(A) study of the atomic force microscopy lithography and its applications

전승희 서울대학교 대학원 2014 국내박사

We fabricated reproducible quantum dots and nanowires while minimizing atomic force microscopy (AFM) tip damage. Uniform patterns of quantum dots and nanowires were reproducibly fabricated by creating holes in a double-layer structure using AFM indentation, dry-etching of polymer resists, and metal deposition through the indentation holes. The double-layer was fabricated by depositing a thin gold layer onto a polymethyl methacrylate (PMMA) layer on a silicon dioxide substrate. The indentation force exerted on the double-layer was set so that the AFM tip penetrated the thin gold layer without the tip touching the silicon dioxide substrate in order to minimize of AFM tip. This double-layer indentation was used to create a pattern of holes in the thin gold layer which acts as a metal mask in the dry-etching process. The PMMA was exposed to an isotropic O2 plasma etchant through the holes in the indentation pattern to form an undercut between the substrate and the gold layer. The undercut enables the deposition of metal on the substrate without having polymer residues. Quantum dots were subsequently created through the deposition of gold on the exposed silicon dioxide substrate through the indentation holes. Gold nanowires were also fabricated by consecutive-hole-indentation method by adjusting the distance between the holes using the same double-layer indentation method. The topographic and electrical measurements of the fabricated gold nanowires suggest that our method is capable of making uniform and reproducible nanowires. The scanning electron microscopy images of the tips confirmed that the consecutive-hole-indentation method is less invasive than the conventional ploughing method, where constant tip contact occurs with the substrate during the formation of nanowires. We also investigated removal of the bulge containing the metal by sonification. We investigated the dependence of indented structures on the speed at which a tilted AFM tip penetrated a double-layer consisting of metal and an organic material for the potential development of a reproducible AFM-based nanolithography technique. Distorted half-circles were formed by the AFM tip when the indentation speed was slower than 5 ㎛/s for gold and PMMA thin film, whereas triangular structures were formed when the speed was faster than 5 ㎛/s. As the indentation speed increased, the depth of the indented structure also increased while its length decreased. We found that such structural changes from the tetrahedral shape of AFM tip originated from the rotational motion of the tilted AFM tip in the double-layer.

NANOSCALE MAPPING OF CELL SURFACE RECEPTORS WITH AN ATOMIC FORCE MICROSCOPE TIP HAVING A SINGLE LIGAND

이지하 포항공과대학교 일반대학원 2012 국내석사

Atomic force spectroscopy (AFM) is a high resolution imaging tool, and it is suitable to investigate surface of biological samples. No necessity of labeling and the minimal pre-treatments are advantages. More recently, AFM is widely used to measure the interaction force between biomolecules at single molecule level. To record the force reproducibly and realize truly one-to-one interaction, it is important to control placement of the biomolecules on surface. It was demonstrated that a cone-shaped dendron that ensured homogeneous and sufficient spacing between the immobilized biomolecules was useful. As an extension, this lab set up a pathway leading to a single ligand tethering AFM tip through picking a DNA and ligating a DNA-ligand conjugate. Formyl peptide receptor (FPR) belongs to the seven-transmembrane domain G-protein coupled receptor family and it is expressed at high levels on neutrophils and monocytes. The ligand-FPR interaction triggers multiple changes in eukaryotic cells including rearrangement of the cytoskeleton which in turn facilitates cell migration and the synthesis of chemokines. Therefore, high resolution mapping of FPR with AFM will help to understand various physiological function of leukocyte. Because WKYMVm showed a high affinity to FPR, a single molecule of the peptide was tethered at the apex of an AFM tip through the above picking-ligation process. The force-based map of FPRs on a fixed cell surface was obtained by using the AFM tip. As a result, it was observed that there were 1~7 FPRs in 300ⅹ300 nm2. The number was roughly consistent with the one from the radio-labeled ligand assay. The interaction force of the ligand-FPR pair was 60 ~ 89 pN, and the value is similar to the one for the other ligand-receptor interaction force. As a summary, a single peptide tethering AFM tip was prepared through picking a DNA and subsequent ligation of a DNA-heptapeptide conjugate. Using the tip, individual FPRs were mapped and the distribution of FPRs on the fixed cell was observed. It is believed that the approach is applicable to understand the binding behavior of various ligands at the single receptor level.

SU-8을 이용하여 저 탄성계수 AFM cantilever 제조연구

이재걸 연세대학교 대학원 2003 국내석사

SU-8(photoresist)을 이용한 미세공정으로 AFM cantilever를 제작 하였다. SU-8은 쉽게 복잡한 패턴을 제작 할 수 있으며 Si과 Si₃N₄같은 일반적인 AFM cantilever 재료보다 훨씬 낮은 Young's modulus를 가지고 있다. 그러므로 이를 이용하여 낮은 탄성계수를 지니는 AFM cantilever를 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 AFM cantilever는 부드러운 재료표면에 적합하며 더 좋은 지세도를 관찰 할 수 있게 된다. 비대칭 식각한 Si 몰드 위에 SU-8을 도포한 후 노광 작업을 통하여 AFM cantilever를 제작하였다. Si 몰드와 SU-8 사이에 알루미늄과 자가장착성 단층을 도포하는 방법으로 AFM cantilever에 아무런 영향을 주지 않으면서 Si 몰드로부터 분리 할 수 있었다. 제작된 SU-8 AFM cantilever는 비교적 뾰족한(곡률 반경 80 nm) 모양을 지니고 있으며 고유진동 주파수는 약 44 kHz를 나타내고 있으며 이 spring constant 값은 0.355이다. Microfabrication processes of AFM cantilevers using SU-8 photoresist have been developed. SU-8 is easily patterned into a complex shape and it has much smaller Young's modulus than typical cantilever materials such as Si and Si₃N₄. This makes it suitable for AFM cantilever with low spring constant that provides a better surface topography of soft materials. Photolithographic patterning of SU-8 on the anisotropically etched Si substrate produced enabling AFM cantilevers. Use of the selfassembled monolayers and Al interlayer between SU-8 and the Si substrate play a significant role for retrieving the cantilevers out of the Si micromold without any damage. Fabricated SU-8 AFM cantilever had a relatively sharp tip (radius of curvature ~ 80 nm)had a resonant frequency of 44kHz, which yields a spring constant of 0.355 N/m.

전기장에서 DNA 신장의 AFM을 이용한 연구

한성웅 동아대학교 2001 국내석사

현미경을 이용한 DNA 관찰은 DNA 형상 구조와 관련된 특성 분석에 있어 매우 중요한 정보를 제공한다. 이와 관련하여 여러 가지 현미경을 이용하여 DNA 구조에 대한 고해상도의 형상상을 얻을 수 있었다. 그러나 긴 DNA 형상을 해석하는데 있어 예상치 못한 불규칙한 꼬임 현상으로 인하여 DNA 분자의 형상 구조를 해석하는데 어려움이 있었다. 이러한 결과가 발표된 이후 전자 현미경, 형광 현미경, 원자간력 현미경 분야에서 각종 신장 기법이 개발되어 왔다. 이들 신장 기법들은 대부분 DNA 분자와 결합특이성을 가지는 물질로 적절히 처리된 표면과의 특정 생화학 반응을 응용하고 있다. 그러나 이러한 방법 중 특히 DNA 농도가 낮은 경우에 있어서는 신장동안의 DNA 손실이 큰 문제로 지적되고 있다. 최근 표면특성 분석에 활발히 응용되고 있는 AFM은 DNA와 DNA-단백질 착체 구조를 연구하는데 있어서도 잠재력을 가지고 있다. 그러나 DNA의 긴 가지를 형상화하는데 있어서 샘플 준비가 복잡하기 때문에 AFM 이용에는 어려움이 많았다. 하지만 AFM을 이용한 직접적인 DNA 구조의 물리적 맵핑(mapping)은 현재 중요한 관심사로 대두되고 있다. 본 연구에서는 Mg^2+ 처리된 마이카, aminosilane로 처리된 마이카(AP-마이카) 그리고 일반 마이카 표면에서 전기장을 인가하여 ppb 이하의 농도의 λ-DNA 신장을 행하여 낮은 농도에서의 DNA 신장의 최적 조건을 구하여 AFM에 의한 DNA 물리적 맵핑을 수행하였다. 일반 마이카, AP-마이카, Mg^2+ 처리된 마이카 표면상에서 500 ∼ 200VDC의 적용전압으로 전극거리 100 ∼ 300μm의 전기장 인가에 따른 YOYO-1 염색된 0.57×10^-6ng/mL 농도의 DNA 신장을 성공적으로 수행하였다. 인가 전압, 두 전극사이의 거리는 DNA 신장에 영향을 주었다. 따라서, 인가전압과 두 전극 거리의 관계는 DNA 신장에 있어 중요한 요소로 사료된다. 기질로서 AP-마이카를 사용했을 경우, 신장 효율이 가장 좋았다. 본 응용 기법은 극히 낮은 농도의 DNA일 경우에는 매우 효율적이지만 높은 농도에서는 신장된 부분이 상당히 조밀함으로 AFM 기법을 응용하여 연구하기에는 적합하지 못하다고 생각된다. An effective method of DNA stretching using electric field on mica surface was proposed for extremely low solution concentration of DNA. The difference in stretching efficiency for the different surfaces of bare mica, Mg^2+ soaked mica and AP-mica was discussed. The best performance of stretching was found from the surface of AP-mica under the same experimental condition. The microscopy of DNA is important information for analyzing structure-related properties. Highly resolved images have been obtained by electron microscopy, fluorescence microscopy (FM) and scanning probe microscopy especially for atomic force microscopy (AFM). In these images, especially when DNA is long, unexpected random coil makes the topology of the molecule difficult to interpret. For this necessary, a number of stretching methods have been developed for EM, FM and AFM. Most of these applications. These methods rely on DNA bound or hooked at randomly distributed sites. But in some of these methods, the loss of DNA molecules during the stretching is still a big problem especially when the concentration of DNA is low. AFM has displayed a great potential possibility in the study of the structure of DNA and DNA-protein complexes. However, the complications in sample preparation have until now hindered AFM from contributing vigorously to this field. On the other hand, direct physical mapping of DNA with AFM has been an attractive topic. Electric-field induced DNA stretching in a very low solution concentration of DNA on the bare mica, Mg^2+ soaked mica and AP-mica. An applied voltage and the distance between the negative and positive electrodes have influenced the stretching of DNA molecules. The stretching efficiency was best when the AP-mica was used as a substrate. In a higher concentration, the stretched portion was too dense to apply AFM studies.

국소양극산화법으로 제작된 그래핀 산화물의 특성 연구

이정원 건국대학교 대학원 2013 국내석사

탄소 단일층 구조를 가진 그래핀이 성공적으로 제조된 이래로 학계의 폭 넓은 관심을 받고 있다. 그래핀은 두께가 0.2nm로 매우 얇은 두께에 비해 빠른 전자이동도와 높은 강도, 열전도성, 탄성 등 안정적이고 뛰어난 특성으로 각광받고 있지만, 앞선 이론적 예측과는 달리 실험적 값은 아직까지 그에 미치지 못하는 결과들을 보여주고 있다. 뛰어난 특성들을 실제 전자소자에 적용시키기 위해서는 특히 밴드갭이 제어되어야하는데, 이런 시도 중에 하나로 그래핀을 나노 리본 형태로 가공하는 방법이 있다. 하지만, 나노 리본 형태로 가공할 시 밴드갭이 생김과 동시에 그래핀의 선형적인 분산관계가 깨진다. 즉, 유효질량이 유한하게 되어 전하 이동도가 현저하게 감소하면서, 그래핀이 가진 고유한 특성들이 없어지게 된다. 그래핀의 상용화를 위해서는 보다 창의적인 접근을 통한 새로운 개념의 소자 구조가 개발되어야 한다. 본 연구에서는 산화를 통하여 달라지는 그래핀의 특성을 연구하여, 그 응용 가능성을 높이고자 한다. 보통 그래핀의 제작은 흑연을 산화시키고 이를 기계적으로 박리시키거나 화학적인 합성으로 그래핀 산화물을 형성시키고 환원하는 식의 복잡한 방법을 통하여 저품질 그래핀의 대량생산을 꾀하고 있다. 본 연구에서는 종래의 대량으로 제작할 수 있는 저품질 그래핀 생산법과는 다르게, 고품질의 그래핀 산화물을 소량 제작하여 효율적인 그래핀 소자로 응용하려는 시도를 하고자 한다. 본 연구에서 사용한 국소양극산화법에서는 산화 시 그래핀에 유입되는 산소의 양에 따라서 그 특성이 얼마든지 달라질 수 있기 때문에, 목적에 따라서 필요한 그래핀 산화물의 구성과 특성을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 사용된 그래핀 시료는 Exfoliation(박리법)을 이용하여 제작하였으며, Raman spectroscopy와 AFM을 이용하여 확인하였다. 그 후, 국소양극산화법을 이용하여 5x5um 크기의 그래핀 산화물을 제작하였다. 또한, 산화의 패터닝 시 AFM 캔틸레버와 그래핀 사이의 인가 전압을 일정 간격으로 변화시켜 산화의 정도가 선형적으로 달라진 시료를 성공적으로 제작하였으며, 이렇게 제작된 시료는 Raman Spectroscopy를 통하여 그래핀에 산소가 유입됨에 따라 D, G 및 2D 신호가 현저하게 변화함을 확인하였다. 또한, SEM과 AES를 통해 SiO2 기판과 그라파이트, 그래핀, 그래핀 산화물 각각의 C와 O의 신호가 선형적으로 변화함을 확인하였다. 본 연구에서는 고품질 그래핀 산화물 시료를 AFM을 이용한 국소양극산화법으로 제작하였으며, 산화 정도에 따른 물리적·화학적 특성을 얻어 소자로써의 응용 가능성을 높이고자 한다. Graphene has attracted much attention due to its unique properties since successful isolation into two-dimensional sheet from three-dimensional graphite. The recent results of basic studies on electronic structure as well as electrical and optical properties of graphene showed us high possibilities of applications as semiconducting and metallic materials with their superior properties. The bandgap of graphene became serious when we apply graphene as an active element of devices. Graphene nano ribbon (GNR) and reduced graphene oxide (rGO) are possible candidate to open the bandgap of graphene. It seems to be possible to open the bandgap by forming GNR as well as rGO using local anodic oxidation (LAO) method by atomic force microscopy (AFM). In this work, we successfully formed fine structured GO with LAO method by adjusting tip bias through AFM lithography at room temperature. The monolayer graphene layers were exfoliated from graphite using adhesive tape onto SiO2/Si substrate. The exfoliated graphene were identified by their color contrast using optical microscopy and Raman spectroscopy to confirm number of layer. LAO was performed by contact mode AFM (Nano Focus n-trace2). And that was observated by non-contact mode AFM (Seiko SPA-300HV). The graphene surface was oxidized by anodization electrochemically using Pt-coated AFM cantilever as a cathode through the water that adhered to the surface of graphene from the atmosphere, and hence the GO was formed. The width and height of GO are effected by the applied electric field between AFM cantilever and graphene. We systemically reported the width and height of GO by applied various bias voltage and scan speed. The voltages and scan speeds were in the range of 5 ~ 10 V and 0.1 ~ 10 um/s, respectively. In the LAO method, the quantity of oxygen incorporated into graphene can control by changing the bias voltages, i.e. amount of oxygen from water resolved by electric field, during oxidation. The GO samples that have each different conditions with various bias voltages were prepared in order to investigate the structural properties. The fabricated GO lines and squares were analyzed by AFM, Raman spectroscopy, Auger electron spectroscopy (AES) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The width of oxidized lines decreases with increasing scan speeds and saturated above scan speed of 2 um/s at bias voltage of 10 V. The width decreases with decreasing bias voltages and oxidation didn't occurs at low voltages (< 4 V). AES measurements were performed in an Auger spectrometer (ULVAC-PHI, PHI-700) with a base pressure of 6x10-10Torr. We shows top view of scanning electron microscopy and Auger oxygen mapping image of the square shape of fine oxidized graphene formed by LAO with the bias voltage of 10 V and the scan speed of 0.1 um/s at humidity of 40 %. The areas marked by arrows are GO. AES revealed that the intensity of oxygen peak decrease with decreasing bias voltage during LAO at three different samples. Significant intensity decreases of the G and 2D peak were observed from Raman spectroscopy in GO sample indicating the incorporation of oxide into graphene layer. We showed physical and chemical properties of high quality GO samples by measuring AFM, Raman Spectroscopy and AES.

Applications of array-based SPR biosensor for high-throughput analysis of biomolecular interaction and molecular imaging of cells

Jung, Se-Hui 강원대학교 대학원 2009 국내박사

단백질 칩과 원자현미경은 각각 단백질체 분석과 분자 수준에서의 세포이미징에 중요한 기술로 대두되고 있다. 본 논문에서는 단백질 칩에 기초한 SPR 바이오센서의 다양한 응용과 원자현미경을 이용한 세포의 이미징에 대해 기술하였다. 단백질 칩은 생체분자의 상호작용을 초고속으로 분석할 수 있는 기술이기 때문에 단백질체 분석 및 혈액진단에 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 인간 혈액내 CRP 단백질과 MMP-3 효소의 활성을 초고속으로 분석하기 위한 파장분해형 SPR 바이오센서를 이용한 어레이형태의 단백질 칩을 개발하였다. 먼저 혈액내 CRP의 정량분석을 통한 혈액진단을 위해 amide-linked NHS-dextran 표면을 개발하였다. AL NHS-dextran 표면은 아민으로 치환된11-mercaptoundecanoic acid와 NHS로 치환된 carboxymethyl-dextran사이의 아미드 결합에 의해 형성된다. AL NHS-dextran표면은 원자현미경을 이용하여 분석하였고, 본 연구에서 개발한 AL NHS-dextran은 기존에 사용되던 epoxide-linked carboxymethyl-dextran에 비해 단백질의 결합력이 훨씬 우수함이 밝혀졌다. 항원-항체 간의 특이적인 면역반응과 농도에 따른 SPR 신호를 얻을 수 있었다. 또한 이와 같은 비표지 방식의 단백질 칩을 이용해 120명의 환자 혈액에서 CRP단백질을 초고속으로 정량분석하였다. SPR바이오센서 시스템을 이용한 혈액내 CRP단백질의 정량분석 결과는 실제 임상 혈액분석에 사용하는 latex-enhanced turbidimetry immunoassay방법과 높은 상관관계를 보이는 것을 확인할 수 있었다 (n = 120, r = 0.945, p < 0.0001). 또한 MMP-3의 효소활성도의 초고속 분석을 위한 비표지 방식의 시스템도 개발하였다. 단백질 칩은 아민작용기로 치환된 금 기판위에 젤라틴을 고정시켜 제작되었다. MMP-3의 효소활성도는 젤라틴의 가수분해에 의한 SPR의 파장변화를 측정하여 분석되었다. SPR파장의 감소를 유도하는 MMP-3의 활성도는 원자현미경과 형광을 이용한 단백질 칩으로 검증되었다. MMP-3의 활성도는 반응시간과 detergent로 사용된 Brij-35의 농도에 따라 증가됨을 확인하였다. 또한 MMP-3의 농도에 따른 활성도 분석에도 SPR 바이오센서는 사용되었다. 본 연구에서 개발한 비표지 방식의MMP-3활성도 분석 시스템은 간편하고, 비용이 적게 들며, 감도가 좋은 것을 확인하였다. 따라서 어레이 형태의 SPR바이오센서는 질병진단뿐 만 아니라 활성도와 관련된 단백질체 분석 및 세포 연구에 활용될 수 있음을 시사한다. 두번째로 원자현미경은 나노미터 수준에서 생체 시료의 이미징을 위한 중요한 기술이다. 그러나 원자현미경은 표면 분석에 제한되어 있기 때문에 세포 이미징에는 널리 사용되고 있지 못하다. 본 논문에서는 원자현미경을 이용해 세포의 microfilament를 관찰하기 위한 새로운 접근법을 소개하고자 한다. 본 연구에서 사용한 광역학치료는 항암치료에 활용되는 방법으로 DH-II-24라는 클로린 유도체를 사용한다. 이와 같은 광역학치료는 방광암 세포 (J82 cells) 세포의 수축, membrane blebbing, 그리고 세포구조물의 재배열을 유도한다. 먼저 광역학치료 후 유도되는 세포구조물의 변화를 공초점현미경과 원자현미경을 이용하여 비교 분석하였다. 광역학치료에 의해 형성되는 세포외부의 필라멘트는 공초점현미경과 원자현미경을 이용한 tandem 이미징방법으로 비교분석 되었다. 공초점현미경으로는 해상도의 한계로 인해 관찰할 수 없는 초미세 fiber들의 identification을 위해 원자현미경을 이용한on-stage labeling/imaging system을 개발하여 identification을 수행하였다. 게다가 초미세 구조연구를 통해 microfilament가 stranded helical structure를 가지고 있음을 확인하였다. 따라서 이와 같은 새로운 접근방법은 분자수준에서 microfilament의 초미세 구조연구에 유용할 뿐만 아니라 세포 연구에 있어 공초점현미경과 원자현미경의 한계를 극복할 수 있음을 시사한다. Protein arrays and atomic force microscopy (AFM) have emerged as a key technology in proteomics and molecular imaging, respectively. In this paper, we presented various applications of array-based sprectral surface plasmon resonance (SPR) biosensor and molecular imaging of cells by AFM. Protein arrays were widely used in serodiagnosis and proteomics, since the technology allows large-scale and high-throughput analysis of biomolecular interactions. In this study, we developed label-free array systems using a spectral SPR biosensor for the high-throughput analysis of C-reactive protein (CRP) in human sera and matrix metalloproteinase (MMP)-3 activity. We developed AL NHS-dextran surface for serodiagnosis by quantitative analysis of CRP level in human sera. The AL NHS-dextran layer on the surface of gold arrays was composed of amide linkage between NHS-modified carboxymethyl-dextran and amine-modified 11-mercaptoundecanoic acid. The topology of the AL NHS-dextran layer was analyzed by atomic force microscopy and it was found to be superior to the previously used epoxide-linked carboxymethyl-dextran layer in its immobilization of proteins. Specific immunoreactions and a dose-dependent increase of SPR signals were demonstrated on the AL NHS-dextran layer. Then, the label-free array system was successfully applied to the rapid analysis of CRP in 120 human sera. CRP levels in human sera determined by the array-based spectral SPR biosensor showed a good correlation with those determined by the latex-enhanced turbidimetry immunoassay (n = 120, r = 0.945, p < 0.0001). In addition, we developed a novel label-free system using protein arrays and a spectral SPR biosensor for high-throughput analysis of MMP-3 activity. Protein arrays were fabricated by immobilization of gelatin, the substrate of MMP-3, on amine-modified gold arrays. Enzyme activity of MMP-3 was determined by analyzing SPR wavelength shift by gelatinolysis. Gelatinolytic activity of MMP-3, which induced decrease of SPR wavelength, was verified by using AFM and fluorescence-based arrays. MMP-3 activity increased in incubation time- and Brij-35 concentration-dependent manner. Then, the array-based SPR biosensor was successfully applied to the rapid analysis of MMP-3 activity. This label-free array system is very simple, cheper and quite sensitive. Thus, the array-based spectral SPR biosensor is a potential system for cell research and activity-based proteomics as well as diagnosis of various human diseases. Secondly, AFM is an emerging technique for imaging biological samples at subnanometer resolution; however, the method is not widely used for cell imaging because it is limited to analysis of surface topology. In this study, we demonstrate identification and ultrastructural imaging of microfilaments using new approaches based on AFM. Photodynamic therapy (PDT) with a new chlorin-based photosensitizer DH-II-24 induced cell shrinkage, membrane blebbing and reorganization of cytoskeletons in bladder cancer J82 cells. We investigated cytoskeletal changes using confocal microscopy and atomic force microscopy. Extracellular filaments formed by PDT were analyzed with a tandem imaging approach based on confocal microscopy and atomic force microscopy. Ultrathin filaments that were not visible by confocal microscopy were identified as microfilaments by on-stage labeling/imaging using atomic force microscopy. Furthermore, ultra-structural imaging revealed that these microfilaments had a stranded helical structure. Thus, these new approaches were useful for ultrastructural imaging of microfilaments at the molecular level, and, moreover, they may help to overcome the current limitations of fluorescence-based microscopy and atomic force microscopy in cell imaging.

Study of Three-Dimensional Imaging of High Aspect Ratio Structures and Two-Dimensional Heterostructures using Scanning Probe Microscopy

Akhtar, Imtisal 세종대학교 대학원 2019 국내박사

Imaging of three-dimensional nanostructures with high aspect ratio is an emerging challenge to explorer the nanostructures in the field of nanoscience and nanotechnology. Scanning probe microscopy (SPM) has been widely used in many filed for characterization of semiconductors, insulators as well as metals. The study using SPM involves identification of chemical group in the field of chemistry, imaging of DNA in the field of biology and covered many other fields. Atomic force microscopy (AFM) is the most common and extensively used form of SPM which used a sharp cantilever or quartz tuning fork (QTF) to detect the tip-sample force. With the help of AFM, many useful parameters can be obtained like roughness, height profile, topography. AFM is a promising tool to characterize the nanofeatures as small as few atoms thick, but it is unable to image the features with high aspect ratio structures present above or below the surface like via holes, silicon pillars or Zinc oxide nanorods. To improve the performance, nanoscale semiconductor devices are integrated and stacked vertically with through silicon via holes (TSV). The high-density semiconductor devices highlighted many challenging problems to characterize the three-dimensional features like critical dimension (CD), depth measurement of the trench or via holes. To address these problems, many AFM techniques with non-raster scanning as well as optical methods have been employed, however, every technique has some limitation to solve the aforementioned problem. To address the limitations of non-raster scanning algorithms as well as optical methods, we have proposed the three-dimensional algorithm which can able to image the high aspect ratio features present above or below the surface. In addition to this, the height and depth of the features can be estimated. We have used a QTF sensor which involves the focus ion beam treatment (FIB) of electrochemically etched tungsten tip followed by the single multiwall carbon nanotube. Three-dimensional scanning algorithm can be summed up into four steps. Firstly, the location of the holes was estimated by the force-distance mapping. We have used the amplitude reduction technique i.e. reduction in the amplitude is monitored which indicate that the tip is near or away from the feature. A 2D map with false color is created which determine the location of the holes. Secondly, the tip is pushed deep inside the hole so that it is very close to the bottom of the hole. There might be the possibility for the hole to have many local minima, however, the real depth of the hole is estimated in step 1 by pushing the tip deep inside the hole. It has been found that if the amplitude drops more than 60%, then it is considered as the real bottom. Thirdly, the tip moves along a +X direction to find the first sidewall. The location of the sidewall is checked at every position. If no first wall is detected, the tip keeps moving along a +X direction until it founds the sidewall. Fourth, once the tip founds the sidewall along either direction, the corresponding movement was done accordingly to the algorithm in a counterclockwise manner. For example, if the tip found the sidewall along a +X direction, it will move along a +Y direction. Similarly, if the tip found the sidewall along a +Y direction then it will move along a -X direction and so on. If more than one direction sidewall can be found, i.e. along +X and +Y, then the tip will move along -X direction to continue the scanning in a counterclockwise fashion. In the worst case, if all direction sidewall was found which corresponds to the situation that tip is stuck with the sidewall. Then the tip will try to free itself from the sidewall by increasing the jump step. At first, if the tip is unable to revive itself from sidewall then the jump step is further increased. At some point, the tip will be free from the sidewall and the increased jump step will be subtracted to get the original sidewall checking step. Once the complete rim scan has been completed, the tip is retracted along +Z direction to start the next scan. The sidewall checking step and tip motion step can be controlled to achieve a high resolution. Once the tip finished scanning of the hole, the straight line in the line profile window appeared which shows that the tip has completed the scan. Next, the study of heterojunction using Kelvin probe force microscopy (KPFM) revealed that the Fermi level of heterojunction can be tuned upon external biasing the device. KPFM study was carried out to study the type-II heterojunction based on n-type MoSe2 and p-type WSe2 formed by mechanical exfoliation and dry transfer method on Si/SiO2. Band offset is also characterized in heterojunction. When there is no bias, the electron and holes are separated by built-in potential or potential barrier. To make the electron to cross this junction or tuning the barrier height can be done using external bias which can be seen in KPFM mapping. In addition to this, the shift in the Fermi level was also observed when the light of different wavelengths is shined on the heterojunction. The photocarrier generation process and photo-transportation were also studied using KPFM of two-dimensional heterojunction, especially on the heterojunction region by mean of surface photovoltage. The analysis of surface potential data obtained from KPFM reveals that light absorption results in the generation of free charge carrier and quasi-fermi level is determined by measuring the differential vacuum level shift over the heterojunction formed by n-type MoSe2 and p-type WSe2. In addition to this, KPFM data reveals that the shift in quasi-fermi level has a strong dependency on the optical power. 종횡비가 높은 3 차원 나노 구조를 이미징하는 것은 나노 과학 및 나노 기술 분야의 탐험가에게 새로운 도전 과제다. 스캐닝 프로브 현미경 (SPM)은 반도체, 절연체 및 금속의 특성화를 위해 많은 분야에서 널리 사용되고 있다. SPM을 이용한 연구는 화학 분야의 화학적 관능기의 확인, 생물학 분야의 DNA 이미징 및 많은 분야에 활용되고 있다. AFM (Atomic Force Microscopy)은 팁과 샘플의 힘을 감지하기 위해 날카로운 캔틸레버 또는 쿼츠 튜닝 포크 (QTF)를 사용한 SPM이 보편적으로 광범위하게 사용되는 형태다. AFM의 도움으로 거칠기, 높이 프로필, 지형처럼 많은 유용한 매개 변수를 측정할 수 있다. AFM은 원자 두께가 작은 나노 형상을 특성화하는 유망한 도구이지만 비아홀, 실리콘 기둥 또는 산화 아연 나노 막대와 같이 표면 위 또는 아래에 존재하는 높은 종횡비 구조를 가진 형상을 측정할 수 없다. 반도체 소자의 성능을 향상시키기 위해 나노 크기의 반도체 소자가 TSV (Through Silicon Via Hole)와 수직으로 연결되어 적층된다. 고밀도 반도체 소자는 임계 치수 (CD), 트렌치 또는 비아홀의 깊이 측정과 같은 3 차원 특성을 측정하기위한 많은 도전적인 문제를 드러내고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 비 raster 스캐닝뿐만 아니라 광학 방법을 사용하는 많은 AFM 기술이 사용되었지만, 대부분 기술은 앞서 언급 한 문제를 해결하기에는 몇 가지 한계가 있었다. 비raster 스캔 알고리즘과 광학 방법의 한계를 해결하기 위해 표면 위 또는 아래에 존재하는 고 종횡비 피처를 이미지화 할 수 있는 3차원 알고리즘을 제안한다. 이 외에도 피처의 높이와 깊이를 예측할 수 있다. 단일 다중 벽 탄소 나노 튜브가 부착된 전기 화학적으로 식각된 텅스텐 팁의 초점 이온 빔 처리 (FIB)를 포함하는 QTF 센서를 사용했다. 3차원 스캐닝 알고리즘은 4 단계로 요약될 수 있다. 첫째, 구멍의 위치는 힘 - 거리 맵핑에 의해 추정되었다. 진폭 감소 측정은 진폭의 감소가 모니터링되어 팁이 피처로부터 가까워지거나 멀어지는 것을 나타낸다. 구멍의 위치를 결정하기 위해 가상 색상의 2D지도를 만든다. 둘째, 팁은 구멍 안쪽 깊숙이 밀어 넣어 구멍의 바닥에 매우 가깝게 위치시킨다. 구멍이 많으면 여러 개의 국소적 최소값이 관찰될 수 있지만, 구멍의 깊이는 구멍 안쪽 깊숙이 밀어 넣어 우선 추정된다. 진폭이 60 % 이상 떨어지면 실제 바닥으로 간주한다. 세 번째로, 팁은 + X 방향을 따라 이동하여 첫 번째 측벽을 찾는다. 측벽 위치는 모든 위치에서 점검된다. 첫 번째 벽이 감지되지 않으면 팁은 측벽을 찾을 때까지 + X 방향을 따라 움직인다. 넷째, 팁이 특정 방향을 따라 측벽을 발견하면 대응 움직임은 알고리즘에 따라 반 시계 방향으로 수행된다. 예를 들어 팁이 + X 방향을 따라 측벽을 발견하면 + Y 방향을 따라 움직인다. 마찬가지로, 팁이 + Y 방향을 따라 측벽을 발견하면 -X 방향을 따라 이동한다. 두개 이상의 방향 측벽이 발견 된다면, 즉 + X 및 + Y에 측벽이 있다면 팁은 -X 방향을 따라 이동하여 반 시계 방향으로 스캐닝을 계속할 것이다. 최악의 경우, 팁이 측벽과 붙어있는 상황, 즉 모든 방향의 측벽이 발견된 경우. 팁은 점프 단계를 증가시킴으로써 측벽에서 스스로 벗어나려고 시도한다. 처음에 팁의 진동이 측벽에서 회복되지 않으면 점프 단계를 더 증가시킨다. 어떤 시점에서, 팁은 측벽으로부터 벗어나면 증가 된 점프 단계는 원래의 측벽 점검 단계를 얻기 위해 차감된다. 전체 테두리 스캔이 완료되면 팁이 + Z 방향으로 후퇴하여 다음 스캔을 시작한다. 측벽 점검 단계 및 팁 운동 단계는 높은 분해능을 달성하도록 제어될 수 있다. 팁이 홀 스캔을 완료하면 팁이 스캔을 완료했음을 나타내는 라인 프로파일 윈도우의 직선이 나타난다. 추가적으로, 캘빈 프로브 힘 현미경 (KPFM)을 이용한 이종접합의 연구는 이종접합의 페르미 레벨이 외부 바이어 전압에 따라 조정될 수 있음을 보여주었다. Si/ SiO2에 대한 기계적 박리 및 건식 전사 방법으로 형성된 n 형 MoSe2와 p 형 WSe2를 기반으로 한 Type-II 헤테로 접합을 연구하기 위해 KPFM 측정을 수행하였다. 밴드 옵셋은 이종 접합에서도 특징 지워진다. 바이어스가 없을 때, 전자 및 홀은 내재한 전위 또는 전위 장벽에 의해 분리된다. 전자들이 접합부를 교차하거나 장벽 높이를 조정하는 것을 KPFM 매핑에서 볼 수 있는 외부 바이어스를 사용하여 수행할 수 있다. 이에 더하여, 서로 다른 파장의 빛들이 이종 접합부에 비춰질 때 페르미 준위의 변화가 관찰되었다. 광 캐리어 생성 과정과 광전송은 2차원 이종 접합의 KPFM, 특히 표면 광 전압의 수단으로 이종 접합 영역에서 연구되었다. KPFM에서 얻은 표면 전위 데이터를 분석한 결과 광 흡수가 자유 전하 캐리어를 생성하고 준 - 페르미 레벨은 n 형 MoSe2와 p 형 WSe2로 형성된 이종접합에 대한 vacuum 레벨의 변화를 측정하여 결정된다. 또한, KPFM 데이터는 준 - 페르미 레벨의 변화가 광 조사에 따른 강한 의존성을 갖는다는 것을 보여준다.

Nanoliquid delivery and 3D patterning using QTF-based AFM with nanopipette

안상민 서울대학교 대학원 2013 국내박사

Nanofabrication with nanomaterials is important field of the scientific research infrastructure as well as nanobiotechnique-based industry with the functionalizing materials and technical analysis of various components, such as small bio-sensors, cell tracking, and analysis of the nanobio materials, photovoltaic cells. Two kinds of technologies are generally used for nanofabrications with optical, probe-based, nanoimprinting lithography (Top-down) and atomic layer deposition, molecular self-assembly (Bottom-up). Most of them give appropriate solutions within the boundary of specific purpose with most fabricated products' characteristics of randomness, non-selectivity, and isotropic. Among them, the scanning probe microscope (SPM)-based nanofabrication system has a potential for breakthrough for small patternings, high precision control, and on-demand shaping, which still has a weakness of mass product. Recent, 3 dimensional (D) printing techniques are focused for one-shot fabrication with the simple stacking process without assembly of components, while it is still challenging issue to realize nanoscale patternings with development of 3D nano-inkjet printing. There are several candidates to perform that skill, such as electrospining method, inkjet printing techniques with small aperture of nozzle, meniscus-confined 3D electrodeposition, and so on. However, they have still need for overcoming surface tension, reproducibility, ink-free jetting, randomness, etc. In this thesis, I show nanoliquid delivery and nanoscale 3D patterings using an optical microscope (OM)-combined nanopipette/quartz tuning fork-atomic force microscope (QTF-AFM) with capabilities of position-resolved force spectroscopy / microscopy. Critical factors of the system are aperture diameter of the nanopipette and precise distance control with AFM. This system can be one of the strong candidates for nanoscale 3D printing technology with the realization of nanoliquid delivery and 3D patterning as follows; 1) Development of the nanopipette/QTF-AFM, 2) Improvement of the system for high performance and versatile approaches, 3) Low-volume liquid delivery and 3D nanofabrications using the advanced nanopipette/QTF-AFM. With these non-template, on-demand, cost-effective, nanoscale direct 3D printing technique and fabricated materials, one can progress scientific challenges with applicant model of biological system, apply the engineering of the 3D nanoscale structure of the biochemical process, or develop molecular electronics. 나노물질의 나노제조는 생체센서, 세포 추적, 나노생체 물질 분석, 태양 전지 셀 등에서 사용되는 것과 같은 기능성 물질과 다양한 성분의 분석 등의 나노바이오기술 기반 산업 뿐만 아니라 과학 전반에 걸쳐 그 중요도가 더해가고 있다. 나노제조의 방법으로는 크게 광, 탐침, 및 나노인쇄 기반 리소그래피와 같은 Top-down 방식과 원자층 증착, 분자 자기조립 기법 등의 Bottom-up 방식이 있다. 대부분의 기술은 사용되는 목적에 부합되는 범위에서 최적화되어 있다 것과 제조되는 산물이 대부분 임의의 형상이나 비선택성, 등방성 등으로 제작되는 한계가 있다. 이러한 방식 중에서, 탐침 기반 나노제조 기술은 아직 대량 제품화가 어려운 실정이지만, 작은 형상제조, 정밀 제어 및 on-demand 형성 등으로 아주 큰 잠재성을 지니고 있다. 최근에는 3차원 프린팅 기술이 주목을 받고 있는데, 이는 복합한 구성품 제조 및 조립이 필요없이 단순한 쌓기 공정으로 원하는 제품을 만들어 낼 수 있기 때문이다. 그러나, 아직은 나노크기의 형상화를 가능케 하는 3D 나노 프린팅 기술은 확립되지 못한 실정이다. 이렇게 중요한 기술을 현실화시키는 유력한 후보중에 Electrospining, 나노구멍을 이용한 잉크젯 프린터, 포획된 액체의 반월 모양의 틀을 이용한 3D electrodeposition 등이 있으나, 표면 장력, 재현성, 잉크 선택성 및, 임의성 등의 한계를 보여주고 있다. 본 논문에서는 위치 자유하며 힘 분광 및 주사 검사 기능을 포함한 현미경이 결합된 나노피펫/수정진동자-원자힘현미경을 이용하여 나노액체의 전송 및 나노크기의 3D 형상화에 관한 연구를 보여줄 것이다. 본 기술의 중요한 요소는 핵심 부분인 나노피펫의 탐침 끝 구멍의 내경과 원자힘현미경을 이용한 수직방향의 정밀 거리 제어이다. 본 기술은 다음과 같은 실현화 단계를 거쳐서 3D 나노 프린팅 기술의 강력한 후보가 될 수 있을 것이다. 1) 나노피펫/수정진동자-원자힘현미경 개발, 2) 제안된 장비의 고성능을 위한 장비 개선, 3) 고급 장비 기술을 이용한 나노액체 전송 및 3D 나노제조 기술 확립. 본 연구를 통해 확립된 형판이 필요없고 on-demand, 가격경쟁력이 있는 나노크기의 3D 프린팅 기술을 이용하여 생체시스템의 모델로의 응용 등으로의 과학적 진보 뿐만 아니라 생화학 처리나 분자 전자장치 개발 등의 3D 구조의 공학 기술에도 기여할 수 있을 것이다.

Study on Mechanical Properties of Biological Cells by Atomic Force Microscopy

권상우 동국대학교 2019 국내박사

인쇄된 패턴의 표면조도 측정을 위한 AFM 활용방법

양용언 전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 2015 국내석사

인쇄 공정을 통해 제작된 전자 소자의 효율에 영향을 미치는 요인 중 하나는 인쇄된 패턴의 표면 조도 이다. 표면 조도가 클 경우 charge trap에 의한 효율 저하 및 열화가 발생할 수 있고 이는 유기소재를 이용한 전자 소자에는 매우 치명적이다. 표면조도 측정 방법은 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있으며, 접촉식 방법은 샘플과 stylus의 물리적인 접촉을 통해 시료의 line profile을 측정하는 방법으로 시료의 표면에 손상을 줄 가능성이 매우 크기 때문에 유연한 기판을 사용하는 인쇄 전자 소자에의 적용은 부적합 하므로 인쇄된 패턴의 표면조도를 측정할 때에는 탐침에 의한 시료 훼손이 없는 비접촉식 방법이 선호되고 있다. 이에 본 연구에서는 비접촉 환경에서 표면 조도를 측정하는 방법인 3D profiler와 Atomic force microscopy(AFM)의 표면 조도를 측정하여 비교 분석하였다. 인쇄 공정에 의해 제작된 전자 소자의 측정에 있어 AFM의 단점인 극소 면적 측정과, 스캔 속도가 느림 점을 통계학적 t-test 분석 보완 연구를 하였다. 본 연구에서는 AFM의 표면조도 값의 신뢰성 Test를 위해 기판선정으로는 일반적인 인쇄된 시료를 준비 하였다. 시료는 PET 필름 위에 스크린 프린팅 방법으로 전도성 Ag 패턴이 인쇄되어 있다. 패턴의 폭은 1mm 이고 이는 보통의 FPCB에 사용되는 두께이다. 측정 조건으로 스캔 size 30 X 30 μ㎡, 스캔 속도 0.1 Hz, 테스트 모드 비접촉식, Imaging direction으로 임의로 수평 및 수직을 측정하였다. 데이터 처리는 t-test를 통해 하나의 sample을 서로 다른 non-contact cantilever을 이용하여 반복 측정과 날짜 별로 표면 조도의 값이 변화가 있는지 실험을 하여 두 결과의 값이 실험 오차 내에서 서로 일치하는지를 확인, 95% 신뢰 할 수 있는 값을 확인하였다. 핵심단어 : AFM, surface roughness, t-test, 인쇄전자