액체 박막에서의 나노입자 확산 현상을 in-situ TEM으로 관찰

[아이팍스]

액체 박막에서의 나노입자 확산 현상을 in-situ TEM으로 관찰

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-05-02

콜로이덜(colloidal) 나노입자를 함유한 액체가 실리콘이나 기타 기판 위에서 증발하면 복잡하고 다양한 패턴이 형성될 수 있다. 이러한 건조 공정을 보다 잘 조절하면 대면적의 나노입자 배열을 형성할 수도 있다. 현재까지 혈관과 같은 국소 부위에 힘을 가하는 방법을 이용하거나 템플레이트(template)을 이용하는 등의 방법을 통하여 이를 실현하려고 하고 있지만, 아직까지는 나노입자의 이동 및 증착 특성에 대하여 이해도가 낮은 편이다.

나노입자의 조립(assembly)에 관련된 가장 기본적인 의문 중 하나는 표면 근처에서 입자의 확산이 어떻게 일어나며 액체가 증발하기 직전의 마지막 순간에 입자들이 어떻게 배열되는가 하는 점일 것이다. 이는 매우 근본적인 질문이면서도 현재까지는 잘 밝혀지지 않은 내용이었다.

최근 이와 관련하여 in-situ TEM 장비를 이용하여 그 이동 특성에 대해 보다 잘 관찰한 연구가 있어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 미국의 UC Berkeley에서 수행되었으며 “Nanocrystal diffusion in a liquid thin film observed by in situ transmission electron microscopy”라는 제목으로 Nano Letters 학술지에 5월 1일자로 발표되었다.

In-situ TEM 기법은 간단히 말해서 어떠한 프로세스가 진행되는 전 과정을 실시간으로 TEM을 이용하여 관찰하는 것이다. 기존의 가장 일반적인 TEM은 어떠한 정해진 상태에서의 특성만을 관찰할 수 있었으나, 최근 in-situ TEM을 이용하여 각종 연구들이 활발히 진행되고 있다. 최근 많은 소자들이 매우 작은 크기로 이루어져서 두꺼운 두께나 큰 크기에서와는 다른 여러 가지 특성들이 많이 일어나는데, 이를 현재의 기술로는 정확히 확인하기는 어려워서 여러 가지 이론들과 학설들이 제시되고 있는 상황이다. 만일 in-situ TEM과 같은 기술로 그 프로세스를 직접적으로 제대로 확인할 수 있다면 수많은 학설과 시뮬레이션을 수행하지 않고도 보다 정확하게 소자나 재료의 원리를 이해할 수 있을 것이다.

그림 1에는 연구팀이 수행한 다양한 크기의 나노입자에 대한 분포 및 그 기본 특성에 대해 분석하고 있다. 그림 2에서는 시간에 따라 변화가 어떻게 되는지 in-situ TEM으로 관찰한 결과를 몇 몇 시간에 대하여 보여주고 있으며 이러한 확산 실험이 끝난 후에 액체 셀에 남아있는 금 나노입자에 대한 TEM 사진도 같이 제시해주고 있다. 그림 3에서는 비대칭적인 나노입자의 움직임에 대해 시간별로 촬영한 이미지를 보여주고 있다.

앞으로 이러한 측정 기술들이 더욱 발달하면, 다양한 분야에서의 기술 발전이 더욱 촉진될 것으로 보인다. 보는 것이 믿는 것이다라는 말처럼 직접 눈으로 관찰하는 것이 가장 확실한 연구 방법이기 때문이다. 연구팀은 앞으로 이 기술을 이용하여 다양한 바이오 소자에서의 입자 움직임 특성도 함께 연구할 것이라고 밝히고 있다.

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Nano Letters