1D nanostructures have received steadily growing interests as a result of their peculiar and fascinating properties, and applications superior to their bulk counterparts. The ability to generate such minuscule structures is essential to much of modern science and technology. Recently, 1D nanostructures such as wires, rods, tubes and belts have also become the focus of intensive research owing to their unique applications and fabrication of nanoscale devices. It is generally accepted that 1D nanostructures provide a good system to investigate the dependence of electrical and thermal transport of mechanical properties on dimensionality and size reduction.
Although 1D nanostructures can now be fabricated using a number of advanced nanolithography, further development of this techniques into practical routes to large quantities of 1D nanostructures from a diversified range of materials, rapidly, and at low costs, still requires great ingenuity.
Thereupon, our group fabricated 1D nanostructures through Thermo-electrical Pulse Induced Evaporation(TPIE) motivated by arc-discharge and field ion microscope. This method is using interaction of electrical pulse evaporation and thermal evaporation and useful to produce nanostructures at feeble electrical pulse and low temperature. The TPIE method directly uses the thin film of interest material. To generate 1D nanostructures by TPIE method, we starts with applying an electrical pulse to the pre-heated stage, on which the target thin film is place, by electrical pulse generator, followed by the evaporation of the thin film material and self-assembled reconstruction of nanostructures to the substrate.
During fabricating 1D nanostructures procedure, we could identify the different conditions which are proper for forming 1D nanostructures. Structural properties of 1D nanostructures by TPIE are investigated by secondary electron microscopy, and typical chemical composition analysis obtained from EDS spectrum.
The TPIE method would be an attractive bottom-up process that uses the thin film material of interest directly, lower processing temperatures and fast processing times.
일차원 나노 구조물은 독특하고 매력적인 특성들과 벌크 물질보다 뛰어난 응용성 때문에 많은 연구분야에서 점차적으로 관심이 늘어나고 있다. 이러한 미세한 구조물을 만들 수 있는 능력은 현대 과학 기술 분야에서 매우 중요하다. 일반적으로 일차원 나노 구조물을 합성하는데 나노리소그래픽 (nanolithographic) 방법 등의 복잡한 기술이 요구되지만, 다양한 종류의 물질을 빠르고 저비용으로 대량 생산을 하기 위해서는 독창적인 방법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 $Ge_2Sb_2Te_5$ nano-structures(rods, wires, tubes, belts)을 합성하기 위해서 새로운 방법인 Thermo-electrical Pulse Induced Evaporation (TPIE) 방법을 시도해 보았다. 본 장치를 이용할 경우, 타겟 물질에 낮은 pre-heating(Thermal evaporation)과 미미한 전기적 펄스(Electrical pulse)의 상호 작용을 통하여 촉매 없이 나노 구조체를 수백 ns라는 매우 빠른 시간과 간단한 과정을 통해서 성장 시킬 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
결과적으로 $Ge_2Sb_2Te_5$ 1D nanostructures의 성장 조건은 찾지 못했지만 조성이 불균일한 GST 타겟 물질에 적절한 온도(300℃)와 전기적 펄스(5V, 300ns)를 인가하게 되면 Te 조성이 지배적인 1차원 나노 구조물을 다양한 기판에서 여러 형상으로 성장 되었다. 또한 타겟 박막의 조성이 Ge:Sb:Te=2:2:5 로 정확하면 위의 성장 조건으로 1차원 나노 구조물을 합성 시킬 수 없었다. 또한 이러한 나노 구조물의 성장은 단순히 타겟 물질에 온도만 변화시키거나, 전기적 펄스를 인가하는 것으로는 형성되지 않았다. 증발된 기상으로부터 이방성을 갖는 나노 구조물을 형성하기 위해서는 타겟 물질의 온도, 기판의 온도, 기판 표면의 결정성 및 물성, 전기적 펄스의 크기 등이 중요한 변수이다.
TPIE 방법은 빠른 시간 (수십-수백 ns)에 나노 구조물을 제작하는 새로운 Bottom-up process이며, 보다 다양한 물질에 응용이 가능하리라 기대된다.
