KR101223233B1 - An integrated direct-band semiconductor nanowire on mechanical structures to facilitate measurement of structures displacement - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로/나노 역학 구조의 역학적 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 상용중인 마이크로/나노 역학 구조인 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)의 외부 스트레스나 환경변화에 따른 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반도체 나노선을 결합하여 외부 측정 장비인 레이져나 외부 광원이 필요없이 극미세 역학적 변위를 측정하는 변위측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도체 나노선을 역학구조에 결합시킴으로써 기존 역학 소자의 미세 변위 측정 시그널 크기 및 분해능의 변동을 최대한 줄임으로써 안정적인 측정 시그널과 분해능을 가질 수 있게 된다. 반도체 나노선의 특이 광학적 특성인 도파관 성질을 이용하게 되면 반도체 나노선의 끝단이 놓여있는 역학 소자의 특정 부분에만 광자가 방출되게 되어 복잡한 광학 정렬이 필요 없이 간단한 절차를 통하여 항상 동일한 분해능과 민감도를 가질 수 있게 된다.
이러한 특성을 이용한 반도체 나노선 역학 구조는 광학적 회절 한계를 뛰어 넘을 수 있으므로 역학적 소자의 크기를 반도체 나노선 크기만큼 줄일 수 있어 기존 시스템의 변위, 힘, 질량 민감도를 크게 향상 시킬 수 있다. 또한 크기가 작아짐에 따라 동역학적 반응이 커지게 역학 반응의 시간 분해능을 더욱 높일 수 있다.
또한 광결정 구조를 반도체 나노선 주위에 위치 시킴으로서 반도체 나노선의 광자 방출의 효율을 극대화 시키며 선택적으로 파장을 선택함으로서 역학소자의 기능성을 다양화시킬 수 있다. The present invention relates to a mechanical measurement technique of a micro / nano mechanics structure, and more particularly, to a micromechanical displacement caused by external stress or environmental change of a cantilever or beam, which is a conventional commercial micro / nano mechanics structure. The present invention relates to a displacement measuring method for measuring ultra-microdynamic displacements by combining semiconductor nanowires without measuring lasers or external light sources.
By combining the semiconductor nanowire according to the present invention to the dynamic structure, it is possible to have a stable measurement signal and resolution by minimizing fluctuations in the size and resolution of the micro displacement measurement signal of the existing dynamic device. By using the waveguide property, a specific optical property of semiconductor nanowires, photons are emitted only at a specific part of the dynamic device where the ends of semiconductor nanowires are located so that they can always have the same resolution and sensitivity through a simple procedure without the need for complicated optical alignment. do.
Since the semiconductor nanowire dynamic structure using these characteristics can exceed the optical diffraction limit, the size of the mechanical device can be reduced by the size of the semiconductor nanowire, thereby greatly improving the displacement, force, and mass sensitivity of the existing system. In addition, as the size decreases, the dynamic resolution of the kinetics can be further increased.
Also, by placing the photonic crystal structure around the semiconductor nanowires, the efficiency of photon emission of the semiconductor nanowires can be maximized and the wavelength can be selectively selected to diversify the functionality of the dynamic device.

Description

반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법{An integrated direct-band semiconductor nanowire on mechanical structures to facilitate measurement of structures displacement}An integrated direct-band semiconductor nanowire on mechanical structures to facilitate measurement of structures displacement}

본 발명은 마이크로/나노 역학 구조의 역학적 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 상용중인 마이크로/나노 역학 구조인 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)의 외부 스트레스나 환경변화에 따른 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반도체 나노선을 결합하여 외부 측정 장비인 레이져나 외부 광원이 필요없이 극미세 역학적 변위를 측정하는 변위측정방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a mechanical measurement technique of a micro / nano mechanics structure, and more particularly, to a micromechanical displacement caused by external stress or environmental change of a cantilever or beam, which is a conventional commercial micro / nano mechanics structure. The present invention relates to a displacement measuring method for measuring ultra-microdynamic displacements by combining semiconductor nanowires without measuring lasers or external light sources.

일반적으로, 마이크로/나노 영역에서 미세 힘이나 질량 그리고 표면을 관측하기 위해 마이크로/나노 역학 구조가 사용되고 있다. 이러한 역학 구조의 미세 변위를 측정하기 위하여 사용하는 방법에는 외부 광원이나 레이저를 이용하여 역학구조의 표면에서 반사되는 회절각의 차이를 비교하여 역학적 변위를 측정하고 있다. In general, micro / nano dynamic structures are used to observe microscopic forces, masses and surfaces in the micro / nano region. In the method used to measure the micro displacement of the mechanical structure, the mechanical displacement is measured by comparing the difference of diffraction angles reflected from the surface of the mechanical structure using an external light source or a laser.

종래에 많이 사용되고 있는 Atomic Force Microscope (AFM)은 이러한 마이크로 캔틸레버를 이용하여 나노 스케일의 표면 및 힘 측정이 가능하다. 종래의 장비는 마이크로 캔틸레버, 레이저, 거울, Quad Photodiode등이 필요하다. 캔틸레버에 입사된 외부 레이저는 캔틸레버 표면에 반사되어 입사각과 동일한 각도로 반사각을 이루게 된다. Atomic Force Microscope (AFM), which is widely used in the related art, can measure surface and force on a nano scale using such a micro cantilever. Conventional equipment requires a micro cantilever, laser, mirror, quad photodiode, and the like. The external laser incident on the cantilever is reflected on the surface of the cantilever to form a reflection angle at the same angle as the incident angle.

이때 캔릴레버가 표면이나 외부 힘에 의해 변형되게 되면 photodiode에 입사되는 레이저의 각이 바뀌게 되어 시료의 표면에 의한 캔틸레버의 변위를 측정할 수 있게 된다. 이러한 캔틸레버의 경우 표면의 미세 변위를 측정하기 위하여 표면에 직접 접촉하는 컨택(contact) 방식이나 비 접촉 (non contact) 방식을 이용한다. At this time, if the cantilever is deformed by the surface or an external force, the angle of the laser incident on the photodiode is changed to measure the displacement of the cantilever by the surface of the sample. In the case of such a cantilever, a contact method or a non contact method that directly contacts the surface is used to measure the micro displacement of the surface.

이때 비 접촉 방식은 캔틸레버의 역학적 구조에 의해 결정되는 공명 진동수에서 구동된다. 일반적인 캔틸레버의 경우 크기가 수십 마이크로에달하게 되며 이에 따른 역학적 진동수는 수 KHz가 되어 동역학적 측정에 한계를 가지고 있다. The non-contact method is then driven at the resonant frequency determined by the mechanical structure of the cantilever. In general, the cantilever reaches tens of micrometers and the mechanical frequency is several KHz, which limits the dynamic measurement.

기술의 발전에 따라 고주파 역학 진동수(~MHz)를 가진 캔틸레버에 대한 필요성이 대두되고 있다. 그러나 이러한 고주파 진동수를 가진 역학 구조를 형성하기 위해서는 나노스케일의 크기를 가져야 하며 크기가 작아짐에 따라 레이저나 외부 광원에 의한 광학적 상호작용이 광학적 회절 한계에 의해 급속히 줄어들게 된다. 또한 기존의 캔틸레버와 팁의 크기가 마이크로 수준에 달하게 되어 측생(lateral )의 해상도에 한계를 가지고 있다. As technology advances, there is a need for a cantilever with a high frequency dynamic frequency (~ MHz). However, in order to form a mechanical structure having such a high frequency frequency, it must have a nanoscale size, and as the size decreases, optical interaction by a laser or an external light source is rapidly reduced due to the optical diffraction limit. In addition, the size of the conventional cantilever and tip reaches a micro level, which limits the lateral resolution.

종래의 기술은 역학소자의 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반드시 레이저나 외부 광원이 필요하며 이에 따라 광학적 회절 한계에 의해 역학소자의 스케일 다운에 한계점을 가지고 있다. 또한 마이크로 사이즈의 크기의 역학소자에서의 측생 해상도 및 낮은 역학적 진동수라는 문제점을 가진다.
Conventional technology requires a laser or an external light source to measure the micromechanical displacement of the mechanical device, and thus has a limitation in scaling down the mechanical device due to the optical diffraction limit. In addition, there are problems of side resolution and low mechanical frequency in a micro-sized dynamic device.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 상용중인 마이크로/나노 역학 구조인 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)의 외부 스트레스나 환경변화에 따른 미세 역학적 변위를 측정하기 위하여 반도체 나노선을 결합하여 외부 측정 장비인 레이져나 외부 광원이 필요없이 극미세 역학적 변위를 측정하는 변위측정방법을 제공함에 그 목적이 있다.
The present invention is to solve the above problems, the semiconductor nanowire in order to measure the microdynamic displacement caused by external stress or environmental changes of the conventional commercially available micro / nano dynamic structure (Cantilever) or beam (beam) The object of the present invention is to provide a displacement measuring method for measuring ultra-fine mechanical displacements without the need for an external measuring device, such as a laser or an external light source.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Chemical Vapor Deposition 방식을 이용하여 CdS powder를 고온에서 가열하여 Si 기판위에 형성된 nano Au catalysis 에 나노선을 성장시키는 단계와, Si 기판위에 수직으로 형성된 나노선은 에탄올에 기판체 담가 초음파로 기판과 나노선을 분리하는 단계와, 에탄올 용액에서 기판을 제거한 후 에탄올-나노선 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 형성하고자 하는 역학 구조에 분산한후 질소가스로 건조시켜 반데를 발스 힘 (vander walls force)에 의해 나노선과 역학 구조물이 결합되도록 하는 단계와, 반도체 나노선을 valence band electron들이 전이되도록하여 electron-hole recombination시 광자를 방출하도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.The present invention for achieving the above object, by heating the CdS powder at a high temperature by using a chemical vapor deposition method to grow nanowires in the nano Au catalysis formed on the Si substrate, and the nanowires formed vertically on the Si substrate Soaking the substrate in ethanol separating the substrate and the nanowires by ultrasonic wave, removing the substrate from the ethanol solution, and then dispersing the ethanol-nanowire solution into the mechanical structure to be formed by using a micro pipette and drying with nitrogen gas. And allowing the nanowires and the mechanical structure to be coupled by vander walls force, and causing the valence band electrons to be transferred to the semiconductor nanowire to emit photons during electron-hole recombination. There is provided a method for measuring microscopic mechanical displacement of micro / nanodynamic structures incorporating semiconductor nanowires.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 나노선은 CdS나 ZnO, ZnS, GaN, GaAs중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.According to another feature of the invention, the nanowire is provided with a micro-nano dynamic displacement measuring method of a micro / nano-mechanical structure combined with a semiconductor nanowire, characterized in that made of any one of CdS, ZnO, ZnS, GaN, GaAs.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 상기 반도체 나노선을 외부 레이저를 이용하여 전이시켜 반도체 나노선의 특정 파장의 광자를 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.According to another feature of the present invention, the micro-nano dynamic structure of the micro / nano dynamic structure incorporating the semiconductor nanowires is characterized in that the semiconductor nanowires are transferred using an external laser to emit photons of a specific wavelength of the semiconductor nanowires. Displacement measuring method is provided.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, P-N junction을 형성하여 전류에 의해 반도체 나노선을 전이시켜 광자를 방출도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위측정방법이 제공된다.
According to still another aspect of the present invention, there is provided a micro-nanodynamic displacement measuring method of a micro / nano dynamic structure in which semiconductor nanowires are combined to form a PN junction so as to transfer semiconductor nanowires by electric current. Is provided.

본 발명에 따른 반도체 나노선을 역학구조에 결합시킴으로써 기존 역학 소자의 미세 변위 측정 시그널 크기 및 분해능의 변동을 최대한 줄임으로써 안정적인 측정 시그널과 분해능을 가질 수 있게 된다. 반도체 나노선의 특이 광학적 특성인 도파관 성질을 이용하게 되면 반도체 나노선의 끝단이 놓여있는 역학 소자의 특정 부분에만 광자가 방출되게 되어 복잡한 광학 정렬이 필요 없이 간단한 절차를 통하여 항상 동일한 분해능과 민감도를 가질 수 있게 된다. By combining the semiconductor nanowire according to the present invention to the dynamic structure, it is possible to have a stable measurement signal and resolution by minimizing fluctuations in the size and resolution of the micro displacement measurement signal of the existing dynamic device. By using the waveguide property, a specific optical property of semiconductor nanowires, photons are emitted only at a specific part of the dynamic device where the ends of semiconductor nanowires are located so that they can always have the same resolution and sensitivity through a simple procedure without the need for complicated optical alignment. do.

외부 레이저를 통한 반도체 나노선을 전이시켜 방출된 광자는 외부 레이저와 파장이 달라 좀더 다양한 측정 시그널을 제공하게 된다. 또한 반도체 나노선과 역학 소자의 경계면을 P-N junction으로 만들 경우 둘 사이에 흐르는 전류에 따라 전이된 광자가 반도체 양끝단에서 발광하게 되어 기존 시스템 구성에서 외부 레이저나 광원이 필요없게 되어 시스템의 간소화 뿐만 아니라 비용절감이 가능하다. Photons emitted by transferring semiconductor nanowires through external lasers have different wavelengths than external lasers, providing more diverse measurement signals. In addition, when the interface between the semiconductor nanowire and the mechanical element is made of PN junction, the photons transferred according to the current flowing between the two emit light at both ends of the semiconductor, thus eliminating the need for an external laser or a light source in the existing system configuration, thereby simplifying the system and cost. Savings are possible.

이러한 특성을 이용한 반도체 나노선 역학 구조는 광학적 회절 한계를 뛰어 넘을 수 있으므로 역학적 소자의 크기를 반도체 나노선 크기만큼 줄일 수 있어 기존 시스템의 변위, 힘, 질량 민감도를 크게 향상 시킬 수 있다. 또한 크기가 작아짐에 따라 동역학적 반응이 커지게 역학 반응의 시간 분해능을 더욱 높일 수 있다. Since the semiconductor nanowire dynamic structure using these characteristics can exceed the optical diffraction limit, the size of the mechanical device can be reduced by the size of the semiconductor nanowire, thereby greatly improving the displacement, force, and mass sensitivity of the existing system. In addition, as the size decreases, the dynamic resolution of the kinetics can be further increased.

또한 광결정 구조를 반도체 나노선 주위에 위치 시킴으로서 반도체 나노선의 광자 방출의 효율을 극대화 시키며 선택적으로 파장을 선택함으로서 역학소자의 기능성을 다양화 시킬 수 있다.
In addition, by placing the photonic crystal structure around the semiconductor nanowires, the efficiency of photon emission of the semiconductor nanowires can be maximized, and the wavelength can be selectively selected to diversify the functionality of the dynamic device.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따르면, 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조의 극미세 역학적 변위 측정 기술을 실현하기 위해서는 다음과 같은 공정이 필요하다.According to the present invention, in order to realize the ultra-fine mechanical displacement measurement technology of the micro / nano-mechanical structure combined with semiconductor nanowires, the following process is required.

우선 반도체 나노선을 생성하기 위해서 Chemical Vapor Deposition 방식을 이용하여 CdS powder를 고온에서 가열하여 Si 기판위에 형성된 nano Au catalysis 에 CdS 나노선을 성장시킨다. 이때 형성된 CdS 나노선은 지름이 약 50~200nm, 길이가 5~20 ㅅm가 된다. First, CdS powder is grown on nano Au catalysis formed on Si substrate by heating CdS powder at high temperature using Chemical Vapor Deposition method to generate semiconductor nanowire. In this case, the formed CdS nanowires have a diameter of about 50 to 200 nm and a length of 5 to 20 μm.

형성된 나노선은 단결정 구조를 가지게 되며 hexagonal structure를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 CdS 반도체 나노선은 direct bandgap을 가지고 있어 외부의 에너지에 의해 valence band electron이 conduction band로 전이된다. The formed nanowires have a single crystal structure and form hexagonal structures. The CdS semiconductor nanowires thus formed have a direct bandgap so that valence band electrons are transferred to conduction bands by external energy.

본 발명에서는 CdS 외에 위와 같은 방법으로 형성된 ZnO, ZnS, GaN, GaAs등과 같은 반도체 나노선을 이용한다. Si 기판위에 수직으로 형성된 나노선은 에탄올에 기판체 담가 초음파로 기판과 나노선을 분리한다. In the present invention, in addition to CdS, semiconductor nanowires such as ZnO, ZnS, GaN, GaAs and the like formed by the above method are used. The nanowires formed on the Si substrate are immersed in ethanol to separate the substrate and the nanowires by ultrasonic waves.

에탄올 용액에서 기판을 제거한 후 에탄올-나노선 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 형성하고자 하는 캔틸레버(Cantilever)나 빔 (beam)과 같은 역학 구조물에 도포(=분산)한후 질소가스로 건조시킨다. 이때 나노선과 역학 구조물은 반데를 발스 힘 (vander walls force)에 의해 결합된다. 일반적인 반도체 나노선의 경우 도핑에 의해 carrier를 조절할 수 있다. After removing the substrate from the ethanol solution, the ethanol-nanowire solution is applied (= dispersed) to a mechanical structure such as a cantilever or a beam to be formed by using a micropipette (= dispersion) and dried with nitrogen gas. At this time, the nanowires and the mechanical structure are bonded to the bandade by vander walls force. In the case of general semiconductor nanowires, the carrier can be controlled by doping.

역학 구조물의 경우 일반적으로 Si을 사용하게 되는데 P-type Si 역학 구조를 이용할 경우 N-type 반도체 나노선을 N-type Si 역학 구조의 경우 P-type 반도체 나노선을 이용한다. 이는 역학적 구조와 반도체 나노선이 P-N Junction을 형성하기 위함이다.In the case of mechanical structures, Si is generally used. In case of using P-type Si mechanics, N-type semiconductor nanowires are used. In the case of N-type Si mechanics, P-type semiconductor nanowires are used. This is because the mechanical structure and the semiconductor nanowires form a P-N junction.

반도체 나노선의 경우 외부 광원이나 전류에 의해 valence band electron들이 전이되어 다시 electron-hole recombination시 광자를 방출하게 된다. 이때 방출되는 광자의 양의 외부 광원의 intensity나 전류에 의해 증가된다. 이때 방출되는 광자의 파장 및 에너지는 반도체 나노선의 bnadgap에 의해 결정되며 반도체 물질의 고유 특성을 가지게 된다. In the case of semiconductor nanowires, valence band electrons are transferred by an external light source or an electric current to emit photons upon electron-hole recombination. The amount of photons emitted is then increased by the intensity or current of the external light source. At this time, the wavelength and energy of the photons emitted are determined by the bnadgap of the semiconductor nanowire and have intrinsic properties of the semiconductor material.

일반적으로 CdS의 경우 510 nm, ZnO 390nm의 광자를 방출한다. 성장된 반도체 나노선의 경우 단결정과 매우 매끈한 표면을 가지고 있어 방출된 광자는 반도체 나노선 축을 따라 방출되게 된다. 이때 반도체 나노선의 refraction index가 vacuum이나 다른 재료의 refraction index보다 클 경우 전반사를 일으켜 광화이버와 같이 반도체 나노선 안에서만 광자가 존재하게 된다. In general, CdS emits photons of 510 nm and ZnO 390 nm. The grown semiconductor nanowires have a single crystal and a very smooth surface so that the emitted photons are emitted along the semiconductor nanowire axis. At this time, if the refraction index of the semiconductor nanowire is larger than the refraction index of the vacuum or other material, total reflection occurs, so that photons exist only in the semiconductor nanowire like the optical fiber.

이때 반도체 양끝단은 거울과 같은 역학을 하게 되어 방출된 광자는 양끝단에서 연속적으로 반사되어 나노선의 길이에 따라 정상파를 이루게 된다. 이는 반도체 나노선은 하나의 optical Cavity를 형성하게 되어 Spontaneous emission뿐만 아니라 Stimulated emission이 가능하게 된다. At this time, both ends of the semiconductor have a mirror-like dynamic, and the emitted photons are continuously reflected at both ends to form a standing wave according to the length of the nanowire. This is because the semiconductor nanowires form a single optical cavity, which enables not only spontaneous emission but also stimulated emission.

이로 인해 방출되는 광자의 양은 급속도록 증가하게 되며 이는 일반적인 레이저와 같은 원리이다. 빛의 경우 파장길이보다 작은 도파관에서는 진행 할 수 없으며 빛이 진행할 수록 빛의 에너지가 기하급수적으로 감소한다. 이러한 이유로 빛의 파장보다 작은 도파관을 만드는것이 마이크로/나노 광학에서 큰 이슈이다. This causes the amount of photons emitted to increase rapidly, which is the same principle as a conventional laser. In the case of light, it cannot proceed in a waveguide smaller than the wavelength, and as the light progresses, the energy of light decreases exponentially. For this reason, making waveguides smaller than the wavelength of light is a big issue for micro / nano optics.

그러나 반도체 나노선 및 금속 나노선의 경우 빛의 파장보다 훨씬 작은 지름을 가지고 있으나 빛의 에너지 손실없이 나노선의 양끝단으로 빛을 전달할 수 있다. 이러한 나노선의 도파관 성질을 이용하여 역학적 소자의 미세 변위 측정및 사이즈를 빛의 회절 한계이하(~500nm)까지 줄일 수 있다. However, semiconductor nanowires and metal nanowires have a diameter much smaller than the wavelength of light, but can transmit light to both ends of the nanowire without losing energy. By using the waveguide properties of the nanowires, the microdisplacement measurement and size of the mechanical device can be reduced to below the diffraction limit of light (~ 500 nm).

우선 역학적 소자위에 형성된 반도체 나노선을 외부 레이저를 이용하여 전이시켜 반도체 나노선의 특정 파장의 광자를 방출하게 된다. 이때 반도체 나노선은 방출되는 광자를 나노선의 양끝단으로 전달하여 양끝단에서 방출되는 광자의 인텐시티가 증가하게 된다. First, the semiconductor nanowires formed on the mechanical device are transferred using an external laser to emit photons of a specific wavelength of the semiconductor nanowires. In this case, the semiconductor nanowires transmit photons emitted to both ends of the nanowires, thereby increasing the intensity of photons emitted from both ends.

이때 외부 레이저와 반도체 나노선에서 방출되는 광자의 파장이 달라 필터를 이용할 경우 외부 레이저와 반도체 나노선의 광자를 구별 할 수 있다. 이방법을 이용할 경우 반도체 나노선의 광자 방출이 역학 소자의 특정 부분에 국한되어 미세한 광학적 정렬없이 자가 정렬된 레이저 소스를 얻을 수 있다. At this time, the wavelength of the photons emitted from the external laser and the semiconductor nanowires is different, so when the filter is used, the photons of the external laser and the semiconductor nanowires can be distinguished. Using this method, the photon emission of semiconductor nanowires is confined to a specific part of the dynamic device, resulting in a self-aligned laser source without fine optical alignment.

이는 외부 레이저의 역학 소자의 입사 위치에 따른 시그널의 크기와 분해능의 차이가 나타나데 반도체 나노선을 이용하게 되면 특정 부분에서만 발광하게 되어 이러한 한계점을 제거할 수 있어 역학소자의 변위 측정에 일정한 시그널과 분해능을 제공할 수 있다. This results in the difference in signal size and resolution depending on the position of incidence of the dynamic element of the external laser. When the semiconductor nanowire is used, it emits light only at a specific part, and this limitation can be eliminated. Resolution can be provided.

또한 외부 레이저에 의한 반도체 나노선의 전이 방법이외에 P-N junction을 형성하여 전류에 의해 반도체 나노선을 전이시켜 광자를 방출하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 방법을 사용하기 위해서는 반도체 나노선과 역학 소자의 재료 선택이 중요하다. 일반적으로 사용되는 캔틸레버나 빔 구조는 Si을 사용하게 되는데 이는 선택적인 이온 주입으로 carrier를 조절 할 수 있다. In addition to the method of transferring semiconductor nanowires by an external laser, a method of emitting photons by forming a P-N junction and transferring the semiconductor nanowires by a current may be used. In order to use this method, material selection of semiconductor nanowires and mechanical devices is important. The commonly used cantilever or beam structure uses Si, which can control the carrier by selective ion implantation.

Hole이 carrier인 P-type Si 역학소자를 이용할 경우 N-type 반도체 나노선을 이용하며 electron이 carrier인 N-type Si 역학소자를 이용할 경우 P-type 반도체 나노선을 이용한다. N-type semiconductor nanowires are used when using a P-type Si dynamic device with holes as carriers, and P-type semiconductor nanowires are used when using N-type Si dynamic devices with electron carriers.

반도체 나노선과 역학 소자의 전기적 고립을 위하여 Al2O3와 같은 insulating layer를 반도체 나노선 지름의 2/3정도 올린이후 반도체 나노선과 연결될 전기전극을 일반적인 반도체 공정을 통해 형성한다. In order to electrically isolate semiconductor nanowires and mechanical devices, an insulating layer such as Al2O3 is raised to about two thirds of the diameter of the semiconductor nanowires, and an electrical electrode to be connected to the semiconductor nanowires is formed through a general semiconductor process.

반도체 나노선과 역학소자에 전류를 흘리게 되면 반도체 나노선과 역학소자는 표면 경계면에서 P-N Junction을 형성되어 광자들이 방출되며 반도체 나노선을 따라 도파되며 양끝단에서 반사되어 Optical Cavity를 형성하게 된다. 전류에 따라 광자의 인텐시티가 증가하게 되며 이때 발광하는 광자들은 반도체 나노선의 양끝단에 집중되게 된다. 전류에 따른 반도체 나노선 레이저를 이용할 경우 앞의 경우와는 달리 외부 전이 레이저가 필요없게 되어 측정 장비의 간소화가 가능해진다. When a current flows through the semiconductor nanowires and the dynamic device, the semiconductor nanowires and the dynamic device form a P-N junction at the surface interface to emit photons, are guided along the semiconductor nanowire, and are reflected at both ends to form an optical cavity. Intensity of photons increases with current, and photons that emit light are concentrated at both ends of the semiconductor nanowire. Unlike the previous case, the use of the semiconductor nanowire laser according to the current eliminates the need for an external transition laser, which simplifies the measurement equipment.

또한 역학소자의 특정 부분에만 레이저가 발광하게 되므로 기존의 외부 레이저 위치에 따른 시그널 크기및 분해능의 변화를 제거할 수 있다. 기존의 측정 방법을 사용하기 위해서는 외부 레이저가 반드시 필요하며 일정한 시그널과 분해능을 가지기 위해서는 일정 크기의 역학 소자가 필요했다. In addition, since the laser emits only a specific part of the dynamic device, it is possible to eliminate a change in signal size and resolution according to the existing external laser position. In order to use the conventional measuring method, an external laser is necessary, and in order to have a constant signal and resolution, a certain size dynamics element is required.

역학 소자의 크기가 작아질수록 미세 변위 분해능이나 질량, 힘 민감도가 증가하나 기존의 방법을 이용할 경우 역학 소자의 크기 줄임에 광학적 회절 한계가 있기 때문에 일정 스케일 이하의 역학소자를 사용할 수 없었다. As the size of the mechanical device decreases, the microdisplacement resolution, mass, and force sensitivity increase. However, the conventional method does not allow the use of mechanical devices below a certain scale because of the limited optical diffraction in reducing the size of the mechanical device.

반도체 나노선을 이용할 경우 지름이 약 50~200nm의 크기를 가지고 있으며 질량이 매우 가볍기 때문에 나노 스케일의 고감도 변위, 질량, 힘 측정에 매우 적합하다. 또한 반도체 나노선의 광학적 회절 한계를 넘는 도파관 성질과 레이저 현상은 기존의 역학 소자를 대처하며 그동안 한계점으로 생각되어지던 사이즈 문제도 해결할 수 있다. When using a semiconductor nanowire has a diameter of about 50 ~ 200nm and because the mass is very light, it is very suitable for measuring nanoscale high sensitivity displacement, mass, and force. In addition, waveguide properties and laser phenomena that exceed the optical diffraction limit of semiconductor nanowires cope with existing mechanical devices, and can solve the size problem that has been considered as a limit point.

이를 이용할 경우 역학 소자의 크기는 약 50~200 nm의 크기로 줄어들게 되어 기존의 한계를 넘는 역학 소자를 제작할 수 있다. 또한 기존의 역학소자의 경우 마이크로 사이즈의 팁에 의해 측생 (lateral) 해상도에 한계를 가지고 있었다. 반도체 나노선을 이용하게 되면 이러한 팁의 크기를 나노 스케일까지 줄일 수 있어 측생 분해능을 급격하게 증가시킬 수 있다.By using this, the size of the mechanical device is reduced to about 50-200 nm, which makes it possible to manufacture mechanical devices that exceed the existing limits. In addition, the conventional mechanical element has a limit in the lateral resolution due to the micro-sized tip. The use of semiconductor nanowires can reduce the size of these tips down to the nanoscale, which can dramatically increase side resolution.

역학 소자의 동역학적 반응인 공명 진동수는 양쪽 끝이 고정된 빔의 로 정해지게 된다. 여기서 D는 빔의 넓이, L은 길이, E는 영률 (Youngs modulus ), r는 mass density이다. 위식과 같이 공명진동수는 길이가 짧아질 수록 질량이 작을 수록 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 캔틸레버 구조에서도 비슷하게 나타난다. The resonance frequency, the dynamic response of a mechanical element, is determined by the beam of the beam fixed at both ends. Where D is the width of the beam, L is the length, E is the Young's modulus, and r is the mass density. As can be seen from the above equation, the resonance frequency increases with shorter mass and smaller mass. This phenomenon is similar in cantilever structure.

이와같이 역학소자의 크기가 줄어들 수록 동역학적 반응성이 크게 증가하게 되는것을 볼 수 있다. 나노스케일(100~200nm)의 역학소자는 수십 MHz 수준의 동역학적 반응을 보이게 되며 이를 이용할 경우 짧은 시간 분해능을 가진 역학적 측정이 가능해진다. As the size of the mechanical element is reduced, the dynamic reactivity can be seen to increase significantly. Nanoscale (100-200nm) dynamics show dynamic response on the order of tens of MHz, which can be used to make mechanical measurements with short time resolution.

이러한 반도체 나노선을 이용할 경우 나노선을 따라 광자가 도파되면서 에너지 손실이 나타나게 된다. 이는 반도체 나노선을 이용한 레이저 및 도파관의 효율을 저하시키는 요인이며 이에따라 측정 효율이 결정된다. 일반적으로 반도체 나노선의 refraction index가 외부환경인 Vacuum 또는 Air의 index보다 크기때문에 반도체 나노선 안에서 전반사 현상에 의해 반도체 나노선 안에 집속되게 된다. When using such semiconductor nanowires, photons are guided along the nanowires, resulting in energy loss. This is a factor that lowers the efficiency of lasers and waveguides using semiconductor nanowires, and thus measurement efficiency is determined. In general, since the refraction index of the semiconductor nanowire is larger than the index of vacuum or air, which is an external environment, the semiconductor nanowire is focused in the semiconductor nanowire by total reflection in the semiconductor nanowire.

그러나 이러한 전반사를 통한 광자의 집속에도 일정한 손실이 발생하게 된다. 이러한 손실을 최대한 줄이며 반도체 나노선의 레이저 및 도파관 효율을 증대시키기 위한 방법으로 광결정 (photonic crystal) 구조를 이용한다. 광결정 구조는 air hole과 dielectric의 반복적인 구조를 통해 특정 파장의 빛을 가두거나 빛의 진행방향을 가이드 할 수 있다. However, a certain loss occurs even in the concentration of photons through the total reflection. The photonic crystal structure is used to reduce the loss as much as possible and to increase the laser and waveguide efficiency of the semiconductor nanowire. Photonic crystal structure can trap light of specific wavelength or guide the direction of light through repetitive structure of air hole and dielectric.

광결정 구조를 이용할 경우 특정 파장의 빛이 특정 지역에 집속 시킬 수 있어 반도체 나노선을 통한 손실을 줄일 수 있다. 또한 이러한 광자 결정을 반도체 나노선에 이용할 경우 광자 결정의 defect을 반도체 나노선의 양 끝단에 위치시키면 양끝단에서 나오는 레이저의 인텐시티를 증가 시킬 수 있으며 파장을 선택적으로 통과 시킬 수 있다. Using a photonic crystal structure, light of a certain wavelength can be focused in a specific area, thereby reducing losses through semiconductor nanowires. In addition, when such photonic crystals are used for semiconductor nanowires, defects of photonic crystals can be placed at both ends of the semiconductor nanowires to increase the intensity of the laser emitted from both ends and to selectively pass wavelengths.

Claims (4)

Chemical Vapor Deposition 방식을 이용하여 CdS powder를 고온에서 가열하여 Si 기판위에 형성된 nano Au catalysis 에 나노선을 성장시키는 단계와, Si 기판위에 수직으로 형성된 나노선을 에탄올에 기판째 담가 초음파로 기판과 나노선을 분리하는 단계와, 에탄올 용액에서 기판을 제거한 후 에탄올-나노선 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 형성하고자 하는 역학 구조물에 도포한 후 질소가스로 건조시켜 반데를 발스 힘 (vander walls force)에 의해 나노선과 역학 구조물이 결합되도록 하는 단계와, 반도체 나노선을 valence band electron들이 전이되도록하여 electron-hole recombination시 광자를 방출하도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.
By heating the CdS powder at high temperature by using chemical vapor deposition method, nanowires are grown on nano Au catalysis formed on Si substrate, and the nanowires formed on Si substrate are immersed in ethanol for the second time in the substrate and ultrasonically And removing the substrate from the ethanol solution, and then applying the ethanol-nanowire solution to the mechanical structure to be formed by using a micro pipette, and then drying with nitrogen gas to apply the bandade to the nanoparticles by vander walls force. Coupling the semiconductor nanowires with each other; and allowing the semiconductor nanowires to transfer valence band electrons to emit photons during electron-hole recombination. Ultra-mechanical displacement measurement method.
제 1항에 있어서, 상기 나노선은 CdS나 ZnO, ZnS, GaN, GaAs중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.
The method of claim 1, wherein the nanowires are made of any one of CdS, ZnO, ZnS, GaN, and GaAs.
제 1항에 있어서, 상기 반도체 나노선을 외부 레이저를 이용하여 전이시켜 반도체 나노선의 특정 파장의 광자를 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.
The method of claim 1, wherein the semiconductor nanowires are transferred using an external laser to emit photons of a specific wavelength of the semiconductor nanowires. 6. .
제 1항에 있어서, P-N junction을 형성하여 전류에 의해 반도체 나노선을 전이시켜 광자를 방출도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선을 결합한 마이크로/나노 역학 구조물의 극미세 역학적 변위측정방법.[2] The method of claim 1, wherein a P-N junction is formed to transfer semiconductor nanowires by current to emit photons.