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ZnO 나노와이어로 작동되는 새로운 ....

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하향 및 상향 잔존 분극을 가진 Pb(Zr0.3Ti0.7)O3 (PZT)와 같은 강유전체는 게이트 유전체로서 비-휘발성 강유전 전계 효과 메모리에 사용되었다. 또한 PZT는 초전기체인데, 이것은 분극 성질을 온도로 변화시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이런 특성에 영감을 얻어서, 대만 연구진은 PZT 위에 단일 ZnO 나노와이어 전계 효과 트랜지스터를 제조했다. 연구팀은 단일 ZnO 나노와이어 속의 드레인 전류가 게이트 유전체로서 PZT를 사용할 수 있도록 광열 게이팅 메커니즘(optothermal gating mechanism)이 조절될 수 있다는 것을 발견했다. 또한 연구진은 83kV/m의 드레인 전계에서 분극 이하일 경우에 25 nA/mW의 최대 전류 감도를 달성했는데, 이것은 SiO2/Si 기판 구조 위의 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 포토게이트(photogate) 트랜지스터일 경우의 50 kV/m의 드레인 필드(drain field)에서 일반적인 20nA/W보다 약 3배 더 높다는 것을 보여준다. 

1064nm의 파장을 가진 적외선 레이저는 광열원으로서 사용되었다. ZnO 나노와이어의 드레인 전류는 PZT 기판의 분극 방향에 따라서 적외선 조사에 의해 증가되거나 감소될 수 있었다. 예를 들어, 그림에서 보는 것처럼, n-형 ZnO 나노와이어가 분극을 가진 PZT 기질 위에 놓일 때, PZT 표면 위의 구속 양전하(bound positive charge)는 ZnO 나노와이어의 전자 캐리어를 끌어당긴다. PZT가 적외선 레이저에 의해 조사될 때, 온도 증가는 재료의 분극을 감소시켰고 나노와이어 근처의 구속 양전하의 밀도를 감소시켰다. 결과적으로, ZnO 나노와이의 전자 캐리어 농도는 감소된 드레인 전류를 초래하면서 감소했다. 반대로, 분극 이하에서의 PZT 위의 적외선 조사는 분극과 나노와이어 근처의 구속 음전하 밀도를 감소시켰다. 결국, ZnO 나노와이어의 전자 캐리어 농도는 증가하였고 따라서 드레인 전류가 증가하였다. 

더 긴 ZnO 나노와이어를 제조하기 위해서, 이번 연구에서 사용된 ZnO 나노와이어는 열수(hydrothermal) 및 기체-고체 방법에 의해 성장되었다. Zn 시드(seed) 층은 스퍼터링 시스템을 사용해서 사파이어 기질의 옆면 위에 증착되었다. 시드 층의 두께는 약 150nm였다. 그 후에 연구진은 4 시간 동안 90℃에서 0.05M의 C6H12N4(헥사메틸렌테트라민)의 수용액과 0.05 m의 Zn(NO3)2D6H2O를 혼합함으로써 Zn 코팅된 사파이어 기질 위에 ZnO 나노와이어를 성장시켰다. 그 후에, 미리 제조된 샘플은 기체-고체 방법을 통해 성장되었다. ZnO 나노와이어/사파이어 기질은 고순도의 Zn 분말(99.99%)을 탑재한 알루미나 보트(boat)의 상부에 놓였다. 

레이저가 자외선의 영역일 경우에, 광전류가 ZnO 속에서 생성될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 결국, 자외선 범위의 광전류 반응과 적외선 범위에서의 광열 게이팅 효과를 결합하는 것은 나노크기 광전자 장치에 적용될 수 있는 가능성을 높인다. 장치의 광열 특성은 원격 또는 무선 적용에 특히 적합하다. 

이 연구는 국립 타이완 대학(National Taiwan University)과 드렉셀 대학(Drexel University)의 연구진에 의해 수행되었다. 이 연구에서는 National Science Council of Taiwan(NSC 99-2119-m-002-019-MY3)과 Ministry of Education of the Republic of China(10R80908-03)에 의해서 자금이 지원되었다. 연구진은 화합물 양자점, 플라즈몬, 포토닉스 결정, 반도체의 제조 및 특성 평가를 수행하고 있다. 또한 연구진은 나노결정 및 압전 재료의 콜로이드 처리와 생의학 및 전자장치에 이것의 적용을 조사하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Single ZnO nanowire?PZT optothermal field effect transistors”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/23/35/355201). 

그림 1. 테스트 중인 ZnO-PZT 전계효과 트랜지스터. 
그림 2. 서로 다른 전원의 레이저를 적용할 때, (a) 하향과 (b) 상향 분극을 가진 ZnO-PZT 트랜지스터의 드레인 전압의 함수로서의 드레인 전류. 
그림 3. 325 nm의 파장의 자외선 레이저와 적외선 조사 하에서 상향의 분극을 가진 ZnO-PZT 트랜지스터의 드레인 전압의 함수로서의 드레인 전류. 드레인 전류는 입사 자외선과 적외선 레이저의 전원을 각각 또는 동시에 변화시킴으로써 쉽게 조절될 수 있다. [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2013-04-04 22:11:44 Free Board에서 이동 됨]

Comments (1)

Barbara 23-02-12 19:08
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