나노와이어

나노와이어는 나노미터(10m) 수준의⁻⁹ 직경을 가진 와이어 형태의 나노구조입니다.보다 일반적으로 나노와이어는 두께 또는 직경이 수십 나노미터 이하로 제한되고 길이가 제한되지 않는 구조로 정의할 수 있습니다.이러한 척도에서 양자 역학적 효과는 "양자 와이어"라는 용어를 만든 중요한 요소입니다.

초전도(예: YBCO^[1]), 금속(예: Ni, Pt, Au, Ag), 반도체(예: 실리콘 나노와이어), InP, GaN 및 절연(예: SiO₂, TiO₂) 등 다양한 유형의 나노와이어가 존재합니다.

분자 나노와이어는 유기(예: DNA) 또는 무기(예: MoSI₆_9−x_x)를 반복하는 분자 단위로 구성됩니다.

특성.

단벽 카본나노튜브(튜브 직경~1nm)^[2] 내에서 성장한 결정성 2×2원자 주석 셀레나이드 나노와이어.

SWCNT의 중앙 구멍에 내장된 HgTe 극한 나노와이어의 노이즈 필터 HRTEM 이미지.이미지에는 결정 구조의^[3] 시뮬레이션도 포함되어 있습니다.

일반적인 나노배선은 애스펙트비(길이 대 폭비)가 1000 이상입니다.따라서 흔히 1차원(1-D) 재료라고 합니다.나노와이어는 벌크나 3차원(3차원) 물질에서는 볼 수 없는 많은 흥미로운 성질을 가지고 있습니다.이것은 나노와이어의 전자가 양자에 의해 좌우로 제한되기 때문에 벌크 물질에서 볼 수 있는 기존의 에너지 수준 또는 대역의 연속체와는 다른 에너지 수준을 차지하기 때문이다.

특정 나노와이어에 의해 나타나는 이 양자 구속의 특이한 특징은 전기 전도성의 이산값으로 나타난다.이러한 이산값은 나노미터 눈금으로 와이어를 통과할 수 있는 전자의 수에 대한 양자역학적인 제한에서 발생합니다.이 이산값들은 종종 전도성의 양자라고 불리며, 다음의 정수배수이다.

{2e^{2}}{h}}\simeq 77.41\;\mu S

이들은 잘 알려진 저항 단위 h/e의² 역수로, 대략 25812.8옴과 동일하며 폰 클리칭 상수_K R(정확한 양자화의 발견자인 클라우스 폰 클리칭의 이름을 따옴)이라고 합니다.1990년 이후 고정규약값_K-90 R을 받아들인다.^[4]

나노와이어의 예로는 직경이 0.9nm이고 길이가 수백 마이크로미터인 무기 분자 나노와이어(MoSI₆_9−x_x, LiMoSe₂₆₆)가 있다.기타 중요한 예는 InP, Si, GaN 등의 반도체, 유전체(예: SiO₂, TiO₂) 또는 금속(예: Ni, Pt)을 기반으로 한다.

나노와이어가 전자, 광전자 및 나노전자공학 디바이스, 고급 복합재료 첨가제, 나노스케일 양자 디바이스의 금속 인터커넥트, 필드 이미터 및 생체 분자 나노센서의 리드로서 중요해질 수 있는 많은 응용 분야가 있습니다.

합성

촉매금 나노입자에서 성장한 에피택셜 나노와이어 헤테로 구조의 SEM 이미지

나노와이어를 합성하는 방법에는 하향식과 상향식의 두 가지 기본적인 방법이 있습니다.하향식 접근법은 리소그래피,^[5]^[6] 밀링 또는 열산화 등 다양한 방법으로 큰 재료를 작은 조각으로 줄입니다.보텀업 어프로치는 구성 아다툼을 조합하여 나노와이어를 합성한다.대부분의 합성 기법은 상향식 접근법을 사용한다.두 가지 방법을 통한 초기 합성에는 종종 나노와이어 열처리 단계가 뒤따를 수 있으며,^[7] 종종 구조의 크기와 석면비를 미세하게 조정하기 위해 자기 제한 산화의 형태를 수반합니다.

나노와이어 생산은 현탁액, 전기화학 증착, 증기 증착, VLS 증식 등 몇 가지 일반적인 실험실 기술을 사용합니다.이온 트랙 기술을 통해 직경 8nm까지 균일한 세그먼트 나노와이어를 확장할 수 있습니다.나노와이어 산화율은 직경으로 제어되기 때문에 형태학을 조정하기 위해 열산화 공정을 적용하는 경우가 많다.

서스펜션

현수 나노와이어는 종단에 유지되는 고진공 챔버에서 생성되는 와이어이다.현탁 나노와이어는 다음 방법으로 제조할 수 있습니다.

큰 와이어의 화학적 식각
일반적으로 고에너지 이온으로 이루어진 대형 와이어의 충격
STM의 선단부를 융점 부근의 금속 표면에 삽입하여 수축시키는 방법

VLS의 증가

나노와이어를 만드는 일반적인 기술은 증기-액체-고체법(VLS)으로, Wagner와 Ellis가 1964년 수백 nm에서 수백 ^[8]µm의 직경을 가진 실리콘 수염에 대해 처음 보고했습니다.이 공정은 많은 반도체 재료의 고품질 결정성 나노와이어를 생산할 수 있습니다. 예를 들어 표면이 매끄러운 VLS 성장 단일 결정성 실리콘 나노와이어(SiNW)는 매우 큰 ^[9]탄성과 같은 뛰어난 특성을 가질 수 있습니다.이 방법은 레이저 압출 입자 또는 공급 가스(예: 실란)의 원료를 사용합니다.

VLS 합성에는 촉매가 필요합니다.나노와이어의 경우, 최적의 촉매는 액체 금속(금 등) 나노클러스터입니다.이 나노클러스터는 박막에서 이슬팅으로 자가조립하거나 콜로이드 형태로 구입하여 기판 위에 증착할 수 있습니다.

소스가 나노클러스터에 들어가 포화되기 시작합니다.과포화 상태에 이르면, 선원은 응고해, 나노 클러스터로부터 바깥쪽으로 성장합니다.전원을 끄는 것만으로 나노와이어의 최종 길이를 조정할 수 있습니다.성장 단계에 있는 동안 소스를 바꾸면 교대 물질의 초격자를 가진 복합 나노와이어를 만들 수 있습니다.예를 들어 UNC-Chapel Hill의 Cahoon Lab이 개발한 PRINGVE(인코딩 나노와이어 GROWth 및 VLS 및 에칭에 ^[10]의한 외관)라는 방법은 빠른 현장 도판트 변조를 통해 나노미터 규모의 형태학적 제어를 가능하게 한다.

고온에서의 단단계 증기상 반응은 MoSI와₆_9−x_x 같은 무기 나노와이어를 합성한다.다른 관점에서 보면, 그러한 나노와이어는 클러스터 폴리머입니다.

VLS 합성과 마찬가지로 나노와이어(NW)의 VSS(증기-고체) 합성은 실리콘 전구체(일반적으로 페닐실란)의 열분해로 진행됩니다.VLS와 달리 촉매시드는 기판의 고온 아닐 시 고체 상태를 유지한다.이러한 유형의 합성은 구리 기판과 실리콘/게르마늄 전구체 사이의 VSS 합금을 통해 금속 실리사이드/게르마니드 나노와이어를 합성하는 데 널리 사용된다.

용액상합성

용액상 합성은 용액 속에서 나노와이어를 성장시키는 기술을 말한다.그들은 많은 종류의 물질을 가진 나노와이어를 생산할 수 있다.용액상 합성은 다른 방법에 비해 매우 많은 양을 생산할 수 있다는 장점이 있다.하나의 기술에서는 폴리올 합성, 에틸렌 글리콜은 용매이면서 환원제이다.이 기술은 특히 금,^[11] 납, 백금 및 은 나노와이어를 생산하는 데 다재다능합니다.

초임계 유체-액체-고체 성장법은^[12]^[13] 반도체 나노와이어(예: Si 및 Ge)를 합성하는 데 사용할 수 있다.금속 나노결정체를 ^[14]종자로 하여 Si 및 Ge 유기금속 전구체를 톨루엔 등의 초임계 유기용매로 충전된 리액터에 공급한다.열분해는 전구체를 분해하여 Si 또는 Ge를 방출하고 금속 나노 결정체로 용해시킵니다.초임계상으로부터 반도체 용질이 많이 첨가되면(농도 구배에 의해), 고체 결정체가 침전되어 나노 결정체로부터 일축으로 성장한다.

비촉매 성장

CuO 나노와이어 성장 현장 관찰

나노와이어는 촉매의 도움 없이 재배할 수 있어 순수 나노와이어의 장점을 제공하고 기술 단계 수를 최소화합니다.금속 산화물 나노와이어를 얻는 가장 간단한 방법은 배터리로 가열되는 금속 와이어와 같은 일반적인 금속 가열 방법을 가정에서 쉽게 수행할^[15] 수 있습니다.나노와이어 형성 메커니즘의 대부분은 나노와이어 성장을 촉진하는 촉매 나노입자를 사용하여 설명되며, 나노와이어 성장 과정에서 의도적으로 첨가되거나 생성된다.그러나 나노와이어(또는 수염)의 무촉매 성장을 위한 메커니즘은 1950년대부터 ^[16]알려져 있었다.비촉매법에 의한 자발적인 나노와이어 형성은 특정 방향으로^[17]^[18] 존재하는 전위 또는 다양한 결정면의 성장 이방성에 의해 설명되었다.최근에는 현미경의 진보 후 나사 전위^[19]^[20] 또는 트윈^[21] 경계에 의한 나노와이어 성장이 입증되었습니다.오른쪽 사진은 나노와이어의 비촉매 합성 중 현장 TEM 현미경으로 관찰된 CuO 나노와이어 끝의 단일 원자층 성장을 보여준다.

DNA템플릿금속나노와이어합성

새로운 분야는 금속 나노와이어 합성을 위한 발판으로 DNA 가닥을 사용하는 것이다.이 방법은 전자 부품에서 금속 나노와이어의 합성과 전기적으로 검출할 수 있는 금속 나노와이어로의 DNA 가닥의 변환을 가능하게 하는 바이오센싱 응용 모두에서 연구된다.일반적으로, ssDNA 가닥은 늘어나며, 그 후 짧은 상보적인 ssDNA ^[22]^[23]^[24]^[25]가닥으로 기능화된 금속 나노 입자로 장식된다.

균열 정의 그림자 마스크 리소그래피

기존의 광학 ^[26]리소그래피를 사용하여 정의된 기하학적 구조를 가진 나노와이어를 생산하는 간단한 방법이 최근 보고되었습니다.이 방법에서는 광학 리소그래피를 사용하여 제어된 균열 ^[27]형성을 사용하여 나노맵을 생성한다.이 나노캡은 정확한 길이와 폭을 가진 개별 나노와이어를 생성하기 위한 섀도 마스크로 사용됩니다.이 기술을 사용하면 여러 금속 및 금속 산화물 물질에서 확장 가능한 방식으로 폭이 20nm 이하인 개별 나노 와이어를 만들 수 있습니다.

물리

전도성

15마이크로미터 니켈 와이어의 SEM 이미지

여러 가지 물리적 이유로 나노와이어의 전도율이 해당 벌크 재료의 전도율보다 훨씬 낮을 것으로 예측됩니다.첫째, 와이어 경계로부터의 산란이 있으며, 와이어 폭이 벌크 물질의 자유 전자 평균 자유 경로보다 낮을 때마다 그 영향이 매우 커집니다.예를 들어 구리에서는 평균 자유 패스는 40 nm입니다.폭이 40 nm 미만인 구리 나노 와이어는 와이어 폭에 대한 평균 자유 경로를 단축합니다.은나노와이어는 벌크 ^[28]실버와는 전기 및 열전도율이 매우 다릅니다.

나노와이어는 또한 그 크기 때문에 다른 독특한 전기적 특성을 보인다.전자의 움직임이 탄도수송(전자가 한 전극에서 다른 전극으로 자유롭게 이동할 수 있음)의 상태에 놓일 수 있는 단벽 탄소 나노튜브와 달리 나노와이어 전도성은 가장자리 효과에 의해 강한 영향을 받습니다.가장자리 효과는 나노와이어 표면에 놓여 있는 원자로부터 발생하며 나노와이어의 대부분에 있는 원자처럼 인접 원자와 완전히 결합되지 않습니다.결합되지 않은 원자는 종종 나노와이어 내의 결함의 원인이 되며, 나노와이어가 벌크 물질보다 전기를 더 잘 전도하지 못하게 할 수 있습니다.나노와이어의 크기가 작아지면 나노와이어 내의 원자에 비해 표면 원자가 많아져 에지 효과가 더욱 중요해진다.

또한 전도도는 에너지 양자화를 거친다.즉, 나노와이어를 통과하는 전자의 에너지는 전도 양자 G=2e²/h의 배수인 이산값만을 가정할 수 있다(여기서 e는 전자의 전하, h는 플랑크 상수).Quantum Hall 효과도 참조하십시오.

따라서 전도도는 서로 다른 양자화된 에너지 수준의 개별 채널에 의한 전송의 합으로 설명됩니다.와이어가 얇을수록 전자 전송에 사용할 수 있는 채널 수는 줄어듭니다.

이 양자화는 2개의 전극 사이에 매달린 나노와이어를 당기는 동안 전도율을 측정함으로써 입증되었습니다.직경이 감소하면 전도율이 단계적으로 감소하며 고원은 G의 배수에 해당합니다.

Si나 GaAs와 같은 반도체는 전자 밀도가 낮고 유효 질량이 낮기 때문에 금속보다 전도성의 양자화가 더 두드러집니다.25nm 폭의 실리콘 핀에서 관찰할 수 있으며 임계값 전압이 증가합니다.이는 실질적으로 디지털 용도로 사용되는 나노 크기의 실리콘 핀을 가진 MOSFET가 트랜지스터를 ^[29]켜려면 더 높은 게이트(제어) 전압이 필요하다는 것을 의미합니다.

용접

나노와이어 기술을 산업 응용 분야에 도입하기 위해 연구자들은 2008년 나노와이어를 함께 용접하는 방법을 개발했다. 즉, 접합할 조각의 양 끝에 희생 금속 나노와이어를 배치한 후(스캔 전자 현미경의 조작기를 사용하여) 전류를 가하여 와이어 끝을 융합하는 것이다.이 기술은 10nm의 ^[30]작은 와이어를 융합합니다.

직경이 10nm 미만인 나노와이어의 경우 가열 메커니즘을 정밀하게 제어해야 하고 손상 가능성을 초래할 수 있는 기존 용접 기술은 실용적이지 않습니다.최근 과학자들은 직경이 3~10nm인 단결정 초박형 금 나노와이어를 기계적 접촉만으로 몇 초 안에 함께 "냉간 용접"할 수 있고 (매크로 및 마이크로 스케일 냉간 용접 ^[31]공정과 달리) 상당히 낮은 압력으로 용접할 수 있다는 것을 발견했습니다.고해상도 투과 전자 현미경 검사 및 현장 측정 결과, 나노와이어의 나머지 부분과 동일한 결정 방향, 강도 및 전기 전도성을 가진 용접부가 거의 완벽하다는 것을 알 수 있습니다.용접부의 높은 품질은 나노스케일 샘플 치수, 방향 부착 메커니즘 및 기계적으로 보조된 빠른 표면 확산에 기인합니다.나노와이어 용접은 금과 은, 은나노와이어(직경 5~15nm) 사이에서도 실온에 가까운 것으로 나타나 이 기술은 일반적으로 초박형 금속 나노와이어에 적용될 수 있습니다.냉간 용접은 다른 나노 및 미세 제작 ^[32]^[33]기술과 결합되어 향후 금속 1차원 나노 구조의 보텀업 조립에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

기계적 특성

응력-변형 곡선은 인장 계수, 항복 강도, 극한 인장 강도 및 파괴 강도를 포함한 모든 관련 기계적 특성을 제공합니다.

나노와이어 역학의 연구는 원자력 현미경(AFM)의 등장 이후 붐을 이루었으며, 가해진 ^[34]부하에 대한 나노와이어의 반응을 직접적으로 연구할 수 있게 된 관련 기술들이었다.구체적으로는, 한쪽 끝에서 나노와이어를 클램프 할 수 있어 프리엔드를 AFM 팁으로 치환할 수 있다.이 캔틸레버 기하학에서는 AFM의 높이를 정확하게 알 수 있으며 가해지는 힘을 정확하게 알 수 있습니다.이를 통해 힘 대 변위 곡선을 구성할 수 있으며, 나노와이어 치수가 알려진 경우 응력 대 변형률 곡선으로 변환할 수 있습니다.응력-변형 곡선에서 영률로 알려진 탄성 상수와 인성 및 변형 경화 정도를 도출할 수 있습니다.

영률

영률에 의해 기술된 응력-변형 곡선의 탄성 성분은 나노와이어에 대해 보고되었지만, 그 탄성 성분은 미세 구조에 매우 강하게 의존합니다.따라서 직경에 의존하는 계수에 대한 완전한 설명은 부족하다.해석적으로 E $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ [ $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ + $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ ( $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ / $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ - $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ ) ( $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ s / $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ - $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ s $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ / $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ ) $]{$ $display$ = $E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1_R})$ 의 직경의 $E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]$ 을 추정하기 위해 연속체 역학을 적용하였다. $r_{s}$ s $r_{s}$ {\ $displaystyle r_{s$ }}는 $r_{s}$ 셸층의 두께로 계수는 표면에 의존하며 벌크에서 $E{s}$ 하며 E $E{s}$ {\ $displaystyle$ E ${s}$ 는 $E{s}$ 표면 계수, $D$ {\ $displaystyle$ D $}$ 는 $D$ ^[34]직경입니다.이 방정식은 지름이 감소함에 따라 계수가 증가함을 의미합니다.그러나 분자역학 등 다양한 계산방법은 지름이 감소함에 따라 계수도 감소해야 한다고 예측해 왔다.

실험적으로 금 나노와이어는 효과적으로 직경에 ^[35]의존하지 않는 영 계수를 갖는 것으로 나타났다.마찬가지로, nano-indentation 은 나노 와이어의 탄성 계수이고 공부하고, 다시 탄성 계수 되기 위해 88GPa, 매우 대량 실버의 이 작품들(85GPa)[36]은 탄성 계수에는 분석적으로 결정했다 탄성률 의존이 결정질 구조 높은resembl 도선 샘플에서 억제할 것처럼 보이는지를 설명했다 발견됬다.에스벌크 시스템의 그것.

이와는 대조적으로, Si 고체 나노와이어가 연구되었고, 직경의 감소^[37] 계수를 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 이 연구의 저자들은 부피 값의 절반인 Si 계수를 보고했습니다. 그리고 그들은 점 결함의 밀도, 또는 화학 화학 이론의 손실이 이 차이를 설명할 수 있다고 제안합니다.

항복 강도

응력 변형률 곡선의 플라스틱 성분(또는 보다 정확하게는 소성 시작)은 항복 강도로 설명됩니다.고체의 부피가 감소하는 나노 물질에서 자연적으로 발생하는 고체의 결함 수를 줄임으로써 물질의 강도를 증가시킨다.나노와이어가 원자의 단일 선으로 축소됨에 따라 이론적으로 강도가 분자 인장 ^[34]강도까지 증가해야 합니다.금 나노와이어는 항복 강도가 극단적으로 증가하여 이론적인 값인 E/^[35]10에 근접하여 '초고강도'로 표현되어 왔습니다.이 같은 수익률의 큰 증가는 고체 내 전위 부족에 따른 것으로 판단된다.전위 운동 없이 '전위-기아' 메커니즘이 작동합니다.따라서 재료는 전위운동이 가능하기 전에 큰 응력을 받을 수 있으며, 그 후 변형경화되기 시작합니다.이러한 이유로 나노와이어(역사적으로 '수염'이라고 칭함)는 ^[34]재료의 전반적인 강도를 높이기 위해 복합 재료에 광범위하게 사용되어 왔습니다.또한 나노와이어는 MEMS 또는 NEMS 분야의 새로운 장치로 강화된 기계적 특성을 변환하는 것을 목표로 연구가 활발히 진행되고 있다.

적용들

전자 기기

나노와이어 MOSFET에서의 반전채널(전자밀도) 형성 및 역치전압(IV) 달성을 위한 원자론적 시뮬레이션 결과.이 장치의 임계값 전압은 약 0.45V입니다.

나노와이어는 MOSFET(MOS 전계효과 트랜지스터)에 사용할 수 있습니다.MOS 트랜지스터는 오늘날 전자회로의 ^[38]^[39]기본 구성 요소로 널리 사용됩니다.무어의 법칙이 예측한 대로 MOS 트랜지스터의 치수는 점점 더 작아지고 있다.미래의 나노스케일 MOS 트랜지스터를 구축하는 데 있어 중요한 과제 중 하나는 채널에 대한 게이트 제어를 확실하게 하는 것입니다.높은 석면비로 인해 게이트 유전체가 나노와이어 채널을 감싸면 채널 정전위 제어를 잘 할 수 있어 트랜지스터를 효율적으로 켜고 끌 수 있다.

나노와이어는 광학적 특성이 뛰어난 독특한 1차원 구조로 인해 고효율 태양광 발전 ^[40]소자를 실현할 수 있는 새로운 기회도 제공합니다.나노와이어 태양전지는 벌크 재조합에 의한 불순물에 대한 감도가 낮아 순도가 낮은 실리콘 웨이퍼를 사용하여 허용 효율을 달성할 수 있어 재료 ^[41]소비량을 줄일 수 있다.

능동적인 전자 소자를 만들기 위해 첫 번째 단계는 반도체 나노와이어를 화학적으로 도핑하는 것이었다.이는 이미 개별 나노와이어에 p형과 n형 반도체를 만들기 위한 것이다.

다음 단계는 가장 단순한 전자 장치 중 하나인 p-n 접합을 만드는 방법을 찾는 것이었습니다.이것은 두 가지 방법으로 달성되었다.첫 번째 방법은 n형 와이어를 통해 p형 와이어를 물리적으로 교차시키는 것이었습니다.두 번째 방법은 도판트가 다른 단일 와이어를 길이에 따라 화학적으로 도핑하는 것이었습니다.이 방법에서는 와이어가 1개뿐인 p-n 접점이 작성되었습니다.

p-n 접합부가 나노와이어로 구축된 후, 다음 논리적 단계는 논리 게이트를 구축하는 것이었습니다.여러 개의 p-n 접합부를 서로 연결함으로써 연구자들은 모든 논리회로의 기초를 만들 수 있었습니다. 즉, AND, OR 및 NOT 게이트는 모두 반도체 나노와이어 교차로 구축되었습니다.

2012년 8월, 연구자들은 최초의 비도프 실리콘 나노와이어로 NAND 게이트를 건설하는 것을 보고했습니다.이를 통해 상보적인 나노회로의 정밀도핑이 어떻게 이뤄지느냐는 문제가 해결되지 않는다.그들은 금속-실리콘 ^[42]계면에 실리사이드 층을 배치함으로써 저저항 접점을 얻기 위해 숏키 장벽을 제어할 수 있었다.

반도체 나노와이어 교차가 디지털 컴퓨팅의 미래에 중요해질 가능성이 있다.나노와이어의 용도는 이것들 외에도 있지만, 나노미터 시스템의 물리학을 실제로 이용하는 ^[43]것은 전자제품뿐입니다.

또한 나노와이어는 양자 도트/양자 효과 웰 광자 논리 어레이의 상호 연결로서 광자 탄도 도파관으로 사용하기 위해 연구되고 있다.광자는 튜브 안쪽으로 이동하고 전자는 바깥 껍질로 이동합니다.

광자 도파관 역할을 하는 두 나노와이어가 서로 교차할 때 접합부는 양자점 역할을 한다.

나노와이어를 전도하는 것은 분자 컴퓨터에서 분자 규모의 실체를 연결할 수 있는 가능성을 제공한다.플렉시블 평면 디스플레이용 투명 전극으로 사용하기 위해 서로 다른 폴리머에 전도성 나노와이어의 분산이 연구되고 있다.

높은 영 모듈리 때문에 기계적으로 강화된 복합 재료에 대한 사용이 조사되고 있습니다.나노와이어는 다발로 나타나기 때문에 마찰 특성 및 전자 변환기 및 액추에이터의 신뢰성을 개선하기 위해 트라이볼러지 첨가제로 사용될 수 있습니다.

나노와이어는 높은 석면비 때문에 유전영동 ^[44]^[45]^[46]조작에도 독특하게 적합하며, UV, 수증기, 에탄올 ^[47]센서와 같은 전자 장치에 부유 유전체 금속 산화물 나노와이어를 통합하는 저비용 상향식 접근법을 제공합니다.

표면 대 체적비가 크기 때문에 나노와이어 표면에서 물리-화학적 반응이 좋은 것으로 보고되었다.이로 인해 플라즈마 ^[48]환경과 같은 특정 처리 조건 하에서 일부 나노와이어에서 열화 메커니즘이 작동하기 쉬워질 수 있습니다.

가스 및 화학적 감지용 단일 나노와이어 장치

앞서 설명한 바와 같이 나노와이어의 석면비가 높기 때문에 이 나노구조는 궁극의 감도를 가진 전기화학적 감지에 적합하다.상업용 제품에 나노와이어를 사용하는 데 있어서의 과제 중 하나는, 종래의 수동 픽 앤 플레이스 어프로치를 사용할 때의 전기 회로에서의 나노와이어의 분리, 취급, 집적화에 관련하고 있기 때문에, throughput이 매우 한정되어 있습니다.나노와이어 합성 방법의 최근 발전은 이제 전기화학, 광자학, 가스 및 바이오센싱에 ^[26]유용한 응용 분야를 가진 단일 나노와이어 소자의 병렬 생산을 가능하게 한다.

나노와이어 레이저

나노와이어 레이저로 광펄스로 정보를 초고속 전송

나노와이어 레이저는 나노스케일 레이저로 광인터커넥트 및 광데이터 통신 칩으로 잠재력이 있다.나노와이어 레이저는 III-V 반도체 헤테로 구조에서 제작되며, 높은 굴절률로 나노와이어 코어의 광학 손실을 줄일 수 있습니다.나노와이어 레이저는 수백 나노미터에 ^[49]^[50]불과한 아파장 레이저입니다.나노와이어 레이저는 높은 반사율을 가진 와이어의 엔드패스에 의해 정의되는 Fabry-Perot 공진기 공동입니다.최근 개발에서는 200GHz 이상의 반복률이 실현되어 광칩 ^[51]^[52]레벨의 통신이 가능하게 되었습니다.

반도체 나노와이어를 이용한 단백질 및 화학물질 감지

입력(소스) 단자와 출력(드레인) 단자 사이의 반도체 내 컨덕턴스 변조(전자/공의 흐름)가 디바이스 전도 채널 내 전하 캐리어의 정전위 변화(게이트 전극)에 의해 제어되는 FET 디바이스와 마찬가지로 바이오/화학-FET의 방법론을 기반으로 한다.표적 분자와 표면 수용체 사이의 인식 이벤트를 특징짓는 전하 밀도의 국소 변화, 또는 소위 "전계 효과"의 검출에 관한 것이다.

이러한 표면 전위의 변화는 Chem-FET 장치에 '게이트' 전압과 정확히 같은 영향을 미치므로 장치 전도에 감지 가능하고 측정 가능한 변화가 발생합니다.반도체 나노와이어를 트랜지스터 소자로 사용하여 제조할 경우, 화학적 또는 생물학적 종이 센서 표면에 결합하면 나노 직경 나노와이어의 "벌크"에 전하 캐리어가 고갈되거나 축적될 수 있습니다(전도 채널에 사용 가능한 작은 단면).또, 조정 가능한 도통로가 되는 와이어는 타겟의 센싱 환경과 밀접하게 접촉해, 응답 시간이 짧아지고, 나노와이어의 S/V비가 커지기 때문에, 디바이스의 감도가 큰폭으로 상승한다.

나노와이어의 제조에는 Si, Ge 및 금속산화물(InO₂₃, SnO₂, ZnO 등)과 같은 여러 무기 반도체 재료가 사용되었지만, 일반적으로 나노와이어 FET 기반의 화학/바이오센서를 ^[53]제작할 때는 Si가 선택 소재입니다.

실리콘나노와이어(SiNW) 센싱 디바이스의 사용 예로는 암용 바이오마커 단백질의 초민감 실시간 센싱, 단일 바이러스 입자의 검출 및 이들 ^[54]캐닌보다 뛰어난 2,4,6 Tri-니트로톨루엔(TNT) 등의 니트로방향 폭발물질의 검출이 있다.실리콘 나노와이어는 또한 분자간 힘을 매우 ^[55]정밀하게 측정하기 위해 전기 기계 장치로서 비틀린 형태로 사용될 수 있습니다.

실리콘 나노와이어 FET 소자에서의 감지 한계

일반적으로 용해된 분자와 고분자에 대한 전하를 용해된 반대방향으로 선별하는데, 이는 대부분의 경우 장치에 결합된 분자가 센서 표면에서 약 2~12nm(수용체 단백질 또는 센서 표면에 결합된 DNA 링커의 크기)만큼 떨어져 있기 때문이다.스크리닝 결과, 분석물 분자의 전하로부터 발생하는 정전 전위는 거리에 따라 0을 향해 지수적으로 저하한다.따라서 최적의 감지를 위해 나노와이어 FET 측정을 위해 Debye 길이를 신중하게 선택해야 합니다.이 한계를 극복하기 위한 한 가지 접근법은 항체포착단위의 단편화와 표면수용체 밀도에 대한 제어를 사용하여 표적 단백질의 나노와이어에 보다 친밀한 결합을 가능하게 한다.이 접근방식은 급성 심근경색 ^[56]진단을 위해 혈청에서 직접 심장 바이오마커(예: 트로포닌) 검출의 민감도를 극적으로 향상시키는 데 유용했다.

기밀 TEM 샘플의 나노와이어 지원 전송

투과전자현미경(TEM) 샘플(라멜라, 박막 및 기타 기계 및 빔에 민감한 샘플)에 응력 및 굽힘을 최소로 도입하기 위해 집속이온빔(FIB) 내부에 전사할 때 플렉시블 금속 나노와이어를 전형적인 강성 마이크로모니퓰레이터에 장착할 수 있습니다.

이 방법의 주요 장점은 샘플 준비 시간을 대폭 단축하고(저빔 전류에서 나노와이어를 빠르게 용접 및 절단), 응력에 의한 굽힘, Pt 오염 및 이온빔 ^[57]손상을 최소화하는 것입니다.이 기법은 특히 현장 전자 현미경 검체 준비에 적합합니다.

옥수수 모양 나노와이어

옥수수 모양의 나노와이어는 표면에 서로 연결된 나노입자를 가진 1차원 나노와이어로 반응하는 면의 비율이 높다.TiO₂ 옥수수 모양 나노와이어는 2회 연속 열수연산을 통해 표면장력응력 메커니즘을 이용한 표면수정 개념으로 제조되었으며, 광산란층 ^[58]색소증감 태양전지 효율이 12% 증가하였다.화학욕 퇴적에 의해 성장한 CdSe 옥수수 모양 나노와이어와 자기 쌍극자 상호작용에 의해 유도되는 옥수수 모양 γ-FeO₂₃@SiO₂@TiO₂ 광촉매도 이전에 ^[59]^[60]보고되었다.

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반도체 나노와이어를 이용한 단백질 및 화학물질 감지

실리콘 나노와이어 FET 소자에서의 감지 한계

기밀 TEM 샘플의 나노와이어 지원 전송

옥수수 모양 나노와이어

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나노와이어

특성.

합성

서스펜션

VLS의 증가

용액상합성

비촉매 성장

DNA템플릿금속나노와이어합성

균열 정의 그림자 마스크 리소그래피

물리

전도성

용접

기계적 특성

영률

항복 강도

적용들

전자 기기

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나노와이어 레이저

반도체 나노와이어를 이용한 단백질 및 화학물질 감지

실리콘 나노와이어 FET 소자에서의 감지 한계

기밀 TEM 샘플의 나노와이어 지원 전송

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