KR20060026209A - Method for arraying quantum dot using nano pipette - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노피펫을 이용하여 양자점을 배열하는 방법에 관한 것으로, 이 나노피펫을 이용한 양자점 배열방법은 C₆₀ 분자들을 가진 원자간력 현미경 다중 벽 탄소 나노튜브를 제공하는 단계, 다양한 기판의 표면에서 소정 거리만큼 위에 상기 탄소 나노튜브 팁을 위치시키는 단계, 상기 탄소나노튜브 팁에 소정의 전계를 일정 시간 동안 가하는 단계, 탄소나노튜브팁을 이동시키면, 상기 탄소나노튜브 팁의 내부에 메탈로플러렌이 들어 있을 때, 메탈로플러렌이 상기 탄소나노튜브 팁밖으로 흘러나와서 상기 기판표면에 증착되는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 원자간력 현미경 다중벽 탄소 나노튜브 팁에서 나노 공간을 나노피펫으로 사용하여, 이 공간들이 다양한 분자들로 채워질 수 있고 이러한 분자들을 흘러나오게 하여, 원자간력 현미경 다중 벽 탄소 나노튜브 팁을 나노 구조, 즉 양자점(quantum dot)과 양자선(quantum lines) 등을 만드는데 이용할 수 있다.The present invention relates to a method for arranging quantum dots using nanopipettes, which method provides an atomic force microscopy multi-walled carbon nanotube with C ₆₀ molecules at the surface of various substrates. Positioning the carbon nanotube tip over a predetermined distance, applying a predetermined electric field to the carbon nanotube tip for a predetermined time, and moving the carbon nanotube tip to form a metallofullerene in the carbon nanotube tip. When present, metallofullerene flows out of the carbon nanotube tip and is deposited on the substrate surface. According to the present invention, using a nanospace as a nanopipette at an atomic force microscope multiwall carbon nanotube tip, these spaces can be filled with various molecules and flow these molecules out, thereby allowing atomic force microscopic multiwall carbon nano Tube tips can be used to create nanostructures, such as quantum dots and quantum lines.

Description

나노피펫을 이용한 양자점 배열방법{Method for arraying quantum dot using nano pipette}Method for arraying quantum dot using nano pipette}

도 1a는 원자간력 현미경 다중벽 탄소 나노튜브 팁에 기초를 둔 나노피펫에 대한 모델 개요도이다.1A is a model schematic for a nanopipette based on atomic force microscopy multiwall carbon nanotube tips.

도 1b는 메탈로플러렌을 포함하고 있는 다중벽 탄소 나노튜브를 나타내는 도면이다.FIG. 1B is a diagram illustrating multi-walled carbon nanotubes containing metallofullerenes. FIG.

도 2a는 (10, 10) 탄소나노튜브 안으로 C₆₀ 플러렌이 흡수되는 동안 위치에 따른 C₆₀ 플러렌의 운동에너지를 나타낸다.Figure 2a shows the kinetic energy of C ₆₀ fullerene according to the position while the C ₆₀ fullerene is absorbed into (10, 10) carbon nanotubes.

도 2b는 (10, 10) 탄소나노튜브 안으로 C₆₀ 플러렌이 흡수되는 동안 위치에 따른 C₆₀ 플러렌의 전위에너지를 나타낸다.Figure 2b shows the potential energy of C ₆₀ fullerene by position while C ₆₀ fullerene is absorbed into (10, 10) carbon nanotubes.

도 3a는 (10, 10) 탄소나노튜브 안으로 C₆₀ 플러렌이 흡수되는 동안 MD시간에 따른 C₆₀ 플러렌의 운동에너지를 나타낸다.Figure 3a shows the kinetic energy of C ₆₀ fullerene with MD time while C ₆₀ fullerene is absorbed into (10, 10) carbon nanotubes.

도 3b는 (10, 10) 탄소나노튜브 안으로 C₆₀ 플러렌이 흡수되는 동안 MD시간에 따른 C₆₀ 플러렌의 속도를 나타낸다.Figure 3b shows the rate of C ₆₀ fullerene with MD time while C ₆₀ fullerene is absorbed into (10, 10) carbon nanotubes.

도 3c는 (10, 10) 탄소나노튜브 안으로 C₆₀ 플러렌이 흡수되는 동안 MD시간에 따른 C₆₀ 플러렌의 가속도를 나타낸다.Figure 3c shows the acceleration of C ₆₀ fullerene with MD time while C ₆₀ fullerene is absorbed into (10, 10) carbon nanotubes.

도 4a는 나노피펫 시스템을 이용한 단일 메탈로 플러렌 트랜지스터 배열 제작에 관한 모델 구조도이다.4A is a model structural diagram of fabricating a single metal fullerene transistor array using a nanopipette system.

도 4b는 외부 전계가 0.2 V/Å이고 MD 시간이 t < 2.5 ps 동안 적용되었을 때, 25 ps 이후 원자 구조를 나타낸다.4B shows the atomic structure after 25 ps when the external electric field is 0.2 V / mm and MD time is applied for t <2.5 ps.

도 4c는 외부 전계가 0.06 V/Å이고 100 ps 에서의 원자구조를 나타낸다.4C shows the atomic structure at 100 ps with an external electric field of 0.06 V / Å.

도 5a는 나노피펫 시스템을 이용한 나노리소 그래피에 관한 모델 구조도이다.5A is a model structural diagram of nanolithography using a nanopipette system.

도 5b는 나노피펫이 1Å/ps 속도를 가지고 움직일 때, 50ps 동안 외부 전계가 0.1 V/Å 가해졌을 때 50ps 에서의 원자구조를 나타낸다.FIG. 5B shows the atomic structure at 50 ps when an external electric field is applied at 0.1 V / mV for 50 ps when the nanopipette is moving at a speed of 1 dB / ps.

본 발명은 원자간력 현미경 다중 벽 나노튜브 팁에 기반을 둔 나노피펫에 관한 것으로, 상세하게는 이 나노피펫을 이용하여 양자점을 배열하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to nanopipettes based on atomic force microscopy multiwall nanotube tips, and more particularly, to a method of arranging quantum dots using the nanopipette.

근래, 탄소 및 기타 나노튜브들은 그 구조적 역학적 특성들로 인하여 안정한 나노 저장(nano-storage) 공간으로 응용할 수 있는 새로운 가능성을 보여주어 왔 다.Recently, carbon and other nanotubes have shown new possibilities for their application to stable nano-storage space due to their structural and mechanical properties.

특히, 새로운 형태의 자기 정렬된 복합 구조인 콩깍지 모양 나노튜브(nanopeapod)는 단일벽 탄소 나노튜브 안에 플러렌이 들어가 정렬되어 있는 구조로써, 최근에 보고되어지고 있다.In particular, the new type of self-aligned composite structure, pods of nanopore (nanopeapod) is a structure in which fullerenes are arranged in single-walled carbon nanotubes, which has been recently reported.

플러렌(C₆₀)이 탄소 나노튜브 내부로 흡수될 경우 에너지 측면에서 더욱 안정하기 때문에, 승화된 플러렌들은 노출된 탄소 나노튜브 팁 끝이나 측면의 핀홀(pin-hole) 결함을 통하여 빠르게 탄소 나노튜브 내부로 흡수된다.Since fullerenes (C ₆₀ ) are more stable in terms of energy when they are absorbed into the carbon nanotubes, the sublimed fullerenes quickly become internal to the carbon nanotubes through pin-hole defects at the tips or sides of the exposed carbon nanotube tips. Is absorbed into.

버키 셔틀(bucky shuttle)로 불리는 다중벽 나노튜브는 특정한 조건 하에서 합성되어지고, 동시에 외부에서 공급되는 정전기적인 힘에 의해 버키셔틀 메모리 소자로 동작하는 것이 알려졌다.Multi-walled nanotubes, called bucky shuttles, are known to be synthesized under certain conditions, and at the same time act as bucky shuttle memory devices by electrostatic forces supplied from the outside.

많은 메탈로 플러렌(metallofullerene)과 메탈로 플러렌 피포드(metallofullerene peapod)는 다양한 실험이나 이론적인 방법으로 합성되어 개발되어져 왔다. Many metallofullerenes and metallofullerene peapods have been synthesized and developed by various experiments or theoretical methods.

최근에, Daiguji 등은 nanofluidic 채널에서의 이온 전달을 연구하였고, Chan 등은 간단한 nanopores에서의 이온 전달을 연구하였다. Tuzun 등은 분자동역학 시뮬레이션을 사용하여 탄소 나노튜브 안에서의 유체 흐름에 대해 연구하였다.Recently, Daiguji et al. Studied ion transfer in nanofluidic channels and Chan et al. Studied ion transfer in simple nanopores. Tuzun et al. Studied the fluid flow in carbon nanotubes using molecular dynamics simulations.

최근에, Iwata 등은 마이크로 피펫을 제작하여 유기 용매가 채워진 마이크로 피펫의 다양한 응용을 보여주었다. 이것은 프로브-표면 거리의 응력 제어 (shear-force control)에 의해 제작 모드와 관찰 모드 사이를 조절 가능하며 나노 점(dot array)과 나노 선(line) 제작이 성공적으로 이루어졌다.Recently, Iwata et al. Have fabricated micropipettes to show various applications of micropipettes filled with organic solvents. It is possible to control between fabrication mode and observation mode by shear-force control of probe-surface distance, and nano dot array and nano line fabrication have been successful.

한편, 전자 소자의 크기 감소가 점점 가속됨에 따라 이제는 단일 분자 영역에 까지 이르게되었다. 분자 전자공학에서는 궁극적으로 수 나노미터의 극한 영역을 가진 회로를 예상하고 있다.On the other hand, as the size reduction of electronic devices has been accelerated, it has now reached the single molecular domain. Molecular electronics ultimately expect circuits with extreme regions of several nanometers.

분자를 사용하는 기본 소자가 소개되기도 하였는데, 이것들에는 음의 저항을 가지는 터널링 접합, 정류기, 간단한 전자 메모리와 논리 회로에서 쓰이는 전기적으로 구성 가능한 스위치 등이 있다.Basic devices using molecules have been introduced, such as tunneling junctions with negative resistance, rectifiers, simple electronic memories and electrically configurable switches used in logic circuits.

bridge- molecule의 선택과 단일 분자가 최종적으로 두 전극 사이에 포획되는지에 관한 확인을 위한 정확한 제어가 단일 분자 전자 소자의 구성에 기본적인 필요조건이다. 현재, 플러렌을 기반으로 하는 소자의 몇 가지가 실험적으로나 이론적으로 발명되어져오고 있다.Precise control for the selection of bridge-molecules and the confirmation that a single molecule is finally captured between two electrodes is a fundamental requirement for the construction of a single-molecule electronic device. Currently, several of the fullerene-based devices have been invented experimentally and theoretically.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 원자간력 현미경 다중벽 탄소 나노튜브 팁에서 나노 공간을 나노피펫으로 사용하여, 이 공간들이 다양한 분자들로 채워질 수 있고 이러한 분자들을 흘러나오게 하여, 원자간력 현미경 다중 벽 탄소 나노튜브 팁을 나노 구조, 즉 양자점(quantum dot)과 양자선(quantum lines) 등을 만드는데 이용하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the above problem, and the present invention uses nanospace as a nanopipette in an atomic force microscope multiwall carbon nanotube tip, so that these spaces can be filled with various molecules and flow through these molecules. The aim is to use atomic force microscopy multi-walled carbon nanotube tips to create nanostructures, such as quantum dots and quantum lines.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, C₆₀ 분자들을 가진 원자간력 현미경 다중 벽 탄소 나노튜브를 제공하는 단계, 구리로 만들어진 기판의 표면에서 소정 거리만큼 위에 상기 탄소 나노튜브 팁을 위치시키는 단계 및 상기 탄소나노튜브 팁에 소정의 전계를 일정 시간 동안 가하면서, 상기 탄소나노튜브팁을 이동시키면, C₆₀ 분자가 상기 탄소나노튜브 팁밖으로 흘러나와서 양자점을 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노피펫을 이용한 양자점 배열방법이 제공된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, providing an atomic force microscope multi-walled carbon nanotube with C ₆₀ molecules, by placing the carbon nanotube tip over a predetermined distance from the surface of the substrate made of copper positioning, and in that it comprises the step of arranging the carbon nanotubes when the tube tip to move, the CNT tip while for a given field period of time, come C ₆₀ molecules to flow out of the carbon nanotube tips QD A quantum dot array method using a nanopipette is provided.

한편, 상기 탄소 나노튜브는 9 개의 C₆₀ ⁺ 분자들을 가진 원자간력 현미경 이중 벽 (10,10)-(15,15) 탄소 나노튜브인 것이 바람직하다.The carbon nanotubes, on the other hand, are preferably atomic force microscope double wall (10,10)-(15,15) carbon nanotubes with nine C ₆₀ ⁺ molecules.

또한, 기판 표면과 탄소 나노튜브 팁 간의 거리는 18Å에서 8Å인 것이 바람직하다.In addition, the distance between the substrate surface and the carbon nanotube tip is preferably 18 kW to 8 kW.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail.

도 1a는 원자간력 현미경 다중벽 탄소 나노튜브 팁에 기초를 둔 나노피펫에 대한 모델 개요도이다.1A is a model schematic for a nanopipette based on atomic force microscopy multiwall carbon nanotube tips.

원자간력 현미경 다중벽 탄소 나노튜브 팁이 메탈로 플러렌이 합성된 후 정화된 상태의 메탈로 플러렌 탱크에 노출될 때, 승화된 메탈로 플러렌은 활성 에너지 장벽 없이 원자간력 현미경 다중 벽 팁 안으로 잘 들어간다.When an atomic force microscopy multiwall carbon nanotube tip is exposed to a purified metallo fullerene tank after metallurene synthesis has been synthesized, the sublimed metallofullerene is well integrated into the atomic force microscope multiwall tip without an active energy barrier. Enter

도 1b는 메탈로플러렌을 포함하고 있는 다중벽 탄소 나노튜브를 나타내는 도면이다.FIG. 1B is a diagram illustrating multi-walled carbon nanotubes containing metallofullerenes. FIG.

도 1b에 도시된 것같이, 원자간력 현미경 다중 벽 팁에 메탈로 플러렌이 차기에 충분한 시간이 흐른 뒤에 탄소 나노튜브 팁이 기판 위에서 움직이고, 외부에서 가해지는 정전기력 장과 팁의 제어에 의해 기판 위에 메탈로 플러렌이 놓여진다.As shown in FIG. 1B, the carbon nanotube tip is moved over the substrate after sufficient time has passed for the atomic force microscope multi-wall tip to fill the metal fullerene, and the substrate is controlled by an electrostatic force field and tip applied externally. Fullerene is placed into the metal.

본 발명에서는 9 개의 C₆₀ ⁺ 분자들을 가진 원자간력 현미경 이중 벽 (10,10)-(15,15) 탄소 나노튜브 팁으로부터 C₆₀ ⁺ 분자들의 흐름에 대하여 살펴본다.The present invention looks at the flow of C ₆₀ ⁺ molecules from an atomic force microscope double wall (10,10)-(15,15) carbon nanotube tip with nine C ₆₀ ⁺ molecules.

C-C 반응에 대해서, 본 발명에서는 탄소 시스템에 널리 사용되어왔던 Tersoff-Brenner 전위식 함수를 사용한다. 원거리 반응은 Lennard- Jones 12-6 (LJ12-6) 전위식(potential)을 사용하여 묘사한다. 그러므로, 외부 힘장 아래에서 나노피펫 시스템의 에너지는 다음의 수학식 1로 계산된다.For the C-C reaction, the present invention uses the Tersoff-Brenner potential equation function, which has been widely used in carbon systems. Far-field reactions are described using Lennard- Jones 12-6 (LJ12-6) potential. Therefore, the energy of the nanopipette system under the external force field is calculated by the following equation.

여기서, E _b 는 총 전위 에너지, E_ext는 외부 힘 장(force field)에 의한 입자에 미치는 전위 에너지, E_{Tersoff-Brenner}와 E_vdW는 각각 Tersoff-Brenner 전위식 함수에서 얻어진 공유 결합 에너지와 LJ12-6 전위 함수에서 얻어진 반데르발스 에너지를 의미한다. E_vdW는 Tersoff-Brenner 전위식 값이 0으로 접근한 후에만 값이 존재하도록 하였으며, Tersoff-Brenner 전위식과 LJ12-6 전위식은 3차원 분할(cubic spline) 함수로 연결된다.Where E _b is the total potential energy, E _ext is the potential energy on the particle due to the external force field, and E _{Tersoff-Brenner} and E _vdW are the covalent bond energy and LJ12- obtained from the Tersoff-Brenner potential equation, respectively. 6 means van der Waals energy obtained from the potential function. E _vdW ensures that the value exists only after the Tersoff-Brenner dislocation equation approaches zero, and the Tersoff-Brenner dislocation equation and the LJ12-6 dislocation equation are connected by a cubic spline function.

여기서, r_ij 는 원자간 거리, c_n,k는 cubic spline 계수, R_S는 Tersoff-Brenner 전위식 함수의 cut off 거리인 2Å, R_M은 3.2Å이고 R_B는 10Å이다. LJ12-6 전위식 파라미터는 ε= 0.0042 eV, σ= 3.37Å이다. Where r _ij is the interatomic distance, c _{n, k} is the cubic spline coefficient, R _S is the cutoff distance of the Tersoff-Brenner potential equation function is 2Å, R _M is 3.2Å and R _B is 10Å. The LJ12-6 potential parameters are ε = 0.0042 eV, σ = 3.37 kV.

탄소 나노튜브 안에 플러렌이 포함된 시뮬레이션과 또한 분자동역학 시뮬레이션을 사용하여, C₆₀@(10,10) 탄소 나노튜브의 형성 에너지는 C₆₀ 당 3 ~ 4 eV 이다.Using the carbon nanotubes in the simulation contains a fullerene and also molecular dynamics simulation, C ₆₀ @ (10,10) forming the energy of the carbon nanotubes is 3 ~ 4 eV per C _60.

본 발명에서는 9개의 C₆₀ 분자들을 둘러싸는 (10,10)-(15,15) 이중 벽 탄소나노튜브를 사용하였다. 이중 벽 탄소 나노튜브 길이는 115Å이고 9 개의 C₆₀ 분자는 초기에 11Å 만큼씩 떨어져있다. 이완된 구조는 300 K에서 10ps 동안 분자동역학 시뮬레이션에서 얻어졌다. In the present invention, (10,10)-(15,15) double-walled carbon nanotubes surrounding nine C ₆₀ molecules were used. Double-walled carbon nanotubes are 115 Å in length and nine C ₆₀ molecules are initially 11 Å apart. The relaxed structure was obtained in a molecular dynamics simulation for 10 ps at 300 K.

일반적으로 다중벽 나노튜브가 실험적으로 쉽게 합성되며, 현재까지 원자간력 현미경 및 주사 터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscope) 팁으로 합성된 탄소 나노튜브 팁은 다중벽 나노튜브이다. 따라서, 본 실시예에서는 다중벽 나노튜브를 사용하여 시뮬레이션 발명을 하였다.In general, multi-walled nanotubes are easily synthesized experimentally. To date, carbon nanotube tips synthesized by atomic force microscopes and scanning tunneling microscope tips are multi-walled nanotubes. Therefore, in the present embodiment, a simulation invention was performed using multiwall nanotubes.

플러렌 흡수가 잘 일어나는 나노튜브는 (10,10) 또는 (17,0) 나노튜브로 알려져 있고, 그 중의 하나인 (10,10)을 가장 작은 반경의 나노튜브로 사용하였고 이 나노튜브와 반경 차이가 3.4Å 정도인 (15,15) 나노튜브를 외각 나노튜브로 고려하였다. 그러나, 실질적으로는 더 큰 반경의 나노튜브들을 가지는 다중벽 나노튜브가 사용될 수 있다.Nanotubes with fullerene absorption are known as (10,10) or (17,0) nanotubes, and one of them, (10,10), is used as the smallest radius nanotube and the radius difference (15,15) nanotubes with a diameter of about 3.4 Å were considered as outer nanotubes. However, multi-walled nanotubes with substantially larger radius nanotubes can be used.

기판은 (100)구리표면이라고 가정하였다. (100) 구리 표면은 35Å × 105 Å 안에 2400 개의 원자로 구성되어있는 4 개의 원자 층으로 구성되어있고, 맨 아래층은 분자동역학 시뮬레이션 동안 고정되어있고 그 외의 층은 일정한 온도에서 강제 동역학(constraint dynamics)이 사용되었다. 또한 주기적인 경계조건이 측면 방향으로 적용되었다. The substrate was assumed to be a (100) copper surface. The (100) copper surface consists of four atomic layers consisting of 2400 atoms in 35 Å × 105 Å, while the bottom layer is fixed during molecular dynamics simulations, while the other layers are subject to constraint dynamics at constant temperature. Was used. Periodic boundary conditions were also applied laterally.

본 실시예에서, σ=2.277Å 과 ε=0.415 eV 인 파라미터를 사용하여 간단한 LJ12-6 전위식과 cutoff distance를 2.2σ으로 사용한다.In this embodiment, a simple LJ12-6 potential equation and cutoff distance of 2.2 σ are used, with parameters σ = 2.277 Å and ε = 0.4415 eV.

본 실시예에서는 또한 최고 경사 (steepest descent; SD) 방법과 MD 법을 동시에 사용한다. 본 실시예에서 사용된 MD 코드에는 velocity Verlet 알고리즘과 계산 효율을 높이기 위해 인접원자 목록(neighbor list)을 채택하였으며, MD time step은 5 ×10^-4ps 이다.The present embodiment also uses the steepest descent (SD) method and the MD method simultaneously. The MD code used in this embodiment employs a velocity verlet algorithm and a neighbor list to increase computational efficiency, and the MD time step is 5 × 10 ⁻⁴ ps.

초기 속도는 맥스웰 분포로부터 얻어졌으며 진폭은 시스템에서 온도를 유지 하기 위해 조절된다. Gunsteren-Berendsen thermostat를 사용하여 플러렌을 제외한 모든 원자에 대해 온도를 제어한다.Initial velocity was obtained from the Maxwell distribution and the amplitude was adjusted to maintain temperature in the system. Gunsteren-Berendsen thermostats are used to control the temperature for all atoms except fullerene.

먼저 본 발명에서는 (10,10) 탄소나노튜브 안으로 C₆₀을 넣는 분자동역학 시뮬레이션을 수행하였다.First, in the present invention, a molecular dynamics simulation of putting C ₆₀ into (10,10) carbon nanotubes was performed.

도 2는 열려진 끝으로부터 (10,10) 탄소 나노튜브로 C₆₀ 분자가 들어가는 동역학을 나타낸다. 탄소 나노튜브의 열려진 끝을 0Å 으로 잡고 C₆₀ 플러렌은 -10 Å에 위치하였다. 구조는 초기에 SD 법에 의해 이완되었다. 본 발명에서는 둘러싸이는 동역학을 SD와 분자동역학으로 구현하였다. SD 시뮬레이션에서, C₆₀ 플러렌의 원자 위치는 0.01Å씩 증가되었고 이 때 각 위치에서 구조는 SD 법에 의해 이완되었다. 분자동역학 시뮬레이션에서, 탄소 나노튜브와 C₆₀ 플러렌의 운동 에너지는 각각 초기에 0 과 1 K 이었다. 1 K에 대한 가우시안 난수는 C₆₀ 플러렌의 초기 원자 속도에 배정되었다.2 shows the kinetics of entry of C ₆₀ molecules into (10,10) carbon nanotubes from the open ends. The open end of the carbon nanotube was held at ₀ mm 3 and the C ₆₀ fullerene was located at -10 mm 3. The structure was initially relaxed by the SD method. In the present invention, the enclosed kinetics is implemented by SD and molecular dynamics. In the SD simulations, the atomic positions of the C ₆₀ fullerenes were increased by 0.01 ms, with the structure relaxed at each position by the SD method. In molecular dynamics simulations, the kinetic energies of carbon nanotubes and C ₆₀ fullerene were initially 0 and 1 K, respectively. Gaussian random numbers for 1 K were assigned to the initial atomic velocity of C ₆₀ fullerene.

분자동역학 시뮬레이션에서, 강제 동역학(constraint dynamics)은 적용되지 않았다. 도 2a는 C₆₀ 플러렌 위치의 함수인 C₆₀ 플러렌의 운동 에너지를 보여준다. C₆₀ 이 나노튜브 내부로 흡수되는 대는 약 10 ps 이 걸렸다. 도 2b는 C₆₀ 플러렌의 중심 위치와 시뮬레이션 방법에 따른 시스템의 총 에너지(U_total)을 보여준다. SD 법에 의한 U_total은 분자동역학에 의한 값과 같다. (10,10) 탄소 나노 튜브 안으로 C₆₀ 플러렌을 집어넣었을 때의 발열 에너지는 4.3 eV 이고, 이 때 위치 에너지(potential)는 도 2b에 보듯이 C₆₀ 플러렌의 운동 에너지로 모두 변화된다.In molecular dynamics simulations, constraint dynamics were not applied. 2A shows the kinetic energy of C ₆₀ fullerene as a function of C ₆₀ fullerene position. The absorption of C ₆₀ into the nanotubes took about 10 ps. Figure 2b shows the central position of the C ₆₀ fullerene and the total energy (U _total ) of the system according to the simulation method. U _total by the SD method is equal to the value by molecular dynamics. When the C ₆₀ fullerene is inserted into the (10,10) carbon nanotube, the exothermic energy is 4.3 eV, and the potential energy is changed to the kinetic energy of the C ₆₀ fullerene as shown in FIG. 2B.

(10,10) 탄소 나노튜브로 C₆₀을 집어넣기 위한 활성 에너지는 본 발명에서 0 이다. The activation energy for injecting C ₆₀ into (10,10) carbon nanotubes is zero in the present invention.

한편, 둘러싸인 C₆₀ 분자가 나노 피펫 밖으로 흘러나오기 위해서는 외부에서 가해지는 전계에 의해 가속이 될 수 있는 전하를 띤 메탈로플러렌이 나노피펫 안에 들어가 있어야 한다. On the other hand, in order for the enclosed C ₆₀ molecules to flow out of the nanopipette, a charged metallofullerene, which can be accelerated by an external electric field, must enter the nanopipette.

도 3은 MD 시간에 따른 C₆₀ 플러렌의 운동 에너지, 속도와 가속도를 나타낸다. C₆₀ 플러렌이 탄소 나노튜브 안으로 완전히 들어간 후에, C₆₀ 플러렌의 운동 에너지와 속도는 C₆₀ 플러렌과 벽 사이의 마찰에 의해 선형적으로 조금씩 감소한다. C₆₀ 플러렌의 가속도의 최고점은 탄소 나노튜브 입구의 끝에 있고 이 때 해당하는 힘은 3.9 eV/Å이다. 탄소 나노튜브 안에서 C₆₀ 플러렌의 가속도는 평균적으로 -0.03542 Å/ps² 인데 이는 표면과의 마찰 때문이다.3 shows the kinetic energy, velocity and acceleration of C ₆₀ fullerene over MD time. C ₆₀ fullerene and after the completely entered into the carbon nanotubes, the kinetic energy and the speed of the C ₆₀ fullerene is gradually reduced linearly by the friction between the fullerene C ₆₀ as a wall. The peak of the C ₆₀ fullerene's acceleration is at the end of the carbon nanotube inlet, with a corresponding force of 3.9 eV / kW. The acceleration of C ₆₀ fullerenes in carbon nanotubes is on average -0.03542 Å / ps ² due to friction with the surface.

탄소 나노튜브의 빨아들이는 힘은 플러렌 흡입을 유도하고, 이 때 흡입된 플러렌은 쉽게 탄소 나노튜브로부터 빠져나가지 못한다.The sucking force of the carbon nanotubes induces fullerene inhalation, where the inhaled fullerenes do not easily escape from the carbon nanotubes.

다음은 나노피펫 시스템을 시용한 단일 메탈로 플로렌 트랜지스터 배열 제작 에 대하여 예를 들어 설명한다.Next, an example of fabricating a single metal florene transistor array using a nanopipette system will be described.

실시예 1Example 1

도 4는 원자간력 현미경 탄소 나노튜브 팁에 기반을 둔 나노피펫을 양자점 배열(quantum dot array) 제조에 적용시킨 예를 나타낸다.4 shows an example of applying a nanopipette based on atomic force microscopy carbon nanotube tips to the production of quantum dot arrays.

도 4에서는 다양한 전계 조건을 적용하여 원자간력 현미경 이중 벽 탄소 나노튜브 팁으로부터 메탈로플러렌이 흘러나오는 것을 분자동역학 시뮬레이션한다.In FIG. 4, various dynamic field conditions are applied to simulate the dynamics of metallofullerene flow from the atomic force microscope double wall carbon nanotube tip.

원자간력 현미경 이중 벽 탄소 나노튜브 팁의 최종 위치는 구리 표면보다 10 Å 만큼 위에 놓여진다. 모든 분자동역학 시뮬레이션은 100 K에서 이루어졌다.The final position of the atomic force microscope double wall carbon nanotube tip lies 10 kPa above the copper surface. All molecular dynamics simulations were performed at 100 K.

도 4b는 외부 전계가 0.2 V/Å 이고 MD 시간이 t < 2.5 ps 동안 적용되었을 때, 25 ps 이후 원자 구조를 보여준다.4B shows the atomic structure after 25 ps when the external electric field is 0.2 V / Å and MD time is applied for t <2.5 ps.

도 4b에서, 두 개의 C₆₀ 분자가 이중 벽 탄소 나노튜브로부터 나오고 나서 구리 표면에 증착되었다. 공급되는 전계가 사라져도, C₆₀ 분자가 가속에 의해 운동 에너지가 증가되었으므로, 맨 밑의 두 개의 C₆₀ 분자들은 C₆₀ 분자의 탈출 에너지 장벽을 넘어설 수 있다.In FIG. 4B, two C ₆₀ molecules emerged from the double walled carbon nanotubes and then deposited on the copper surface. Even if the supplied electric field disappears, the bottom two C ₆₀ molecules can cross the C ₆₀ molecule's escape energy barrier, since the C ₆₀ molecules accelerated their kinetic energy.

도 2와 3에 나타낸 것같이, 탄소 나노튜브 안에서 C₆₀ 의 동역학에 마찰과 에너지 손실은 존재하고, C₆₀ 분자들의 초기 위치와 초기 속도가 그것들의 가속과 내부 동역학에 영향을 미친다.As shown in Figures 2 and 3, friction and energy losses exist in the dynamics of C ₆₀ in carbon nanotubes, and the initial position and initial velocity of the C ₆₀ molecules affect their acceleration and internal dynamics.

그러므로, 튜브 축을 따른 C₆₀ 분자들의 위치 변동은 서로 다르게 나타났다. 외부 전계 0.2 V/Å 가 MD 시간 t < 2.0 ps 동안에 공급되었을 때, 하나의 C₆₀ 분자가 이중 벽 탄소 나노튜브에서 빠져나와서 구리 표면에 증착된다.Therefore, the positional variation of the C ₆₀ molecules along the tube axis was different. When an external electric field of 0.2 V / mm3 was supplied during MD time t <2.0 ps, one C ₆₀ molecule exited the double walled carbon nanotubes and deposited on the copper surface.

공급된 전계는 이중 벽 탄소 나노튜브로부터 C₆₀ 분자를 밀어낼 수 없기 때문에, 맨 밑의 C₆₀ 분자는 스스로 빠져나오지 못한다. 그러나, 공급된 전계가 사라진 후에, 외부 전계에 의해 가속되었던 다른 C₆₀ 분자들은 그들의 운동 에너지를 연속적인 충돌에 의해 맨 밑의 C₆₀ 분자들로 전달했기 때문에, 맨 밑의 C₆₀ 분자는 이중 벽 탄소 나노튜브로부터 빠져나온다.Since the supplied electric field cannot push C ₆₀ molecules out of the double-walled carbon nanotubes, the bottom C ₆₀ molecules do not escape themselves. However, after the supplied electric field disappeared, the other C ₆₀ molecules accelerated by the external electric field transferred their kinetic energy to the bottom C ₆₀ molecules by successive collisions, so the bottom C ₆₀ molecules were double-walled. Escape from the carbon nanotubes.

도 4c는 100 ps 동안의 분자동역학 시뮬레이션 결과를 보여준다. MD 시간이 15 ps 이하일 경우에는 이중 벽 탄소 나노튜브 팁이 움직이지 않고 초기 위치를 유지하였고, MD 시간이 15 에서 65 ps 일 경우에는 1 Å/ps 의 속도로 50 Å 만큼 팁이 움직였고 100 ps 가 될 때에 팁은 멈추었다. 4C shows the results of the molecular dynamics simulation for 100 ps. If the MD time was 15 ps or less, the double-walled carbon nanotube tip remained in the initial position without moving. If the MD time was 15 to 65 ps, the tip moved by 50 50 at a rate of 1 Å / ps and 100 ps. At the end the tip stopped.

MD 시간이 0 에서 15 ps 와 65 에서 75 ps 일 때에 외부 전계 0.06 V/Å 가 시스템에 가해졌다.At MD times 0 to 15 ps and 65 to 75 ps, an external electric field of 0.06 V / k was applied to the system.

팁의 높이가 조절될 경우, 도 4a와 같은 공정은 좀 더 효율적으로 구현될 수 있다. 기판 표면과 탄소 나노튜브 팁 간의 거리가 22Å 이상으로 넓다면, 탄소 나노튜브 팁에 둘러싸인 C₆₀ 분자는 외부 전계에 의해 표면에 증착되고 다른 C₆₀ 분자들도 역시 흘러나올 수 있다. 왜냐하면, 팁으로부터 다른 C₆₀ 분자들이 빠져나올 수 있는 간격이 있기 때문이다.When the height of the tip is adjusted, the process as shown in Figure 4a can be implemented more efficiently. If the distance between the substrate surface and the carbon nanotube tip is wider than 22 microns, the C ₆₀ molecules surrounded by the carbon nanotube tips may be deposited on the surface by an external electric field and other C ₆₀ molecules may also flow out. Because there is a gap where other C ₆₀ molecules can escape from the tip.

간격이 18Å에서 8Å 정도이면, 단지 가장 밑에 있는 C₆₀ 분자만이 기판 표면에 증착될 수 있다. 이러한 경우, 구리 표면- C₆₀ 간의 바인딩 에너지는 2.0 에서 2.4 eV 으로 이 값은 C₆₀ - C₆₀ 간의 바인딩 에너지 0.3에서 0.4 eV 보다 높은 값이고 (10,10) 탄소 나노튜브에 의해 C₆₀ 분자에 미치는 흡입력은 약 4 nN 이기 때문에, 다른 C₆₀ 분자들은 자연적으로 외부 전계가 가해지지 않을 때 탄소 나노튜브 안으로 빨려 들어간다. 그러므로 간격이 18Å에서 8Å 정도일 때, 도 4a와 같은 공정은 이루어질 수 있다.If the spacing is between 18 and 8 microns, only the bottommost C ₆₀ molecules can be deposited on the substrate surface. In this case, the binding energy between the copper surface and C ₆₀ is from 2.0 to 2.4 eV, which is higher than the binding energy between C ₆₀ and C ₆₀ from 0.3 to 0.4 eV, and (10,10) on the C ₆₀ molecule by carbon nanotubes. Because the suction force is about 4 nN, other C ₆₀ molecules are naturally sucked into the carbon nanotubes when no external electric field is applied. Therefore, when the interval is about 18 ms to 8 ms, the process as shown in Fig. 4a can be made.

다음은 나노피펫 시스템을 시용한 리소그래피에 대하여 예를 들어 설명한다.The following describes an example of lithography using a nanopipette system.

실시예 2Example 2

도 5a는 나노 피펫 시스템을 이용한 나노 리소그래피에 관한 모델도이다. 도 5b는 외부 전계 0.1 V/Å 이 50 ps 동안 가해졌을 때 MD 시뮬레이션을 수행한 결과를 보여준다. 이중 벽 탄소 나노튜브 팁은 1 Å/ps의 속도로 50Å을 움직였으므로, 빠져나가는 C₆₀ 분자들은 도 5b에 보이듯이 팁이 움직이는 방향에 따라 증착되었다.5A is a model diagram for nanolithography using a nano pipette system. 5B shows the result of performing the MD simulations when an external electric field of 0.1 V / kV was applied for 50 ps. Since the double walled carbon nanotube tip moved 50 kV at a rate of 1 kW / ps, the exiting C ₆₀ molecules were deposited along the direction in which the tip moved as shown in FIG. 5B.

본 발명에서의 분자동역학 시뮬레이션에서 계산의 속도를 고려한 팁 속도 1 Å/ps 는 실제 원자간력 현미경 팁 속도보다 훨씬 빠르다. In the present invention, in the molecular dynamics simulation, the tip velocity 1 Å / ps considering the speed of calculation is much faster than the actual atomic force microscope tip velocity.

탄소 나노튜브 안에 포함된 메탈로플러렌은 안정적이기 때문에, 승화된 메탈 로플러렌에 탄소 나노튜브가 노출될 때 빠르게 탄소 나노튜브로의 흡수가 발생하기 때문에, 탄소 나노튜브 팁 안의 나노 공간은 메탈로플러렌으로 쉽게 채워질 수 있다.Since the metallofullerenes contained within the carbon nanotubes are stable, the absorption of carbon nanotubes occurs rapidly when the carbon nanotubes are exposed to the sublimated metal lofullerenes, so that the nanospace within the carbon nanotube tips is filled with metallofullerenes. Can be easily filled with

탄소 나노튜브 안의 나노 공간이 승화된 메탈로플러렌에 노출될 경우 다시 채워질 수 있기 때문에, 팁은 화학반응이나 기계적인 변형이 없는 이상적인 경우 영구적으로 사용될 수 있다.Because nanospaces in carbon nanotubes can be refilled when exposed to sublimated metallofullerenes, tips can be used permanently in ideal cases without chemical reactions or mechanical deformations.

그러나 본 실시예에서, 시뮬레이션은 나노 리소그래피의 가능성을 보여준 것이다. 본 실시예의 시뮬레이션 결과는 현재와 미래의 분자-전자 소자 제작에서 가장 중요한 공정 중의 하나인 나노 리소그래피에 적용될 수 있다. 본 발명의 분자동역학 시뮬레이션에서, C₆₀ 분자들은 외부 전계가 0.1 V/Å 이상일 때 탄소 나노튜브 팁 밖으로 쉽게 흘러나올 수 있는 반면에, 외부 전계가 0.05 V/Å 이하일 경우에는 탄소 나노튜브 팁 밖으로 좀처럼 흘러나오지 못하였다. 공급되는 전계가 0.05 에서 0.09 V/Å 사이 이었을 경우에는, 둘러싸인 C₆₀ 분자들의 개수, 초기 위치, 초기 속도가 공급되는 전계 만큼 C₆₀ 분자의 흘러나옴에 영향을 미쳤다.However, in this example, the simulation shows the possibility of nanolithography. The simulation results of this embodiment can be applied to nanolithography, one of the most important processes in the fabrication of current and future molecular-electronic devices. In the molecular dynamics simulations of the present invention, C ₆₀ molecules can easily flow out of the carbon nanotube tip when the external electric field is 0.1 V / Å or more, while rarely out of the carbon nanotube tip when the external electric field is 0.05 V / Å or less. It did not flow. When the supplied electric field was between 0.05 and 0.09 V / Å, the number, initial position, and initial velocity of the enclosed C ₆₀ molecules affected the flow of C ₆₀ molecules by the electric field supplied.

본 실시예의 분자 동역학 시뮬레이션에서 내부의 C₆₀ 분자들의 초기 위치, 초기 속도와 개수 또한 외부에서 공급되는 전계들은 C₆₀ 분자들이 흘러나오는 정도에 영향을 미쳤다. In the molecular dynamics simulation of the present embodiment, the initial position, initial velocity, and number of internal C ₆₀ molecules and externally supplied electric fields influenced the extent of the C ₆₀ molecules flowing out.

최근에, 콩깍지 모양 질화 붕소(boron-nitride peapod) 나노튜브, 즉 단일 벽 질화 붕소 나노튜브 안에 C₆₀ 분자가 가득 찬 구조가 합성되어졌다.Recently, a structure full of C ₆₀ molecules in a boron-nitride peapod nanotube, ie, a single wall boron nitride nanotube, has been synthesized.

또한 다른 형태의 콩깍지 모양(peapod)도 제작될 것이 예상된다. 질화 붕소 나노튜브가 키랄리티에 관계없이 항상 전기적 절연체이고 탄소 나노튜브 보다 화학적인 산화에 더 잘 견디므로, 도 4와 5에서 외부에서 전계가 가해져서 작동되는 피펫을 위해서는 탄소 콩깍지 모양(peapod) 보다 질화 붕소 나노튜브가 더 적합하다고 사료된다. 그러므로, 다른 종류의 꽁깍지 모양(peapod)도 고려될 수 있다.It is also expected that other types of peapods will be made. Since boron nitride nanotubes are always electrical insulators and are more resistant to chemical oxidation than carbon nanotubes, regardless of chirality, carbon pipettes can be used for pipettes operated externally in FIGS. 4 and 5. Boron nitride nanotubes are considered more suitable. Therefore, other kinds of peapod may also be considered.

원자간력 현미경 다중벽 탄소 나노튜브 팁에서 나노 공간을 나노피펫으로 사용하여, 이 공간들이 다양한 분자들로 채워질 수 있고 이러한 분자들을 흘러나오게 하여, 원자간력 현미경 다중 벽 탄소 나노튜브 팁을 나노 구조, 즉 양자점(quantum dot)과 양자선(quantum lines) 등을 만드는데 이용할 수 있다.Using nanospaces as nanopipettes in an atomic force microscopy multiwall carbon nanotube tip, these spaces can be filled with various molecules and let these molecules flow out so that the atomic force microscopy multiwall carbon nanotube tips can be nanostructured That is, it can be used to make quantum dots and quantum lines.

Claims (4)

C₆₀ 분자들을 가진 원자간력 현미경 다중 벽 탄소 나노튜브를 제공하는 단계;Providing an atomic force microscope multi-walled carbon nanotube with C ₆₀ molecules; 다양한 기판의 표면에서 소정 거리만큼 위에 상기 탄소 나노튜브 팁을 위치시키는 단계;Positioning the carbon nanotube tips over a distance from the surfaces of the various substrates; 상기 탄소나노튜브 팁에 소정의 전계를 일정 시간 동안 가하는 단계;Applying a predetermined electric field to the carbon nanotube tip for a predetermined time; 상기 탄소나노튜브팁을 이동시키면, 상기 탄소나노튜브 팁의 내부에 메탈로플러렌이 들어 있을 때, 메탈로플러렌이 상기 탄소나노튜브 팁밖으로 흘러나와서 상기 기판표면에 증착되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노피펫을 이용한 양자점 배열방법.Moving the carbon nanotube tip, when metallofullerene is contained in the carbon nanotube tip, the metallofullerene flows out of the carbon nanotube tip and is deposited on the surface of the substrate; Quantum dot array method using a nanopipette. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소 나노튜브는 메탈로풀러렌 분자들을 가진 원자간력 현미경 다중별 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 나노피펫을 이용한 양자점 배열방법.The carbon nanotubes are quantum dot array method using a nanopipette, characterized in that the atomic force microscope multi-star carbon nanotubes with metallofullerene molecules. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 기판 표면과 탄소 나노튜브 팁 간의 거리는 18Å에서 8Å인 것을 특징으로 하는 나노피펫을 이용한 양자점 배열방법.The distance between the surface of the substrate and the carbon nanotube tip is 18Å to 8Å quantum dot array method using a nanopipette. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 외부 전계가 0.1 V/Å 이 50 ps 동안 가해지면, 상기 이중 벽 탄소 나노튜브 팁이 1 Å/ps의 속도로 50 Å을 움직이고,When the external electric field is applied at 0.1 V / mV for 50 ps, the double-walled carbon nanotube tip moves 50 mV at a rate of 1 mV / ps, 상기 이중벽 탄소나노튜브팁으로부터 빠져나가는 메탈로플러렌들은 상기 탄소 나노튜브 팁이 움직이는 방향에 따라 상기 기판위에 증착되는 것을 특징으로 하는 나노피펫을 이용한 양자점 배열방법.The metallofullerenes exiting from the double-walled carbon nanotube tips are deposited on the substrate according to the direction in which the carbon nanotube tips move.

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