KR102382918B1 - 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치 - Google Patents

전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명에 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 상기 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 포함하여 구성된다.

Description

전도식 원자현미경과 횡력현미경의 동시 신호측정을 통한 ZnO 나노선의 압전 전위 특성 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for simultaneous acquisition of conductive atomic force microscopy and lateral force microscopy signals for characterizing piezoelectric potential of ZnO nanorod}
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.
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.
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.
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.
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.
즉, 본 발명은 전도식 원자현미경(C-AFM)의 탐침(scanning probe)의 비틀림 정도와 나노선의 출력 전류 간의 상관관계에 대한 포괄적인 분석을 제공하고자 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명에 따르면, 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침이 ZnO 나노선을 스캔하는 동안에 전도식 원자현미경(C-AFM) 신호와 횡력현미경(LFM) 신호를 동시에 획득할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
보다 구체적으로, 도 5의 (a)는 ZnO 나노선의 상면도이고, 도 5의 (b)는 ZnO 나노선의 측면도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
[수학식 1]
Figure 112020109421889-pat00001
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.
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.
[수학식 2]
Figure 112020109421889-pat00002
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.
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.
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.
이후부터는 본 발명에 따른 전도식 원자현미경(C-AFM) 탐침과 ZnO 나노선 사이의 상호 작용 과정에 대한 보다 추가적인 설명을 하기로 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims (5)

  1. 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 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.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 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 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.
  5. 삭제
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