically stable metal silicide nanowires such as CoSi, FeSi, and $CrSi_2$ were synthesized on a Si substrate via a halide vapor transport method. Because inter-diffusion of elements is the rate determining step in solid state reactions between two elements, only thermodynamically stable phase can be allowed nucleation on a Si substrate. As-synthesized nanowires display single crystalline natures and other interesting physical properties. CoSi nanowires with a diameter of 20 - 60 nm are ferromagnetic, in marked contrast to diamagnetic CoSi in bulk. Finally, $CrSi_2$ exhibits high thermal stability with respect to electrical properties.
Second, a new synthetic method to synthesize metastable nanowires was developed by employing a sapphire substrate on a Si wafer. This method allows a gas phase reaction with different ratios between metal and silicon halide vapors, and thus the elemental composition of the nanowire can be changed by varying experimental conditions. Specifically, the crystal structure was changed by varying the elemental composition in iron silicide and cobalt silicide nanowires. $Fe_5Si_3$, $Co_2Si$, and $Co_3Si$ nanowires display hexagonal, orthorhombic, and FCC structures, respectively. Furthermore, crystal structure and diameter influence the physical properties of the nanowires.
Finally, $Fe_{1-x} Co_x Si$ nanowire was investigated as a ternary silicide. Structural characterization of the nanowires reveals a single-crystalline nature with B20 crystal structure. This nanowire ensemble displays ferromagnetic properties with a sudden change in magnetization at applied magnetic field near zero. Magnetoresistance measurements on a single-nanowire device show magnetoresistance that does not saturate even in the highest applied field. These ferromagnetic nanowires are applicable as spin filters in the new field of nanospintronics.
본 연구에서는 규화금속 나노선에 대한 합성, 구조분석, 물리적 특성 연구를 수행하였다. 다양한 물리적 특성으로 인해 나노기술의 실제적인 응용을 위한 신 물질 군으로 기대되는 규화금속은 열역학적으로 안정한 상태, 준 안정 상태, 그리고 삼성분계의 세부영역으로 구분하였으며, 각각의 영역에서 기존에 확인하지 못했던 새로운 물리적 현상들을 관찰할 수 있었다.
첫 번째로, 열역학적으로 안정한 상태인 CoSi, FeSi, 그리고 $CrSi_2$ 등의 나노선을 기상합성법을 이용하여 Si 기판 위에 합성 할 수 있었다. Si 기판 위에서 일어나는 고체 반응에서는 Si과 전이금속 사이의 확산이 반응 속도를 결정하기 때문에, 항상 열역학적으로 안정한 상태의 나노선만을 관찰할 수 있었다. 합성된 나노선은 모두 단결정임을 구조분석을 통해서 확인할 수 있었으며, 흥미로운 물리적 특성도 관찰할 수 있었다. 20 - 60 nm의 작은 직경을 갖는 CoSi의 경우 반자성의 bulk 물질과는 달리 강자성을 보이는 것을 확인하였으며, $CrSi_2$ 의 경우는 높은 온도에서도 안정한 전기적 특성을 보여주었다.
두 번째로, bulk에서는 합성이 어려운 준 안정 상태의 물질을 나노선 형태로 합성할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. Si 기판 위에 sapphire 기판을 도입하는 방법을 통해서 선구물질간의 기상 반응을 유도하였는데, 합성조건을 적절이 조절함으로써 서로 다른 조성비를 갖는 준 안정 상태의 규화금속 나노선들을 합성할 수 있었다. 특히, 나노선의 조성비를 변화시킴에 따라서 나노선의 결정 구조가 변화됨을 관찰하였는데, 합성된 $Fe_5Si_3$, $Co_2Si$, $Co_3Si$ 나노선은 각각 hexagonal, orthorhombic, FCC 구조로 분석되었다. 더욱이, 결정 구조와 직경의 변화에 따라 나노선의 물리적 특성이 변할 수 있음을 확인하였다.
마지막으로, 삼성분계 물질인 $Fe_{1-x}Co_xSi$ 나노선을 합성하고 분석하였다. 구조분석을 통해서 $Fe_{1-x} o_xSi$ 나노선 역시 FeSi, CoSi등과 같은 단결정 B20 cubic 구조를 그대로 유지하고 있음을 알 수 있었다. 합성된 나노선은 저온 영역에서 강자성 반도체 특성을 보이는 것을 확인하였는데, 이는 나노스핀트로닉스 응용 연구에 중요한 의미를 갖는 것으로 기대된다.
