Phase Engineering of Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides for Electrocatalyst Application

Sanghyeon Park Graduate School of UNIST 2020 국내석사

Two Dimensional (2D) materials such as transition metal chalcogenides (TMDs) has been studied, but several problems still remain as disturbance for application to energy materials like electrocatalyst. In this work, we present a phase engineering of TMDs for electrocatalyst via highly reactive molten Potassium (K) metal intercalation. The 2H to 1T phase transition of TMDs has been exploited for application of the 1T phase with metallic property to applications such as electrocatalysts. However, the improving stability of thermodynamically metastable 1T TMDs remains an important challenge to overcome for using 1T phase properties. In addition, scalable synthesis methods of 1T TMDs, which are necessary for a wide range of applications, have to be developed. In this work, we presented a synthesis method of 1T phase MoS2 using molten K metal intercalation suitable for scalable method and confirmed the sucessfully phase transition 2H to 1T phase and improvement of 1T phase stability by K atom doping in the MoS2 basal plane. Furthermore, K atoms are doped in MoS2 basal plane, which can donate electron continuously to MoS2, which achieved long-term stability, thermal stability, and high power laser stability. Furthermore, we applied K doped 1T MoS2 to the hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalyst and confirmed the improved HER performance owing to high electrical conductivity and basal plane activation of K-doped 1T MoS2 compared to 2H MoS2 and 1T MoS2 (n-BuLi), and high phase stability of K-doped 1T MoS2 exhibits high HER stability.

Reusable electrochemical microgap sensor for nucleoprotein from influenza a virus

Park, Sanghyeon Sungkyunkwan university 2021 국내석사

H1N1 바이러스는 높은 전염성을 가져 지속적인 감시가 요구된다. 이러한 요구에 대한 한 가지 방법으로 특정 공간 내의 바이러스 농도를 지속적으로 관찰, 정량하는 감시체계를 제시한다. 본 논문에서는 이 감시체계에 부합하는 검출 수단의 하나로써 하나의 소자에서 다수의 시료를 검출 및 정량하기 위한 전략을 구상하였다. 자석을 통해 쉽게 분리할 수 있는 특성을 가진 자성 입자에 H1N1 바이러스의 핵단 백질을 붙잡는 항체를 고정함으로써 시료에 가해지는 화학반응과 소자 검출에 이용 되는 전기화학 반응을 공간적으로 분리하였다. 이는 소자의 재사용 가능 횟수를 늘리기 위해 요구되는 항체의 조건과 이와 상반되는 소자의 검출성능을 향상시키기 위해 요구되는 항체의 조건이 동시에 요구되는 모순된 상황을 타개하여 소자의 높은 재사용 횟수와 높은 검출성능을 동시에 달성하였다. 이에 더해 하나의 폴리스티렌 입자에 다수의 항체와 염기성 인산 분해효소가 고정하여 신호발생 요소로 사용하였고, 하나의 AL염기성 인산 분해효소가 고정된 항체를 사용했을 때와 비교하여 높은 민감도를 유도하였다. 이러한 방법을 통해 약 100 fM의 검출 한계를 달성하고 20 회 재사용이 가능한 센서를 개발할 수 있었다. H1N1 viruses are very contagious, so need to monitor its spreading constantly. As a choice, I suggest environmental monitoring system for viruses. The system based on constant, quantitative monitoring and this system requires highly reusable and sensitive sensors. To make sensor suitable at this system, I separate sample preparation and detection spatially using magnetic particles. Receptors are immobilized on magnetic particles rather than sensor surfaces for giving selectivity without hindrance to reuse the sensor. The sensor is stabilized for reusing by pre-running with distilled water washing. The stabilized sensor is reusable with very simple washing method that washing by distilled water only. In addition, polystyrene beads that immobilize many enzymes and antibodies are used as a probe for improving sensor sensitivity. With this method, I achieves 20 number of reuse and about 100 fM LOD

Development of a novel membrane process for post-CMP cleaning and a filtration for removal of large particles in CMP slurry

Park, Sanghyeon Sungkyunkwan University 2024 국내박사

Chemical Mechanical Planarization(CMP) is an essential process to planarize the wafer surface using mechanical and chemical reaction in semiconductor process. The process needs to clean the polished residues in post CMP cleaning process. It generates lots of wastewater during p-CMP cleaning. Although many researchers have studied the process, there are still issues such as the hard to clean small particle and use a lot of cleaning water. In the CMP process, a large particle count(LPC) filter has been used to reduce scratch defects caused by large particles in the slurry. Although the level of demand for LPC removal is increasing due to the advancing of semiconductor processes, the traditional filtration has a limitation to remove large particles. To solve this problem, tangential flow filtration(TFF) and functional water using a membrane were developed. At first, a separation system with the 100nm PES TFF was applied to reduce the number of below 100nm ceria particles in CMP slurry. The ceria particles in the CMP slurry were reduced by 30.7% via the TFF system and slurry properties such as mean diameter, pH, zeta potential, and solids concentration were maintained. There was no significant difference in MRR in CMP process between original and TFF treated slurry. In addition, the cleaning efficiency with the TFF system was improved by 34.7% compared to that without the TFF system. Secondly, TFF is applied to large particle removal with hybrid media composed with membrane and nonwoven. Out of the novel method with the hybrid PES membrane and PP nonwoven resulted 40% higher permeate flux and equivalent particle removal efficiency on 0.3~3㎛ than 0.45um PES. Thirdly, H2 water generated by membrane contactor was applied to ceria abrasive. The H2 water reduced the ceria surface from Ce4+ to Ce3+, weakening the bonding between ceria and the SiO2 wafer surface. These resulted 91.8% higher efficiency in post-CMP cleaning. The effect of ceria particle buff cleaning with bubble-function water generated from supersaturated water was investigated, and the cleaning efficiency with CO2 dissolved water was about 30% higher than that of DI water and nitrogen dissolved water. The results of this study can be used to optimize post CMP cleaning process in terms of higher small particle removal efficiency and minimize CMP wastewater, also a novel filtration for large particle can improve the CMP process. These researcher results can contribute to semiconductor manufacturing process. 화학기계연마(CMP)는 반도체 제조 공정에서 기계적, 화학적 반응을 이용하여 웨이퍼 표면을 평탄화 하는 필수 공정이다. CMP 후 세정 공정에서는 연마된 잔여물과 CMP 슬러리 세정공정이 필요하며, 이 때 세척수로 인해 많은 폐수가 발생한다. 여러 연구에도 불구하고, 작은 입자의 세척이 어렵고, 세척수를 많이 사용하여 p-CMP 공정에서 폐수가 많이 발생하는 등의 문제가 여전히 남아 있다. 이 문제 해결을 위해 새로운 여과방식인 교차흐름여과(TFF)와 가스 용해 기능수 세정을 위한 막 접촉기 공정을 개발하였다. 한편 CMP 슬러리 내 큰 입자로 인한 스크래치 불량 저감을 위해 부직포 여과지로만 구성된 large particle count(LPC)용 필터를 사용했는데, 반도체 공정 고도화로 인해 LPC 제거에 대한 요구 수준이 높아지고 있지만, 기존의 여과 방식으로는 0.3~3μm 범위의 입자를 선택적으로 제거하는 데 한계가 있어, 이를 해결하기 위한 새로운 여과방법이 개발되었다. 본 연구에서는 CMP 슬러리내 0.3~3um입자와 100nm 이하 입자를 각각 줄이기 위한 TFF 시스템 및 기능수를 위한 막 접촉기 시스템을 개발했다. 첫째, CMP 슬러리에 포함된 작은 세리아 입자 수를 줄이기 위해 100nm PES 분리막 TFF 시스템을 적용하여 100nm 이하 세리아 입자는 30.7% 감소했고 입자 평균 직경, pH, 제타 전위 및 고형분 농도의 슬러리 특성은 유지되었다. TFF 처리 전,후 슬러리의 연마율 차이는 관찰되지 않고, TFF 처리 슬러리는 처리전 슬러리 대비 세척 효율이 34.7% 향상되었다. 둘째, 슬러리내 0.3~3um입자 제거를 위헤 하이브리드 원단을 이용한 TFF도 연구하였다. 1.2um PES 분리막과 PP 부직포를 조합한 하이브리드 원단 TFF에서 0.45um PES 분리막대비 40% 더 높은 투과유량과 0.3~3μm에서 동등한 입자 제거율을 보였다. 셋째, 막 접촉기 시스템으로 수소, 이산화탄소, 질소가스가 과포화된 각 가스 용해수를 제조하여 세리아 슬러리 연마 후 세정에 적용하였다. 수소수는 세리아 표면을 Ce4+에서 Ce3+로 감소시켜 세리아와 SiO2 표면 사이의 결합을 환원 작용으로 약화시켜 p-CMP 세정 시 세리아 입자 제거를 91.8% 향상시켰다. 과포화 용존 가스로 인해 생성된 버블 기능수로 세리아 입자 버프 세정 시, 이산화탄소 용해수 세정 효율이 일반 순수 및 질소 용해수 대비 30%이상 높았다. 본 연구의 결과는 작은 입자 제거 효율을 높이고 CMP 폐수를 최소화하는 측면에서 CMP 후 세척 공정을 최적화하는 데 사용될 수 있으며, 큰 입자에 대한 새로운 여과는 CMP 공정을 개선할 수 있다. 이러한 연구 결과는 반도체 제조 공정에 기여할 수 있다.

Deep-Tissue Adaptive Optics Single-Molecule Localization Microscopy

Sanghyeon Park 고려대학교 대학원 2024 국내박사

This thesis presents the deep-tissue single-molecule localization microscopy (SMLM) developed through the application of adaptive optics (AO). This technique enables detailed visualization of biological structures in highly aberrated samples, overcoming the previous limitations of SMLM. Compared to former modalities, the primary advancement lies in employing label-free wavefront sensing AO termed a closed-loop accumulation of single scattering (CLASS) microscopy. It enables effectively counteracting the aberration issues inherent in deep-tissue imaging. This is because, unlike previous methods that rely on fluorescence for wavefront sensing, CLASS exploits intrinsic reflectance signals of biological tissues. Therefore, even when previous methods cannot measure aberrations due to severely distorted single-molecule images, CLASS microscopy can measure and correct aberrations. To prove that this new method practically works well, sub-diffraction-limit structures were imaged in whole zebrafish and thick mouse brain slices. As a result, imaging depth of up to 102 μm was achieved. Also, aberrations whose RMS wavefront distortion of up to 3.08 rad was corrected. It significantly surpasses the previous limit of 1 rad. This capacity to image whole organisms at a nanoscale resolution not only pushes back the frontiers of optical microscopy but also provides a valuable tool for researchers who explore biological phenomena. In this sense, this research has a significance for biological and medical imaging. 이 논문은 적응광학을 적용하여 개발한 고심도 단일분자 위치결정 현미경(single-molecule localization microscopy, SMLM)에 대해 다룬다. 이 기술은 수차가 심한 샘플 내에서 생체 구조를 상세하게 시각화하는 것을 가능하게 함으로써 SMLM의 기존 한계를 극복하였다. 기존 기술 대비 성능 향상의 주된 요인은 비표지 파면 측정 방식의 적응광학 기술인 CLASS (closed-loop accumulation of single scattering) 현미경을 적용한 데 있다. 이를 통해 고심도 이미징에서 필연적으로 발생하는 수차 문제에 효과적으로 대응할 수 있다. 파면 측정을 위해 형광에 의존하는 이전 방법들과 달리 CLASS는 생체 조직 고유의 반사 신호를 이용하기 때문이다. 따라서 단일분자 이미지가 심하게 왜곡되어 기존 방법으로는 수차 측정이 불가능한 경우에도 CLASS 현미경으로 수차 측정 및 보정이 가능하다. 이 새로운 기술이 실제로 잘 작동하는지 보이기 위해 온전한 지브라피시와 두꺼운 쥐 뇌 조직 내부에서 회절한계보다 작은 구조들을 이미징하였다. 결과적으로 최대 102 μm의 이미징 깊이를 달성하였다. 또 최대 3.08 rad의 제곱평균 파면 왜곡을 갖는 수차를 보정하였다. 이는 기존 한계인 1 rad을 훨씬 뛰어넘는 값이다. 온전한 유기체를 나노 수준의 해상도로 이미징할 수 있는 이러한 능력은 광학 현미경의 영역을 넓힐뿐만 아니라 생명현상을 탐구하는 연구자들에게 가치있는 도구를 제공한다. 이런 의미에서 미루어볼 때 이 연구는 생물학 및 의학 이미징에서 의의를 갖는다.

Mechanothermal-milling-assisted removal of native passivation layer for revitalizing lithium metal anodes

Sanghyeon Park DGIST 2024 국내석사

Single-particle tracking of EGFR proteins in living cells using DNA-PAINT

박상현 Pohang University of Science and Technology 2018 국내석사

나노미터 수준에서 살아있는 세포 내의 개별 생체분자를 광학적으로 이미징하는 것은 더 이상 놀라운 일이 아니다. 나아가 관측된 점들을 연결하고 분석함으로써 살아 있는 세포에서 생체분자를 개별 추적하는 것 또한 가능하다. 이러한 일들은 초고해상도 현미경이 등장함에 따라 가능해졌다. 기존의 단일분자 추적 기술은 분자들의 위치를 결정하기 위하여 PALM이나 STORM과 같은 광활성 위치결정 형광현미경을 이용했다. 이러한 방법들에서는 형광물질을 켜고 끈다. 이 과정을 통해 형광 분자들 중 일부만이 켜지고 이를 통해 광학 회절에도 불구하고 개별 분자들이 구별될 수 있다. 그 후 형광물질 각각의 위치를 결정하여 초고해상도 이미지를 얻는다. 하지만, 형광물질은 각자 수명을 가지므로 일정 시간 후에는 더 이상 형광을 내지 못한다. 광표백이라 불리는 이러한 문제는 초고해상도 형광현미경의 가장 큰 문제점 중 하나였다. DNA-PAINT는 이 문제를 해결했다. DNA-PAINT에서는 상보적인 DNA 가닥이 반복적으로 붙었다가 떨어지는 것을 이용하여 형광물질을 켜고 끈다. 이를 통해 형광분자들이 계속 공급된다. 또한 광표백 문제가 해결된다. 우리는 DNA-PAINT의 이러한 장점을 이용하여 DNA-PAINT와 단일분자추적 기술을 결합함으로써 sptPAINT라 이름붙인 새로운 방법을 개발했다. 그리고 우리는 sptPAINT를 통해 살아있는 세포 내에서 개별 막단백질을 실시간으로 장시간 추적할 수 있음을 확인했다. It is not a surprise anymore to optically image individual biomolecules in liv-ing cells at nanometer scale. Furthermore, it is even possible to track each of them in living cells by connecting and analyzing the detected dots. These have been enabled after the appearance of the super-resolution microscopy. Conventional single-particle tracking techniques have used photoactivated lo-calization fluorescence microscopy such as PALM or STORM to determine mo-lecular positions. In these methods, fluorophores are switched on and off. By this process, only parts of them are switched on so that each of them is distin-guishable despite of optical diffraction. Then, the position of each fluorophore is determined to obtain super-resolution images. However, fluorophores have their own lifespans, so that they cannot fluoresce anymore after some time. This so-called photobleaching problem has been one of the largest challenges in su-per-resolution fluorescence microscopy. DNA-PAINT has resolved this. In DNA-PAINT, repeated binding and unbind-ing of complementary DNA strands is used for switching on and off fluoro-phores. Thereby, fluorescent molecules are continuously replenished. Also, this solves the photobleaching problem. Making use of this advantage of DNA-PAINT, we developed a new method named sptPAINT by combining DNA-PAINT with the single-particle tracking. We also have demonstrated that sptPAINT enables real-time long-term tracking of individual membrane proteins in living cells.