Kim, Hyungsuk;Kim, Ilsoo;Lee, Jaehyung;Lee, Hye-young;Lee, Eungjang;Jeong, Du-Won;Kim, Ju-Jin;Choi, Heon-Jin
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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pp.407-407
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2014
Nanotechnology, especially vertically grown silicon nanowires, has gotten great attentions in biology due to characteristics of one dimensional nanostructure; controllable synthetic structure such as lengths, diameters, densities. Silicon nanowires are promising materials as nanoelectrodes due to their highly complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) - and bio-compatibility. Silicon nanowires are so intoxicated that are effective for bio molecular delivery and electrical stimulation. Vertical nanowires with integrated Au tips were fabricated for electrical intracellular interfacing with PC-12 cells. We have made synthesized two types of nanowire devices; one is multi-nanowires electrode for bio molecular sensing and electrical stimulation, and the other is single-nanowires electrode respectively. Here, we demonstrate that differentiation of Nerve Growth Factor (NGF) treated PC-12 cells can be promoted depending on different magnitudes of electrical stimulation and density of Si NWs. It was fabricated by both bottom-up and top-down approaches using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) with high vacuuming environment to electrically stimulate PC-12 cells. The effects of electrical stimulation with NGF on the morphological differentiation are observed by Scanning Electron Microscopy (SEM), and it induces neural outgrowth. Moreover, the cell cytosol can be dyed selectively depending on the degree of differentiation along with fluorescence microscopy measurement. Vertically grown silicon nanowires have further expected advantages in case of single nanowire fabrication, and will be able to expand its characteristics to diverse applications.
The nanomechanical properties of fully lithiated and unlithiated silicon nanowire deposited on silicon substrate have been studied with atomic force microscopy. Silicon nanowires were synthesized using the vapor-liquid-solid process on stainless steel substrates using Au catalyst. Fully lithiated silicon nanowires were obtained by using the electrochemical method, followed by drop-casting on the silicon substrate. The roughness, derived from a line profile of the surface measured in contact mode atomic force microscopy, has a smaller value for lithiated silicon nanowire and a higher value for unlithiated silicon nanowire. Force spectroscopy was utilitzed to study the influence of lithiation on the tip-surface adhesion force. Lithiated silicon nanowire revealed a smaller value than that of the Si nanowire substrate by a factor of two, while the adhesion force of the silicon nanowire is similar to that of the silicon substrate. The Young's modulus obtained from the force-distance curve, also shows that the unlithiated silicon nanowire has a relatively higher value than lithiated silicon nanowire due to the elastically soft amorphous structures. The frictional forces acting on the tip sliding on the surface of lithiated and unlithiated silicon nanowire were obtained within the range of 0.5-4.0 Hz and 0.01-200 nN for velocity and load dependency, respectively. We explain the trend of adhesion and modulus in light of the materials properties of silicon and lithiated silicon. The results suggest a useful method for chemical identification of the lithiated region during the charging and discharging process.
나노구조를 갖는 물질들은 나노구조물이 갖는 고유의 체적 대비 높은 표면적 비와 양자 갇힘 효과에 기인하는 독특한 전기적, 광학적, 광전기적, 자기적 특성으로 인하여 많은 주목을 받아왔다. 열화학 기상 증착 공정은 나노 구조물의 성장과정에서 다양한 구조를 갖는 나노소재의 합성 능력 때문에 더욱 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 두 영역 열화학 기상 증착법과 소스 물질 $TiO_2$ 파우더를 이용하여 VLS 공정으로 Si\$SiO_2$(300 nm)\Pt(5~40 nm) 기판 위에 실리콘 옥사이드 나노와이어를 성장시켰다. 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어의 형상과 결정학적 특성을 전계방출 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 분석하였다. 분석결과, 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어의 형상인 지름과 길이는 촉매 박막의 두께에 의존하여 다른 모양을 나타내었다. 또한 성장된 실리콘 옥사이드 나노와이어는 비정질 상을 갖는 것으로 분석되었다.
Silicon nanowires (Si NWs)-based top-gate field-effect transistors (FETs) are constructed by using Si NWs transferred onto flexible plastic substrates. Si NWs are obtained from the silicon wafers using photolithography and anisotropic etching process, and transferred onto flexible plastic substrates. To evaluate the electrical performance of the silicon nanowires, we examined the output and transfer characteristics of a top-gate field-effect transistor with a channel composed of a silicon nanowire selected from the nanowires on the plastic substrate. From these FETs, a field-effect mobility and transconductance are evaluated to be $47\;cm^2/Vs$ and 272 nS, respectively.
Silicon nanowires (SiNWs) were fabricated by a metal-assisted chemical etching of Si and the porous structure on their surfaces was controlled by changing the volume ratio of the etching solution composed of hydrofluoric acid, hydrogen peroxide, and deionized water. The concentration of hydrogen peroxide as the oxidant was varied for controlling the porosity of SiNWs. The optical properties of porous SiNWs were unique and very different from those of single-crystalline Si, as characterized by measuring their photoluminescence and Raman spectra for different porosities.
We synthesized silicon carbide (${\beta}-SiC$) nanowires with nano-scale diameter (30 - 400 nm) and micro-scale length ($50-200{\mu}m$) on a porous body using low-grade silica and carbon black powder by carbothermal reduction at $1300-1600^{\circ}C$. The SiC nanowires were formed by vapor-liquid-solid deposition with self-evaporated Fe catalysts in low-grade silica. We investigated the characteristics of the SiC nanowires, which were grown on a porous body with Ar flowing in a vacuum furnace. Their structural, optical, and electrical properties were analyzed with X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and selective area electron diffraction (SAED). We obtained high-quality SiC single crystalline nanowire without stacking faults that may have uses in industrial applications.
Single-crystalline silicon nanowires (SiNWs) were fabricated by using an electroless metal-assisted etching of bulk silicon wafers with silver nanoparticles obtained by wet electroless deposition. The etching of SiNWs is based on sequential treatment in aqueous solutions of silver nitrate followed by hydrofluoric acid and hydrogen peroxide. SEM observation shows that well-aligned nanowire arrays perpendicular to the surface of the Si substrate were produced. Free-standing SiNWs were then obtained using ultrasono-method in toluene. Alkyl-derivatized SiNWs were prepared to prevent the aggregation of SiNWs and obtained from the reaction of SiNWs and dodecene via hydrosilylation. Optical characterizations of SiNWs were achieved by FT-IR spectroscopy and indicated that the surface of SiNWs is terminated with hydrogen for fresh SiNWs and with dodecyl group for dodecyl-derivatized SiNWs, respectively. The main structures of dodecyl-derivatized SiNWs are wires and rods and their thicknesses of rods and wire are typically 150-250 and 10-20 nm, respectively. The morphology and chemical state of dodecyl-derivatized SiNWs are characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy.
Recently silicon has attracted intense interest as a promising anode material of lithium-ion batteries due to its extremely high capacity of 4200 mA/g (for Li4.2Si) that is much higher than 372 mAh/g (for LiC6) of graphite. However, it seriously suffers from large volume change (even up to 300%) of the electrode upon lithiation, leading to its pulverization or mechanical failure during lithiation/delithiation processes and the rapid capacity fading. To overcome this problem, Si nanowires have been considered. Use of such Si nanowires provides their facile relaxation during lithiation/delithiation without mechanical breaking. To design better Si electrodes, a study to unveil atomic-scale mechanisms involving the volume expansion and the phase transformation upon lithiation is critical. In order to investigate the lithiation mechanism in Si nanowires, we have developed a reactive force field (ReaxFF) for Si-Li systems based on density functional theory calculations. The ReaxFF method provides a highly transferable simulation method for atomistic scale simulation on chemical reactions at the nanosecond and nanometer scale. Molecular dynamics (MD) simulations with the ReaxFF reproduces well experimental anisotropic volume expansion of Si nanowires during lithiation and diffusion behaviors of lithium atoms, indicating that it would be definitely helpful to investigate lithiation mechanism of Si electrodes and then design new Si electrodes.
Silicon carbide nanowires were grown by heat treatment of the films at $1200^{\circ}C$ after amorphous SiC thin films were deposited on graphite substrate by radio frequency magnetron sputtering at $600^{\circ}C$. It was confirmed that SiC nanowires with the diameter of 20-60 nm and length of about 50nm were grown from Field Emission Scanning Election Microscope (FE-SEM) and Transmission Election Microscope (TEM) observation. The diameter of nanowires was increased as heat treatment time is increased. The nanowires were identified to ${\beta}$-SiC single crystalline from X-Ray Diffraction(XRD) analysis. It was observed from this study that deposition temperature of samples was critical to the crystallization of nanowires. On the other hand, the effect of deposition time was insignificant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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