Dimensionality-Dependent Plasticity in Halide Perovskite Artificial Synapses for Neuromorphic Computing

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 재료공학부, 2019. 2. 이태우.유기/무기 하이브리드 페로브스카이트 재료는 이온 이동에 의해 유발되는 특수한 히스테리시스 성질을 기반으로 한 인공 시냅스의 활성 물질로서 각광받고 있는 재료이다. 이전에 보고된 3차원 페로브스카이트 인공 시냅스 소자가 생물학적 시냅스의 시냅스 가소성을 성공적으로 모사하였지만, 소자의 메모리 유지시간과 에너지 소모는 아직 더 해결해야 할 과제이다. 여기서 우리는 2차원과 준 2차원 페로브스카이트 재료를 사용하여, 2단자 인공시냅스를 구현하였는데, 2차원과 준 2차원 페로브스카이트 재료는 메틸암모늄 브로마이드 구조에서 주기적인 절연체인 펜에틸암모늄 층이 섞여있는 구조를 갖고 있다. 다양한 차원에 따라서 페로브스카이트 박막의 광학적 특성과 형상을 확인하여 비교를 하였으며, 이러한 박막으로 만들어낸 소자의 시냅스 특성 (단기가소성, 장기가소성) 도 분석하여 비교를 하였다. 또한, 준 2차원 페로브스카이트 인공 시냅스 소자의 작동 메커니즘을 3차원 페로브스카이트 인공 시냅스 소자와 비교하여 분석하였는데, 이온 이동을 위한 활성화 에너지의 크기를 비교함으로써 메모리 유지시간이 증진되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 준 2차원 페로브스카이트 인공 시냅스 소자가 소모하는 에너지 (18 fJ/시냅스 사건) 가 생물학적 시냅스가 소모하는 에너지의 크기(1-10 fJ/시냅스 사건)와 근접한 수준이었다. 이 연구가 페로브스카이트 인공 시냅스를 기반으로 한 저에너지 뉴로모픽 일렉트로닉스를 가능하게 할 것이다.Organic-inorganic halide perovskites (OHPs) have unique hysteresis behavior caused by ion migration, so they may have applications as the active material of artificial synapses for neuromorphic electronics, which mimic structures and functions of biological neurons and synapses. Here we demonstrate artificial synapses with two-dimensional (2D) and Quasi-2D perovskite that have a layer of bulky organic cation (phenethylammonium (PEA)) to form structures of (PEA)2MAn-1PbnBr3n+1. The OHP films have morphological properties that depend on the structure dimensionality, and OHP artificial synapses show synaptic responses such as short-term plasticity, paired-pulse facilitation, and long-term plasticity. We also analyzed the operation mechanism of OHP artificial synapses and Quasi-2D (n = 3, 4, 5) OHP artificial synapses showed much longer retention time compared with 2D and 3D OHP counterparts. The calculated energy consumption of 2D OHP artificial synapse (~0.7 fJ/synaptic event) was comparable to that of the biological synapse (1-10 fJ/synaptic event). These OHP artificial synapses may enable development of neuromorphic electronics based on OHP artificial synapses.Chapter 1. Introduction Chapter 2. Experimental 2.1 Perovskite solution preparation 2.2 Device fabrication 2.3 Measurements Chapter 3. Results and Discussion 3.1 Structure of halide perovskite artificial synapses and perovskites 3.2 Optical analysis of perovskite films 3.3 Spike-dependent plasticity in artificial synapses 3.4 Long-term plasticity (LTP) in artificial synapses 3.5 Ion migration in artificial synapses 3.6 Energy efficiency of artificial synapses Chapter 4. Conclusions Bibliography Abstract in KoreanMaste

사이아노스틸벤 유도체를 기반으로 하는 유기 신소재의 광전자 응용에 대한 연구

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 재료공학부, 2023. 8. 권민상.유기 재료는 그들이 가지는 π 공액 구조가 그 분자 구조 설계에 따라서 전 영역의 가시광선 형광을 구현할 수 있으며 pi 오비탈을 공유하여 전자 전달 측면에서도 활용 가치를 인정받아 왔다. 또한 다른 물질들이 가지지 못하는 생체적합성 및 다기능성으로 생명과학 분야에서부터 전자 소자 분야까지 다양한 분야에서 차세대 물질로서 널리 연구되고 있다. 그 중에서도 사이아노스틸벤 구조는 이러한 유기물의 장점을 훌륭히 활용한 독창적인 분자 구조로 알려져 있다. 사이오스틸벤은 주로 비접합 고리 기반의 구조를 통해 간단하고 다양한 분자 설계를 할 수 있으며 분자 설계의 방향성에 따라서 다양한 쌓음 구조 양상을 가진다. 이를 통해 앞선 많은 연구들에서 형광체, 유기발광다이오드 (OLED), 유기트랜지스터, 유기태양전지 등의 분야에서 훌륭한 성능을 가진다는 것을 증명해왔다. 이번 학위 논문에서는 이러한 사이아노스틸벤 구조의 장점을 이용하여 수용성 형광체와 전자 전달 물질로서 목적에 맞게 분자를 합성 및 응용하고 그들의 특성 및 성능에 대해 분석하였다. 첫 번째 주제로 수용액 상에서 굽은 모양의 사이아노스틸벤 게스트 분자와 큐커빗[8]유릴 (CB[8]) 호스트 분자를 이용해 만들어진 초분자 유기 구조체 (SOF)를 구현하였다. 초분자 유기 구조체는 생명과학 분야 같은 다양한 응용에 대한 잠재력을 가지고 있다. 그 이유는 유기물이 다른 재료에 비해 가지는 독보적인 생체적합성과 초분자 화학 분야로서 간단한 합성, 여러 가지의 크기, 모양, 차원을 쉽게 구현할 수 있는 다기능성 잠재력이 있기 때문이다. 하지만 극소수의 초분자 유기 구조체만이 효과적으로 수용액 상에서 빛을 발산하는 것으로 알려져 있지만 그마저도 특정 농도 이상에서는 응집하여 2차 구조를 형성하게 된다. 이 말은 곧 여전히 생체 센서나 생체 이미지화 등 빛이 필요한 생체 분야 연구가 부족한 실정임을 의미한다. 여기서 나는 굽은 모양의 사이아노스틸벤 게스트 분자를 구조체의 차원과 소수성으로 인해 발생하는 표면 에너지를 줄이기 위해 도입함으로써 고형광성 0차원 나노링을 설계하였다. 이러한 호스트-게스트 복합체는 성공적으로 여섯 개의 게스트 분자를 기반으로 육각 고리를 형성하였고 조립되지 않은 단일체 (ΦF = 2 %)에 비해 비약적으로 강화된 형광(ΦF = 68 %)을 선보였다. 흥미롭게도, 이러한 굽은 모양의 사이아노스틸벤은 AIEE 분자의 보편적인 특성을 따르지 않았는 데, 게스트 분자가 응집상이 되었을 때 AIEE 분자의 거동을 보이지 않고 심지어 단일체에서 보다 형광이 줄어드는 것 (ΦF = 1 %)을 볼 수 있었다. 오직 CB[8]이 첨가될 때만 AIEE 거동을 보였다. 나의 예상대로 다른 초분자 유기 구조체들과 달리 이번 0차원 유기구조체는 용액이 포화될 때까지 응집되지 않고 균일분산성을 유지할 수 있었다. (Chapter 2) 다음으로 사이아노스틸벤 기반의 n형 반도체 분자를 혼합 할라이드 페로브스카이트 태양전지에 전자 전달 물질로서 적용하였다. 이 물질은 유기태양전지에서 효과적인 전자 받개 물질로 작용함으로써 사이아노스틸벤 유도체가 n형 반도체로 수직 방향의 전자 전달을 할 수 있음을 보였다. 최근 혼합 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 태양전지에서 페로브스카이트의 밴드갭을 조정하여 효율을 증진시킬 수 있는 효과적인 방법으로 주목받고 있다. 이 공법은 inverted 구조 (p-i-n)의 페로브스카이트 태양전지가 안정성과 낮은 히스테리시스를 가짐에도 상대적으로 conventional 구조 (n-i-p)의 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 전력 변환 효율을 보완함으로써 상용화의 가능성을 제시하였다. 하지만 페로브스카이트의 할라이드가 혼합될 때 컨덕션 밴드의 상승이 동반되는데 이로 인해 새로운 전자 전달 물질이 요구된다. 나는 사이아노스틸벤 기반의 n형 반도체를 페로브스카이트와 기존 전자 전달 물질 사이에 적용함으로써 에너지 레벨을 연속적이게 조정하였다. 새로 도입한 전자 전달 물질은 1.68 x 10-4 cm2V-1s-1의 전자 이동도를 가지며 LUMO와 HOMO는 각각 -3.67 eV와 -5.79 eV 이다. 결과적으로 새로운 사이아노스틸벤 기반의 전자 전달 물질을 도입한 혼합 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 20.5 % 이상의 전력 변환 효율을 보였으며 이는 기존의 태양전지보다 1 %가 넘는 성능 향상을 보인 것이다. (Chapter 3)Organic material with π-conjugation has been recognized for its ability to emit entire range of visible light fluorescence depending on its structure and transfer electrons through the interaction of π orbitals. Moreover, organic material exhibits biocompatibility and versatility such as flexibility and transparency, which are not commonly found in inorganic materials, making it a widely studied next-generation material in various fields ranging from bio-applications to electronic devices. Among them, cyanostilbene structure is a novel backbone that effectively apply the advantages of organic molecules. Cyanostilbene allows for simple and diverse molecular design through unfused-ring based structures, resulting in various stacking arrangements depending on the intention of application. This original structure reported aggregation-induced enhanced emission (AIEE) phenomenon by J-type stacking for the first time which suggested the breakthrough for limit of organic fluorescent application due to concentration quenching effect and showed that it has a great potential for n-type semiconductor because of strong electron withdrawing cyano group. Also, some derivatives exhibit distinctively different behaviors depending on stacking type or orientation even with very similar or identical structures. As a result, cyanostilbene has demonstrated excellent performances and functionalities in fluorescent materials, organic light emitting diodes (OLEDs), organic field effect transistors (OFETs), organic photovoltaics (OPVs) and other fields in numerous previous studies. The aim of the study described in this thesis is to research optoelectronic applications of cyanostilbene derivatives by applying and analyzing designed molecules especially for fluorescent and electron transporting materials as a breakthrough in their own fields. First, I have materialized supramolecular organic framework (SOF) made of bent-shaped cyanostilbene guest molecule and cucurbit[8]uril (CB[8]) as a host molecule in aqueous solution. SOFs have great potential for diverse applications such as life science because biocompatible property of organic molecule is unrivaled and supramolecular chemistry gives SOFs numerous advantages like simple synthesis, easy materialization of various size, shape and dimension which lead to versatile potentials. However, only a few SOFs had been reported which effectively emitted the light in aqueous solution but aggregated each other above the specific concentration, meaning that research for biosensor or bio-imaging in vivo is still lacking. Herein, I designed highly fluorescent zero-dimensional (0D) nano-ring SOF by inducing bent-shaped cyanostilbene guest to reduce dimension and surface energy owing to hydrophobicity. This host-guest complex successfully formed macrocyclic hexamer ring and showed significantly enhanced fluorescence (ΦF = 68%) compared to non-assembled monomer (ΦF = 2%). Interestingly, this bent-shaped cyanostilbene does not follow general feature of AIEE molecules. It does not behave like AIEE molecule even quenching fluorescence (ΦF = 1%) when it becomes condensed state, but only shows AIEE when CB[8] is added. Unlike other SOFs, as I expected, this 0D SOF could be dispersed uniformly without bundling phenomenon in water until the solution is saturated. (Chapter 2) Second, Cyanostilbene-based n-type semiconducting molecule have been applied to mixed-halide perovskite solar cell as an electron transporting material (ETM). This material had showed that cyanostilbene derivatives could performed effectively in OPVs which means this n-type semiconductor carries electron on vertical direction. Recently, mixed-halide perovskite solar cell has been received attention because it is the effective way to manipulate bandgap of perovskite to maximize the efficiency of both single junction and multi-junction solar cells. This fabrication has suggested that inverted (p-i-n) perovskite solar cell could reach commercialization by complementing relatively lower efficiency than conventional (n-i-p) perovskite solar cell with several other advantages such as stability and low hysteresis. However, when halide of perovskite is mixed, upshifted conduction band edge is accompanied. Therefore, new ETM would be needed instead of the formal ETM or between perovskite and the formal ETM. Herein, I have introduced the cyanostilbene-based n-type semiconductor between perovskite and the formal ETM which has appropriate potential to align cascade energy level. The orthogonal electron mobility of this new ETM was 1.68 x 10-4 cm2 V−1 s−1¬ and its LUMO and HOMO were -3.67 eV and -5.79 eV respectively. As a result, the inverted mixed-halide perovskite solar cell introducing new cyanostilbene-based ETM performed over 20.5 % of power conversion efficiency (PCE) which is more than 1 % improvement compared to the counterpart cell (19 %) without new ETM. (Chapter 3)Abstracts i List of Tables vii List of Schemes viii List of Figures ix Chapter 1. Introduction 1 1.1. Photophysics in organic materials 1 1.2. Aggregation-induced enhanced emission (AIEE) 5 1.3. Photophysics of organic molecules in aggregate-state 6 1.4. Perovskite solar cell 9 1.5. Purpose of Research 17 1.6. Bibliography 20 Chapter 2. Highly Fluorescent Supramolecular Nanoring Composed of Bent-Shaped Cyanostilbene Derivatives and Cucurbit[8]urils 25 2.1. Introduction 25 2.2. Results and Discussion 28 2.3. Experimental Section 47 2.4. Conclusion 51 2.5. Bibliography 54 Chapter 3. Reducing Charge Recombination of Mixed-halide Perovskite Solar Cell by using n-type Cyanostilbene Derivative Semi-conductor for Improving Performance 57 3.1. Introduction 57 3.2. Results and Discussion 61 3.3. Experimental Section 86 3.4. Conclusion 103 3.5. Bibliography 105 Abstract in Korean 109 List of Publications 112 List of Presentations 113박

공공공사의 클레임 실태분석과 개선방안(Analysis of the realities of claim in public works and its policy recommendations: Enhancing the institutional capability for claim management)

노트 : 이 연구보고서의 내용은 국토연구원의 자체 연구물로서 정부의 정책이나 견해와는 상관없습니다

대형공공건설사업의 효율적 추진방안 연구

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건설산업 구조변화 및 전망(Structural change and prospects in construction industry)

노트 : 이 연구보고서의 내용은 국토연구원의 자체 연구물로서 정부의 정책이나 견해와는 상관없습니다

건설환경변화와 건설산업정책

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대형공공공사 입찰방법 선정기준 개발 연구(A Study on development of delivery method selection critieria for public construction project)

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건설산업 발전을 위한 건설보증 역할강화 방안(Strategies to strengthen the role of the construction surety to develop the construction economy)

노트 : 이 연구보고서의 내용은 국토연구원의 자체 연구물로서 정부의 정책이나 견해와는 상관없습니다

Dual Production Tubing Design Considering Flow Stability and Production Rate

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 에너지시스템공학부, 2013. 2. 최종근.전통적으로 석유생산은 하나의 내경만으로 이뤄진 단일튜빙을 사용한다. 최근에는 생산량 증대를 위한 방법으로 다른 두 내경의 2단 튜빙을 이용한 기법이 제안되고 있다. 본 연구에서는 다양한 2단 튜빙조합을 고려하였으며 그 중 각 목적에 부합하는 조합들을 제시하였다. 기존연구에서 고려한 생산량뿐만 아니라 유동 안정성을 확보하는 결과를 제시하였다. 유동 안정성은 tubing pressure traverse, 액체부피비, 유동패턴, 운영조건의 안정성을 통해 분석하였다. Tubing pressure traverse를 통해 마찰압력손실이 전체압력손실 차이의 주요 원인임을 확인하였다. 액체부피비의 경우 튜빙 하단에서 비교했을 때 단일튜빙보다 2단 튜빙에서 작은 값을 보였다. 유동패턴은 대부분 slug flow를 보였으며 일부 튜빙조합에서만 튜빙하단에서 annular flow가 발생했다. 운영조건의 안정성은 tubing performance relationship의 기울기가 양일 때 확보된다고 가정하고 이를 만족하는 경우만을 고려하였다. 본 연구에서 분석한 가상유전의 경우 순현재가치가 가장 높은 2단 튜빙은 하단이 4.5 in. 내경에 길이가 2000 ft이며 상단은 5.5 in. 내경에 길이가 8000 ft인 조합이다. 또한 2단 튜빙을 통해 낮은 마찰압력손실을 유지할 수 있었다. 2단 튜빙간의 마찰압력손실 차이는 크지 않았기 때문에 단일튜빙과 비교했을 때 보다 다양한 조합이 가능했다. 튜빙하단에선 liquid loading 현상의 방지를 위해 작은 액체부피비를 유지하는 것이 중요한데, 이는 2단 튜빙하단에서 작은 내경을 사용함으로써 가능했다. 이처럼 생산운영의 전반적 분석결과로부터 목적에 따라 다양한 튜빙 디자인이 가능함을 확인했다.초 록 ⅰ List of Tables ⅳ List of Figures ⅴ 1. 서 론 1 2. 이론적 배경 7 2.1 IPR 7 2.2 TPR 14 2.3 노달분석 19 3. 튜빙조합에 따른 생산량과 순현재가치 21 4. 연구결과 23 4.1 IPR, TPR 도출 23 4.2 운영조건 27 4.3 Tubing pressure traverse analysis 29 4.4 액체부피비 44 4.5 유동패턴 47 4.6 튜빙길이 변화 49 5. 결 론 54 참고문헌 56 ABSTRACT 58Maste

Design and Analysis of Multimodal Interfaces for Virtual CAD Operations

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