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  • 초소형 주사 나노온도계등록일 : 2015/12/14
  • 날카로운 실리콘 팁을 가진 다이아몬드 나노결정(diamond nanocrystal)을 기반으로 하는 가장 작은 온도계가 뉴욕 시립대학(City University of New York) 연구팀에 의해 개발되었다. 광학 및 원자현미경(atomic force microscope)에 장착되면, 재료에서의 나노크기의 정밀도로 열의 흐름을 지도화할 수 있다. 또한 집적 전자기기(integrated electronics)에서 원치 않는 열을 발생시키는 반도체 헤테로구조의 접합에서의 열점(hot spot)을 분석하는데 활용할 수도 있다.

    뉴욕 주립대학의 Elisa Riedo가 이끄는 연구팀은, 온도계를 제작하기 위해 다이아몬드 내의 질소 공백 센터(nitrogen vacancy ceter)에 대해 연구하였다. 질소 공백은 인근의 2개의 탄소 원자가 질소 원자에 의해 대체되면서 격자에 빈 공간이 발생할 때 나타나는 결함이다.

    질소 공백의 기저상태(ground state)는 두 개의 에너지 수준(energy level)으로 나눠지며, 이 두 에너지 수준 간의 차이를 전이 주파수(transition frequency)라고 한다. 다이아몬드가 냉각되거나 가열될 때, 질소 공백의 전이 주파수도 이에 따라 변동된다. 본 연구에서는 나노온도계(nanothermometry) 기술을 이용해 이런 변동 사항을 정확히 측정하는 방법과, 이 측정값을 이용해 나노다이아몬드의 온도를 정확히 계산하는 방법을 소개하고 있다. 다이아몬드는 열을 잘 전달하는 물질이기 때문에, 주변 환경의 온도와 거의 동일한 온도를 나타낸다.

    온도 및 열전도도의 측정
    Riedo 및 Meriles는 날카로운 실리콘 팁의 말단에 나노다이아몬드 결정을 부착하였다. 그리고 이것을 광학 현미경과 결합된 원자 현미경(atomic force microscope)에 장착하고, 원자 단위의 정밀도로 이동시켜 시편의 접촉을 하도록 하였다. 이 팁이 시편의 표면을 스캐닝하면서 현미경을 이용해 질소 공백의 주파수 이동을 측정함으로써, 연구팀은 시편의 서로 다른 지점에서의 온도를 추론할 수 있었다.

    또한 연구팀은 이 팁을 외부 전류에 의해 온도 조절이 가능한 뜨거운 실리콘 팁에 부착하였다. 보통 팁은 금속과 같은 열 전도성 물질과 접촉하면 뜨거운 팁은 냉각이 낸다. 하지만, 만약 시편이 열적인 절연체라면 팁은 냉각되지 않는다. 팁이 시편을 가로질러 스캐닝하면서 팁과 시편이 접촉할 때 팁의 온도를 연속적으로 측정함으로써, Riedo 및 Meriles의 연구팀은 나노미터 크기로 시편에서의 열 전도도 지도를 작성할 수 있었다.

    나노크기의 열 흐름을 이해하는 것은, 집적 전자기기를 설계하는데 핵심적이다. 비록 현재 몇몇 기술이 거시적 간격에서의 열 이동을 관찰하기 위해 사용되고 있지만, 나노미터 해상도에서의 열 흐름의 동력학 및 정량적 분석을 할 수 있는 새로운 기법이 필요한 상황이었다고 저자는 밝혔다.

    나노구조에서의 열 흐름을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 새로운 나노온도계는 불균일성 상 전이(heterogeneous phase transitions)를 일으키는 물질의 특성분석이나 발열 촉매 반응을 관찰하는 경우에도 활될할 수 있다. 이런 종류의 나노크기 주사 온도계(scanning thermometry)는 나노크기에서의 열 흐름에 관한 알려지지 않은 물리학적 분석을 가능하게 해 주며, 집적 전자기기 내에서 열을 생성하는 것으로 알려진 반도체 이종구조(semiconductor heterostructure) 접합에서 형성된 열점(hot spot)을 분석하기 위해서도 사용될 수 있다.

    그림> 질소 공백을 이용한 열 주사 현미경으로 실험 장치를 개략적으로 보여주는 그림. 전류는 열 AFM 캔틸레버(인이 도핑된 실리콘)의 암을 따라 순환하며, 팁(실리콘) 상부의 끝 부분을 가열시킨다. AFM 팁에 부착된 다이아몬드 나노결정에 의해 방출되는 형광신호를 포착한다. 시편 표면의 와이어는 마이크로파(microwave) 역할을 한다. 캔틸레버의 저항은 인가된 전압 및 측정된 전류를 통해 계산된다. 본 실험은 시편의 수직방향으로 자기장을 가한 상태에서 이루어졌다.

    원문정보: Nature Communications, doi:10.1038/ncomms9954.

  • 키워드 : 나노온도계, 나노다이아몬드, 전이 주파수
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑