Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology Vol. 23, No. 6 (2013) 291-295 http://dx.doi.org/10.6111/JKCGCT.2013.23.6.291 p-ISSN 1225-1429 e-ISSN 2234-5078 Enhanced nucleation density by heat treatment of nanodiamond seed particles Jong Cheon Park, Ok Geun Jeong, Bit Na Son* and Hyun Cho* ,† Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea *Department of Nanomechatronics Engineering, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea (Received October 11, 2013) (Revised November 12, 2013) (Accepted November 15, 2013) Abstract Surface chemical modification via air and hydrogen heat treatment was found to relieve the aggregation of nanodiamond (ND) seed particles and lead to a significantly enhanced nucleation density for ultrananocrystalline diamond (UNCD) film growth. After heat treatment in air and hydrogen, modification of surface functionalities and increase in the zeta potential were observed. Mean size of the ND aggregates was also dramatically reduced from ~2 µm to ~55 nm. Si surface seeded with ND particles heat-treated at 600 o C in hydrogen produced a much higher nucleation density of ~2.7 × 10 11 cm −2 compared to untreated ND seeds. Key words Nanocrystalline diamond seeds, Aggregation, Heat treatment, Surface chemical modification, Nucleation density 나노다이아몬드 seed 입자의 열처리에 의한 핵형성 밀도 향상 박종천, 정옥근, 손빛나*, 조현* ,† 부산대학교 나노융합기술학과, 밀양, 627-706 * 부산대학교 나노메카트로닉스공학과, 밀양, 627-706 (2013 년 10 월 11 일 접수) (2013 년 11 월 12 일 심사완료) (2013 년 11 월 15 일 게재확정) 요 약 산화 및 수소 분위기 열처리를 통한 화학적 표면 개질로 나노다이아몬드 seed 입자의 응집성 완화 및 초미세나 노결정질 다이아몬드 (UNCD) 박막 증착을 위한 핵형성 밀도 향상을 확보하였다. 열처리에 의해 나노다이아몬드 seed 입자 표면 작용기가 개질되었고, 제타 전위도 증가하였다. 또한, 응집체 평균 크기가 약 2 µm에서 ~55 nm로 크게 감소하였다. 600 o C, 수소 열처리된 seed 입자로 seeding 한 Si 기판으로부터 열처리하지 않은 seed 입자에 비해 현저하게 향상된 ~2.7 × 10 11 cm −2 의 매우 높은 핵형성 밀도를 확보하였다. 1. 서 론 초미세나노결정질 다이아몬드(ultrananocrystalline dia- mond, UNCD) 박막은 나노미터 스케일의 매우 작은 크 기의 입자로 구성된 미세구조를 가진 다이아몬드 박막을 말한다. UNCD 박막은 마이크로미터 크기의 각진 입자 (faceted grain) 형상을 가지는 마이크로결정질 다이아몬 드(microcrystalline diamond, MCD) 와 달리 매우 평탄 한 표면특성을 가질 뿐만 아니라 마이크로결정질 다이아 몬드 박막에 비해 더 낮은 온도에서 증착이 가능하기 때 문에 매우 얇은 박막의 형태로부터 천연 다이아몬드의 고유한 특성을 구현하는 것이 가능하다. 또한, 우수한 기 계적, 화학적, 전기적 특성을 가져 초저마모 보호코팅, 전기화학적 전극재료, MEMS/NEMS 소자 및 바이오 소 자 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다[1-5]. UNCD 박막의 응용성에 가장 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소는 평탄한 표면특성 확보 여부이며, UNCD 박 막의 표면조도는 나노다이아몬드 핵생성을 위한 기판 표 면 전처리 및 seeding 공정 과정에서 결정된다[6-8]. 즉, 비 다이아몬드 기판 상에 낮은 표면조도를 갖는 평탄한 UNCD 박막을 증착하기 위해서는 5 nm 이하의 매우 미 세한 크기를 갖는 나노다이아몬드 seed 입자들을 기판 표면에 높은 밀도로 균일하게 분포하도록 하는 것이 필 수적이다. 일반적으로, UNCD 박막 증착을 위한 seeding † Corresponding author † Tel: +82-55-350-5286 † Fax: +82-55-350-5289 † E-mail: hyuncho@pusan.ac.kr