KR20040080184A - Microscope using carbon nanotube probe - Google Patents

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    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper
    • G01Q70/12—Nanotube tips

Abstract

PURPOSE: A microscope is provided to allow for operation of spin-polarized scanning tunneling microscope under a wide variety of environments by physically and chemically stabilizing carbon nanotubes. CONSTITUTION: A microscope comprises carbon nanotubes used as a tip of a magnetic probe for probing magnetic characteristics of a specimen. The carbon nanotubes has tops with zigzag edges. The tips of the carbon nanotubes are formed by cutting intermediate portions of carbon nanotubes having a chiral index of (n,0).

Description

탄소 나노튜브 프로브를 이용한 현미경 장치 {Microscope using carbon nanotube probe}Microscope using carbon nanotube probes {Microscope using carbon nanotube probe}

본 발명은 현미경 장치에 관한 것으로, 특히, 탄소 나노튜브 프로브를 이용한 현미경 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a microscope device, and more particularly, to a microscope device using a carbon nanotube probe.

최근, 주사터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscopy;, STM) 기술의 발전으로 원자 수준에서 전자 분포를 측정할 수 있게 되었고 원자 수준의 구조 분석을 통해 거시현상의 완전한 이해와 미시효과의 직접적인 관측을 수행할 수 있게 되었다. 그런데, 만일 원자 수준에서 자성물질의 자성배열(스핀배열)을 측정할 수 있다면, 이는 다방면으로 매우 큰 파급효과를 주게 된다. 학문적으로는 상전이 부분에서 일어나는 물리현상을 직접적으로 관측할 수 있게 되고, 산업적으로는 자성 저장 소자의 비트를 이미징(imaging)할 수 있게 된다. 이를 위해 스핀이 극화된 주사터널링 현미경(Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope; SP-STM) 기술 개발이 필요하다. 보통 SP-STM의 팁으로 단결정 상태의 강자성 물질인 Ni, Fe, Co, Gd 등이 이용되고 있지만, 팁의 특성에 따라 STM 동작의 질이 결정되기 때문에 STM 팁을 준비하는 데 특별한 주의가 요구된다.Recent advances in Scanning Tunneling Microscopy (STM) technology have made it possible to measure the distribution of electrons at the atomic level, and the atomic level structural analysis provides a complete understanding of the macroscopic phenomenon and direct observation of microscopic effects. It became. However, if the magnetic arrangement (spin arrangement) of the magnetic material can be measured at the atomic level, this has a very large ripple effect in many ways. Academics can directly observe the physical phenomena that occur in phase transitions, and industrially, it is possible to image bits of magnetic storage devices. This requires the development of Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope (SP-STM) technology. Normally, single crystal ferromagnetic materials such as Ni, Fe, Co, and Gd are used as the tips of SP-STM. However, special attention is required to prepare STM tips because the quality of the STM operation is determined by the tip characteristics. .

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 나노크기 구조물의 자성 배열을 탐색하는 데 획기적인 기여를 할 수 있는 프로브를 채용한 현미경 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a microscope device employing a probe that can make a significant contribution to the search for the magnetic arrangement of nanoscale structures.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 유기물과 친화성이 좋아서 생체물질의 자성특성 탐구에도 기여할 수 있는 프로브를 채용한 현미경 장치를 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a microscope device employing a probe having good affinity with organic material and contributing to the investigation of magnetic properties of a biological material.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 현미경 장치에서의 프로브 팁으로서 나노튜브를 사용했을 경우의 개념도; 및1A is a conceptual diagram when using a nanotube as a probe tip in a microscope device according to an embodiment of the present invention; And

도 1b는 도 1a의 나노튜브의 팁 부분을 확대하여 팁의 지그재그 모양과 이 때의 강자성 스핀 밀도분포를 나타낸 도면이다.FIG. 1B is an enlarged view of the tip portion of the nanotube of FIG. 1A to show the zigzag shape of the tip and the ferromagnetic spin density distribution at this time.

* 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 *Explanation of reference numbers for the main parts of the drawings

11 : 자성 프로브 내의 금속체11: metal body in the magnetic probe

12 : 탄소 나노튜브12: carbon nanotubes

13 : 탄소 나노튜브의 팁13: Tips of Carbon Nanotubes

14 : 지그재그형 탄소 나노튜브의 볼과 스틱 모델14: Ball and Stick Models of Zigzag Carbon Nanotubes

15 : 강자성 스핀분포를 표시하기 위한 표면15: surface for displaying ferromagnetic spin distribution

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 장치는, 시료의 자성특성을 조사하기 위하여, 자성 프로브의 팁으로서 탄소 나노튜브를 이용하는, 스핀이 극화된 주사터널링 현미경 장치인 것을 특징으로 한다.An apparatus according to the first aspect of the present invention for achieving the above technical problem is a spin-polarized scanning tunneling microscope device, using carbon nanotubes as the tip of the magnetic probe to investigate the magnetic properties of the sample. do.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 장치는, 시료의 자성특성을 조사하기 위하여, 자성 프로브의 팁으로서 탄소 나노튜브를 이용하는 자기력 현미경(Magnetic Force Microscope; MFM) 장치인 것을 특징으로 한다.The device according to the second aspect of the present invention for achieving the above technical problem is a magnetic force microscope (MFM) device using carbon nanotubes as the tip of the magnetic probe, in order to investigate the magnetic properties of the sample It is done.

상기 장치들에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 팁이 지그재그형 에지인 것이 바람직하며, 이 때, 상기 탄소 나노튜브의 팁의 일부만을 지그재그형으로 만들 수도 있다.In the devices, it is preferred that the tip of the carbon nanotubes is a zigzag edge, wherein only a portion of the tip of the carbon nanotubes may be zigzag.

또한, 상기 탄소 나노튜브의 내부 또는 외부 공간에, Fe, Ni, Co, Ti 및 Gd로 구성된 강자성 물질군으로부터 선택된 어느 하나가 첨가되어도 좋다.In addition, any one selected from the group of ferromagnetic materials consisting of Fe, Ni, Co, Ti, and Gd may be added to the inner or outer space of the carbon nanotubes.

상기 탄소 나노튜브의 벽의 개수는 1∼100의 범위 내에 있도록 선택할 수 있다.The number of walls of the carbon nanotubes can be selected to be in the range of 1 to 100.

또한, 상기 탄소 나노튜브의 직경은 0.5∼20㎚의 범위 내에 있도록 선택할 수 있다.In addition, the diameter of the carbon nanotubes can be selected to be in the range of 0.5 to 20nm.

한편, 상기 탄소 나노튜브에 B, N, P로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 도핑물질을 첨가할 수도 있다.Meanwhile, any one doping material selected from the group consisting of B, N, and P may be added to the carbon nanotubes.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 현미경 장치에서의 자성 프로브의 팁으로서 나노튜브를 사용했을 경우의 개념도이다. 도 1a를 참조하면, 스핀이 극화된 주사터널링 현미경 또는 자기력 현미경의 자성 프로브로서, Ni 또는 Fe 등의 금속체(11)와, 이에 부착된 탄소 나노튜브(12)가 사용된다. 탄소 나노튜브(12)의 팁부분(13)은 지그재그형상을 갖는다. 도 1a는 개념도이기 때문에, 여기에서는 지그재그형상을 나타내지는 않았다.1A is a conceptual diagram when a nanotube is used as a tip of a magnetic probe in a microscope device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1A, as a magnetic probe of a scanning tunneling microscope or a magnetic force microscope in which spin is polarized, a metal body 11 such as Ni or Fe and a carbon nanotube 12 attached thereto are used. The tip portion 13 of the carbon nanotubes 12 has a zigzag shape. Since FIG. 1A is a conceptual diagram, it does not show a zigzag shape here.

이와 같은 탄소 나노튜브는 일반적으로 단일겹 나노튜브(single-wall nanotube)와 다중겹 나노튜브 (multi-wall nanotube)로 구분된다. 다중겹 나노튜브는 직경이 서로 다른 여러 개의 단일겹 나노튜브가 동축 케이블처럼 배열돼 있는 구조를 가진다. 나노튜브 벽 사이의 간격은 대략 0.34㎚로 흑연에서 인접한 두 평면 사이의 간격과 비슷하다. 각 단일겹 나노튜브는 흑연의 한 평면을 특정한 방향으로 말았을 때 나타나는 구조이며, 나노튜브의 마는 방향과 원주의 길이는 키랄 지수(chiral index) (n,m) (여기서 n, m은 정수)로 분류된다.Such carbon nanotubes are generally divided into single-wall nanotubes and multi-wall nanotubes. Multi-ply nanotubes have a structure in which multiple single-ply nanotubes of different diameters are arranged like coaxial cables. The spacing between the nanotube walls is approximately 0.34 nm, similar to the spacing between two adjacent planes of graphite. Each single-layered nanotube is a structure that appears when one plane of graphite is rolled in a specific direction, and the rolling direction of the nanotubes and the length of the circumference are chiral index (n, m), where n and m are integers. Classified as

키랄 지수가 (n,n)인 나노튜브를 암체어 나노튜브라 부르고, 이러한 나노튜브는 n에 관계없이 모두 금속성을 띠는 것으로 알려져 있다. 반면에, 키랄 지수가 (n,0)인 나노튜브는 지그재그 나노튜브라 불린다. 이 때 n이 3의 배수이면 금속성, n이 3의 배수가 아니면 반도체 특성을 띠는 것으로 알려져 있다.Nanotubes with chiral index (n, n) are called armchair nanotubes, and these nanotubes are known to be metallic regardless of n. On the other hand, nanotubes with a chiral index of (n, 0) are called zigzag nanotubes. In this case, it is known that when n is a multiple of 3, it is metallic, and when n is not a multiple of 3, it has semiconductor characteristics.

본 발명자들은 (8,0) 나노튜브에서 중간을 자르면 나노튜브의 끝에 지그재그 형태의 결합하지 못한 본딩의 전자들, 즉 홀전자들(dangling bond electrons)이 강자성 배열을 선호한다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명의 현미경 장치에 사용된 탄소 나노튜브의 팁형상은 키랄 지수가 (n,0)(단, n은 자연수)인 나노튜브를 중간에서 절단하여 지그재그형상으로 만들었다. 이와 같은 지그재그형상은 탄소 나노튜브의 팁의 전체가 아닌 일부에만 만들어져도 좋다.The inventors found that when the intermediate cut in the (8,0) nanotubes, the zigzag unbonded electrons, ie, dangling bond electrons, prefer the ferromagnetic array. Therefore, the tip shape of the carbon nanotubes used in the microscope device of the present invention was made in a zigzag shape by cutting the nanotubes having a chiral index of (n, 0), where n is a natural number. This zigzag shape may be made on only part of the tip of the carbon nanotube.

한편, 상기 탄소 나노튜브 자성 프로브의 성능을 높이기 위해, 탄소 나노튜브의 내부 또는 외부 공간에, Fe, Ni, Co, Ti 및 Gd로 구성된 강자성 물질군으로부터 선택된 어느 하나가 첨가되어도 좋다. 또한, 상기 탄소 나노튜브에 B, N, P로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 도핑물질을 첨가할 수도 있다.Meanwhile, in order to increase the performance of the carbon nanotube magnetic probe, any one selected from the group of ferromagnetic materials consisting of Fe, Ni, Co, Ti, and Gd may be added to the inner or outer space of the carbon nanotubes. In addition, any one doping material selected from the group consisting of B, N, and P may be added to the carbon nanotubes.

탄소 나노튜브의 벽의 개수는 1∼100의 범위 내에 있도록 선택할 수 있으며, 또한, 상기 탄소 나노튜브의 직경은 0.5∼20㎚의 범위 내에 있도록 선택할 수 있다.The number of walls of the carbon nanotubes may be selected to be in the range of 1 to 100, and the diameter of the carbon nanotubes may be selected to be in the range of 0.5 to 20 nm.

도 1b는 도 1a의 나노튜브의 팁 부분을 확대하여 팁의 지그재그 모양과 이 때의 강자성 스핀 밀도분포를 나타낸 도면이다. 도 1b를 참조하면, 팁의 형상은, 지그재그형 탄소 나노튜브의 볼과 스틱 모델(14)과, 강자성 스핀분포를 표시하기 위한 표면(15)으로 나타내어졌다. 도 1b에서 나노튜브 한 쪽 끝은 홀전자들에 의해 강자성 구조를 띄게 되지만, 다른 끝은 홀전자들이 수소와 결합하여 강자성 특성을 상실한다. 수소 원자들을 이용한 수소화는 긴 나노튜브를 모델링하는 데 일반적으로 쓰이는 방법이다. 이런 구조에 대해 제일원리 계산법에 기초하여 자성 특성을이론적으로 계산해 본 결과, 결합에 참여하지 못한 홀전자들은 일반적으로 강자성 배열을 선호한다는 사실을 최초로 발견하였다. 본 발명자들은 이런 강자성 특성을 형성하는 데 홀전자들의 지그재그형 배열이 매우 중요하다는 사실을 밝혀 내었다. 이때 나노튜브 끝(tip)의 자성모멘트는 약 8 보어 마그네톤(μB)이다.FIG. 1B is an enlarged view of the tip portion of the nanotube of FIG. 1A to show the zigzag shape of the tip and the ferromagnetic spin density distribution at this time. Referring to FIG. 1B, the shape of the tip is represented by a ball and stick model 14 of zigzag carbon nanotubes and a surface 15 for displaying ferromagnetic spin distribution. In FIG. 1B, one end of the nanotube has a ferromagnetic structure by the hole electrons, but the other end of the nanotubes loses ferromagnetic properties by combining with electrons. Hydrogenation using hydrogen atoms is a common method for modeling long nanotubes. Theoretical calculation of the magnetic properties of these structures based on the First Principle Calculation Method found for the first time that unpaired electrons generally prefer ferromagnetic arrays. The inventors have found that the zigzag arrangement of the hole electrons is very important in forming such ferromagnetic properties. In this case, the magnetic moment of the tip of the nanotube is about 8 bore magnets (μ B ).

상기 발견에 기초하여 도 1a 및 도 1b와 같은 지그재그형 끝을 갖는 탄소 나노튜브 SP-STM 장치를 발명하였다. 지그재그형 홀전자 배열을 가진 탄소 나노튜브 팁을 이용하여 SP-STM 설비를 구성하고, 스핀이 극화된(spin-polarized) 전류를 측정하면, 시료의 자성 특성에 따라 전류의 변화가 감지되고 이를 이미징(imaging)할 수 있다.Based on the findings, a carbon nanotube SP-STM device with a zigzag tip as in FIGS. 1A and 1B was invented. Constructing an SP-STM installation using a carbon nanotube tip with a zigzag array of electrons and measuring the spin-polarized current, the change in current is detected and imaged according to the magnetic properties of the sample. I can imagine it.

다시 강조하듯이, 이 때, 탄소 나노튜브의 팁은 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 즉, 단일겹, 다중겹이 모두 가능하며, 특히 내부에 강자성 물질을 내포하고 있을 때 더욱 효율적이다. 주사터널링현미경용 자성 프로브로서 동작하기 위한 조건은 팁에 위치한 홀전자들이 지그재그형 배열을 이룰 때 가장 효과적이다.As emphasized again, the tip of the carbon nanotubes can be implemented in a variety of ways. In other words, both single and multiple layers are possible, especially when the ferromagnetic material is contained inside. The condition for operating as a magnetic probe for a scanning tunneling microscope is most effective when the hole electrons at the tip form a zigzag arrangement.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 탄소 나노튜브가 물리-화학적으로 안정하기 때문에 다양한 환경에서 SP-STM 동작 등을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한 탄소가 유기물과 친화성이 좋기 때문에 생체물질의 자성 특성 탐구에도 기여할 수 있다. 또한, 나노튜브의 직경이 수 ㎚이기 때문에 원자수준의 스핀상태를 측정하는데 최적의 조건을 갖추고 있다.According to the present invention as described above, since the carbon nanotubes are physically-chemically stable, there is an advantage that the SP-STM operation can be implemented in various environments. In addition, since carbon has good affinity with organic materials, it can contribute to the investigation of the magnetic properties of biological materials. In addition, since the diameter of the nanotube is several nm, the optimum conditions for measuring the spin state at the atomic level are provided.

Claims (10)

시료의 자성특성을 조사하기 위하여, 자성 프로브의 팁으로서 탄소 나노튜브를 이용하는, 스핀이 극화된 주사터널링 현미경 장치.A spin-tuned scanning tunneling microscope device using carbon nanotubes as a tip of a magnetic probe to investigate magnetic properties of a sample. 시료의 자성특성을 조사하기 위하여, 자성 프로브의 팁으로서 탄소 나노튜브를 이용하는, 자기력 현미경 장치.Magnetic force microscope apparatus using carbon nanotubes as a tip of the magnetic probe, in order to investigate the magnetic properties of the sample. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 팁이 지그재그형 에지인 것을 특징으로 하는 현미경 장치.The microscope device according to claim 1 or 2, wherein the tip of the carbon nanotube is a zigzag edge. 제3항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 팁의 일부만이 지그재그형인 것을 특징으로 하는 현미경 장치.4. A microscope device according to claim 3, wherein only a part of the tip of the carbon nanotubes is zigzag. 제3항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 팁이, 키랄 지수가 (n,0)인 탄소 나노튜브의 중간을 절단하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 현미경 장치, 단 n은 자연수.The microscope device according to claim 3, wherein the tip of the carbon nanotube is made by cutting the middle of the carbon nanotube having a chiral index of (n, 0), wherein n is a natural number. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 내부 공간에, Fe, Ni, Co, Ti 및 Gd로 구성된 강자성 물질군으로부터 선택된 어느 하나가 첨가된 것을 특징으로 하는 현미경 장치.The microscope device according to claim 1 or 2, wherein any one selected from the group of ferromagnetic materials consisting of Fe, Ni, Co, Ti, and Gd is added to the inner space of the carbon nanotubes. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브에 근접한 외부 공간에, Fe, Ni, Co, Ti 및 Gd로 구성된 강자성 물질군으로부터 선택된 어느 하나가 첨가된 것을 특징으로 하는 현미경 장치.The microscope device according to claim 1 or 2, wherein any one selected from the group of ferromagnetic materials consisting of Fe, Ni, Co, Ti, and Gd is added to the outer space close to the carbon nanotubes. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 벽의 개수가 1∼100의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.The microscope device according to claim 1 or 2, wherein the number of walls of the carbon nanotubes is in the range of 1 to 100. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브의 직경이 0.5∼20㎚의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.The microscope device according to claim 1 or 2, wherein the carbon nanotubes have a diameter in the range of 0.5 to 20 nm. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브에 B, N, P로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 도핑물질이 첨가된 것을 특징으로 하는 현미경 장치.The microscope device according to claim 1 or 2, wherein any one of the doping materials selected from the group consisting of B, N, and P is added to the carbon nanotubes.
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