본 연구에서는 분자전선이라고 일컬어지는 oligo(phenylene-ethylene) (OPE) 분자와 모양이 구형이면서 최외각 둘레에 다양한 기능기을 부착할 수 있는 덴드리머 분자를 Au(111) 기판에 자기조립하였으며, scanning probe microscopy(SPM)을 이용하여 자기조립된 단분자에 ...

본 연구에서는 분자전선이라고 일컬어지는 oligo(phenylene-ethylene) (OPE) 분자와 모양이 구형이면서 최외각 둘레에 다양한 기능기을 부착할 수 있는 덴드리머 분자를 Au(111) 기판에 자기조립하였으며, scanning probe microscopy(SPM)을 이용하여 자기조립된 단분자에 대한 모포롤지와 전기적 특성을 각각 연구하였다. 또한 다공성 알루미나 박막을 형틀로 이용하여 나노와이어, 나노돗 어레이, 나노튜브 어레이등과 같은 나노구조물 제작에 응용하였다.
본 연구에서 얻어진 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 세 가지 길이가 다른 octanethiol(C8), decanethiol(C10), 그리고 dodecanethiol(C12) 메트릭스 SAM에 주입된 nitro기가 치환된 OPE 단분자의 전도성 스위칭(conductance switching or conformational change)을 scanning tunneling microscopy(STM)로 관찰하였다. OPE 단분자의 전도성 스위칭은 C8 SAM의 low-density stripped phase와 C10과 C12 SAM의 high-density standing up phase에서 반복적으로 관찰되었다. C8, C10, 그리고 C12 SAM 메트릭스와 OPE 단분자의 높이 차이는 각각 11.9, 4.8, 그리고 4.2 Å으로 측정 되었다. OPE 단분자의 I-V 특성으로서 부성미분저항이 +1.7 V부근에서 재현성 있게 관찰되었다.
(2) Pt 금속이온이 착체된 덴드리머 분자를 Au(111) 기판에 자기조립하고 그 모폴로지를 tapping-mode AFM으로 측정하여 기판위에서 단분자의 실제 모폴로지가 평탄한 돔 모양으로 되어 있다는 것을 관찰하였다. 측정된 덴드리머의 지름과 높이는 각각 15.6 nm와 1.2 nm로 측정되었다. STS을 이용하여 덴드리머 단분자의 I-V특성을 측정하였는데, 전류가 ±1 V에서 대칭적으로 증가하는 경우와 +2 V에서만 전류가 비대칭적으로 증가하는 두 가지 경향성이 나타났다. 이러한 결과는 기판에서 납작하게 펼쳐진 덴드리머 단분자 위에 고정되는 STM-tip의 위치에 의한 차이로 생각된다.
(3) 다공성 알루미나 박막을 형틀로 이용하여 모양과 크기가 수십 nm에서 균질한 실버 나노와이어, 골드 나노돗 어레이, 그리고 골드 나노튜브 어레이를 제작하고 그것들의 구조적 특성과 성분을 전계 방출형 전자현미경, tapping-mode AFM, 그리고 에너지 분산형 X-선 측정기등을 이용하여 분석하였다.

이상과 같은 나노스케일에서의 단분자의 측정 및 나노구조물 제작에 관한 본 연구결과는 장래의 분자전자소자 개발을 위해 널리 활용될 것으로 기대된다.

본 연구에서는 기판에 자기조립된 단분자가 가지는 고유한 크기와 모양 그리고 전기적 특성을 원자현미경으로 관찰하였고, 다공성 알루미나 박막을 이용하여 수십nm의 균질한 크기와 모양을 가지는 나노구조물들을 제작하였다. 본 연구에서 얻어진 연구성과는 다음과 같다 ...

본 연구에서는 기판에 자기조립된 단분자가 가지는 고유한 크기와 모양 그리고 전기적 특성을 원자현미경으로 관찰하였고, 다공성 알루미나 박막을 이용하여 수십nm의 균질한 크기와 모양을 가지는 나노구조물들을 제작하였다. 본 연구에서 얻어진 연구성과는 다음과 같다.
(1) 길이가 다른 세 가지 C8, C10, 그리고 C12 메트릭스 SAM에 주입된 OPE 단분자의 전도성 스위칭 현상이 scanning tunneling microscopy(STM)으로 재현성 있게 관찰되었고 각각의 메트릭스 SAM에 주입된 OPE 단분자의 높이 차이를 각각 11.9, 4.8, 그리고 4.2 Å으로 측정 되었다. OPE 단분자의 I-V 특성으로서 부성미분저항(NDR, negative differential resistance)이 +1.7 V부근에서 나타났다.
(2) Pt 금속이온이 착체된 덴드리머 분자를 Au (111) 기판에 자기조립하고 그 모폴로지(morphology)를 tapping-mode AFM(TM-AFM)으로 측정하여 딱딱한 기판(solid substrate)위에서 단분자의 실제 모폴로지가 평탄한 돔(dom) 모양으로 되어 있다는 것을 관찰하였다. 측정된 덴드리머의 지름과 높이는 각각 15.6 nm와 1.2 nm로 측정되었다. 이러한 값으로부터 계산된 덴드리머 단분자의 부피는 약 116 nm3이었다. STS을 이용하여 덴드리머 단분자의 I-V특성을 측정하였는데, 전류가 ±1 V에서 대칭적으로 증가하는 경우와 +2 V에서만 전류가 비대칭적으로 증가하는 두 가지 경향성이 나타났다. 이러한 결과는 기판에서 납작하게 펼쳐진 덴드리머 단분자 위에 고정되는 STM-tip의 위치에 의한 차이로 생각된다.
(3) 다공성 알루미나 박막을 형틀(template)로 이용하여 모양과 크기가 수십 nm에서 균질한 실버 나노 와이어, 골드 나노 돗 어레이, 그리고 골드 나노 튜브 어레이를 제작하고 그것들의 구조적 특성과 성분을 전계 방출형 전자현미경(FE-SEM), TM-AFM, 그리고 에너지 분산형 X-선 측정기(EDS)등을 이용하여 분석하였다.

이상과 같이 본 연구에서 얻어진 기술은 단분자를 제작하고 측정하는 기술과 자가발생한 나노구조(self-organized nanostructure)를 이용하여 나노스케일의 구조물을 제작하는 기술 등이다.
먼저 단분자를 제작하고 측정하는 기술은 1980년대 이후 원자 현미경의 발달과 다양한 분자합성 기술의 발달에 의해 가능해진 기술이다. 전자소자의 축소화(miniaturization)를 위한 기존의 top down 방식은 기술적인 한계에 다다를 것으로 예상되고 있다. 이에 반해 원자나 분자를 조립하면서 원하는 구조를 만들고 그 구조를 이용하여 필요한 소자로 응용하고자하는 bottom up 방식에 의한 나노전자소자 기술은 90년대 이후 새로운 패러다임으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 bottom up 방식으로 제작된 단분자 샘플이 인가된 전기장 하에서 스위칭 거동을 하는 현상을 원자 현미경을 이용해서 관찰하였다. 원자현미경을 이용하여 원자나 분자의 위치를 제어하는 연구는 미국, 일본, 유럽 등 선진국에서 주도적으로 진행되고 있지만 국내의 보고는 미비한 수준이다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 단분자 조립기술과 단분자의 측정기술이 국내에 보급될 것이고, 단분자를 이용하여 스위칭 소자를 제작하고 원자현미경을 이용하여 단분자의 모폴로지와 전기적 특성을 측정하는 이러한 연구는 국소적인 영역에서 단분자의 위치를 제어하거나 조립하기 위한 기술로 발전이 가능하므로 현재의 기술 수준을 보완하여 미래의 분자전자소자(molecular electronics)실현을 위해 적극 활용될 것이다.
다공성 알루미나 박막을 형틀(template)로 이용하여 모양과 크기가 수십 nm에서 균질한 나노와이어, 나노 돗 어레이, 그리고 나노 튜브 어레이를 제작하는 기술은 나노가스센서나 나노바이오센서와 같은 나노전자소자 등에 응용할 것이다. 가스센서는 감지도(sensitivity)와 선택성(selectivity)을 높이기 위해 나노선이나 나노 돗으로 이루어진 나노가스센서가 유리하다. 본 연구에서 얻어진 결과는 ZnO, SnO2, WO3 나노와이어와 같은 금속 산화물 나노와이어를 제작하는데 이용될 것이다. 금속 산화물 나노와이어를 이용한 연구는 국내외에서 많이 진행되고 있으나, 제작된 나노구조물이나 소자의 재현성이 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제는 나노영역에서 크기와 모양이 균질한 금속 산화물 나노와이어를 제작하여 소자로 이용된다면 상당부분 해결될 것으로 예상되고 있다. 따라서 향후 연구결과 활용방안 및 계획으로서 기상증착법이나 화학기상증착법 등으로 크기와 모양이 균질한 금속 산화물 나노와이어를 제작하여 나노가스센서나 나노바이오센서와 같은 나노전자소자를 제작한다면 재현성 확보가 높다는 것에서 기존의 연구와 차별성이 증대될 것으로 기대된다.