Electrical conduction mechanism in electroless-deposited metal nanostructure

Abstract

나노 구조처럼 사이즈가 작아질 경우, 전도 메커니즘이 변한다는 사실을 많은 학자들에 의해 알 수 있다. 나아가 새롭게 발견된 나노 구조에서의 전도메커니즘을 통해 새로운 물리적인 현상을 규명하거나, 기존의 기기를 대체 할 수 있는 특성들이 보고 되고 있음을 알 수 있다. 이에 발맞춰 금 나노 구조에서 새로운 전도 메커니즘을 밝히기 위해 전도 분석이 실시되었다. 실험을 위해 아직 전도가 밝혀지지 않은 ‘electroless deposition’ 을 통해 금 나노 구조를 반도체 기판위에 만들었다. 그 결과, 금 나노 구조에서는 Lateral photovolatic effect (LPE) 라는 현상이 측정할 수 있었고 새로운 상전이 현상을 분석 할 수 있었다. 먼저 LPE 란, 빛을 입사함에 따라 기판에서 발생된 전자들이 확산을 통해 두 전극에 도달하게 된다. 이 때, 확산 되어 전극에 도달되는 양의 차이로 인해 전압차가 발생하는 현상을 일컫는다. 이 현상에서 전도도와 발생되는 전압과의 연관성을 밝혀내었고, 전도도가 좋을수록 확산 속도의 증가로 인해 발생되는 전압차도 클 것이라는 결과를 얻어낼 수 있었다. 금나노 구조에서 온도 의존성을 실험 결과 특이한 상전이 현상이 관측 되었다. 저온구간에서는 금속의 온도의존적인 특성이 나타나다가 상온 300K 에 가까워 질수록 온도의존성이 반도체처럼 저항이 줄거나 줄다가 다시 증가하는 등의 특이한 상전이 현상이 관측 되었다. 이를 해석 하기 위해 ‘두 평행한 전도층 모델’ 을 대입하여 금나노 구조의 층 전도와 기판 전도층 전도로의 독립적인 분석을 실시 하였다. 저온구간에서는 금 나노 구조의 덮음율이 커질수록 상전이가 발생하는 ‘percolation conducion’ 이 일어나는 것을 Au% 에 따른 비저항 및 전도 분석으로 밝혀낼 수 있었다. 이와 달리 상온에서는 Au% 에 따라 저항이 감소하는 실리콘 특성인 ‘Arrhenius-like bevaior’ 가 나타남을 알 수 있었다. 그리고 파장 특성을 통해 저온 구간에서는 금 나노구조에 의한 ‘photothermal effect’ 를, 상온구간에서는 빛을 흡수하는 반도체 특성을 통해, ‘두 평행한 전도층 모델’ 을 뒷받침 하는 근거들을 얻어 낼 수 있었다. 마지막으로 반도체로 변하는 온도인 전이온도가 Au% 에 따라 변하는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 ‘electroless deposition’ 에서 밝혀지지 않은 전도 메커니즘을 밝혔고 특이한 상전이 현상까지 측정할 수 있었다.