박막·표면·나노 재료
표면 에너지, 균일·불균일 핵생성과 임계 핵 반경, 박막의 성장 양식, 막의 열응력, 비표면적과 양자 크기 효과 등 나노 재료의 특징을 3지선다 문제로 학습합니다.
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박막·표면·나노 재료 핵심 정리
표면이나 계면의 원자는 결합의 일부를 잃었기 때문에 여분의 에너지(표면 에너지, 계면 에너지)를 가집니다. 새로운 상의 핵이 생길 때는 체적 자유 에너지의 감소와 계면 에너지의 증가가 경쟁하며, 임계 핵 반경 r* = −2γ/ΔGv를 넘은 핵만 성장합니다. 기판이나 벽 위에서 일어나는 불균일 핵생성은 에너지 장벽이 작아집니다.
박막은 표면 에너지의 균형과 격자 부정합에 따라 층상, 섬형, 층상 후 섬형의 양식으로 성장합니다. 기판과의 열팽창 차이는 σ = EΔαΔT/(1 − ν)의 열응력을 만들어 휨이나 박리, 배선 불량의 원인이 됩니다. 입자를 나노 크기로 만들면 비표면적이 증가하고, 양자 크기 효과나 오스트발트 숙성이 두드러지게 됩니다.
박막·표면·나노 재료 문제 목록(12문제)
- 금속 결정의 표면 에너지에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 균일 핵생성에서 반지름 r인 구형 핵이 생길 때의 자유 에너지 변화를 ΔG = (4/3)πr³ΔGv + 4πr²γ라고 한다. 계면 에너지 γ = 0.10 J/m², 단위 부피당 자유 에너지 변화 ΔGv = −2.0×10⁸ J/m³일 때, 임계 핵 반경 r*에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 불균일 핵생성에서 핵과 기판의 접촉각을 θ라고 하면, 임계 핵의 생성에 필요한 에너지는 균일 핵생성의 f(θ) = (2 + cosθ)(1 − cosθ)²/4배가 된다. θ = 60°일 때 f(θ)에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 같은 과냉도에서 비교할 때, 불균일 핵생성의 임계 핵의 곡률 반지름은 균일 핵생성의 임계 핵 반경과 비교하여 어떻게 되는가?
- 박막의 성장 양식 가운데 스트란스키-크라스타노프 성장(SK 성장)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 기판의 표면 에너지를 γs, 막의 표면 에너지를 γf, 막과 기판의 계면 에너지를 γi라고 한다. 섬형(볼머-베버) 성장이 일어나기 쉬운 조건은 무엇인가?
- 실리콘 기판(선팽창 계수 2.6×10⁻⁶ K⁻¹) 위의 알루미늄막(영률 70 GPa, 푸아송비 0.35, 선팽창 계수 23×10⁻⁶ K⁻¹)을 응력이 없는 125℃에서 25℃까지 냉각했다. 기판은 충분히 두껍다고 할 때, 막에 생기는 열응력 σ = EΔαΔT/(1 − ν)의 방향과 크기는 무엇인가?
- 실리콘 기판 위에 고온에서 열산화막(SiO₂, 선팽창 계수 약 0.5×10⁻⁶ K⁻¹)을 만들고 실온까지 냉각했다. 실리콘의 선팽창 계수를 약 2.6×10⁻⁶ K⁻¹라고 하면, 열팽창의 차이에 의해 산화막에 생기는 응력은 무엇인가?
- 구형 입자의 지름을 1 µm에서 10 nm로 작게 하면, 단위 부피당 표면적(비표면적)은 몇 배가 되는가?
- CdSe 등 반도체 나노 결정(양자점)의 입경을 작게 하면 발광 색은 어떻게 변하는가?
- 진공 증착을 고진공(예를 들어 10⁻⁴ Pa 정도)에서 하는 주된 이유로 옳은 것은 무엇인가?
- 모상 속에 크기가 다른 석출물 입자가 분산된 합금을 고온에서 장시간 유지할 때 일어나는 오스트발트 숙성(오스트발트 성장)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?