고에너지 이온빔의 나노기술에의 활용


우형주, 김영석, 최한우, 홍완, 김기동
한국지질자원연구원, 이온빔응용연구그룹

나노입자, 특히 나노결정을 형성하는 기술로는 다양한 물리적, 화학적 방법들이 소개되고 있으며 고에너지 이온주입 또한 나노결정 형성에 유용한 수단이 될 수 있다. 이온주입에 의한 주입이온의 과포화상태 형성과 후속열처리에 의한 이온석출과정을 통해 수 nm - 수십 nm 크기의 나노결정 생성이 가능하다. 이온주입방법은 비평형기술이므로 과포화형성이 용이하고, 매질 및 주입이온의 종류와 대체로 무관한 다양한 조합이 가능하며, 주입이온의 선량, 에너지 및 열처리공정에 따라 결저으이 크기, 밀도, 깊이제어가 용이하다. 또한 주입이온을 달리하여 연속적으로 조사하면 화합물결정 형성이 가능하며, 매질내부에 형성되므로 결정의 특성이 보존될 수 있다. 특히 기존의 반도체공정과의 양립이 가능한 점이 반도체분야에의 활용성을 짐작케 한다. 현재의 문제점으로는 결정입도의 불균일성, 이온빔조사에 따른 방사선상해 등으로서 실용화를 위해 극복되어야 할 부분이기도 하다. 대표적인 활용예로 Si바탕 광전자소자를 들 수 있다. 이온주입에 의해 형성된 Si 나노결정에 Er을 도핑하면 Si 나노결정이 공명에너지 전달체가 되고, Er은 SiO2내에 존재하므로 비방사전이가 크게 억제된다. 따라서 상온에서의 Er에 의한 1.54 nm 발광효율이 Si에 Er을 단순히 도핑한 경우에 비해 수십배 증가하여 Si매질의 광전자소자 개발이 가능해 진다. 반도체 나노결정을 이용한 발광소자뿐만 아니라 강자성 나노결정을 이용한 초고밀도 자기기록수단으로서도 활용이 예상되며 이온주입법의 공정상 다양성을 고려할 때 나노기술을 위한 기반기술중의 하나가 될 것으로 기대된다.

한국물리학회 2001년도 추계학술대회, 10. 19-20, 전남대학교, 광주

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