One-dimensional (1D) nanostructures, including nanowires, nanorods, nanobelts, and nanotubes, have been the focus of current research on nanotechnology because of their fundamental significance in chemistry, physics, materials science and engineering, and potential applications in nanoelectronics. At the same time, the phase change nanowires are being widely investigated for their low power consuming property and very high scalability. $Sb_2Te_3$ is one of the candidates for phase change nanowire memory which has fast crystallization speed. The $Sb_2Te_3$ nanowires grown by vapor-liquid-solid (VLS) mechanism have been reported but the mechanism has a disadvantage of contamination due to the metal catalyst used in the fabrication process. And it can presumably affect the reliability of nanowire memory devices. Therefore, the study on growth process of nanowires with no contamination is required for better performance. By thermal evaporation method, nanowires are generated directly from the vapor phase in the absence of a metal catalyst. In this study, fabrication of highly pure $Sb_2Te_3$ nanowires via thermal evaporation method is investigated.
Firstly, nanowires were synthesized by thermal evaporation of $Sb_2Te_3$ source. The physical morphology and chemical composition of the fabricated nanowires were investigated by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The number per area of the nanowires had a tendency to decrease and length of the nanowires had a tendency to increase as substrate temperature increases. And length had a tendency to increase as source temperature increases. As a result of EDX analysis, the content of Sb in the nanowires were found to be much lower than 40 percent (0.02≤x≤0.03).
Secondly, Sb deposited $Sb_xTe_{1-x}$ nanowires were fabricated by vaporizing Sb source to increase the Sb content in previously synthesized Te-rich $Sb_xTe_{1-x}$ nanowires. The physical morphology and chemical composition of the fabricated nanowires were investigated by SEM, TEM, and EDX. The surface of Sb deposited $Sb_xTe_{1-x}$ nanowires were grooved with Sb lumps. More amount of Sb is detected in a Sb deposited $Sb_xTe_{1-x}$ nanowire than in $Sb_xTe_{1-x}$ nanowire but the content of Sb was still lower than 40 percent (0.10≤x≤0.31).
Finally, postannealing on Sb deposited $Sb_xTe_{1-x}$ nanowires were done at temperatures of 380℃, 410℃, 440℃ and the physical morphology and chemical composition of the fabricated nanowires were investigated by SEM, TEM, and EDX. Sb and Te have been found to diffuse into each other in all postannealing temperatures. And much amount of Te vaporized at 440℃. The content of Sb in postannealed Sb deposited $Sb_xTe_{1-x}$ nanowires were higher than 40 percent (0.51≤x≤0.74).
From these results, it can be concluded that it is complicated to fabricate stoichiometric $Sb_2Te_3$ nanowires by thermal evaporation method but they can be fabricated if the degree of Sb deposition is well controlled.
나노와이어, 나노로드, 나노벨트, 나노튜브와 같은 1차원의 나노구조물은 화학, 물리, 재료공학 및 나노전자공학 분야에서의 잠재적인 응용가능성으로 인해 현재까지 많은 연구가 이루어져 왔다. 이와 함께, 상변화 나노와이어는 저전력 소비와 높은 집적도를 실현할 수 있는 가능성으로 인해 활발히 연구가 진행되고 있다. $Sb_2Te_3$는 빠른 결정화 속도를 갖는 재료로서 상변화 나노와이어 메모리로 사용될 수 있는 재료중의 하나이지만, 현재 보고된 $Sb_2Te_3$ 나노와이어는 금속 촉매로 인한 오염 문제가 존재하는 VLS 법으로 성장이 이루어진 것이다. 이러한 금속 촉매로 인한 오염은 나노와이어의 특성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으며, 우수한 성능을 갖는 상변화 나노와이어를 제조하기 위해서는 오염 문제가 해결되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 오염 문제가 존재하지 않는 방법인 열증발법을 통해 $Sb_2Te_3$ 나노와이어를 제조하고자 한다.
우선, $Sb_2Te_3$ 소스를 열을 가하여 증발시켜 나노와이어를 성장시켰으며, SEM, TEM 및 EDX를 사용하여 외형 및 화학 조성을 분석하였다. 기판 온도가 증가함에 따라서 성장된 나노와이어의 단위 면적당 개수는 감소하고, 길이는 증가하는 것으로 나타났으며, 소스 온도가 증가함에 따라 나노와이어의 길이가 증가되는 것으로 나타났다. 성장된 나노와이어의 조성 분석 결과, 나노와이어의 Sb 함량이 약 2~3 % 정도로 나타났다.
Te이 과량 포함된 $Sb_xTe_{1-x}$ 나노와이어의 Sb 함량을 증가시키기 위해서 $Sb_xTe_{1-x}$ 나노와이어 상에 Sb를 증착시키는 실험을 수행하였다. 분석 결과, Sb이 나노와이어의 표면에 굴곡이 진 형태로 불균일하게 증착되었음이 확인되었으며, 조성 분석 결과 Sb의 함량이 10~31% 정도로 나타났다.
Sb이 증착된 $Sb_xTe_{1-x}$ 나노와이어의 표면 균질화 및 Sb와 Te간의 상호 확산을 유도하기 위해 후열처리 공정을 수행하였다. 후열처리 결과, Sb와 Te가 서로 확산하였음이 확인되었으며 나노와이어의 Sb 함량은 51~74 % 정도로 나타났다.
위 결과를 통해, 열증발법을 이용하여 화학양론비적 $Sb_2Te_3$ 나노와이어를 제조하는 것은 다소 어려움이 존재하는 것으로 결론을 내릴 수 있으며, Sb의 증착률이 잘 통제된다면 화학양론비적 조성에 맞게 제조할 수 있을 것으로 예상된다.
