사면체구조 비정질 탄소박막의 원자구조 변화에 미치는 열처리 효과 : 분자동역학 연구

김경수 국민대학교 대학원 2007 국내석사

사면체결합을 가지는 비정질 탄소 (tetrahedral amorphous carbon, ta-C)는 높은 경도와 높은 내마모성자 같은 우수한 기계적인 특성이 있지만 높은 박막의 잔류응력으로 인해 박막과 기판 사이의 결합력이 약화되어 박리가 일어나거나 기판 자체가 변형되기 때문에 ta-C 박막의 광범위한 응용에 제한을 받게 된다. A. C. Ferrari 등[1]은 열처리를 통해 ta-C 박막의 잔류응력을 줄일 수 있다고 보고했지만 열처리 전후의 잔류응력, sp^(3) 변화 등과 같은 현상학적인 것에 대해서만 설명했고 원자구조의 관점에서 잔류응력을 감소시키는 메커니즘에 대한 연구는 없었다. 본 연구는 분자동역학 기법을 사용해 ta-C 박막을 증착시키고 열처리가 응력감소에 미치는 영향을 원자구조 측면에서 분석하였다. ta-C 박막은 내재적인 결정구조가 없기 때문에 통계적인 방법을통해 박막내의 원자구조의 변화를 관찰하는 것이 필수적인데 본 연구에서는 radial distribution function(RDF)과 Bond Ratio. angle distribution 등의 분석기법을 사용하였다. 원자구조 분석결과 열처리 전의 박막의 잔류응력에 가장 큰 영향을 미치는 구조는 준안정상에 해당하는 2.0∼2.2 A^(˚)거리에 있는 원자들 중 공통인접원자를 갖고 있는 원자들(유형 I 준안정상)임을 알 수 있었으며, 열처리 후에는 이와 같은 높은 응력을 가지는 원자의 수가 현저히 감소함을 알 수 있었다. 또한 원자간 거리와 원자 사이의 각도를 분석해 유형 I 준안정상에서 관찰되는 왜곡된 원자사이각이 열처리를 통해 평형에 가깝게 회복된다는 것을 알 수 있었다. Amorphous carbon thin films are one of the widely used materials for industrial applications due to their superior optical, physical, and chemical properties. Among the various films. tetrahedral amorphous carbon (ta-C) films have attracted much attention because they have high sp3 fraction, high hardness (60-90 GPa), and good optical transparency, which are comparable to those of the crystalline diamond. Moreover, ta-C films are expected to satisfy current industrial requirements of ultra-thin films less than 10 nm in thickness with excellent mechanical properties. For successful application of the ta-C films, however, some technical limitations should be overcome. One of the most significant problems is the high residual compressive stress of the ta-C film ranging from 6 to 20 GPa, which can deteriorate the adhesion between the film and the substrate. Therefore, vast efforts have been devoted to reduce the residual stress as well as improving the mechanical and physical properties of ta-C films. Thermal annealing of ta-C has been widely used to reduce its high level of residual compressive stress. However, the atomic scale mechanism of the reduction in the residual compressive stress has not been clear yet. This study focused on the effects of annealing on the atomic structure and bond nature of ta-C films using molecular dynamics simulation. We produced ta-C films by deposition of energetic carbon atoms on a diamond (100) substrate with incident energy from 10 to 100 eV. To simulate the depositions and structural evolutions of amorphous carbon films, we used the three body empirical potential for carbon suggested by Tersoff. The annealing of ta-C films was performed with NPT ensemble at 2000 K. We examined the changes in atomic bond structure and the properties such as atomic bond configuration, radial distribution and average residual stress of ta-C films caused by thermal annealing. The changes of atomic structure, especially for the highly distorted bonds in ta-C films, will he presented in detail.

Atomistic behavior and interface formation of aluminum related structure : spontaneous mixing of Co-Al system & dynamics of Al dimers on Si(001) surface

박재영 Graduate School, Yonsei University 2006 국내박사

금속/반도체 박막의 초기 성장과정과 계면의 특성을 밝혀내고 표면 원자구조와 결합구조를 연구하여 학술적, 산업적으로 반도체 소자개발에 필요한 기본자료를 제공하고자 한다. 특히, Co, Al은 MRAM의 기본 소자로써 금속/반도체 계의 연구는 학문적인 흥미와 응용을 목적으로 최근 수십 년 동안 연구되어왔다. 따라서, 금속의 반도체 표면에의 흡착위치, 결합형태의 연구는 박막 특성 파악에서 우선적으로 수행 되어야 할 분야이다. 본 연구에서는 정량적인 표면분석의 강력한 수단 중 하나인 동축 후방 이온산란 분광법 (Coaxial impact collision ion scattering spectroscopy: CAICISS), 자기 커 효과 (Magneto-optical Kerr effect: MOKE) 그리고 DFT(Density functional theory) 계산법을 이용하여 알루미늄이 포함된 계의 원자구조 및 계면 형성에 과한 연구 즉, Co-Al 계의 자박적인 혼합현상과 Si(001) 표면에서 알루미늄 다이머의 표면 배열에 관하여 연구하였다. Co(0001) 기판 표면에 덮임율 0.5 ML의 Al이 흡착될 경우, 흡착된 Al원자들은 기판 침투를 위한 상대적으로 높은 에너지 장벽 때문에 기판 161 속으로는 침투하지 못 하고 기판 표면의 hollow 사이트에만 존재하게 된다. Co 기판 표면과 흡착된 Al 원자의 높이는 (1.80±0.05) Å이고 hollow 사이트에 대한 Al 흡착에너지는 3.55 eV이다. 이러한 결과는 Al/Co 계에서 어떠한 혼합과정이 없는 sharp한 계면 형성 특성을 잘 설명해주는 새로운 증거이다. 이와는 완전히 상반되게 Al(001) 기판 표면에 덮임율 0.5 ML의 Co가 흡착될 경우, 흡착된 Co원자들은 기판의 Al원자들과 혼합되었고 CoAl-B2라는 특정한 구조를 형성하였다. Al 기판에 대하여 Co원자의 침투에너지 장벽이 그리 높지 않기 때문에, 흡착된 Co원자는 상온에서의 열에너지와 국부 가속에너지의 합으로 쉽게 에너지 장벽을 넘을 수 있고, (1) 표면 흡착 (2) 중간단계 그리고 (3) 최종 subsurface 흡착 과정을 통해서 안정적인 subsurface 상태에 안착된다. 또한 ab initio 계산과 자기 커 효과 실험을 통해서도 Al/Co 계의 계면에서는 혼합과정이 발견되지 않았지만 Co/Al 계에서는 비자기적 성질을 가지고 있는 CoAl-B2 구조가 확인되었으며 Co/Al 계면에서 CoAl-B2 영역 두께는 약 10 Å이었다. Al/Si(001)의 경우, 상온에서 덮임율 0.5 ML의 Al원자가 Si(001) 표면에 흡착 될 경우 흡착된 Al 원자들은 다이머를 이루었고, 결합길이가 2.67 Å인 Al 다이머들은 Si(001) 표면에서부터 (1.02±0.05) Å의 높이로 T3사이트에 위치하며 Si 다이머 방향과 평행한 구조로 흡착되었다. Al 덮임율을 1.0 ML으로 증가시켰을 경우에도 Al 다이머 들은 여전히 T3사이트에 존재하였으며 두 번째 흡착 사이트는 HH사이트였다. 열처리 효과를 연구하기 위해서 0.5ML Al/Si(001)계는 620K까지 가열되었으며, 열 처리 후 흡착된 Al 다이머들은 부분적으로 Si 다이머 방향과 평행한 구조에서 수직인 구조로 바뀌었으며, Si 다이머 사이 거리도 변하였다. Si 162 다이머 방향을 기준으로 Al 다이머의 평행구조와 수직구조는 같은 흡착 사이트 즉 T3에 흡착되었으며 그 높이는 각각 Si 표면에서부터 (1.02±0.05) Å와 (1.86±0.05) Å이다. 본 연구는 Al 다이머의 평행, 수직 구조 공존이라는 새로운 모델을 실험을 통해서 제시하였다.

Ⅱ 족 金屬인 Mg, Ba이 吸着된 Si(001) 表面과 V 족 金屬인 Bi가 吸着된 Si(111) 表面의 電子 및 原子構造 硏究

김정선 성균관대학교 대학원 1997 국내박사

The electronic and atomic structures of the Si(001)2×3-Mg, Si(001)2×2-Mg and Si(111)√3×√3-Bi surfaces, and the initial adsorption of Mg and Ba on the Si(001)2×1 surface have been studied by low energy electron diffraction (LEED), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS ), angle-integrated photoelectron spectroscopy (AIUPS), angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARUPS) and work-function change (ΔΦ). We summarize our results as follows : 1) Initial adsorption of Mg on the Si(001)2×1 surface at room temperature (RT) and high temperature The clean Si(001)2×1 surface was changed to Si(001)1×1-Mg surface at RT with increasing Mg coverage. The Si(001)2×2-Mg and Si(001)2×3-Mg phases were observed at a substrate temperature of about 280℃ and 390℃, respectively. From the measurements of the intensity ratios of XPS core levels (Mg 1s / Si 2p), the AIUPS spectra and work-function changes, we suggest the Si(001)2×2-Mg surface at a coverage of 1/2 ML and the Si(001)2×3-Mg surface at a coverage of 1/3 ML. In contrast to the Si(001)2×2-Mg surface, it seems that the dangling bonds of Si dimers still remain on the Si(001)2×3-Mg surface. We have discussed the possible structures on the Si dimers surface using the models of the linear and zig-zag parallel alkali earth metal-chains. 2) Electronic structures of the single domain Si(001)2×3-Mg and Si(001)2×2-Mg surfaces Four surface states (DB, SSl', SS2' and SS3') and three surface states (SS1, SS2 and SS3) were observed on the single domain Si(001)2×3-Mg and Si(001)2×2-Mg surfaces, respectively, in the projected bulk valence band gap. Both surfaces show semiconducting properties with the band gaps of 0.58 and 0.60 eV for the single domain Si(001)2×3-Mg and Si(001)2×2-Mg surfaces, respectively. Except dangling bond (DB) state, the other states bear the similar origins. The origins of observed surface states were discussed based on the alkali earth metal-chain models. The DB state comes from the dangling bond state of Si dimers. The SS1 and SS1' states results from the possible overlap of the 3s orbitals of the Mg atoms, and the backbond states (SS2, SS2', SS3 and SS3') from the hybridization between the 3s orbitals of Mg atoms and the dangling bonds of Si dimers. 3) Initial adsorption of Ba on the single domain Si(0O1)2×1 surface at 870℃ The four phases are observed with increasing coverage, such as the double domain Si(001)2×3-Ba, Si(001)(2×3)'-Ba, mixed-Ba and Si(001)2× 1-Ba phases. From the measurements of the changes of the intensity ratio of XPS core levels (Ba 3d / Si 2p), the AIUPS spectra and work-function changes, we suggest the double domain Si(001)2x3-Ba surface at a coverage of 1/3 ML and the double domain Si(001)2x1-Ba surface at a coverage of 1 ML. We have discussed the possible structures on the Si dimers surface using the models of the linear parallel alkali earth metal-chains. 4) Surface electronic structures of the Si(111)√3×√3-Bi surfaces with 1/3 and 1 ML coverages For the Si(111)√3×√3-Bi (1/3 ML) surface, we observed four occupied surface states (SL1, SL2, SL3, and SLR), and a nondispersive surface state (SL1') like those for the √3-column III and IV metal surfaces. On the other hand, the Si(111)√3×√3-Bi(1 ML) surface showed six occupied surface states (SH1, SH2 (SH2'), SH3, SHR1 and SHR2). Both surfaces reveal semiconducting properties with the band gaps of 0.60 and 0.65 eV for the Si(111)√3×√3-Bi(1/3 ML) and Si(111)√3×√3-Bi (1 ML) surfaces, respectively. The origins of the observed surface states have been discussed, based on the T_(4) site adsorption models.

Phase transition of Al ad-dimer on Si(001)-(2x1) surface with annealing process

정선교 Graduate School, Yonsei University 2006 국내석사

We investigated the atomic structure of Al layer on Si(001)-(2×1) surface using coaxial impact collision ion scattering spectroscopy (CAICISS). At the low coverage with room temperature (RT), it is confirmed that 0.5 monolayer (ML) Al ad-dimers are oriented parallel to the underlying Si dimers at the position of centering valley bridge site.In order to investigate a change of structure of 0.5 ML Al on Si(001) after annealing process, the sample grown up to the coverage of 0.5 ML at RT was annealed at 350°С. After annealing process, we observed that the Al ad-dimers partially changed their orientation from para to ortho with relaxed Si dimer bonds. The para and ortho Al ad-dimers occupy the same adsorption site at the position of centering valley bridge site with a height of (1.02 ± 0.05) Å and (1.86 ± 0.05) Å from the first layer of Si substrate, respectively.With increasing coverage up to 1.0 ML, ortho Al ad-dimers become the new favorable configurations leading toward a para to ortho phase transition at 1 ML coverage. Our results explain the para and ortho Al ad-dimers are coexist on the Si(001) surface with no changed Si dimer at RT. In order to investigate a structure change induced by annealing process, the sample grown up to the coverage of 1.0 ML at RT was annealed at 350°С. After annealing process, we observed that the Al ad-dimers entirely changed their orientation from para to ortho with relaxed Si dimer bonds.Our results provide a new model - coexistence of para and ortho Al ad-dimers – for experimental observations and theoretical calculations 동축 후방 이온 산란 분광법 (Coaxial Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy : CAICISS)를 이용하여 Si(001)-(21) 표면 위에 흡착된 Al 원자층의 원자 구조를 연구하였다. 작은 덮임 율의 Al 흡착 짝 원자는 상온에서 valley bridge site 의 가운데에 Si 짝 원자의 방향에 평행한 방향성을 가지고 흡착됨을 확인하였다.열처리후의 작은 덮임 율의 Al 흡착 짝 원자의 구조 변화를 연구하기 위해서, 상온에서 작은 덮임 율로 Al 을 흡착 시킨 후 350°С 로 가열하였다. 열처리 후 Al 짝 원자들이 Si 짝 원자의 완화를 동반하며 부분적으로 평행한 방향에서 수직방향으로 변화하는 것을 관찰했다. 여기서 평행하고 수직한 Al 짝 원자는 각각 valley bridge site 의 같은 흡착 공간 중앙에 기판의 첫 번째 층에 대해서 (1.02 ± 0.05) Å 과 (1.86 ± 0.05) Å 의 높이를 가지고 흡착되어있다.덮임 율이 증가함에 따라, 수직한 Al 짝 원자모델이 완화된 Si 짝 원자의 완화를 가지고 평행에서 수직으로 상 변화를 이끄는 새로운 우호적인 모델이 된다. 실험결과는 상온에서는 Si 짝 원자의 변화 없이 평행하고 수직한 Al 짝 원자들이 Si(001) 표면에 공존하고 있음을 설명한다. 열처리에 따른 구조 변화를 보기 위해서, 높은 덮임 율의 기판을 350°С 로 열처리 하였다. 열처리 후 Al 짝 원자들이 Si 짝 원자의 완화를 이끌며 전체적으로 평행에서 수직으로 방향을 바꾸는 현상을 관찰하였다.우리의 이 실험결과는 실험적, 이론적 계산을 위한 새로운 모델 ( 평행과 수직한 Al 짝 원자의 공존) 을 제시하고 있다.

재 구조된 high-index Si(5 5 12) 표면에 형성되는 facrt의 원자구조연구

朱永哲 전북대학교 2003 국내석사

본 연구에서는 Si(5 5 12) 표면에 존재하는 안정된 facet들의 구조를 주사터널링 현미경을 이용하여 관찰하였다. 이러한 안정된 facet들 중에서 1 차원 대칭성을 갖고 있지 않는 방향에서도 안정된 (6 9 17) 방향과 (9 6 17) 방향의 facets이 존재하며, 이 두 종류의 facets 은 (1 1 0) 면에 대하여 대칭적인 구조를 가지고 있음을 확인 하였다. 본 연구를 통하여 Si(5 5 12) 표면에 나타난 facet들 사이에 존재하는 특수한 조합방식을 관찰하였는데, (1 1 3) 방향은 (6 9 17) 방향과 함께 나타나고, 만약에 (1 1 3) 방향이 나타나지 않는다면 (6 9 17) 방향도 나타나지 않음을 관찰할 수가 있었다. 이러한 Si(5 5 12) 표면에 존재하는 1 차원 row 인 (1 1 0)에 거의 수직인 (6 9 17) facet의 원자구조를 STM으로 분석한 결과, 일정 폭의 (3 3 7) terrace와 (0 1 1)단층 계단으로 이루어진 복합 표면이라는 사실을 확인하였다. 이 (6 9 17) facet은 많은 grain boundary를 포함하여 매우 유연하게 거시적으로 휘는 곡선의 facet으로 나타나기도 한다는 사실을 확인하였다. 본 연구를 통하여 재구조된 표면에 존재하는 facet은 절개하는 방향에 대한 miscut에 의하여 몇 개의 안정된 에너지를 갖는 방향들로 이루어져 있고, 그들의 적절한 조합으로 국부적인 표면에너지를 낮추는 것을 확인할 수 있었다. The atomic structure of stable facets existing on the reconstructed Si(5 5 12) has been studied by Scanning Tunneling Microscopy in the present thesis. Among these facets, the stable facets which are almost vertical to the 1-dimensionally symmetric row, (1 1 0), of Si(5 5 12) have been turned out two mirror-imaged (6 9 17) and (9 6 17) planes. The combination of facets appearing at the reconstructed Si(5 5 12) are mainly determined by the miscut and a specific combination rule. For example, the (1 1 3) facet can be accompanied by (6 9 17) and (9 6 17), but these facets never appear unless the (1 1 3) facet pre-exists. Analyzing the atomic image of (6 9 17) facet, it can be modelled that the (6 9 17) facet consist of regularly-spaced (3 3 7) terrace and (0 1 1) single step. The (6 9 17) facet can easily adapt the smoothly bending shape through adding grain boundaries. From the present studies, it can be concluded that the stable facets always appearing in the reconstructed surface are composed of a few energetically-stable planes which are determined by the miscut orientation and their combination is locally determined by the rule to minimize the local surface energy.

Structure and properties of quaternary Ca-Mg aluminosilicate glasses and melts in diopside (CaMgSi2O6)-Ca-Tschermakite (CaAl2SiO6) Join : high-resolution solid-state 27Al and 17O NMR study

박선영 서울대학교 대학원 2010 국내석사

지구 구성 물질들은 성분의 수에 따라 단성분계에서 다성분계로 분류될 수 있다. 이 중 다성분계 비정질 규산염은 유리질, 세라믹, 내화물질의 주요 구성 물질이고 맨틀로부터 생성되는 초기 용융체(melt)의 주요 구성 성분이므로 다성분계 비정질 규산염의 원자구조와 물리 화학적 특성을 밝히는 것은 지구 내부의 마그마의 이동, 지구 시스템의 분화 등의 설명에 실마리를 제공해 준다. 특정 원자 중심의 정보를 제공해주는 고분해능 고상핵자기 공명 분광분석(NMR)은 현무암질 마그마를 포함한 대부분의 자연계의 다성분계 규산염 용융체의 원자 구조 분석에 적합하다. 본 연구에서는 일차원과 이차원 고상 NMR 을 이용하여 현무암질 마그마의 모델 시스템인 투휘석과 Ca- 처마카이트를 단종으로 하는 CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2) 비정질 규산염의 조성에 따른 원자 구조의 변화를 규명하였다. 27Al MAS NMR 실험 결과 모든 조성에 대해 60 ppm 근처에서 [4]Al 피크가 지배적으로 나타나며 이는 Al3+이 네트워크 형성 이온으로 작용한다는 것을 지시한다. 투휘석 성분이 증가함에 따라 피크 위치가 음의 방향으로 4.7 ppm 이동하는 것은 조성에서 Si 의 상대적인 양이 증가하면서 Q4(4Si)가 증가하는 것을 의미하고 이를 통해 Al 주변의 산소가 모두 연결 산소(BO, bridging oxygen)임이 확인되었다. 27Al 3QMAS NMR 실험 결과 1- D MAS NMR 스펙트럼에서는 구별되지 않던 [4]Al 와 [5]Al 의 피크가 분리되어 관찰되었다. 투휘석 성분이 증가하면서 [5]Al 의 상대적인 양이 증가하는 것이 관찰되며 이는 네트워크 교란작용을 일으키는 Mg2+ 가 증가하기 때문이다. Ca-Mg 알루미노규산염 내의 [4]Al 에 대한 Cq (quadrupolar coupling constant) 값은 투휘석 조성이 증가할수록 감소하는 경향을 보이며 이는 위상학적 무질서가 감소한 것을 의미한다. 17O MAS NMR 실험 결과 Ca-Mg 알루미노규산염 내에 Ca-NBO (non bridging oxygen)인 Ca-O-Si 와 연결 산소가 17O MAS NMR 스펙트럼상에서 구별되며 투휘석 성분이 증가함에 따라 NBO 의 상대적인 양이 증가하는 것이 확인되었다. 고해상도 17O 3QMAS NMR 실험 결과 1D MAS NMR 상에서 확인되지 않던 Al-O-Al, Al-O-Si, Si-O-Si 와 Ca-NBO, {Ca, Mg}- NBO 가 부분적으로 구별되며 산소 주변의 원자환경은 투휘석과 Ca- Mg 알루미노규산염에 대해 이전에 알려지지 않았던 화학적 위상학적 무질서도에 대한 정보를 제공해준다. 투휘석과 Ca-처마카이트가 50:50 으로 섞여 있는 중간 조성에서 상당한 양의 Ca-NBO 가 -64 ppm 정도에서 분리되어 있는 것이 관찰되며 이는 Ca-NBO 와 Mg-NBO 가 생성될 때 랜덤 분포를 가지지 않고 Ca2+가 NBO 를 선호한다는 것을 의미한다. Ca-Mg 알루미노 규산염 내에서 Mg2+는 Si-O-Al 을 포함하는 BO 와 연결되어 전하 균형 양이온으로 작용하는 반면 Ca2+는 네트워크 교란 양이온으로 작용한다. 본 연구에서의 Ca-Mg 알루미노 규산염에 대한 원자 구조는 조성에 따른 거시적 성질의 변화를 설명한다. 예를 들어 [4]Al 과 [4]Al-O-[4]Si 의 존재는 비정질 투휘석과 Ca-처마카이트 유사이원계의 혼합 엔탈피가 음의 값을 가지는 것을 설명한다. 규산염 용융체의 점성도는 NBO 가 증가할수록 급격히 감소하는 것으로 알려져 있으나 투휘석과 회장석 이원계에 대해 실험적으로 NBO 의 변화를 밝힌 예는 없다. 본 연구에서는 Ca-Mg 알루미노 규산염의 산소 주변 원자환경을 통해 조성의 변화에 따라 NBO 의 상대적 양이 변하는 것을 실험적으로 증명하였으며 이는 투휘석의 상대적 양이 증가할수록 점성도가 감소하는 측정된 실험값과 일치하는 경향을 보인다. NBO 와 BO 사이의 Ca2+, Mg2+ 선호도는 CaO 와 MgO 의 활동도 계수에 영향을 주므로 궁극적으로 해양도와 중앙 해령에서 생성되는 용융체의 조성의 변화를 유도한다. 또한 지하수나 빗물에 의한 현무암의 용해과정에서 네트워크 교란 양이온과 NBO 사이의 강한 결합력으로 인해 Ca2+에 비해 Mg2+가 더 쉽게 용해된다. 본 연구에서의 결과는 다성분계 비정질 물질의 원자구조를 명확히 규명해 주며 원자구조와 성질 사이의 관계에 대한 새로운 연구 방향을 제시한다. Whereas the structure of ‘multi-component’ silicate glasses and melts has implication for the properties of natural silicate magmas and relevant geochemical processes, little is known about their atomic structures due to lack of suitable experimental probes of amorphous ‘multi-component’ oxides. Whereas most of the progress in melt structure has been made for relatively simple binary and ternary silicate glasses, recent advances in high-resolution solid-state NMR begin to provide element specific and quantitative information of atomic configurations in multi-component silicate glasses including quaternary oxide glasses. Here we report the first experimental results of the effect of composition on the atomic structure of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS) silicate glasses in diopside (CaMgSi2O6) and Ca-Tschermakite (CaAl2SiO6) pseudobinary join, a model system for basaltic magmas, using high-resolution 1D and 2D solid-state NMR. The 27Al MAS NMR spectra for the CMAS glasses show that four-coordinated Al, [4]Al is predominant, demonstrating that Al3+ is a network former. The peak position moves toward a lower frequency approximately 4.7 ppm with increasing diopside content due to a increase in Q4(4Si) fraction with decreasing Al content. The result indicates that Al is surrounded only by bridging oxygens. The 27Al 3QMAS NMR spectra show well resolved [4]Al and [5]Al in CMAS glasses. The fraction of [5]Al species increases with increasing diopside content (and thus with increasing Mg2+). The structurally relevant quadrupolar coupling constant (Cq) and full width half maximum (FWHM) of [4]Al decrease with increasing diopside content, suggesting a decrease in topological disorder due to bonding angle and length distributions. The 17O MAS NMR spectra for CMAS glasses qualitatively suggest that the fraction of non bridging oxygen (NBO) increases with increasing diopside content, consistent with the prediction form composition. The highresolution 17O 3QMAS NMR spectra show that three types of bridging oxygens (BO; Si-O-Si, Al-O-Al, and Si-O-Al) and two types of NBO (Ca-NBO, and mixed {Ca, Mg}–NBO) are partially resolved. The local oxygen configurations in the glasses provide previously unknown details of the chemical and topological disorders in Ca-Mg aluminosilicate glasses. The significant fraction of the Ca-NBO peak is observed around -64 ppm in the glass at intermediate compositions (e.g., diopside : Ca-Tschermakite = 50 : 50), suggesting nonrandom distributions of Ca2+ and Mg2+ around NBO and BO, characterized with preferential partitioning of Ca2+ into NBO; Mg2+ is likely to have proximity to BO including Si-O-Al at intermediate compositions thus Mg2+ plays a preferential role as a charge-balancing cation, while Ca2+ can act as a network-modifying cation in the Ca-Mg aluminosilicate glasses studied here. The observed structural changes in the CMAS glasses can account for the changes in macroscopic properties with composition. For example, the predominance of [4]Al and its extensive mixing with Si as evidenced by the significant fractions of [4]Al-O-[4]Si is consistent with a negative experimental enthalpy of mixing for silicate glasses in diopside and Ca-Tschermakite join from solution calorimetry. As viscosity of silicate melts decreases exponentially with NBO fraction, while there is no available experimental data for the viscosity of silicate melts in the diopside-anorthite join, the observed increase in NBO fraction with increasing diopside content indicates a decrease in melt viscosity toward a diopside end-member. Finally, the preferential partitioning of Ca2+ and Mg2+ between NBO and BO may results in a variation of activity coefficient of CaO and MgO, thus controlling composition of melts generated at the Mid-Ocean Ridge or Oceanic Islands. This preference also has strong implication for dissolution mechanisms of basalts in contact with aqueous fluids. Taking into consideration of stronger bond between network modifying cations and NBO (over charge-balancing cation and BO), Mg2+ in the basalts is likely to be dissolved easily. The results and methods shed light on structure of multi-component oxide glasses and provide improved understanding their structure-property relations.

Surface structure of Cesium on Si(001)-(2X1) system

박재영 Graduate School, Yonsei University 2002 국내석사

The surface structure of Cesium (Cs) on Si(001)-(2X1) surface was investigated by the Coaxial Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy (CAICISS). The Cs/Si intensity ratio of CAICISS was applied to monitor the coverage of Cs on Si(001)-(2X1). It is confirmed that the Cs intensity was saturated at a certain coverage./After Cs atoms are adsorbed on Si(001)-(2X1) up to 0.2 ML at room temperature, 2X1 LEED pattern was observed. Also, Cs atoms occupied only T3 site with a height of 2.83±0.05 Å from the second layer of Si(001) surface and separated by 7.68 Å across the Si dimer row./The model of Cs/Si(001) at the low coverage was proposed and compared with other models. 정량적인 표면분석의 강력한 수단 중 하나인 동축 후방 이온 산란 분광법 (Coaxial Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy : CAICISS)를 이용하여 Si(001)-(2X1) 표면 위에 흡착된 Cs원자층의 원자 구조를 연구하였다. Cs/Si(001)-(2X1)계의 덮임율은 Cs/Si의 CAICISS픽 비률로 측정하였고, Cs픽의 강도로는 특정 덮임율에서 포화됨을 확인하였다./상온에서 Cs원자를 0.2ML 증착후, 2X1 저에너지 전자 에돌이(Low Energy Electron Diffraction : LEED) 패턴을 관찰하였고, 그때의 Cs 원자들은 T3 site에만 흡착하였고 높이는 Si(001) 표면의 두 번째 층으로부터 2.83±0.05 Å 높이에 위치해 있었다. 그리고 Cs 원자들은 Si dimmer row 방향을 가로질러 7.68 Å 떨어져있음을 알 수 있었다./적은 덮임율에서의 Cs원자의 흡착 모델을 제시하였고, 다른 논문의 결과와 비교하였다

Electronic and atomic structures of carbon nanotube by gas adsorption : 가스 흡착에 의한 탄소나노튜브의 전자구조 및 원자구조

권용수 成均館大學校 大學院 2003 국내박사

밀도함수법을 이용한 계산을 통해 가스 흡착에 의한 탄소나노튜브의 전자구조 및 원자구조를 이론적으로 연구하였다. 가스 흡착에 의한 탄소나노튜브의 특성변화는 탄소나노튜브를 전자방출소자나 가스센서로 응용하는데 중요한 연구분야 중 하나이다. 밀도함수법을 이용하여 탄소나노튜브에 가스가 흡착될 때 흡착위치와 전자상태밀도를 이론적으로 연구하였다. 가스 종류는 대기중의 주성분인 수소, 질소, 산소를 사용하였다. 단층 탄소나노튜브에 수소분자가 흡착될 경우는, 수소분자는 팔걸이의자형 및 지그재그형 나노튜브 모두 자발적으로 아무런 에너지 장벽 없이 분리되어 나노튜브 끝에 흡착 되었고 흡착에너지는 2∼5 eV로 화학적 흡착임을 발견하였다. 또한, 흡착 되었을 때의 페르미에너지가 흡착 되기 전의 나노튜브에 대해 컨덕션밴드쪽으로 움직이면서 일함수를 감소시켜 문턱전압을 낮춤을 발견하였다. 이와 대조적으로 질소분자는 분리되지 않고 흡착되었으며, 그 흡착 에너지는 팔걸이의자형의 경우 0.62 eV로 물리적 흡착에 가깝고 지그재그형은 2.42 eV로 화학적 흡착임을 발견하였다. 그리고 흡착 되었을 때의 페르미에너지의 변화도 없었다. 또한 지그재그형과 달리 팔걸이의자형의 경우 흡착될 때 작은 에너지 장벽이 있었다. 이것은 질소분위기 속에서 주위 깊은 온도 조절을 통해 산소로 팔걸이의자형 나노튜브(도체)를 선택적으로 식각시켜 지그재그형 나노튜브(반도체)만을 얻을 수 있는 단서를 제공한다. 산소는 흡착되면서 페르미에너지가 벨런스밴드쪽으로 움직여 일함수를 증가시켜 문턱전압을 증가시킴을 발견하였다.

Self-consistent field method에 의한 원자구조계산과 결정내 Bloch orbital에서의 Orthonormalized function 계산

김미라 漢陽大學校 1990 국내석사

Co/Si(001)계의 표면 원자구조에 관한 연구

구대성 연세대학교 대학원 1999 국내석사

동축 이온 산란 분광법(CAICTSS)을 이용하여 Co/Si(001)계의 초기 성장시 표면의 원자구조 및 성장방식을 분석하였다. 상온에서 수 ML로 증착한 Co는 Si(001) 표면 위에서 흡착하였으며, 성장 방식은 FM방식이었다. 0.6 ML의 덮임율에서 대부분의 Co원자는 두 번째 층의 Si원자로부터 2.72 Å위에 있는 T4 site에 흡착하고, 그 다음으로 두 번째 층의 Si원자로부터 3.47 Å위의 HB site에 적은 양의 Co원자들이 흡착해 있음을 알 수 있었다. 그리고, T4 site와 HB site사이의 결합거리와 결합각은 3.91 Å과 11.1°였고, 이로부터 높이 차는 0.75 Å임을 알 수 있었다. 1.9 ML의 덮임율에서 Co원자들은 0.6 ML의 덮임율에서 채워지지 않았던 HB site에 흡착하였다. 또한, 새로운 site에 흡착하기 시작하였는데 그 위치는 두 번째 층의 Si원자로부터 3.58 Å 위에 있는 T3 site임을 알 수 있었다. The surface structure and the growth mode of Co/Si(001) system are studied using coaxial impact collision ion scattering spectroscopy. Co atoms deposited at room temperature up to a few mololayer(ML) reside on the Si(001) surface and grow with FM mode. When 0.6 ML of Co is deposited, the major site of adsorption is T4 site with the height of 2.72 A above the second layer of Si(001) surface and the next favored site of adsorption is HB site higher than T4 site by 0.75 A so that with the height of 3.47 A above the second layer or Si(001) surface. The bond length and angle between Co atoms at T4 and HB sites are 3.91 Å and 11.1˚ respectively. When the coverage of Co is increased up to 1.9 ML, Co atoms is adsorbed at HB site which is unoccupied at the coverage of 0.6 ML. At this coverage regime Co atoms start to be adsorbed at T3 site with the height of 3.58 Å above the second layer of Si(001) surface.