KR102382918B1 - Method and apparatus for simultaneous acquisition of conductive atomic force microscopy and lateral force microscopy signals for characterizing piezoelectric potential of ZnO nanorod - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노선에 가해지는 힘과 그로 인한 출력 전류 간의 상관관계에 대한 포괄적인 분석이 가능한, 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for measuring piezoelectric potential properties of ZnO nanowires, and more particularly, conduction atomic force microscope and lateral force microscope, which enables comprehensive analysis of the correlation between the force applied to the nanowire and the resulting output current. To a method and apparatus for measuring piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement.
원자현미경(AFM)은 나노선(nanowires) 또는 나노선(nanorods)의 압전 전위를 조사하는 데 핵심적인 역할을 해왔다. 개별 압전 나노선을 편향시키고 출력 전류를 측정하는 데에는 AFM 탐침을 사용할 수 있다.Atomic force microscopy (AFM) has played a key role in investigating the piezoelectric potential of nanowires or nanorods. An AFM probe can be used to deflect individual piezoelectric nanowires and measure the output current.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy)을 이용한 압전 나노선에 대한 성능 평가 방식은 전도식 원자력간 현미경(C-AFM)의 AFM 탐침으로 나노선(nanorod)을 구부림으로써 발생하는 압전 전위에 따른 출력 전류를 직접 측정하였다.1, the performance evaluation method for the piezoelectric nanowire using an atomic force microscope (C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy) according to the prior art is divided into the AFM probe of a conductive atomic force microscope (C-AFM). The output current according to the piezoelectric potential generated by bending the nanorod was directly measured.
그러나, 이와 같은 종래 기술에 따른 압전 전위의 측정 방식은 단순히 나노선을 구부릴 때 발생하는 출력 전류의 측정만이 가능하므로, 나노선을 구부릴 때 적용되는 힘과 압전 전위 간의 관계를 설명하지 못하는 문제점이 있었다.However, since the method of measuring the piezoelectric potential according to the prior art is only possible to measure the output current generated when the nanowire is bent, there is a problem in that the relationship between the force applied when bending the nanowire and the piezoelectric potential cannot be explained. there was.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy) 및 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)의 동시 신호 수집을 통해 나노선에 가해지는 힘과 나노선(nanorod)로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율의 도출이 가능하도록 한다.The present invention has been devised to solve the above-mentioned problem, and the force applied to the nanowire through simultaneous signal collection of Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM) and Lateral Force Microscopy (LFM) It makes it possible to derive the conversion efficiency for the amount of current output from the nanowires and nanowires.
즉, 본 발명은 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침(scanning probe)의 비틀림 정도와 나노선의 출력 전류 간의 상관관계에 대한 포괄적인 분석을 제공하고자 한다.That is, the present invention intends to provide a comprehensive analysis on the correlation between the twist degree of a scanning probe of a conductive atomic force microscope (C-AFM) and the output current of the nanowire.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법은 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy)의 탐침을 사용하여 성장한 나노선(nanorod)에 수직으로 힘을 인가하여 구부리는 제1 단계; 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)이 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 횡력 신호인 LFM 신호를 얻는 제2 단계; 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)이 상기 탐침을 통해 상기 나노선의 발전 전위에 의해 발생하는 전류 신호인 C-AFM 신호를 얻는 제3 단계; 및 효율특성 산출부가 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 이용해 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공하는 제4 단계;를 포함한다.The method for measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention for solving the above-mentioned problems is a conductive atomic force microscope (C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy) A first step of bending by applying a force perpendicularly to the grown nanowire using a probe; a second step of obtaining an LFM signal, which is a lateral force signal generated by the twisting of the probe of the conduction atomic force microscope (C-AFM), using a lateral force microscope (LFM); a third step of obtaining, by the conduction atomic force microscope (C-AFM), a C-AFM signal that is a current signal generated by the electric potential of the nanowire through the probe; and a fourth step of using the LFM signal and the C-AFM signal by an efficiency characteristic calculator to provide conversion efficiency for the amount of current output from the nanowire in preparation for a force applied to the nanowire.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제2 단계는 상기 횡력현미경(LFM)이 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 통해 상기 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 신호인 LFM 신호를 얻을 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the second step, the lateral force microscope (LFM) obtains an LFM signal, which is a signal generated by twisting of the probe through a position-sensitive photodetector (PSPD). can
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제4 단계는 상기 효율특성 산출부가 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 각각 X축과 Y축으로 하는 분산도를 구성하여, 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the fourth step, the efficiency characteristic calculating unit configures a dispersion degree using the LFM signal and the C-AFM signal as the X-axis and the Y-axis, respectively, and is applied to the nanowire. It is possible to provide conversion efficiency for the amount of current output from the nanowire against the force.
본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 장치는, 성장한 나노선(nanorod)에 수직으로 힘을 인가하여 구부리는 탐침을 포함하여, 상기 탐침을 통해 상기 나노선의 발전 전위에 의해 발생하는 전류 신호인 C-AFM 신호를 얻는 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy); 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 횡력 신호인 LFM 신호를 얻는 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy); 및 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 이용해 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공하는 효율특성 산출부;를 포함하여 구성된다.An apparatus for measuring the piezoelectric potential characteristics of a ZnO nanowire through simultaneous signal measurement of a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention includes a probe that bends by applying a force perpendicular to the grown nanorod , Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM) for obtaining a C-AFM signal, which is a current signal generated by the electric potential of the nanowire, through the probe; Lateral Force Microscopy (LFM) for obtaining an LFM signal, which is a lateral force signal generated by torsion of the probe of the conduction atomic force microscope (C-AFM); and an efficiency characteristic calculator that provides conversion efficiency for the amount of current output from the nanowire in preparation for a force applied to the nanowire using the LFM signal and the C-AFM signal.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 횡력현미경(LFM)은 상기 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 신호인 LFM 신호를 얻는 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector);를 포함하여 구성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the lateral force microscope (LFM) may be configured to include a position-sensitive photodetector (PSPD) that obtains an LFM signal, which is a signal generated by twisting of the probe. there is.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 효율특성 산출부는 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 각각 X축과 Y축으로 하는 분산도를 구성하여, 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the efficiency characteristic calculating unit configures a dispersion degree using the LFM signal and the C-AFM signal as an X-axis and a Y-axis, respectively, and prepares the above-mentioned efficiency characteristics in preparation for the force applied to the nanowire. It is possible to provide conversion efficiency with respect to the amount of current output from the nanowire.
본 발명에 따르면 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy) 및 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)의 동시 신호 수집을 통해 나노선에 가해지는 힘과 나노선(nanorod)로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율의 도출을 제공할 수 있다.According to the present invention, the force applied to the nanowire and the amount of current output from the nanowire through the simultaneous signal collection of Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM) and Lateral Force Microscopy (LFM) It is possible to provide the derivation of the conversion efficiency for .
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침(scanning probe)의 비틀림 정도와 나노선의 출력 전류 간의 상관관계에 대한 포괄적인 분석을 제공할 수 있다.More specifically, according to the present invention, it is possible to provide a comprehensive analysis on the correlation between the twist degree of a scanning probe of a conductive atomic force microscope (C-AFM) and the output current of the nanowire.
도 1은 종래 기술에 따른 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy)을 이용한 압전 나노선에 대한 성능 평가 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노선의 주사 전자 현미경(SEM) 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 각 샘플별 ZnO 나노선의 주사 전자 현미경(SEM) 측정 이미지를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 변환 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침과 ZnO 나노선 사이의 상호 작용 과정에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO 나노선의 종횡비 변화에 의한 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 신호의 변화를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a performance evaluation method for a piezoelectric nanowire using a conductive atomic force microscope (C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy) according to the prior art.
FIG. 2 is a view for explaining an apparatus for measuring piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement by a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention.
3 is a configuration diagram of a system for measuring piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement by a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a method for measuring the piezoelectric potential characteristics of a ZnO nanowire through simultaneous signal measurement by a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a scanning electron microscope (SEM) measurement result of a nanowire according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a scanning electron microscope (SEM) measurement image of ZnO nanowires for each sample according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are diagrams for explaining a method and results of measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement by a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining the conversion efficiency of ZnO nanowires through the simultaneous signal measurement of a conductive atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 are diagrams for explaining an interaction process between a conductive atomic force microscope (C-AFM) probe and a ZnO nanowire according to an embodiment of the present invention.
12 is a view for explaining a change in a conduction atomic force microscope (C-AFM) and a lateral force microscope (LFM) signal due to a change in the aspect ratio of a ZnO nanowire according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the embodiment, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, the size of each component in the drawings may be exaggerated for explanation, and does not mean the size actually applied.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining an apparatus for measuring the piezoelectric potential characteristics of a ZnO nanowire through simultaneous signal measurement of a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention It is a diagram for explaining a method of measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement by a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope.
본 발명에 따르면, 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침을 사용하여 수직으로 성장한 ZnO 나노선을 미크론 미만 규모로 구부린다. ZnO는 반도체 및 압전 특성을 나타낸다 따라서, 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy) 탐침에 의한 ZnO 나노선의 변형은 금속 코팅 된 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침과 ZnO 나노선을 통해 전하 캐리어의 흐름을 발생시킨다.According to the present invention, a vertically grown ZnO nanowire is bent to a sub-micron scale using a conductive atomic force microscope (C-AFM) probe. ZnO exhibits semiconductor and piezoelectric properties through the flow of charge carriers.
본 발명에서는 ZnO 나노선에서 압전 전위를 생성하고 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침을 통해 전류 신호를 감지하는 기본 메커니즘을 설명하기 위해 지지 신호(topography signal)와 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive-Atomic Force Microscopy) 신호 간의 상관 관계를 설명하기로 한다.In the present invention, in order to explain the basic mechanism of generating a piezoelectric potential in ZnO nanowires and sensing a current signal through a conduction atomic force microscope (C-AFM) probe, a topography signal and a conduction atomic force microscope (C-AFM) : We will explain the correlation between the Conductive-Atomic Force Microscopy) signals.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 장치는 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy)(110), 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)(120) 및 효율특성 산출부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.2 and 3, the apparatus for measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of a conductive atomic force microscope and a lateral force microscope according to the present invention is a conductive atomic force microscope (C-AFM) (Conductive Atomic Force Microscopy) ( 110), a Lateral Force Microscopy (LFM) 120 and an efficiency characteristic calculating unit 130 may be included.
상기 전도식 원자현미경(C-AFM: 110))은 성장한 나노선(nanorod)에 수직으로 힘을 인가하여 구부리는 탐침을 포함하여, 상기 탐침을 통해 상기 나노선의 발전 전위에 의해 발생하는 전류 신호인 C-AFM 신호를 얻는다.The conduction atomic force microscope (C-AFM: 110)) includes a probe that bends by applying a force perpendicular to the grown nanorod, a current signal generated by the electric potential of the nanowire through the probe. Obtain a C-AFM signal.
상기 횡력현미경(LFM: 120)은 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 횡력 신호인 LFM 신호를 얻는다. 이때, 상기 횡력현미경(LFM: 120)은 상기 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 신호인 LFM 신호를 얻는 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 포함하여 구성될 수 있다.The lateral force microscope (LFM: 120) obtains an LFM signal, which is a lateral force signal generated by twisting of the probe of the conduction atomic force microscope (C-AFM). In this case, the lateral force microscope (LFM: 120) may be configured to include a position-sensitive photodetector (PSPD) that obtains an LFM signal, which is a signal generated by twisting of the probe.
또한, 효율특성 산출부(130)는 상기 LFM 신호와 상기 AFM 신호를 이용해 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공한다. 이때, 상기 효율특성 산출부(120)는 상기 LFM 신호와 상기 AFM 신호를 각각 X축과 Y축으로 하는 분산도를 구성하여, 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공할 수 있다.In addition, the efficiency characteristic calculator 130 provides conversion efficiency for the amount of current output from the nanowire in preparation for the force applied to the nanowire using the LFM signal and the AFM signal. At this time, the efficiency
도 3에 도시된 바와 같이, 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침(probe: 111)이 n 형 ZnO 나노선의 압축된 면에 닿을 때 전도식 원자현미경(C-AFM)에는 전류 신호가 감지된다. 본 발명에 따르면, 이러한 지지 신호(topography signal)와 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호의 비교 분석을 통해 n-type ZnO 나노선의 압전 효과를 명확히 하고, ZnO 나노선의 성장 방법이 압전 발전에 미치는 영향을 이해할 수 있다.As shown in FIG. 3, when the probe 111 of the conduction atomic force microscope (C-AFM) touches the compressed surface of the n-type ZnO nanowire, the conduction atomic force microscope (C-AFM) detects a current signal. do. According to the present invention, the piezoelectric effect of n-type ZnO nanowires is clarified through comparative analysis of the topography signal and the conduction atomic force microscope (C-AFM) signal, and the effect of the ZnO nanowire growth method on piezoelectric power generation can understand the impact.
전도식 원자현미경(C-AFM)은 CdS, CdSe, ZnS, InN, GaN와 같은 우르자이트(wurtzite) 구조를 갖는 1 차원 나노 물질의 압전성 조사를 위해 사용된다. 압전 나노 물질을 기반으로 한 다양한 종류의 센서와 에너지 하베스터가 다양한 구조로 집중적으로 개발되고 있다. 이러한 나노 물질은 외부의 힘에 쉽게 영향을 받으므로 나노 물질의 물리적 특성을 이해하는 것이 중요한 과제이다. 이러한 나노 물질의 크기를 고려하면 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)은 ZnO, Au, Si, 나노선(nanowire)의 탄성 계수를 조사하는 데 효과적인 도구이다. 단일 나노선에 대하여 정확한 물리적 테스트를 수행하기 위해서는 사전 프로그래밍 된 조작 방식에 의해 전도식 원자현미경(C-AFM) 스캔을 수행하여 나노 와이어를 구부렸으나, 일반적인 전도식 원자현미경(C-AFM) 스캔의 접촉 모드에서는 성장한 나노 와이어를 수직으로 구부릴 수 있다.Conductive atomic force microscopy (C-AFM) is used to investigate the piezoelectric properties of one-dimensional nanomaterials with wurtzite structures such as CdS, CdSe, ZnS, InN, and GaN. Various types of sensors and energy harvesters based on piezoelectric nanomaterials are being intensively developed with various structures. Since these nanomaterials are easily affected by external forces, it is an important task to understand the physical properties of nanomaterials. Considering the size of these nanomaterials, lateral force microscopy (LFM) is an effective tool to investigate the elastic modulus of ZnO, Au, Si, and nanowires. In order to perform an accurate physical test on a single nanowire, conduction atomic force microscopy (C-AFM) scan was performed using a pre-programmed manipulation method to bend the nanowire, but a general conduction atomic force microscope (C-AFM) scan was performed. In the contact mode of , grown nanowires can be bent vertically.
횡력현미경(LFM)은 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 통해 전도식 원자현미경(C-AFM) 캔틸레버(cantilever)의 비틀림 정도를 측정하도록 작동한다. 한편, 나노선의 물리적 특성상, 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침에 인가되는 횡력을 나노선이 AFM 탐침으로부터 횡력으로 간주 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 독립형 압전 나노선을 이미징하여 얻은 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호와 횡력현미경(LFM) 신호를 동시에 모니터링 하여 출력 전류와 인가되는 횡력의 비율을 도출할 수 있다.A lateral force microscope (LFM) operates to measure the degree of torsion of a conductive atomic force microscope (C-AFM) cantilever through a position-sensitive photodetector (PSPD). On the other hand, due to the physical properties of the nanowire, the lateral force applied to the probe of a conductive atomic force microscope (C-AFM) can be regarded as the lateral force of the nanowire from the AFM probe. Therefore, according to the present invention, the ratio of the output current and the applied lateral force can be derived by simultaneously monitoring the conduction atomic force microscope (C-AFM) signal and the lateral force microscope (LFM) signal obtained by imaging the stand-alone piezoelectric nanowire.
도 4를 참조하면, 본 발명은 전도식 원자현미경(C-AFM)과 횡력현미경(LFM)을 동시에 동작시켜 ZnO 나노선에 인가되는 측면 힘에 대한 전도식 원자현미경(C-AFM) 전류 신호의 변화를 관찰하며, 탐침의 비틀림 정도는 AFM(C-AFM 포함)이 동작하는 동안 전도식 원자현미경(C-AFM) 기기를 주사 전자 현미경 챔버에 통합하여 모니터링 할 수 있다. 이와 같은 방법은 정교한 실험 배열이 필요하기는 하나, 전도식 원자현미경(C-AFM)의 작동 중에도 전도식 원자현미경(C-AFM)과 횡력현미경(LFM)로부터의 동시 신호 수집은 간단하게 수행할 수 있다.Referring to Figure 4, the present invention operates a conduction atomic force microscope (C-AFM) and a lateral force microscope (LFM) at the same time to obtain a conduction atomic force microscope (C-AFM) current signal for a lateral force applied to a ZnO nanowire. By observing the change, the degree of torsion of the probe can be monitored by integrating a conductive atomic force microscope (C-AFM) instrument into the scanning electron microscope chamber while the AFM (including C-AFM) is operating. Although this method requires a sophisticated experimental arrangement, the simultaneous signal acquisition from the conduction atomic force microscope (C-AFM) and the lateral force microscope (LFM) can be easily performed even during the operation of the conduction atomic force microscope (C-AFM). can
따라서, 본 발명에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성화 방법은 압전 효과를 통해 힘을 전류로 변환하는 ZnO 나노선의 크기 연구에 사용될 수 있다. 특정 크기의 ZnO 나노선 샘플 세트가 특정 수직력에서 일정한 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침에 의해 구부려지는 경우에 발생하는 횡력의 변화는 인가되는 힘의 변화를 나타낸다. 따라서, 본 발명에서는 적용된 힘에 대한 출력 전류의 비율을 관찰하기 위해 분명한 종횡비를 갖는 5 개의 ZnO 나노선 샘플을 사용하였다.Therefore, the method for characterizing the piezoelectric potential of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of conduction atomic force microscope and lateral force microscope according to the present invention can be used to study the size of ZnO nanowires that convert force into electric current through the piezoelectric effect. A change in the lateral force that occurs when a set of ZnO nanowire samples of a certain size is bent by a constant conduction atomic force microscope (C-AFM) probe at a certain normal force indicates a change in the applied force. Therefore, in the present invention, five ZnO nanowire samples with distinct aspect ratios were used to observe the ratio of output current to applied force.
한편, ZnO 나노선의 압전 효과에 대한 전도식 원자현미경(C-AFM) 기반 실험에서 탐침(tip)의 선택은 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이는 접촉 모드에서 적절한 수직 힘이 탐침의 스프링 상수에 의해 결정되기 때문이다. 또한, 횡력을 전류로 변환하는 효율에 대한 ZnO 나노선의 특성은 탐침의 스프링 상수에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 출력 전류 대 횡력의 비율은 스프링 상수가 다른 두 개의 탐침을 사용하였다. On the other hand, in the conduction atomic force microscope (C-AFM)-based experiment on the piezoelectric effect of ZnO nanowires, the choice of the tip can have a significant effect on the results. This is because the proper normal force in the contact mode is determined by the spring constant of the probe. In addition, the properties of ZnO nanowires with respect to the efficiency of converting lateral force into electric current can be affected by the spring constant of the probe. Therefore, two probes with different spring constants were used for the ratio of output current to lateral force.
이후부터는 본 발명에 따른 전류 신호 대 횡력의 분산도 및 전도식 원자현미경(C-AFM)과 횡력현미경(LFM) 이미지 간의 픽셀 단위 비교를 통해 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침에 의한 ZnO 나노선의 압전 전위 생성 방법을 설명하기로 한다.From now on, the ZnO nanometer by the conduction atomic force microscope (C-AFM) probe through the pixel-by-pixel comparison between the current signal versus the lateral force dispersion and the conduction atomic force microscope (C-AFM) and lateral force microscope (LFM) images according to the present invention. A method of generating a piezoelectric potential of a line will be described.
본 발명에 따르면, 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침이 ZnO 나노선을 스캔하는 동안에 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호와 횡력현미경(LFM) 신호를 동시에 획득할 수 있다. According to the present invention, it is possible to simultaneously acquire a conduction atomic force microscope (C-AFM) signal and a lateral force microscope (LFM) signal while the conduction atomic force microscope (C-AFM) probe scans the ZnO nanowire.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법을 설명하면, 먼저 전도식 원자현미경(C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy)의 탐침을 사용하여 성장한 나노선(nanorod)에 수직으로 힘을 인가하여 구부린다.More specifically, when describing the method for measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of a conductive atomic force microscope and a lateral force microscope according to the present invention, first, a conductive atomic force microscope (C-AFM) probe By applying a force perpendicular to the grown nanorod using
또한, 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)이 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 횡력 신호인 LFM 신호를 얻으며, 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)이 상기 탐침을 통해 상기 나노선의 발전 전위에 의해 발생하는 전류 신호인 C-AFM 신호를 얻는다.In addition, a lateral force microscope (LFM: Lateral Force Microscopy) obtains an LFM signal, which is a lateral force signal generated by the torsion of the probe of the conduction atomic force microscope (C-AFM), and the conduction atomic force microscope (C-AFM) A C-AFM signal, which is a current signal generated by the electric potential of the nanowire, is obtained through the probe.
이때, 상기 횡력현미경(LFM)이 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 통해 상기 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 신호인 LFM 신호를 얻을 수 있다.In this case, the lateral force microscope (LFM) may obtain an LFM signal, which is a signal generated by twisting of the probe, through a position-sensitive photodetector (PSPD).
그에 따라, 효율특성 산출부가 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 이용해 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공할 수 있다. 이때는 상기 효율특성 산출부가 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 각각 X축과 Y축으로 하는 분산도를 구성하여, 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공할 수 있다.Accordingly, the efficiency characteristic calculator may provide conversion efficiency with respect to the amount of current output from the nanowire in relation to the force applied to the nanowire by using the LFM signal and the C-AFM signal. In this case, the efficiency characteristic calculator configures a dispersion degree using the LFM signal and the C-AFM signal as the X-axis and the Y-axis, respectively, and converts the amount of current output from the nanowire in preparation for the force applied to the nanowire efficiency can be provided.
도 2를 참조하면, 횡력현미경(LFM) 신호가 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 통해 전송되는 동안 전도식 원자현미경(C-AFM) 전류 신호는 전류 증폭기를 통해 획득된다. 따라서, 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호와 횡력현미경(LFM) 신호는 서로 다른 방식으로 작동하므로 신호간에 간섭이 발생하지 않는다.Referring to FIG. 2 , a conduction atomic force microscope (C-AFM) current signal is acquired through a current amplifier while a lateral force microscope (LFM) signal is transmitted through a position-sensitive photodetector (PSPD). Thus, conduction atomic force microscopy (C-AFM) signals and lateral force microscopy (LFM) signals operate in different ways, so that no interference occurs between the signals.
이때, 모든 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호와 횡력현미경(LFM) 신호의 측정은 512 x 128 데이터 포인트를 사용하여 10 μm x 5 μm 영역에 대해 수행되었다. 전도식 원자현미경(C-AFM)과 횡력현미경(LFM) 데이터의 모든 단일 요소는 행렬 요소 표기법을 사용하여 C-AFM (i, j) 및 LFM (i, j)으로 표현 될 수 있다. At this time, measurements of all conducted atomic force microscopy (C-AFM) signals and lateral force microscopy (LFM) signals were performed over a 10 μm×5 μm area using 512×128 data points. Every single element of the conducted atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) data can be expressed as C-AFM (i, j) and LFM (i, j) using matrix element notation.
도 4를 참조하면, 두 데이터 세트 간의 상관 관계를 시각적으로 나타 내기 위해 분산도를 사용하였다. n 형 ZnO 나노선의 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호는 음의 값을 가지며, 추적 및 회귀 스캔 중의 횡력현미경(LFM) 신호는 각각 양수와 음수이다. 따라서, 복잡함을 줄이기 위하여, 계산 및 그래픽 표현에 | C-AFM (i, j) | 및 | LFM (i, j) | 를 사용하였다.Referring to FIG. 4 , a scatter plot was used to visually represent the correlation between the two data sets. Conducted atomic force microscopy (C-AFM) signals of n-type ZnO nanowires have negative values, and lateral force microscopy (LFM) signals during tracking and regression scans are positive and negative, respectively. Therefore, in order to reduce complexity, | C-AFM (i, j) | and | LFM (i, j) | was used.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노선의 주사 전자 현미경(SEM) 측정 결과를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 각 샘플별 ZnO 나노선의 주사 전자 현미경(SEM) 측정 이미지를 도시한 도면이다.5 is a view showing scanning electron microscopy (SEM) measurement results of nanowires according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) of ZnO nanowires for each sample according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing a measurement image.
보다 구체적으로, 도 5의 (a)는 ZnO 나노선의 상면도이고, 도 5의 (b)는 ZnO 나노선의 측면도이다.More specifically, FIG. 5A is a top view of a ZnO nanowire, and FIG. 5B is a side view of a ZnO nanowire.
또한, 도 5의 (c)와 (d)에는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 사용하여 수직으로 성장한 ZnO 나노선의 측정된 길이와 직경이 도시되어 있으며, 성장시간이 증가함에 따라 ZnO 나노선의 종횡비가 증가함을 알 수 있다. 또한, 각 샘플의 이름과 성장 조건은 추후에 설명하기로 한다.5(c) and (d) show the measured length and diameter of vertically grown ZnO nanowires using scanning electron microscope (SEM) images. As the growth time increases, the aspect ratio of the ZnO nanowires is can be seen to increase. In addition, the name and growth conditions of each sample will be described later.
또한, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 결과를 설명하기 위한 도면이다.7 and 8 are views for explaining a method and results of measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement by a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따르면, 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 측정은 두 개의 서로 다른 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침을 사용하여 5 개의 샘플에 대해 수행되었으며, 도 7에 도시된 바와 같이 추적 스캔 동안의 결과는 전류 대 횡력의 분산도를 사용하여 나타내었다.According to the present invention, conducted atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) measurements were performed on five samples using two different conducted atomic force microscopy (C-AFM) probes, as shown in FIG. As shown, the results during the tracking scan were presented using the current versus lateral force variance.
도 7에 도시된 탐침 A와 B는 Si로 만든 다음 30nm 미만 두께의 Cr, Pt 및 Ir과 같은 전기 전도성 재료로 코팅하여 구성할 수 있다. 측정된 전류의 실제 양은 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침의 금속층 상태와 마모 정도에 따라 다르다. 따라서, 현재 값을 정규화하고 임의의 단위를 현재 값으로 사용하였다.Probes A and B shown in FIG. 7 can be made of Si and then coated with electrically conductive materials such as Cr, Pt, and Ir with a thickness of less than 30 nm. The actual amount of current measured depends on the condition of the metal layer of the Conducted Atomic Force Microscopy (C-AFM) probe and the degree of wear. Therefore, the current value was normalized and an arbitrary unit was used as the current value.
도 8을 참조하면 탐침의 유형에 관계없이 종횡비가 증가함에 따라 분포도에서 점 패턴의 점진적인 변화를 명확하게 관찰 할 수 있다. 예를 들어, ZnO 나노선의 종횡비가 상대적으로 작은 S6에서 대부분의 데이터 포인트는 x 축 근처에 있다. 이는 외부적으로 상당히 큰 횡력이 가해졌지만 소량의 전류가 생성되었음을 나타낸다. 종횡비가 증가함에 따라 점 패턴의 점진적인 전환이 분명하게 나타난다. 특히, S30의 분포도에서 횡력이 7V 이상인 데이터 점이 부족하다. 이것은 S30이 상대적으로 작은 횡력을 수반하지만 압전 전위에 의해 유도되는 결과적인 출력 전류가 눈에 띄게 향상된다는 것을 나타낸다. 이 추세는 Probe A에서 생성 한 분포도에서도 관찰 할 수 있다. 이 변동은 선형 회귀 방법을 사용하여 정량적으로 분석되었으며 선형 모델은 각 분포도에 표시된다. 그에 따라 도출되는 선형 모델은 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.Referring to FIG. 8 , it is possible to clearly observe the gradual change of the dot pattern in the distribution diagram as the aspect ratio increases regardless of the probe type. For example, in S6, where the aspect ratio of ZnO nanowires is relatively small, most data points are near the x-axis. This indicates that a fairly large lateral force was applied externally, but a small amount of current was generated. A gradual transition of the dot pattern is evident as the aspect ratio increases. In particular, in the distribution diagram of S30, data points with a lateral force of 7V or more are insufficient. This indicates that although S30 is accompanied by a relatively small lateral force, the resulting output current induced by the piezoelectric potential is noticeably enhanced. This trend can also be observed in the distribution plot generated by Probe A. This variation was quantitatively analyzed using a linear regression method, and a linear model is plotted on each distribution plot. The linear model derived accordingly is expressed as in
[수학식 1][Equation 1]
한편, 탐침의 스프링 상수가 포인트 패턴에 미치는 영향의 분석이 필요하다. S18의 분포도에서 횡력이 7V (점선 상자로 표시됨)를 초과하는 데이터 포인트 수를 비교하면, 탐침의 스프링 상수가 증가함에 따라 데이터 포인트 밀도가 감소하여, 탐침 A는 1496 이고 탐침 B는 184 이다. 이는 더 큰 스프링 상수를 가진 탐침이 ZnO 나노선을 구부려 트림에 따라 비틀림 정도가 감소함을 나타낸다. 또한, 탐침 B에서 7V 횡력 보다 큰 데이터 포인트는 탐침 A에 비해 x 축 근처에 집중되지 않는다는 것이 분명하게 관찰된다. 이는 탐침 B에서도 가끔 큰 비틀림이 발생하지만, 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침에 의해 ZnO 나노선의 압전 전위가 효과적으로 유도됨을 알 수 있다. 분포도에서 나타나는 이러한 특성은 도 8에 표시된 바와 같이 회귀 스캔 중에 생성 된 분포도 세트에서도 관찰 할 수 있다.On the other hand, it is necessary to analyze the effect of the spring constant of the probe on the point pattern. Comparing the number of data points for which the lateral force exceeds 7 V (indicated by the dashed box) in the distribution plot of S18, the data point density decreases as the spring constant of the probe increases, resulting in 1496 for probe A and 184 for probe B. This indicates that the torsion degree decreases as the probe with a larger spring constant bends the ZnO nanowire and trims it. Also, it is clearly observed that data points greater than 7 V lateral force in probe B are not concentrated near the x-axis compared to probe A. Although large distortion sometimes occurs in probe B, it can be seen that the piezoelectric potential of the ZnO nanowire is effectively induced by the conduction atomic force microscope (C-AFM) probe. These characteristics appearing in the distribution plot can also be observed in the distribution plot set generated during the regression scan, as shown in Fig.
앞서 설명한 바와 같이, ZnO 나노선에 대한 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 측정에서 외력은 수직력과 횡력으로 구성된다. 모든 측정은 접촉 모드 시에 설정 지점에 일정한 힘을 가하여 측정하였다. 이와 같은 효율 변화에 따른 추정치의 합은 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.As described above, in the conduction atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) measurements of ZnO nanowires, the external force consists of a vertical force and a lateral force. All measurements were made by applying a constant force to the set point in the contact mode. The sum of the estimates according to the change in efficiency can be expressed as
[수학식 2][Equation 2]
이때, α는 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침의 설정 지점 수준과 전기 전도도를 고려한 배율 계수이다. 하나의 특정 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침이 일정한 설정 지점에서 5 개의 샘플 (S6 ~ S30)에 일관되게 사용되는 경우, 변환 효율에 대한 α의 영향은 거의 무시할 수 있다. 또한, 단일 탐침을 사용하여 5 개의 샘플을 측정하는 동안 탐침의 마모가 관측되지는 않는다. 따라서, 추적 및 회귀 스캔 모두에서 각 탐침에 대해 5 개의 샘플에 대해 변환 효율이 계산하였다.In this case, α is a magnification factor considering the electrical conductivity and the set point level of the conductive atomic force microscope (C-AFM) probe. If one specific conduction atomic force microscopy (C-AFM) probe is used consistently on five samples (S6 to S30) at constant set points, the effect of α on the conversion efficiency is almost negligible. Also, no wear of the probe is observed while measuring 5 samples using a single probe. Therefore, transformation efficiencies were calculated for 5 samples for each probe in both tracking and regression scans.
도 9의 (a)에서와 같이 추적(trace) 및 회귀(retrace) 데이터 세트에서 계산 된 변환 효율은 종횡비가 증가함에 따라 높아지는 것을 알 수 있다. 즉, 이 변환 효율 값은 총 횡력에 대한 총 전류의 비율을 나타낸다. 따라서, 데이터 포인트의 패턴이 y 축 근처에 집중되므로 변환 효율이 커진다. 데이터 포인트의 패턴은 수학식 1의 선형 모델(p1)의 기울기로 효과적으로 설명할 수 있다.It can be seen that the conversion efficiency calculated from the trace and regression data sets as in Fig. 9(a) increases as the aspect ratio increases. That is, this conversion efficiency value represents the ratio of the total current to the total lateral force. Therefore, the conversion efficiency is increased because the pattern of data points is concentrated near the y-axis. The pattern of data points can be effectively described by the slope of the linear model (p 1 ) of Equation (1).
도 9의 (b)는 5 개의 샘플과 2 개의 서로 다른 탐침에서 계산 된 p1을 도시하고 있다. 전반적으로 p1의 값은 종횡비가 증가함에 따라 증가한다. 도 9의 (b)의 결과는 ZnO 나노선의 종횡비가 증가함에 따라, 더 작은 외부 힘을 가진 ZnO 나노선에서 더 높은 수준의 압전 전위가 생성되는 경향을 효과적으로 보여주고 있다. 따라서, 선형 회귀 분석과 수학식 2의 변환 효율 결과는 일치함을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 인가되는 힘에 대한 출력 전류의 변환 효율을 도출할 수 있다.Fig. 9(b) shows the calculated p 1 for 5 samples and 2 different probes. Overall, the value of p 1 increases with increasing aspect ratio. The result of FIG. 9(b) effectively shows a tendency to generate a higher level of piezoelectric potential in the ZnO nanowire with a smaller external force as the aspect ratio of the ZnO nanowire increases. Accordingly, it can be seen that the results of the linear regression analysis and the conversion efficiency of Equation (2) are consistent with each other. As such, according to the present invention, it is possible to derive the conversion efficiency of the output current with respect to the applied force.
이후부터는 본 발명에 따른 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침과 ZnO 나노선 사이의 상호 작용 과정에 대한 보다 추가적인 설명을 하기로 한다.Hereinafter, an additional description will be given of the interaction process between the conductive atomic force microscope (C-AFM) probe and the ZnO nanowire according to the present invention.
도 10의 (a) 및 (b)에는 탐침 A와 B에 의해 S6 샘플에서 가져온 512 × 128 데이터 포인트가 포함 된 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지가 도시되어 있다.Conducted atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) images containing 512 × 128 data points taken from the S6 sample by probes A and B are shown in Fig. 10(a) and (b).
전류가 정규화되었으므로 각 전도식 원자현미경(C-AFM) 이미지의 색상 막대는 전도식 원자현미경(C-AFM) 이미지의 최소 및 최대 전류 값을 기반으로 생성되었다. 각 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지는 직사각형 '1'~ '2'로 표시되고 표시된 영역의 확대 이미지는 오른쪽에 표시되어 있다.Since the currents were normalized, the color bars of each conduction atomic force microscope (C-AFM) image were generated based on the minimum and maximum current values of the conduction atomic force microscope (C-AFM) images. Each conduction atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) image is indicated by rectangles '1' to '2', and enlarged images of the marked areas are indicated on the right.
도 10에 따르면, ZnO 나노선에서 전기 기계적 결합을 통해 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 사이에는 강한 상관 관계가 있음을 확인할 수 있다. 상관의 정도는 탐침 유형에 따라 크게 영향을 받는다. 도 10의 (a) 및 (b)의 횡력현미경(LFM) 이미지를 직접 비교하면, 스프링 상수가 큰 탐침을 이미징에 사용하면 탐침의 비틀림 정도가 완화되는 것을 알 수 있다. 도 10의 (a) 및 (b)의 하단부에는 로컬 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지의 각 쌍에 대해 전류 대 횡력의 분포도가 그 아래에 표시되어 있으며, 로컬 이미지에 대한 이러한 분포도는 도 7의 전체 이미지에 대한 분포도와 어느 정도 유사하다.According to FIG. 10, it can be confirmed that there is a strong correlation between conduction atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) through electromechanical bonding in ZnO nanowires. The degree of correlation is strongly affected by the probe type. Directly comparing the lateral force microscope (LFM) images of FIGS. 10 (a) and (b), it can be seen that the degree of torsion of the probe is alleviated when a probe having a large spring constant is used for imaging. In the lower part of (a) and (b) of Figure 10, the distribution of current versus lateral force for each pair of local conduction atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) images is shown below, and the local image This distribution map for is somewhat similar to the distribution map for the entire image of FIG. 7 .
또한, x 축에 대한 데이터 포인트의 근접성은 탐침의 스프링 상수에 의해 결정된다. 로컬 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지를 비교하여 설명하면, 예를 들어, 탐침 A를 사용했을 때 도 10의 (a)-1에 도시된 횡력현미경(LFM) 이미지의 일부 활성 영역은 전도식 원자현미경(C-AFM) 이미지의 활성 영역과 일치하지 않는다. 이는 0.2 N/m 스프링 상수를 갖는 탐침 A를 사용했을 때 ZnO 나노선을 편향시키지 않고 탐침의 비틀림이 발생할 가능성이 있기 때문이다. 따라서, 많은 수의 데이터 포인트가 x 축 근처에 집중된다. 반대로, 42 N/m 스프링 상수를 갖는 탐침 B의 작은 정도의 비틀림 조차도 전류 신호를 생성하는 ZnO 나노선을 편향시킬 수 있으므로 많은 수의 데이터 포인트가 x 축에서 약간 떨어져 있다.Also, the proximity of the data point to the x-axis is determined by the probe's spring constant. If the local conduction atomic force microscope (C-AFM) and lateral force microscope (LFM) images are compared and described, for example, the lateral force microscope (LFM) image shown in (a)-1 of FIG. 10 when using the probe A Some of the active regions of , do not coincide with those of the conduction atomic force microscopy (C-AFM) image. This is because, when probe A having a spring constant of 0.2 N/m is used, there is a possibility that the ZnO nanowire is not deflected and the probe is twisted. Therefore, a large number of data points are concentrated near the x-axis. Conversely, even a small degree of torsion of probe B with 42 N/m spring constant can deflect the ZnO nanowires generating the current signal, so a large number of data points are slightly off the x-axis.
도 7에서는 ZnO 나노선의 종횡비에 따른 횡력에 대한 전류의 분포도 변화를 보여 주고 있다. 탐침 B에 의한 이러한 점진적인 분포도 변화는 도 12과 같이 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지 간의 픽셀 단위 비교를 통해 명확하게 설명된다. 모든 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지는 도 12의 상단에 표시된 색상 막대를 기반으로 생성되었다. 도 12를 참조하면, ZnO 나노선의 종횡비 변화에 의한 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 신호의 변화를 관찰 할 수 있다. 확대 된 이미지와 해당 분포도에서 종회비가 증가함에 따라 전류가 증가하는 반면 횡력이 감소 함을 확인할 수 있다.7 shows the change in the distribution of current with respect to the lateral force according to the aspect ratio of the ZnO nanowire. This gradual distribution change by probe B is clearly explained through pixel-by-pixel comparison between conducted atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) images, as shown in FIG. 12 . All conducted atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) images were generated based on the color bars indicated at the top of FIG. 12 . Referring to FIG. 12 , changes in conduction atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) signals can be observed due to changes in the aspect ratio of the ZnO nanowires. It can be seen from the enlarged image and the corresponding distribution diagram that as the aspect ratio increases, the current increases while the lateral force decreases.
이와 같이, 본 발명에 따른 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치는 탐침을 사용하여 ZnO 나노 단위에서 압전 전위를 생성하기 위한 포괄적인 방법 및 장치를 제공하고 있다.As described above, the method and apparatus for measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of a conductive atomic force microscope and a lateral force microscope according to the present invention is a comprehensive method and apparatus for generating a piezoelectric potential in ZnO nano units using a probe is providing
본 발명에서는 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 신호를 동시에 획득함으로써 ZnO 나노선의 종횡비에 따라 인가된 힘에 대한 출력 전류의 비율 변화를 관찰하고, 특히 스프링 상수가 0.2 N/m 및 42.0 N/m 인 두 개의 탐침을 사용하여 이 분석에 대한 스프링 상수의 효과를 조사하고, 횡력의 출력 전류로의 변환 효율을 계산하였으며, 종횡비가 증가함에 따라 효율이 향상되었음을 보여 주었다. 또한, 전류 대 횡력의 분포도를 생성하고, 선형 회귀법에 기반한 선형 모델을 사용하여 종횡비 변화에 따른 점 패턴의 변화를 정량적으로 분석하였다. 또한, 결과 선형 모델은 ZnO 나노선의 종횡비가 증가함에 따라 기울기가 증가 함을 보여주었다. 이는 종횡비가 증가함에 따라 횡력 축(x 축)에서 전류 축(y 축)으로 분포도의 데이터 포인트가 전환됨을 나타낸다.In the present invention, a change in the ratio of the output current to the applied force according to the aspect ratio of the ZnO nanowire is observed by simultaneously acquiring the conduction atomic force microscope (C-AFM) and lateral force microscope (LFM) signals, and in particular, the spring constant is 0.2 N/ m and 42.0 N/m were used to investigate the effect of the spring constant on this analysis, and the lateral force to output current conversion efficiency was calculated and showed that the efficiency improved with increasing aspect ratio. In addition, a distribution map of current versus lateral force was created, and a change in the dot pattern according to the aspect ratio change was quantitatively analyzed using a linear model based on a linear regression method. In addition, the resulting linear model showed that the slope increased as the aspect ratio of the ZnO nanowires increased. This indicates that the data points of the distribution plot shift from the lateral force axis (x-axis) to the current axis (y-axis) as the aspect ratio increases.
이와 같이, 본 발명에 따른 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치는 수직으로 성장한 모든 압전 나노 물질에 적용 할 수 있으며, 가해진 기계적 힘의 출력 전류로의 변환 효율에 대한 성장 조건의 영향을 쉽게 조사 할 수 있다. 또한, 뚜렷한 종횡비에 의한 산란 패턴의 변화는 전도식 원자현미경(C-AFM) 및 횡력현미경(LFM) 이미지 간의 픽셀 단위 비교를 통해 분명히 확인할 수 있다.As such, the method and apparatus for measuring piezoelectric potential properties of nanowires according to the present invention can be applied to all piezoelectric nanomaterials grown vertically, and the effect of growth conditions on the conversion efficiency of applied mechanical force into output current can be easily investigated. can In addition, the change in the scattering pattern due to the distinct aspect ratio can be clearly confirmed through pixel-by-pixel comparison between conducted atomic force microscopy (C-AFM) and lateral force microscopy (LFM) images.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments of the present invention, and should be defined by the claims as well as the claims and equivalents.
Claims (5)
횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy)이 위치 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 통해 상기 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 횡력 신호인 LFM 신호를 얻는 제2 단계;
상기 전도식 원자현미경(C-AFM)이 상기 탐침을 통해 상기 나노선의 발전 전위에 의해 발생하는 전류 신호인 C-AFM 신호를 얻는 제3 단계; 및
효율특성 산출부가 상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 각각 X축과 Y축으로 하는 분산도를 구성하여, 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공하는 제4 단계;
를 포함하는 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법.
A first step of bending by applying a vertical force to the grown nanowire (nanorod) using a probe of a conductive atomic force microscope (C-AFM: Conductive Atomic Force Microscopy);
Lateral Force Microscopy (LFM) uses a position-sensitive photodetector (PSPD) to obtain an LFM signal, which is a lateral force signal generated by the twisting of the probe of the conduction atomic force microscope (C-AFM). Step 2;
a third step of obtaining, by the conduction atomic force microscope (C-AFM), a C-AFM signal that is a current signal generated by the electric potential of the nanowire through the probe; and
Efficiency characteristic calculation unit constitutes a dispersion degree of the LFM signal and the C-AFM signal as the X-axis and the Y-axis, respectively, and the conversion efficiency for the amount of current output from the nanowire in preparation for the force applied to the nanowire a fourth step of providing;
A method for measuring the piezoelectric potential characteristics of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of a conductive atomic force microscope and a lateral force microscope.
상기 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침의 비틀림에 의해 발생하는 횡력 신호인 LFM 신호를 얻는 감지 광 검출기(PSPD: position-sensitive photodetector)를 포함하는 횡력현미경(LFM: Lateral Force Microscopy); 및
상기 LFM 신호와 상기 C-AFM 신호를 각각 X축과 Y축으로 하는 분산도를 구성하여, 상기 나노선에 가해지는 힘에 대비하여 상기 나노선으로부터 출력되는 전류량에 대한 변환 효율을 제공하는 효율특성 산출부;
를 포함하는 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 장치.
Conducted atomic force microscope (C-AFM) to obtain a C-AFM signal, which is a current signal generated by the electric potential of the nanowire, through the probe, including a probe that is bent by applying a force perpendicular to the grown nanorod : Conductive Atomic Force Microscopy);
Lateral Force Microscopy (LFM) including a position-sensitive photodetector (PSPD) for obtaining an LFM signal, which is a lateral force signal generated by twisting of the probe of the conduction atomic force microscope (C-AFM); and
Efficiency characteristics that provide conversion efficiency for the amount of current output from the nanowire in preparation for the force applied to the nanowire by configuring a dispersion degree using the LFM signal and the C-AFM signal as the X-axis and the Y-axis, respectively output unit;
A device for measuring the piezoelectric potential properties of ZnO nanowires through simultaneous signal measurement of a conduction atomic force microscope and a lateral force microscope.
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Citations (3)
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| KR20110100052A (en) * | 2010-03-03 | 2011-09-09 | 한국표준과학연구원 | Fusion measurement apparatus |
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2020
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070042505A (en) * | 2004-05-21 | 2007-04-23 | 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드 | Method and apparatus for measuring electrical properties in torsional resonance mode |
| KR20120108041A (en) * | 2004-05-21 | 2012-10-04 | 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드 | Method and apparatus for measuring electrical properties in torsional resonance mode |
| KR20110100052A (en) * | 2010-03-03 | 2011-09-09 | 한국표준과학연구원 | Fusion measurement apparatus |
| KR20170113160A (en) * | 2016-03-29 | 2017-10-12 | 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스 | Scanning probe microscope and probe contact detection method |
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